KR100858217B1 - Optical modulator package for bi-directional data communication - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양방향 통신용 광모듈 패키지에 관한 것으로, 특히 레이저 다이오드 칩과 45°경사거울 및 수신용 포토 다이오드 칩이 하나의 패키지 하우징에 내장되어 광신호의 전송과 수신을 동시에 수행하는 양방향 통신용 광모듈 패키지에 관한 것이다. The present invention relates to an optical module package for bidirectional communication. In particular, an optical module package for bidirectional communication in which a laser diode chip, a 45 ° tilt mirror, and a photodiode chip for receiving are built in one package housing to simultaneously transmit and receive an optical signal. It is about.
근래에 들어 대용량의 정보 전송 및 고속의 정보 통신을 위하여 빛을 정보 전송의 매개로 하는 광통신이 일반화되어 있다. 근래에 있어서 가로 길이 및 세로 길이가 각각 0.3㎜ 정도인 반도체 레이저 다이오드 칩을 이용하여 손쉽게 10Gbps(giga bit per sec)의 전기 신호를 레이저 빛으로 변환할 수 있으며, 반도체 광 수광소자를 이용하여 광섬유를 통해 전송되어오는 광신호를 전기신호로 손쉽게 변환할 수 있다. 빛은 매우 특이한 특성을 갖는 에너지파로서 어느 한 지역에 동시에 존재하는 여러 빛들이 서로 상호 작용을 하기 위해서는 상호 작용의 대상이 되 는 빛들이 동일한 파장을 가지거나, 빛의 위상(phase)가 맞아야 하며, 또한 진행 방향이 일치하여야 한다. 그러므로 빛은 서로 간의 간섭성이 매우 떨어지며 이러한 빛의 특성을 이용하여 여러 가지 파장을 갖는 빛을 동시에 하나의 광섬유를 통하여 전송하는 파장분할(Wavelength division multiplexing: WDM) 방식의 광통신이 선호되고 있다. 이러한 WDM 방식의 광통신은 신호의 전송 매질인 광섬유를 공유할 수 있게 해줌으로써 광섬유 포설에 따른 비용을 줄여준다는 점에서 매우 경제적인 통신 방법이다. Background Art In recent years, optical communication using light as a medium for information transmission has become common for large-capacity information transmission and high-speed information communication. In recent years, a 10 Gbps (giga bit per sec) electric signal can be easily converted into laser light using a semiconductor laser diode chip having a length of 0.3 mm and a length of about 0.3 mm, respectively. It is easy to convert the optical signal transmitted through the electric signal. Light is an energy wave with very peculiar characteristics. In order for several lights simultaneously in one region to interact with each other, the light to be interacted with must have the same wavelength or have the same light phase. In addition, the direction of travel shall coincide. Therefore, light is very inferior to each other, and the wavelength division multiplexing (WDM) optical communication that transmits light having various wavelengths simultaneously through one optical fiber by using the characteristics of the light is preferred. The optical communication of the WDM method is a very economical communication method in that the optical fiber, which is a signal transmission medium, can be shared, thereby reducing the cost of laying the optical fiber.
근래에는 광섬유를 통신 가입자의 집 내부까지 연결하는 FTTH(fiber to the home)가 일반화 되어가고 있는 추세이다. 광섬유를 통신 가입자의 집 내부까지 끌어들여 광통신을 하는 FTTH 방식에서는 통신 가입자의 집 내부에서 광신호를 생성하여 광통신의 기지국으로 보내는 상향 광통신과 광통신의 기지국에서 전송되어 오는 광신호를 전기신호로 바꾸어주는 하향 광통신이 필요하다. 이러한 상·하향 광통신을 수행하는 방법으로 상향 광신호를 처리하는 광섬유와 하향 광신호를 처리하는 광섬유를 별도로 포설하여 사용하는 방법이 있지만 이러한 방법은 광섬유의 낭비를 가져오게 된다. 그러므로 최근에는 한 가닥의 광섬유를 통하여 상향 광신호 및 하향 광신호를 전송하는 양방향(bidirectional) 광통신 방법이 널리 채택되고 있다. 광섬유를 통하여 하향 전송되어 오는 광신호를 수신하여 전기 신호로 바꾸어주는 광 수광 소자와, 전기신호를 광신호로 바꾸어 광섬유를 통하여 전송하는 광 송신 소자를 일체화하여 하나의 광섬유와 광 결합이 일어나도록 제작된 모듈을 통칭하여 BiDi 모듈이라고 일컬어지고 있다. In recent years, fiber to the home (FTTH), which connects optical fiber to the inside of a subscriber's home, is becoming more common. In the FTTH method, the optical fiber is drawn inside the subscriber's home for optical communication, and the optical signal is generated inside the subscriber's home and the optical signal transmitted from the base station of the optical communication is converted into an electrical signal. Downlink optical communication is required. As a method of performing the uplink and downlink optical communication, there is a method of separately installing and using an optical fiber for processing an uplink optical signal and an optical fiber for processing a downlink optical signal, but this method causes waste of optical fibers. Therefore, recently, a bidirectional optical communication method for transmitting an uplink optical signal and a downlink optical signal through one strand of optical fiber has been widely adopted. Integrate the light-receiving element that receives the optical signal transmitted downward through the optical fiber and converts it into an electrical signal, and the optical transmission element that converts the electric signal into an optical signal and transmits it through the optical fiber so that optical coupling with one optical fiber occurs. Modules collectively referred to as BiDi module.
도 1은 종래 일반적인 BiDi 모듈의 구조를 보이고 있다. 1 shows a structure of a conventional general BiDi module.
이하, 도 1을 설명하는데 있어 BiDi 모듈 하우징(1)에 설치되어 광섬유(2)로 광신호를 상향 전송하는 TO형 레이저 다이오드(4)에서 방출되는 빛의 파장이 1550㎚이며, 광섬유(2)에서 하향 전송되어 TO형 수광소자(5)로 입사하는 빛의 파장을 1300㎚로 가정하여 설명한다. 도 1에서 45°필터(filter)(3)는 굴절률이 상대적으로 높고 낮은 유전체 박막을 복수의 층으로 교대로 증착함으로써 1550㎚의 파장에 대해서는 투과를 하며 1300㎚의 파장은 반사를 하는 파장 선택성을 갖도록 제작할 수 있다. 그러므로 TO형 레이저 다이오드(4)에서 발산되는 1550㎚의 파장을 가지는 레이저 빛은 45°필터(3)를 그대로 투과하여 광섬유(2)로 광신호 빛이 집속하게 하며 광섬유(2)에서 발산하는 1300㎚ 파장의 하향 빛은 1300㎚ 파장의 빛을 반사하는 45°필터(3)에서 진행 방향이 90°꺽여 TO형 수광소자(5)로 진입하게 된다. 그러므로 BiDi 모듈을 사용함으로써 하나의 광섬유(2)를 이용하여 동시에 신호의 상·하향 전송이 이루어지게 된다. 그러나 기존의 BiDi 모듈은 TO형 레이저 다이오드(4) 및 TO형 수광소자(5) 등 2개의 TO형 모듈을 내부에 장착함으로써 부피가 커지게 되고, 광섬유(2)와 TO형 레이저 다이오드(4)의 정밀한 광 정렬뿐만 아니라 광섬유(2)와 TO형 수광소자(5)를 광 정렬하여야 하므로 정렬을 위한 부품 조립 시간 및 비용이 높아지는 문제점이 있었다. 1, the wavelength of light emitted from the TO-
이러한 도 1과 같은 종래의 BiDi 모듈의 단점을 줄이기 위하여 하나의 TO형 모듈에 레이저 다이오드 칩, 수광소자 및 45°필터를 집적하는 집적형 BiDi 모듈에 대한 연구 개발이 있었다. Yoon(IEEE PHOTONIC TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 16, NO. 8, 2004, p1954) 등은 반도체 레이저 다이오드 칩, 수광소자인 포토 다이오드 칩 및 45°필터 등을 하나의 기판에 실장하여 TO형 패키지로 조립한 예를 보였다. 이들이 사용한 45°필터의 크기는 대략 길이가 1.2㎜, 두께가 0.6㎜인 필터이다. 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛은 대략 반가폭(Full width at half maximum: FWHM)이 30∼40°정도의 발산각을 가지면서 방출된다. 그러므로 반도체 레이저 다이오드 칩과 광섬유 사이에는 레이저 다이오드 칩에서 발산된 빛을 광섬유의 단면에 집속시키기 위한 렌즈가 필요하게 된다. 이 집속 렌즈의 크기가 제한되어 있으므로 통상적인 TO형 패키지의 반도체 레이저 다이오드 칩으로부터 렌즈까지의 거리는 통상적으로 1.1㎜ 정도이다. 이때 통상적으로 사용되는 렌즈의 직경은 최대 2㎜ 정도이다. 그러므로 반도체 레이저 다이오드 칩으로부터 발산되는 빛이 렌즈에 의해 잘 집속되기 위해서는 렌즈에 투사되는 레이저 빛의 크기가 작은 것이 유리하고 이는 반도체 레이저 다이오드 칩의 광 출력면과 렌즈 사이의 길이를 짧게 하는 것으로 이루어질 수 있다. 통상적인 BiDi 모듈에서는 TO형 레이저 다이오드 패키지 및 TO형 포토 다이오드 패키지의 각각에 렌즈가 구비되어 있어 렌즈로부터 반도체 레이저 다이오드 칩의 광 출력면, 렌즈로부터 포토 다이오드 칩의 광 흡수층 사이의 거리가 최적 조건으로 설정되게 된다. 그러나 반도체 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩 및 45°필터를 하나의 기판에 집적하는 집적형 BiDi 모듈에서는 사용되는 45°필터의 크기 때문에 레이저 다이오드 칩으로부터 렌즈까지의 거리가 멀어지게 되며, 이에 따라 레이저 다이오드 칩으로부터 발산되는 빛이 너무 커지게 되는 문제가 발생한다. 그러므로 이러한 문제를 해결하기 위해 레이저 빛의 발산각도를 줄여주는 작은 크기의 렌즈가 기판에 추가적으로 필요하게 된다. 이러한 논의는 광섬유로부터 방출되어 포토 다이오드 칩으로 입사하는 하향 신호광에 대해서도 마찬가지로 적용된다. 그러므로 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩 그리고 45°필터를 하나의 기판에 집적하기 위해서는 마이크로 렌즈라 불리는 2개의 소형 렌즈가 추가되어야한다. 45°필터의 두께를 얇게 만드는 방법은 45°필터를 기판에 세울 때 안정성이 떨어지므로 최소한 길이가 1.2㎜, 두께가 0.5㎜ 이상의 크기를 가져야 한다. 이렇게 크기가 큰 45°필터를 사용할 경우에 45°필터의 크기로 인해 레이저 다이오드 칩과 렌즈 사이의 거리가 멀어지는 문제는 해결하기 어려운 과제이며, 추가적으로 마이크로 렌즈의 필요성이 제기된다. 또한 추가적인 마이크로 렌즈가 부착되게 됨으로써 레이저 다이오드 칩, 포토 다이오드 칩, 45°필터 및 추가적인 마이크로 렌즈를 부착하기 위한 기판의 바닥 면적이 넓어지는 단점이 있다. 참조하는 Yoon 등의 논문에 따르면 이들은 바닥면적이 2.1㎜×2.0㎜ 이었다. In order to reduce the disadvantages of the conventional BiDi module as shown in FIG. 1, there has been research and development on an integrated BiDi module integrating a laser diode chip, a light receiving element, and a 45 ° filter in one TO type module. Yoon (IEEE PHOTONIC TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 16, NO. 8, 2004, p1954) has a semiconductor laser diode chip, a photodiode chip as a light-receiving element, and a 45 ° filter mounted on a single board and assembled into a TO-type package. Yes. The size of the 45 ° filter used by them is approximately 1.2 mm in length and 0.6 mm in thickness. The laser light emitted from the laser diode chip is emitted with a full width at half maximum (FWHM) of about 30 to 40 degrees. Therefore, a lens is required between the semiconductor laser diode chip and the optical fiber to focus the light emitted from the laser diode chip on the cross section of the optical fiber. Since the size of the focusing lens is limited, the distance from the semiconductor laser diode chip of the conventional TO-type package to the lens is typically about 1.1 mm. In this case, the diameter of a lens that is commonly used is about 2 mm at maximum. Therefore, in order for the light emitted from the semiconductor laser diode chip to be focused well by the lens, it is advantageous that the size of the laser light projected on the lens is small, which can be achieved by shortening the length between the light output surface of the semiconductor laser diode chip and the lens. have. In a typical BiDi module, a lens is provided in each of the TO-type laser diode package and the TO-type photodiode package, so that the distance between the light output surface of the semiconductor laser diode chip and the light absorption layer of the photodiode chip from the lens is optimal. Will be set. However, due to the size of the 45 ° filter used in an integrated BiDi module integrating a semiconductor laser diode chip, a photo diode chip and a 45 ° filter on a single substrate, the distance from the laser diode chip to the lens is increased. The problem is that the light emitted from the chip becomes too large. Therefore, in order to solve this problem, a small size lens for reducing the divergence angle of the laser light is required on the substrate. This discussion applies equally to the downward signal light emitted from the optical fiber and incident on the photodiode chip. Therefore, in order to integrate a laser diode chip, a photodiode chip, and a 45 ° filter onto a single substrate, two small lenses called micro lenses must be added. The method of making the 45 ° filter thinner should be at least 1.2 mm long and 0.5 mm thick because the 45 ° filter is less stable when the 45 ° filter is placed on the substrate. In the case of using such a large 45 ° filter, the distance between the laser diode chip and the lens due to the size of the 45 ° filter is a difficult problem to solve, which further raises the need for a micro lens. In addition, since the additional microlens is attached, the bottom area of the substrate for attaching the laser diode chip, the photodiode chip, the 45 ° filter and the additional microlens is increased. According to the papers of Yoon et al., They have a floor area of 2.1 mm x 2.0 mm.
추가적인 마이크로 렌즈를 이용하여 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩 그리고 45°필터를 하나의 기판에 집적하는 또 다른 방법이 Shimura 등에 의해 발표되었다(IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 18, NO. 16, AUGUST 15, 2006, p1738). 이들의 방식에서도 레이저 다이오드 칩과 45°필터 사이의 거리 및 포토 다이오드 칩과 45°필터 사이의 거리가 0.9㎜ 정도로 멀어짐으로 과도하게 레이저 빛의 크기가 커지게 되는 문제가 발생하며 이를 해결하기 위해 레이저 다이오드 칩과 45°필터 사이 및 포토 다이오드 칩과 45°필터 사이에 추가적인 마이크로 렌즈를 사용하고 있다. 참조하는 Shimura 등의 논문에서도 레이저 다이오드 칩, 포토 다이오드 칩, 45°필터 및 추가적인 마이크로 렌즈를 부착하기 위한 기판의 바닥 면적이 2.0㎜×2.0㎜를 넘고 있다. Another method of integrating a laser diode chip, a photodiode chip and a 45 ° filter on a single substrate using an additional microlens was presented by Shimura et al. (IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 18, NO. 16, AUGUST 15, 2006, p1738). Even in these methods, the distance between the laser diode chip and the 45 ° filter and the distance between the photodiode chip and the 45 ° filter are about 0.9 mm, which causes the problem of excessively large laser light. Additional microlenses are used between the diode chip and the 45 ° filter and between the photodiode chip and the 45 ° filter. See also Shimura et al. The substrate area for attaching a laser diode chip, a photodiode chip, a 45 ° filter and an additional microlens exceeds 2.0 mm x 2.0 mm.
전술한 두 개의 참증 논문에서 보이듯이 마이크로 렌즈를 사용할 경우에는 추가적인 마이크로 렌즈의 위치에 따라 레이저 빛들의 광 경로가 달라지게 된다. 그러므로 광섬유와의 높은 광결합 효율을 위해서는 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩, 2개의 마이크로 렌즈 및 45°필터의 위치를 매우 정밀하게 조절하여야 한다. 마이크로 렌즈를 정확한 위치에 정밀하게 부착하기 위해서는 마이크로 렌즈 자체의 크기가 또한 매우 정밀하게 조절되어야 하고, 부착 방법 또한 매우 높은 수준의 정밀도를 확보할 수 있어야 하며, 이러한 방법은 조립 비용이 많이 들어가는 문제점을 발생시키게 된다. As shown in the two reference papers described above, when a microlens is used, the optical path of the laser lights varies depending on the position of the additional microlens. Therefore, for high optical coupling efficiency with the optical fiber, the position of the laser diode chip and the photodiode chip, two micro lenses, and the 45 ° filter must be adjusted very precisely. In order to accurately attach the microlens in the correct position, the size of the microlens itself must also be adjusted very precisely, and the attaching method must also be able to secure a very high level of precision. Will be generated.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩 및 45°필터를 하나의 기판에 집적하여 양방향 광통신을 가능하게 하는 양방향 광통신 모듈을 제작함에 있어서 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛과 광섬유에서 발산되어 포토 다이오드 칩으로 진행하는 레이저 빛의 퍼짐을 방지하기 위해 삽입하는 마이크로 렌즈를 삭제하여 각 부품들의 광정렬이 손쉽게 이루어지도록 하며, 마이크로 렌즈를 사용하지 않음으로 인하여 저가격에 양방 통신용 광모듈 패키지를 제작할 수 있도록 하며, 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩 및 45°필터를 실장하는 바닥 면적을 최소화함으로써 TO56형 등의 초소형 패키지에도 쉽게 적용할 수 있는 광모듈 패키지를 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art, a laser diode chip, a photo diode chip and a 45 ° filter is integrated in one substrate to enable a two-way optical communication module to enable a two-way optical communication module In order to prevent the spread of the laser light emitted from the diode chip and the laser light emitted from the optical fiber and going to the photodiode chip, the micro lens inserted is deleted to make the alignment of the components easier. Therefore, it is possible to manufacture optical module package for both communication at low cost and to minimize the floor area where laser diode chip, photodiode chip and 45 ° filter are installed. To provide.
본 발명에서는 레이저 다이오드 칩과 45°필터 사이의 거리 및 포토 다이오드 칩과 45°필터 사이의 거리를 최소화함으로써 마이크로 렌즈가 필요 없도록 하는 방법을 제시한다. 이를 위하여 본 발명에서는 초소형의 45°필터용 45°경사거울을 제작하고, 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩 및 45°경사거울을 배치하는 방법을 제시하며, 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩의 정밀한 위치 조절이 용이한 방법을 제시함으로써 레이저 다이오드 칩, 포토 다이오드 칩, 45°경사 거울을 하나의 기판에 조립하되 마이크로 렌즈 없이도 양방향 광통신을 저렴하게 구현하는 방법을 제시한다. 또한 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩 및 45°경사거울이 설치되는 바닥 면적을 최소화 함으로서 TO56형 등의 초소형 패키지에도 쉽게 내장되도록 하는 방법을 제시한다. The present invention proposes a method of eliminating the need for a micro lens by minimizing the distance between the laser diode chip and the 45 ° filter and the distance between the photodiode chip and the 45 ° filter. To this end, the present invention fabricates a 45 ° tilt mirror for a very small 45 ° filter, and proposes a method of arranging a laser diode chip, a photo diode chip and a 45 ° tilt mirror, and precisely adjusting the position of the laser diode chip and the photo diode chip. By presenting this easy method, a laser diode chip, a photodiode chip, and a 45 ° inclined mirror are assembled on a single substrate, but a method for inexpensively implementing bidirectional optical communication without a microlens is presented. In addition, the present invention proposes a method of easily embedded in a small package such as TO56 by minimizing the floor area where the laser diode chip, photodiode chip and 45 ° tilt mirror are installed.
본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈 패키지는 레이저 다이오드 칩과 45°경사거울 사이의 거리 및 포토 다이오드 칩과 45°경사거울 사이의 거리를 최소화할 수 있으므로 마이크로 렌즈의 필요성이 없어지게 되어 마이크로 렌즈를 제거할 수 있으며, 이러한 마이크로 렌즈를 제거함으로써 마이크로 렌즈의 부착 위치 이상에 의한 광경로 이상 문제를 해결할 수 있게 된다. 또한, 종래의 방법에서는 수신용 포토 다이오드 칩을 세워서 배치하여야 하나 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩 및 수신용 포토 다이오드 칩을 모두 바닥에 눕힌 형태로 조립할 수 있도록 하므로써 레이저 다이오드 칩 및 수신용 포토 다이오드 칩의 위치 조절이 매우 용이한 효과가 있다.The optical module package for bidirectional communication according to the present invention can minimize the distance between the laser diode chip and the 45 ° inclination mirror and the distance between the photodiode chip and the 45 ° inclination mirror, eliminating the need for a microlens and thus eliminating the microlens. By removing such a microlens, it is possible to solve the problem of an optical path abnormal due to an abnormal mounting position of the microlens. In addition, in the conventional method, the receiving photodiode chip should be placed upright, but in the present invention, the laser diode chip and the receiving photodiode chip can be assembled in the form of lying down on the floor so that the position of the laser diode chip and the receiving photodiode chip can be assembled. The effect is very easy to adjust.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양방향 통신용 광모듈 패키지의 전체적인 구조도이고, 도 3은 제 1 서브마운트의 평면 사시도이다. 2 is a schematic structural diagram of an optical module package for bidirectional communication according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a plan perspective view of the first submount.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈 패키지는 제 1 서브마운트(400) 상부 일측에 바닥면에 대해 45°의 경사각을 갖는 경사면이 형성된 쐐기 모양의 45°경사거울(200)이 설치되고 이 45°경사거울(200) 측면에 제 2 서브마운트(300)가 설치되며, 이 제 2 서브마운트(300) 상부에 45°경사거울(200)의 경사면을 향하여 레이저 다이오드 칩(100)이 설치된다. 이때 제 2 서브마운트(300)는 45°경사거울(200)과 반대의 외관으로 형성되어 45°경사거울(200)의 경사면과 서로 맞물리게 제작되어 레이저 다이오드 칩(100)을 최대한 45°경사거울(200)의 경사면에 근접할 수 있는 형태로 조립된다. As shown in FIG. 2, the optical module package for bidirectional communication according to the present invention has a wedge-shaped 45 °
상기 제 1 서브마운트(400)는 도 3에 도시된 바와 같이, "ㄷ"자 형태로 제작되어 상하가 관통된 홈에 수신용 포토 다이오드 칩(500)과 수신용 포토 다이오드 칩 서브마운트(600)가 삽입되어 설치될 수 있도록 한다. As shown in FIG. 3, the
상기 45°경사거울(200)의 경사면은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛에 해당되는 파장의 빛을 반사하는 특성을 갖도록 하고, 도면에 표시되어 있지 않은 광섬유로부터 발산되어 포토 다이오드 칩(500) 쪽으로 진행하는 레이저 빛에 해당되는 파장의 레이저 빛에 대해서는 투과하는 특성을 갖도록 제작된다. 본 발명에는 광섬유를 통하여 전송되어오는 외부 광신호를 검출하기 위한 제 1 포토 다이오드 칩과 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시하기 위한 제 2 포토 다이오드 칩이 필요한데 설명의 편의를 위해 외부 광신호를 검출하기 위한 제 1 포 토 다이오드 칩을 수신용 포토 다이오드 칩(500)이라 명칭하고 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시하기 위한 제 2 포토 다이오드 칩을 감시용 포토 다이오드 칩(700)이라 명칭하기로 한다, 또한, 이하에서는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛은 1550㎚의 파장을 가지며, 광섬유에서 수신용 포토 다이오드 칩(500)으로 진행하는 레이저 빛은 1300㎚의 파장을 갖는다고 가정하여 설명하는데, 이러한 파장 분류는 단지 설명의 편의를 위한 것이고 실질적으로는 파장이 뒤바뀌어도 그대로 적용된다. 이렇게 제작된 구조의 모듈에서 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 1550㎚의 레이저 빛은 45°경사거울(200)에서 반사되어 진행 방향이 90°꺽여 상부의 광섬유로 전송되게 된다. 빛은 진행 경로가 가역적(reversible)인 특성을 가지므로 광섬유로부터 발산되는 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 레이저 다이오드 칩(100)에서 광섬유로 진행하는 1550㎚ 파장의 레이저 빛의 진행의 반대 방향으로 45°경사거울(200)로 입사하게 된다. 광섬유에서 발산되는 1300㎚의 레이저 빛에 대하여 45°경사거울(200)은 투과되는 특성을 가지므로 45°경사거울(200) 표면에 도착한 1300㎚의 레이저 빛은 45°경사거울(200) 내부로 흡수되어 진행하게 된다. 본 발명에서 사용하는 45°경사거울(200)은 1300㎚ 또는 1550㎚의 근적외선 영역의 파장을 흡수하지 않는 실리콘 또는 유리를 그 모재로 하므로 45°경사거울(200) 내부를 진행하는 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 45°경사거울(200)을 투과하여 45°경사거울(200) 뒷면으로 탈출하게 된다. 45°경사거울(200) 뒷면으로 탈출된 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 스넬의 법칙에 따라 45°경사거울(200)에 도달하기 전의 진행 방향과 동일한 진행 방향을 갖게 된다. 따라서, 45°경사거울(200)을 투과한 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 "ㄷ"자 형태의 제 1 서브마운트(400)의 "ㄷ"자 홈으로 탈출하게 되는데, 이 제 1 서브마운트(400)의 홈에 수신용 포토 다이오드 칩(500)이 부착되어 있으므로 광섬유로부터 발생된 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 수신용 포토 다이오드 칩(500)에 수신되어 전송되어오는 광신호를 수신하게 된다. The inclined surface of the 45 °
상기 수신용 포토 다이오드 칩(500)은 제 1 서브마운트(400)의 'ㄷ'자 홈의 바닥면에 설치되는 수신용 포토 다이오드 칩 서브마운트(600) 상부에 설치되고, 감시용 포토 다이오드 칩(700)은 제 1 서브마운트(400) 상부에 설치되는 감시용 포토 다이오드 칩 서브마운트(800)의 일측에 레이저 다이오드 칩(100)을 향하여 설치된다. The receiving
이하에서는 상기 양방향 통신용 광모듈 패키지의 각 구성에 대하여 설명한다. 본 발명의 각 구성을 설명하는 데 있어 이해를 돕기 위하여 본 발명과 관련되어 본 출원인에 의해 제안된 특허출원 제2007-0026558호에 대하여 먼저 간단하게 설명한다. Hereinafter, each configuration of the optical module package for bidirectional communication will be described. In order to facilitate understanding in describing each configuration of the present invention, patent application No. 2007-0026558 proposed by the present applicant in connection with the present invention will first be briefly described.
도 4는 본 출원인의 기 특허출원 제2007-0026558호에서 제안된 실리콘 모재를 이용하여 45°경사거울을 제작하는 과정을 나타낸 것이다.Figure 4 shows the process of manufacturing a 45 ° inclined mirror using the silicon base material proposed in the applicant's patent application No. 2007-0026558.
상기 특허출원에서는 반도체 실리콘 잉곳으로부터 반도체 실리콘 웨이퍼(2)를 슬라이싱하여 포토 레지스트(3)로 도포한 후, 습식 식각의 방법으로 45°경사면(111)을 형성하고, 폴리싱(polishing) 된 원래 반도체 실리콘 웨이퍼(2)의 하부 면(4)에 반사율이 높은 금속 또는 굴절률의 높낮이가 다른 복수 층의 유전체 박막을 코팅한 후, 반사층이 형성된 반도체 실리콘 웨이퍼(2)를 sawing 또는 scribing 등의 방법으로 잘라내어 각각의 45°경사거울(10)로 제작하게 된다. In the patent application, the
또한 본 출원인의 다른 특허출원인 제2007-0120602는 상기 도 4의 과정을 통하여 제작된 반도체 실리콘 웨이퍼로부터 개별의 45°경사거울을 분리할 때 잘라내는 크기에 따라 45°경사거울의 형상이 도 5와 같이 여러 형태로 바뀔 수 있음을 보였다.In addition, another patent application No. 2007-0120602 of the applicant has a shape of 45 ° inclined mirror according to the size cut out when separating the individual 45 ° inclined mirror from the semiconductor silicon wafer manufactured through the process of FIG. It has been shown that it can be changed in various forms.
도 6은 45°경사거울에 입사되는 빛의 방향에 따라 달라지는 빛의 경로를 나타낸 것이다.Figure 6 shows the path of the light that depends on the direction of the light incident on the 45 ° tilt mirror.
도 6에 도시된 45°경사거울에서 ①, ②, ③, ④로 표현된 45°경사거울의 각 표면은 상기 특허출원 제2007-0120602에서와 같이 ①면은 원 실리콘 웨이퍼의 폴리싱 된 하부면을 나타내고, ②면은 원 실리콘 웨이퍼의 sawing 또는 scribing 된 면을, ③은 원 실리콘 웨이퍼의 식각면을, ④면은 원 실리콘 웨이퍼의 폴리싱 된 윗면을 나타낸다. In the 45 ° inclined mirror shown in FIG. 6, each surface of the 45 ° inclined mirror represented by ①, ②, ③, and ④ has a
45°경사거울의 상부쪽에서 연직 방향으로 진행해 내려오는 빛이 45°경사거울의 표면을 투과해 경사거울 내부로 진행하게 되고, 45°경사거울의 내부를 투과하는 레이저 빛은 45°경사거울에 도달하는 지점에 따라 상이한 진행 경로를 갖게 된다. Light from the upper side of the 45 ° inclined mirror passes through the surface of the 45 ° inclined mirror and proceeds to the inside of the inclined mirror, and the laser light penetrating the 45 ° inclined mirror reaches the 45 ° inclined mirror. Depending on the point, different paths will be taken.
도 6에 도시된 바와 같이, "L" 영역으로 입사하는 빛은 스넬의 법칙에 따라 45°경사거울의 경사면의 수선에 대해 11.7°의 각도를 가지며 경사거울 내부를 진행한다. 경사거울 내부를 진행한 빛이 경사거울의 하부면을 만나게 될 때 경사거울 하부면의 수선에 대해 33.3°의 입사각을 가지게 된다. 33.3°의 입사각은 실리콘의 굴절률을 3.5라 하고 공기의 굴절률을 1이라 하였을 때 전반사에 해당하는 입사각이다. 그러므로 "L" 영역으로 입사한 빛은 경사거울의 하부면에서 전반사하여 45°경사거울의 ②면에 도달한 후 공기 중으로 탈출하게 된다. As shown in FIG. 6, the light entering the "L" region travels inside the inclined mirror at an angle of 11.7 degrees with respect to the waterline of the inclined surface of the 45 inclined mirror according to Snell's law. When the light traveling inside the inclined mirror meets the lower surface of the inclined mirror, it has an angle of incidence of 33.3 ° with respect to the waterline of the inclined mirror. An incident angle of 33.3 ° is an incident angle corresponding to total reflection when the refractive index of silicon is 3.5 and the refractive index of air is 1. Therefore, the light incident to the "L" region totally reflects from the lower surface of the inclined mirror to reach the ② surface of the 45 ° inclined mirror and then escapes into the air.
45°경사거울의 "H" 영역으로 연직 방향으로 입사하는 빛은 경사거울의 경사면 수선에 대해 45°의 입사각으로 입사하게 된다. 스넬의 법칙에 의해 경사면을 투과하여 거울 내부로 진행하는 빛은 경사면의 수선에 대해 11.7°의 각도를 갖는다. 이러한 빛이 ④에 입사할 때 ④의 수직에 대해 11.7°의 입사각을 갖게 되고 이 빛은 공기중에서 연직 하방의 방향성을 가지며 공기 중으로 탈출하게 된다. Light incident in the vertical direction to the “H” region of the 45 ° inclined mirror is incident at an incidence angle of 45 ° with respect to the inclined plane repair of the inclined mirror. By Snell's law, the light that passes through the slope and travels inside the mirror has an angle of 11.7 ° with respect to the slope of the slope. When this light enters ④, it has an angle of incidence of 11.7 ° with respect to the vertical of ④, and the light escapes into the air with a vertical downward direction in the air.
상기 도 4에서 설명한 바와 같이 본 출원인은 상기 특허출원 제2007-0026558호에서 45°경사거울의 경사면을 실리콘 등의 반도체 웨이퍼의 평탄한 아랫면에 형성시키고, 반사면 형성을 위한 재질 및 구조로 굴절률이 서로 다른 복층의 유전체 박막을 제시하고 있다. 평탄한 면에의 유전체 박막 증착을 통하여 특정한 파장에 대해 반사율 및 투과율을 조절하는 기법은 매우 일반화되고 잘 관리되고 있는 공정이므로 45°경사거울의 투과도는 손쉽게 조절될 수 있다. 또한 본 출원인은 상기 제2007-0120602에서 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼의 윗면에 무반사 증착을 하여 모듈에 내장된 레이저 다이오드 칩으로부터 발산하는 레이저 빛이 45°경사거울의 후면에서 반사없이 공기중으로 탈출하는 과정을 설명하였다. As described above with reference to FIG. 4, the present applicant forms an inclined surface of a 45 ° inclined mirror on a flat lower surface of a semiconductor wafer such as silicon, and has a refractive index of a material and a structure for forming a reflective surface in the patent application No. 2007-0026558. Another multilayer dielectric thin film is presented. The technique of controlling reflectance and transmittance for specific wavelengths by depositing a dielectric thin film on a flat surface is a very general and well managed process, and thus the transmittance of the 45 ° mirror can be easily controlled. In addition, the applicant of the 2007-0120602 the anti-reflective deposition on the upper surface of the patterned silicon wafer to escape the laser light emitted from the laser diode chip embedded in the module escapes into the air without reflection from the back of the 45 ° tilt mirror Explained.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 45°경사거울을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a 45 ° inclined mirror according to an embodiment of the present invention will be described.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 반도체 실리콘 웨이퍼를 이용하여 파장 선택성을 가지는 45°경사거울을 제작하는 과정을 나타낸 개념도이다.7 is a conceptual diagram illustrating a process of fabricating a 45 ° inclined mirror having wavelength selectivity using a semiconductor silicon wafer according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 7의 (a)와 같이 반도체 실리콘 웨이퍼의 (111)면이 나타나게 하는 과정은 상기 특허출원 제2007-0026558호 및 제2007-0120602에 상세히 설명되어 있으므로 본 발명에서는 이에 대해 간단히 설명한다. 먼저, 반도체 실리콘 잉곳으로부터 반도체 실리콘 웨이퍼를 (001)면에 9.74°경사지게 잘라내고, 이 잘라진 반도체 실리콘 웨이퍼의 상면 일부를 포토 레지스트로 도포한 후, 식각되어야 할 부분의 포토 레지스트를 포토 리소그래피 방법으로 제거하고, 포토 레지스트가 제거된 부분의 반도체 실리콘을 이방성 식각용액을 이용하여 식각하면 반도체 실리콘 웨이퍼의 식각 노출 옆면은 (111)면이 된다. 이때, 식각된 (111)면은 (001)면이 54.74°경사각을 가지게 되며 반도체 실리콘 웨이퍼를 잉곳으로부터 잘라낼 때 (001)면과 9.74°의 경사각도를 가지게 잘라내므로 식각되어 노출된 (111)면은 반도체 실리콘 웨이퍼(2)의 수평면과 각각 45.00°와 64.48°의 경사각을 갖게 된다.First, the process of causing the (111) surface of the semiconductor silicon wafer to appear as shown in FIG. 7A is described in detail in the above-described patent applications Nos. 2007-0026558 and 2007-0120602, which will be briefly described in the present invention. First, the semiconductor silicon wafer is cut out at an inclined angle of 9.74 ° from the semiconductor silicon ingot to the (001) plane, a part of the top surface of the cut semiconductor silicon wafer is coated with photoresist, and then the photoresist of the portion to be etched is removed by a photolithography method. When the semiconductor silicon of the portion where the photoresist is removed is etched using the anisotropic etching solution, the etch exposed side surface of the semiconductor silicon wafer becomes the (111) plane. In this case, the etched (111) plane has an inclination angle of 54.74 ° and is cut off to have an inclination angle of 9.74 ° with the (001) plane when the semiconductor silicon wafer is cut out from the ingot. Has a horizontal plane of the
이 후, 도 7의 (b)에서와 같이 반도체 실리콘 웨이퍼의 바닥면에 대해 45.00°와 64.48°의 경사각을 가지는 두 개의 (111)면이 노출된 웨이퍼의 하부면에 모듈내에 장착되는 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛의 파장에 대해서는 반사하는 특성을 갖고, 광섬유로부터 발산되는 레이저 빛의 파장에 대해서는 투과 하는 특성을 갖는 유전체 박막을 증착한다. 이러한 파장 선택성을 가지는 유전체 박막은 상대적으로 굴절률이 다른 물질들을 교대로 증착하여 얻어질 수 있으나 통상의 경우 굴절률이 2.2∼2.8 정도인 TiO2와 굴절률이 1.35인 SiO2를 교대로 증착하여 파장 선택성을 갖도록 유전체 박막을 증착할 수 있다. 굴절률이 다른 이종의 물질을 유리기판에 교대로 증착하는 방법으로 제작되는 파장 선택성을 가지는 필터는 이미 기존 구조의 양방향 광통신 모듈에 널리 채택되고 있다. Subsequently, as shown in FIG. 7B, a laser diode chip mounted in the module on the lower surface of the exposed wafer having two (111) surfaces having an inclination angle of 45.00 ° and 64.48 ° with respect to the bottom surface of the semiconductor silicon wafer. A dielectric thin film having a characteristic of reflecting with respect to the wavelength of the laser light emitted from and having a characteristic of transmitting with respect to the wavelength of the laser light emitted from the optical fiber is deposited. The dielectric thin film having the wavelength selectivity may be obtained by alternately depositing materials having different refractive indices, but in general, the dielectric thin film may be formed by alternately depositing TiO2 having a refractive index of about 2.2 to 2.8 and SiO2 having a refractive index of 1.35. Thin films can be deposited. Filters having wavelength selectivity, which are fabricated by alternately depositing heterogeneous materials having different refractive indices on glass substrates, have been widely adopted in bidirectional optical communication modules having an existing structure.
도 7의 (c)에서는 실리콘 웨이퍼의 상부면에 광섬유에서 발산되는 빛이 실리콘 거울을 탈출하여 공기 중으로 진행할 때 실리콘과 공기의 계면에서 반사가 생기지 않도록 무반사 증착을 한다. 이러한 무반사 증착은 전술한 TiO2/SiO2의 유전체 층의 두께를 조절하여 얻어질 수 있는데, 광섬유에서 발산되어 실리콘 경사거울 내부로 투과되는 레이저 빛이 원래 실리콘 기판의 상부면으로 탈출하게 된다. 원래 반도체 실리콘 웨이퍼의 상부면은 연마에 의해 매우 평활도가 높은 상태의 면이므로 이러한 면에 유전체 박막을 증착하는 일은 매우 손쉽게 이루어질 수 있다. In FIG. 7C, when the light emitted from the optical fiber escapes the silicon mirror and proceeds to the air on the upper surface of the silicon wafer, antireflection deposition is performed so that reflection does not occur at the interface between the silicon and the air. Such antireflection deposition can be obtained by controlling the thickness of the above-described dielectric layer of
이렇게 제작된 반도체 실리콘 웨이퍼를 도 7의 (d)에서와 같이 적당한 크기로 잘라낸 후 식각된 (111)면이 아래로 위치되도록 놓으면, 도 7의 (e)와 같이 모듈에 내장되는 레이저 다이오드 칩로부터 발산되는 레이저 빛은 반사하며, 광섬유로부터 발산되는 레이저 빛은 경사거울 내부로 투과시켜 경사거울의 뒷면을 통해 공기중으로 배출하는 기능을 갖는 45°경사거울로 완성된다. 또한 7의 (e)와 같이 제작된 45°경사거울을 원래 실리콘 웨이퍼의 상부면이 아래에 위치되도록 도 7의 (f)와 같이 뒤집어 놓으면 도 2의 도면부호 300으로 표시된 레이저 다이오드 칩을 부착할 수 있는 제 2 서브마운트가 된다. 이때, 도 7의 (f)와 같이 단순히 레이저 다이오드 칩의 서브마운트로 활용하기 위해서는 도 7의 (b)와 (c)의 유전체 박막 증착 과정을 생략할 수 있다. The semiconductor silicon wafer thus manufactured is cut out to an appropriate size as shown in (d) of FIG. 7 and then placed so that the etched (111) surface is positioned downward. From the laser diode chip embedded in the module as shown in (e) of FIG. The laser light emitted is reflected, and the laser light emitted from the optical fiber is transmitted to the inside of the inclined mirror and is completed as a 45 ° inclined mirror having a function of discharging into the air through the back of the inclined mirror. In addition, if the 45 ° inclined mirror manufactured as shown in (e) of FIG. 7 is turned upside down as shown in FIG. Can be the second submount. In this case, in order to simply use as a submount of the laser diode chip as shown in (f) of FIG. 7, the process of depositing the dielectric thin film of FIGS. 7b and 7c may be omitted.
도 8은 전술한 도 7의 과정으로 제작된 45°경사거울의 입체도를 나타낸 것이다. Figure 8 shows a three-dimensional view of the 45 ° inclined mirror manufactured by the process of Figure 7 described above.
본 발명의 실시예에서 모듈내에 장착되는 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛의 파장을 1550㎚로 하고 광섬유에서 발산되는 레이저 빛의 파장을 1300㎚라 가정하였으므로, 도 8에서 45°경사거울의 상향 방향을 갖는 45°경사면은 1550㎚의 파장에 대해서 반사의 특성을 갖고 1300㎚의 파장에 대해서는 투과하는 특성을 갖게 된다. 또한, 상기 상향 방향 경사면의 반대쪽에 있는 하향 방향의 45°경사면은 광섬유에서 발산되는 1300㎚의 레이저 빛이 실리콘과 공기중의 계면에서 반사를 일으키지 않도록 무반사 증착이 되어 있는 상태이다. In the embodiment of the present invention, since the wavelength of the laser light emitted from the laser diode chip mounted in the module is assumed to be 1550 nm and the wavelength of the laser light emitted from the optical fiber is 1300 nm, the upward direction of the 45 ° tilt mirror in FIG. 8 is assumed. The 45 ° inclined plane having the characteristics of reflection has a characteristic of reflection with respect to a wavelength of 1550 nm, and has a characteristic of transmitting with a wavelength of 1300 nm. In addition, the 45 ° inclined plane in the downward direction opposite to the upward inclined plane is in a state where anti-reflective deposition is performed so that 1300 nm laser light emitted from the optical fiber does not cause reflection at the interface between silicon and air.
도 9는 상기의 과정을 통하여 제작된 45°경사거울이 장착되는 과정을 나타낸 개념도이다.9 is a conceptual diagram illustrating a process of mounting a 45 ° inclined mirror manufactured by the above process.
도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 서브마운트(400)는 일측에 내부쪽으로 수신용 포토 다이오드 칩(500)이 삽입될 수 있는 "ㄷ"자 홈이 형성되는데, 이러한 제 1 서브마운트(400)는 가격이 저렴하며 건식 또는 습식의 식각 공정에 의해 "ㄷ"자 형태를 손쉽게 제작할 수 있는 실리콘으로 제작하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 9, the
상기 "ㄷ"자 형태의 제 1 서브마운트(400)의 상부에 파장 선택적 반사/투과 거울인 45°경사거울(200)이 설치되는데, 이 45°경사거울(200)은 제 1 서브마운트(400)의 "ㄷ" 홈에 하면의 일부가 걸쳐지게 설치된다. 또한, 제 1 서브마운트(400) 상부 타측에 레이저 다이오드 칩(100)이 상부에 부착된 제 2 서브마운트(300)가 설치되는데, 이때 제 2 서브마운트(300)와 45°경사거울(200)의 경사면이 서로 맞물리도록 설치된다. 제 1 서브마운트(400)의 "ㄷ"자 홈에 수신용 포토 다이오드 칩(500)이 상부에 부착된 수신용 포토 다이오드 칩 서브마운트(600)를 삽입하여 결합한다. 이후 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시하기 위해 도면에 도시되지 않은 감시용 포토 다이오드 칩(700) 및 감시용 포토 다이오드 칩 서브마운트(800)를 제 1 서브마운트(400) 상부에 설치하면 도 2와 같은 구조의 양방향성 광통신 모듈이 완성되게 된다. A 45 °
이하에서는 상기의 방법으로 제작된 양방향성 광통신 모듈의 광 진행 경로에 대하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the light traveling path of the bidirectional optical communication module manufactured by the above method will be described in more detail.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도이고, 도 11은 외부의 광섬유로부터 발산되는 레이저 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도이며, 도 12는 이러한 양방향 통신을 위한 레이저 빛의 진행 경로를 동시에 나타낸 것이다.10 is a conceptual diagram showing a path of the laser light emitted from the laser diode chip according to an embodiment of the present invention, Figure 11 is a conceptual diagram showing the path of the laser light emitted from the external optical fiber, Figure 12 is such a bidirectional Simultaneously shows the path of laser light for communication.
통상 광통신용으로 널리 사용되고 있는 edge emitting형 레이저 다이오드 칩은 레이저 다이오드 칩의 전면과 후면에서 반대방향으로 레이저 빛을 발산한다. 통 상의 레이저 다이오드 칩은 최대한의 광출력을 광전송에 사용하기 위해 전면에서 나오는 레이저 빛의 세기가 후면에서 발산되는 레이저 빛의 세기보다 적게는 수배에서 많게는 수십 배의 비율이 되도록 조절되어 있다. 이러한 레이저 다이오드 칩의 전면 레이저 빛은 패키지 외부의 광섬유로 집속시켜 정보 전송에 사용하고, 후면에서 발산되는 레이저 빛은 레이저의 동작 상태를 감시하기 위한 감시용 포토 다이오드 칩 구동에 사용된다. 따라서 통상의 edge emitting형 레이저 다이오드 칩에서는 도 10에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드 칩(100)의 전면과 후면에서 레이저 빛이 방출된다. Edge emitting laser diode chips, which are widely used for optical communication, emit laser light in opposite directions from the front and rear surfaces of the laser diode chip. Conventional laser diode chips are tuned so that the intensity of the laser light from the front is less than several times to several tens of times greater than the intensity of the laser light from the rear to use the maximum light output for light transmission. The front laser light of the laser diode chip is focused on the optical fiber outside the package to be used for information transmission, and the laser light emitted from the rear is used to drive the photodiode chip for monitoring to monitor the operation state of the laser. Therefore, in the conventional edge emitting laser diode chip, as shown in FIG. 10, laser light is emitted from the front and rear surfaces of the
본 발명의 실시예에서 레이저 다이오드 칩(100)은 1550㎚ 파장의 레이저 빛을 방출하는 것으로 가정하였고 45°경사거울(200)은 1550㎚ 파장의 레이저 빛에 대해 반사하는 특성을 갖는다고 가정하였다. 따라서 레이저 다이오드 칩(100)의 전면에서 발산되는 레이저 빛은 45°경사거울(200)에서 반사되어 모듈의 상부 방향으로 진행하게 된다. 이렇게 발산하는 형태의 레이저 빛은 광섬유에 집속시킬 수 없다. 그러므로 발산되는 레이저 빛을 집속시키기 위한 렌즈가 필요한데, 이 집속렌즈는 통상적으로 사용되는 렌즈이므로 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 45°경사거울(200)에서 진행 방향이 꺽여 모듈의 상부방향으로 발산되며 진행하는 레이저 빛은 도면에 표시되지 않은 렌즈를 통하여 광섬유로 집속되어 광전송의 임무를 수행하게 된다. 이때 45°경사거울(200)은 1550㎚에 대해 반사의 특성을 가지므로 수신용 포토 다이오드 칩(500) 방향으로는 진행하지 못한다. 만약, 일부의 1550㎚ 레이저 빛이 45°경사거울(200) 을 투과할 경우에도 후술되는 이유에 의해 1550㎚ 파장의 레이저 빛은 수신용 포토 다이오드 칩(500) 방향으로는 진행하지 못하게 된다. In the embodiment of the present invention, it is assumed that the
본 발명이 하나의 광섬유를 사용하여 정보를 주고 받는 양방향성 광통신 모듈이므로 본 발명의 수신용 포토 다이오드 칩(500) 방향으로 전송되는 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 1550㎚ 파장의 레이저 빛을 집속하는 광섬유와 동일한 광섬유이다. Since the present invention is a bidirectional optical communication module for transmitting and receiving information using a single optical fiber, the laser light having a wavelength of 1300 nm transmitted toward the receiving
도 11에 도시된 바와 같이, 빛의 경로의 가역성에 의해 광섬유에서 발산되는 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 1550㎚ 파장의 레이저 빛의 역경로를 따라 45°경사거울(200)에 도달하게 된다. 45°경사거울(200)은 1300㎚ 파장에 대해 투과하는 특성이 있으므로 광섬유로부터 발산되어 45°경사거울(200)에 도달한 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 레이저 다이오드 칩(100) 쪽으로 반사하지 못하고 45°경사거울(200) 내부를 투과하게 된다. 실리콘은 1300㎚∼1550㎚ 파장의 빛에 대해서는 10-4/cm 이하의 흡수율을 가지므로 두께 200㎛∼300㎛ 정도의 실리콘을 투과하며 겪는 광흡수는 매우 미미하다. 그러므로 45°경사거울(200) 내부로 투과한 빛은 스넬의 법칙에 따라 각각의 입사각 성분에 따라 굴절되어 실리콘 내부를 진행한다. 실리콘 경사거울(200)을 투과한 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 실리콘/공기의 계면에서 공기중으로 탈출하게 되는데 이때 45°경사거울(200)의 후면이 도 7의 과정을 통하여 1300㎚ 파장의 레이저 빛에 대해 무반사 코팅 처리되어 있으므로 실리콘/공기 계면에서 반사없이 공기 중으로 투과하게 된다. 실리콘에서 공기로 진행할 때 레이저 빛은 다 시 굴절하게 되어 원래 45°경사거울(200)에 도착하기 전에 가지고 있던 진행 방향을 되찾게 된다. As shown in FIG. 11, the laser light of 1300 nm wavelength emitted from the optical fiber by the reversibility of the light path reaches the 45 °
도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 동일한 45°경사거울(200)을 이용하여 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 1550㎚ 파장의 레이저 빛은 45°경사거울(200)에서 반사되어 광섬유로 집속되게 되고 1550㎚ 파장의 레이저 빛이 집속되는 광섬유로부터 발산되는 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 45°경사거울(200)을 투과하여 수신용 포토 다이오드 칩(500)으로 집속되게 된다. As shown in FIGS. 10 to 12, laser light having a wavelength of 1550 nm emitted from the
상기의 과정에서 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 1550㎚ 파장의 레이저 빛은 수신용 포토 다이오드 칩(500)으로 진행하지 못하게 되는데, 경우에 따라 일부의 1550㎚ 파장의 레이저 빛이 45°경사거울(200)을 투과할 수 있다. 도 13은 이러한 레이저 다이오드 칩으로부터 발산되는 레이저 빛의 일부가 45°경사거울을 투과할 경우 발생되는 레이저 빛의 경로를 나타낸 것이다. In the above process, the laser light having a wavelength of 1550 nm emitted from the
도 13에서 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(100)으로부터 발산되는 레이저 빛의 일부가 45°경사거울(200)을 투과하여도 수신용 포토 다이오드 칩(500) 방향으로는 진행할 수 없게 되는데, 설명의 편의를 위하여 45°경사거울(200)에 45°의 입사 각도를 가지는 성분에 대해서만 고려하도록 한다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛이나 광섬유에서 발산되는 레이저 빛 모두 45°입사각을 갖고 45°경사거울(200)에 입사하게 되나, 45°경사거울(200)의 수선을 기준점으로 하였을 경우 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛은 2사분면에서 진입하게 되므로 굴절되는 빛은 4사분면으로 진행하게 된다. 또한 광섬유에서 진행하여 45°의 입사각으로 45°경사거울(200)에 입사하는 레이저 빛은 1사분면에서 진행하므로 굴절되는 빛은 3사분면으로 진행하게 된다. 이때의 굴절각은 대략 11.7°로써 이는 실리콘의 굴절률을 3.5로 하였을 경우 스넬의 법칙에 따라 구해지는 값이다. 45°경사거울(200)의 후면에 도달한 레이저 빛 중 레이저 다이오드 칩(100)에서 출발한 레이저 빛은 다시 2사분면으로 실리콘/공기의 경계면에 입사하므로 굴절되는 레이저 빛은 4사분면이 되고 이는 원래의 레이저 빛이 45°경사거울(200)에 도달하기 전에 가지고 있었던 전파 방향과 동일하다. 이와 같은 논의에 따라 광섬유에서 출발하여 연직 하방으로 진행하여온 레이저 빛은 45°경사거울(200)을 투과하여 다시 원래의 연직 하방으로 진행하게 된다. 즉, 내장되는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 1550㎚ 파장의 레이저 빛은 45°경사거울(200)을 투과하여도 수신용 포토 다이오드 칩(500) 방향으로 진행하지 못하게 된다. As shown in FIG. 13, even though a portion of the laser light emitted from the
상기와 같은 방법으로 제작된 양방향 통신용 광모듈 패키지는 각 부품들이 외부로 돌출되므로 사용자들이 사용하기에 적절하지 않다. 그러므로 통신용의 레이저 다이오드 칩 또는 수광용 포토 다이오드 칩을 내장하는 여러 가지 형태의 패키지 하우징이 개발되어 있다. The optical module package for bidirectional communication manufactured by the above method is not suitable for users because each component protrudes outward. Therefore, various types of package housings have been developed that contain a laser diode chip for communication or a photodiode chip for light reception.
도 14는 TO형 패키지 하우징의 일례를 나타낸 것이고, 도 15는 본 발명의 실시예에 따라 TO형 패키지 하우징에 양방향 통신용 광모듈 패키지가 장착된 사시도이다.14 illustrates an example of a TO-type package housing, and FIG. 15 is a perspective view of an optical module package for bidirectional communication mounted on a TO-type package housing according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 14와 도 15에 도시된 바와 같이 TO형 패키지 하우징은 주로 코바(Kovar) 또는 철(Fe)을 주 원료로 하는 금속의 원형 스템 베이스(stem base)(13)에 복수의 동공을 형성하고 이 동공에 전극 핀(15)을 삽입한 후 전극 핀(15)과 스템 베이스(13) 사이를 글라스 비드(glass bead)(14)를 이용하여 절연 밀봉시키게 된다. As shown in FIGS. 14 and 15, the TO-type package housing forms a plurality of pupils in a
상기 스템 베이스(13) 상부에는 상술한 제 1 서브마운트(400), 제 2 서브마운트(300), 레이저 다이오드 칩(100), 45°경사거울(200), 수신용 포토 다이오드 칩(500), 수신용 포토 다이오드 칩 서브마운트(600), 감시용 포토 다이오드 칩(700), 감시용 포토 다이오드 칩 서브마운트(800) 등이 결합된 광모듈이 설치된다. The
또한, 이러한 형태의 스템 베이스(13)에 상부에 구멍을 형성하고 이 구멍에 유리재질의 윈도우 글라스(window glass)(12)로 밀봉되어진 금속재질의 캡(11)을 덮어 패키지 하우징을 제작한다. 이런 형태의 패키지 하우징은 레이저 다이오드 칩(100) 등의 광부품이 놓이는 스템 베이스(13) 바닥면과 레이저 빛이 방향이 수직이 되어야 하므로 본 발명의 양방향성 모듈을 장착하는데 가장 적절한 형태의 패키지 하우징 중 하나이다. In addition, a hole is formed in an upper portion of the
본 발명의 양방향 통신용 광모듈 패키지는 설명의 편의상 주요 능동 부품인 레이저 다이오드 칩(100), 감시용 포토 다이오드 칩(700), 수신용 포토 다이오드 칩(500)을 포함하여 설명하였지만, 이외에도 수신용 포토 다이오드 칩(500)에서 수신된 광전류를 증폭하기 위한 TIA(trans impedance amplifier) 등의 전치증폭기와 이에 따르는 캐피시터(capacitor)들이 TO 패키지 하우징 내에 추가될 수 있다. 또 한, 레이저 다이오드 칩(100)은 그 특성이 온도에 매우 민감하므로 열전소자(thermo electric cooler)를 내장하여 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 조절하여야 할 경우도 있다. The optical module package for bidirectional communication of the present invention has been described for the convenience of description including a
도 16은 이러한 TO형 패키지 하우징에 열전소자가 포함된 양방향 통신용 광모듈 패키지가 장착된 사시도이다.FIG. 16 is a perspective view illustrating an optical module package for bidirectional communication including a thermoelectric device in such a TO-type package housing. FIG.
도 16에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(100)과 감시용 포토 다이오드 칩(700), 수신용 포토 다이오드 칩(500) 등을 단순히 열전소자(16) 위에 배치시키는 것으로서 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 조절할 수 있다. 열전소자(16)가 내장될 경우에는 레이저 다이오드 칩(100)이 놓여지는 열전소자 상부의 온도를 측정하기 위한 써미스터(thermistor)(17)가 내장되는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 16, the
본 발명의 실시예에서 1550㎚ 파장의 레이저 빛은 송신용으로 통상적으로 0dBm 이상의 강력한 에너지임에 반하여 수신되는 레이저 빛은 통상적으로 -10dBm 이하의 매우 미약한 신호이다. 그러므로 내장하는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 1550㎚ 파장의 레이저 빛의 일부가 모듈 내부에서 난반사 할 수가 있으며, 이러한 난반사되는 빛이 수신용 포토 다이오드 칩(500)으로 수신될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the laser light at 1550 nm wavelength is typically a powerful energy of 0 dBm or more for transmission, whereas the received laser light is a very weak signal, typically -10 dBm or less. Therefore, a part of the laser light having a wavelength of 1550 nm emitted from the embedded
도 17은 이러한 난반사되는 빛이 수신용 포토 다이오드 칩으로 수신되는 것을 방지하기 위한 수신용 포토 다이오드 칩의 배치도이다.17 is a layout view of a receiving photodiode chip for preventing such diffusely reflected light from being received by the receiving photodiode chip.
일반적으로 1300㎚ 또는 1550㎚ 파장의 근적외선 파장대를 감지하기 위한 수신용 포토 다이오드 칩(500)은 InP 기판(510)위에 광흡수층으로 InGaAs를 사용한 다. InP 기판(510)은 에너지 밴드갭이 대략 1.35eV로써 1300㎚ 또는 1550㎚ 파장의 빛을 흡수하지 못한다. 그러므로 수신용 포토 다이오드 칩(500)의 활성영역(520)을 패키지의 바닥으로 향하게 하고, 수신용 포토 다이오드 칩(500)의 양극 및 음극 전극은 수신용 포토 다이오드 칩(500)의 하부에 위치되는 서브마운트(600)와 금속 볼(540)을 통한 플립칩 본딩 방식으로 전기적으로 연결되도록 하되, 상부로 향하는 수신용 포토 다이오드 기판면(530)에 1550㎚ 파장에 대해 반사하고 1300㎚ 파장에 대해서는 투과의 특성을 갖도록 유전체 박막(531)을 증착하면 난반사되는 1550㎚ 레이저 빛이 수신용 포토 다이오드 칩(500)에 검출되는 것을 최소화할 수 있게 된다. In general, a receiving
한편, 일반적으로 포토 다이오드 칩(500)은 표면 단차 식각이나 금속 링 형태의 코팅을 통해 활성영역(520)이 표시되도록 하나 포토 다이오드 칩(500)의 기판면(530)에는 아무런 표시를 하지 않는 것이 일반적이다. 그러나 플립칩 본딩의 방법을 사용하여 접합된 포토 다이오드 칩(500)과 서브마운트(600) 블럭을 광 정렬할 때 기판면(530)에 활성영역(520)이 표시되지 않으면 광 정렬이 어렵게 된다. 이러한 점은 포토 다이오드 칩(500)의 기판면(530)에 활성영역(520)과 동일한 위치를 제외하고 금속 박막을 증착함으로써 방지할 수 있는데, 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 포토 다이오드 칩의 기판면에 광 활성영역을 표시한 일례이다.On the other hand, the
도 18에서 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 칩(500)의 기판면(530)을 금속 박막(532)으로 증착하되 활성영역(520)의 반대쪽에 있는 영역은 금속 박막으로 증착하지 않으면 금속 박막(532)과 기판면(530)의 반사율 차이 때문에 쉽게 광 활성 영역(520) 위치를 확인할 수 있으며, 이로 인하여 포토 다이오드 칩(500)을 정렬하기가 쉬워진다. 또한 수신되는 광신호는 연직 하방 방향 성분을 가지고 활성영역(520) 상부의 금속 박막(532) 개구면으로 입사하므로 쉽게 포토 다이오드 칩(500)의 활성영역(520)으로 입사하게 된다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 모듈 내부에서 난반사하는 빛들은 여러 경로와 각도를 가지게 되는데, 포토 다이오드 칩(500)의 금속 박막(532)으로 진입하는 난반사 레이저 빛들은 포토 다이오드 칩(500)으로 진입하지 못하고 반사되므로 모듈 내에서 난반사되는 레이저 빛이 직접 수신용 포토 다이오드 칩(500)으로 입사되어 생기는 신호 누설 현상을 줄일 수 있게 된다. 상기 포토 다이오드 칩(500)의 기판면(530)을 금속 박막(532)으로 코팅하는 금속 재료로는 타이타늄, 플라티늄, 금(gold), 은(silver), 알루미늄, 구리 등이 될 수 있으며 이들의 조합 또한 가능하다. As illustrated in FIG. 18, the
상술한 본 발명의 실시예에서는 실리콘을 모재로 하는 45°경사거울(200)을 예로 들어 설명하였지만, 45°경사거울(200)의 모재가 유리일 경우에도 그대로 적용될 수 있음은 당연하다.In the above-described embodiment of the present invention has been described by taking a 45 °
또한, 본 발명의 실시예에서 내장되는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛이 1550㎚ 파장을 갖고, 광섬유로부터 수신되는 레이저 빛이 1300㎚의 파장을 갖는 것으로 설명하였으나 이 두 파장이 서로 바뀌거나, 또는 45°경사거울(200)에서 분리가능한 어떤 조합의 파장에 대해서도 적용될 수 있음은 자명하다. In addition, although the laser light emitted from the
뿐만 아니라, 본 발명의 주요한 패키지 하우징 형태로 TO형 패키지를 도시하 였지만, 통상의 버터플라이, 미니딜, 미니플랫형의 패키지에도 적용이 가능함은 물론이다. In addition, although the TO-type package is shown in the form of the main package housing of the present invention, it is, of course, applicable to a conventional butterfly, mini deal, mini-flat package.
도 1은 종래 일반적인 BiDi 모듈의 구조도,1 is a structural diagram of a conventional general BiDi module,
도 2는 본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈 패키지의 전체적인 구조도, 2 is an overall structural diagram of an optical module package for bidirectional communication according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 제 1 서브마운트의 평면 사시도,3 is a top perspective view of a first submount in accordance with the present invention;
도 4는 본 출원인의 기 특허출원 제2007-0026558호에서 제안된 실리콘 모재를 이용하여 45°경사거울을 제작하는 과정을 나타낸 개념도,4 is a conceptual diagram illustrating a process of manufacturing a 45 ° inclined mirror using a silicon base material proposed in the present applicant's patent application No. 2007-0026558,
도 5는 본 출원인의 기 특허출원 제2007-0120602호에 의해 제작된 45°경사거울의 다양한 형상 일례,5 is an example of various shapes of a 45 ° inclined mirror manufactured by the applicant of the present patent application No. 2007-0120602,
도 6은 본 발명에 따른 45°경사거울에 입사되는 빛의 방향에 따라 달라지는 빛의 경로도,Figure 6 is a path diagram of light that depends on the direction of the light incident on the 45 ° tilt mirror according to the present invention,
도 7은 본 발명에 따라 반도체 실리콘 웨이퍼를 이용하여 파장 선택성을 가지는 45°경사거울을 제작하는 과정을 나타낸 개념도,7 is a conceptual diagram illustrating a process of manufacturing a 45 ° inclined mirror having wavelength selectivity using a semiconductor silicon wafer according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 45°경사거울의 입체도,8 is a three-dimensional view of the 45 ° inclined mirror according to the present invention,
도 9는 본 발명에 따른 45°경사거울이 광모듈에 장착되는 과정을 나타낸 개념도,9 is a conceptual diagram showing a process of mounting a 45 ° tilt mirror in the optical module according to the present invention,
도 10은 본 발명에 따라 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도, 10 is a conceptual diagram showing a path of a laser light emitted from a laser diode chip according to the present invention;
도 11은 본 발명에 따라 외부의 광섬유로부터 발산되는 레이저 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도, 11 is a conceptual diagram showing a propagation path of laser light emitted from an external optical fiber according to the present invention;
도 12는 본 발명에 따라 양방향 통신을 위한 레이저 빛의 진행 경로를 동시 에 나타낸 개념도,12 is a conceptual diagram showing a traveling path of a laser light for bidirectional communication simultaneously according to the present invention;
도 13은 본 발명에 따른 다이오드 칩으로부터 발산되는 레이저 빛의 일부가 45°경사거울을 투과할 경우 발생되는 레이저 빛의 경로도,13 is a path diagram of laser light generated when a portion of the laser light emitted from the diode chip according to the present invention passes through a 45 ° mirror;
도 14는 종래 TO형 패키지 하우징의 일례, 14 is an example of a conventional TO-type package housing,
도 15는 본 발명에 따라 TO형 패키지 하우징에 양방향 통신용 광모듈 패키지가 장착된 사시도,15 is a perspective view of an optical module package for bidirectional communication mounted on a TO-type package housing according to the present invention;
도 16은 본 발명에 따라 TO형 패키지 하우징에 열전소자가 포함된 양방향 통신용 광모듈 패키지가 장착된 사시도,16 is a perspective view of an optical module package for bidirectional communication including a thermoelectric element in a TO-type package housing according to the present invention;
도 17은 본 발명에 따라 난반사되는 빛이 수신용 포토 다이오드 칩으로 수신되는 것을 방지하기 위한 수신용 포토 다이오드 칩의 배치도,17 is a layout view of a receiving photodiode chip for preventing the diffused light from being received by the receiving photodiode chip according to the present invention;
도 18은 본 발명에 따라 포토 다이오드 칩의 기판면에 광 활성영역을 표시한 일례이다.18 is an example in which the photoactive region is displayed on the substrate surface of the photodiode chip according to the present invention.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of codes for main parts of drawing
100 : 레이저 다이오드 칩 200 : 45°경사거울100: laser diode chip 200: 45 ° tilt mirror
300 : 제 2 서브마운트 400 : 제 1 서브마운트300: second submount 400: first submount
500 : 수신용 포토 다이오드 칩 500: Receiving Photodiode Chip
600 : 수신용 포토 다이오드 칩 서브마운트600: Photodiode Chip Submount for Reception
700 : 감시용 포토 다이오드 칩 700: Surveillance Photodiode Chip
800 : 감시용 포토 다이오드 칩 서브마운트800: Surveillance Photodiode Chip Submount
10 : 패키지 하우징 11 : 캡10: package housing 11: cap
12 : 윈도우 글라스 13 : 스템 베이스12: window glass 13: stem base
14 : 글라스 비드 15 : 전극14
16 : 열전소자 17 : 써미스터16: thermoelectric element 17: thermistor
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