KR100871017B1 - Optical modulator package for triplexer type bi-directional data communication, and method for manufacturing the beam splitter/filter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 세 파장의 레이저 빛을 이용하여 하나의 광섬유를 통하여 신호를 주고 받는 트리플렉서 광모듈 패키지에 관한 것으로, 특히 레이저 다이오드 칩과 한 개의 45°경사 빔 스플리터/필터(beam splitter/filter) 및 디지털 신호 수신용 포토 다이오드 칩과 아날로그 신호 수신용 포토 다이오드 칩이 하나의 패키지 하우징에 내장되어 송신용 광신호와 아날로그 수신용 광신호 및 디지털 수신용 광신호의 3개 파장 광신호의 전송과 수신을 동시에 수행하는 한 개의 빔 스플리터/필터가 구비된 양방향 통신용 트리플렉서 광모듈 패키지 및 이 빔 스플리터/필터의 제작 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a triplexer optical module package for transmitting and receiving signals through a single optical fiber using three wavelengths of laser light, and in particular, a laser diode chip and a 45 ° inclined beam splitter / filter and The photodiode chip for digital signal reception and the photodiode chip for analog signal reception are built in one package housing to transmit and receive three wavelength optical signals of optical signal for transmission, optical signal for analog reception and optical signal for digital reception. The present invention relates to a triplex optical module package for bidirectional communication having one beam splitter / filter performing simultaneously and a method of manufacturing the beam splitter / filter.
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 되는 빛들이 동일한 파장을 가지거나, 빛의 위상(phase)이 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 방법이라 할 수 있다. 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 semiconductor laser diode chip having a horizontal length and a vertical length of about 0.3 can be used to easily convert a 10 Gbps (giga bit per sec) electric signal into a laser light. The transmitted optical signal can be easily converted into an electrical 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 phase. In addition, the direction of travel must match. 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. Such WDM optical communication 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. 현재 광통신의 세계적인 추세는 데이터(data)와 음성(voice)과 아날로그 비디오(analog video ; broadcating)을 하나로 묶는 트리플 플레이(triple play)를 요구하고 있다. 통신에 관한 국제 표준인 ITU.T G983.3은 1260∼1360㎚ 파장을 상향 데이터 신호로, 1480∼1500㎚를 하향 데이터 신호로, 1550∼1560㎚를 하향 비디오 신호로 주파수를 할당하고 있다. 이에 따라 하나의 광섬유를 통하여 1300㎚ 파장 대역 광신호를 상향 송신하며, 1480∼1500㎚ 파장 대역의 하향 데이터 신호와, 1550∼1560㎚ 파장 대역의 하향 비디오 신호를 동시에 주고 받을 수 있는 광모듈이 필요하고 이런 기능을 가진 광모듈을 통칭하여 트리플렉서(triplexer) 모듈이라고 부르고 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. At present, the global trend in optical communication is calling for triple play, which combines data, voice and analog video (catalog). ITU.T G983.3, an international standard for communication, assigns frequencies of 1260 to 1360 nm as an uplink data signal, 1480 to 1500 nm as a downlink data signal, and 1550 to 1560 nm as a downlink video signal. Accordingly, an optical module capable of transmitting an optical signal of 1300 nm wavelength band upward through one optical fiber and simultaneously transmitting and receiving a downlink data signal of 1480-1500 nm wavelength band and a downlink video signal of 1550-1560 nm wavelength band is required. Optical modules with these functions are collectively called triplexer modules.
도 1은 종래 일반적인 트리플렉서 모듈의 구조를 나타낸 개념도이다. 1 is a conceptual diagram illustrating a structure of a conventional general triplexer module.
이하, 도 1을 설명하는 데 있어 프리플렉서 하우징(1)에 설치되어 광섬유(2)로 광신호를 상향 전송하는 TO형 레이저 다이오드 모듈(6)에서 방출되는 빛의 파장이 1300㎚이며, 광섬유(2)에서 하향 전송되는 아날로그 비디오용 빛의 파장을 1550㎚, 광섬유(2)에서 하향 전송되는 데이터용 빛의 파장을 1490㎚로 가정하여 설명한다. 도 1에서 45°필터(filter)(3)(4)는 굴절률이 상대적으로 높고 낮은 유전체 박막을 복수의 층으로 교대로 증착함으로써 제작되는데, 1300㎚, 1490㎚ 파장에 대해서는 투과를 하며 1550의 파장은 반사를 하도록 A 필터(3)로 제작되거나, 1300㎚ 파장은 투과를 하고 1490㎚ 파장은 반사를 하도록 D 필터(4)로 제작된다. 이때 D 필터(4)에는 A 필터(3)에 의해 1550㎚가 차단되어 입사하지 않으므로 1550㎚ 파장 을 투과시키는 특성을 갖든 투과시키지 않는 특성을 갖든 관계가 없다. 이 A, D 두 필터(3)(4) 모두 1300㎚ 파장은 투과하는 특성을 갖고 있다. 그러므로 TO형 레이저 다이오드 모듈(6)에서 발산되는 1300㎚의 파장을 가지는 레이저 빛은 45°필터인 A, D 필터(3)(4)를 모두 그대로 투과하여 광섬유(2)로 집속하게 하며 광섬유(2)에서 발산하는 1550㎚ 파장의 하향 빛은 A 필터(3)에서 진행 방향이 상향으로 90°꺽여 아날로그 수신용 TO형 수광소자(5)로 입사하게 되고, 광섬유(2)에서 발산되는 1490㎚의 하향 디지털 신호는 A 필터(3)를 투과 한 후 D 필터(4)에서 진행 방향이 하향으로 90°꺽여 디지털 신호용 TO형 수광소자(7)로 입사하게 된다. 그러므로 트리플렉서 모듈을 사용함으로써 하나의 광섬유(2)를 이용하여 동시에 데이터 신호의 상·하향 전송뿐만 아니라 아날로그 비디오 하향 신호의 수신이 이루어지게 된다. 그러나, 종래의 트리플렉서 모듈은 TO형 레이저 다이오드 모듈(6) 및 2개의 TO형 수광소자(5)(7) 등 2개의 TO형 모듈을 내부에 장착함으로써 부피가 커지게 되고, 광섬유(2)와 TO형 레이저 다이오드 모듈(6)의 정밀한 광 정렬뿐만 아니라 광섬유(2)와 2개의 TO형 수광소자(5)(7)를 광 정렬하여야 하므로 정렬을 위한 부품 조립 시간 및 비용이 높아지는 문제점이 있었다. 또한 종래의 상용화된 트리플렉서 모듈은 각각의 TO형 모듈을 독립적으로 x, y, z 정렬하여야 하므로 각 TO형 모듈에게 위치를 움직일 수 있도록 하는 부품들이 소요되는 등 대략 40개의 부품이 소요되며, 현재 세계에서 가장 작은 부피로 보고되고 있는 Sumitomo 사의 트리플렉서 모듈의 부피가 12㎜*10.5㎜*5.6㎜ 로 대략 700㎣ 정도가 되는 등 여러 가지 문제가 있다. 1, the wavelength of light emitted from the TO-type
이러한 도 1과 같은 종래의 트리플렉서 모듈의 단점을 줄이기 위하여 하나의 실리콘 PLC(planar light circuit) 기술을 이용하여 레이저 다이오드 칩과, 아날로그용과 디지털용의 두 개의 포토 다이오드 칩 및 2개의 필터를 집적하는 PLC형 트리플렉서 모듈에 대한 연구 개발이 있었다. In order to reduce the shortcomings of the conventional triplexer module as shown in FIG. 1, a laser diode chip using two silicon planar light circuit (PLC) technologies, two photodiode chips for analog and digital, and two filters are integrated. There was research and development on PLC type triplexer module.
도 2는 박정우(한국전자통신연구원 발행 전자통신동향분석 제20권 제6호 p77, 2005) 등이 발표한 자료에 나오는 전형적인 PLC 기법을 이용한 트리플렉서 모듈의 개념도이다. 이러한 개념도에서는 1300㎚ 파장의 레이저 다이오드 빛을 직접 실리콘 웨이브가이드(silicon waveguide)로 집속시켜야 하는 어려움이 있고, 포토 다이오드 칩으로 일반적인 평면형 포토 다이오드 칩을 사용하지 못하고 웨이브가이드 포토 다이오드(waveguide photo diode)라는 일반적이지 않은 매우 고가의 포토 다이오드 칩을 사용하여야 하는 등의 문제점이 있다. 또한 실리콘 웨이브가이드와 웨이브가이드형 포토 다이오드 칩을 광 연결하기 위해서는 매우 정밀한 수동 광 정렬이 필요하다는 문제점이 있어 현재까지 상용화되지 못하고 있는 실정이다.2 is a conceptual diagram of a triplex module using a typical PLC technique shown in the data published by Park Jung-woo (Electronic Telecommunication Trend Analysis Vol. 20 No. 6, p77, 2005). In this conceptual diagram, it is difficult to focus the laser diode light having a wavelength of 1300 nm directly into a silicon waveguide. A photodiode chip does not use a general planar photodiode chip and is called a waveguide photo diode. There is a problem that a very expensive photodiode chip, which is not common, must be used. In addition, there is a problem that a very precise passive optical alignment is required to optically connect the silicon waveguide and the waveguide type photodiode chip, which has not been commercialized until now.
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 칩과 일반적인 평면형 포토 다이오드 칩 및 45°필터를 하나의 기판에 집적하여 트리플 플레이 기능을 가지는 양방향 광통신을 가능하게 하는 트리플렉서형 양방향 광통신 모듈을 제작함에 있어서 기존의 일반적인 3 TO형 트리플렉서에 비해 조립 부품수 및 조립 공정을 줄여 저가격화하며 종래에 제시된 PLC 형에 사용되는 고가의 웨이브가이드형 포토 다이오드 칩을 사용하지 않고 일반적인 평면형 포토 다이오드 칩을 사용함으로써 저가격에 양방향 통신용 광모듈 패키지를 제작할 수 있도록 하며, 또한 기존의 3 TO형 트리플렉서에 비해 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩 및 45°필터를 실장하는 부피를 최소화함으로써 SFP(small form factor pluggable) 등의 초소형 패키지에도 쉽게 적용할 수 있도록 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 및 빔 스플리터/필터의 제작 방법을 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to integrate a laser diode chip, a general planar photodiode chip, and a 45 ° filter onto a single substrate, thereby enabling bidirectional optical communication having a triple play function. In manufacturing the triplexer type bidirectional optical communication module, it is possible to reduce the number of assembly parts and the assembly process compared to the conventional 3 TO type triplexer and reduce the cost, and to use the expensive waveguide type photodiode chip used in the conventional PLC type. By using a general planar photodiode chip without using it, it is possible to manufacture an optical module package for bidirectional communication at a low price. Also, compared to the existing 3 TO triplexer, a laser diode chip, a photodiode chip, and a 45 ° filter mounting volume can be reduced. Small form factor pluggable by minimizing To provide an optical module package and a beam splitter / filter for bidirectional communication that can be easily applied to a small package such as).
본 발명에서는 초소형의 45°필터용 45°경사 빔 스플리터/필터(beam splitter/filter)를 제작하고, 레이저 다이오드 칩과 일반적인 평면형 디지털 및 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩 및 복수개의 45°경사필터를 배치하는 방법을 제시함으로써 레이저 다이오드 칩, 디지털 및 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩, 복수개의 45°경사 빔 스플리터/필터를 하나의 기판에 조립되게 하여 양방향 광통신을 저렴하게 구현하는 방법을 제시한다. In the present invention, a 45 ° inclined beam splitter / filter for a very small 45 ° filter is fabricated, and a laser diode chip, a general planar digital and analog reception photodiode chip, and a plurality of 45 ° inclination filters are disposed. By presenting the method, a laser diode chip, a photodiode chip for digital and analog reception, and a plurality of 45 ° inclined beam splitters / filters are assembled on a single substrate to provide a low cost implementation of bidirectional optical communication.
본 발명에 따른 양방향 통신용 트리플렉서 광모듈 패키지는 레이저 다이오드 칩과 아날로그 및 디지털 수신용 포토 다이오드 칩을 모두 바닥에 눕힌 형태로 조립할 수 있어 레이저 다이오드 칩 및 수신용 포토 다이오드 칩의 위치 조절이 매우 용이하며 기존의 상용화된 3 TO형 트리플렉서 구조에 비해 조립 부피가 작고, 사용되는 부품이 작아 조립 비용이 적게 드는 효과가 있다. 또한 종래에 제안된 PLC 형에 비해 저가의 포토 다이오드 칩을 사용함으로써 저가격화가 가능한 효과가 있다. The triplex optical module package for bidirectional communication according to the present invention can be assembled with the laser diode chip and the photodiode chip for analog and digital reception lying on the floor so that the position adjustment of the laser diode chip and the photodiode chip for reception is very easy. Compared with the conventional commercially available 3 TO triplexer structure, the assembly volume is small and the parts used are small, thereby reducing the assembly cost. In addition, it is possible to reduce the cost by using a low-cost photodiode chip compared to the conventionally proposed PLC type.
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 3은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 통신용 광모듈 패키지의 전체적인 구조도이다. 3 is an overall structural diagram of an optical module package for bidirectional communication according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 양방향 통신용 트리플렉서 광모듈 패키지는 베이스 서브마운트(600) 상부 일측에 레이저 다이오드용 서브마운트(110)가 설치되고, 이 레이저 다이오드용 서브마운트(110) 상부에는 레이저 다이오드 칩(100)이 설치된다. As shown in FIG. 3, in the triplex optical module package for bidirectional communication according to the present invention, a
또한, 베이스 서브마운트(600) 상부 일측에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 송신용의 1300㎚ 파장대 레이저 빛을 수평광으로 만들어주는 렌즈(700)가 설치되고, 렌즈(700) 측면의 베이스 서브마운트(600) 상부에는 바닥면에 대해 45°의 경사각을 갖는 경사면이 형성된 쐐기 모양의 45°경사 빔 스플리터/필터(이하, "45°경사필터"라 약칭한다)(250)가 설치되어 있으며, 45°경사필터(250)의 측면에는 광섬유(미도시)가 설치되어 있다. In addition, one side of the
상기 레이저 다이오드 칩(100) 쪽을 향한 45°경사필터(250)의 전면 경사면은 1300㎚에 대해 무반사 투과하고 1490㎚에 대해서는 고반사하는 특성을 갖도록 상대적으로 굴절률이 높고 낮은 두 가지 이상의 유전체 박막이 교대로 증착되어 있다. 또한, 광섬유를 향한 45°경사필터(250)의 뒷쪽 후면 경사면은 1300㎚와 1490㎚ 파장에 대해 무반사 투과하고 1550㎚ 파장에 대해서는 고반사하는 특성을 갖도록 복수의 유전체 박막이 코팅되어 있다. Two or more dielectric thin films having a relatively high refractive index and a low refractive index such that the front inclined surface of the 45 °
상기 45°경사필터(250)의 하부에는 1490㎚ 파장에 대해서 반응하는 디지털 수신용 포토 다이오드 칩(400)과 1550㎚ 파장에 대해 반응하는 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(500)이 각각 위치되는데, 상기 디지털 수신용 포토 다이오드 칩(400)과 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(500)은 디지털 수신용 서브마운트(410) 및 아날로그 수신용 서브마운트(510) 상부에 각각 설치된다.Below the 45 °
이러한 구조를 가지는 45°경사필터(250)를 사용할 경우 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산하는 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 45°경사필터(250)의 양면이 모 두 1300㎚에 대해 무반사 코팅되어 있으므로 45°경사필터(250)를 투과하여 광섬유로 직진하게 된다. 광섬유에서 발산되는 1550㎚ 파장의 레이저 빛은 경사필터(250)의 광섬유 쪽 후면 경사면에서 반사하여 연직 하방의 1550㎚ 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(500)으로 입사하여 광전류 신호를 생성하게 된다. When the 45 °
한편, 광섬유에서 발산되는 1490㎚의 파장의 레이저 빛은 45°경사필터(250)의 후면 경사면을 투과하여 전면 경사면에서 반사한 후 다시 후면 경사면을 통하여 45°경사필터(250) 하부로 직진하게 된다. Meanwhile, the laser light having a wavelength of 1490 nm emitted from the optical fiber passes through the rear inclined plane of the 45 °
도 4는 이러한 45°경사필터를 통하여 진행하는 1490㎚ 파장의 레이저 빛 경로를 나타낸 개념도이다. 4 is a conceptual diagram illustrating a laser light path having a wavelength of 1490 nm traveling through the 45 ° gradient filter.
도 4에 도시된 바와 같이, 광섬유에서 발산되는 1490㎚의 파장의 레이저 빛은 경사필터(250)의 광섬유 쪽 후면 경사면을 투과한 후 경사필터(250)의 레이저 다이오드 칩(100) 쪽 전면 경사면에서 반사하게 된다. 경사필터(250)를 투과하는 1490㎚의 레이저 빛은 후면 경사면의 수선에 대해 11.7°의 각도를 가지며 레이저 다이오드 칩(100) 쪽 전면 경사면에 입사하므로 반사의 법칙에 따라 레이저 다이오드 칩(100) 쪽 전면 경사면에서 경사면의 수선에 대해 11.7°의 각도를 가지며 반사하게 된다. 레이저 다이오드 칩(100) 쪽 전면 경사면에서 반사하여 다시 광섬유 쪽 후면 경사면에 도달한 1490㎚ 파장은 연직 하방의 1490㎚ 디지털 수신용 포토 다이오드 칩(400)으로 입사하여 광전류 신호를 생성하게 된다. As shown in FIG. 4, laser light having a wavelength of 1490 nm emitted from the optical fiber passes through the rear slope of the optical fiber side of the
본 출원인은 특허출원 제2007-0026558호에서 45°경사거울의 경사면을 실리 콘 등의 반도체 웨이퍼의 평탄한 아랫면에 형성시키고, 반사면 형성을 위한 재질 및 구조로 굴절률이 서로 다른 복층의 유전체 박막을 제시하였다. 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 특허출원 제2007-0120602에서 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼의 윗면에 무반사 증착을 하여 모듈에 내장된 레이저 다이오드 칩으로부터 발산하는 레이저 빛이 45°경사거울 후면에서 반사없이 공기중으로 탈출하는 과정을 설명하였다. Applicant in the patent application No. 2007-0026558 to form an inclined surface of 45 ° inclined mirror on the flat lower surface of the semiconductor wafer, such as silicon, and present a multilayer dielectric thin film having a different refractive index as a material and structure for forming the reflective surface It was. 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 Patent Application No. 2007-0120602, the anti-reflective deposition on the upper surface of the patterned silicon wafer to prevent the laser light emitted from the laser diode chip embedded in the module to escape into the air without reflection from the rear of the 45 ° tilt mirror. Explained.
본 발명에 적용된 45°경사필터(250)는 상기 45°경사거울과 유사한 과정을 통하여 제작되는데, 이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 45°경사필터(250)를 제작하는 방법에 대하여 설명한다.The 45 °
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 반도체 실리콘 웨이퍼를 이용하여 파장 선택성을 가지는 45°경사필터를 제작하는 과정을 나타낸 개념도이다. 5 is a conceptual diagram illustrating a process of fabricating a 45 ° gradient filter having wavelength selectivity using a semiconductor silicon wafer according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 5의 (a)와 같이 반도체 실리콘 웨이퍼의 (111)면이 나타나게 하는 과정은 상기 특허출원 제2007-0026558호 및 제2007-0120602에 상세히 설명되어 있지만, 본 발명에서도 이에 대해 간단히 설명한다. 먼저, 반도체 실리콘 잉곳으로부터 반도체 실리콘 웨이퍼를 (001)면(도면에 미도시)에 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 반도 체 실리콘 웨이퍼의 식각 노출 옆면은 (111)면이 된다. 이때, (111)면이 (001)면과 54.74°경사각을 가지게 되므로 반도체 실리콘 웨이퍼를 잉곳으로부터 잘라낼 때 (001)면과 9.74°의 경사각도를 가지게 잘라내면 식각되어 노출된 (111)면은 반도체 실리콘 웨이퍼의 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. 5A is described in detail in the above-described patent applications Nos. 2007-0026558 and 2007-0120602, but the present invention will be briefly described. . First, the semiconductor silicon wafer is cut out at an angle of 9.74 ° from the semiconductor silicon ingot to the (001) plane (not shown), and a part of the upper surface of the cut semiconductor silicon wafer is coated with photoresist, and then the photoresist of the portion to be etched. Is removed by the photolithography method, and the semiconductor silicon of the portion where the photoresist is removed is etched using the anisotropic etching solution, and the etch exposed side of the semiconductor silicon wafer becomes the (111) plane. At this time, since the (111) plane has an inclination angle of 54.74 ° with the (001) plane, when the semiconductor silicon wafer is cut out from the ingot with the (001) plane having an inclination angle of 9.74 °, the (111) plane is etched and exposed. The silicon wafer has a horizontal plane and an inclination angle of 45.00 ° and 64.48 °, respectively.
이 후, 도 5의 (b)에서와 같이 반도체 실리콘 웨이퍼의 바닥면에 대해 45.00°, 64.48°의 경사각을 가지는 두 개의 (111)면이 노출된 웨이퍼의 하부면에 모듈내에 장착되는 레이저 다이오드 칩(100)으로부터 발산되는 파장인 1300㎚를 투과하고 광섬유에서 발산되는 디지털 신호용 파장인 1490㎚에 대해서는 반사하는 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. Thereafter, as shown in (b) of FIG. 5, a laser diode chip mounted in the module on the lower surface of the exposed wafer having two (111) planes 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 transmitting through 1300 nm, which is a wavelength emitted from (100), and reflecting with respect to 1490 nm, which is a wavelength for a digital signal emitted from an 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 5의 (c)에서는 실리콘 웨이퍼의 상부면에 1300㎚ 파장과 1490㎚의 파장은 투과, 광섬유에서 발산하는 아날로그 신호용 1550㎚ 파장은 반사하는 특성을 갖는 유전체 박막을 증착한다. 이러한 증착은 전술한 TiO2/SiO2의 유전체 층의 두께를 조절하여 얻어질 수 있다. 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. 5C, a dielectric thin film is deposited on the upper surface of the silicon wafer, having a characteristic of transmitting a wavelength of 1300 nm and a wavelength of 1490 nm, and reflecting a 1550 nm wavelength for an analog signal emitted from an optical fiber. Such deposition can be obtained by adjusting the thickness of the dielectric layer of
이렇게 제작된 반도체 실리콘 웨이퍼를 도 5의 (d)에서와 같이 적당한 크기로 잘라낸 후 식각된 (111)면이 아래로 위치되도록 놓으면, 도 5의 (e)와 같이 모듈에 내장되는 레이저 다이오드 칩(100)로부터 발산되는 1300㎚ 레이저 빛은 투과하며, 광섬유로부터 발산되는 아날로그 신호용 1550㎚의 빛은 후면 경사면에서 직접 연직 하방으로 반사하며, 광섬유로부터 발산되는 디지털 신호용 1490㎚의 빛은 후면 경사면을 투과하고 전면 경사면에서 반사된 후 다시 후면 경사면을 통하여 연직 하방으로 이동하는 45°경사필터(250)가 완성된다.When the semiconductor silicon wafer thus manufactured is cut to an appropriate size as shown in (d) of FIG. 5 and placed so that the etched (111) surface is positioned downward, the laser diode chip embedded in the module as shown in (e) of FIG. 1300 nm laser light emitted from 100) is transmitted, and 1550 nm light for analog signal emitted from the optical fiber is reflected vertically downward from the rear slope, and 1490 nm light for digital signal emitted from the optical fiber passes through the rear slope. After reflecting from the front inclined surface, the 45 °
일반적으로 반도체 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛은 레이저 다이오드 칩의 전 후면 양 방향으로 대략 30~40도의 발산각을 가지며 발산되고 있다. 레이저 다이오드 칩의 전 후면에 유전체 박막등을 코팅하면 다이오드의 전 후면의 반사율을 조절할 수 있고 이에 따라 레이저 다이오드의 전 후면으로 방출되는 레이저 빛의 세기를 조절할 수 있다. 통상의 경우 레이저 빛이 강하게 발산되는 면을 전면이라 부르며 약하게 발산되는 면을 후면이라 부른다. 레이저 다이오드 칩의 전면에서 강하게 발산되는 레이저 빛은 신호 전송용으로 사용되며, 후면에서 약한 강도로 발산되는 레이저 빛은 도면에 표시되지 않은 레이저 다이오드 동작 감시용 포토 다이오드로 입사시켜 레이저 다이오드 칩의 동작 여부를 감시하는데 사용된다. 통상적으로 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛은 발산각도가 대략 FWHM(full width at half maximum)으로 30~40°의 발산각을 가진다. 파장 선택성 필터는 필터에 입사하는 레이저 빛의 파장뿐만 아니라 레이저 빛의 입사 각도에 따 라 파장 선택성이 달라지게 된다. 통상적으로 1300㎚와 1550㎚와 같이 파장 사이의 간격이 수백 ㎚ 이상으로 멀리 떨어진 두 파장을 분리하는 것은 매우 쉬운 일이며 이때는 레이저 빛의 입사각도가 상당히 달라지더라도 파장 선택을 잘할 수 있다. 그러나 1490㎚와 1550㎚와 같이 파장 사이의 간격이 수십 ㎚ 정도로 가까울 때는 레이저 빛의 입사각도가 수도 이내로 좁아야만 효과적으로 파장을 분리할 수 있다. In general, laser light emitted from a semiconductor laser diode chip is emitted with a divergence angle of approximately 30 to 40 degrees in both front and rear directions of the laser diode chip. Coating the dielectric thin film on the front of the laser diode chip can adjust the reflectivity of the front of the diode and thus the intensity of the laser light emitted to the front of the laser diode. In general, the surface where the laser light is strongly emitted is called the front surface, and the surface that is weakly emitted is called the rear surface. The laser light emitted strongly from the front side of the laser diode chip is used for signal transmission, and the laser light emitted from the back side with low intensity is incident on the photodiode for laser diode operation monitoring not shown in the drawing to check whether the laser diode chip is operating. Used to monitor. In general, laser light emitted from a laser diode chip has an angle of divergence of about 30 to 40 ° with a full width at half maximum (FWHM). In the wavelength selective filter, the wavelength selectivity is changed depending on the angle of incidence of the laser light as well as the wavelength of the laser light incident on the filter. In general, it is very easy to separate two wavelengths separated by a distance of several hundred nm or more, such as 1300 nm and 1550 nm, and the wavelength selection can be well performed even if the angle of incidence of the laser light varies considerably. However, when the distance between wavelengths, such as 1490 nm and 1550 nm, is close to several tens of nm, the incident angle of the laser light must be narrow within a number to effectively separate the wavelengths.
도 6은 레이저 빛이 렌즈를 통하여 집속되는 과정을 나타낸 개념도이다.6 is a conceptual diagram illustrating a process in which laser light is focused through a lens.
도 6에 도시된 바와 같이, 광모듈 내의 레이저 다이오드 칩(100)과 패키지 바깥의 광섬유를 광학적으로 연결시키기 위해서는 레이저 다이오드 칩(100)과 광섬유 사이에 렌즈(710)를 비치하여 레이저 다이오드 칩(100)과 광섬유에서 발산하는 레이저 빛들을 집속시킬 필요가 있다. 일반적으로 레이저 다이오드 칩(100)과 광섬유를 광학적으로 연결하기 위해서는 중간에 하나의 렌즈(710)를 사용하는 1 렌즈형과 2개의 렌즈(720)(730)를 사용하는 2 렌즈형으로 나눌 수 있다. 도 6의 (a)와 같이 하나의 렌즈(710)를 사용하는 경우 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛은 렌즈(710)를 거쳐 광 섬유로 수렴되게 되며 이때 렌즈(710)에서 광섬유쪽을 진행하는 레이저 빛은 렌즈(710)의 배율에 해당하는 수렴 각도를 가지게 된다. 광섬유와 레이저 다이오드 칩(100) 간의 광 결합 효율이 최대가 될 때는 광 섬유에서 발산되는 레이저 빛이 렌즈(710)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(100) 쪽으로 수렴되게 되며 이때 렌즈(710)에서 레이저 다이오드 칩(100) 방향으로의 수렴 각도는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 발산각도와 동일하다. 이와 달리 2 렌즈 시스템에서는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 빛을 먼저 하나의 렌즈(720)로 평형광으로 만들고 두 번째 렌즈(730)에서 광섬유로 수렴되는 렌즈를 비치하게 되면 두 렌즈(720)(730) 사이에서 광 경로는 서로 평형을 이루게 된다. 전술한 바와 같이 파장 선택성 필터는 레이저 빛의 파장뿐만 아니라 입사 각도에 따라 그 반사 및 투과 특성이 달라지므로 1490㎚와 1550㎚ 정도로 사이 간격이 넓지 않은 파장에 대해서는 동일한 입사각을 가지는 것이 파장 선택성 필터의 특성을 극대화시켜 준다. As shown in FIG. 6, in order to optically connect the
이에 따라 도 3에서와 같이, 레이저 다이오드 칩(100)의 전면부에 하나의 렌즈(700)를 비치하여 레이저 다이오드 칩(100)에서 나오는 레이저 빛을 평형광으로 만들고 도면에 표시되어 있지 않은 또 다른 렌즈를 이용하여 광섬유로 광 결합이 일어나도록 하면 도면에 표시된 렌즈와 도면에 표시되지 않은 렌즈 사이의 구간에서 레이저 빛들은 모두 동일한 진행 각도를 가지게 되며 각각의 필터에 입사할 때 레이저 빛의 입사각도가 동일하게 되어 필터의 파장 선택성을 극대화하여 준다. 이와 같이 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 나온 레이저 빛은 레이저 다이오드 칩(100)의 전면에 있는 렌즈(700)를 거치면서 평형광으로 바뀌게 된 후 디지털용 45°경사필터(250)로 입사하게 된다. 도면에서는 편의를 위해, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 빛이 렌즈(700)에 의해 평형광이 되므로 레이저 다이오드 칩(100)과 렌즈(700) 사이에서 단순히 평형광 성분만을 표시하였다. 전술한 설명에서 45°경사필터(250)의 전후면은 1300㎚에 대해서 무반사 특성을 가지므로 45°경사필터(250)로 입사한 레이저 빛은 경사필터(250) 내부로 투과 한 후 다시 경사필터(250)의 후면 경사면을 통하여 방출되게 된다. 45°경사필터(250)를 탈출한 1300 ㎚ 파장의 레이저 빛은 도면에 표시되지 않은 렌즈를 거쳐 패키지 외부의 광섬유로 집속되게 된다. Accordingly, as shown in FIG. 3, a
이와 반대로 도면에 표시되지 않은 광섬유에서 발산되어 나오는 1490㎚와 1550㎚의 하향 레이저 빛은 도면에 표시되지 않은 렌즈를 통하여 평형광으로 변화되게 된다. 레이저 빛이 평형광이 되었으므로 각각의 파장 성분을 도면에서는 하나의 직선으로 표시한다. 광섬유에서 하향되는 1550㎚와 1490㎚의 레이저 빛은 45°경사필터(250)에 도착하게 된다. 45°경사필터(250)의 광섬유쪽 후면 경사면은 1550㎚에 대해 반사하는 특성을 갖고 1490㎚ 파장은 투과하는 특성을 가지므로 45°경사필터(250)에 도달한 1550㎚ 파장은 진행 경로가 90°꺽여 경사필터(250) 하부의 1550㎚ 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(500)으로 입사하여 전류 신호로 바뀌게 된다. 한편, 45°경사필터(250)에 도달한 1490㎚ 파장은 후면 경사면을 그대로 투과하여 경사필터(250)의 내부를 투과한 후 전면 경사면에 도달하게 되는데, 45°경사필터(250)의 전면 경사면이 1490㎚에 대해 반사의 특성을 가지므로 반사되어 다시 후면 경사면으로 진행한 후 후면 경사면을 통하여 하부의 1490㎚ 디지털 수신용 포토 다이오드 칩(400)으로 입사하여 전류 신호로 바뀌게 된다.On the contrary, 1490 nm and 1550 nm downward laser light emitted from an optical fiber not shown in the figure is converted into a balanced light through a lens not shown in the figure. Since the laser light is a balanced light, each wavelength component is represented by one straight line in the drawing. Laser light of 1550 nm and 1490 nm descending from the optical fiber arrives at the 45 °
도 3과 도 4에서 45°경사필터(250)에 도달하여 투과하는 빛들의 진행 각도가 조금 바뀌게 도시되어 있는데, 이는 경사필터(250)의 굴절률이 공기와 달라서 일어나는 현상이며 이런 현상은 스넬의 법칙으로 잘 정리되어 있다.In FIG. 3 and FIG. 4, the propagation angle of the light passing through the 45 °
도 3의 형태로 제작되는 패키지 모듈은 레이저 다이오드 칩(100) 등의 부품 이 노출되어 있으므로 그대로 사용하기는 어렵고 도 3 패키지를 전체를 실장하여 부품을 보호하며 외부 전원과 전기적 연결을 시키게 되는 패키지 하우징이 필요하다. 이러한 패키지 하우징으로는 미니딜, 미니플랫, 버터플라이 패키지 하우징과 같이 패키지를 빠져나오는 레이저 빛의 광축이 패키지 바닥면과 수평한 패키지 하우징 유형이 있고 TO(transistor outline)형 패키지 하우징과 같이 패키지 하우징을 출입하는 레이저 빛의 광축이 패키지 바닥면과 수직한 형태의 패키지 하우징이 있다. The package module manufactured in the form of FIG. 3 is difficult to use as it is because parts such as the
도 7은 버터플라이형 패키지 하우징의 일례이고, 도 8은 TO형 패키지 하우징의 일례이다. 7 is an example of a butterfly type package housing, and FIG. 8 is an example of a TO type package housing.
도 7에 도시된 바와 같이, 버터플라이형이나 미니딜형, 미니플랫형 패키지 하우징은 패키지 바닥면과 수평으로 광축이 형성되므로 도 3의 구조는 버터플라이형이나 미니딜형, 미니플랫형 패키지 하우징에 장착하는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 7, the butterfly-type or mini-deal type and the mini-flat package housings are formed in the optical axis horizontally with the bottom surface of the package, so that the structure of FIG. It is desirable to.
이에 비해 도 8의 TO형 패키지 하우징은 (a)의 패키지 바닥면이 평평한 형태의 패키지 하우징과 (b)의 header라 하여 바닥면에서 수직으로 돌출된 header면에 레이저 다이오드 칩 등이 장착되는 형태의 두가지 패키지 하우징 유형으로 나눌 수 있다. 도 3의 패키지는 전체를 header가 있는 TO형 패키지 하우징의 header에 장착함으로써 도 3과 같은 광축 방향이 패키지 외부로 탈출할 수 있도록 할 수 있다. 한편, 도 8의 (a)와 같이 바닥이 평평한 TO형 패키지 하우징에 도 3의 패키지 모듈을 장착하기 위해서는 광축을 연직방향이 되게 꺽어줄 필요가 있다. In contrast, the TO-type package housing of FIG. 8 is a package package having a flat bottom surface of package (a) and a header of protruding vertically from the bottom surface as a header of (b). It can be divided into two package housing types. The package of FIG. 3 may be mounted on the header of the TO-type package housing having a header so that the optical axis direction as shown in FIG. 3 may escape to the outside of the package. Meanwhile, in order to mount the package module of FIG. 3 to the TO-type package housing having a flat bottom as shown in FIG. 8A, the optical axis needs to be bent in the vertical direction.
도 9는 상기 도 8 (a) 형태의 TO형 패키지 하우징에 패키지 모듈이 장착되는 일례를 나타낸 개념도이다.FIG. 9 is a conceptual view illustrating an example in which a package module is mounted on the TO-type package housing of FIG. 8A.
도 9에 도시된 바와 같이, TO형 패키지 하우징에 패키지 모듈이 장착되는 경우 광축을 연직방향으로 꺽어주기 위해 45°경사필터(250)와 광섬유 사이에 고려되는 모든 파장에 대해 반사 특성을 갖는 반사용 45°경사거울(800)이 배치된다. 이 반사용 45°경사거울(800)은 1300㎚와 1490㎚, 1550㎚ 파장 모두에 대해 높은 반사율을 가지도록 제작하여야 하며, 이를 위해서는 적외선에 대해 반사율이 높은 물질인 Au(gold), Ag(silver), Al(alluminium), Cu(copper) 등의 금속 재질로 경사면을 코팅하거나, 굴절률이 상대적으로 높고 낮은 유전체 박막을 이용하여 고려되는 전 파장 영역에 대해 높은 반사율을 가지도록 코팅할 수 있다. As shown in FIG. 9, when the package module is mounted in the TO-type package housing, the reflection having reflection characteristics for all wavelengths considered between the 45 °
도 3과 도 9에서 각각의 45°경사필터(250)를 투과하는 1300㎚ 파장의 레이저 빛은 스넬의 법칙에 따라 경사필터(250) 내부에서 수평면에 대하여 33.4°의 하향 각도를 가지며 진행하게 된다. 따라서, 경사필터(250)를 통과할 때 1300㎚ 파장의 레이저 빛의 높이가 낮아지므로 경사필터(250)를 통과하여서도 충분한 높이의 광축을 유지하기 위해서는 경사필터(250)의 높이가 높아져야 하는 단점이 있다. 경사필터(250)의 높이가 높아지면 조립시 안정적인 조립이 어려워지는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 본 발명에서는 도 3과 도 9에 도시된 바와 같이, 베이스 서브마운트(600)의 상부 높이를 달리한 단차를 두어 상대적으로 높이가 낮은 경사필터(250)를 이용하여서도 효과적으로 1300㎚ 광 축 높이를 유지할 수 있도록 하였다.In FIGS. 3 and 9, the laser light having a wavelength of 1300 nm passing through each of the 45 ° gradient filters 250 proceeds with a downward angle of 33.4 ° with respect to the horizontal plane inside the
상기 베이스 서브마운트(600)는 반도체 기판인 실리콘을 모재로 함으로써 실리콘 표면의 단차를 반도체 포토 리소그라피 방법으로 제작할 경우 각 단차를 매우 평행하게 제작할 수 있다. 이 평행한 단차의 벽에 맞물려서 45°경사필터(250)와 반사용 45°경사거울(800)을 조립하면 경사필터(250)와 경사거울(800)은 매우 용이하게 평행으로 배치할 수 있게 된다. 그러므로 베이스 서브마운트(600) 상부 표면에 단차를 형성하는 것은 경사필터(250)의 크기를 줄일 수 있다는 장점뿐만 아니라 경사필터(250) 및 경사거울(800)을 쉽게 평행하게 조립할 수 있도록 하여 준다. When the
한편, 도 3 내지 도 9에 도시된 렌즈(700)로는 구면 볼 렌즈(ball lens)와 비구면 렌즈, 프렌넬 렌즈(Fresnel lens) 등을 사용하여 발산되는 각도 특성을 가지는 송신용 레이저 빛을 평형광으로 만들어주는 평형 렌즈(collimating lens) 역할을 하도록 구현할 수 있다.Meanwhile, as the
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 베이스 서브마운트의 사시도이다.10 is a perspective view of a base submount in accordance with an embodiment of the present invention.
도 10에 도시된 바와 같이, 베이스 서브마운트(600)는 일측에 내부쪽으로 디지털 및 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)이 삽입될 수 있는 두 개의 "ㄷ"자 홈이 형성되는데, 이러한 베이스 서브마운트(600)는 가격이 저렴하며 건식 또는 습식의 식각 공정에 의해 "ㄷ"자 형태를 손쉽게 제작할 수 있는 실리콘으로 제작하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 10, the
상기 "ㄷ"자 형태의 베이스 서브마운트(600)의 상부에 45°경사필터(250)가 설치되는데, 베이스 서브마운트(600)의 "ㄷ"자 홈에 디지털 수신용 포토 다이오드 칩(400)과 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(500)이 각각 상부에 부착된 디지털 수신용 서브마운트(410) 및 아날로그 수신용 서브마운트(510)가 삽입되어 결합된다. A 45 °
본 발명의 실시예에서 1300㎚ 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 1300㎚ 파장의 레이저 빛의 일부가 모듈 내부에서 난반사 할 수 있으며, 이러한 난반사되는 빛이 디지털 및 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)으로 수신될 수 있다. In the embodiment of the present invention, the laser light having a wavelength of 1300 nm is typically a strong energy of 0 dBm or more for transmission, whereas the received laser light is typically a very weak signal of -10 dBm or less. Therefore, a part of the laser light having a wavelength of 1300 nm emitted from the embedded
도 11은 이러한 난반사되는 빛이 수신용 포토 다이오드 칩으로 수신되는 것을 방지하기 위한 수신용 포토 다이오드 칩의 배치도이다. 11 is a layout view of a receiving photodiode chip for preventing such diffusely reflected light from being received by the receiving photodiode chip.
일반적으로 1490㎚와 1550㎚ 파장의 근적외선 파장대를 감지하기 위한 디지털 및 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)은 InP 기판(401)(501)위에 광흡수층으로 InP에 격자 정합된 InGaAs를 사용한다. InGaAs 층의 일부에 p-n 접합을 형성하면 이 p-n 접합된 영역만 효과적인 광흡수층으로 작용하게 된다. p-n 접합이 이루어지지 않은 곳의 InGaAs 층은 광을 흡수하더라도 전기 신호를 발생하지 못한다. 따라서, 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)의 활성영역(402)(502)은 광 흡수를 하여 전기 신호를 발생할 수 있는 InGaAs 광 흡수층의 일부 영역이 된다. InP에 격자 정합된 InGaAs의 밴드갭 에너지는 0.75eV로써 1300㎚의 파장 내지 1550㎚ 파 장의 빛을 흡수한다. 이에 비해 InP 기판(401)(501)은 에너지 밴드갭이 대략 1.35eV로써 1300㎚ 내지 1550㎚ 파장의 빛을 흡수하지 못한다. 그러므로 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)의 활성영역(402)(502)을 패키지의 바닥으로 향하게 하고 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)의 양극 및 음극 전극은 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)의 하부에 위치되는 서브마운트(410)(510)와 금속 볼(406)(506)을 통한 플립칩 본딩 방식으로 전기적으로 연결되도록 하되, 상부로 향하는 수신용 포토 다이오드 기판면(403)(503)은 검출하여야 할 특정 파장대만 투과할 수 있도록 유전체 박막(404)(504)을 증착하는 경우 필요한 파장의 레이저 빛에만 반응하게 된다. 수신용 포토다이오드 칩(400)(500)의 활성영역(402)(502)을 상향 방향으로 배치하고 활성영역(402)(502)의 윗부분에 검출하여야 할 특정 파장대만 투과할 수 있도록 유전체 박막(404)(504)을 증착한 후 종래의 금속 볼 와이어 본딩(ball wire bonding)을 하는 방법도 물론 채택될 수 있다. In general, digital and
상기와 같이 제작되는 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(500)의 기판면(503)은 유전체 박막(504)을 통하여 1550㎚ 파장은 투과시키고, 1490㎚와 1300㎚ 파장은 반사시키는 특성을 갖게 된다. 또한, 디지털 수신용 포토 다이오드 칩(400)의 기판면(403)은 유전체 박막(403)을 통하여 1490㎚ 파장은 투과시키고, 1550㎚와 1300㎚파장은 반사시키는 특성을 갖게 된다. The substrate surface 503 of the analog receiving
일반적으로 포토 다이오드 칩(400)(500)의 활성영역(402)(502)은 표면 단차 식각이나 활성영역을 표시하기 위한 금속 링 형태의 코팅을 통해 활성영역이 표시되나 포토 다이오드의 기판면(403)(503)에는 아무런 표시를 하지 않는 것이 일반적 이다. 그러나 플립칩 본딩의 방법을 사용하여 접합된 포토 다이오드 칩(400)(500)과 서브마운트(410)(510) 블럭을 광 정렬할 때 포토 다이오드 칩(400)(500)의 기판면(403)(503)에 활성층 영역이 표시되지 않으면 광정렬이 어렵다. 이러한 것은 포토 다이오드(400)(500)의 기판면(403)(503)에 활성영역과 동일한 위치를 제외하고 금속 박막을 증착함으로써 방지할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 기판면(403)(503)을 금속 박막(405)(505)으로 증착하되 활성영역(402)(502)의 반대쪽에 있는 영역을 금속 박막으로 증착하지 않으면 금속 박막(405)(505)과 기판면(403)(503)의 반사율 차이 때문에 쉽게 활성영역 위치를 확인할 수 있고 그러므로 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)을 정렬하기가 쉬워진다. 또한 수신되는 수신광은 연직 하방 방향 성분을 가지고 활성영역 부위의 금속 박막(405)(505)의 개구면으로 입사하므로 쉽게 포토 다이오드 칩(400)(500)의 활성영역(402)(502)으로 입사하게 된다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛이 모듈 내부에서 난반사하는 빛들은 여러 경로와 각도를 가지게 되므로 포토 다이오드 칩 기판면(403)(503)의 금속 박막(405)(505)으로 진입하는 난반사 레이저 빛들은 포토 다이오드 칩(400)(500) 내부로 진입하지 못하고 반사되므로 모듈내에 장착된 레이저 빛이 직접 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)으로 입사되어 생기는 신호 누설 현상을 줄일 수 있게 된다. 포토 다이오드 칩(400)(500)의 기판면(403)(503)을 코팅하는 금속 박막 재료로는 타이타늄, 플라티늄, 금 (gold), 은 (silver), 알루미늄, 구리 등이 될 수 있으며 이들의 조합 또한 가능한 금속 박막이 된다. In general, the
한편, 도 6에서 설명한 바와 같이 수신용 포토 다이오드 칩(400)(500)로 입 사하는 광은 평행광이므로 광 흡수 영역에 효과적으로 집속되지 못할 수 있다. 이러한 문제점은 포토 다이오드 칩(400)(500)의 기판면(403)(503)의 광 흡수 영역 위에 렌즈(406)(506)를 부착함으로써 제거할 수 있는데, 포토 다이오드 칩(400)(500)과의 접합 등을 고려할 때 반구형 형태의 렌즈가 적절하다.Meanwhile, as described above with reference to FIG. 6, light incident to the receiving
도 3 내지 도 10에서 1550㎚ 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩(500)과 1490㎚ 디지털 수신용 포토 다이오드 칩(400)을 별개로 제작하는 것을 도시하였는데 이를 하나의 칩으로 제작하는 것이 가능하다. In FIGS. 3 to 10, the 1550 nm analog receiving
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 하나의 포토 다이오드 칩에 1490㎚용 포토 다이오드 칩과 1550㎚용 포토 다이오드 칩을 집적한 형태의 다이오드 칩 구조를 나타낸 개념도이다. 12 is a conceptual diagram illustrating a diode chip structure in which a 1490 nm photodiode chip and a 1550 nm photodiode chip are integrated into one photodiode chip according to an embodiment of the present invention.
통상적으로 근적외선 영역의 포토 다이오드 칩은 n-InP 기판위에 InGaAs 광 흡수층을 성장하고 그 위에 p-InP 층을 성장한 후 p층 및 n층에서 전기 접촉용 금속 패드를 설치하여 소자를 완성한다. 이때 도 17과 같이 p-InP 층과 InGaAs 층을 식각하여 광 흡수층을 두 개로 분리하면 각각의 p-n 접합 구조는 동일한 포토 다이오드 칩이 된다. InGaAs 광 흡수층은 1000㎚에서 1670㎚까지의 파장 범위 내에서 광을 흡수하므로 두 p-n 포토 다이오드 칩(400)(500)은 모두 1490㎚ 와 1550㎚를 흡수할 수 있는 상태가 된다. 이때 n-InP 기판 면에 각 포토 다이오드 칩별로 파장을 선택하는 투과/반사 필터를 설치하면 2개의 포토 다이오드 칩(400)(500)은 각각 1490㎚ 와 1550㎚에 대해 반응하는 독립적인 포토 다이오드 칩이 된다. n-InP 기판 면에 설치되는 파장 선택 투과/반사 필터는 n-InP 기판에 집적 코팅되거나 유리 기판 등에 코팅된 후 해당 포토 다이오드 칩(400)(500)의 아래에 접착될 수 있다. In general, a photodiode chip in the near infrared region grows an InGaAs light absorbing layer on an n-InP substrate, grows a p-InP layer thereon, and installs metal pads for electrical contact in the p and n layers to complete the device. In this case, as shown in FIG. 17, when the p-InP layer and the InGaAs layer are etched to separate the light absorbing layer into two, each p-n junction structure becomes the same photodiode chip. Since the InGaAs light absorbing layer absorbs light within the wavelength range of 1000 nm to 1670 nm, both
본 발명의 양방향 통신용 트리플렉서 광모듈 패키지는 설명의 편의상 주요 능동 부품인 레이저 다이오드 칩(100), 아날로그 및 디지털 포토 다이오드 칩(400)(500)을 포함하여 설명하였지만, 이외에도 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시하기 위한 감시용 포토 다이오드 칩과 디지털 수신용 포토 다이오드 칩(400)에서 수신된 광전류를 증폭하기 위한 TIA(trans impedance amplifier) 등의 전치증폭기와 이에 따르는 캐피시터(capacitor)들이 패키지 하우징 내에 추가될 수 있다. 또한, 레이저 다이오드 칩(100)은 그 특성이 온도에 매우 민감하므로 열전소자(thermo electric cooler)를 내장하여 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 조절하도록 할 수 있다. The triplex optical module package for bidirectional communication of the present invention has been described for the convenience of description including
도 1은 종래 일반적인 트리플렉서 모듈의 구조를 나타낸 개념도, 1 is a conceptual diagram showing the structure of a conventional general triplexer module;
도 2는 종래 PLC 기법을 이용한 트리플렉서 모듈의 개념도,2 is a conceptual diagram of a triplexer module using a conventional PLC technique;
도 3은 본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈 패키지의 전체적인 구조도,3 is an overall structural diagram of an optical module package for bidirectional communication according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따라 경사필터를 통과하는 1490㎚ 파장의 레이저 빛 경로 특성을 나타낸 개념도,4 is a conceptual diagram showing the laser light path characteristics of the wavelength 1490nm passing through the gradient filter in accordance with the present invention,
도 5는 본 발명에 따라 반도체 실리콘 웨이퍼를 이용하여 파장 선택성을 가지는 45°경사필터를 제작하는 과정을 나타낸 개념도,5 is a conceptual diagram illustrating a process of fabricating a 45 ° gradient filter having wavelength selectivity using a semiconductor silicon wafer according to the present invention;
도 6은 레이저 빛이 렌즈를 통하여 집속되는 과정을 나타낸 개념도,6 is a conceptual diagram illustrating a process in which laser light is focused through a lens;
도 7은 버터플라이형 패키지 하우징의 일례, 7 is an example of a butterfly type package housing,
도 8은 TO형 패키지 하우징의 일례,8 is an example of a TO-type package housing,
도 9는 본 발명에 따라 TO형 패키지 하우징에 패키지 모듈이 장착되는 일례를 나타낸 개념도,9 is a conceptual diagram illustrating an example in which a package module is mounted on a TO-type package housing according to the present invention;
도 10은 본 발명에 따른 베이스 서브마운트의 사시도,10 is a perspective view of a base submount in accordance with the present invention;
도 11은 본 발명에 따라 난반사되는 빛이 수신용 포토 다이오드 칩으로 수신되는 것을 방지하기 위한 수신용 포토 다이오드 칩의 배치도,11 is a layout view of a receiving photodiode chip for preventing diffusely reflected light from being received by the receiving photodiode chip according to the present invention;
도 12는 본 발명에 따라 하나의 포토 다이오드 칩에 1490㎚용 포토 다이오드와 1550㎚용 포토 다이오드를 집적한 형태의 다이오드 칩 구조를 나타낸 개념도이다. 12 is a conceptual diagram illustrating a diode chip structure in which a 1490 nm photodiode and a 1550 nm photodiode are integrated in one 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 100: laser diode chip
110 : 레이저 다이오드용 서브마운트110: submount for laser diode
250 : 45°경사필터(45°경사 beam splitter/filter) 250: 45 ° sloped beam splitter / filter
400 : 디지털 수신용 포토 다이오드 칩 400: Photodiode chip for digital reception
410 : 디지털 수신용 서브마운트410: submount for digital reception
500 : 아날로그 수신용 포토 다이오드 칩 500: photodiode chip for analog reception
510 : 아날로그 수신용 서브마운트510: submount for analog reception
600 : 베이스 서브마운트600: base submount
700 : 렌즈700: Lens
800 : 반사용 45°경사거울800: 45 ° mirror for reflection
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