KR0162752B1 - 고속 광통신용 반도체 레이져 모듈의 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유를 가지는 고속 광통신용 반도체 레이져 모듈의 패키지에 관한 것으로, 본 발명은 광섬유가 부착된 광통신용 레이져모듈의 패키지에 있어서, 정교한 광학 정렬이 필요한 광학부품들이 실린더 형태의 4종류의 하우징으로 조립되어 구성되는 서브모듈의 출력 단자와 버터플라이 패키지의 단자 사이를 전기적으로 접속하고, 페데스탈(pedestal)에 부착되며, 패턴이 형성된 혼성 세라믹 기판; 상기 서브 모듈과 혼성 기판을 보다 완벽하게 케이스 그라운드(case ground)와 연결하기 위한 전도체 박; GRIN 렌즈를 삽입하여 LD 칩과 광 집속형 GRIN 렌즈의 정열시에 횡축방향만을 정열시켜 종축방향에 대한 자유도를 줄이기 위한 렌즈 하우징; 및 광섬유를 보호하기 위하여 본 모듈의 출력부에 설치되는 광섬유 보호자(optical protector)(26)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기와 같은 본 발명은 기존의 값싸고 저속변조용으로 주로 사용되어 왔던 TO 패키지를 이용하여 고속 광통신용으로 적용시킬 수 있고, 광학적으로 연결을 하기에 종래의 방법보다 저렴한 가격으로 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

고속 광통신용 반도체 레이져 모듈의 패키지
제1도는 종래의 고속 광통신용 모듈 구성의 측면도.
제2도는 종래의 고속 광통신용 모듈 구성의 평면도.
제3도(a)는 본 모듈 구성의 측면도.
제3도(b)는 본 모듈 구성의 평면도.
제4도는 고속변조용 모듈의 혼성 기판 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : TO패키지 2 : 레이져 다이오우드
3 : 모니터 광검출기(PD) 4 : 볼 렌즈(ball lense)
5 : 광 분리기(optical isolator) 6 : 평행광 GRIN 렌즈
7 : 단일모드 광섬유 8 : 하이브리드 세라믹 기판
9 : 칩 인덕터 10 : 광 집속형 GRIN 렌즈
11 : 점프 와이어(jump wire) 12 : 접지용 구멍
13 : 전도체 박(foil) 14 : 접지용 핀
15 : TO하우징 16 : 렌즈 하우징
17 : 분리기(isolator) 하우징 18 : 파이버 하우징
19 : 에폭시 흐름방지용 홈 20 : 플랜지(flange)
21 : TEC 22 : 페데스탈(pedestal)
23 : seam sealing 부위 24 : 솔더(solder) 부위
25 : 제동용 레지스터 26 : 고무 부트(booth)
27 : 와이어 접속(wire bonding)
본 발명은 반도체 레이져 모듈의 패키지에 관한 것으로 특히, 광섬유를 가지는 고속 광통신용 반도체 레이져 모듈의 패키지에 관한 것이다.
단일모드 광섬유가 부착된 고속 광통신용 반도체 레이져 모듈에 패키징할 때 고려해야 할 사항으로는 반도체 레이져 다이오우드(이하, LD라고 함) 장치의 광출력, 광변조, 단일모드 동작성능을 열화(degradation)시키거나 제한하지 않으면서 외부 광전송 시스템에 적용할 수 있도록 해야한다.
먼저 패키징의 광학적 측면을 보면 LD와 광섬유와의 높은 광결합효율(optical coupling efficiency)을 확보하여 LD 자체의 낮은 전/광(electrical/optical) 변환효율을 보상하여 시스템이 요구하는 평균 광출력을 유지하도록 함과 동시에, LD의 안정된 단일모드 동작에 악효과를 가하는 광궤환(optical feedback)을 차단하여야 한다.
패키징의 전기적인 측면은 LD에 인가되는 고속 전기신호를 효율적으로 전달하기 위하여 임피던스 정합 및 패키지의 기생성분 특히, 결합 와이어(bonding wire) 및 결합 리드(bonding lead)에 의한 인덕턴스가 LD 소자의 커패시턴스와 결합하여 LD의 변조 대역폭을 제한하는 것을 방지해야 한다.
제1도(a)와 제1도(b)에서는 이러한 고려사항을 기준으로 현재 주로 제작되고 있는 고속 광통신용 반도체 레이져 모듈의 구조를 보여주고 있다.
제1도(a)와 (b)에서와 같이 종래의 고속 광통신용 레이져모듈은 TO 패키지(1)에 LD(2) 및 모니터용 광검출기(3)를 내장한 후 평행광 출사용 볼 렌즈(4), 궤환광 차단용 광 분리기(5), 평행광 집속용 그린(GRIN) 렌즈(6) 및 피그테일(pigtail) 광섬유(7)의 주요 광학 부품들을 실린더형의 스테인레스강 하우징내에 넣어 레이져 웰딩 방법으로 서로 고정시켜 광학적으로 연결을 하고, TO 패키지의 출력단자와 버터플라이 패키지의 단자 사이를 혼성기판(8)을 사용하여 전기적인 연결을 하고 있다.
그러나 이 구조는 광학계의 부품수가 많아서 광결합 효율이 떨어질 뿐만 아니라 제작이 힘들고 칩 인덕터(9)가 탑재된 단순 혼성 기판으로 고속 동작 특정이 나쁘고, 용접 밀폐(hermetic sealing)가 불안정한 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 렌즈 구조를 광 집속용 단일 렌즈를 이용하여 광학 부품수를 줄이고, 혼성 기판 위에 사용되는 인덕터로서 점프-와이어(jump wire)형을 사용하여 인덕턴스 값을 조절하므로 종래의 칩인덕터에 있는 기생 커패시턴스를 제거하며, 보다 완벽한 용접 밀폐를 추구하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고속 광통신용 레이져 모듈에 있어서, 광신호를 발생시키는 레이져 다이오우드, 상기 레이져 다이오우드에서의 광신호를 검출하는 모니터 광검출기, 상기 레이져 다이오우드에서의 광신호를 평행광으로 집속하는 GRIN 렌즈, 및 궤환광을 차단하는 광 분리기(optical isolator)들과 같이 정교한 광학 정렬이 필요한 광학부품들이 실린더 형태의 4종류의 하우징으로 조립되어 구성되는 서브모듈의 출력단자와 버터플라이 패키지의 단자 사이를 전기적으로 접속하고, 페데스탈(pedestal)에 부착되며, 패턴이 형성된 혼성 세라믹 기판; 상기 서브 모듈과 혼성 기판을 보다 완벽하게 케이스 그라운드(case ground)와 연결하기 위한 전도체 박; GRIN 렌즈를 삽입하여 LD 칩(2)과 광 집속형 GRIN 렌즈의 정열시에 횡축방향만을 정열시켜 종축방향에 대한 자유도를 줄이기 위한 렌즈 하우징; 및 상기 레이져 다이오우드에서의 광신호를 외부로 전송하는 광섬유를 보호하기 위하여 본 모듈의 출력부에 설치되는 광섬유 보호자(optical protector)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
본 발명에 사용된 고속변조용 레이져 모듈의 구조는 크게 부모들과 외부 버터플라이 패키지로 구성된 본 모듈로 구분된다.
제2도와 같이 본 발명의 부모들의 구조는 정교한 광학 정렬이 필요한 광학부품들이 실린더형의 4 종류의 스테인레스강 하우징(15, 16, 17, 18)으로 조립되어 있다.
4종류의 실린더형 스테인레스강 하우징(TO하우징(15), 렌즈하우징(16), 분리기하우징(17), 파이버하우징(18))의 역할은 광모듈에서 사용되는 광부품LD(2)가 탑재된 TO패키지(1), 렌즈(10), 분리기(5), 광섬유(7)의 광학적 연결을 위하여 사용된다. 사용되는 4종류의 광부품들은 작고 형태들이 일정하지 않아 외형이 일정한 실린더형태를 가지도록 하기 위하여, 4종류가 독특하게 설계된 하우징안에 넣어서 광부품들을 고정시킨다.
스테인레스강 재질의 4종류의 하우징은 레이저웰딩 방법으로 순차적으로 고정시키기 위하여 사용되는 것으로 고정부위를 일반 에폭시나 솔더링 방법으로 접합시키는 경우보다 견고하여 신뢰성이 매우 우수한 광모듈을 만들 수 있는 효과를 가진다.
LD의 광출력을 피그테일(pig-tailed) 단일모드 광섬유(7)에 최대한으로 결합시키기 위하여 사용된 광학부품으로는 광집속형 그린(GRIN) 렌즈(10)와 궤환광을 차단하기 위한 광 분리기(5)를 사용하였다.
그린 렌즈(10)의 구조는 플라노-콘벡스(plano-convex) 형태를 사용하여, 양면이 모두 AR(anti-reflection) 코팅이 되어 있고 빛이 집속되어 나오는 플라노면은 궤환광을 차단하기 위하여 4∼8° 정도 기울러져 있으며 솔더링(soldering)이 용이하도록 렌즈 주위에 금속층을 형성하였다.
LD 칩(2)과 광 집속형 그린 렌즈(10) 정열시 렌즈 하우징(16)에 그린 렌즈(10)를 삽입하여 횡축방향만을 정열시켜 종축방향에 대한 정렬 자유도를 줄였다.
렌즈 하우징(16)에 그린 렌즈(10)를 삽입하여 에폭시로 고정시킬 때 에폭시-모세관 현상에 의하여 흘러내려 렌즈 표면에 코팅되는 것을 방지하기 위하여 렌즈 하우징의 내부에 렌즈 구멍(19) 보다 약간 큰 구멍을 두었다.
제2도에서와 같이 LD에서 나온 빛은 렌즈(10)를 통하여 광섬유(7) 끝에 상이 맺히는데 렌즈의 위치 즉, LD와 렌즈와의 거리(L1)에 따라서 상이 맺혀지는 거리(L2)와 확대되는 정도(magnification ratio)가 결정된다. 레이트레이스(Ray trace) 공식에 의해 계산을 하면 일반적으로 L1이 0.5mm 정도일 때 L2는 7∼8cm의 거리가 필요하며 이때 LD에서 나온 빛은 약 6배정도 확대되어 광섬유 코아의 직경(10㎛)과 같아져 최대의 광결합 효율을 얻게 된다. 또한, 전송 속도가 2.5Gbps 급 이상의 고속 동작의 LD는 빛이 되돌아오는 궤환광에 상당히 민감하기에 이를 최소화시켜야 한다. 특히 궤환광이 가장 많이 발생하는 광섬유 끝에서 반사되어 LD로 되돌아오는 궤환광을 차단하기 위하여 광분리기(optical isolator)를 렌즈와 광섬유 사이에 삽입한다. 이때 분리기 하우징 구조는 그림과 같이 렌즈하우징에 홈을 내어 분리기 하우징의 내경이 삽입될 수 있도록, 즉, 광정렬이 필요없이 수월하게 연결하도록 설계되었다. 또한 광 분리기 하우징(17)과 광섬유 하우징(20)의 웰딩시 웰딩-쉬프트(welding-shift)가 적은 축방향의 용접이 가능하도록 얇은 플랜지(20)를 채택하였다.
단일모드 피그테일 광섬유(7)의 끝은 4∼8° 정도로 갈아서 LD에서 나온 빛이 광섬유 끝에서 반사되어 되돌아가는 것을 방지하였다.
제3도(a)는 본 발명의 모듈 구조를 옆에서 본 그림으로, 패턴이 형성된 혼성 세라믹 기판(8)을 부모듈의 출력단자와 연결시킨 후 임피던스가 고려된 14 핀 버터플라이 패키지 안에 넣고, 부모듈과 TEC(21) 사이에 페데스탈(22)을 사용하여 붙인 후 패키지 리드(lid)를 덮어 시임 시일링(seam sealing)(23)한 후 앞으로 나온 돌출부는 광섬유 보호자(26)를 사용하여 솔더링(soldering)으로 용접밀폐(24)가 되도록 하였다.
혼성 세라믹 기판에서는 제4도와 같이 접지용 구멍(21)이 있어 이에 대응하는 페데스탈의 돌출부에 끼워 고정시키거나 구멍보다 작은 세라믹 원판에 금속층을 입힌 후 이것을 구멍과 대응하는 페데스탈 부위에 납땜으로 고정시킨 후 다시 세라믹 기판의 솔더링으로 견고하게 고정시킨다.
본 발명에서는 수 GHz에서 동작되는 LD모듈에 관한 것으로, 고속 동작을 위해서는 그림 제4도와 같이 그림 오른쪽에 있는 버터플라이 패키지 핀(LD(-), RF신호)으로 수 GHz의 고속 변조신호가 그림 왼쪽에 있는 버터플라이 패키지 핀(LD9-, DC바이어스)와 연결되어 그림 위쪽에 있는 TO 패키지 핀(LD(-))으로 연결되어 진다. 즉, 10 ∼ 20mA의 DC바이어스가 걸린 40 ∼ 50mA 진폭의 변조신호가 TO패키지 핀(LD(-))을 통하여 LD로 인가된다. 이때 고주파 성분이 LD쪽으로만 전달되게 하기 위하여 약 150nH(2.5GHz 에서 약 2.4 k ohm의 임피던스 값을 가짐)의 인덕터와 50ohm의 저항으로 구성된 일명 RF-blocking회로 (혹은 바이어스 티, bias-tee라고 함)를 DC와 TO패키지 핀(LD(-))사이에 삽입한다.
기존의 칩 인덕터는 저주파(MHz) 대역에서 주로 사용되는 부품으로서 수 GHz 이상의 고주파 대역에서는 기생 캐패시턴스가 증가되어 광모듈의 성능을 저하시킨다. 이러한 패키지의 기생효과를 최소화하기 위해서 본 발명에서는 제4도와 같이 세라믹 기판 위에 점프 와이어 구조를 사용하였다. 일반적으로 패키지 조립의 와이어 본딩으로 사용되는 직경 25㎛의 금재질의 와이어가 가지는 인덕턴스는 1mm 당 약 0.8nH로서 길이를 조절하여 인덕턴스의 값을 조절할 수 있다. 본 발명에서는 필요로 하는 약 150nH를 가지기 위해서는 3mm의 길이로 약 60회 정도 지그재그 형태로 기존의 와이어 본딩 장비로 수월하게 제작할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 50ohm 저항은 세라믹 기판 공정시 탄탈리움 나이트라이드(TaN) 재질을 열증착이나 스퍼터링의 박막공정을 이용하여 수㎛ 정도 증착한후 패터닝하여 레이저를 이용하여 패턴을 일부 제거시키면서 저항값을 조절한다.
광섬유 보호자(26)는 금속재질로 버터플라이 패키지 호올에 삽입한 후, 광섬유 페롤(fiber ferrule)이 나오도록 짧게 설계되었으며 솔더 프리폼(solder preform)을 얇게 잘라 주위에 돌아가면서 놓은 후 국부적인 고전류를 가하여 프리폼이 솔더링되면 LD의 온도상승에 큰 변화 없이 견고하면서 완벽한 시일링(sealing)이 될 수 있도록 하였다.
또한, 광섬유 보호자의 조립후 돌출된 광섬유 페롤은 고무 부트(rubber booth)(26)로 고정시켰다.
제3도(b)는 본 발명의 모듈 구조를 위에서 본 그림으로 서브모듈과 혼성 기판(8)을 보다 완벽하게 케이스 그라운드(case ground)를 하기 위하여 전도체 박(13)을 사용하였다.
또한, 혼성 기판(8)상의 고속신호가 전달되는 부분은 와이어 접속(wire bonding)(27)을 여러번 수행하여 인덕턴스 값을 최소화하였다. 상기와 같은 본 발명은 기존의 값싸고 저속변조용으로 주로 사용되어 왔던 TO 패키지를 이용하여 고속 광통신용으로 적용시킬 수 있고, 주요 광학부품들을 실린더형의 스테인레스 강 하우징내에 넣어 원형 대칭을 최대한 활용하여 레이져 웰딩 방법으로 서로 고정시켜 광학적으로 연결을 하기에 종래의 방법보다 저렴한 가격으로 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 광섬유가 부착된 광통신용 레이져모듈의 패키지에 있어서, 광신호를 발생시키는 레이져 다이오우드(2), 상기 레이져 다이오우드(2)에서의 광신호를 검출하는 모니터 광검출기(3)가 설치되는 TO패키지(1)를 고정 결합시키는 TO하우징(15)과, 광신호를 평행광으로 집속하는 광집속 그린렌즈(10)가 삽입 설치되어 TO하우징(15)에 고정하되, LD 칩(2)과 광 집속형 GRIN 렌즈(10)의 정열시에 횡축방향만을 정열시켜 종축방향에 대한 자유도를 줄이기 위한 렌즈 하우징(16)과, 궤환광을 차단하는 광 분리기(5)가 삽입 설치되어 상기 렌즈하우징(16)에 고정 설치되는 분리기 하우징(17)과, 단일모드 광섬유(7)가 삽입 설치되는 파이버 하우징(18)과, 상기 각 광학 부품들을 광학 정렬시켜 고정시키는 실린더 형태의 4종류의 상기 하우징(15, 16, 17, 18)들이 조립되어 구성되는 서브모듈의 출력단자와 버터플라이 패키지의 단자 사이를 전기적으로 접속하고, 페데스탈(pedestal)(22)에 부착되며, 패턴이 형성된 혼성 세라믹 기판(8); 상기 서브 모듈과 혼성 기판을 보다 케이스 그라운드(case ground)와 연결하기 위한 전도체 박(13); 상기 레이져 다이오우드(2)에서의 광신호를 외부로 전송하는 광섬유를 보호하기 위하여 본 모듈의 출력부에 설치되는 광섬유 보호자(optical protector)(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼성 세라믹 기판(8)은 접지용 구멍(12)이 형성되고, 이 구멍에 대응하는 돌출부가 페데스탈(22)에 형성되어 상기 구멍에 끼워 고정되는 것을 특징으로 하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지.
  3. 제1항에 있어서 상기 혼성 세라믹 기판(8)은 접지용 구멍(12)이 형성되고, 그 구멍보다 작은 세라믹 원판에 금속층을 입인 후 이것을 구멍과 대응하는 페데스탈(22) 부위에 납땜으로 고정한 후 세라믹 기판 구멍에 끼운 후 솔더링(soldering)으로 견고하게 고정시키는 것을 특징으로 하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혼성 세라믹 기판(8)은 점프-와이어링(jump-wiring)(11) 형태의 인덕터를 사용하여 기생 커패시턴스를 줄이고 인덕턴스 값을 조절하며 50Ω 제동용 레지스터를 가지는 것을 특징으로 하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 보호자(26)는 금속재질로 버터플라이 패키지의 구멍에 삽입된 후 광섬유 페룰(ferrule)이 나오도록 짧게 설계되었으며, 솔더 프리폼(solder preform)을 접촉 주위(24)를 돌아가면서 묻힌 후 국부적인 고전류를 가하여 프리폼 솔더링이 되면 레이져 다이오우드의 온도 상승에 큰 변화없이 견고하면서 완벽한 시일링(sealing)이 되며, 광섬유 보호자의 조립 후 돌출된 광섬유 페룰은 고무 부트로 고정시키는 것을 특징으로 하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 하우징(16)은 GRIN 렌즈(10)를 삽입하여 에폭시로 고정시킬 때 에폭시가 모세관 현상에 의하여 흘러내려 렌즈 표면에 코팅되는 것을 방지하기 위하여 내부에 렌즈 구멍보다 약간 큰 구멍(19)을 가지는 것을 특징으로 하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광 분리기(5)의 하우징(17)은 렌즈 하우징(16)과의 조립시 광정열이 필요없도록 소켓형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 하우징(18)은 광 분리기의 하우징(17)과의 조립시 정밀한 축방향의 용접이 되도록 플랜지(flange) 구조(20)를 가지는 것을 특징으로 하는 고속 광통신용 레이져 모듈의 패키지.
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