KR100194585B1 - 레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저웰딩 방법을 이용하여 광통신용 반도체 레이저 모듈에 광섬유를 부착하는 패키지 설계 및 공정에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 광전송용 반도체 레이저 모듈에 사용하는 단일 모드 광섬유를 부착시킬 때 웰딩 후의 변위를 줄이고 웰딩 공정을 간편하게 할 수 있는 레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작방법에 관한 것이다.

종래의 이러한 모듈 제작방법중 최종적으로 수행하는 광섬유 페룰 및 페룰하우징을 고정시키는 공정은 매우 복잡하였다.

본 발명에서는 광섬유 페룰하우징을 변경하고 공정을 개발하므로서 제작이 보다 쉽고 성능이 보다 우수한 레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작공정을 제공하기 위한 것으로 특수하게 고안된 광섬유 페룰하우징을 이용하며 레이저웰더의 내부콜렛은 전혀 사용하지 않고 상부 외부콜렛으로만 광섬유 페룰을 잡은 상태에서 횡 방향(x, y, 각도) 및 종 방향(z)을 자유롭게 조절하여 집속된 광이 광섬유에 최대로 도달되도록 정열한 후 페룰 접합부위를 레이저웰딩 방법을 이용하여 순차적으로 고정시켜 궁극적으로 레이저 다이오드, 렌즈 및 광섬유의 광축을 일치시킴으로서 최대의 광결합효율을 얻을 수 있는 방법을 특징으로 하는 것임.

Description

레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작방법(Fabrication method of transmitter module for high speed optical telecommunication using laser welding technology)

제1도(a)는 본 발명이 적용된 고속 광통신용 모듈의 평면도.

(b)는 본 발명이 적용된 고속 광통신용 모듈의 측면도.

제2도(a)는 광섬유 페룰을 잡기 위한 어댑터링의 평면 구성도.

(b)는 광섬유 페룰을 잡기 위한 어댑터링의 사시도.

제3도(a)는 기존의 고속 광통신용 모듈의 평면도.

(b)는 기존의 고속 광통신용 모듈의 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 다이오드 2 : 박막 저항

3 : 열 분산용 기판 4 : 모니터광검출기

5 : 광 집속형 렌즈 6 : 열측정소자

7 : 캐리어 8 : ㄴ 자형태의 렌즈고정대

9 : 열전 냉각소자 10 : 마이크로스트립라인

11 : 궤환광 차단기 12 : 링

13 : 광섬유 페룰 14 : 페룰하우징

15 : 버터플라이 패키지 16 : 광섬유 보호대

17 : 링옆면의 나사홈 18 : 렌즈하우징

19 : 렌즈 링 20 : 레이저웰딩 부위(렌즈하우징-렌즈링)

21 : 레이저웰딩 부위(렌즈링-렌즈고정대) 22 : 레이저웰딩 부위(링-버터플라이 패키지)

23 : 레이저웰딩 부위(페룰하우징-페룰) 24 : 레이저웰딩 부위(페룰하우징-링)

25 : 본 발명이 적용된 페룰하우징 26 : 본 발명에서 추가로 적용한 레이저웰딩 부위

27 : 광섬유 삽입/배출용 슬롯 28 : 어댑터링을 지지하기 위한 판 스프링

본 발명은 레이저웰딩 방법을 이용하여 광통신용 반도체 레이저 모듈에 광섬유를 부착하는 패키지 설계 및 공정에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 광전송용 반도체 레이저 모듈에 사용하는 단일 모드 광섬유를 부착시킬 때 웰딩 후의 변위를 줄이고 웰딩 공정을 간편하게 할 수 있는 레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 레이저 모듈을 패키징할 때 고려해야 할 사항으로는 레이저 다이오드 특성(예, 광출력, 단일모드 동작)을 악화시키지 않게 하기 위하여 전기적, 열적, 광학적, 기계적 측면을 잘 고려해야 한다.

그중 패키징의 광학적인 측면을 보면, 레이저 다이오드와 광섬유와의 높은 광결합효율(optical coupling efficiency)을 확보하여 레이저 다이오드 자체의 낮은 전/광(electrical/optical) 변환 효율을 보상함으로써 시스템이 요구하는 평균 광출력을 유지하도록 함과 동시에 레이저 다이오드의 안정된 단일 모드 동작에 악효과를 유발시키는 광궤환(optical feedback)을 차단하여야 한다.

또한 신뢰성이 고려된 기계적인 측면을 보면, 조립된 광부품의 정열이 외부 변화에 대하여도 변화되지 않도록 모듈 설계 및 제작방법을 개발하여야 한다.

종래에는 제3도(a)와 (b)에 도시된 바와 같이 상기의 고려사항을 기준으로 주로 제작되고 있는 대표적인 고속 광통신용 반도체 레이저 모듈의 구조를 보여 준다.

제3도를 참조하여 기존의 기술을 간단히 설명하면 다음과 같다.

레이저 다이오드(1)를 다이아몬드 열 분산용 기판(3) 위에 붙이고, 모니터광검출기(4) 및 열측정소자(6)와 함께 칩캐리어(7) 위에 조립한다.

이때 열 분산영 기판(3)과 칩캐리어(7)의 총두께는 레이저 다이오드(1)가 부착되었을 때 높이가 궤환광 차단기(11)의 중심과 일치되도록 제작한다.

이러한 칩캐리어는 렌즈고정대 위에 열전도성이 우수한 에폭시나 솔더를 이용하여 레이저 다이오드가 렌즈고정대 구멍중심에 위치하도록 고정시킨다.

일반적으로 집속형 렌즈로 사용되는 플라노-콘벡스(plano-convex) 형태의 그린(GTIN)렌즈(5) 구조는 직경 1.8mm이고 길이가 약 3.2mm정도 되는 유리막대형으로 제작되어 진다.

원통형의 렌즈하우징(18) 내경(inner diameter)은 렌즈가 들어가서 에폭시나 솔더로 고정시킬 수 있도록 렌즈 직경보다 수십㎛정도 크게 하고 렌즈하우징(18) 외경(outer diameter)은 레이저웰딩시 녹는 깊이(weld depth)를 고려하여 200-300㎛ 두껍도록 선택한다.

렌즈와 광섬유를 동시에 동심축으로 잡을 수 있는 레이저웰딩 장비를 이용하여 상부콜렛에 위치한 렌즈와 광섬유간의 거리 및 렌즈와 레이저 다이오드간의 거리를 변화시키면서 횡 방향(x-, y-)으로 정열하여 레이저 다이오드에서 발생한 빛이 광섬유에 최대한 집속될 때 레이저웰딩을 수행한다.

웰딩에 사용하는 3가닥의 야그(YAG)레이저빔의 위치는 웰딩될 부위에서 10㎝정도 떨어져서 120°각도에서 동시에 주사되도록 놓여져 있다.

1차 정열이 끝난 후 렌즈하우징과 렌즈링 사이의 웰딩(20)을 우선적으로 수행하여 종방향(Z축)의 거리를 고정시키고 다시 횡 방향(x-, y-)으로 2차 정열을 수행한 후 렌즈고정대와 렌즈링(21)사이의 웰딩을 수행한다.

제3도와 같이 사각의 버터플라이 패키지(15) 바닥에 냉각소자(9)를 납땜으로 고정시키고 냉작소자 윗면에는 열전도성 에폭시를 첨가한 후 위에서 완성된 서브모듈을 올려놓아 고정시킨다.

이렇게 완성된 사각 모듈 패키지는 궤환광 차단기(11)가 삽입된 후 레이저웰딩 장비의 하부콜렛에 고정시키고 베이스링을 올려놓고 세 차례의 세 방향 동시 레이저웰딩을 수행하여 총9개의 웰딩부위(22)를 형성시키므로서 단단히 고정시킨다.

계속해서 상부의 외부콜렛에는 광섬유 페룰하우징을 그리고 상부의 내부 콜렛에는 광섬유 페룰을 고정시킨 후 광정열을 수행한 후 광섬유 페룰과 페룰하우징의 계면(23)을 먼저 세방향 동시 웰딩하므로서 레이저웰딩공정을 마친다.

이제 광섬유 보호대(16)를 베이스링에 돌려 끼우고 뚜껑을 덮어 모듈을 완성한다.

그러나 이러한 모듈 제작공정중 최종적으로 수행하는 광섬유 페룰 및 페룰하우징을 고정시키는 공정을 자세히 설명하면 다음과 같이 매우 복잡하다.

즉 레이저웰딩을 수행하기 위해서는 레이저웰더의 하부콜렛으로는 횡 방향(x, y 및 각도)으로 정열을 수행하고 상부 콜렛은 수직 방향(z축)으로 정열을 수행하게 되는데 최고 광결합효율(Pmax)을 얻을 수 있는 상태로의 정열이 끝나면 광섬유 페룰과 페룰하우징의 계면(23)을 먼저 세 방향 동시 웰딩하고 페룰을 잡고 있던 내부 콜렛은 페룰을 놓고 위로 올라가게 된다.

이때 웰딩 후의 정열이 흐트러지기 때문에 최대 광결합효율(Pmax) 보다 작은 값(P1)을 갖게 되므로 Pmax를 찾기 위해서 다시 횡방항정열을 수행해야 한다.

그러나 현재상태는 베이스링과 페룰하우징이 30파운드 정도의 힘으로 밀착해 있는 상태이므로 횡방향정열을 수행할 수 없다.

따라서 재정열을 위해 외부콜렛을 100마이크로미터 정도 띄우고 횡방향으로 일정거리를 움직인 후 다시 100마이크로미터 내려오면 종방항으로는 원위치가 되어서 베이스링과 페룰하우징이 다시 접촉한다.

이때의 광결합 효율(P2)을 기존치(P1)과 비교해서 증가하는 방향으로 이동한다.

위와 같은 과정을 반복적으로 수행해서 Pmax와 비슷한 값을 얻게 되면 최종적으로 페룰하우징과 베이스링의 접촉부위를 세 방향 동시 레이저웰딩하여 공정을 마친다.

이상과 같이 복잡한 공정 중에 특히 100마이크로미터를 올라가서 횡 방향으로 적당한 거리를 움직이고 다시 100마이크로미터 내려오기를 반복해사 최적치를 찾아가는 공정(이하 헌트앤펙(hunt and peck)이라 함)은 매우 시간을 소비할 뿐 아니라 최대 광결합효율(Pmax)을 얻을수 있는 위치를 정확히 찾아갈 수 없는 단점이 있다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명에서는 광섬유 페룰하우징을 변경하고 공정을 개발하므로서 제작이 보다 쉽고 성능이 보다 우수한 레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 특수하게 고안된 광섬유 페룰하우징을 이용하며, 레이저웰더의 내부콜렛은 전혀 사용하지 않고 상부 외부콜렛으로만 광섬유 페룰을 잡은 상태에서 횡 방향(x, y, 각도) 및 종방향(z)을 자유롭게 조절하여 집속된 광이 광섬유에 최대로 도달되도록 정열한 후 페룰 접합 부위를 레이저웰딩 방법을 이용하여 순차적으로 고정시켜 궁극적으로 레이저 다이오드, 렌즈 및 광섬유의 광축을 일치시켜 최대의 광결합 효율을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

이를 구현하기 위하여 직경이 작은 광섬유 페룰을 커다란 외부콜렛으로 잡을 수 있도록 어댑터링을 고안하였는데, 이러한 어댑터링을 사용하면 규격화된 광섬유 페룰(직경 1.8mm 혹은2.0mm)뿐 아니라 어떠한 굵기의 광섬유 페룰을 사용하는 광모듈일지라도 간단하게 어댑터링을 자유롭게 제작할 수 있는 장점도 가지고 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 자세하게 설명하면 다음과 같다.

제1도에서 보는 바와 같이 사각의 패키지 내부에 위치하는 모든 부품의 조립 공정 및 베이스링(12)을 올려놓고 세 차례의 세 방향 동시 레이저웰딩을 수행하여 총 9개의 웰딩부위를 형성시키므로서 단단히 고정시키는 공정까지는 기존의 방법(제3도)과 같다.

본 발명의 제작은 레이저웰딩을 수행하기 위한 원통형의 광섬유 페룰하우징과 베이스링간에 힘을 가하지 않고 광섬유 페룰하우징 자체의 무게로 인해 자연스럽게 접촉시킨 상태에서 광정열을 수행한 후 레이저웰딩으로 접합하는 공정과; 광섬유 페룰을 견고히 부착시키기 위하여 페룰하우징에 상하로 2회 이상의 웰딩을 수행하는 공정과; 레이저웰더의 상부 외부콜렛으로 광섬유 페룰을 감싸고 있는 어댑터링을 견고히 잡고 수행하는 웰딩공정과; 상기 웰딩공정을 수행한 다음 어댑터링을 제거하여 모듈을 완성시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예를 더욱 구체적으로 설명한다.

새로이 고안된 페룰하우징을 사용하기 위해서 제2도에서와 같이 특별히 고안된 광섬유 페룰용 어댑터링을 직경 1.8mm 혹은 2.5mm의 가느다란 광섬유 페룰(13) 주위에 삽입한 후 기존의 직경 6mm의 굵은 광섬유 페룰하우징(14)을 잡도록 제작된 레이저웰더 상부의 오부콜렛만을 이용하여 어댑터링을 단단히 잡고 광섬유 페룰 반대쪽에 부착되어 있는 광섬유 콘넥터를 광결합 측정을 위해 광량 측정기와 연결한다.

이때 제2도의 어댑터링 구조에 보인 바와 같이 외부 직경은 6mm로 고정시킨 채 내부직경을 변화시키면 규격화된 직경 1.8mm 또는 2.5mm의 광섬유 페룰을 잡을 수 있을 뿐 아니라 직경 1.8mm 이하의 매우 가느다란 광섬유 페룰부터 상부의 외부콜렛 내경보다 약간 작은 직경이 약 5mm의 광섬유 페룰까지도 간단하고 자유롭게 잡을 수 있으므로 다양한 모듈 제작이 가능해진다.

레이저웰더 하부콜렛에는 선행 공정에서 준비된 사각 패키지를 고정시키고 레이저 다이오드 구동을 위해 전원을 연결시킨다.

그리고 제작된 광섬유 페룰 하우징(25)을 광섬유 페룰(13)에 삽입한 후 레이저웰더의 상부 및 하부 스테이지를 움직여서 최적의 광결합효율을 얻을 때까지 미세한 정열을 수행한다.

이때 페룰하우징(25)은 자신의 무게로 인해 베이스링(12)과 자연스럽게 접촉해 있는 광정열이 매우 자유롭다.

정열이 끝나면 첫 번째로 광섬유 페룰과 페룰하우징간에 120도 간격의 세 방향 동시 레이저웰딩(23)을 수행한다.

이렇게 페룰하우징의 끝부분만 웰딩된 상태에서는 페룰을 견고히 잡아 주지 못하므로 두 번째의 광섬유 페룰과 페룰하우징간에 120도 간격의 세 방향 동시 레이저웰딩(26)을 추가로 수행한다.

이러한 두 번째의 추가 웰딩을 위해서 페룰하우징은 윗 부분이 얇게(두께 0.25mm)가 가공이 되어 있고 이 부분을 투과해서 레이저웰딩을 수행해야 하므로 첫 번째 보다 더 강한 YAG 레이저 빔(약 5J)으로 웰딩한다.

이러한 추가 웰딩은 공간이 허락하면 2회 이상으로 더 추가 할 수 있다.

이상과 같은 2회 이상의 웰딩 후에도 페룰하우징의 구조 특성 때문에 광정열은 전혀 손상되지 않고 초기값을 유지하고 있다.

따라서 마지막으로 페룰하우징과 베이스링간의 120도 간격의 세 방향 동시 레이저웰딩(24)을 수행한다.

이제 모든 웰딩 공정이 끝났으므로 페룰을 잡고 있던 상부의 외부콜렛을 풀고 위로 올라간다.

이때 페룰에는 아직 어댑터링이 삽입되어 있으나 페룰 반대쪽 광섬유 끝에는 시스템에 연결하기 위한 직경 10mm의 광섬유 콘넥터가 달려있는 상태이므로 어댑터링 내부에 단순히 구멍이 뚫려 있는 상태라면 어댑터링을 제거할 수 없게 되므로 반드시 제2도에서 볼 수 있듯이 어댑터링에 슬롯(27)을 형성하여 이곳으로 광섬유를 빼냄으로서 웰딩공정을 마친다.

이후는 기존의 공정과 마찬가지로 광섬유 보호대(16)를 베이스링에 돌려 끼우고 뚜껑을 덮어 모듈을 완성한다.

상기 레이저웰딩을 수행하기 위하여 제작된 어댑터링은 원통형 세조각의 120°방사대칭구조이며, 원통형 중심부위에 판스프링(28)에 의해 한 몸체로 결합되어 원형을 유지하고 있으며, 웰딩공정 후 제거할 수 있도록 슬롯(27)이 형성되어 있다.

즉 제2도에 도시된 바와 같이 광섬유 페룰을 잡기 위한 어댑터링의 구조는 외경 및 내경이 6mm 및 2.6mm이고 길이가 약 5mm되는 아주 작은 원통형 구조인데 3조각으로 나누어져 있으며 원통형 중심부위에 판스프링(28)을 대고 레이저웰딩 혹은 에폭시로 고정시켜 세 조각이 한 몸체가 되도록 하였으며, 웰딩공정이 끝난 후 광섬유부분으로 움직여 어댑터링을 제거할 수 있도록 한쪽에는 슬롯(27)이 형성되어 있다.

이때 사용하는 광섬유 페룰의 굵기에 따라 어댑터링의 내경을 0∼5mm까지 자유롭게 제작할 수 있다.

이와 같이 새로 고안된 광섬유 페룰하우징을 이용하여 레이저용접을 수행하는 경우 웰딩부품을 서로 접촉시키기 위해 힘을 가할 필요가 없어서 부품의 변형을 막을 수 있을 뿐 아니라 웰딩장비에도 무리가 가지 않으며 기존의 공정에서 요구되는 헌트앤펙(hunt and peck)공정을 수행할 필요가 없어 공정 시간이 매우 단축되는 장점이 있다.

또한 기존의 페룰하우징보다 크기를 대폭 줄일 수 있음에 따라 광섬유 보호대를 작게 제작할 수 있어서 모듈을 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 레이저웰딩을 수행하기 위한 원통형의 광섬유 페룰하우징과 베이스링간에 힘을 가하지 않고 광섬유 페룰하우징 자체의 무게로 인해 자연스럽게 접촉시킨 상태에서 광정열을 수행한 후 레이저웰딩으로 접합하는 공정과; 광섬유 페룰을 견고히 부착시키기 위하여 페룰하우징에 상하로 2회 이상의 웰딩을 수행하는 공정과; 레이저웰더의 상부 외부콜렛으로 광섬유 페룰을 감싸고 있는 어댑터링을 견고히 잡고 수행하는 웰딩공정과; 상기 웰딩공정을 수행한 다음 어댑터링을 제거하여 모듈을 완성시키는 것을 특징으로 하는 레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 어댑터링의 내경을 변화시켜 다양한 종류의 광섬유 페룰을 사용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 웰딩공정은 광섬유 페룰을 견고히 부착시키기 위해서 페룰하우징에 상하로 2회(6개의 웰딩포인트) 혹은 그 이상에 걸쳐 웰딩을 수행하도록 함을 특징으로 하는 레이저웰딩을 이용한 고속 광통신용 송신모듈의 제작방법.