KR100347521B1 - 실리콘 광학벤치와 이것을 수용하는 플라스틱 리셉터클 및 이것들을 조립한 광부모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커넥터화된 적어도 하나 이상의 광섬유를 실리콘기판 위에 부착된 적어도 하나 이상의 광 반도체 장치와 광결합시키기 위한 플라스틱 리셉터클을 제공하는 것이다. 리셉터클은 크게 실리콘 광학벤치 내장부와 광커넥터 연결부로 나뉘어지고 그 사이에는 플라스틱 몰드 렌즈가 위치한다. 광커넥터 연결부는 광커넥터의 페룰을 직접 연결할 수 있는 적어도 하나 이상의 페룰 슬리브와 커넥터의 고정을 위한 래치로 구성된다. 실리콘 광학벤치 내장부는 광소자가 내장된 실리콘기판을 리셉터클 내부로 유도하고 정렬하기 위한 수단으로서, 실리콘기판 가이드 홈, 실리콘기판의 표면에 형성된 V-홈을 이용하여 실리콘기판을 리셉터클에 정렬하기 위한 가이드핀, 실리콘기판을 리셉터클의 가이드핀에 밀착시키기 위한 스프링 장치, 그리고 리셉터클 밀봉용 뚜껑으로 구성된다. 리셉터클의 광커넥터 연결부는 광커넥터의 페룰을 리셉터클의 몰드 렌즈 앞까지 유도하기 위한 슬리브와 커넥터를 리셉터클과 기계적으로 결합하기 위한 래치로 구성된다. 위와 같은 리셉터클은 모든 정렬구조체가 하나의 몰드로 만들어 지므로 상호간의 기하학적인 배치가 정밀히 유지될 뿐만 아니라, 종래의 TO 캔 방식에 비해 능동적인 정렬작업이 필요없고 실리콘 광학벤치를 이용한 어레이 광결합 장치로도 용이하게 전환이 가능한 이점도 있다.

Description

실리콘 광학벤치와 이것을 수용하는 플라스틱 리셉터클 및 이것들을 조립한 광부모듈{Silicon optical bench and plastic molded receptacle for reception it and optical subassembly constructed them}

본 발명은 광소자와 광섬유의 패키징 및 커넥터 장치에 관한 것이며, 특히, 광소자가 내장된 실리콘기판과 커넥터화된 광섬유 케이블간에 광신호의 전달을 위하여 실리콘기판의 유도 및 고정장치와 광페룰의 삽입 및 고정장치를 구비한 몰딩된 플라스틱 리셉터클에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 플라스틱 리셉터클에 삽입되는 실리콘 광학벤치 및, 실리콘 광학벤치 및 광섬유 페룰 등이 조립된 광부모듈에 관한 것이기도 하다.

실리콘 광학벤치기술은 미국특허 제4,897,711호(Blonder et el) 및 미국특허 제5,412,748호(Hideo Furuyama et al) 등에 기술되어 있는 바와 같이, 광소자의 정렬, 부착, 그리고 전기적 연결에 필요한 구조물과 광도파로 및 수동 광부품들을 반도체 집적회로 제조기술과 미세가공기술을 이용하여 제조할 수 있고 그 위에 능동및 수동의 광소자와 광섬유를 수동적으로 광결합시킬 수 있는 기술이다.

실리콘 광학벤치에서 사진전사에 기반한 마이크로 광학부품의 생산은 낮은 생산비용, 일관된 균일도, 집적부품에 대한 마이크로미터 이하의 정렬정밀도, 웨이퍼레벨 패키징, 그리고 대량 생산이 가능한 이점을 가지고 있다.

상기 두 특허의 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 실리콘 광학벤치기술에서 광전자 반도체 소자와 광섬유간의 광결합은 주로 커넥터가 달린 단순절단 광섬유 혹은 렌즈 가공된 광섬유를 실리콘기판 위에 놓여진 광전자 반도체 소자의 능동 영역에 가까이 위치시키고 정렬하여 고정시키는 방법을 사용하고 있다. 이 방법은 직접적이고 기계적으로 견고한 이점이 있지만 광섬유를 직접 장착하는 과정이 매우 복잡하고 광섬유의 탈착이 불가능한 등의 단점을 가지고 있다.

한편, 미국특허 제5,631,991호(Cohen et el) 에서 제시한 바와 같은, 몰드된 플라스틱 리셉터클형의 패키지는 광페룰의 삽입이 가능한 구멍(bore) 혹은 슬리브를 가진 리셉터클의 다른 한쪽에 광소자가 장착된 TO 캔 등의 구조물을 정렬하여 고정시키고, 페룰을 가진 광섬유 커넥터를 슬리브에 삽입하여 광결합시키는 방식으로 사용이 간편한 이점이 있으나, TO 캔을 리셉터클과 능동적으로 정렬하고 에폭시 혹은 레이저 웰딩 등으로 고정하는 작업의 필요성으로 인하여 작업시간이 길고 제조단가가 고가인 단점이 있다.

따라서, 실리콘 광학벤치 상의 광소자와 광페룰에 내장된 광섬유를 광페룰이 착탈되는 방식으로 광결합시킬 수 있다면 실리콘 광학벤치기술이 갖는 대량생산과 수동정렬에 따른 매우 큰 가격절감 효과를 얻을 수 있을 것이다. 보통, 두께가 약 625㎛에 불과한 실리콘 광학벤치의 평면적인 구조로 인하여, 미국특허 제5,647,042호(Ochiai et al)에서 제시한 바와 같은 종래의 실리콘 광학벤치를 위한 리셉터클형의 패키지는 광페룰에 삽입된 짧은 광섬유를 실리콘기판에 먼저 부착시키고, 실리콘기판에 달려있는 페룰을 이용하여 TO 캔형과 같은 리셉터클형의 패키지를 제작하여 왔다. 그러나, 이 방법 역시 광섬유를 직접 실리콘기판에 부착한다는 측면에서는 비커넥터형의 실리콘 광학벤치기술과 동일하여 매우 복잡한 조립 과정을 필요로 한다.

따라서, 상기와 같은 종래의 실리콘 광학벤치기술은 광섬유를 광반도체 소자에 연결하는 작업의 번거로움으로 인하여 실리콘 광학벤치기술이 가진 잠재적인 저가격화의 이점을 충분히 발휘하지 못하고 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실리콘기판 위에 내장된 광소자와 커넥터화된 광섬유 간의 광결합을 보다 간편하게 하기 위하여 실리콘기판을 광페룰의 착탈이 자유로운 커넥터화된 플라스틱 리셉터클과 이것에 수용될 수 있도록 형성된 실리콘 광학벤치 및 이것들을 조립한 광부모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 광소자가 부착된 실리콘기판을 몰딩된 플라스틱 리셉터클에 완전히 수동적인 방식으로 정렬하고, 몰딩된 플라스틱 리셉터클을 통하여 실리콘기판 상의 광소자를 리셉터클에 삽입된 광섬유와 자동적으로 광결합시키고, 실리콘 광학벤치의 표면에 리셉터클과의 정렬을 목적으로 V-홈을 광소자의 정렬 및 부착용 구조물과 동시에 제작함으로써 실리콘 광학벤치에 내장된 광소자와 V-홈 간의 정렬 정밀도를 향상시키며, 실리콘 광학벤치가 내장된 리셉터클을 독립적으로 밀봉시키고자 하는 것이다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 플라스틱 리셉터클의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 광부모듈의 구성요소들을 설명하기 위한 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 실리콘 광학벤치의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고,

도 4는 도 2에 도시된 광부모듈의 스프링 어셈블리의 사시도이고,

도 5는 도 2에 도시된 광부모듈의 광커넥터의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고,

도 6은 도 2에 도시된 광부모듈의 조립과정을 설명하기 위한 분해 사시도이며,

도 7a 및 도 7b는 실리콘 광학벤치에 내장된 광소자와 광커넥터의 페룰에 내장된 광섬유가 플라스틱 리셉터클을 통하여 상호 정렬되는 원리를 도식적으로 나타낸 도면.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

11 ; 광페룰 12 ; 광섬유

13 ; 래치 14 ; 슬리브

17 ; 몰드렌즈 18 ; 광소자

19 ; 스프링 어셈블리 20 ; 가이드핀용 V-홈

21 ; 보조 가이드핀 22 ; 리셉터클 뚜껑

23 ; 판 스프링 24 ; 본딩 와이어

25 ; 실리콘기판 26; 뚜껑 고정용 핀

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 광커넥터를 연결하는 광커넥터 연결부와, 실리콘 광학벤치가 내장되는 실리콘 광학벤치 내장부와, 상기 광커넥터 연결부와 실리콘 광학벤치 내장부를 격리시킴과 동시에 광적인 연결을 담당하는 적어도 하나 이상의 몰드렌즈와, 상기 실리콘 광학벤치 내장부의 측면을 밀봉하는 뚜껑 및, 상기 실리콘 광학벤치에 부착된 광소자와 외부와의 전기적인 연결을 위한 리드선을 포함하며, 상기 실리콘 광학벤치 내장부에는 실리콘기판의 표면에 형성된 적어도 하나 이상의 V-홈과 대응되게 리셉터클에 일체로 형성된 하나 이상의 가이드핀과, 상기 실리콘기판을 리셉터클 내부의 정해진 위치로 유도하는 가이드 홈이 형성되어 있는 플라스틱 리셉터클이 제공된다. 또한, 본 발명은 위와 같이 구성된 리셉터클에 광커넥터와 실리콘 광학벤치가 수용됨으로써 형성된 광부모듈(optical subassembly)을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 광커넥터 연결부에는 상기 광커넥터의 적어도 하나 이상의 페룰을 수용하는 적어도 하나 이상의 슬리브와 상기 광커넥터를 고정하는 삽입홈이 형성되어 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 실리콘 광학벤치 내장부에는 상기 실리콘기판을 리셉터클의 상기 가이드핀에 밀착시키기 위한 스프링 장치를 리셉터클의 정해진 위치로 유도하는 가이드 홈이 부가적으로 형성되어 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 실리콘 광학벤치 내장부의 상부 표면에는 상기 실리콘기판을 보다 정밀히 정렬하기 위한 상기 가이드핀과 수직한 방향으로 보조 가이드핀이 삽입되는 삽입홈이 형성되어 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 슬리브는 광섬유가 장착된 페룰을 수용하는 것이 바람직하다.

또한, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 광부모듈(optical subassembly)에 사용되는 실리콘 광학벤치에 있어서, 상기 광부모듈에 사용되는 리셉터클에 일체로 형성된 적어도 하나 이상의 가이드핀에 대응하도록 실리콘기판의 표면에는 적어도 하나 이상의 가이드핀 정렬용 V-홈이 형성되어 있고, 상기 실리콘기판을 상기 리셉터클에 삽입할 경우 상기 가이드핀이 상기 가이드핀 정렬용 V-홈과 밀착하여 상기 실리콘기판의 표면에 부착된 적어도 하나 이상의 광소자를 상기 리셉터클의 몰드렌즈와 정렬되게 유도하는 실리콘 광학벤치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 실리콘기판의 표면에는 상기 실리콘기판을 정밀히 정렬하기 위한 상기 가이드핀 정렬용 V-홈과 수직한 방향으로 보조 가이드핀이 삽입되는 보조 가이드핀 정렬용 V-홈이 형성되어 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 실리콘 기판에는 가우시안(Gaussian) 형태의 빔이 상기 리셉터클의 몰드렌즈까지 전파하는 과정에서 상기 실리콘기판의 표면 보다 낮게 퍼지는 빔까지 상기 실리콘기판의 표면에서 반사되거나 투과되지 않도록 광가이드용 V-홈이 부가적으로 형성되어 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 광소자는 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드 이거나, 적어도 하나 이상의 광검출기 이거나, 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드 및 적어도 하나 이상의 광검출기 이거나, 레이저 다이오드 어레이 이거나, 또는 광검출기 어레이인 것이 양호하다.

이하, 본 발명의 실리콘 광학벤치 및 광섬유 페룰 내장형 플라스틱 리셉터클의 구조 및 각 구성요소의 기능, 실리콘 광학벤치의 구조 그리고 실리콘 광학벤치와 광섬유 페룰을 리셉터클에 삽입하여 광정렬을 달성하는 과정을 이하 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명하겠다.

본 발명에 따른 실리콘 광학벤치 및 광섬유 페룰 내장형 플라스틱 리셉터클의 구조는 도 1a 및 도 1b와 같다. 도 1a는 실리콘 광학벤치 내장부측에서 바라본 사시도이고, 도 1b는 광커넥터 연결부측에서 바라본 사시도이다.

도 1a 및 도 1b에 보이듯이, 리셉터클은 주입 사출된 플라스틱(injection molded plastic) 혹은 세라믹 등으로 만들어 질 수 있으나, 가격적인 측면에서 주입 사출된 플라스틱이 가장 바람직하다. 리셉터클은 래치 삽입홈(1), 실리콘기판 삽입홈(3, 3'), 스프링 어셈블리 삽입홈(5, 5'), 가이드핀(8), 보조 가이드핀 삽입홈(2), 리드선(4), 뚜껑 삽입홈(6a ∼ 6d)을 주요 구성요소로 한다.

도 1b에서 광섬유가 장착된 페룰은 페룰 가이드용 슬리브(9, 9')를 통하여 리셉터클과 기계적으로 정렬되고, 커넥터의 래치가 리셉터클의 래치 삽입홈(1)과 결합함으로써 커넥터가 리셉터클에 부착된다.

도 2는 실리콘기판과 광섬유 페룰의 조립이 완성된 본 발명의 광부모듈의 단면도를 나타낸 것이다. 리셉터클에 맞게 절단되고 광소자의 조립이 완료된 실리콘기판(25)은 도 1a의 실리콘기판 삽입홈(3, 3')을 통해 리셉터클 안으로 삽입되어 리셉터클 내부의 사전에 미리 설계된 위치에 놓이게 된다. 그러나, 상기 실리콘기판 삽입홈(3, 3') 사이의 간격과 삽입홈(3, 3')의 높이는 각각 실리콘기판(25)의 폭과 두께 보다 최소한 수 마이크로미터 이상 크게 설계함으로써, 삽입된 실리콘기판(25)이 리셉터클 내부에서 상하(y 방향) 및 좌우(x 방향)방향으로 수 마이크로미터 이상 움직일 수 있는 여유를 가지도록 한다. 이것은 실리콘기판(25)의 절단시 발생할 수 있는 오차와 실리콘기판(25) 자체의 두께변화에 의한 실리콘기판 표면상의 정렬수단과 리셉터클의 실리콘기판 정렬수단 사이의 정렬 흐트러짐(misalignment)의 발생요인을 제거하기 위한 것이다.

실리콘기판(25)은 광소자(18)가 조립된 표면이 위로 향하도록, 즉 리셉터클의 가이드핀(8)을 마주보도록 하여 삽입한다. 가이드핀(8)은 실리콘기판(25)의 표면에 있는 위치 정렬용 수단, 바람직하게는 이방성 식각된 V-홈(20)에 삽입되어 실리콘기판 삽입홈(3, 3')을 따라 삽입된 실리콘기판(25)의 표면에 놓여진 광소자(18)의 활성영역의 높이와 수평적인 위치가 리셉터클 내부의 몰드렌즈(17) 및 광섬유 삽입용 슬리브(9, 9')와 정렬되도록 유도하는 역할을 한다. 리셉터클 내에서 실리콘기판(25), 보다 정확하게는 실리콘기판(25) 상의 광소자 활성영역의 x, y, 그리고 z 방향의 위치와 높이는 V-홈(20)과 접촉하는 가이드핀(8) 끝부분의 형상과 폭 그리고 실리콘기판(25) 상의 가이드핀용 V-홈(20)의 위치와 폭에 의해 결정된다.

본 발명의 가이드핀용 V-홈(20)의 바람직한 형성방법으로서 권장되는 이방성 식각은 실리콘기판(25) 상부표면에 광소자(18)의 플립칩 본딩 및 광소자(18)의 위치정렬에 필요한 솔더범프와 정렬마크 등과 대응되게 V-홈의 위치와 폭을 통상적인 사진전사공정의 정밀도인 ±1㎛의 정밀도로 형성시킬 수 있다. 또한, z 방향의 광소자(18)와 몰드렌즈 (17) 사이의 거리는 가이드핀(8)과 실리콘기판(25)상의 가이드핀 정렬용 V-홈(20)의 길이에 무관하게 전적으로 V-홈(20)의 종단 위치에 의해 결정된다. 이것은 통상 다이아몬드 톱 등으로 이루어지는 실리콘기판의 절단과정에서 발생하는 수 ㎛의 오차요인을 제거하는 작용을 한다.

한편, 광커넥터 및 페룰의 제조에 사용되는 사출 몰딩된 플라스틱 구조물의 물리적인 치수의 정밀도는 통상 ±2㎛ 정도로 알려져 있다. 따라서, 사출성형된 플라스틱 리셉터클과 실리콘 광학벤치기술의 결합은 다른 요인을 감안하여 대략 ±3㎛ 정도의 정밀도를 얻을 수 있고, 이것은 엇정렬 허용도(misalignment tolerance)가 수 ㎛ 이상으로 큰 다중 모드 광모듈에는 용이하게 실시가능하며, 플라스틱 리셉터클의 사출성형 기술의 발전에 따라 엇정렬 허용도가 ±1 ~ 2 ㎛ 로 보다 엄격한 단일모드 광섬유 제품에도 이용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

스프링 어셈블리(19)는 도 1a의 스프링 어셈블리 삽입홈(5, 5')을 통해 리셉터클에 끼워진다. 스프링 어셈블리(19)는 실리콘기판 삽입홈(3, 3')의 간격과 높이가 실제 실리콘기판(25)의 넓이와 두께보다 크게 만들어져 있기 때문에 발생하는 실리콘기판(25) 상의 V-홈(20)과 가이드핀(8)간의 밀착력의 결여를 보충하는 역할을 수행한다. 또한, 스프링 어셈블리(19)의 스프링(23)은 실리콘기판(25) 내 정렬 구조물과 리셉터클간의 기계적인 정렬이 단지 리셉터클의 가이드핀(8)과 실리콘기판(25) 표면의 정렬 구조물에 의해서만 이루어지도록 함으로써, 여타 다른 요인에 의한 정렬 흐트러짐 요인의 발생을 제거하는 역할을 수행한다.

가이드핀(8)은 리셉터클 내부에 리셉터클의 일부분으로 형성되어져 있고, 실리콘기판(25)이 상기 실리콘기판 삽입홈(3, 3')을 통해 삽입될 때 실리콘기판(25) 표면의 V-홈(20) 안에 삽입되고 밀착되어, 실리콘기판(25) 내의 정렬과 광소자(18)들이 리셉터클 내부에서 사전에 미리 정해진 위치에 오도록 하는 작용을 한다. 가이드핀(8)은 적어도 한 개 이상 복수로 형성되어도 무방하다. 또한, 가이드핀(8) 끝의 형상은 직사각형, 반원통형, 혹은 V-홈과 대칭되는 형상을 가질 수 있다.

통상적으로, 실리콘기판(25)의 (100)결정면의 <110>결정방향과 나란하게 형성된 V-홈 식각패턴의 최종적인 식각형태는 표면이 직사각형이고, 그 사방의 측벽은 실리콘기판(25)의 표면과 약 54.7도의 기울기를 가진다. 실리콘기판(25)을 리셉터클에 삽입할 때 리셉터클의 가이드핀(8)은 실리콘기판(25)의 가이드핀용 V-홈(20)의 측벽과 밀착된 상태로 진입하게 된다. 가이드핀(8)이 V-홈(20)의 종단 측벽에 닿으면, V-홈(20) 측벽이 경사져 있기 때문에 가이드핀(8)이 위로 미끄러져서 그 정확한 정지위치가 변할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 가이드핀 삽입용 V-홈(20)과 수직으로 배열된 별도의 V-홈을 실리콘기판(25)에 형성하고, 여기에 가이드핀(8)과 유사한 보조 가이드핀(21)을 리셉터클의 보조가이드핀 삽입홈(28)을 통해 삽입하여 가이드핀(8)과 보조 가이드핀(21)이 각각 실리콘기판(25)의 해당 V-홈에 끼워진 상태에서 고정시킴으로써 z 방향 거리의 정밀성을 개선하게 된다. 상기와 같은 보조 가이드핀(21)은 가이드핀(8)에 의한 정렬 정밀도가 충분할 경우에는 사용하지 않을 수도 있다.

실리콘기판(25) 상의 광소자(18)와 외부와의 전기적인 연결은 실리콘기판 (25) 상의 광소자(18)와 연결되어 있는 금속패드(27)와 리셉터클에 꼽혀 있는 리드선(4)을 본딩 와이어(24)로 연결하고, 리셉터클의 리드선(4)을 PCB 기판과 연결함으로써 광소자(18)와 외부 회로와의 전기적인 연결이 이루어진다.

스프링 어셈블리(19)와 실리콘기판(25)이 삽입되고 실리콘기판(25)과 리드선(4) 간의 와이어 본딩이 이루어지면, 리셉터클 뚜껑(22)을 리셉터클에 씌운다. 이 때, 뚜껑(22)에 형성된 뚜껑 고정용 핀(26)을 먼저 리셉터클의 두껑 핀 삽입홈에 끼운 다음에 에폭시 등으로 본딩하여 광소자가 위치한 공간을 완전히 밀봉한다. 이것은 PCB 기판을 포함한 광모듈의 패키지 전체를 밀봉하는 것에 비해 훨씬 경제적이다.

광소자(18)의 조립과 와이어 본딩 그리고 밀봉이 완료된 리셉터클은 광섬유 커넥터를 단순히 광섬유 페룰 유도용 슬리브(14)에 삽입하는 것으로 사전에 정렬된 실리콘기판(25)과 몰드렌즈(17) 및 광페룰 슬리브(14)에 의해 광소자(18)와 광섬유(12) 간의 광결합이 자동적으로 이루어지고 독립적인 광부모듈(optical subassembly)로서 시험 및 사용이 가능하다. 이 때, 리셉터클에 삽입된 커넥터는 커넥터의 광페룰(11)이 리셉터클의 페룰 슬리브(14)에 끼워지고, 커넥터에 설치된 래치(13 ; latch)가 리셉터클의 래치 삽입홈(1)과 결합함으로써 기계적으로 고정된다. 이 때, 통상적인 광커넥터 장치가 구비하고 있는 광페룰의 스프링 작용에 의해 페룰의 표면이 리셉터클의 좁은 영역(16)과 밀착되도록 한다. 도면에서 도면부호 15는 페룰 하우징을 나타낸다.

상기 광부모듈은 광송신 및 광수신에 필요한 전기적인 신호처리부를 가진 광모듈로 조립되기 이전에 자체적으로 시험 및 검사될 수 있다. 이것은 완전한 광모듈로 조립한 상태에서 시험 및 검사하는 것에 비해서 광부모듈의 불량 여부를 광모듈의 조립 이전에 감지할 수 있으므로 광모듈의 제조단가를 낮추는 효과가 있다.

도 3은 본 발명에 따른 광섬유 페룰 내장형 플라스틱 리셉터클에 사용될 수 있는 바람직한 실리콘 광학벤치의 한가지 구성예를 나타낸 사시도이다. 상기 실리콘 광학벤치의 상측 표면에는 통상적인 반도체 제조공정에 의해 레이저 다이오드(41) 및 광검출기(42)의 정렬 및 부착, 보다 바람직하게는 플립칩 본딩을 위한 금속패드, 솔더 범프, 정렬 마크 그리고 전기적인 연결을 위한 본딩패드(36, 37, 38, 39) 등이 형성된다. 이와 동시에 실리콘기판, 보다 구체적으로 실리콘기판 상의 광소자들을 상기 리셉터클과 정렬하기 위한 수단으로서 상기 리셉터클의 가이드핀에 대응하는 가이드핀용 V-홈(31, 32, 도 2의 20) 및 보조 가이드핀용 V-홈(40, 도 2의 28)을 가진다.

상기 가이드핀용 V-홈(31, 32, 40)들은 사전에 광소자의 플립칩 본딩 및 정렬용 정렬마크와 정렬된 위치에 바람직하게는 KOH 혹은 EDP 용액을 사용하는 이방성 실리콘 식각기술을 사용하여 형성된다. 이방성 실리콘 식각기술은 V-홈의 폭및 깊이의 정밀도가 ±0.5 ㎛ 로서 광소자와 광섬유의 수동 광결합에 널리 이용되는 방법이다.

그러나, 통상적인 실리콘 광학벤치는 실리콘기판의 평면적인 구조로 인하여 보호피복을 가진 광섬유, 특히 페룰에 삽입된 광섬유의 부착이 용이하지 않고, 또한 렌즈나 필터 등을 삽입하는 것 역시 용이하지 못한 단점이 있다. 본 발명에 따른 리셉터클은 광소자가 부착된 실리콘기판 전체를 리셉터클과 정밀히 정렬하는 수단을 제공함으로써, 종래의 실리콘 광학벤치기술이 가진 문제점을 해소할 수 있다.

또한, 상기 실리콘기판은 통상적인 반도체 레이저의 가우시안(Gaussian) 형태의 빔이 리셉터클의 몰드렌즈(17)까지 전파하는 과정에서 실리콘기판의 표면 보다 낮게 퍼지는 빔까지 실리콘기판의 표면에서 반사되거나 투과되지 않도록 하기 위한 목적으로, 실리콘기판의 표면을 식각하여 형성된 광가이드용 V-홈(33)을 가진다. 마찬가지로 광커넥터의 광섬유(12)에서 전달되어 리셉터클의 몰드렌즈(17)를 통과한 빔이 실리콘기판의 표면에서 반사되거나 투과되지 않고 공기중을 전파하여 광검출기(42)까지 도달할 수 있도록 하는 목적으로, 광가이드용 V-홈(34)을 가진다. 광검출기용 광가이드용 V-홈(34)의 또다른 목적은 광도파로형의 측면 수광형 광검출기를 사용하지 않고 광검출 영역이 소자의 표면에 존재하는 표면 수광형(surface receiving)의 PIN 포토다이오드 혹은 어벨런치(avalanche) 포토다이오드 등을 사용하는 경우에도 광검출기를 세워서 부착할 필요 없이 광검출기의 수광 영역을 실리콘기판의 표면을 향하여 플립칩 본딩하고 실리콘기판의 표면과 평행하게 입사된 빔을 일단 포토다이오드 아래의 V-홈의 종단 측벽에 입사시켜 기판 표면 위로 반사되도록 하여 표면 수광형 광검출기의 수광부에 입사되도록 하기 위한 것이다.

광가이드용 V-홈(33, 34)의 폭은 통상적인 반도체 레이저 다이오드에서 방출된 가우시안 형태의 레이저 빔의 실리콘기판의 끝에서의 허리폭(beam waist) 보다 넓게 형성된다. 반도체 레이저 다이오드의 실리콘기판의 표면과 수직한 방향의 발산각이 약 20도 이고, 반도체 레이저 다이오드의 패시트(facet)로부터 실리콘기판의 가장자리 까지의 거리가 약 1 mm인 경우에 빔의 허리폭, w(z)θ₀·z350 mm 이고, 이를 달성하기 위한 V-홈 표면에서의 폭은 약 400 ~ 500 ㎛가 된다. 여기서, θ₀는 라디안(radian)으로 표현된 발산각(divergence angle)이고, z는 방사거리(radial distance) 이다. 이러한 광 가이드용 V-홈(33, 34)은 가이드핀용 V-홈(31, 32)의 형성과 동시에 이루어지도록 함으로써 별도의 추가적인 공정을 생략할 수도 있다. 그러나, 광 가이드용 V-홈(33, 34)은 미크론 정도의 정밀성이 요구되지 않고 단지 대부분의 빔이 통과할 수 있을 정도로 충분히 넓고 깊으면 된다. 따라서, 상기 가이드핀 정렬용과 동시에 형성될 필요는 없으며 또한 이방성 식각을 사용하지 않아도 된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 실리콘기판 및 플라스틱 리셉터클의 구조와 실리콘기판과 리셉터클을 정렬하는데 사용된 기본개념은 광소자, 특히 반도체 레이저 다이오드가 표면 방출형, 즉 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)인 경우에도 용이하게 적용 가능하다. 구체적으로, 상기 리셉터클의 실리콘 광학벤치 삽입부의 모든 구성요소를 페룰 삽입용 슬리브와 수직되게 구성하고, VCSEL은 빔 방출표면이 위로 향하도록 실리콘기판에 부착하고, VCSEL이 부착된 실리콘기판을 리셉터클의 측면, 혹은 윗면, 혹은 아랫면을 통하여 삽입 및 고정함으로써 상기와 같은 목적을 달성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 플라스틱 리셉터클에 맞게 설계된 스프링 어셈블리의 일례를 나타낸 사시도이다. 스프링 어셈블리는 금속 프레임(45)을 지지체로 하여 그 중앙에 프레임(45)과 연결된 평판 스프링(46)으로 구성된다. 금속 프레임(45)의 폭과 길이, 그리고 두께는 상기 스프링 어셈블리를 리셉터클의 스프링 어셈블리 가이드 홈을 통하여 삽입할 때 가이드홈 간의 간격과 길이 그리고 가이드홈의 높이에 맞게 설계된다. 상기 스프링 어셈블리가 상기와 같은 목적을 달성할 수 있다면 금속 대신 플라스틱 등 다른 재료로 제작되어도 무방하다.

도 5는 본 발명의 플라스틱 리셉터클과 일체로 사용될 수 있는 광커넥터의 일례를 나타낸 것이다. 광커넥터는 적어도 하나 이상의 광섬유 페룰(48, 49), 래치(47), 래치 홈(51), 그리고 광섬유 재킷(50)으로 구성된다. 광섬유 페룰(48, 49)의 외경은 리셉터클의 페룰 슬리브(9, 9')의 내경 보다 1 ~ 2 미크론 정도 적게 만들어서 삽입이 가능하도록 한다. 래치(47)는 광커넥터를 리셉터클에 기계적으로 고정시키기 위한 수단으로서, 기계적인 휨이 가능하여 리셉터클에 삽입되었을 때 래치 삽입홈(1)과 맞추어져서 광커넥터를 리셉터클에 기계적으로 고정시키는 수단을 제공한다. 본 발명의 리셉터클은 사용하고자 하는 광커넥터에 따라 광커넥터 삽입부, 구체적으로는 페룰 슬리브(9, 9')와 래치(47) 등의 형태를 적절히 변형할 수 있고, 또한 본 발명의 기본 취지에 벗어나지 않게 다른 장치를 부가하는 것도 가능하다.

도 6은 본 발명에 따른 광부모듈의 구성요소들의 조립과정을 설명하기 위한 분해 사시도이다. 먼저, 스프링 어셈블리(57, 도 2의 19)를 리셉터클(58)의 스프링 어셈블리 삽입홈(5, 5')을 통하여 삽입한다. 이 때, 리셉터클의 고정을 위한 특별한 장치를 리셉터클에 부가하여도 무방하나, 스프링 어셈블리의 프레임(45)의 두께를 삽입홈(5, 5')의 간격과 거의 동일하게 함으로써 자동적으로 고정시킬 수 있다.

이어서 광소자의 조립과 와이어 본딩이 완료된 실리콘기판을 리셉터클의 기판 삽입홈(3, 3')을 통하여 삽입한다. 이 때, 실리콘기판의 폭과 두께는 양 가이드홈(3, 3')의 간격과 가이드홈의 높이 보다 작기 때문에, 실리콘기판을 약간 움직이는 것으로 리셉터클의 가이드핀이 실리콘기판의 가이드핀용 V-홈(31, 32)에 끼워지고, 가이드핀(8)의 일측이 가이드핀용 V-홈(31, 32)의 종단 측벽과 맞닿게 되면 실리콘기판의 삽입을 중지한다. 이 상태에서 보조 가이드핀(60)을 리셉터클의 보조 가이드핀 삽입홈(2)을 통해 실리콘기판용 V-홈(40)에 삽입한다. 이 때, 보조 가이드핀(60)이 정확하게 끼워지지 않으면 실리콘기판의 위치를 약간 조정하여 보조 가이드핀(60)이 실리콘기판의 V-홈(40)에 정확히 끼워지도록 한다. 이 상태에서 실리콘기판 상의 와이어 본딩패드(36, 37, 38, 39)와 리셉터클의 리드선(4)을 와이어 본딩하여 연결한다.

그 다음에 리셉터클 뚜껑(55)에 나와 있는 가이드핀(61, 62, 63, 64)을 리셉터클의 핀 홈(6a ∼6d)에 삽입하여 임시로 고정시키고 에폭시 등으로 다시 본딩하여 영구히 고정시킨다. 이로써, 리셉터클의 조립이 완료되고 조립이 완료된 리셉터클은 전기적인 신호처리부가 내장된 세라믹 혹은 PCB 기판과 리셉터클의 리드선(4)을 통하여 연결하고 외장 케이스와 기계적으로 고정시킨다.

리셉터클의 케이스 고정방법은 통상적인 광패키지 장치에서 사용하는 수단을 사용한다. 리셉터클의 고정과 기타 부대적인 패키징 공정으로 완성된 광모듈은 적어도 하나 이상의 광섬유를 가진 광커넥터와 연결되어 적어도 한 채널 이상의 광송신 장치, 광수신 장치, 혹은 광송수신 장치로 사용될 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 실리콘 광학벤치 및 광섬유 페룰 내장형 플라스틱 리셉터클에서 광소자와 광섬유간의 광결합 원리를 도식적으로 나타낸 것이다. 먼저, 도 7a는 반도체 레이저 다이오드와 광섬유간의 광결합 원리를 나타낸 것이다. 실리콘기판 상의 레이저 다이오드(80)에서 방출된 빔(78)은 실리콘기판(83)의 표면 상공과 광가이드용 V-홈(82) 내부를 통하여 몰드렌즈(77)로 입사하고, 몰드렌즈(77)를 통과한 집속된 빔(79)은 리셉터클에 삽입된 페룰의 광섬유(76)의 코아에 입사하게 된다.

레이저 다이오드(80)에서 방출된 빔(78)이 광섬유(76)에 효율적으로 전달되기 위해서는 레이저 다이오드(80)와 광섬유(76), 그리고 몰드렌즈(77)의 광축이 서로 일치하여야 하고, 또한 레이저 다이오드(80)와 몰드렌즈(77) 그리고 몰드렌즈(77)와 광섬유 표면(85) 사이의 거리가 몰드렌즈(77)의 특성에 의해 결정되는 일정한 조건을 만족하여야 한다. 이를 위하여 몰드렌즈(77)의 수평 광축(x 및 y 방향)과 도 2를 참조하여 페룰 유도용 슬리브(14)의 중심선에 의해 광축(81)을 결정하고 여타 리셉터클의 횡방향 및 종방향 정렬 구조물, 예를 들어서 가이드핀(8) 및 보조 가이드핀(21)의 높이는 상기 광축(81)에 맞게 설정한다. 실리콘기판 표면에 부착된 레이저 다이오드(80)의 광축은 기판표면으로부터 레이저 활성영역(active region)의 높이와 V-홈(20)의 폭을 조절하여 상기 광축(81)과 일치하도록 한다. 몰드렌즈의 수직 광축(74)으로부터 광섬유 표면(85) 까지 z 방향의 거리는 도 2를 참조하여 몰드렌즈(17)에 대한 좁은 영역(16)의 위치에 의하여 결정한다. 그리고, 몰드렌즈(77)의 수직 광축(74)으로부터 반도체 레이저 다이오드(80) 까지의 거리는 도 2를 참조하여, 실리콘기판의 가이드핀 정렬용 V-홈(20)과 반도체 레이저 다이오드(18)의 부착 위치에 의해 결정한다.

도 7b는 광섬유로부터 표면 수광형의 광검출기(93)에 빔을 전달하기 위해 고안된 광결합 구조를 나타낸 도면이다. 광송신기에 사용되는 레이저 다이오드(80)와 광수신기에 사용되는 광검출기(93)를 하나의 실리콘기판(83)에 내장시키기 위하여 먼저 y 방향의 수신기용 광축(81a)의 높이는 도 7a와 같게 설계한다. 광섬유(90)에서 방출된 빔은 몰드렌즈(88)의 수평 광축(92) 보다 위로 입사되게 몰드렌즈(88)의 수평 중심축(92)의 위치를 조절하여 렌즈를 통과한 빔(87)이 실리콘기판(83)의 표면 아래에 있는 광검출기 광가이드용 V-홈(91)의 종단 측벽에 입사되도록 한다.

그리고, 상기 V-홈의 측벽에 Ti/Au 혹은 Ti/Al 등의 금속박막을 증착하여 빛의 반사를 좋게 함으로써, 표면 수광형의 광검출기가 V-홈의 측벽에서 반사된 빔을 수신하도록 한다. 광검출기 소자를 광도파로와 같은 구조를 가진 측면 수광형을 사용할 경우에는 도 7a의 반도체 레이저 다이오드와 광섬유의 경우와 동일한 방법으로 광축을 정렬한다. 따라서, 본 발명의 리셉터클 장치 및 실리콘기판은 앞에서 설명한 바와 같이 측면 방출형(edge emitting type)의 반도체 레이저 다이오드, 표면 방출형의 반도체 레이저 다이오드(VCSEL), 표면 수광형의 광검출기, 측면 수광형의 광검출기 장치 모두를 사용가능하다.

도 7a 및 도 7b에서, 도면부호 75, 89는 광페룰, 86은 광섬유에서 방출된 레이저 빔, 94는 광섬유의 표면, 95는 광검출기용 몰드렌즈의 수직광축을 나타낸다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 광학벤치 내장형 플라스틱 리셉터클은 광소자가 조립된 실리콘 광학벤치를 리셉터클에 단순히 삽입하는 것으로 리셉터클의 몰드렌즈와 리셉터클의 광페룰 슬리브 그리고 실리콘기판에 부착된 광소자 광축의 자동적인 정렬이 가능하며, 커넥터의 광페룰을 리셉터클에 직접 삽입하여 실리콘 광학벤치내 광소자와 광섬유가 수동적으로 광결합될 수 있게 함으로써, 실리콘 광학벤치기술과 수동정렬의 이점을 동시에 활용하여 저가격의 광패키지를 제작가능하게 한다.

또한, 본 발명은 실리콘 광학벤치를 사용한 패키지에서 어려운 광소자의 밀봉 문제를 리셉터클의 몰딩된 렌즈와 외부에서 제공되는 케이스를 통하여 간단히 할 수 있는 이점을 가진다.

이상에서 본 발명의 실리콘 광학벤치 내장형 플라스틱 몰드 리셉터클에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (15)

1. 광커넥터를 연결하는 광커넥터 연결부와, 실리콘 광학벤치가 내장되는 실리콘 광학벤치 내장부와, 상기 광커넥터 연결부와 실리콘 광학벤치 내장부를 격리시킴과 동시에 광적인 연결을 담당하는 적어도 하나 이상의 몰드렌즈와, 상기 실리콘 광학벤치 내장부의 측면을 밀봉하는 뚜껑 및, 상기 실리콘 광학벤치에 부착된 광소자와 외부와의 전기적인 연결을 위한 리드선을 포함하며,

   상기 실리콘 광학벤치 내장부에는 실리콘기판의 표면에 형성된 적어도 하나 이상의 V-홈과 대응되게 리셉터클에 일체로 형성된 하나 이상의 가이드핀과, 상기 실리콘기판을 리셉터클 내부의 정해진 위치로 유도하는 가이드 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스틱 리셉터클.
2. 제1항에 있어서, 상기 광커넥터 연결부에는 상기 광커넥터의 적어도 하나 이상의 페룰을 수용하는 적어도 하나 이상의 슬리브와 상기 광커넥터를 고정하는 삽입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스틱 리셉터클.
3. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 광학벤치 내장부에는 상기 실리콘기판을 리셉터클의 상기 가이드핀에 밀착시키기 위한 스프링 장치를 리셉터클의 정해진 위치로 유도하는 가이드 홈이 부가적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스틱 리셉터클.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 광학벤치 내장부의 상부 표면에는 상기 실리콘기판을 정밀히 정렬하기 위한 상기 가이드핀과 수직한 방향으로 보조 가이드핀이 삽입되는 삽입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스틱 리셉터클.
5. 제2항에 있어서, 상기 슬리브는 광섬유가 장착된 페룰을 수용하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 리셉터클.
6. 광부모듈(optical subassembly)에 사용되는 실리콘 광학벤치에 있어서,

   상기 광부모듈에 사용되는 리셉터클에 일체로 형성된 적어도 하나 이상의 가이드핀에 대응하도록 실리콘기판의 표면에는 적어도 하나 이상의 가이드핀 정렬용 V-홈이 형성되어 있고, 상기 실리콘기판을 상기 리셉터클에 삽입할 경우 상기 가이드핀이 상기 가이드핀 정렬용 V-홈과 밀착하여 상기 실리콘기판의 표면에 부착된 적어도 하나 이상의 광소자를 상기 리셉터클의 몰드렌즈와 정렬되게 유도하는 것을 특징으로 실리콘 광학벤치.
7. 제6항에 있어서, 상기 실리콘기판의 표면에는 상기 실리콘기판을 정밀히 정렬하기 위한 상기 가이드핀 정렬용 V-홈과 수직한 방향으로 보조 가이드핀이 삽입되는 보조 가이드핀 정렬용 V-홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 광학벤치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 실리콘 기판에는 가우시안(Gaussian) 형태의 빔이 상기 리셉터클의 몰드렌즈까지 전파하는 과정에서 상기 실리콘기판의 표면 보다 낮게 퍼지는 빔까지 상기 실리콘기판의 표면에서 반사되거나 투과되지 않도록 광가이드용 V-홈이 부가적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 광학벤치.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 광소자는 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 실리콘 광학벤치.
10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 광소자는 적어도 하나 이상의 광검출기인 것을 특징으로 하는 실리콘 광학벤치.
11. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 광소자가 레이저 다이오드 어레이인 것을 특징으로 하는 실리콘 광학벤치.
12. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 광소자가 광검출기 어레이인 것을 특징으로 하는 실리콘 광학벤치.
13. 제9항에 있어서, 상기 레이저 다이오드가 표면 발광형(VCSEL)인 것을 특징으로 하는 실리콘 광학벤치.
14. 제11항에 있어서, 상기 레이저 다이오드가 표면 발광형(VCSEL)인 것을 특징으로 하는 실리콘 광학벤치.
15. 광커넥터와, 실리콘 광학벤치 및, 상기 광커넥터와 실리콘 광학벤치를 수용하는 리셉터클을 포함하는 광부모듈(optical subassembly)에 있어서,

    상기 리셉터클은 광커넥터를 연결하는 광커넥터 연결부와, 실리콘 광학벤치가 내장되는 실리콘 광학벤치 내장부와, 상기 광커넥터 연결부와 실리콘 광학벤치 내장부를 격리시킴과 동시에 광적인 연결을 담당하는 적어도 하나 이상의 몰드렌즈와, 상기 실리콘 광학벤치 내장부의 측면을 밀봉하는 뚜껑 및, 상기 실리콘 광학벤치에 부착된 광소자와 외부와의 전기적인 연결을 위한 리드선을 포함하며,

    상기 실리콘 광학벤치 내장부에는 실리콘기판의 표면에 형성된 적어도 하나 이상의 V-홈과 대응되게 리셉터클에 일체로 형성된 하나 이상의 가이드핀과, 상기 실리콘기판을 리셉터클 내부의 정해진 위치로 유도하는 가이드 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광부모듈.