KR100351561B1

KR100351561B1 - 수직공동 표면방출 레이저 장치 및 이를 이용한 광송신수단

Info

Publication number: KR100351561B1
Application number: KR1020000082708A
Authority: KR
Inventors: 김덕봉; 장우혁; 조성제; 김은지; 김승균
Original assignee: 주식회사 오랜텍
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-09-05
Also published as: KR20020054077A

Abstract

본 발명에 따른 광송신수단은 일단은 경사지며 타단은 외부와 연결되는 긴 홈이 표면에 형성되며, 상기 홈의 내부에는 뾰족한 형태를 하는 돌출부가 길이방향에 수직하게 설치되는 반사용 구조물과, 아랫 방향으로 레이저를 출력하는 출력부와 자신의 저면에 설치되는 반사용 거울을 포함하며, 상기 출력부가 상기 돌출부 상부에 위치하도록 상기 반사용 구조물 상에 설치되되, 상기 레이저광의 대부분은 상기 돌출부의 일면에서 상기 홈의 타단쪽으로 반사되어 상기 광도파관으로 입사되고, 상기 레이저광의 나머지 소부분은 상기 돌출부의 타면에서 반사되어 상기 홈의 저면을 거쳐 상기 반사용 거울에 입사되도록 설치되는 레이저광 출력장치 및 상기 반사용 거울에서 반사된 후에 상기 홈 저면에서 재반사되어 오는 레이저광을 입력받아 이를 전기적 신호로 변환하여 상기 레이저광 출력장치로 제어신호를 출력하는 모니터링용 광검출장치를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 광송신수단은 추가적인 구조물이 없이 레이저광 출력장치의 금속 스트립 라인 형성시 반사용 거울 패턴을 추가적으로 형성함으로써 광도파관 및 레이저광 출력장치 사이의 결합효율을 감소시키지 않고 소형화 및 정렬비용의 감소가 가능하다.

Description

수직공동 표면방출 레이저 장치 및 이를 이용한 광송신수단{Vertical cavity surface emitting laser and optical transmitter using the same}

본 발명은 수직공동 표면방출 레이저 장치에 관한 것으로서 특히 표면에 반사 거울을 갖는 수직공동 표면방출 레이저 장치에 관한 것이며, 또한 이를 이용하여 광송신을 하는 광송신수단 및 그에 사용되는 반사용 구조물에 관한 것이다.

최근 인터넷을 통해서 전송할 데이터의 증가에 따라 전기신호에 의한 기존의 통신시스템이 광신호를 이용하여 대용량의 데이터를 주고 받을 수 있는 광통신 시스템으로 전환되고 있다. 이와 같은 광통신 시스템에서 사용되는 대표적인 광학소자로 광섬유, 광송신기, 그리고 광수신기가 있다. 광송신기의 경우, 고속화, 소형화, 저가화, 및 대량생산의 용이성 등이 상용화를 위한 중요한 요인으로 자리 잡고 있다.

캔 형(can type)의 레이저 장치를 사용하는 종래의 광송신기는 부피가 크고 고속화에 문제를 갖고 있기 때문에, 최근에는 실리콘 기판표면에 광섬유가 놓일 V-홈(V-groove)과, 칩(chip)형태의 레이저광 출력장치가 놓일 벤치(bench)를 만듦으로써, 광섬유와 레이저광 출력장치를 광학적으로 결합(coupling)시키는 SiOB 모듈(Silicon optical bench module)을 갖는 광송신기가 개발되어 상용화되고 있다.

SiOB 모듈을 이용할 경우에는 광섬유와 레이저 장치의 광학적 결합이 수동정렬(passive alignment)에 의해 정밀하게 이루어져 광 손실이 작을 뿐만 아니라 정렬비용도 감소하고, 실리콘 기판 위에 여러 가닥의 광섬유와 레이저광 출력장치 및 구동회로를 집적시킬 수 있으므로 광송신기를 소형화시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 칩(chip) 상태의 레이저광 출력장치를 사용하기 때문에 고속화에도 유리하다. 흔히 SiOB 모듈은 높은 광효율과 낮은 가격을 가지며, 고속화에 유리하도록 모서리방출(Edge emitting)형의 레이저 장치 대신에 수직공동 표면방출 레이저 장치(Vertical cavity surface emitting laser, 이하 'VCSEL')를 사용한다.

일반적으로 VCSEL은 외부 환경의 변화에 의해 동작특성이 영향을 받는다. 예를 들어, 외부의 온도가 상승하게 되면 VCSEL 내의 온도가 같이 상승하여 동일한 구동 전압임에도 불구하고 출력광의 세기가 감소하게 된다. 이러한 출력광 세기의 변화는 BER(Bit error ratio)에 심각한 영향을 미쳐 통신 품질의 저하를 야기시킨다. 따라서, VCSEL의 출력광 세기 변화를 감지하여 이에 대응하는 신호를 VCSEL의 구동회로에 피드 백(feed-back)시켜 VCSEL의 출력광의 세기를 일정하게 하는 피드백 시스템(feedback system)이 필요하다. 흔히, 피드백 시스템은 VCSEL의 출력광의 일부를 흡수하여 이 흡수된 광세기에 따른 전기신호를 출력하는 모니터링용 광검출소자를 포함하여 구성된다.

도 1a는 종래의 광송신수단을 설명하기 위한 단면도이다. 도 1a를 참조하면, 반사용 구조물(10)의 표면에는 길이가 긴 V-홈(40a)이 형성되어 있다. 여기서, V-홈(40a)은 일단은 경사진 반사면(C)을 가지며, 타단은 외부와 연결되도록 설치된다. V-홈(40a) 내에는 광섬유(20)가 설치된다. VCSEL(30)은 V-홈(40a)의 반사면(C) 상부에 설치되며, VCSEL(30)에서 아랫방향으로 출력되는 레이저광은 반사면(C)에서 반사되어 광섬유(20) 쪽으로 진행한다. 반사용 구조물(10) 상에는 금속패드(32)가 설치되어 있으며 VCSEL(30)은 범프볼(34)에 의해서 금속패드(32)와 전기적 기계적으로 연결된다. 도시하지는 않았지만 금속패드(32)는 반사용 구조물(10)에 집적 또는 결합되도록 설치된 구동회로와 전기적으로 연결되어 있다.

상술한 종래의 광송신수단에 의하면, 광이 출력되는 VCSEL(30)의 밑면이 반사용 구조물(10)에 고정되어 버리기 때문에 VCSEL(30)과 모니터링용 광검출장치(미도시)를 광학적으로 결합시키기가 어렵다. 따라서, VCSEL(30)과 모니터링용 광검출장치를 광학적으로 결합시키기 위해서는 광섬유(20)와 VCSEL(30) 사이에 부가적이고 복잡한 구조의 별도의 광도파관(미도시)을 설치하고, 이를 이용하여 분기한 일부의 광을 상기 모니터링용 광검출장치로 전달해야 한다.

그러나, 이 경우 상기 별도의 광도파관, VCSEL(30), 광섬유(20), 및 모니터링용 광검출장치 사이의 정확한 광학적 정렬이 요구되기 때문에 문제이다. 실제로 광송신수단의 가격은 조립공정이나 정렬공정의 복잡함에 의해 대부분 결정되므로 복잡한 광학적 정렬공정은 소자의 가격을 상승시키는 요인으로 작용하게 된다.

도 1b는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 반사면을 2개 설치한 광송신수단을 도시한 단면도이다. 도 1b를 참조하면, 레이저광 출력장치(130)는 아랫방향으로 레이저광을 출력하는데 출력된 레이저광의 대부분은 돌출부(142)의 제2 경사면(B)에서 반사되어 광도파관(120)쪽으로 진행하고, 나머지 소부분은 돌출부(142)의 제1 경사면(A)에서 반사되어 V-홈(140a)의 반사면(C)으로 진행된다. 돌출부(142)의 제1 경사면(A)에서 반사된 레이저광은 V-홈(140a)의 저면을 거쳐 V-홈(140a)의 반사면(C)에서 다시 윗방향으로 반사되어 모니터링용 광검출장치(150)로 입력되게 된다.

광도파관(120) 및 레이저광 출력장치(130) 사이의 결합효율과 모니터링용 광검출장치(150) 및 레이저광 출력장치(130) 사이의 결합효율을 높이기 위해서,V-홈(140a)의 반사면(A) 및 (B)의 각도는 항상 45˚근방에서 결정되어야 한다. 이러한 각도는 실리콘 웨이퍼의 결정면의 식각 속도의 차이에 의해서 결정되는데, 일반적인 실리콘 웨이퍼에서는 약 54.74˚의 경사면을 갖게 된다. 따라서 경사면(B)에서 반사된 광은 광축 간의 각도 불일치 γ(=9.74˚)로 인해서 광도파관(120)에 완전히 결합될 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 실리콘 웨이퍼의 결정면을 두께 방향으로 9.74˚만큼 회전시켜 절단한 회전된 실리콘 웨이퍼를 사용하여 경사면(B)의 각도를 45˚로 만드는 방법이 이용되는데 이 경우 경사면(A)의 각도는 69.48˚가 된다. 따라서 경사면(A)에서 반사된 광의 일부는 레이저광 출력장치(130)의 표면에 부딪히거나 V-홈을 벗어나 광검출장치(150)에 입력되지 못한 채 손실된다. 이 경우 광도파관(120) 및 레이저광 출력장치(130) 사이의 결합효율은 증가하게 되나 모니터링용 광검출장치(150) 및 레이저광 출력장치(130) 사이의 결합효율은 감소하게 된다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광도파관 및 레이저광 출력장치 사이의 결합효율을 감소시키지 않고 레이저광 출력장치와 광검출장치의 결합 효율을 높인 광송신 수단을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 레이저광 출력장치의 표면에 금속막을 입혀 자신에게 입사되는 광을 재반사시킬 수 있는 레이저 출력장치를 제공하는데 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 광송신수단을 설명하기 위한 단면도;

도 2의 (a) 내지 (c)는 경사면의 각도에 따라 광이 반사되는 각도의 변화를 설명하기 위한 단면도;

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 광송신수단을 설명하기 위한 개략도로서, 도 3a는 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 a-a' 선에 따른 단면도;

도 4a 및 도 4b는 경사면에서 반사되어 광검출장치로 입력되는 광의 경로를 설명하기 위한 단면도;

도 5a 및 도 5b는 레이저 출력장치의 금속 스트립 라인의 예를 설명하기 위한 평면도들이다.

본 발명에 의한 광송신수단은 일단은 경사지며 타단은 외부와 연결되는 긴 홈이 표면에 형성되며, 상기 홈의 내부에는 뾰족한 형태를 하는 돌출부가 길이방향에 수직하게 설치되는 반사용 구조물과, 아랫 방향으로 레이저를 출력하는 출력부와 자신의 저면에 설치되는 반사용 거울을 포함하며, 상기 출력부가 상기 돌출부 상부에 위치하도록 상기 반사용 구조물 상에 설치되되, 상기 레이저광의 대부분은 상기 돌출부의 일면에서 상기 홈의 타단쪽으로 반사되어 상기 광도파관으로 입사되고, 상기 레이저광의 나머지 소부분은 상기 돌출부의 타면에서 반사되어 상기 홈의 저면을 거쳐 상기 반사용 거울에 입사되도록 설치되는 레이저광 출력장치 및 상기 반사용 거울에서 반사된 후에 상기 홈 저면에서 재반사되어 오는 레이저광을 입력받아 이를 전기적 신호로 변환하여 상기 레이저광 출력장치로 제어신호를 출력하는 모니터링용 광검출장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 수직공동 표면방출 레이저 장치는 광을 출사하는 애퍼쳐와, 상기 애퍼쳐를 둘러싸며 외부와 전기적 기계적으로 접속되는 금속 스트립 라인 및 상기 수직공동 표면방출 레이저 장치의 표면에 설치되어 입사되는 빛을 재반사하는 반사용 거울을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2의 (a) 내지 (c)는 경사면(A)의 각도에 따라 광이 반사되는 각도의 변화를 설명하기 위한 단면도이다. 도 2의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 레이저광 출력장치, 예컨대 표면 발광 레이저 다이오드에서 출력된 광이 경사면(A)에서 반사되어 V-홈을 따라 진행하는 거리는 경사면의 각도에 따라 달라진다. 도 2의 (a)와 같이 경사면(A)의 각도가 45˚인 경우, 광은 장애 없이 V-홈을 따라 진행할 수 있다. 그러나 도 2의 (b) 및 (c)와 같이 경사면(A)의 각도가 45˚보다 각각 작거나 큰 경우, 광은 얼마 진행하지 않아서 V-홈을 벗어나게 된다.

레이저광 출력장치가 가질 수 있는 최소 크기 및 광검출장치, 예컨대 모니터링 포토 다이오드와의 거리로 인해 광검출장치의 수광 영역과 레이저광 출력장치의 발광 영역에는 항상 최소한의 거리가 존재하므로 광이 V-홈을 따라서 상기의 최소 거리 이상을 진행해야 광검출장치에 입력될 수 있다. 그러므로 광이 V-홈을 벗어나는 지점에 반사용 거울을 위치시켜 다시 한번 더 V-홈 방향으로 광을 반사시키면 진행거리를 연장시킬 수 있다. 그러나 이를 위해 별도의 구조물을 만들게 되면 제작 및 정렬에 관한 문제 또는 상기의 최소 거리가 오히려 증가하는 문제점이 있으므로 레이저 출력장치 상에 금속 스트립 라인(metal strip line)을 적절히 설계하여 광이 V-홈을 벗어나 레이저 출력장치에 부딪히는 지점에 금속 스트립 라인을 이용하여 반사용 거울을 형성하는 것이다. 금속 스트립 라인은 일반적으로 증발법을 사용하여 증착하므로 표면이 상당히 매끄러워 90%이상의 반사율을 갖는 거울로 이용할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 광송신수단을 설명하기 위한 개략도로서, 도 3a는 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 a-a' 선에 따른 단면도이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 레이저광 출력장치(1130)의 애퍼쳐(aperture)(1132)로부터 출사된 광의 대부분은 경사면(B)에 의해 반사되어 광도파관(1120)으로 입력되고, 다른 일부는 경사면(A)에서 반사된 후 경사면(C)에 의해 다시 반사되어 광검출장치(1150)로 입력된다. 결정면이 9.74°회전된 실리콘 웨이퍼의 경우, 경사면(B)의 각도가 45°이므로 출력광의 광축과 광도파관의 진행축을 완전히 일치시킬 수 있어 결합효율을 증가시킬 수 있다. 경사면(A)에서 반사된 광은 SiOB에 부딪혀 레이저광 출력장치(1130) 방향으로 다시 반사된다. 이 반사된 광은 레이저광 출력장치(1130)의 반사용 거울(1136)에서 다시 반사되어 V-홈을 따라 진행하게 되고 따라서 이 광은 광검출장치(1150)로 입력된다.

도 4a 및 도 4b는 경사면(A)에서 반사되어 광검출장치로 입력되는 광의 경로를 설명하기 위한 단면도이다. 회전된 실리콘 웨이퍼의 회전 각도가 9.48°이므로 경사면(A)의 각도는 64.48°이고, V-홈의 식각 깊이는 118㎛ 이며, 레이저광 출력장치가 SiOB의 표면보다 20㎛ 상부에 위치한다. 레이저광 출력장치에서 출력되는 광은 최대 20°정도의 발산각(divergence angle)을 갖는다. 이 경우, 경사면(A)에 입사되는 광의 최대 입사각은 74.48°이며 최소 입사각은 64.48°이다. 도 4a는 입사각이 최대인 경우의 광의 궤적 LA를 도시하고 있다. 최대 입사각일 때에는 광은 궤적 LA를 따라 진행하며 이때 V-홈을 따라 진행한 거리(L₁+L₂+L₃)는 159㎛가 된다. 일반적인 레이저 출력장치의 크기를 300㎛ ×300㎛로 가정하면 광은 V-홈을 벗어나 레이저광 출력장치의 표면에 부딪히게 된다. 따라서 이 부분이 반사용 거울(1136)의 시작점이 된다. 도 4b는 입사각이 최소인 경우의 광의 궤적 LB를 도시하고 있다. 최소 입사각일 때에는 광은 궤적 LB를 따라 진행하며 이때 V-홈을 따라 광이 진행한 진행한 거리(L₁+L₂+L₃)는 234㎛가 되고 이 부분이 반사용 거울(1136)의 끝점이 된다. 따라서 반사용 거울(1136)의 시작점과 끝점의 간격을 고려하여 반사용 거울의 위치와 면적을 결정한다. 반사용 거울에서 반사된 광은 V-홈의 바닥에서 다시 반사되어만큼 진행한 후 광검출장치의 수광 영역(1152)으로 입사된다. 이때 광의 전체 진행거리는 (L₁+L₂+3L₃)로 레이저광 출력장치의 애퍼쳐(1132)와 광검출장치의 수광 영역(1152) 사이의 간격보다 충분히 크다.

도 5a 및 도 5b는 레이저 출력장치(1130)의 금속 스트립 라인의 예를 설명하기 위한 평면도이다. 금속 스트립 라인(1134) 및 반사용 거울(1136)은 다양한 형태를 가질 수 있으며 반사용 거울(1136)은 금속 스트립 라인(1134)과 함께 형성된다. 또한 V-홈과 돌출부의 표면에 금속을 입혀 반사율을 높일 수 있다. 레이저 출력장치(1130) 상에 반사용 거울(1136)을 형성하는 방법의 일예로써, 플립-칩 본딩(flip -chip Bonding)을 위한 표면 발광 레이저 다이오드의 경우에는, 산화물층(oxide layer)이 표면 발광 레이저 다이오드의 표면에 존재하는데 반사용 거울을 형성하기 위해서는 반사용 거울이 노출되도록 산화물층에 개구부를 반드시 형성하여야 한다.

레이저 출력장치(1130)를 SiOB에 정렬 접합시키기 위해 다음과 같은 방법을 사용한다. 먼저 레이저 출력장치(1130)와 광도파관에 전달되는 광의 비를 고려하여 레이저 출력장치(1130)의 x축 방향에서의 위치를 결정한다. x축 상의 위치에 따라 경사면(A)에 부딪히는 광의 각도의 범위가 결정된다. 이는 레이저 출력장치(1130)에서 출력되는 광은 약 20°의 발산각(divergence angle)을 갖고 있기 때문이다. 다음에는 레이저 출력장치(1130)와의 결합을 위해 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 금속 스트립 라인(1134)을 이용하여 레이저 출력장치(1130)를 전기적 기계적으로 결합한다.

그 다음에 레이저 출력장치(1130)와 광도파관을 결합시키기 위해 V-홈에 광도파관을 얹고 경사면(B)에 밀어 고정시킨다. 광도파관은 광섬유 뿐만 아니라 평면 광도파로일 수 있다. 레이저 출력장치(1130)와 평면 광도파로 소자와의 결합시 V-홈의 경사면의 각도를 조정하더라도 광검출장치의 결합 방법은 상기 실시예와 동일하고 반사용 거울(1136)의 위치만 다시 선택하면 된다.

한편, 경사면(A)의 각도와 반사용 거울(1136)의 위치 및 광검출장치의 수광 영역의 위치를 고려하여 광검출장치를 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 금속 스트립 라인(1134)을 이용하여 전기적, 기계적으로 결합한다. 따라서 추가적인 구조물이 없이 각 소자가 간단하고도 정밀하게 기존의 SiOB 상에 정렬되어 결합효율이 높으며 정렬비용이 저렴하다.

본 발명은 추가적인 구조물이 없이 레이저광 출력장치에 금속 스트립 라인 형성시 반사용 거울 패턴을 추가적으로 형성함으로써 광도파관 및 레이저광 출력장치 사이의 결합효율을 감소시키지 않고 소형화 및 정렬비용의 감소가 가능하다. 또한 본 발명은 광섬유 뿐만 아니라 평면 광도파로인 경우에도 이용가능하다.

Claims

광을 출사하는 수직공동 표면방출 레이저 장치에 있어서,

광을 출사하는 애퍼쳐;

상기 애퍼쳐를 둘러싸며 외부와 전기적 기계적으로 접속되는 금속 스트립 라인; 및

상기 수직공동 표면방출 레이저 장치의 표면에 설치되어 입사되는 빛을 재반사하는 반사용 거울;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직공동 표면방출 레이저 장치.
광도파관을 통하여 전파될 레이저광을 송신하는 광송신수단에 있어서,

일단은 경사지며 타단은 외부와 연결되는 긴 홈이 표면에 형성되며, 상기 홈의 내부에는 뾰족한 형태를 하는 돌출부가 길이방향에 수직하게 설치되는 반사용 구조물;

아랫 방향으로 레이저를 출력하는 출력부와 자신의 저면에 설치되는 반사용 거울을 포함하며, 상기 출력부가 상기 돌출부 상부에 위치하도록 상기 반사용 구조물 상에 설치되되, 상기 레이저광의 대부분은 상기 돌출부의 일면에서 상기 홈의 타단쪽으로 반사되어 상기 광도파관으로 입사되고, 상기 레이저광의 나머지 소부분은 상기 돌출부의 타면에서 반사되어 상기 홈의 저면을 거쳐 상기 반사용 거울에 입사되도록 설치되는 레이저광 출력장치; 및

상기 반사용 거울에서 반사된 후에 상기 홈 저면에서 재반사되어 오는 레이저광을 입력받아 이를 전기적 신호로 변환하여 상기 레이저광 출력장치로 제어신호를 출력하는 모니터링용 광검출장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 광송신수단.
제2항에 있어서,

상기 홈 및 상기 돌출부의 표면에 금속을 입히는 것을 특징으로 하는 광송신수단.
제2항에 있어서,

상기 반사용 구조물은 실리콘 또는 폴리머 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광송신수단.