KR100368809B1

KR100368809B1 - 광송신수단

Info

Publication number: KR100368809B1
Application number: KR10-2000-0040614A
Authority: KR
Inventors: 김덕봉; 장우혁; 조성제; 김은지
Original assignee: 주식회사 오랜텍
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2003-01-24
Also published as: KR20020007512A

Abstract

자신의 출력광이 정밀하게 제어되는 광송신수단에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 광송신수단은, 레이저 장치의 출력광이 실리콘 또는 폴리머로 이루어진 반사용 구조물에 의해 대부분은 광도파관 쪽으로 반사되고, 소량의 나머지는 모니터링용 광검출기로 반사되도록 구성된다. 모니터링용 광검출기는 감지된 광신호를 전기신호로 바꾸어 레이저 장치의 구동회로로 피드 백 시킨다. 본 발명에 의하면, 간단하게 레이저 장치와, 광도파관과, 모니터링용 광검출기 사이의 정확한 광학적 정렬을 구현할 수 있다. 또한, 광송신수단의 부피 증가 없이 레이저 장치에서 출력되는 출력광의 세기를 정확하게 제어할 수 있다.

Description

광송신수단 {Optical transmitter}

본 발명은 광송신수단에 관한 것으로서, 특히 자신의 출력광이 정밀하게 제어되는 광송신수단에 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 기판 위에서 V자 홈(V-groove)과 칩(chip) 상태의 레이저 장치를 놓을 벤치(Bench)를 만들어 광섬유와 레이저 장치를 광학적으로 결합(coupling)시킨 SiOB 모듈(Silicon optical bench module)을 갖는 광송신기가 개발되어 상용화되고 있다.

SiOB 모듈을 이용할 경우에는 광섬유와 레이저 장치의 광학적 결합이 정밀하게 이루어져 광 손실이 작고, 실리콘 기판 위에 여러 가닥의 광섬유와 레이저 장치 및 구동회로를 집적시킬 수 있으므로 광송신기를 소형화시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 칩(chip) 상태의 레이저 장치를 사용하기 때문에 고속화에도 유리하다. 흔히 SiOB 모듈은 높은 광효율과 낮은 가격을 유지하기 위해 모서리 방출(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. 출력광의 세기 변화는BER(Bit error ratio)에 심각한 영향을 미쳐 통신 품질의 저하를 야기시킨다. 따라서, VCSEL의 출력광의 세기 변화를 감지하여 이에 대응하는 신호를 VCSEL의 구동회로에 피드 백(feed-back)시켜 VCSEL의 출력광의 세기를 일정하게 하는 피드 백 시스템(feed-back system)이 필요하다. 흔히, 피드 백 시스템은 VCSEL의 출력광의 일부를 흡수하여 이 흡수된 광세기에 따른 전기신호를 출력하는 모니터링용 광검출소자를 포함하여 구성된다.

도 1은 종래의 광송신수단을 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, VCSEL(20)은 실리콘 기판(10) 상에 설치되며, 제1 범프볼(bump ball, 61)에 의해 실리콘 기판(10)에 고정된다. 실리콘 기판(10)에는 VCSEL(20)을 구동시키기 위한 구동회로가 집적 또는 결합되어 있으며, 상기 구동회로와 VCSEL(20)은 제1 범프볼(61)에 의해 전기적으로 서로 연결된다.

실리콘 기판(10) 상에는 구조물 지지대(42)가 고정 설치되며, 반사용 구조물(50)은 구조물 지지대(42) 상에 제2 범프볼(62)에 의해 고정 설치된다. VCSEL(20)에서 윗방향으로 출력되는 출력광(70)은 반사용 구조물(50)의 반사면(55)에서 측방부로 반사되어 광도파관(30)으로 입사된다. 상기 입사광은 광도파관(30)을 통해 광수신수단(미도시)에 전달된다. 광도파관(30)은 실리콘 기판(10) 상에 설치된 광도파관 지지대(44)에 의해 고정 설치된다.

상술한 종래의 광송신수단에 의하면, 광이 출력되는 VCSEL(20)의 밑면이 실리콘 기판(10)에 고정되어 버리기 때문에 VCSEL(20)과 모니터링용 광검출소자(미도시)를 광학적으로 결합시키기가 어렵다. 따라서, VCSEL(20)과 모니터링용 광검출소자를 광학적으로 결합시키기 위해서는 광도파관(30)과 VCSEL(20) 사이에 부가적이고 복잡한 구조의 별도의 광도파관(미도시)을 설치하고, 이를 이용하여 분기한 일부의 광을 상기 모니터링용 광검출기로 전달해야 한다.

그러나, 이 경우 상기 별도의 광도파관, VCSEL(20), 광도파관(30), 및 모니터링용 광검출기 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.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광의 일부 분기를 위한 광도파관의 부가적인 설치공정 없이도 VCSEL과 모니터링용 광검출소자의 광학적 결합이 정밀하게 이루어지도록 새로운 반사용 구조물을 구비함으로써 상술한 종래의 문제점을 해결한 광송신수단을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 광송신수단을 설명하기 위한 개략도;

도 2는 본 발명에 따른 광송신수단을 설명하기 위한 개략도;

도 3은 도 2의 반사용 구조물(150)에 의한 광의 반사를 상세하게 설명하기 위한 개략도;

도 4a 내지 도 4c는 도 3의 반사용 구조물(150)을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 광송신수단은, 자신의 측방부에 설치된 광도파관을 통하여 전파될 레이저 광을 출력하며, 구동회로부 및 상기 구동회로부를 제어하는 제어부로 구성되는 전기회로가 집적 또는 결합된 기판과, 상기 구동회로부와 전기적으로 연결되도록 상기 기판상에 설치되어 레이저 광을 윗 방향으로 출력하는 레이저 장치와, 상기 레이저 장치의 출력광의 일부는 상기 광도파관 쪽으로 반사시키고, 나머지 일부는 상기 기판 상부 쪽으로 반사시키도록 설치된 반사면을 가지는 반사용 구조물과, 상기 제어부와 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 설치되어 상기 반사용 구조물에서 상기 기판 상부로 반사되어 오는 광을 입력받아 이를 전기적 신호로 변화하여 상기 제어부로 제어신호를 출력하는 모니터링용 광검출소자를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 반사면은 수평면과 90°보다 작은 각도를 이루는 경사부와 수평면과 나란하도록 상기 경사부의 상측에서 연장되는 수평부를 가지며, 상기 반사용 구조물은 상기 레이저 장치에서 출력되는 출력광 전체가 상기 경사부에서 먼저 반사되도록 설치되되, 상기 경사부에서 반사된 광 중에서 다시 수평부에서 반사된 출력광이 상기 모니터링용 광검출소자로 입사되도록 설치된다.

본 발명에 일 예에 따른 광검출소자는 상기 반사용 구조물이 실리콘 또는 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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

도 2는 본 발명에 따른 광송신수단을 설명하기 위한 개략도이다. 도 2를 참조하면, 실리콘 기판(110)에는 레이저 장치(120)를 구동시키기 위한 구동회로부 및 상기 구동회로부를 제어하는 제어부로 구성되는 전기회로가 집적 또는 결합되어 있다. 레이저 장치(120), 예컨대 VCSEL은 실리콘 기판(110) 상에 설치되며 제1 범프볼(161)에 의해 상기 구동회로부와 전기적으로 연결된다. 레이저광은 y축 방향으로 출력된다.

실리콘 기판(110) 상에는 구조물 지지대(142)가 고정 설치되며, 실리콘 또는 폴리머로 이루어진 반사용 구조물(150)은 구조물 지지대(142) 상에 제2 범프볼(162)에 의해 고정 설치된다. 반사용 구조물(150)은 레이저 장치(120)의 출력광을 반사시키기 위한 반사면(155)을 가진다. 반사면(155)은 경사부(A)와 경사부(A)의 상측 끝단에서 연장되는 수평부(B)로 구분된다.

반사용 구조물(150)에 의해 레이저 장치(120)의 출력광은 두 개의 경로를 거치게 된다. 즉, 출력광의 대부분은 참조번호 170a로 도시한 바와 같이 반사면(155)의 경사부(A)에서 반사되어 직접 광도파관(130)으로 입사되고, 소량의 나머지는 참조번호 170b로 도시된 바와 같이 경사부(A) 및 수평부(B)를 거쳐 모니터링용 광검출소자(170)로 입사된다. 이에 대한 자세한 것은 도 3의 설명시에 설명한다.

광도파관(130)으로 입사된 광은 광수신수단(미도시)으로 전파되어 간다. 광도파관(130)은 실리콘 기판(110) 상에 설치된 광도파관 지지대(144)에 의해 고정 설치된다. 모니터링용 광검출소자(170), 예컨대 광다이오드(photo diode)는 레이저 장치(120)와 소정간격 이격되도록 실리콘 기판(110) 상에 설치되며, 제3 범프볼(163)에 의해 실리콘 기판(110)에 집적되어 설치된 상기 전기회로의 제어부와 전기적으로 연결된다.

반사면(150)의 수평부(B)에서 반사되어 오는 광(170b)을 입력받은 모니터링용 광검출소자(170)는 이를 전기신호로 변환하여 상기 전기회로의 제어부로 제어신호를 출력한다. 따라서, 이러한 피드 백 시스템에 의하여 레이저 장치(120)의 출력광의 세기가 정밀하게 제어되어 레이저 장치(120)의 출력광은 일정한 세기를 갖게 된다.

도 3은 도 2의 반사용 구조물(150)에 의한 광의 반사를 상세하게 설명하기 위한 개략도이다. 도 2와 결부하여 도 3을 설명하면, 반사면(155)의 경사부(A)는 x축과 90°보다 작은 각 α를 이루도록 경사지게 설치된다. y축 방향으로 출력되는 레이저 장치(120)의 출력광은 2θ의 각도로 퍼지기 때문에, 이러한 퍼짐 현상 및 경사부(A)와 레이저 장치(120) 사이의 거리를 고려하여 레이저 장치(120)에서 출력되는 광의 전부가 경사부(A)에 도달할 수 있도록 경사부(A)를 충분히 넓게 정한다. 레이저 장치(120)가 VCSEL일 경우 2θ는 일반적으로 8°∼15°의 값을 가진다.

이렇게 일단 레이저 장치(120)에서 출력된 광의 전부가 경사부(A)에 도달하도록 반사용 구조물(150)을 설치하게 되면, 도시된 바와 같이 경사부(A)의 점 D와 점 F 사이에서 반사되는 광(170a)은 광도파관(130)으로 입사되고, 점 F와 점 E 사이에서 반사되는 광(170b)은 수평부(B)에서 다시 반사되어 모니터링용 광검출기(170)에 입사되게 된다.

레이저 장치(120)와 광도파관(130) 사이에서 광이 진행하는 거리에 따라 광도파관(130)의 끝단에 맺히는 광의 크기가 결정되므로 광도파관(130)의 코아(core)에만 광이 도달하도록 광의 진행거리를 정해야 한다.

광도파관(130)에 입사된 광이 전파되려면 그 광은 수용각(acceptance angle, ρ) 이하의 각도로 광도파관(130)에 입사되어야 한다. 따라서, 점 D와 점 F 사이에서 반사된 광(170a)이 수용각(ρ)의 범위 내에서 광도파관(130)으로 입사되도록 광도파관(130)을 적절히 설치해야 한다. 광도파관(130)이 광섬유일 경우에는 일반적으로 상기 수용각은 15°의 값을 가진다.

레이저 장치(130)의 수직 상부에 위치하는 점 C 부분에서 반사되는 광과 x축이 이루는 각 β는 2α- 90°로 주어진다. α가 45°일 경우에는 β는 0°이기 때문에, 광도파관(130)의 중심이 점 C와 같은 높이에 위치하도록 광도파관(130)을 설치하면, 점 C에서 반사된 모든 광은 광도파관(130)을 통하여 광수신수단으로 전파되어 간다.

한편, 경사부(A)의 점 F와 점 E 사이에서 반사되는 광(170b)은 x축에 대해의 각도로 반사된다. 여기서,는이하의 값을 가진다. 이 반사광은 다시 수평부(B)에서 y축에 대해 δ의 각도로 다시 입사 그리고 반사되어 모니터링용 광검출기(170)에 입사되게 된다. 여기서 δ는이상의 값을 가진다. 모니터링용 광검출기(170)에 도달하는 광의 세기는 수평부(B)의 x축 길이에 의해 결정된다. 즉, 수평부(B)의 x축 길이가 길어지면 모니터링용 광검출기(170)에 도달하는 광의 세기가 커지고, 광도파관(130)에 도달하는 광의 세기는 상대적으로 작아진다.

상술한 바와 같이, 레이저 장치(120)와 광도파관(130) 및 모니터링용 광검출기(170)를 광학적으로 결합시키기 위해서는 반사용 구조물(150)과, 레이저 장치(120)와, 광도파관(130)과, 모니터링용 광검출기(170)의 위치 선정이 중요하다. 즉, 이에 따라 광도파관(130) 및 모니터링용 광검출기(170)에 도달하는 광의 세기 및 광손실이 크게 좌우된다.

도 4a는 식각방지막 패턴(1a)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, (100)형의 실리콘 기판(150a) 상에 실리콘 질화막(SiNx)을 증착한 후에, 이를 패터닝함으로써 식각방지막 패턴(1a)을 형성한다.

도 4b는 오목 홈(H)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 식각방지막 패턴(1a)을 식각 마스크로 하여 실리콘 기판(150a)을 습식식각함으로써 측벽이 수평면과 54.74°의 각도로 경사진 오목 홈(H)을 형성한다. 이렇게 오목 홈(H)의 측벽이 경사지는 이유는 실리콘 기판(150a)의 (100)면과 (111)면의 식각속도가 다르기 때문이다.

도 4c는 반사용 구조물(150)을 완성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 오목 홈(H)이 형성된 결과물에서 식각방지막 패턴(150b)을 제거한 후에, 오목 홈(H)이 수직이등분되도록 실리콘 기판(150a)을 수직절단하여 두 개의 반사용 구조물(150)을 완성한다. 여기서, 오목 홈(H)의 내측면이 도 3에 도시된 바와 같이 반사용 구조물(150)의 반사면(155)이 되고, 오목 홈(H)의 측벽과 수평면이 이루는 각 즉, 54.74°가 도 3에서의 α에 해당된다.

여기서는 실리콘 기판을 이용하여 도 3의 반사용 구조물(150)을 제조하는 방법만을 상술하였지만, 이 방법 이외에도 폴리머를 이용한 몰딩(molding)방법 등으로도 반사용 구조물(150)을 제조할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 광송신수단에 의하면, 새로운 구조를 갖는 반사용 구조물(150)을 이용함으로써 간단하게 레이저 장치(120)와, 광도파관(130)과, 모니터링용 광검출기(170) 사이의 정확한 광학적 정렬을 구현할 수 있다. 따라서, 광송신수단의 가격이 저렴하게 된다. 특히, 이러한 광학적 정렬이 모니터링용 광검출기(170)에 광을 입사시키기 위한 광도파관의 부가적인 설치공정 없이 종래의 반사용 구조물(150)의 구조를 바꿈으로써 이루어진다는 점에서 그 구현 방법이 대단히 간단하다.

또한, 본 발명에 의하면 광송신수단의 부피 증가 없이 레이저 장치(120)에서 출력되는 출력광의 세기를 정확하게 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 실리콘기판(10)에 여러 가닥의 광도파관과, 광검출소자, 레이저장치, 및 전기회로를 집적시킬 수 있기 때문에 SiOB 모듈을 이용하는 광송신수단의 장점이 그대로 살아나 광송신수단이 소형화된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims

자신의 측방부에 설치된 광도파관을 통하여 전파될 레이저 광을 출력하는 광송신수단에 있어서,

구동회로부 및 상기 구동회로부를 제어하는 제어부로 구성되는 전기회로가 집적 또는 결합된 기판과,

상기 구동회로부와 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 설치되어 레이저 광을 윗 방향으로 출력하는 레이저 장치와,

상기 레이저 장치의 출력광의 일부는 상기 광도파관 쪽으로 반사시키고, 나머지 일부는 상기 기판 상부 쪽으로 반사시키도록 설치된 반사면을 가지는 반사용 구조물과,

상기 제어부와 전기적으로 연결되도록 상기 기판 상에 설치되어 상기 반사용 구조물에서 상기 기판 상부로 반사되어 오는 광을 입력받아 이를 전기적 신호로 변화하여 상기 제어부로 제어신호를 출력하는 모니터링용 광검출소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 광송신수단.
제1 항에 있어서, 상기 반사면은 수평면과 90°보다 작은 각도를 이루는 경사부와 수평면과 나란하도록 상기 경사부의 상측에서 연장되는 수평부를 가지며, 상기 반사용 구조물은 상기 레이저 장치에서 출력되는 출력광 전체가 상기 경사부에서 먼저 반사되도록 설치되되, 상기 경사부에서 반사된 광 중에서 다시 수평부에서 반사된 출력광이 상기 모니터링용 광검출소자로 입사되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 광송신수단.
제1 항에 있어서, 상기 반사용 구조물이 실리콘 또는 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광송신수단.
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