KR100440256B1 - 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈 - Google Patents

실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈에 관한 것으로, 일측벽은 경사면을 이루고 다른 측부는 개방된 소정 깊이의 요부가 형성되며, 상기 요부의 개방된 측부에는 광섬유 정렬부가 형성되고, 상기 경사면과 광섬유 정렬부 사이에는 홈이 형성된 실리콘 광벤치와, 상기 광섬유 정렬부에 실장된 광섬유와, 상기 경사면의 상부에 설치된 광원과, 상기 홈의 상부에 설치된 광검출기를 포함한다. V자형 홈 측벽의 경사각 및 높이 조절을 통해 광원과 광검출기 간의 거리를 감소시킬 수 있어 집적화가 용이하며, 광원과 광검출기로 입사되는 광량의 조절이 용이하여 정확한 모니터링이 이루어진다. 또한, 방출된 광의 전부를 광섬유 방향으로 진행시키므로써 광손실이 감소되어 광섬유와 능동소자 간의 광결합 효율이 향상되고, 정렬선이 구비된 광섬유를 이용함으로써 수동 정렬이 용이해진다.

Description

실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈 {Module for transmitting light using silicon optical bench}
본 발명은 광원으로부터 방출되는 광을 광섬유를 통해 전송하기 위한 광송신 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광원으로부터 방출되는 광량을 정확하게 모니터링하여 효율적인 광결합이 이루어질 수 있도록 한 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈에 관한 것이다.
정보통신 산업의 발달에 따라 최근 인터넷 등과 같은 통신망을 이용한 데이터의 전송이 증가하면서 전기신호를 이용한 종래의 데이터 전송 시스템은 데이터의 전송량과 전송속도 측면에서 더이상 적용이 어려운 실정이며, 근래에는 대용량의 데이터를 고속으로 전송할 수 있는 광통신 시스템이 요구되고 있다. 광통신 시스템은 광섬유, 광송신기, 광수신기 등으로 구성되며, 현재 초고속 대용량화 및 저가격화의 추세에 맞추어 기간망이나 가입자망에 적용되고 있다.
광송신기의 광원과 광수신기의 수광소자로서는 레이저 다이오드(Laser Diode)와 포토 다이오드(Photo Diode)가 주로 사용되는데, 근래에는 개별적인 모듈 형태로 제작되던 광송신기와 광수신기를 동일 기판에 집적화시키려는 연구가 이루어지고 있다. 즉, 일반적인 캔 타입의 송신기나 수신기는 고속의 광 전송이 어렵기 때문에 하나의 기판 상에 모노리식(Monolithic) 형태나 하이브리드(hybrid) 형태로 구현하기 위하여 레이저 다이오드와 포토 다이오드를 집적화시키려는 연구가 이루어지고 있다.
광송수신기를 모노리식 형태로 집적하면 크기가 작고 광학적 연결점들이 감소되지만 제조가 어렵고 생산성이 낮으며 광학적 정렬이 어려워진다. 반면, 하이브리드 형태로 집적하면 상대적으로 크기가 커지고 광학적 연결점들은 증가하지만 제조가 쉽고 생산성이 높으며 광학적 정렬이 용이해진다. 그러므로 현재에는 실리콘을 이용한 하이브리드 집적 방법을 많이 선택하고 있다.
한편, 실리콘 광벤치(SiOB)를 이용하면 광섬유와 레이저 발생 장치 간의 수동 광결합이 용이하고 PLC(PLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT) 소자를 동일 기판 상에 집적시킬 수 있기 때문에 수동소자와 능동소자의 집접화에 따른 저가격화는 물론 대용량화의 추세에 부합할 수 있다. 실리콘 광벤치(SiOB)를 이용한 광송수신 모듈에 사용되는 레이저 다이오드나 포토 다이오드는 도파로 형태나 표면 수광 및 표면 발광(VCSEL) 형태를 갖는다. 그러나 능동소자와 수동소자들은 외부환경 특히, 온도의 변화에 민감하게 동작특성이 변화되기 때문에 에러율(Bit Error Ratio; BER)에 심각한 영향을 미쳐 통신에 지장을 미치게 된다. 예를 들어, 동일 구동전압 조건에도 불구하고 외부 온도가 상승하면 광출력 소자(VCSEL)로부터 방출되는 광의 세기가 감소하거나 파장이 변화된다. 그래서 근래에는 광검출기를 이용하여 광출력 소자(VCSEL)의 출력을 모니터링하므로써 방출되는 광의 출력이 일정하게 유지되도록 한다.
도 1은 실리콘 광벤치(SiOB)를 이용한 종래 광송신 모듈의 구성도이다.
실리콘 광벤치(1)에는 일측벽이 경사면(2)을 이루는 소정 깊이의 요부(3)가 형성되며, 상기 요부(3)의 다른 측부에는 광섬유가 위치될 수 있도록 소정 깊이의 광섬유 정렬부(5)가 형성되고, 상기 경사면(2)과 광섬유 정렬부(5) 사이에는 삼각뿔 모양의 광분배부(6)가 형성된다.
상기 실리콘 광벤치(1)의 광섬유 정렬부(5)에는 광섬유(4)가 실장되며, 광분배부(6) 상부에는 광을 방출하기 위한 광원(7)이 설치되고, 경사면(2) 상부에는 광검출기(8)가 설치된다.
상기 광원(7)으로부터 방출된 광은 광분배부(6)에 의해 분배된다. 광분배부(6)의 일측 경사면(6a)에 반사된 광은 광섬유(4)의 코아(4a)로 입사되고, 다른 경사면(6b)에 반사된 광은 상기 실리콘 광벤치(1)의 표면과 경사면(2)에 반사되어 상기 광검출기(8)로 입사된다. 따라서 광검출기(8)에 입사되는 광량을 모니터링하여 상기 광원(7)으로부터 일정한 량의 광이 안정적으로 방출되도록 한다.
그런데 상기와 같이 구성된 종래의 광송신 모듈은 첫째, 상기 광분배부(6)에의해 분배된 광이 상기 실리콘 광벤치(1)의 표면과 경사면(2)에 반사되어 광검출기(8)로 입사되기 때문에 손실로 인한 정확한 광량의 모니터링이 어렵다. 즉, 상기 광분배부(6)의 경사각으로 인해 광검출기(8) 방향으로 진행하는 광의 퍼짐이 발생하고, 이에 따라 광검출기(8)로 입사되는 광량이 적어지며, 광검출기(8)로 입사되지 않은 광에 의한 열발생이 초래된다. 둘째, 상기 광섬유(4) 방향으로 진행하는 광이 광섬유(4)의 전반사 각도 내에 들어오지 못하거나 클래드에서 반사 또는 흡수되는 경우 손실로 인해 광결합 효율이 낮아지며, 반사된 광에 의한 열발생 및 광원의 불안정한 동작이 초래된다.
따라서 본 발명은 일측벽은 경사면을 이루고 다른 측부는 개방된 소정 깊이의 요부가 형성되며, 상기 요부의 개방된 측부에는 광섬유 정렬부가 형성되고, 상기 경사면과 광섬유 정렬부 사이에는 홈이 형성된 실리콘 광벤치를 이용하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 광송신 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광송신 모듈은 일측벽은 경사면을 이루고 다른 측부에는 개방된 소정 깊이의 요부가 형성되며, 상기 요부의 개방된 측부에는 광섬유 정렬부가 형성되고, 상기 경사면과 광섬유 정렬부 사이에는 홈이 형성된 실리콘 광벤치와, 상기 광섬유 정렬부에 실장된 광섬유와, 상기 경사면의 상부에 설치된 광원과, 상기 홈의 상부에 설치된 광검출기를 포함하는 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다른 광송신 모듈은 일측벽은경사면을 이루고 다른 측부에는 개방된 소정 깊이의 요부가 형성되며, 상기 요부의 개방된 측부에는 광섬유 정렬부가 형성된 실리콘 광벤치와, 상기 광섬유 정렬부에 실장되며 종단부가 경사면을 갖도록 가공된 광섬유와, 상기 실리콘 광벤치의 경사면 상부에 설치된 광원과, 상기 광섬유의 경사면 상부에 위치되도록 상기 실리콘 광벤치 상에 실장된 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광섬유 정렬부는 상기 광섬유의 종단이 측벽에 정렬될 수 있도록 소정 깊이 식각되고, 상기 홈은 V자 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 실리콘 광벤치를 이용한 종래 광송신 모듈의 구성도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈의 구성도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈의 구성도.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈의 구성도.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 11, 41, 51: 실리콘 광벤치
2, 6a, 6b, 12, 42, 48, 57: 경사면
3, 13, 47, 52: 요부
4, 14, 44, 54: 광섬유
4a, 14a, 44a, 54a: 코어
5, 15, 43, 53: 광섬유 정렬부
6: 광분배부
7, 17, 45, 55: 광원
8, 18, 46, 56: 광검출기
14b, 44b, 54b: 클래드
16: V자형 홈
16a: 측벽
19: 기판
20: 도파로
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈의 구성도이다.
본 발명의 실리콘 광벤치(11)에는 일측벽은 경사면(12)을 이루고 다른 측부는 개방된 소정 깊이의 요부(13)가 형성되며, 상기 요부(13)의 개방된 측부에는 광섬유가 위치될 수 있도록 소정 깊이의 광섬유 정렬부(15)가 형성되고, 상기 경사면(12)과 광섬유 정렬부(15) 사이에는 V자형의 홈(16)이 형성된다.
상기 실리콘 광벤치(11)의 광섬유 정렬부(15)에는 광섬유(14)가 실장된다. 이때, 상기 광섬유 정렬부(15)는 소정 깊이 식각되어 있으므로 상기 광섬유(14)의 종단부를 식각된 측벽에 정렬되도록 위치시킨다. 상기 실리콘 광벤치(11)의 경사면(12) 상부에는 광원(17)이 설치되고, V자형 홈(16) 상부에는 광검출기(18)가 설치된다.
표면 방출 레이저 다이오드(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode; VCSEL) 등으로 이루어진 광원(17)으로부터 방출된 광은 경사면(12)에 반사되어 광섬유(14)의 코아(14a)로 입사된다. 이때 일부의 광은 상기 광섬유(14)의 전면에 위치하는 상기 V자형 홈(16)의 측벽(16a)에 반사되어 포토 다이오드(Monitoring Photo Diode; MPD) 등으로 이루어진 광검출기(18)로 입사되고, 광검출기(18)는 입사되는 광의 량을 모니터링하여 상기 광원(17)으로부터 일정한 량의 광이 안정적으로 방출될 수 있도록 한다.
본 실시예에서는 상기 V자형 홈(16) 측벽(16a)의 높이 및 경사도 조절 또는 측벽(16a)에 굴절율이 공기보다 높으며 광투과성이 우수한 물질을 코팅하여 광섬유(14)의 코아(14a)로 입사되는 광량 및 광검출기(18)로 입사되는 광량을 조절할 수 있다. 상기 V자형 홈(16)의 측벽(16a)의 높이 및 경사도는 기계적 가공이나 식각공정으로 조절한다. 예를 들어, 상기 V자형 홈(16)이 형성될 부분이 노출되도록 상기 실리콘 광벤치(11) 상에 마스크를 형성한 후 KOH 용액을 이용한 비등방성 습식식각을 진행하면 노출된 부분의 실리콘 광벤치(11)가 식각되어 측벽(16a)이 약 54.7°의 기울기를 갖는 V자형 홈(16)이 형성되는데, 이때, 과도식각을 진행하면 언더컷(Under cut)이 발생되기 때문에 측벽(16a)의 높이 및 경사도를 더 감소시킬 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈의 구성도로서, 도 2에 도시된 광송신 모듈에서 상기 V자형 홈(16)과 광섬유(14) 사이에 별도의 기판(19)에 실장된 도파로(20)가 위치된다.
본 실시예는 상기 V자형 홈(16)과 광섬유(14) 사이에 별도의 기판에 실장된 도파로(20)를 위치시키므로써 도파로를 실리콘 광벤치에 플립칩 본딩하거나 광원 및 광검출기 등의 능동소자를 PLC 풀랫폼(Platform)에 실장하기 위한 전송라인 및 솔더볼 식각 시 발생하는 도파로 단면의 거칠기를 완화시킬 수 있다. 이에 따라 능동소자와 광섬유 간의 정확한 광정렬이 유지되고 도파로 단면에서 난반사가 방지되며 제작 시 재현성이 향상되고 모듈의 제작비용을 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈의 구성도로서, 도파로대신 종단부가 경사면을 갖도록 가공된 광섬유를 이용한다.
본 발명의 실리콘 광벤치(41)에는 일측벽은 경사면(42)을 이루고 다른 측부는 개방된 소정 깊이의 요부(47)가 형성되며, 상기 요부(47)의 개방된 측부에는 광섬유가 위치될 수 있도록 소정 깊이의 광섬유 정렬부(43)가 형성된다.
상기 실리콘 광벤치(41)의 광섬유 정렬부(43)에는 광섬유(44)가 실장된다. 이때, 상기 광섬유 정렬부(43)는 소정 깊이 식각되어 있으므로 상기 광섬유(44)의 종단부를 식각된 측벽에 1차적으로 정렬되도록 위치시키고, 광섬유(44)에 표시된 정렬선(0도, 90도, 180도, 270도)의 투영면적을 일치시키거나 또는 0도 정렬선과 180도 정렬선을 수평선 상에 위치시켜 2차 수동 정렬을 이룬다. 상기 광섬유(44)는 종단부가 경사면(48)을 갖도록 연마 등의 방법으로 가공되는데, 상기 광섬유 정렬부(43)의 식각된 측벽과 닿는 부분 즉, 정렬선은 0도, 90도, 180도 또는 270도의 경사각을 갖도록 표시된다. 상기 실리콘 광벤치(41)의 경사면(42) 상부에는 광원(45)이 설치되고, 상기 광섬유(44)의 경사면(48) 상부에는 광검출기(46)가 설치된다.
표면 방출 레이저 다이오드(VCSEL) 등으로 이루어진 광원(45)으로부터 방출된 광은 경사면(42)에 반사되어 광섬유(44)의 코아(44a)로 입사된다. 이때 일부의 광은 상기 광섬유(44)의 클래드(44b) 경사면(48)에 반사되어 포토 다이오드(MPD) 등으로 이루어진 광검출기(46)로 입사되고, 광검출기(46)는 입사되는 광의 량을 모니터링하여 상기 광원(45)으로부터 일정한 량의 광이 안정적으로 방출되도록 한다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 실리콘 광벤치를 이용한 광송신 모듈의 구성도로서, 종단부가 경사면을 갖도록 가공된 광섬유를 이용하며, 광섬유의 경사면과 동일한 높이에 위치하는 광원(Edge Emitting LD)으로부터 광이 방출되도록 한다.
본 발명의 실리콘 광벤치(51)에는 일측부가 개방된 소정 깊이의 요부(52)가 형성되며, 상기 요부(52)의 개방된 측부에는 광섬유가 위치될 수 있도록 소정 깊이의 광섬유 정렬부(53)가 형성되고, 상기 광섬유 정렬부(53) 전면부 양측의 실리콘 광벤치(51) 상에 돌출부(51a)가 각각 형성된다.
상기 실리콘 광벤치(51)의 광섬유 정렬부(53)에는 광섬유(54)가 실장된다. 이때, 상기 광섬유 정렬부(53)는 소정 깊이 식각되어 있으므로 상기 광섬유(54)의 종단부를 식각된 측벽에 정렬되도록 위치시킨다. 상기 광섬유(54)는 종단부가 경사면(57)을 갖도록 연마 등의 방법으로 가공되는데, 상기 광섬유 정렬부(53)의 식각된 측벽과 닿는 부분 즉, 정렬선은 0도, 90도, 180도 또는 270도의 경사각을 갖도록 표시된다. 상기 실리콘 광벤치(51)의 상부에는 광원(55)이 설치되고, 상기 광섬유(54)의 경사면(48) 전면 상부에는 광검출기(56)가 설치되는데, 상기 광검출기(46)는 광섬유(54) 전면부 양측의 실리콘 광벤치(51) 상에 각각 형성된 돌출부(51a)와 돌출부(51a) 상에 양단부가 지지되도록 실장된다.
표면 방출 레이저 다이오드(VCSEL) 등으로 이루어진 광원(55)으로부터 방출된 광은 광섬유(54)의 코아(54a)로 입사된다. 이때 일부의 광은 상기 광섬유(54)의 클래드(54b) 경사면(57)에 반사되어 포토 다이오드(MPD) 등으로 이루어진 광검출기(56)로 입사되고, 광검출기(56)는 입사되는 광의 량을 모니터링하여 상기 광원(55)으로부터 일정한 량의 광이 안정적으로 방출되도록 한다.
본 발명의 실시예에는 기재되지 않았지만 상기 실리콘 광벤치 상에는 광원, 광검출기 등의 동작을 위한 금속배선과, 플립칩 본딩을 위한 UBM 및 솔더볼이 형성된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 일측벽은 경사면을 이루고 다른 측부는 개방된 소정 깊이의 요부가 형성되며, 상기 요부의 개방된 측부에는 광섬유 정렬부가 형성되고, 상기 경사면과 광섬유 정렬부 사이에는 홈이 형성된 실리콘 광벤치를 이용한다. 따라서 V자형 홈 측벽의 경사각 조절을 통해 광원과 광검출기 간의 거리를 감소시킬 수 있으며 광원과 광검출기로 입사되는 광량의 조절이 용이하다. 또한, 방출된 광의 전부를 광섬유 방향으로 진행시키므로써 광손실이 감소되고 광손실에 의한 열발생 및 반사광에 의한 광원의 불안정한 동작이 방지된다.
또한, 본 발명은 일측 종단부가 경사지게 가공된 광섬유를 이용하므로써 다량의 광이 광섬유로 입사되고 클래드 부위에서 반사되는 광은 모니터링 용으로 이용되어 광결합 효율을 최대화시키는 동시에 불필요한 광반사로 인한 열 발생을 방지하는 한편, 광섬유의 경사면 하부에 정렬선(0도, 90도, 180도 또는 270도)을 표시하므로써 광섬유와 능동소자 간의 효과적인 수동 광정렬을 유도하여 결과적으로는 광정렬에서 비롯되는 광송신 모듈의 제조 가격을 줄이며, 대용량화, 저가격화를 앞당길 수 있다.

Claims (7)

  1. 일측벽은 경사면을 이루고 다른 측부는 개방된 소정 깊이의 요부가 형성되며, 상기 요부의 개방된 측부에는 광섬유 정렬부가 형성되고, 상기 경사면과 광섬유 정렬부 사이에는 홈이 형성된 실리콘 광벤치와,
    상기 광섬유 정렬부에 실장된 광섬유와,
    상기 경사면의 상부에 설치된 광원과,
    상기 홈의 상부에 설치된 광검출기를 포함하며, 상기 광원으로부터 방출된 광이 상기 경사면에 반사된 후 상기 광섬유로 전달되되, 상기 광의 일부가 상기 홈의 측벽에 반사되어 상기 광검출기로 입사되는 것을 특징으로 하는 광송신 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 정렬부는 상기 광섬유의 종단이 측벽에 정렬될 수 있도록 소정 깊이 식각된 것을 특징으로 하는 광송신 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 V자 형태로 형성되며, 측벽의 경사각이 54.7°보다 작은 것을 특징으로 하는 광송신 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 홈과 광섬유 사이에 개재된 도파로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광송신 모듈.
  5. 일측벽은 경사면을 이루고 다른 측부에는 개방된 소정 깊이의 요부가 형성되며, 상기 요부의 개방된 측부에는 광섬유 정렬부가 형성된 실리콘 광벤치와,
    상기 광섬유 정렬부에 실장되며 종단부가 경사면을 갖도록 가공된 광섬유와,
    상기 실리콘 광벤치의 경사면 상부에 설치된 광원과,
    상기 광섬유의 경사면 상부에 위치되도록 상기 실리콘 광벤치 상에 실장된 광검출기를 포함하며, 상기 광원으로부터 방출된 광이 상기 경사면에 반사된 후 상기 광섬유로 전달되되, 상기 광의 일부가 상기 광섬유의 경사면에 반사되어 상기 광검출기로 입사되는 것을 특징으로 하는 광송신 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 광섬유 정렬부는 상기 광섬유의 종단이 측벽에 정렬될 수 있도록 소정 깊이 식각된 것을 특징으로 하는 광송신 모듈.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 광섬유의 경사면 하부에 정렬선이 표시된 것을 특징으로 하는 광송신 모듈.
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