KR100480299B1 - 광통신용 레이저 다이오드 모듈 - Google Patents

광통신용 레이저 다이오드 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광통신용 레이저 다이오드 모듈에 관한 것으로, 특히 본 발명은 다수의 리드와 수직 벽체를 갖는 하우징을 구비한 광모듈에 있어서, 상기 하우징의 상면에 배치된 히트 싱크와, 상기 히트 싱크 상면에 배치된 초격자 마이크로 냉각기(superlattice microcooler)와, 상기 초격자 마이크로 냉각기 상면 일측에 배치되고, 레이저빔을 발생시키는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드에서 방사되는 빛을 입력받아 전류로 변환시키는 포토 다이오드와; 상기 히트 싱크의 상면 일측에 배치되고, 상기 레이저빔을 집광하는 집광소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

광통신용 레이저 다이오드 모듈{LASER DIODE MODULE FOR OPTICAL COMMUNICATION}
본 발명은 광통신용 레이저 다이오드 모듈에 관한 것으로, 특히 초격자 마이크로 냉각기를 이용한 광통신용 레이저 다이오드 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 레이저 소자는 P-N 접합구조를 기본으로 하여 양자전자(Quantum electron) 개념을 포함하는 반도체 소자로서, 반도체 물질로 구성된 박막, 소위 활성층에 전류를 주입하여 인위적으로 전자-정공 재결합을 유도함으로써 이들 재결합에 기인한 감소 에너지에 해당하는 빛을 발진하는 반도체 레이저 다이오드이다.
이러한 반도체 레이저 다이오드는 He-Ne 또는 Nd-YAG 레이저와 같은 고체 레이저에 비해서 크기가 작고, 가격 또한 저렴하여 특히, 전류조절을 통해 광의 강도조절이 가능하다는 특징을 가진다. 이와 같은 특징을 가지는 반도체 레이저 다이오드는 소출력 단파장의 경우 광기록 및 재생장치의 광원으로 이용되며, 장파장의 경우는 광통신용 광원으로 널리 사용되고 있다. 고출력의 경우는 Nd-YAG와 같은 고체 레이저 장치의 여기장치로 적용된다.
광통신 모듈의 경우 파장 제어가 중요한 요소이며, 이를 실현하기 위해서는 구동시 발생되는 열 및 주위 온도에 의한 온도 상승을 패키지 외부로 신속히 방출할 수 있는 부수적인 구조를 요하게 된다.
이러한 요구에 따라 소자의 동작 시 발생되는 열을 외부로 신속히 방출할 수 있는 패키지 방법과 패키지 구조가 다수 제안되고 있다.
레이저 다이오드 모듈은 광원인 레이저 다이오드를 헤드에 고정하고, 이에 부수적인 요소 즉, 레이저 다이오드를 냉각시키기 위한 냉각장치, 레이저 다이오드의 출력을 검지하는 광검출기, 헤드 전체의 온도를 검지하는 온도 검지기가 부가되어 있는 하나의 집적체이다.
통상, 반도체 레이저 다이오드 모듈은 레이저 다이오드 칩(Laser Diode Chip)이 탑재되는 히트 싱크(Heat Sink)에 열전 냉각기(Thermoelectric Cooler: TEC) 등과 같은 냉각장치가 마련되고, 이에 부수적으로 열감지를 위한 서미스터(thermistor), 칩으로부터의 광을 검지하는 포토다이오드(photo diode;PD)가 마련되는 구조를 가진다.
도 1은 종래 광통신용 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 개략적 단면 구성도이고, 도 2는 열전 냉각소자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 광통신용 레이저 다이오드 모듈은 하면에 측방으로 돌출된 다수의 리드(미도시)가 마련되어 있고, 상면에 소정 높이 돌출된 측벽이 형성되어 있는 하우징(10)이 레이저 다이오드 모듈의 기본 프레임을 이루고 있다. 그리고, 하우징(10)의 상면 중앙부에는 열전 냉각소자(TEC, 11)가 냉각측면이 상방을 향하도록 고정되어 있으며, 상기 열전 냉각소자(11)의 상부, 즉 냉각측면 상에는 후술하는 레이저 다이오드(15)로부터 열을 흡수하기 위한 소정 높이의 히트 싱크(12)가 마련되어 있다. 또한, 상기 히트 싱크(12) 상에는 서브마운트(13)가 구비되어 있고, 상기 서브마운트(13) 상방에는 제1 마운트(14)에 지지되는 레이저 다이오드(15)와, 제2 마운트(16)에 의해 지지되는 포토 다이오드(17)가 고정되어 있다. 그리고, 상기 레이저 다이오드(15)로부터 출사되는 레이저빔을 집광하기 위한 렌즈(18)가 장착된 구조를 갖는다.
상기 열전 냉각소자(TEC, 11)는 도 2에 도시된 바와 같이 냉각측면(cold side: active cooling, 21)과 배출측면(hot side: heat rejection, 22) 사이에 다수(20 내지 50개)의 P형 및 N형 핀(23)을 구비한 구조를 이루고 있다.
그러나, 상기 종래의 열전 냉각소자는 다수의 핀을 수동으로 조립해야 하므로 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라 가격이 비싸 저가형 모듈 실현이 어렵다. 게다가, 사이즈(size)가 커서 광송/수신기(Tx, Rx)에 필요한 미니-플랫(mini-plat), 티오-캔(TO-CAN) 패키지 등의 소형 광부품(Optical Subassembly; OSA)에 장착이 불가능한 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 저가형 모듈제작 및 소형 광부품에 장착이 가능한 마이크로 열전 냉각소자를 구비한 광통신용 레이저 다이오드 모듈을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다수의 리드와 수직 벽체를 갖는 하우징을 구비한 광모듈에 있어서, 상기 하우징의 상면에 배치된 히트 싱크와, 상기 히트 싱크 상면에 배치된 초격자 마이크로 냉각기(superlattice microcooler)와, 상기 초격자 마이크로 냉각기 상면 일측에 배치되고, 레이저빔을 발생시키는 레이저 다이오드와, 상기 레이저 다이오드에서 방사되는 빛을 입력받아 전류로 변환시키는 포토 다이오드와, 상기 히트 싱크의 상면 일측에 배치되고, 상기 레이저빔을 집광하는 집광소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초격자 마이크로 냉각기는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 위에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층의 일측 상부에 형성된 초격자(super lattice) 구조의 반도체층과, 상기 반도체층 위에 형성된 캡층과, 상기 캡층 및 상기 버퍼층의 일측 상부에 각각 형성된 금속층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 초격자 구조의 반도체층은 SiGeC/Si층 또는 SiGe/Si층 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 개략적 단면 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드 모듈에 적용되는 마이크로 열전냉각소자의 단면도이다. 또한, 도 5는 도 4의 고배율 현미경(SEM) 사진이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 레이저 모듈은 다수의 리드(미도시)와, 수직 벽체를 갖는 하우징(30)과, 히트 싱크(heat sink, 32)와, 초격자 마이크로 냉각기(superlattice microcooler, 40)와, 레이저 다이오드(35)와; 서브 마운트(submount, 36)와, 포토 다이오드(photo diode, 37) 및 집광소자(38)를 포함하여 구성된다.
상기 히트 싱크(32)는 상기 하우징의 상면에 배치되고, 상기 히트 싱크(32) 위에 배치되는 소자로부터 발산되는 열을 흡수하는 기능을 수행한다.
상기 초격자 마이크로 냉각기(40)는 상기 히트 싱크(32) 상면에 배치되고, 상기 레이저 다이오드(35) 구동시 발생되는 열을 냉각시키는 기능을 수행한다. 초격자 마이크로 냉각기(40)는 도 4에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초격자 마이크로 냉각기(40)는 Si 기판(41)과, 상기 Si 기판(41) 위에 형성된 버퍼층(42)과, 상기 버퍼층(42)의 일측 상부에 형성된 SiGe/Si 초격자층(super lattice, 43)과, 상기 초격자층(43) 위에 형성된 SiGe 캡층(44)과, 상기 SiGe 캡층(44) 및 상기 버퍼층(42)의 일측 상부에 각각 형성된 금속 콘택층(45)을 포함한 구조를 이룬다.
상기 SiGe/Si 초격자층(super lattice, 43)은 100x(10㎚ SiGe/10㎚ Si)로 구성되어, 2㎛ 정도 두께를 가지며, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 공정에 의해 형성될 수 있다. 초격자층의 예로는 상기 SiGe/Si 외에 SiGeC/Si를 들 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 레이저 다이오드(35)는 상기 초격자 마이크로 냉각기(40)의 콘택층(45) 위에 배치되며, 상기 콘택층(45)에 와이어 본딩(wire bonding)을 하여 전류를 0.3A 정도 흘리면 상기 초격자층(43)의 냉각작용에 의해 상기 레이저 다이오드 구동시 발생되는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 포토 다이오드(37)는 상기 히트 싱크(32)의 일측에 배치된 상기 서브 마운트(36) 위에 고정되며, 상기 레이저 다이오드(35)에서 방사되는 빛을 입력받아 전류로 변환시키는 기능을 수행한다.
상기 집광소자(38)는 상기 히트 싱크(32)의 상면 일측에 배치되고, 상기 레이저빔을 집광하는 기능을 수행한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를 들면, 본 발명의 다른 실시 예로는 초소형 정밀기계 기술(MEMS)을 이용한 마이크로-열전 냉각기(micro-TEC)를 활용하여 국부 냉각함으로써 전술한 본 발명의 실시예와 동일하게 소형 모듈에 적용할 수 있으며, 이에 대한 상세 적용 기술은 상기에서 서술한 방법과 동일한 구조를 갖는다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 광통신용 레이저 다이오드 모듈은 냉각소자로 기존의 열전냉각소자 대신 초격자 마이크로 냉각기를 적용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 제조공정이 간단하며 저가형 냉각 모듈 제작이 가능하며, 가격 경쟁력이 향상된다.
둘째, 크기가 작은 모듈의 내부에 냉각형 광부품(OSA)을 장착할 수 있다.
셋째, 티오-18캔(TO-18CAN) 패키지 등의 서브-마운트로 활용할 수 있어 소형 모듈의 제작이 가능하다.
도 1은 종래 광통신용 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 개략적 단면 구성도,
도 2는 도 1에 채용된 열전 냉각소자의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 개략적 단면 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드 모듈에 적용된 초격자 마이크로 냉각기의 구성을 나타낸 단면도,
도 5는 도 4의 고배율 현미경 사진.

Claims (8)

  1. 수직 벽체를 갖는 하우징과;
    상기 하우징의 상면에 배치되는 히트 싱크와;
    상기 히트 싱크 상면에 배치되어, 그 자신 위에 탑재되는 소자로부터 방출되는 열을 냉각시키는 초격자 마이크로 냉각기(superlattice microcooler)와,
    상기 초격자 마이크로 냉각기 상면에 탑재되고, 레이저빔을 발생시키는 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드에서 방사되는 빛을 전류로 변환시키는 포토 다이오드와;
    상기 히트 싱크의 상면 일측에 배치되고, 상기 레이저빔을 집광하는 집광소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 초격자 마이크로 냉각기는
    반도체 기판과;
    상기 반도체 기판 위에 형성된 버퍼층과;
    상기 버퍼층의 일측 상부에 형성된 초격자(super lattice) 구조의 반도체층과;
    상기 반도체층 위에 형성된 캡층과;
    상기 캡층 및 상기 버퍼층의 일측 상부에 각각 형성된 콘택층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 초격자 구조의 반도체층은
    SiGeC/Si층 또는 SiGe/Si층 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드 모듈.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는
    상기 콘택층 상면에 배치된 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드 모듈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 초격자 마이크로 냉각기는 초소형 정밀기계 기술(MEMS)을 이용한 마이크로-열전 냉각기(micro-TEC)인 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드 모듈.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 콘택층은
    금속층으로 된 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드 모듈.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하우징으로부터 돌출된 복수의 리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드 모듈.
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