KR100492697B1 - 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광소자 및 광도파로가 실장된 PCB 사이에 구면 또는 비구면 집속 렌즈를 삽입하여 광 연결하기 위한 것으로, 이를 위한 작용은 광소자 회로 기판 상에 레이저 구동 칩이 실장되고, 실장된 레이저 구동 칩에 전달되는 전기적 신호에 의해 구동하는 단계와, 레이저 구동 칩의 구동에 의해 표면 방출 광원 어레이가 구동되어 고속으로 변조되는 소정 파장의 변조 광신호를 광소자 회로 기판 방향으로 출사하는 단계와, 출사된 변조 광신호가 관통구멍 어레이를 통해 독립된 단일 렌즈의 형태를 갖는 집속 렌즈에 의해 집속되는 단계와, 집속된 광신호가 광도파로 어레이를 통해 입사되며, 광신호는 광도파로 어레이의 반대쪽 경사진 반사면에서 굴절되어 수신측 집속 렌즈에 집속되는 단계와, 집속된 광신호가 포토 다이오드를 이용하는 광 검출기 어레이에 입사되어 수광되며, 수광된 광신호를 광수신기 칩에 제공하여 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함한다. 따라서, 광원-광도파로 간, 또는 광도파로-광검출기 간의 광 경로 정렬의 정밀도를 높일 수 있으며, 집속 렌즈를 사용함으로 광집속도를 향상시켜 광전송 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 기존 PCB를 그대로 사용하여 경제적인 이익과 칩간 광 연결을 용이하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법{METHOD FOR OPTICAL INTERCONNECTION BY USING FABRICATION-TYPE LENS}
본 발명은 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법에 관한 것으로, 특히 광소자 및 광도파로가 실장된 인쇄회로기판(Printed Circuit Board : PCB) 사이에 구면 또는 비구면 집속 렌즈를 삽입하여 광 연결하도록 하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로, PCB는 마이크로 프로세서 및 메모리 등의 반도체 칩들이 다수 개 실장 및 적용된다.
이러한, PCB 상에서 칩간 전송 속도를 높이기 위해 전기적 배선을 이용하여 향상시킬 수는 있지만, 이 전기적 배선은 신호 간섭 및 신호 지연으로 인하여 전송 거리에서 제한을 받게 된다.
이를 해결하기 위해, 전기적 배선 대신에 PCB 상에 광도파로를 통한 광배선 구조를 이용한 신호전달 장치를 개발하여 적용하고 있는 실정이다.
즉, PCB 상의 광연결 장치로는 PCB 상에 광소자를 집적하고 광도파로를 기판 사이에 적층하는 방식을 사용하고 있으며, 이 장치에서는 광원 및 광검출기와 PCB 내의 광도파로 간의 정렬문제, PCB와 광도파로의 압축 적층 시 광도파로의 기계적 및 열적 손상과 같은 단점을 갖고 있다.
또한, 광소자와 광도파로를 포함하고 있는 광모듈을 기존의 PCB 내에 적층하는 방식이 개발되는 현상이지만, 이러한 방식에서는 PCB와 광모듈의 적층 시 광모듈의 기계적 손상 문제, 광모듈 내의 구동칩에서 발열되는 열의 방출 문제 등 상용화를 위한 공정상 많은 문제점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 광소자 및 광도파로가 실장된 PCB 사이에 구면 또는 비구면 집속 렌즈를 삽입하여 광 연결하도록 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법은 광소자 회로 기판 상에 레이저 구동 칩이 실장되고, 실장된 레이저 구동 칩에 전달되는 전기적 신호에 의해 구동하는 단계와, 레이저 구동 칩의 구동에 의해 표면 방출 광원 어레이가 구동되어 고속으로 변조되는 소정 파장의 변조 광신호를 광소자 회로 기판 방향으로 출사하는 단계와, 출사된 변조 광신호가 관통구멍 어레이를 통해 독립된 단일 렌즈의 형태를 갖는 집속 렌즈에 의해 집속되는 단계와, 집속된 광신호가 광도파로 어레이를 통해 입사되며, 광신호는 광도파로 어레이의 반대쪽 경사진 반사면에서 굴절되어 수신측 집속 렌즈에 집속되는 단계와, 집속된 광신호가 포토 다이오드를 이용하는 광 검출기 어레이에 입사되어 수광되며, 수광된 광신호를 광수신기 칩에 제공하여 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법을 수행하기 위한 단면도로서, 광소자 회로 기판(30)상에 실장된 레이저 구동 칩(2) 및 광 수신기 칩(4)과, 솔더 범프(6)를 이용하면서 플립칩 본딩 방식으로 집적된 표면방출 광원 어레이(1) 및 광 검출 어레이(3)와, 광소자 회로 기판(30)과 광도파로 기판(31) 사이에 출사 및 입사되는 광의 집속을 높이기 위한 구형 또는 비구형 형태로 이루어진 집속 렌즈(42, 42-1)와, 광도파로 기판(31) 상에 접착되어 있으며 표면방출 광원 어레이(1)와 광 검출 어레이(3)간에 광을 각각 입사 및 출사하도록 하는 광도파로 어레이(7)와, 광도파로 어레이(7)를 통해 출사하는 광을 굴절시키는 경사진 반사면(8)을 포함한다.
한편, 도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법을 수행하기 위한 단면도로서, 광소자 회로 기판(30)상에 실장된 레이저 구동 칩(2) 및 광 수신기 칩(4)과, 솔더 범프(6)를 이용한 플립칩 본딩 방식으로 집적된 표면방출 광원 어레이(1) 및 광 검출 어레이(3)와, 광소자 회로 기판(30)과 제1 광도파로 기판(32) 사이에 출사 및 입사되는 광의 집속을 높이기 위한 구형 또는 비구형 형태로 이루어진 집속 렌즈(42, 42-1)와, 제1 광도파로 기판(32)에 접착되어 있으며 표면방출 광원 어레이(1)와 광 검출 어레이(3)간에 광을 각각 입사 및 출사하도록 하며 물리적 기계적 손상 방지와 정렬도 향상을 위해 제1 광도파로 기판(32)에 홈을 파서 삽입하도록 하는 광도파로 어레이(7)와, 광도파로 어레이(7)를 통해 출사하는 광을 굴절시키는 경사진 반사면(8)을 포함한다.
도 4의 흐름도를 참조하면서, 상술한 구성을 바탕으로 본 발명에 따른 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 광소자 회로 기판(30)상에 실장된 레이저 구동 칩(2)에 전기적 신호가 전달되어 구동된다(단계 401).
레이저 구동 칩(2)의 구동에 의해 표면 방출 광원 어레이(1)를 이루는 표면 방출 광원 소자가 각각 독립적으로 구동하여 고속으로 변조되는 소정 파장의 변조 광신호를 출사하여 관통구멍 어레이(40)를 통해 독립된 단일 렌즈의 형태를 갖는 집속 렌즈(42)에 의해 집속된다(단계 402).
여기서, 표면 방출 광원 어레이(1)는 광소자 회로 기판(30) 방향으로 광신호를 출사하는 구조(top-emitting structure)를 갖으며, 일반적인 표면 방출 광원 어레이를 이용한다. 그리고, 관통구멍 어레이(40)는 광소자 회로기판(30) 상에서 광신호가 집적된 면의 반대쪽에 관통구멍의 직경보다 큰 홈을 형성시킬 수 있으며, 광도파로 기판(31) 상에서 광도파로 어레이(7)가 접착된 면의 반대쪽에도 관통구멍 어레이(40) 주위에 관통구멍의 직경보다 큰 홈을 형성시킬 수 있다.
또한, 집속 렌즈(42)는 표면 방출 광원 어레이(1)와 광검출기 어레이(3)에서 각각 입사 및 출사되는 광신호를 광도파로 어레이(7)에 입사 및 출사할 때 광집속도를 향상시키도록 구면 또는 비구면의 독립적 단일 렌즈의 형태를 갖는다.
즉, 집속 렌즈(42)의 형태는 도 3에 도시된 바와 같이, 상하 대칭의 구형 또는 비구형의 렌즈의 형태(도 3a)와, 상하 비대칭의 구면 또는 비구면의 렌즈 형태(도 3b, 도 3c)이며, 기판(30, 31)과 집속 렌즈(42)가 폴리머 및 유리등의 광학 재질의 일체형으로 이루어져 있으며, 투명기판 상에 집속 렌즈(42)를 접착하는 형태를 취할 수도 있다.
이후, 집속된 광신호는 광도파로 어레이(7)를 통해 입사되며(단계 403), 입사된 광신호는 광도파로 어레이(7)의 반대쪽 경사진 반사면(8)에서 굴절되어 집속 렌즈(42-1)에 집속된다(단계 404). 여기서, 광도파로 어레이(7)는 레이저 발진 파장에서 광도파 손실이 적고, 열적, 화학적 안정성이 우수한 폴리 이미드(poly imide)계 고분자, 비정질 Si3N4, SiO2-TiO2 유리등과 같은 재료로 이루어진 다 모드(multi mode) 광도파로이다.
집속 렌즈(42-1)에 집속된 후, 이 집속된 광신호는 광 검출기 어레이(3)에 입사된다(단계 405).
광 검출기 어레이(3)는 광도파로 어레이(7)를 통해 입사된 광신호를 각각 독립적으로 수광하며, 수광된 광신호를 광수신기 칩(4)에 제공한다(단계 406). 여기서, 광 검출기 어레이(3)는 광도파로 기판(31) 방향에서 광신호가 입사되는 구조(top-illuminated structure)를 갖으며, 포토 다이오드를 이용한다.
광수신기 칩(4)은 광 검출기 어레이(3)로부터 제공되는 광신호를 전기적 신호로 변환한다(단계 407).
여기서, 광소자 회로 기판(30)상에 실장된 레이저 구동 칩(2) 및 광 수신기 칩(4)과, 솔더 범프(6)를 이용한 플립칩 본딩 방식으로 집적된 표면방출 광원 어레이(1) 및 광 검출 어레이(3)를 보호하기 위한 보호하우징(9)과 광도파로 어레이(7)를 보호하기 위한 광도파로 보호하우징(10)을 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 광소자 및 광도파로가 실장된 PCB 사이에 구면 또는 비구면 집속 렌즈를 삽입하여 광 연결함으로써, 광원-광도파로 간, 또는 광도파로-광검출기 간의 광 경로 정렬의 정밀도를 높일 수 있으며, 집속 렌즈를 사용함으로 광집속도를 향상시켜 광전송 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 기존 PCB를 그대로 사용하여 경제적인 이익과 칩간 광 연결을 용이하게 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법을 수행하기 위한 단면도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법을 수행하기 위한 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 구면 또는 비구면 집속 렌즈의 수직 단면 도면이며,
도 4는 본 발명에 따른 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법에 대하여 상세하게 설명한 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 표면방출 광원 어레이 2 : 레이저 구동 칩
3 : 광 검출 어레이 4 : 광 수신기 칩
6 : 솔더 범프 7 : 광도파로 어레이
8 : 경사진 반사면 9, 10 : 보호하우징
30 : 광소자 회로 기판 31 : 광도파로 기판
40 : 관통구멍 어레이 42, 42-1 : 집속 렌즈

Claims (12)

  1. 광소자 회로 기판과 광도파로 기판 상에서의 광연결 방법에 있어서,
    상기 광소자 회로 기판 상에 레이저 구동 칩이 실장되고, 상기 실장된 레이저 구동 칩에 전달되는 전기적 신호에 의해 구동하는 단계와,
    상기 레이저 구동 칩의 구동에 의해 표면 방출 광원 어레이가 구동되어 고속으로 변조되는 소정 파장의 변조 광신호를 상기 광소자 회로 기판 방향으로 출사하는 단계와,
    상기 출사된 변조 광신호가 관통구멍 어레이를 통해 독립된 단일 렌즈의 형태를 갖는 집속 렌즈에 의해 집속되는 단계와,
    상기 집속된 광신호가 광도파로 어레이를 통해 입사되며, 상기 광신호는 광도파로 어레이의 반대쪽 경사진 반사면에서 굴절되어 수신측 집속 렌즈에 집속되는 단계와,
    상기 집속된 광신호가 포토 다이오드를 이용하는 광 검출기 어레이에 입사되어 수광되며, 상기 수광된 광신호를 광수신기 칩에 제공하여 전기적 신호로 변환하는 단계
    를 포함하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통구멍 어레이는, 광소자 회로기판 상에서 광신호가 집적된 면의 반대쪽에 관통구멍의 직경보다 큰 홈을 형성시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 집속 렌즈는, 표면 방출 광원 어레이와 광검출기 어레이에서 각각 입사 및 출사되는 광신호의 속도를 증가시키기 위한 상하 대칭의 구면, 혹은 비구면의 독립적 단일 렌즈의 형태인 것을 특징으로 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 집속 렌즈는, 상하 비대칭의 구면, 혹은 비구면의 독립적 단일 렌즈의 형태인 것을 특징으로 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광도파로 어레이는, 광도파로 기판에 접착되어 상기 표면방출 광원 어레이와 광 검출 어레이간에 광을 각각 입사 및 출사하도록 하며, 상기 접착된 면의 반대쪽에도 상기 관통구멍 어레이 주위에 관통구멍의 직경보다 큰 홈을 형성시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광도파로 어레이는, 폴리 이미드(poly imide)계 고분자와, 비정질 Si3N4와, SiO2-TiO2 유리의 재료로 이루어진 다 모드(multi mode) 광도파로인 것을 특징으로 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 구동 칩과 광 수신기 칩은, 솔더 범프를 이용한 플립칩 본딩 방식으로 집적된 표면방출 광원 어레이와, 보호 하우징에 의해 보호되는 광 검출 어레이를 사용하는 것을 특징으로 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보호하우징은, 광도파로 어레이를 보호하는 것을 특징으로 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광소자 회로 기판, 광도파로 기판, 집속 렌즈는, 폴리머 및 유리의 광학 재질의 일체형으로 이루어져 있으며, 상기 광소자 회로 기판과 광도파로 기판 상에 상기 집속 렌즈를 접착하는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 조립형 렌즈를 이용한 광 연결 방법.
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