KR100526505B1 - 광도파로와 광학소자의 결합 구조 및 이를 이용한 광학정렬 방법 - Google Patents

광도파로와 광학소자의 결합 구조 및 이를 이용한 광학정렬 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광도파로와 광학소자의 광결합을 위한 광학 정렬시 정렬오차가 수 ㎛ 범위 이내가 되도록 매우 정밀하게 정렬 할 수 있는 광도파로와 광학소자의 결합 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광도파로와 광학소자의 결합 구조는 제1 기판과; 상기 제1 기판에 형성되어 광신호를 전송하는 적어도 하나의 광도파로와; 상기 제1 기판에 상기 광도파로를 중심으로 대칭적으로 형성된 광학 정렬용 더미 도파로와; 상기 제1 기판 위에 접합된 제2 기판과; 상기 광도파로와 광학적으로 연결되도록 상기 제2 기판 배면에 탑재된 적어도 하나의 광학소자와; 상기 더미 도파로에 대응되도록 상기 제2 기판 배면에 형성된 광학 정렬용 패턴을 포함하며, 상기 광학 정렬용 더미 도파로와 상기 광학 정렬용 패턴의 정렬에 의해 상기 광도파로와 광학소자가 광학정렬함을 특징으로 한다.

Description

광도파로와 광학소자의 결합 구조 및 이를 이용한 광학 정렬 방법{STRUCTURE OF COUPLING UP OPTICAL DEVICE TO OPTICAL WAVEGUIDE AND METHOD FOR COUPLING ARRANGEMENT USING THE SAME}
본 발명은 광전송매체와 광학소자의 광결합에 관한 것으로, 특히 광학소자를 기판에 플립 칩 본딩으로 접합하여 평면 광도파로에 정밀하게 광학 정렬하기 위한 광도파로와 광학소자의 결합 구조 및 이를 이용한 광학 정렬 방법에 관한 것이다.
최근 인터넷을 통하여 전송되는 오디오, 비디오 신호 등의 데이터가 증가함에 따라 전기신호에 의한 기존의 통신시스템이 광신호를 이용함으로써 대용량의 데이터를 주고받을 수 있는 광통신시스템으로 전환되고 있다. 광통신은 광섬유를 전송매체로 하여 빛을 전송하는 통신을 말한다. 보통 광섬유 케이블로 레이저 광선을 전송함으로서 통신이 이루어진다.
광통신은 전기적 신호 형태의 정보를 빛 에너지 형태로 변환하여 전송한 다음 다시 전기적 신호로 복원하는 방식으로 이루어진다. 광통신을 하기 위한 매체로는 광송신기, 광전송매체, 및 광수신기가 필요하다. 광전송매체로써는 광섬유와 평면광도파로(Planar Lightwave Circuit; PLC) 소자가 많이 사용되고, 광송신기로는 레이저다이오드(Laser Diode; LD) 또는 수직공동표면방사레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)가 주로 사용되며, 광수신기로는 포토다이오드(Photo Diode; PD)와 같은 반도체 광학소자가 많이 사용된다.
한편, 최근에는 소형화와 고속화가 요구되는 전자회로의 제작에 플립 칩 본딩(Flip Chip Bonding) 방식이 많이 사용되고 있다. 플립 칩 본딩 방식은 칩(chip) 상태의 반도체 소자를 따로 패키징하지 않고 뒤집어서 기판에 결합하는 것이다. 이러한 플립 칩 본딩 방식에 의하여 제조된 전자회로의 경우, 세라믹 패키징된 일반적인 집적회로보다 약 1/10 정도로 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 소자의 설계방식이 간단해지고 전기적 연결선의 길이가 짧아서 고속동작에 유리한 장점을 가지고 있다.
최근 광송신기 및 광수신기의 제작 방식에 있어서도 플립 칩 본딩 방식과 유사한 방식으로 칩 상태의 레이저다이오드, 수직공동표면방사레이저, 또는 포토다이오드와 같은 광학 소자를 기판에 위치된 광섬유 또는 평면도파로와 광학적으로 연결되도록 기판 위에 직접 결합시키는 방식이 많이 사용되고 있다. 이러한 광전송매체와 광송신기 및 광수신기의 광결합에 있어서 그 결합효율은 광송신기 및 광수신기 성능의 중요한 요인이 되며, 따라서 정밀한 광학정렬이 요구된다.
도 1은 종래기술에 의한 평면광도파로와 수직공동표면방사레이저(VCSEL)의 정렬 예를 도시한 것이다.
먼저, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 수직공동표면방사레이저(VCSEL)(1)가 부착된 기판(2) 위에 브이-그루브(V-groove)(3)를 형성하고, 기판(2)을 픽-업(pick-up) 할 픽-업 장비(4)에 상기 브이-그루브(3)에 대응되는 돌출부(5)를 형성한다. 화살표 방향으로 상기 기판(2)을 픽-업하여 돌출부(5)가 브이-그루브(3) 내에 위치하도록 함으로써(도 1의 (b)) 수직공동표면방사레이저(VCSEL)(1)와 브이-그루브(3)가 일정한 위치에 있도록 한다. 픽-업된 기판(2)은 핍-업 장비(4)에 형성된 가이드 핀(guiding pin)(6)을 통해 패키지 또는 광 기판 어셈블리(Optical Sub-Assembly; OSA: 이하 OSA라 칭함)(7)에 형성된 가이드 홀(8)에 끼워 넣어(도 1의 (c)) OSA(7)의 일정한 위치에 기판(2)이 부착될 수 있도록 한다.
도 2는 종래 다른 예를 도시한 것이다. 도 2의 (a)는 OSA 구조물에 형성된 가이드 홀(12)과 칩 어셈블리 블록(13)의 가이드 핀(14)을 수동정렬 방식에 의해 정렬하는 구조를 나타낸 것이며, 도 2의 (b)는 (a)의 칩 어셈블리 블록(13)의 전면을 보다 명확히 나타낸 것이다. 도면에서 미설명부호 15는 평면광도파로(PLC)를, 16은 페룰을 각각 나타낸다.
그러나, 상기 종래기술들은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 픽-업 장비가 복잡하고 부피가 커지며, 기판 종류별로 별도의 픽-업 장비가 필요하다.
둘째, 가이드 그루브가 기판 상면에 있으므로 기판의 패턴이나 실장면적을 축소시켜 기판 크기를 줄이는데 장애가 된다.
셋째, 픽-업된 기판을 패키지나 OSA 구조물에 장착하기 위해서는 가이드 핀과 가이드 홀이 각각 기판 및 패키지 또는 OSA 구조물에 형성되어 있어야 한다. 즉, 패키지나 OSA 구조물에 반드시 정밀한 가이드 홀이 필요하며 이들에 의한 패키지나 OSA 구조물의 크기가 증가하게 된다. 결국, 가이드 그루브를 기판 상면에 형성하여 가이드 핀으로 픽-업하여 패키지나 OSA 구조물에 정렬하는 종래기술은 픽-업 장치, 기판, 패키지, OSA 구조물이 복잡하게 되고 부피도 커지게 된다.
넷째, 기계가공의 오차로 인해 송수신기(transceiver)의 출력파워(output power)의 폭이 넓어져 전송 특성 조절이 어렵게 되고, 마찬가지로 광검출소자에 수광되는 빛의 양이 일정하지 않아 감도(sensitivity) 조절이 용이하지 않다.
다섯째, 주요 부품의 가공오차를 줄이기 위해서는 가공비가 증가하게 되고, 결국 제품의 가격 경쟁력을 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 광도파로와 광학소자의 광결합을 위한 광학 정렬시 정렬오차가 수 ㎛ 범위 이내가 되도록 매우 정밀하게 정렬 할 수 있는 광도파로와 광학소자의 결합 구조 및 이를 이용한 광학 정렬 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광도파로와 광학소자의 결합 구조는 제1 기판과; 상기 제1 기판에 형성되어 광신호를 전송하는 적어도 하나의 광도파로와; 상기 제1 기판에 상기 광도파로를 중심으로 대칭적으로 형성된 광학 정렬용 더미 도파로와; 상기 제1 기판 위에 접합된 제2 기판과; 상기 광도파로와 광학적으로 연결되도록 상기 제2 기판 배면에 탑재된 적어도 하나의 광학소자와; 상기 더미 도파로에 대응되도록 상기 제2 기판 배면에 형성된 광학 정렬용 패턴을 포함하며, 상기 광학 정렬용 더미 도파로와 상기 광학 정렬용 패턴의 정렬에 의해 상기 광도파로와 광학소자가 광학정렬함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 기판의 전면이 상기 제1 기판 위에 접합되며, 상기 광학소자는 활성(active)면이 상기 제2 기판의 배면을 향하며, 상기 광학소자의 활성면 가장자리에 형성된 금속패드를 더 포함함을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 광학소자로 입사되거나 광학소자로부터 방출되는 특정 파장의 광을 선택적으로 통과 또는 반사하도록 상기 광학소자의 활성면에 대응되는 상기 제2 기판 전면에 형성된 파장분할다중(WDM) 필터를 더 포함함을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광도파로 소자와 광학소자 간의 광결합을 위한 광학 정렬 방법에 있어서, 상기 광도파로 소자의 기판에 상기 광도파로를 중심으로 대칭적으로 형성된 광학 정렬용 더미 도파로를 형성하고, 상기 광학소자가 탑재된 기판에 상기 광학소자를 중심으로 대칭적으로 형성된 광학 정렬용 패턴을 형성하여, 상기 광학 정렬용 더미 도파로와 상기 광학 정렬용 패턴의 정렬에 의해 광학정렬함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 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 발명의 바람직한 실시예에 따른 광도파로와 광학소자의 결합 구조를 나타낸 도면으로, 본 실시예는 광도파로가 형성된 PLC 기판(110)을 포함하는 OSA 몸체(100)에 수직공동표면방사 레이저와 포토다이오드 및 전치증폭기(Trans Impedance Amplifier)가 탑재된 유리 기판(200)을 접합한 경우의 구성을 나타낸다. 도면에서 미설명 부호 300은 가요성 인쇄회로기판(flexible printed circuit board), 301은 신호선을 각각 나타낸다.
상기 OSA 몸체(100)는 실리콘 기판(101)과, PLC 기판(110)과, 더미 유리기판(102)으로 구성된다.
상기 PLC 기판(110)은 광신호를 전송하는 광도파로(111)와, 이후 유리 기판(200)과의 접합시 광학 정렬을 위해 사용될 더미 도파로(112a, 112b)를 포함한다.
상기 유리 기판(200)에는 발광소자인 수직공동표면방사 레이저(210)와, 광검출 소자인 포토다이오드(220, 230)가 탑재된다. 또한, 상기 광검출 소자에 의해 검출된 전류신호를 전압신호로 변환하는 역할을 수행하는 전치증폭기(Trans Impedance Amplifier;TIA)(240, 250)가 탑재된다. 상기 전치증폭기(240, 250)는 다이본딩에 의해 상기 유리 기판(200)과 연결되며, 와이어 본딩에 의해 각각의 포토다이오드(220, 230)와 연결할 수 있다. 또한, 광학 정렬용 정렬 패턴(260a, 260b)을 포함한다. 이때, 상기 유리 기판(200) 대신 사용하고자 하는 파장이 흡수되지 않는 기판을 사용할 수도 있다.
도 4는 도 3의 A방향으로 내려다 본 도면으로, PLC 기판(110)과 유리 기판(200)의 결합 및 정렬을 위한 STB(Set-Top-Box)측 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다. 미설명 부호 211, 221은 금속패드, 214는 와이어 본딩부분을 각각 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 PLC 기판(110)은 3분기(111a, 111b, 111c) 광도파로(111)와, 상기 광도파로(111)를 중심으로 각각 대칭적으로 형성된 광학 정렬용 더미 도파로(112a, 112b)를 포함한다.
상기 유리 기판(200) 배면에는 무반사 코팅막(AR coating, 270)이 형성되며, 무반사 코팅막(270) 위에 수직공동표면방사 레이저(210)와, 2개의 포토다이오드(220, 230)가 탑재된다. 이때, 수직공동표면방사 레이저(210)와, 포토다이오드(220, 230)의 활성(active)면 유리 기판(200)을 향하도록 플립 칩 본딩으로 접합한다. 또한, 접합이 용이하도록 도 5에 도시된 바와 같이 가장자리 부분에 금속패드(211, 221)를 형성한다. 도면에서 212 및 222는 윈도우, 213 및 223은 금(Au)으로 부분적으로 패터닝 된 부분을 나타낸다.
도 5는 수직공동표면방사 레이저와 포토다이오드의 상세도면으로, 도 5의 (a)는 수직공동표면방사 레이저의 활성면(앞면)을, (b)는 포토다이오드의 활성면(앞면)을 도시한 것이다. 도시하지는 않았으나, 수직공동표면방사 레이저와 포토다이오드 모두 뒷면은 금(Au)으로 도금된다.
다시 도 4를 참조하면, 광학 정렬용 패턴(260a, 260b)은 상기 포토다이오드(220, 230) 양측에 위치하며, 금속 박막 또는 유전체 박막으로 형성할 수 있다. 여기서, 광학 정렬용 패턴(260a, 260b)과 상기 PLC 기판(110)에 형성된 더미 도파로(112a, 112b)를 이용하여 광학소자와 도파로 사이의 광결합시 광학 정렬하도록 하며, 정렬작업은 다음과 같다. 먼저, 광원인 가시광 레이저(미도시)에서 방출된 가시광 신호는 상기 더미 도파로(112a, 112b)를 지난 후 그 일부가 상기 광학 정렬용 패턴(260a, 260b)을 투과하고, 투과된 상기 가시광 신호의 일부는 육안으로 관찰할 수 있으며, 투과된 상기 가시광 신호의 일부를 현미경으로 관찰하여 상기 더미 도파로(112a, 112b)와 상기 광학 정렬용 패턴(260a, 260b)이 정렬되도록 한다. 이러한 광학 정렬 후 자외선(UV) 에폭시(290) 등에 의해 상기 PLC 기판(110)과 유리 기판(200)을 접착시킨다.
상기 파장분할다중 필터(WDM filter, 280)는 상기 포토다이오드(220, 230)의 활성면에 대응되는 유리 기판(200)의 전면(PLC 기판(110)과 접합되는 부분)에 형성되며, 포토다이오드(220, 230)로 입사되는 특정파장의 광신호를 통과 또는 반사하며 트리플렉서(Triplexer) 등에 적용할 수 있다. 이때, 파장분할다중 필터는 통상의 박막 공정(thin-film process)을 통해 형성할 수 있다.
한편, 도 6은 도 3의 A방향으로 내려다 본 도면으로, PLC 기판(110)과 유리 기판(200)의 결합 및 정렬을 위한 ONU(Optical Network Unit)측 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다. STB측 구성을 나타낸 도 4와의 차이점은 유리 기판에 탑재되는 광학소자의 구성 및 이에 대응되는 파장분할다중 필터에 있으므로, 중복기재를 피하기 위해 차이점에 대해서만 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 유리 기판의 배면에는 하나의 포토다이오드(310)와 2개의 수직공동표면방사 레이저(320, 330)가 탑재된다. 마찬가지로, 포토다이오드(310)와, 수직공동표면방사 레이저(320, 330)의 활성(active)면이 유리 기판(200)을 향하도록 플립 칩 본딩으로 접합한다.
또한, 파장분할다중 필터(WDM filter, 380)는 상기 수직공동표면방사 레이저(320, 330)의 활성면에 대응되는 유리 기판의 전면(PLC 기판(110)과 접합되는 부분)에 형성되며, 수직공동표면방사 레이저(320, 330)로 입사되는 특정파장의 광신호를 통과 또는 반사하며 트리플렉서(Triplexer) 등에 적용할 수 있다. 이때, 파장분할다중 필터는 통상의 박막 공정(thin-film process)을 통해 형성할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 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 발명은 PLC 기판과 광학소자가 탑재되는 유리 기판 위에 각각 더미 도파로와 정렬 패턴을 형성하여 이들을 정렬함으로써 광도파로와 광학소자 간의 광학 정렬하도록 한다. 따라서, 광도파로와 광학소자의 광결합을 위한 광학 정렬시 정렬오차가 수 ㎛ 범위 이내로 줄어들게 된다. 또한, 유리기판에 광학소자를 탑재한 후 이를 PLC 기판과 플립 칩 본딩에 의해 접합하므로, PLC 기판과 광학소자간의 거리가 일정하며 결합효율 또한 일정한 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 의한 평면광도파로와 수직공동표면방사레이저(VCSEL)의 정렬 예를 나타낸 도면,
도 2는 종래 다른 기술에 의한 가이드 홀과 가이드 핀을 이용한 수동정렬 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광도파로와 광학소자의 결합 구조를 나타낸 도면,
도 4는 도 3의 A방향으로 내려다 본 STB(Set-Top-Box)측 도면,
도 5는 수직공동표면방사 레이저와 포토다이오드의 활성면의 상세 도면,
도 6은 도 3의 A방향으로 내려다 본 ONU(Optical Network Unit) 측 도면.

Claims (12)

  1. 제1 기판과;
    상기 제1 기판에 형성되어 광신호를 전송하는 적어도 하나의 광도파로와;
    상기 제1 기판에 상기 광도파로를 중심으로 대칭적으로 형성된 광학 정렬용 더미 도파로와;
    상기 제1 기판 위에 접합된 제2 기판과;
    상기 광도파로와 광학적으로 연결되도록 상기 제2 기판 배면에 탑재된 적어도 하나의 광학소자와;
    상기 더미 도파로에 대응되도록 상기 제2 기판 배면에 형성된 광학 정렬용 패턴을 포함하며,
    상기 광학 정렬용 더미 도파로와 상기 광학 정렬용 패턴의 정렬에 의해 상기 광도파로와 광학소자가 광학정렬함을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 기판의 전면이 상기 제1 기판 위에 접합됨을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광학소자는
    활성(active)면이 상기 제2 기판의 배면을 향하며, 플립 칩 본딩에 의해 접합됨을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 광학소자의 플립 칩 본딩을 위해
    상기 광학소자의 활성면 가장자리에 형성된 금속패드를 더 포함함을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로는
    3분기 구조임을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 3분기 광도파로 각각과 광학적으로 연결되도록
    상기 제2 기판 배면에 탑재된 하나의 광검출소자와 제1 및 제2 수직공동표면방사레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Light)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 수직공동표면방사레이저로부터 방출되는 특정 파장의 광을 선택적으로 통과 또는 반사하도록 상기 제1 및 제2 수직공동표면방사레이저의 활성면에 대응되는 상기 제2 기판 전면에 형성된 파장분할다중(WDM) 필터를 더 포함함을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 3분기 광도파로 각각과 광학적으로 연결되도록
    상기 제2 기판 배면에 탑재된 하나의 수직공동표면방사레이저와 제1 및 제2 광검출소자를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광검출소자로 입사되는 특정 파장의 광을 선택적으로 통과 또는 반사하도록 상기 제1 및 제2 광검출소자의 활성면에 대응되는 상기 제2 기판 전면에 형성된 파장분할다중(WDM) 필터를 더 포함함을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  10. 제 7 항 또는 제 9항에 있어서, 상기 파장분할다중 필터는
    박막코팅기술에 의한 박막필터임을 특징으로 하는 광도파로와 광학소자의 결합 구조.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 정렬용 패턴은 금속 박막 또는 유전체 박막임을 특징으로 하는 과도파로와 광학소자의 결합 구조.
  12. 광도파로 소자와 광학소자 간의 광결합을 위한 광학 정렬 방법에 있어서,
    상기 광도파로 소자의 기판에 상기 광도파로를 중심으로 대칭적으로 형성된 광학 정렬용 더미 도파로를 형성하고,
    상기 광학소자가 탑재된 기판에 상기 광학소자를 중심으로 대칭적으로 형성된 광학 정렬용 패턴을 형성하여,
    상기 광학 정렬용 더미 도파로와 상기 광학 정렬용 패턴의 정렬에 의해 광학정렬함을 특징으로 하는 광학 정렬 방법.
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