KR100684460B1 - 광송수신기용 광 서브 어셈블리 및 그 제작 방법 - Google Patents

광송수신기용 광 서브 어셈블리 및 그 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 한 가닥의 광섬유를 이용하여 송신과 수신을 할 수 있는 광 서브 어셈블리에 관한 고안으로 광 투과성이 좋은 광학용 플라스틱 재료를 이용한 광학 플랫폼을 플라스틱 사출을 통하여 구현하며, 광원, 포토다이오드, 전치 증폭기 등의 소자를 일정한 위치에 실장하기 위한 소자 실장 플랫폼은 리드 프레임을 인서트 사출한 플라스틱 플랫폼을 이용한다. 광학 플랫폼과 소자 실장플랫폼의 정렬은 각각의 플랫폼의 일정한 위치에 미리 마련된 정렬용 핀과 이에 상응하는 정렬 구조물에 의하여 이루어진다. 광학플랫폼에는 사출 시 동시에 형성되는 광섬유 커넥터의 페룰 삽입구와 렌즈, 반사경, 정렬용 핀, 그리고 유전체 필터 거치대 등을 갖는 구조이다.
광송수신기, 광 서브 어셈블리, 광학 플라스틱, 수동정렬

Description

광송수신기용 광 서브 어셈블리 및 그 제작 방법{Optical Sub-Assembly for Optical Transceiver and the Manufacturing Method Thereof}
도 1은 기존의 양방향 광송수신기용 광 서브 어셈블리의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 양방향 광송수신기용 광 서브 어셈블리의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 광학 플랫폼 사출물의 상세도이다.
도 4는 본 발명의 소자 실장 플랫폼 사출물의 상세도이다.
본 발명은 광통신에서 필수적인 소자인 광송수신기의 핵심 부분인 양방향 광 서브 어셈블리에 관한 것이다. 일반적으로 광송수신기는 광송신부와 광수신부로 나누어지며 A 지점과 B 지점 사이의 광통신을 위해서는 A 지점의 광송신부와 B 지점의 광수신부를 하나의 광섬유로 연결하고 B 지점의 광송신부와 A 지점의 광수신부를 또 하나의 광섬유로 연결하여 신호를 주고받는다. 광송수신기에서 사용하는 광섬유를 절반으로 줄일 목적으로 하나의 광섬유를 이용하여 A 지점과 B 지점 사이에 양방향 광송수신이 가능하도록 하는 기술이 개발 되었다. 이러한 하나의 광섬유를 이용한 양방향 광수신기는 일반적으로 송신 파장과 수신 파장을 달리 함으로써 구현할 수 있다. 도 1은 기존의 양방향 광송수신기의 핵심인 광 서브 어셈블리의 내부 구조를 도시한 것이다. 전체적인 구성은 광섬유(106)를 고정한 금속가공물(101)에 파장 선택성의 유전체 필터(102)를 광경로에 45도 각도로 거치하여 광원(103)으로부터 유전체 필터(102)를 투과하여 광섬유(106)로의 광결합이 이루어지게 하여 광송신하고 수신시에는 광섬유(106)로부터 들어오는 빛을 유전체 필터(102)에서 45도 각도로 반사하여 포토다이오드(104)에서 광검출 하는 구조이다. 금속 가공물(101)에 TO can 패키지된 광원(103)과 TO can 패키지된 포토다이오드(104)를 레이저 용접으로 고정하여 제작한다. 이때 광원(103)은 구동 상태에서 광섬유(106)를 통하여 결합되어 나오는 빛을 측정하여 최적의 결합이 이루어 지도록 광원의 위치를 정밀 스테이지를 이용하여 미세 조정하여 고정하는 능동정렬의 방법으로 행하여 진다. 포토다이오드(104)의 경우에도 광섬유(106)를 통하여 빛을 보내고 포토다이오드(104)에서 최적의 광결합이 이루어 지도록 포토다이오드(104)의 위치를 미세 조정하여 고정한다. 이러한 방법은 고가의 전용 광정렬 및 레이저 용접 장비를 필요로 하며 제작에 많은 시간과 인력이 소요되기 때문에 고가의 광 서브 어셈블리 생산 비용이 예상된다.
본 발명에서는 양방향 광송수신기의 핵심 부분인 광 서브 어셈블리를 기존의 능동정렬 방법 대신 수동정렬 방법으로 구현하는 구조로 사출 성형된 플라스틱 광학 플랫폼과 리드프레임이 삽입 사출된 소자 실장 플랫폼을 이용한다. 소자 실장 플랫폼 상에는 광원 및 포토다이오드가 실장될 정확한 위치가 결정되어져 있고 광학 플랫폼과의 정렬 결합을 위한 정렬 구조물이 마련되어 있다. 그리고 광학 플랫폼은 광결합 및 광경로 구성에 필요한 렌즈, 광학 거울, 필터 거치대, 광커넥터 리셉터클 및 소자 실장 플랫폼과의 정렬 결합이 이루어지도록 하는 정렬핀이 하나의 광학 플라스틱 사출물에 집적되어져 있다. 이러한 광학 플랫폼의 정렬핀과 소자 실장 플랫폼의 정렬구조물 사이의 단순한 기계적 결합에 의하여 광원으로부터 광섬유 그리고 광섬유로 부터 포토다이오드로의 광 정렬결합이 이루어진다. 이러한 방법은 기존의 광 서브 어셈블리의 제작시 광소자들을 구동한 상태에서 최적의 광결합이 이루어지도록 하는 능동정렬 방법에 비하여 소요장비, 인력 및 시간 등 비용을 최소화할 수 있고 생산성을 높일 수 있다.
도 2에서 처럼 본 발명의 광 서브 어셈블리는 투명한 광학 플라스틱으로 사출된 광학 플랫폼(206)과 리드 프레임(211)을 인서트 사출한 소자 실장 플랫폼(207)의 두 부분으로 구성되어져 있다. 광학 플랫폼은 광커넥터의 페룰이 삽입될 리셉터클부(201)와 3개의 구면의 또는 비구면의 반구형 렌즈(204, 213, 214), 광경로 변경을 위한 하나의 전반사 광학 거울(203), 파장 선택성을 갖는 유전체 필터(202)를 거치 고정하기 위한 거치대 (212), 소자 실장 플랫폼(207)과의 결합을 통하여 광학 정렬을 구현하기 위한 목적의 정렬핀(205)이 집적되어 구성된 하나의 플라스틱 사출물을 준비하고 상기 유전체 필터 거치대(212)에 파장 선택성을 갖는 유전체 필터(202)를 고정하여 구현된다. 광학 플랫폼 사출물의 플라스틱 소재로는 광학 투과성이 우수하고 사출 특성이 우수한 플라스틱 재료로 폴리카보네트, PMMA, 울템 (UltemR) 등이 추천되며 본 발명에서는 폴리카보네이트를 사용하였다.
소자 실장 플랫폼(207)에는 일정한 위치에 광원(208)인 표면 방출레이저 다이오드가 놓이도록 한 포켓과 일정한 위치에 수광소자인 포토다이오드 다이(209)가 놓이도록 한 포켓, 포토다이오드(209)로부터 수신된 미세한 광신호 전류를 전압으로 변환 증폭하는 전치증폭 집적회로 다이가 놓여질 포켓과 디커플링 카페시탄스(Decoupling capacitance)가 놓일 포켓, 광학 플랫폼의 정렬핀과의 결합을 위하여 일정한 위치에 구현된 정렬구조물(210), 광소자들과의 전기적 연결을 위해 사출물에 인서트된 리드프레임(211)으로 구성된 하나의 플라스틱 사출물을 준비하고 각각의 위치에 광원, 포토다이오드 다이, 전치 증폭 집적회로 다이 및 디커플링 카페시탄스를 고정하여 구현된다. 이과정에서 사출 성형된 광학 플랫폼 상의 유전체필터 거치대(212)에 유전체 필터(202)를 거치후 광학 접착제로 고정시켜 광학 플랫폼(206)의 조립은 완성되며, 인서트 사출된 소자 실장 플랫폼 사출물상에 광원(208)인 표면방출 레이저 다이이오드 다이와 포토 다이오드 다이(209) 및 전치증폭 집적회로 다이, 디커플링 커페시탄스를 도전성 접착제로 고정하고 금선으로 소자 다이 상의 전극 패드와 리드프레임 상의 패드에 전기적 연결을 와이어 본딩을 통하여 구현한다. 포토다이오드(209)의 수광면 위에는 동일 모듈 내의 송신 광원(208)의 광경로에서의 반사로 인한 수신 신호 감도의 저하를 막기위한 유전체 광 필터가 놓이도록 한다. 이 유전체 광 필터는 상대 모듈로 부터의 광신호 파장은 통과시키고 자신의 모듈 내의 광신호 파장은 막는 특성의 광 필터이다. 소자 실장 플랫폼 사출물의 플라스틱 소재로는 와이어 본딩등에 적합한 내열성과 사출 특성이 우수한 플라스틱 재료로 LCP (Liquid Crystal Polymer) 수지 계열이 추천되며 본 발명에서는 LCP를 사용하였다.
따라서, 광원(208)과 포토다이오드 다이(209)와 광축이 연결되는 렌즈들(213, 214)이 광학 플랫폼((206)의 동일면 상에 형성되고, 소자 실장 플랫폼(207)은 모든 정렬을 위한 광원(208) 및 포토다이오드(209)가 동일면 상에 형성되기 때문에 광학 플랫폼((206)과 소자 실장 플랫폼(207)을 단 한번의 광축 정렬 공정으로 정렬하여 광 서브 어셈블리를 구현할 수 있는 특징을 갖고있다. 따라서 완성된 광학 플랫폼(206)과 소자 실장 플랫폼(207)의 결합은 광학 플랫폼(206) 상의 정렬핀(205)과 소자 실장 플랫폼(207) 상의 정렬구조물(210) 사이의 수동정렬에 의한 기계적 결합으로 이루어진다. 이러한 결합을 통하여 광원(208)으로부터 평형광 형성 렌즈(213), 파장선택성을 갖는 유전체 필터(202), 집속 렌즈(204), 리셉터클(201) 내의 광섬유로의 광학적 정렬이 이루어 지며, 또한 광섬유로부터 송신되어오는 광에 대하여 리셉터클(201) 내의 광섬유, 평형광 형성렌즈(204), 유전체 필터(202), 전반사 광학 거울(203), 집속 렌즈(214), 포토 다이오드로(209) 이어지는 수신 광경로의 광학적 정렬도 이루어 진다. 이러한 정렬은 두개의 사출물의 일정한 위치에 형성되어진 각 부분들이 정렬핀(205) 및 정렬구조물(210)로부터 일정한 위치에 형성되어지게 함으로써 구현된다.
제3도는 광학 플랫폼 사출물의 상세도면으로 구조를 정면도, 측면도, 평면도로 나누어 보여 주고 있다. 광학 플랫폼 사출물에는 위에서 설명한 것처럼 광경로를 구성하기 위한 렌즈들(304), 전반사 거울(303), 유전체 필터 거치대(302), 광커넥터 페룰 삽입구인 리셉터클(301)과 소자 실장 플랫폼(207)과의 수동정렬 결합을 위한 정렬핀(305)이 일체형으로 구성되어 있다. 정렬핀(305)는 제2도의 정렬핀(205)와 동일하다.
제4도는 소자 실장 플랫폼 사출물의 상세도면으로 구조를 평면도, 정면도, 그리고 절단 측면도로 보여 주고 있다. 소자 실장 플랫폼 사출물에는 위에서 설명한 바와 같이 광원인 표면 방출 레이저다이오드 다이 실장 포켓(402), 수광소자인 포토다이오드 다이 실장 포켓(403), 포토다이오드용 유전체 광 필터 거치대(404), 와리어본딩용 패드(405), 소자의 전기적 연결을 위한 리드(401,406,407), 전치증폭 집적회로 소자 칩용 포켓(408), 디커플링 카페시탄스 실장용 포켓(409), 광학 플랫폼(206)과의 수동정렬 결합을 위한 하나 이상의 정렬구조물(410)이 하나의 인서트 사출물로 구성되어 있다. 소자의 전기적 연결을 위한 리드는 수신부의 전기적 연결을 위한 리드(401)와 송신부의 전기적 연결을 위한 리드(406)로 구성되고 사출의 용이성을 위한 부분(407)은 사출 후 제거한다. 정렬구조물(410)는 제2도의 정렬구조물(210)과 동일하다. 도 3과 도4에서는 광학 플랫폼(206)에 정렬핀(205 또는 305)이 형성 되고 소자 실장 플랫폼(207)에 형성된 정렬구조물(210 또는 410)이 형성되어, 정렬핀(205 또는 305)과 정렬구조물(210 또는 410)이 상호 결합하여 광학플랫폼(206)과 소자실장플랫폼(207)이 수동정렬에 의하여 결합된다 구조로 설명되었다. 또한, 본 발명의 구성상 정렬핀(205 또는 305)이 소자실장플랫폼(207)에 형성되고 정렬 구조물(210 또는 310)이 광학 플랫폼(206)에 형성이 되어도 그 효과는 동일하며, 더하여 정렬핀(205 또는 305)과 정렬 구조물(210 또는 310)이 혼합되어 광학 플랫폼(206)과 소자 실장 플랫폼(207)에 서로 결합하도록 형성되어 있는 경우에도 그 효과는 동일하다.
본 발명의 이러한 구성과 작용으로 인하여 능동 정렬의 필요성을 제거함으로서 기존 광 서브 어셈블리에서 광학적 정렬에 요구되는 정밀 정렬 장비를 필요로 하지 않으며, 광학적 정렬에 필요한 소요 시간을 대폭 줄임으로서 생산 단가를 낮출 수 있다. 또한 많은 구성 요소들을 플라스틱 사출성형을 통하여 하나의 몸체로 제작하기 때문에 소요되는 부품의 수를 줄일 수 있으며 각각의 부품을 조립할 필요가 없다. 뿐만 아니라 플라스틱 사출물을 사용함으로써 가공된 금속제의 정렬 플랫폼에 비해 용이하게 제작이 가능하며 대량생산에 적합한 구조가 된다.

Claims (8)

  1. 광원과 포토다이오드 다이와 수동 정렬되어 광 송수신기용 광 서브 어셈블리를 구성하는 광학 플랫폼에 있어서,
    광커넥터의 페룰이 삽입될 리셉터클부, 광원과 포토다이오드 및 광섬유와 광축 연결을 위한 각각의 구면 또는 비구면의 반구형 렌즈, 광 경로 변경을 위한 하나의 전반사 광학 거울, 파장선택성을 갖는 유전체 필터를 거치 고정하기 위한 유전체 필터 거치대, 수동정렬을 위한 하나 이상의 정렬핀의 구성 요소가 하나의 플라스틱 몸체에 일체형으로 구성됨을 특징으로 하는 광학 플랫폼 사출물을 구비하고,
    상기 플라스틱 광학 플랫폼 사출물에 형성된 유전체 필터 거치대에 파장선택성을 갖는 유전체 필터가 거치 되고 고정되어 구성됨을 특징으로 하는 광 서브 어셈블리용 광학 플랫폼
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 플랫폼 사출물은 폴리카보네트, PMMA 또는 울템 (UltemR) 수지로 구성된 광학 플랫폼
  3. 광학 플랫폼과 수동정렬 되어 광 송수신기용 광 서브 어셈블리를 구성하는 소자 실장 플랫폼에 있어서,
    각각 하나 이상의 광원, 포토다이오드 다이, 전치증폭 집적회로 다이 및 디커플링 카페시탄스가 위치할 포켓들, 하나 이상의 포토다이오드용 유전체 필터가 위치하는 거치대, 광학 플랫폼의 정렬핀 또는 정렬 구조물과의 결합을 위하여 일정한 위치에 형성된 하나 이상의 정렬구조물, 광소자들과의 전기적 연결을 위해 사출물에 인서트된 리드프레임 및 각각의 소자와 리드프레임 간의 전기적 연결을 위한 와이어본딩 패드가 하나의 플라스틱 몸체에 형성됨을 특징으로하는 소자 실장 플랫폼 사출물을 구비하고,
    상기 플라스틱 소자 실장 플랫폼 사출물에 형성된 적합한 포켓에 광원, 포토다이오드 다이, 전치증폭기 다이, 디커플링 카페시탄스가 위치하고 고정되며, 포토 다이오드용 유전체 필터 거치대에 유전체 필터가 거치되고 고정되어 구성됨을 특징으로 하는 광 서브 어셈블리용 소자 실장 플랫폼
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 소자 실장 플랫폼 사출물은 LCP (Liquid Crystal Polymer) 수지로 구성된 소자 실장 플랫폼
  5. 광학 플랫폼과 소자 실장 플랫폼이 수동정렬 되어 구성된 광송수신기용 광 서브 어셈블리에 있어서,
    소자 실장 플랫폼상의 광원으로부터 평형광 형성 렌즈, 파장분할 필터, 집속 렌즈,광섬유로의 광학적 정렬이 이루어지고,
    광섬유로 부터 송신되어오는 광에 대하여 평형광 형성렌즈, 파장분할 필터, 전반사 광학거울, 집속 렌즈를 통하여 소자 실장 플랫폼 상의 포토 다이오드로 수신 광경로의 광학적 정렬이 이루어지며,
    상기 두 광축의 정렬은 상기 광학 플랫폼과 소자 실장 플랫폼상에 구성된 정렬핀 및 정렬 구조물에 의하여 수동적으로 정렬됨을 특징으로 하는 광 서브 어셈블리
  6. 광원과 포토다이오드 다이와 수동 정렬되어 광 송수신기용 광 서브 어셈블리를 구성하는 광학 플랫폼 제작에 있어서,
    리셉터클부, 하나 이상의 구면의 또는 비구면의 반구형 렌즈, 하나의 전반사 광학 거울, 유전체 필터 거치대, 수동정렬을 위한 하나 이상의 정렬핀의 구성 요소가 하나의 플라스틱 몸체에 일체형으로 구성됨을 특징으로 하는 광학 플랫폼 사출물을 준비하는 단계;
    상기 플라스틱 광학 플랫폼 사출물에 형성된 유전체 필터 거치대에 파장 선택성을 갖는 유전체 필터를 거치하는 단계;
    유전체 필터를 거치대에 접착제로 고정하는 단계를 포함하는 광학 플랫폼 제작 방법
  7. 광학 플랫폼과 수동정렬 되어 광 송수신기용 광 서브 어셈블리를 구성하는 소자 실장 플랫폼의 제작에 있어서,
    광원, 포토다이오드 다이, 전치증폭 집적회로 다이 및 디커플링 카페시탄스들이 각각 위치할 포켓, 포토다이오드용 유전체 필터 거치대, 광학 플랫폼의 정렬핀과의 결합을 위하여 일정한 위치에 형성된 정렬구조물, 사출물에 인서트된 리드프레임 및 각각의 소자와 리드프레임 간의 전기적 연결을 위한 와이어본딩 패드가 하나의 플라스틱 몸체에 형성됨을 특징으로 하는 소자 실장 플랫폼 사출물을 준비하는 단계;
    상기 소자 실장 플랫폼 상의 정해진 포켓 위치에 광원, 포토 다이오드, 전치증폭 집적회로 소자 다이 및 디커플링 커페시탄스을 도전이 되도록 접착하여 고정하는 단계;
    상기 고정된 광원, 포토 다이오드, 전치증폭 집적회로 소자 다이 및 디커플링 커페시탄스로부터 리드프레임과 연결된 패드로 전기적 연결하는 단계;
    포토 다이오드위의 유전체 필터 거치대에 유전체 필터를 거치하고 접착제로 고정하는 단계를 포함하는 소자 실장 플랫폼 제작 방법
  8. 광학 플랫폼과 소자 실장 플랫폼을 수동정렬하여 광 서브 어셈블리를 제작하는 방법에 있어서,
    리셉터클부, 하나 이상의 구면의 또는 비구면의 반구형 렌즈, 하나의 전반사 광학 거울, 유전체 필터 거치대, 수동정렬을 위한 하나 이상의 정렬핀의 구성 요소가 하나의 플라스틱 몸체에 형성되고, 파장선택성을 갖는 유전체 필터가 거치대에 고정된 광학 플랫폼을 준비하는 단계;
    광원, 포토다이오드 다이, 전치증폭 집적회로 다이 및 디커플링 카페시탄스들이 각각 위치할 포켓, 포토다이오드용 유전체 광 필터 거치대, 광학 플랫폼의 정렬핀과의 결합을 위하여 일정한 위치에 형성된 정렬구조물, 사출물에 인서트된 리드프레임 및 각각의 소자와 리드프레임 간의 전기적 연결을 위한 와이어본딩 패드가 하나의 플라스틱 몸체에 형성되고, 각 포켓 내에 광원, 포토다이오드 다이, 전치증폭 집적회로 다이 및 디커플링 카페시탄스들이 고정되고, 유전체 필터가 거치대에 고정된 소자 실장 플랫폼을 준비하는 단계;
    상기 광학 플랫폼과 소자실장 플랫폼에 형성된 정렬핀 및 정렬 구조물을 통하여 수동 정렬 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 광학 플랫폼과 소자실장 플랫폼의 수동 정렬 방법
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