KR100731859B1 - 외부 광귀환 잡음특성의 향상구조를 갖는 레이저 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 광귀환 잡음을 저감시킬 수 있는 TO CAN 타입의 레이저 다이오드에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 스템 위에 마운팅되는 레이저 다이오드칩과, 상기 스템에 결합되는 렌즈캡과, 상기 레이저 다이오드칩에서 방출되는 레이저광을 집속하도록 상기 렌즈캡에 설치되는 렌즈를 구비한 레이저 다이오드에 있어서, 상기 렌즈는 그 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 초과 98% 이하이고, 상기 레이저 다이오드칩과 렌즈는, 결합효율이 최대치보다 10% 이상 20% 미만 낮아지는 간격만큼 이격된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드가 개시된다.

또한, 본 발명에 따르면, 스템 위에 마운팅되는 레이저 다이오드칩과, 상기 스템에 결합되는 렌즈캡과, 상기 레이저 다이오드칩에서 방출되는 레이저광을 집속하도록 상기 렌즈캡에 설치되는 렌즈를 구비한 레이저 다이오드에 있어서, 상기 렌즈는 그 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 이하이고, 상기 레이저 다이오드칩과 렌즈는, 결합효율이 최대치보다 20% 이상 낮아지는 간격만큼 이격된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드가 개시된다.

TO CAN, 비구면 렌즈, 결합효율, 외부 광귀환 잡음

Description

외부 광귀환 잡음특성의 향상구조를 갖는 레이저 다이오드{LASER DIODE HAVING STRUCTURE FOR IMPROVING NOISE-CHARACTERISTICS OF OPTICAL EXTERNAL FEEDBACK}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 TO CAN 타입 레이저 다이오드의 구성을 도시하는 분해사시도.

도 2는 도 1에서 렌즈의 투과율 특성을 도시하는 그래프.

도 3은 도 1에서 레이저 다이오드칩과 렌즈 간의 배치 구조를 개략적으로 도시하는 측면도.

도 4는 외부 광귀환이 있는 경우의 광-전류 특성을 도시하는 그래프.

도 5는 외부 광귀환이 없는 경우의 광-전류 특성을 도시하는 그래프.

도 6은 도 1에서 레이저 다이오드칩, 렌즈 및 광섬유 간의 거리관계에 따른 결합효율 변화를 보여주는 그래프.

도 7은 피그테일링 된 TO CAN 타입 레이저 다이오드의 외관을 도시하는 사시 도.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

101...스템 103...서브 마운트

104...레이저 다이오드칩 105...모니터링 포토 다이오드

106...렌즈캡 107...렌즈

108...광섬유

본 발명은 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부귀환(External optical feedback) 광잡음을 저감시킬 수 있는 레이저 다이오드칩, 렌즈 간의 배치구조를 가진 레이저 다이오드에 관한 것이다.

TO(Transistor Outline) CAN 타입의 패키지 구조를 갖는 레이저 다이오드는 경제성이나 광특성이 여타 구조에 비해 상대적으로 우수하여 광통신 모듈에 널리 사용되고 있다. 즉, TO CAN 타입의 레이저 다이오드는 일단 봉합이 습기에 완전무결하도록 되므로 습도에 따른 특성변화가 없고, 서브마운트 구조에 의해 열방출이 원활하여 고온 특성이 다른 패키지 타입에 비해 유리한 장점이 있다.

TO CAN 타입의 레이저 다이오드는 리드가 달린 스템과, 스템 위의 서브마운트에 접합되는 레이저 다이오드칩과, 레이저 다이오드의 동작을 모니터링 하도록 스템에 접합되는 포토 다이오드칩을 포함하는 구조로 제작된다.

또한, TO CAN 타입의 레이저 다이오드는 리드에 대하여 칩들을 와이어 본딩한 후 CAN 타입의 렌즈캡을 웰딩(Welding)하고, 최종적으로 피그테일링(Pigtailing) 처리를 함으로써 제작된다.

TO CAN 타입 레이저 다이오드의 출력을 높이기 위한 방안으로는 레이저 다이오드의 앞단에 아이솔레이터(Isolator)를 구비하여 광섬유 끝단 등의 미러면에 의한 반사광의 귀환을 줄이는 구조가 사용될 수 있다. 그러나, 통상적으로 아이솔레이터는 다층의 크리스탈로 가공되기 때문에 저가형으로 제작되기 곤란한 문제가 있다.

TO CAN 타입 레이저 다이오드는 렌즈의 반사율 특성이 특정 파장에 최적화 되어 사용된다. 예를 들면, 1260nm에서 투과율이 최대이고 1310nm에 적합한 렌즈를 사용하는 경우가 해당된다.

그러나, 예컨대 1550nm의 레이저 다이오드 제품을 제조할 경우에도 1310nm에 최적화된 렌즈를 사용하는 등 사용파장에 적합한 렌즈 타입을 적용하지 않는 경우도 종종 있다. 이 경우 피그테일링을 하더라도 예컨대, 도 4에 나타난 바와 같이 외부귀환에 의한 광잡음이 발생하여 광-전류 특성이 불안정해지는 문제가 생긴다. 이러한 광잡음은 온도에 따른 렌즈의 투과율 변화나 외부 미러의 반사율 정도에 따라 외부귀환의 커플링 정도가 달라짐으로 인해 특정한 경우에는 극심하게 나타난다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 외부귀환에 의한 광 간섭을 저감시킬 수 있도록 레이저 다이오드칩과 렌즈 사이의 간격이 최적화 된 레이저 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 레이저 다이오드는, 스템 위에 마운팅되는 레이저 다이오드칩과, 상기 스템에 결합되는 렌즈캡과, 상기 레이저 다이오드칩에서 방출되는 레이저광을 집속하도록 상기 렌즈캡에 설치되는 렌즈를 구비한 레이저 다이오드에 있어서, 상기 레이저 다이오드칩과 렌즈 사이의 간격은, 상기 렌즈의 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 초과 98% 이하인 경우 결합효율이 최대치보다 10% 이상 20% 미만 낮아지도록 설정되고, 상기 렌즈의 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 이하인 경우 결합효율이 최대치보다 20% 이상 낮아지도록 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈로는 96% ~ 99.5%의 투과율을 가진 비구면 렌즈가 채용되는 것이 바람직하다.

상기 렌즈는 1550㎚의 레이저광에 대한 투과율이 97% 이고, 상기 레이저 다이오드칩과 렌즈 사이의 간격은 1.27㎜±10㎛로 설정될 수 있다.

상기 렌즈캡은 CAN 타입으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원 칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 구성이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드는 스템(101) 위에 마운팅되는 레이저 다이오드칩(104)과, 상기 레이저 다이오드칩(104)을 덮도록 스템(101)에 결합되는 렌즈캡(106)과, 상기 렌즈캡(106)에 설치되어 레이저 다이오드칩(104)에서 방출되는 레이저광을 집속하는 렌즈(107)를 포함한다.

바람직하게, 스템(101)에는 레이저 다이오드칩(104)이 직접적으로 접합되는 서브 마운트(103)가 부착된다. 또한, 서브 마운트(103)로부터 소정 거리 이격된 스템(101) 상에는 레이저 다이오드칩(104)의 동작을 모니터링 하기 위한 모니터링 포토 다이오드(105)가 접합되는 것이 바람직하다.

렌즈캡(106)은 통상의 TO(Transistor Outline) CAN 타입 레이저 다이오드에 사용되는, 렌즈가 일체형 혹은 분리형으로 장착된 CAN 타입의 렌즈캡(106)이 채용되어 스템(101)에 웰딩되는 것이 바람직하다.

렌즈(107)로는 렌즈중심에서 1550㎚의 레이저광에 대한 투과율이 96% ~ 99.5%인 비구면(Aspherical) 렌즈가 채용되는 것이 바람직하다. 비구면 렌즈는 도 2에 도시된 바와 같이 1260nm에서 최대 투과율을 가지며, 이를 기준으로 점점 파장대비 투과율이 낮아져서 1550nm에서 97%의 투과율을 가지는 것이 사용될 수 있다.

레이저 다이오드칩(104)과 렌즈(107) 사이의 간격은 외부귀환에 따른 광잡음 특성을 만족하는 특정 범위내에서 결정된다. 여기서, 레이저 다이오드칩(104)과 렌즈(107)는 도 3에 도시된 바와 같은 배치 구조를 갖는다. 즉, 렌즈(107)는 레이저 다이오드칩(104)으로부터 L1만큼 이격된 지점에 배치된다. 본 발명의 레이저 다이오드가 광신호의 전송을 위한 광섬유(108)와 정렬되는 경우, 레이저광이 입사되는 광섬유(108)는 렌즈(107)의 촛점거리인 L2 지점에 끝부분이 위치하도록 배치된다.

레이저 다이오드칩(104)과 렌즈(107) 사이의 간격 L1은, 렌즈(107)의 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 초과 98% 이하인 경우 결합효율이 최대치보다10% 이상 20% 미만 낮아지도록 설정되고, 상기 렌즈(107)의 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 이하인 경우에는 결합효율이 최대치보다 20% 이상 낮아지도록 설정된다. 여기서, 결합효율이 제시된 범위를 벗어나면 외부 귀환 광잡음이 과도하게 혼입되어 전류값 증가에 따른 광파워 특성이 불안정해지는 결과를 나타낸다.

도 4와 도 5에는 이러한 L1 값의 임계적 의의를 뒷받침하는 광-전류 특성 그래프의 예가 도시되어 있다.

도 4에는 1550㎚의 레이저광에 대한 투과율이 97%인 렌즈(107)가 사용되고, L1이 1.17mm인 경우의 광-전류 특성 그래프가 도시되어 있다. 그래프를 참조하면, 이 경우 외부귀환 광잡음이 많이 섞여 있으며 광파워가 전류값 증가에 대하여 선형적으로 증가하지 않고 불안정한 패턴을 보임을 알 수 있다.

한편, 도 5에는 1550㎚의 레이저광에 대한 투과율이 97%인 렌즈(107)가 사용되고, L1이 1.27mm인 경우의 광-전류 특성 그래프가 도시되어 있다. 그래프를 참조하면, 도 4의 경우와는 대조적으로 L1이 조정됨으로써 잡음특성에 문제가 없으며, 광파워가 전류값 증가에 대하여 선형적으로 증가하는 안정적인 패턴을 보임을 알 수 있다. 여기서, L1 값은, 1.17mm의 경우에 비해 결합효율이 20% 이상 낮아지는 지점을 감안하여 1.27mm±10㎛로 설정되었다(도 6 참조).

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드의 제작과정을 설명하기로 한다.

먼저, 스템(101)의 바닥에 모니터링 포토 다이오드(105)를 접합한 후 레이저 다이오드칩(104)을 서브 마운트(103)에 접합하고, 스템(101) 위로 연장된 리드(102)에 대하여 모니터링 포토 다이오드(105)와 레이저 다이오드칩(104)을 와이어 본딩하여 전기적으로 연결하는 과정이 수행된다.

여기서, 서브 마운트(103)에 대한 레이저 다이오드칩(104) 부착 위치는 상술한 바와 같이 외부 귀환에 의한 광간섭을 저감시킬 수 있도록 렌즈(107)와의 간격을 감안하여 결정된다. 레이저 다이오드칩(104)과 렌즈(107) 사이의 간격은, 상기 렌즈(107)의 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% ~ 98%인 경우 결합효율이 최대치보다 10% ~ 20% 낮아지도록 설정되고, 상기 렌즈(107)의 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 이하인 경우 결합효율이 최대치보다 20% 이상 낮아지도록 설정된다.

예를 들어, 1550㎚의 레이저광을 방출하는 레이저 다이오드칩(104)과, 투과 율이 97%인 렌즈(107)가 사용되는 경우 레이저 다이오드칩(104)과 렌즈(107) 사이의 간격은, 결합효율이 20% 이상 낮아지는 지점을 감안하여 1.27mm±10㎛로 설계된다.

와이어 본딩을 완료한 후에는 렌즈(107)가 부착된 CAN 타입의 렌즈캡(106)을 레이저 웰딩 방식으로 스템(101)에 접합하는 과정이 진행된다.

이후 부가적으로, 렌즈캡(106)이 웰딩된 레이저 다이오드(도 7의 100 참조)에 대하여 아이솔레이터(미도시)가 마련된 소정의 하우징을 상기 렌즈캡(106)과 능동 정렬하여 접합하고, 다시 슬리브(Sleeve)에 끼워진 광섬유(108)를 웰딩으로 접합하여 피그테일링(도 7의 109 참조)을 수행할 경우 광-전류 특성이 보다 향상된 레이저 다이오드가 제작된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면 외부귀환에 의한 광간섭을 저감시킬 수 있는 레이저 다이오드칩과 렌즈의 배치구조가 제공되므로 고가의 광부품을 반드시 구비하지 않더라도 TO CAN 타입 레이저 다이오드의 광잡음 특성을 개선할 수 있는 경제성이 있다.

Claims (5)

1. 스템 위에 마운팅되는 레이저 다이오드칩과, 상기 스템에 결합되는 렌즈캡과, 상기 레이저 다이오드칩에서 방출되는 레이저광을 집속하도록 상기 렌즈캡에 설치되는 렌즈를 구비한 레이저 다이오드에 있어서,

   상기 렌즈는 그 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 초과 98% 이하이고,

   상기 레이저 다이오드칩과 렌즈는, 결합효율이 최대치보다 10% 이상 20% 미만 낮아지는 간격만큼 이격된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
2. 스템 위에 마운팅되는 레이저 다이오드칩과, 상기 스템에 결합되는 렌즈캡과, 상기 레이저 다이오드칩에서 방출되는 레이저광을 집속하도록 상기 렌즈캡에 설치되는 렌즈를 구비한 레이저 다이오드에 있어서,

   상기 렌즈는 그 중심에 대한 상기 레이저광의 투과율이 97% 이하이고,

   상기 레이저 다이오드칩과 렌즈는, 결합효율이 최대치보다 20% 이상 낮아지는 간격만큼 이격된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
3. 제2항에 있어서,

   상기 렌즈는 1550㎚의 레이저광에 대한 투과율이 97% 이고,

   상기 레이저 다이오드칩과 렌즈 사이의 간격이 1.27㎜±10㎛인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 렌즈로는 상기 투과율을 가진 비구면 렌즈가 채용된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 렌즈캡은 CAN 타입인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드.

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