KR100784943B1

KR100784943B1 - 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈

Info

Publication number: KR100784943B1
Application number: KR1020060025745A
Authority: KR
Inventors: 윤의식; 이기수; 홍사인; 최민호
Original assignee: 주식회사 에이티아이
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2007-12-11
Also published as: KR20070096240A

Abstract

본 발명은 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 동축형 LD 유니트의 열을 외부로 배출하고 외부의 열이 내부로 전달되는 것을 최소화하여 모듈 내부의 온도를 조절할 수 있는 레이저 다이오드 광모듈에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명인 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈은, 방열판; 방열판의 일측에 설치되고 소정 개수의 홀이 형성된 후면판; 방열판 상에 설치된 TEC; TEC에 접촉되도록 설치되고, 금속 재질이며, 내부에는 동축형 LD 유니트와 형합하는 중공이 형성되어 동축형 LD 유니트가 중공에 설치된 블록 부재; 및 방열판과 후면판에 접촉되도록 설치되어 블록 부재가 밀폐되도록 덮는 하우징;을 포함한다.

열전 냉각기, 레이저 다이오드, 광모듈, 동축형 LD 모듈, 버터플라이형 LD 모듈

Description

열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈{Laser diode module having thermoelectric cooler}

도 1은 종래 기술에 따른 동축형 LD(laser diode) 모듈을 나타낸 사시도이다.

도 2는 LD의 온도에 따른 광 파워를 나타낸 그래프이다.

도 3은 LD의 온도에 따른 파장 특성을 나타낸 그래프이다.

도 4는 종래 기술에 따른 버터플라이형 LD(butterfly type laser diode) 모듈을 나타낸 사시도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈의 블록 부재와 동축형 LD 유니트를 나타낸 사시도이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈의 방열판과, 하우징과, TEC(thermoelectric cooler) 및, 후면판을 나타낸 분해 사시도이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈을 나타낸 단면도이다.

도 8a는 종래 기술에 따른 동축형 LD 모듈의 파장 특성을 나타낸 그래프이다.

도 8b는 도 7의 광모듈의 파장 특성을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 동축형 LD 모듈, 동축형 LD 유니트

20 : 버터플라이형 LD 모듈 30 : 방열판

40 : 후면판 50 : TEC

60 : 블록 부재 70 : 하우징

80 : 열차단 플레이트 90 : 부츠(boots)

100 : 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈

본 발명은 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 동축형 LD 유니트의 열을 외부로 배출하고 외부의 열이 내부로 전달되는 것을 최소화하여 모듈 내부의 온도를 조절할 수 있는 레이저 다이오드 광모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 광 중계기에서 사용되어지던 LD(laser diode) 모듈은 크게 온도 제어기능을 갖는 형태(cooling type)와, 온도 제어기능을 갖지 않는 형태(uncooled type)로 나누어진다. 온도 제어 기능을 갖지 않는 형태로는 동축형 LD 모듈을 들 수 있고, 온도 제어 기능을 갖는 형태로는 버터플라이형(Butterfly type)의 LD 모듈을 들 수 있다.

상기 동축형 LD 모듈은, 도 1에 나타난 바와 같이, TO Can(11)과 파이버(13)를 두 개의 하우징(housing)(15)(17)을 통하여 직접 연결하여 제작하며, 정렬시 TO Can(11)으로부터 나오는 빛을 파이버(13)에 효율적으로 집광시키기 위해 TO Can(11) 또는 파이버(13)를 미세하게 움직이면서 정렬한다. 이러한 일련의 과정을 능동 정렬(active alignment)이라 하며, 동축형 LD 모듈(10)의 대부분은 이와 같은 방식을 통해 제작한다.

동축형 LD 모듈(10)의 기본은 TO Can(11)이기 때문에 TO Can(11)과의 결합 및 제작시 편의를 위해 동축형 LD 모듈(10)은 대부분 원통형 구조의 금속 부품(metal part)들로 구성된다.

동축형 LD 모듈(10)은 대부분의 광 중계기에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 높은 파워를 요구하는 통신 시스템에서는 동축형 LD 모듈(10)의 사용에 한계가 있다. 이것은 LD가 열에 의해 성능이 현저히 저하되기 때문이다.

도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, LD는 일정한 구동 전류를 가진 경우에 상온보다 저온 상태에서 광 파워의 증가를 보이며 파장이 짧아진다. 고온에서는 상온보다 현저한 광 파워의 감소를 보이며 파장은 길어진다.

다시 말해, LD는 구동시 자체적으로 발생하는 열에 의하여 그 성능이 현저히 떨어질 수 있는데, 동축형 LD 모듈(10)은 온도를 조절할 수 있는 기능을 갖고 있지 못하기 때문에 높은 파워를 요구하는 통신 시스템에서는 그 사용에 한계가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 온도 조절 기능을 갖는 버터플라이형(Butterfly type) LD 모듈이 사용되고 있다. 도 4에 나타난 바와 같이, 버터플라이 형 LD 모듈(20)은, 세라믹 패키지(21) 내부에 설치된 열전 냉각기(TEC)(22)와, 온도 센서인 서미스터(thermistor)(23)와, LD 칩(Chip)(24) 및, mPD 칩(Chip)(25)을 구비한다. LD 칩(24) 및 mPD 칩(25)은 TEC(22) 상에 설치된다. 세라믹 패키지(21)는 헤르메틱 실링(hermetic sealing)이 된다. 버터플라이형 LD 모듈(20)은 넓은 영역의 대역폭(bandwidth) 및 온도 조절 기능을 갖는다는 장점이 있다.

세라믹 패키지(21) 외부의 렌즈(26)를 이용하여 빛을 집광시킨 후 파이버(27)에 정렬하게 된다. 이러한 버터플라이형 LD 모듈(20)도 정렬 방식의 관점에서 보면 능동 정렬(active alignment) 방식을 이용한 소자라 할 수 있다.

상기 버터플라이형 LD 모듈(20)은 LD(24)가 금속판(metallic plate)(28)의 상면에 다이 본딩(die bonding) 되어지기 때문에 위치상의 정확도가 떨어질 수 있으므로 정렬의 효율을 높이기 위해서 장시간의 미세 정렬공정이 필요하다.

또한, 세라믹 패키지(21)는 다른 부품과 비교하여 고가이며, 버터플라이형 LD 모듈(20)의 제조를 위해서 헤르메틱 실링을 위한 심 실러(seam sealer) 등의 장비도 필요하다. 아울러, 능동 정렬 과정도 복잡하며, 정렬의 복잡함으로 인해 공정 시간도 많이 걸리게 된다. 이러한 이유들로 인하여 모듈의 단가가 비싸지게 된다는 문제점이 있다.

본 발명인 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈은 상기 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 내부의 열을 외부로 배출하고 외부의 열이 내부로 전달되는 것을 최소화함으로써 내부 온도 조절이 가능한 레이저 다이오드 광모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 제조가 용이하며 생산 단가가 저렴한 레이저 다이오드 광모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 대역폭을 확보할 수 있도록 TO Can의 리드 길이(lead length)를 최대한 짧게 할 수 있는 레이저 다이오드 광모듈을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈은, 방열판; 방열판의 일측에 설치되고 소정 개수의 홀이 형성된 후면판; 방열판 상에 설치된 TEC; TEC에 접촉되도록 설치되고, 금속 재질이며, 내부에는 동축형 LD 유니트와 형합하는 중공이 형성되어 동축형 LD 유니트가 중공에 설치된 블록 부재; 및 방열판과 후면판에 접촉되도록 설치되어 블록 부재가 밀폐되도록 덮는 하우징;을 포함한다.

바람직하게, 상기 블록 부재는 TEC와의 접촉 면적을 크게 할 수 있도록 그 하면이 평면이고, 구리로 된 것이다.

바람직하게, 상기 하우징은 동축형 LD 유니트의 파이버가 외부로 인출되는 인출구를 포함하고, 외부의 열이 내부로 전달되는 것을 최소화할 수 있도록 엔지니어링 플라스틱으로 된 것이다.

또한, 상기 후면판의 홀과 블록부재는 동축형 LD 유니트의 TO Can 리드가 실질적으로 가장 짧은 길이를 가지도록 배치된 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 광 모듈은 외부의 열이 방열판을 통하여 내부로 전달되는 것을 최소화할 수 있도록 TEC 둘레에 설치된 열차단 플레이트를 구비하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 방열판은 하우징을 고정하기 위한 고정턱을 포함한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 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 원칙에 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 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈의 블록 부재와 동축형 LD 유니트를 나타낸 사시도이고, 도 6은 상기 광모듈의 방열판과, 하우징과, TEC(thermoelectric cooler) 및, 후면판을 나타낸 분해 사시도이며, 도 7은 상기 광모듈을 나타낸 단면도이다.

도면을 참조하면, 상기 광모듈(100)은 방열판(30)과, 방열판(30)의 일측에 설치된 후면판(40)과, 방열판(30)에 설치된 TEC(50) 및, TEC(50)에 접촉되도록 설치되고 내부에는 동축형 LD 유니트(10)가 설치된 블록 부재(60) 및, 블록 부재(60) 가 밀폐되도록 덮는 하우징(70)을 구비한다.

상기 방열판(30)은 TEC(50)에서 발생한 열을 외부로 전달하여 배출한다. 방열판(30)은 하우징(70)을 고정하기 위한 고정턱(32)을 구비한다.

바람직하게, 상기 방열판(30)은 알루미늄으로 제조된다. 알루미늄은 열전도도와 가공성이 좋을 뿐만 아니라 접착제와의 결합력도 우수하고 가격도 저렴하다.

상기 후면판(40)은 방열판(30)의 한쪽 끝단에 설치되어 하우징(70)과 함께 모듈(100)의 내부공간이 밀폐되도록 한다. 후면판(40)에는 소정 개수, 바람직하게는 8개의 홀(42)이 형성된다. 즉, TO Can의 네 개의 리드(63)와, 서미스터(64)의 두 개의 와이어(미도시)와, TEC(50)의 두 개의 와이어(52)가 홀(42)을 통하여 외부로 인출될 수 있다.

바람직하게, 상기 홀(42)과 동축형 LD 유니트(10)는 리드(63)의 길이가 실질적으로 가장 짧게 되도록 배치된다. 이것은 LD의 대역폭 특성 및 아나로그 특성에 영향이 없도록 하기 위해서이다. 따라서, TO Can의 스템(stem)이 후면판(40)에 최대한 밀착되도록 조립하는 것이 바람직하다.

상기 TEC(50)는 방열판(30)에 설치되어 동축형 LD 유니트(10)에서 발생된 열을 방열판(30)으로 전달한다. 이러한 TEC(50)는 온도 조절을 위하여 통상적으로 사용되는 것이다.

TEC(50)는 PN 접합에 의해 제작된 온도 조절용 소자이다. TEC(50)의 구동원리는 p형과 n형 열전 반도체에 전류를 인가할 때 소자의 접합부에서 발생하는 펠티에르(Peltier) 효과에 의해 발생되는 흡열과 발열을 이용하여 온도를 조절하게 되 는 것이다. 따라서, 온도를 낮추려할 경우 온도를 낮추고자 하는 면은 흡열에 의해 차가워지며, 반대면은 발열에 의해 온도를 낮추는 만큼의 열이 발생하게 된다. 이러한 동작을 통해 온도 조절을 하게 된다.

TEC(50)의 면 중에서 블록 부재(60)와 접하는 면은 열을 흡수하고, 그 반대면은 방열판(30)을 통하여 열을 방출하도록 TEC(50)를 설치한다.

상기 블록 부재(60)는 TEC(50)에 접촉되도록 설치된다. 블록 부재(60)는 동축형 LD 유니트(10)와 형합하고 그 길이 방향으로 관통하는 중공을 내부에 포함한다.

중공에는 동축형 LD 유니트(10)가 설치된다. 동축형 LD 유니트(10)는 기존의 동축형 LD 모듈(10)과 동일한 구조를 가진다. 즉, 본 발명은 기존의 동축형 LD 모듈(10)을 블록 부재(60)에 설치하고 온도 조절을 위하여 TEC(50)를 블록 부재(60)에 부착한 것이다. 바람직하게, 상기 중공에는 동축형 LD 유니트(10)의 캔 하우징(can housing)(도 1의 15)이 삽입되어 설치된다.

바람직하게, 상기 동축형 LD 유니트(10)는 방열판(30)으로부터 전달되는 외부 열의 영향을 최소로 받기 위하여 중공에 최대한 삽입되도록 설치된다. 또한, 리드(63)의 길이를 최소화할 수 있도록 블록 부재(60)를 후면판(40)에 최대한 밀착되도록 조립하는 것이 바람직하다.

상기 블록 부재(60)는 동축형 LD 유니트(10)의 열을 TEC(50)에 잘 전달할 수 있도록 금속 재질, 바람직하게는 구리(copper)로 제조된다.

바람직하게, 상기 블록 부재(60)의 하면은 TEC(50)와의 접촉 면적을 크게 할 수 있도록 평면으로 형성된다. 블록 부재(60)는 그 하면이 평면으로 형성되어 TEC(50)와의 접촉 면적이 크게 되고 구리로 제조됨으로써 동축형 LD 유니트(10)의 열을 TEC(50)에 효과적으로 전달할 수 있게 된다. 또한, 블록 부재(60)와 TEC(50)를 열전도도가 우수한 접착제를 사용하여 접착하는 것이 바람직하다.

상기 블록 부재(60)에는 온도 센서인 서미스터(64)가 부착된다. 서미스터(64)는 특정한 온도에서 일정한 저항을 가지도록 제작되어진 소자로서, 온도 조절을 요하는 시스템에서는 온도 감지용으로 사용된다.

상기 서미스터(64)는 블록 부재(60) 위에 부착된다. 서미스터(64)는 TO Can에 직접 부착되는 것이 온도 제어에 가장 좋다고 볼 수 있지만, 본 발명의 구조상 TO Can에 직접 부착되는 것이 불가능하므로 최대한 TO Can에 가깝도록 블록 부재(60)에 부착된다. 실험에 의하면, TO Can에 직접 부착했을 경우와 블록 부재(60)에 부착했을 경우는 온도 차이를 거의 보이지 않는다. 서미스터(64)는 다른 부재, 특히 블록 부재(60)와의 절연을 필요로 하기 때문에 에폭시 접착제를 사용하여 부착하는 것이 바람직하다.

상기 하우징(70)은 방열판(30)과 후면판(40)에 접촉되도록 설치되어 블록 부재(60)를 밀폐되도록 덮는다. 하우징(70)은 동축형 LD 유니트(10)의 파이버 피그 테일(fiber pig tail)(13)이 외부로 인출되는 인출구(72)를 구비한다.

하우징(70)은 외부 환경으로부터 동축형 LD 유니트(10)를 보호하는 역할을 하는 것이므로 열전도도가 작은 재료, 바람직하게는 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic)으로 제조된다. 엔지니어링 플라스틱은 열전도도가 작기 때 문에 동축형 LD 유니트(10)에 전달되는 외부 열을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 가공성이 좋고, 가격이 버터플라이형 LD 모듈(20)의 세라믹 패키지(21)보다 저가이다.

하우징(70)과 방열판(30)의 결합 및, 하우징(70)과 후면판(40)의 결합은 접착제를 사용하여 최대한 빈틈이 생기지 않도록 부착한다.

바람직하게, 상기 광 모듈(100)은 외부의 열이 방열판(30)을 통하여 내부로 전달되는 것을 최소화할 수 있도록 TEC(50) 둘레에 설치된 열차단 플레이트(80)를 포함한다. 더욱 바람직하게, 상기 열차단 플레이트(80)는 방열판(30) 중에서 TEC(50)가 설치된 부분을 제외한 나머지 부분을 모두 덮을 수 있도록 설치된다. 열차단 플레이트(80)는 단열을 위한 것이므로 열전도도가 낮은 물질로 제조된다.

바람직하게, 상기 광 모듈(100)은 하우징(70)으로부터 돌출된 파이버 피그 테일(fiber pig tail)(13)을 보호하고 핸들링시에 파이버의 꺾임을 방지하는 부츠(boots)(90)를 포함한다. 부츠(90)는 탄성이 좋고 파이버에 손상을 주지 않는 고무로 제조될 수 있다. 부츠(90)는 하우징(70)에 접착제를 사용하여 결합된다.

한편, 도 8a는 동축형 LD 모듈(10)의 파장 특성을 나타낸 그래프이고, 도 8b는 본 발명인 광모듈(100)의 파장 특성을 나타낸 그래프이다. 도 8a에 나타난 바와 같이, LD 칩은 그 특성상 온도 증가 시 파장의 증가를 보인다. 이에 비하여, 본 발명의 광 모듈(100)은 TEC(50)와 하우징(70)을 이용하여 내부 온도 변화를 줄이고 외부 환경의 영향을 최소화할 수 있기 때문에 파장의 증가량을 작게 할 수 있다.

본 발명에 따른 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, TEC를 이용하여 내부의 열을 외부로 배출하고, 엔지니어링 플라스틱으로된 하우징을 이용하여 외부의 열이 내부로 전달되는 것을 차단함으로써 모듈 내부의 온도를 조절할 수 있다.

둘째, 엔지니어링 플라스틱과 기존의 동축형 LD 모듈을 이용하기 때문에 제조가 용이하고 생산 단가가 저렴하다.

셋째, TO Can의 리드 길이(lead length)를 최대한 짧게 하여 대역폭을 확보할 수 있다.

Claims

방열판;

방열판의 일측에 설치되고 소정 개수의 홀이 형성된 후면판;

방열판 상에 설치된 TEC;

TEC에 접촉되도록 설치되고, 금속 재질이며, TO Can이 구비된 동축형 LD 유니트가 끼워질 수 있는 중공이 내부에 형성되어 동축형 LD 유니트가 중공에 설치된 블록 부재; 및

방열판과 후면판에 접촉되도록 설치되어 블록 부재가 밀폐되도록 덮는 하우징;을 포함하고,

블록 부재는 TEC와의 접촉 면적을 크게 하여 열전달율을 높일 수 있도록 그 하면이 평면인 것을 특징으로 하는 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈.
제1항에 있어서,

상기 블록 부재는 구리로 된 것을 특징으로 하는 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈.
제1항에 있어서,

상기 하우징은 동축형 LD 유니트의 파이버가 외부로 인출되는 인출구를 포함하고, 외부의 열이 내부로 전달되는 것을 최소화할 수 있도록 엔지니어링 플라스틱으로 된 것을 특징으로 하는 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

외부의 열이 방열판을 통하여 내부로 전달되는 것을 최소화할 수 있도록 TEC 둘레에는 방열판의 상면에 열차단 플레이트가 설치된 것을 특징으로 하는 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈.
제5항에 있어서,

상기 방열판은 하우징을 고정하기 위한 고정턱을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 냉각기를 구비하는 레이저 다이오드 광모듈.