KR100832541B1 - 광 송신 모듈의 광 정렬 방법, 광 정렬 장치 및 이를이용한 광 송신 모듈의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가시광 영역 파장의 레이저를 실제 광 경로의 역방향으로 광섬유에 입사시키고 이를 이용하여 광 정렬을 수행함으로써 광 결합 효율을 증대시킬 수 있으면서, 제품 가격 인하 및 생산성을 향상시킬 수 있는 광 송신 모듈의 광 정렬 방법 및 장치와, 이를 이용한 광 송신 모듈의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 광 송신모듈에 있어서 발광소자와 상기 발광 소자에서 방출된 광을 전달하는 광섬유를 광학적으로 정렬시키는데 있어서, 상기 광섬유에 역방향으로 가시광 영역 파장의 레이저를 입사시킨 후, 상기 역방향으로 입사된 레이저의 광 경로 상에 상기 발광 소자의 발광 영역이 일치하도록 발광 소자를 고정시키도록 구성된다.

플립칩본딩, 광송신모듈, LD, 광섬유, 광정렬, SiOB, V-홈, 광결합

Description

광 송신 모듈의 광 정렬 방법, 광 정렬 장치 및 이를 이용한 광 송신 모듈의 제조 방법{OPTICAL ALIGNMENT METHOD AND APPARATUS OF OPTICAL TRANSMITTER MODULE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

도 1a는 SiOB형 광 송신 모듈의 구조를 나타낸 단면도,

도 1b 및 도 1b는 종래 광 송신 모듈에서의 광 결합 오류를 나타낸 예시도,

도 2는 본 발명에 의한 광 송신 모듈의 광 정렬 방법 및 제조 방법을 나타낸 흐름도, 그리고

도 3a 및 도 3h는 본 발명의 실시 예에 따른 광 송신 모듈의 광정렬 및 제조 과정을 나타낸 공정도이다.

본 발명은 광 송신 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유와 발광 소자간의 광 결합을 쉽고 효율적으로 수행할 수 있는 광 송신 모듈의 광 정렬 방법, 광 정렬 장치 및 이를 이용한 광 송신 모듈의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 사용자들이 요구하는 전송 데이터 량의 증가에 따라서 전기 신호에 의한 기존의 통신 시스템이 광 신호를 이용하여 대용량 전송이 가능한 광통신 시스템으로 전환되고 있다.

이러한 광통신 시스템을 구성하기 위한 광학 소자로는 광 신호(beam)를 전달하는 광섬유, 광 신호를 생성하여 상기 광섬유로 방출하는 광 송신 모듈, 상기 광섬유를 통해 전달된 광 신호를 수광하는 광 수신 모듈, 전달되는 광을 분배하거나 분기시키는 광 스플리터 등이 있다. 이러한 광학 소자들은 최근 고속화, 소형화, 저가격화 및 대량 생산을 위한 생산 자동화 추세에 맞추어 발전하고 있다.

특히 상기 광 송신모듈은 이와 같은 추세에 부합하기 위한 방법으로, 실리콘기판 표면에 광섬유 고정용 V-홈(V-groove)과, 반도체 칩을 실장할 수 있는 벤치(Bench)를 구현하여 광섬유와 발광소자를 광학적으로 결합시키는 실리콘광학벤치(SiOB: Sillicon Optical Bench)형 광 송신 모듈이 연구 개발되고 있다.

상술한 SiOB형 광 송신 모듈의 경우, 광 도파관과 발광 소자(예를 들어, 레이저 다이오드)의 수동 정렬(Passive alignment)이 가능하게 되어 정렬 비용을 감소시키고 정렬 시간을 단축시켜, 제품의 저가격화가 가능하다. 이와 같은 SiOB형 광 송신 모듈의 제작시 사용되는 발광 소자로서, 적외선 영역 파장의 광을 방출하는 모서리 방출(Edge emitting) 방식의 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)와, 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL; Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 방식의 다이오드가 사용되고 있다. 또한, 광 도파관으로는 다중 모드 광섬유(MMF: Multi Mode Fiber), 단일모드광섬유(SMF: Single Mode Fiber) 및 평면 광 도파로(PLC: Planar Lightwave Circuit)등이 사용되고 있다.

도 1a은 SiOB 형 광 송신 소자의 일반적인 구조를 나타낸 것이다.

도 1a에 도시한 SiOB 형 광 송신 소자는, 실리콘 광학 벤치(이하 SiOB 라함)(10)와, 광섬유(20)와 VCSEL 칩(30)를 구비한다. 상기 SiOB(10)의 표면에는 길이가 긴 V-홈(11)이 상기 V-홈(11)의 일단에는 경사진 반사면(C)를 가지며 타단은 외부와 연결되도록 형성된다. 상기 광섬유(20)는 V-홈(11)내에 고정되고, 상기 VCSEL 칩(30)은 상기 반사면(C) 상부에 그 발광 방향이 반사면(C)를 향하도록 설치된다. 상기 구조에 의하면, 상기 VSCEL칩(30)에서 직하(直下) 방향으로 발광된 광은 반사면(C)에서 반사되어 광섬유(20)로 입사된다.

그런데 이러한 SiOB 형 광 송신 소자의 경우, 상기 VCSEL 칩(30)과 상기 광섬유(20) 간에 정확한 광학적 정렬이 요구된다.

도 1a는 광학적 정렬이 정확히 이루어진 경우를 도시한 것으로서, 상기 VCSEL칩(30)에서 방출된 광은 광섬유(20)의 코어(21)로 정확하게 입사된다.

기존에는 이를 위하여 광섬유(20)의 위치 및 VCSEL 칩(30)의 위치를 정확하게 산정 및 제작하여 광 정렬을 실시하였다. 이러한 기존의 방법을 이용하기 위해서는 매우 정밀한 수치(Dimension) 관리가 요구된다. 그러나 정확한 위치 설계가 이루어졌다 할지라도 실제 제작공정에서의 오차에 의해 광 결합 효율이 크게 저하되는 경우가 자주 발생하게 된다.

특히 기판으로 사용되고 있는 SiOB(10)의 V-홈(11)의 식각 깊이에 따라 반사되는 면의 위치가 달라지기 때문에, VCSEL 칩에서 나오는 광이 정확히 광섬유의 코어에 입사되기 어렵다.

도 1b는 상기 V-홈(11)의 깊이가 적게 식각된 경우로서, 상기 VCSEL칩(30)에서 방출된 빛이 광섬유(20)의 코어(21)로 입사되지 않고 그 위측으로 진행하게 되며, 도 1c는 상기 V-홈(11)의 깊이가 너무 깊게 식각된 경우로서, 광섬유(20)의 코어(21)의 아래쪽으로 입사된다.

광통신에 사용되는 VCSEL의 경우 수 마이크로미터(μm)의 오차에도 광결합 손실이 커지기 때문에, 기존의 광 정렬 성공률이 매우 낮으며, 이는 광 송신 소자의 가격을 상승시키는 요인이 된다.

따라서 기존의 광정렬 방법은 광섬유의 코어의 크기가 큰 다중모드광섬유에서는 어느 정도 이용가능하나, 광섬유의 코어가 작은 단일 모드 광섬유에서는 광결합 효율이 너무 낮기 때문에 거의 이용되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 가시광 영역 파장의 레이저를 실제 광 경로의 역방향으로 광섬유에 입사시키고 이를 이용하여 광 정렬을 수행함으로써 광 결합 효율을 증대시킬 수 있으면서, 제품 가격 인하 및 생산성을 향상시킬 수 있는 광 송신 모듈의 광 정렬 방법 및 장치와, 이를 이용한 광 송신 모듈의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 구성 수단으로서, 본 발명은 발광소자와 상기 발광 소자에서 방출된 광을 전달하는 광섬유를 포함하는 광 송신 모듈의 광 정렬 방법에 있어서, 상기 광섬유에 역방향으로 가시광 영역 파장의 레이저를 입사시키는 단계; 및 상기 역방향으로 입사된 레이저의 광 경로 상에 상기 발광 소자의 발광 영역이 일치하도록 발광 소자를 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더하여 상기 본 발명에 의한 광 송신 모듈의 광 정렬 방법에 있어서, 상기 발광 소자를 고정시키는 단계를 수행하기 전에, 상기 발광 소자의 발광 영역과 상기 레이저의 광 경로가 일치되도록 상기 발광 소자의 위치를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 구성 수단으로서, 본 발명은, 실리콘 광학 벤치에 V-홈을 형성하는 단계; 상기 V-홈의 일단에 경사진 반사면을 형성하는 단계; 상기 형성된 V-홈에 광섬유를 고정하는 단계; 상기 광섬유에 실제 광경로의 역방향으로 가시광 영역의 파장의 레이저를 입사하는 단계; 및 상기 광섬유로 역방향 입사된 레이저가 상기 반사면에서 반사된 광 경로 상에 발광 영역이 위치하도록 실리콘 광학 벤치상부에 발광 소자를 고정시키는 단계를 포함하는 광 송신 모듈의 제조 방법을 제공한다.

더하여 상기 본 발명에 의한 광 송신 모듈의 제조 방법은, 상기 광섬유를 고정하는 단계 전에 상기 실리콘 광학 벤치의 상부 표면에 발광 소자의 본딩용 본딩 패드를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

더하여, 상기 본 발명에 의한 광 송신 모듈의 제조 방법은, 상기 발광 소자를 고정시키는 단계 전에, 상기 형성된 본딩 패드상에서 발광 소자의 발광 영역이 상기 반사면 반사된 레이저의 광경로와 일치하도록 발광소자의 위치를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 다른 구성 수단으로서, 가시광 영역의 파장을 갖는 레이저를 발생시켜 광 정렬 대상인 광섬유로 입사하는 가시광 레이저; 상기 가시광 레이저에서 입사된 레이저가 광 정렬 대상인 발광소자에 입사되는 상태를 촬영하는 CCD 카메라; 발광 소자의 위치를 조정하기 위한 광경로 조정부; 상기 광섬유에 역방향 경로로 가시광 영역의 레이저가 전달되도록 상기 가시광 레이저를 동작시킨 후, 상기 CCD 카메라에 의해 촬영된 영상을 분석하여, 상기 가시광 레이저가 상기 발광 소자의 발광 영역에 오도록 상기 광경로 조정부를 제어하는 제어부를 포함하는 광 정렬 장치를 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 2는 본 발명에 의한 광 송신 모듈의 광 정렬 방법 및 제조 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 광 송신 모듈의 광 정렬 및 제조 과정을 나타낸 그림이다. 이하에서 상기 도 2 및 도 3a 내지 도 3h를 동시에 참조하면서 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 발광 소자와 광섬유를 광학적으로 정렬하는데 있어서, 상기 광섬유에 실제 광 경로의 역방향으로 가시광 영역 파장의 레이저를 입사시키고, 상기 레이저의 광 경로 상에 발광 소자의 발광 영역이 놓이도록 한 것으로서, 광 송신 모듈의 제조 과정에 적용되는 것이 바람직하며, 따라서, 이하에서는 광 송신 모듈의 제조 과정과 함께 광 정렬 과정을 설명한다.

또한, 이하에서는 SiOB형 광 송신 모듈을 예를 들어 설명하나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다른 여러 형태의 광 소자에서의 광 정렬에 적용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 광 송신 모듈을 제조하기 위하여는, 단계S110에서 실리콘 광학 벤치에 광섬유를 고정할 수 있는 V-홈을 형성한다. 상기 V-홈은 실리콘 광학 벤치를 V형태로 식각함으로써 이루어진다. 이때 식각깊이는 광섬유가 안정되게 고정될 수 있도록 충분한 깊이를 갖는 것이 바람직하다. 도 3a 및 실리콘 광학 벤치(10)에 형성된 V-홈의 측면 형상을 나타낸 것이고, 도 3b는 상기 V-홈의 상면 형상을 보인 것이다. V-홈(11)의 일단은 반사면을 형성할 수 있도록 일정 각도를 갖는 경사면으로 형성되고, 그 반대 단은 광섬유가 외부로 돌출될 수 있도록 오픈시킨다.

이어서, 단계 120에서 상기 형성된 V-홈의 경사진 일단에 반사율이 높은 물질을 도포하여 반사면을 형성한다. 도 2c는 상기 V-홈(11)에 광을 반사시키기 위한 반사면을 형성한 상태를 나타낸 도면이다. 상기 반사면(c)은 예를 들어, 금속 박막으로 이루어질 수 있으며, 상기 금속 박막은 예를 들어, 반사율이 높은 금(Au)으로 제작될 수 있다.

이어서, 단계 S130에서 상기 실리콘 광학 벤치상에 발광 소자를 본딩하기 위한 본딩패드를 형성한다. 상기 본딩 패드는 광 정렬을 위한 발광 소자의 위치 조정이 가능하도록 충분히 길게 형성되는 것이 바람직하다. 도 3d는 발광 소자를 본딩하기 위한 본딩패드의 형성 구조를 나타낸 것으로, 본딩 패드(12)는 반사면(C)를 기준으로 상기 V-홈(11)의 폭방향 양측에 일정 길이를 갖도록 형성된다. 더하여 상기 본딩패드(12)위에 AuSn 합금 솔더 등을 증착시킬 수 있다.

다음으로, 단계 S140에서 상기 형성된 V-홈에 광섬유를 고정시킨다. 도 3e는 실리콘 광학 벤치(10)의 V-홈(11)에 광섬유(20)를 고정시킨 상태를 나타낸다.

상기와 같이 광섬유(20)가 고정된 후에는, 단계S150과 같이 상기 광섬유(20)의 실제 광경로와는 반대 방향, 즉, 반사면(C)에 대향하는 일단이 아닌 그 반대단에서 가시광 영역 파장의 레이저를 입사한다. 이 경우, 광 송신 모듈의 정상 동작시에는 발광 소자에서 발광된 광이 반사면(C)에 반사된 후에 광섬유(20)로 입사되지만, 이와 반대로 상기 가시광 영역 파장의 레이저는 광섬유(20)를 통과한 후 반사면(c)에 반사되어 위 방향으로 방출된다. 이때, 상기 가시광 영역의 레이저로는 He-Ne 레이저를 사용할 수 있다. 즉, He-Ne 레이저와 상기 광섬유(20)를 커넥터로 연결하여 상기 광섬유(20)의 코어에 가시광 파장의 레이저를 입사시킬 수 있다. 도 3f는 역방향 경로로 입사된 가시광 영역 파장의 레이저의 광 경로를 나타낸 도면이다. 상기 레이저는 가시광 영역의 파장을 갖기 때문에, 육안으로 그 경로를 확인할 수 있다.

따라서 단계S160에서 상기 육안으로 확인되는 레이저가 상기 반사면에서 반사되어 나타나는 광 경로 상에 발광 영역이 위치하도록 실리콘 광학 벤치상부에 발광 소자를 조정하고, 단계S170에서 상기 발광 소자를 플립칩 본딩시켜 고정한다.

도 3g는 광섬유(20)의 코어로 입사된 가시광 영역 파장의 레이저가 반사면(C)에 반사되어 그 상부에 위치한 발광 소자인 VCSEL 칩(30)의 발광영역에 도달되는 것을 나타낸 것이다.

도 3h는 광섬유(20) 코어에 입사된 후 반사면(C)에서 반사된 가시광 영역 파장의 레이저가 VCSEL 칩(30)의 발광 영역에 도달하도록 상기 VCSEL 칩(30)의 위치를 조정하는 과정을 보인 그림이다. 도시된 바와 같이, 상기 VCSEL 칩(30)을 상기 단계S130에서 형성된 본딩 패드(12)상에 놓고 본딩 패드(12)의 길이 방향을 따라서 위치를 조정하여, 그 발광 영역에 레이저가 입사되도록 한다. 이를 위하여, 상기 본딩 패드(12)는 VCSEL 칩(30)의 발광영역과 반사면(C)에 반사된 가시광 영역 파장의 레이저의 입사 위치를 일치시킬 수 있도록 VCSEL 칩(30)을 이동시킨 후에도 플립칩본딩이 가능하도록 긴 구조를 갖는다.

상기 단계S150 내지 S170의 실제 구현 예를 설명하면, 발광 소자를 플립칩 본딩하는 플립칩본더(미도시)에 먼저 발광 소자 즉, VCSEL 칩(30)을 칩홀더를 사용 하여 홀딩하고, 상기 광섬유(20)가 장착된 실리콘 광학 벤치(SiOB)(10)를 상기 플립칩본더의 가열 스테이지에 올려놓은 다음, 가시광 레이저(일례로 He-Ne 레이저)를 사용하여 상기 광섬유(20)의 끝단에서 레이저를 입사시킨다.

그리고, 광섬유를 통하여 가시광 레이저가 반사용 거울에 비추는 부분을 CCD 카메라로 관찰하고, 플립칩본더에 장착된 VCSEL 칩(30)의 위치를 조정함으로써 VCSEL 칩(30)의 발광영역과 반사면(C)에 반사되는 가시광의 경로를 일치시킨다.

이때 플립칩본더에 장착되어 있는 마이크로 메터로 반사면(C)에 반사된 레이저의 위치와 VCSEL칩(30)의 발광영역의 위치를 미세하게 조정한다. 이렇게 광경로가 일치되도록 VCSEL 칩(30)의 본딩 위치를 조정한 후에, 가열하여 상기 실리콘 광학 벤치(10)와 VCSEL 칩(30)을 본딩한다.

상기와 같은 광 경로 조정은, 영상 처리 기술을 통하여 CCD 카메라를 통해 촬영된 VCSEL칩의 발광 영역과 레이저의 영상 화면으로부터 VCSEL칩의 이동 위치를 판단하고, 조정 메카니즘을 통하여 상기 VCSEL칩을 위치를 자동 조정함으로써, 자동화가 가능하다.

도 4는 본 발명에 의한 광 경로 조정 방법을 구현하는 광 경로 조정 장치를 나타낸 구성도로서, 광 경로 조정 장치는, 가시광 영역의 파장을 갖는 레이저를 발생시켜 광 정렬 대상인 광섬유로 입사하는 가시광 레이저(41)와, 상기 가시광 레이저에서 입사된 레이저가 광 정렬 대상인 발광소자에 입사되는 상태를 촬영하는 CCD 카메라(42)와, 발광 소자의 위치를 조정하기 위한 광경로 조정부(43)와, 상기 광섬 유에 역방향 경로로 가시광 영역의 레이저가 전달되도록 상기 가시광 레이저(41)를 동작시킨 후, 상기 CCD 카메라(42)에 의해 촬영된 영상을 분석하여, 상기 가시광 레이저가 상기 발광 소자의 발광 영역에 오도록 상기 광경로 조정부(43)를 제어하는 제어부(44)를 포함하여 구현될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 광 송신 모듈에서 광섬유와 및 발광 소자의 광 정렬 작업이 매우 용이하여 광 정렬에 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 제작된 광 송신 모듈의 수율을 향상시켜 생산성 향상 및 가격저하를 도모할 수 있다.

Claims (11)

1. 발광소자와 상기 발광 소자에서 방출된 광을 전달하는 광섬유를 포함하는 광 송신 모듈의 광 정렬 방법에 있어서,

   상기 광섬유에 역방향으로 가시광 영역 파장의 레이저를 입사시키는 단계;

   상기 발광 소자의 발광 영역과 상기 레이저의 광 경로가 일치되도록 상기 발광 소자의 위치를 조정하는 단계; 및

   상기 역방향으로 입사된 레이저의 광 경로 상에 상기 발광 소자의 발광 영역이 일치되도록 조정된 발광 소자를 상기 실리콘 광학 벤치에 플립칩 본딩시켜 고정시키는 단계를 포함하는 광 송신 모듈의 광 정렬 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 광 송신 모듈은

   V-홈과 반사면이 형성된 실리콘 광학 벤치와, 상기 실리콘 광학 벤치의 V-홈에 위치하는 광섬유와, 상기 반사면의 상부에 위치하는 발광 소자를 포함하는 SiOB(Silicon Optical Bench)형 광 송신 모듈인 것을 특징으로 하는 광 송신 모듈의 광 정렬 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 발광 소자는 VCSEL(Vertical cavity surface emitting laser) 칩인 것을 특징으로 하는 광 송신 모듈의 광 정렬 방법.
5. 삭제
6. 실리콘 광학 벤치에 V-홈을 형성하는 단계;

   상기 V-홈의 일단에 경사진 반사면을 형성하는 단계;

   상기 형성된 V-홈에 광섬유를 고정하는 단계;

   상기 광섬유에 실제 광경로의 역방향으로 가시광 영역의 파장의 레이저를 입사하는 단계; 및

   상기 광섬유로 역방향 입사된 레이저가 상기 반사면에서 반사된 광 경로 상 에 발광 영역이 위치하도록 실리콘 광학 벤치상부에 발광 소자를 고정시키는 단계를 포함하는 광 송신 모듈의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 광섬유를 고정하는 단계 전에 상기 실리콘 광학 벤치의 상부 표면에 발광 소자의 본딩용 본딩 패드를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송신 모듈의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 발광 소자를 고정시키는 단계 전에, 상기 형성된 본딩 패드상에서 발광 소자의 발광 영역이 상기 반사면 반사된 레이저의 광경로와 일치하도록 발광소자의 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송신 모듈의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 발광 소자를 고정시키는 단계는 상기 발광 소자를 플립칩 본딩하는 단계인 것을 특징으로 하는 광 송신 모듈의 제조 방법.
10. 제7항에 있어서,

    상기 발광 소자는 VCSEL(Vertical cavity surface emitting laser)인 것을 특징으로 하는 광 송신 모듈의 제조 방법.
11. 삭제

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