KR100961580B1 - 광학 모듈 - Google Patents

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Abstract

광학 소자 유닛과 캐리어의 선팽창 계수 사이의 차이에 의해 야기된 열 수축 응력 및 잔여 수축 응력이 가능한 최대로 감소된다. 광학 모듈은 응력 제어에 필요한 광학 소자를 포함하는 광학 소자 유닛, 및 광학 소자 유닛을 지지하는 캐리어를 포함한다. 캐리어가 광학 소자의 기판 재료와 동일한 성질을 갖는 재료로 이루어지므로, 열 수축 응력이 감소된다.
광학 소자, 광통신

Description

광학 모듈{OPTICAL MODULE}
본 발명은 일본 특허출원 제 2007-034160(2007.02.14)호의 우선권 주장 출원이다.
본 발명은 광섬유 통신에 사용되는 광학 모듈에 관한 것이다.
광통신 시스템이 더 큰 용량을 갖고 더 빠른 속도로 동작하게 됨에 따라, D-WDM(wavelength division multiplexing communications)이 간선(trunk-line) 광통신 시스템에 채용되었다. 이러한 발전에 따라, 파장을 매우 정밀하게 제어할 수 있는 신뢰성 높은 광학 모듈이 D-WDM용 광학 모듈로서 요구된다.
일본 특허출원 제8-94875호는 광학 유닛이 저-선팽창 계수(low linear expansion coefficient)를 갖는 물질로 이루어진 패키지에 수납된 광학 모듈을 기재하고 있다. 상기 광학 모듈에 따르면, 패키지에서의 열 변화에 의한 열 팽창 및 열 수축이 적어, 이 광학 유닛에 인가되는 응력이 감소되고, 광학 유닛상에 집적된 광학 소자의 손실 변동이 증가하거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 다수의 D-WDM용 광학 모듈에서, 광학 소자는, 환경 온도 변동으로 인한 광학 소자의 특성 변화에 의해 야기되는 광학 파장 등의 변동을 억제하기 위해 온도 조절 소자를 사용하여 일정 온도로 동작한다.
또한, PLC(planar lightwave circuit)가 박형 칩의 형상이고 그 광 발광 위치가 렌즈 또는 광 섬유에 연결하여 광을 전송하기에 너무 낮다면, 광 축의 높이는 조정될 필요가 있다. 이와 같이, 특정 광학 모듈은, 광학 소자가 캐리어에 장착되고 방출된 광의 광축 위치가 조정된 광학 유닛이 패키지에 수납되도록 구성된다. 캐리어는 광학 소자의 기계적 강도를 향상시키는 기능, 온도 조절 소자 및 광학 소자 사이의 열 저항을 낮추어 일정 온도 동작을 수행할 수 있는 기능을 갖는다. 따라서, 견고하고 고온의 전도성 물질이 캐리어로서 요구된다.
PLC 및 캐리어를 결합하기 위해서, 결합면의 전도성을 단절시키지 않도록 솔더링이 사용된다. 도 3A 및 3B는 광학 소자 및 캐리어가 솔더링된 종래의 광학 모듈을 나타낸다. 도 3A 및 3B의 광학 모듈에서, SOA 소자(3) 및 PLC를 포함한 링형 광학 공진자(2)가 캐리어(4) 상에 장착되는 기판(1), 기판(1) 및 캐리어(4)가 솔더 접합면(2A)을 통해 솔더링된다.
그러나, 캐리어(4)상의 기판(1)을 솔더링하면, 솔더의 녹는점으로 온도를 상승시켜야 한다. 온도가 상승하면, 기판(1) 및 캐리어(4)는 각 재료의 특성에 따라 팽창하고, 팽창된 상태로 솔더링된다. 솔더 접합을 고정시키기 위해 이러한 상태로부터 실내온도로 온도가 저하되면, 기판(1) 및 캐리어(4)는 각 재료의 특성에 따라 수축한다. 솔더링에 의해 고정된 기판(1) 및 캐리어(4)의 수축율이 서로 상이하면, 기판(1)은 도 3B에 도시된 바와 같이 바이메탈 효과(bimetallic effect)로 인해 캐리어(4)와 같이 휘게 된다.
캐리어는 예를 들어 CuW(copper tungsten), 코바(kovar), 또는 AlN(aluminum nitride)로 이루어질 수 있고, Cu(20)-W의 선팽창 계수는 8.5*10-6/K, 코바의 선팽창 계수는 5.3*10-6/K이고, AlN의 선팽창 계수는 4.5*10-6/K이다. 일반적으로, PLC를 구성하는 기판은 CuW 또는 코바와 완전히 상이하며 4.2*10-6/K의 선팽창 계수를 갖는 Si로 이루어진다. Si 및 AlN이 비교적 적은 차이의 선팽창 계수를 갖더라도, 기판 및 캐리어가 솔더링되면, 도 3B에 도시된 바와 같이 바이메탈 효과로 인해, 응력이 PLC에 영향을 주게 된다.
이러한 광학 모듈에서, PLC를 구성하는 기판이 캐리어상에 장착된 후 PLC의 특성이 변하는 문제로 인해 야기되는, PLC를 구성하는 기판에서 휨현상(warpage)에 의해 파장 변동이 야기된다.
또한, 기판 및 케리어에서의 휨현상이 열 수축 응력으로서 남아있게 되어, 잔류 수축 응력이 고온 환경 또는 열사이클 환경에서 릴리즈되어 휘는 양이 감소하게 된다. 또한, 캐리어 상에 장착된 후 그 특성이 변한다는 문제와 더불어, 기판이 캐리어 상에 장착되는 동인 PLC의 특성이 변한다는 문제도 있다. 또한, 초기 열 수축 응력이 가능한 많이 감소되어야 한다.
본 발명의 실시 목적은 고온에서 솔더링된 캐리어 및 PLC를 구성하는 기판의 온도가 떨어진 후 야기되는 바이메탈 효과를 억제할 수 있고, PLC에서 휨현상에 의 해 야기되는 파장 변동을 방지하여 높은 정밀도의 파장 제어를 가능하게 하는 광학 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 이루기 위해, 본 발명에 따른 광학 모듈의 실시 양상은 응력 제어를 요구하는 광학 소자를 포함하는 광학 소자 유닛, 및 광학 소자 유닛을 지지하는 캐리어를 포함한다. 캐리어는 광학 소자의 기판 재료(substrate material)와 동일한 특성을 갖는 재료로 이루어져, 광학 모듈에서 열 수축 응력이 감소된다.
따라서, 본 발명에 따른 장점은, 열 수축 응력에 의해 야기된 문제점이 현저히 감소될 수 있다는 것이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 광학 모듈은, 기본 구성으로서, 응력 제어를 필요로 하는 광학 소자(2) 및 광학 소자 유닛(1)을 지지하는 캐리어(6)를 포함한다. 캐리어(6)가 광학 소자(2)의 기판 재료와 동일한 성질을 갖는 재료로 이루어지므로, 광학 모듈에서 열 수축 응력이 감소된다.
실시 형태에서, 캐리어(6)가 광학 소자(2)의 기판 재료와 동일한 성질을 갖는 물질로 구성되기 때문에 열 수축 응력이 감소되므로, 캐리어(6) 및 광학 소자(2)의 기판 재료의 선팽창 계수가 동일하다. 따라서, 초기 열수축 응력, 즉, 캐리어(6) 및 광학 소자(2)의 기판 재료가 결합할 때 야기된 열수축 응력이 가능한 최대로 감소되는 동안, 광학 소자 유닛(1)이 캐리어(6) 상에 장착될 수 있다.
따라서, 도 2의 A에 도시된 고온 및 도 2의 B에 도시된 상온에서도 바이메탈 효과가 야기되지 않으므로, 캐리어(6) 및 광학 소자 유닛(1)에서의 휨 현상이 방지될 수 있다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 따른 광학 소자 모듈을 특정 형태를 들어, 더욱 상세히 설명하도록 한다.
(제 1의 실시 형태)
광학 소자(2)와 같이 응력 제어를 필요로 하는 필터, 특히 파장 필터를 포함하는 광학 모듈에 적용되는 본 발명의 실시 형태를 제 1의 실시 형태로서 설명한다.
도 1의 A는 본 발명의 제 1의 실시 형태에 따른 광학 모듈의 구성을 도시하는 평면도이고, 도 1의 B는 그 구성을 도시하는 정면도이다. 도 1의 A 및 B에 도시된 바와 같이, 제 1의 실시 형태에 따른 광학 모듈은 광학 소자 유닛(1) 및 캐리어(6)를 포함한다.
광학 소자 유닛(1)은 PLC(planar lightwave circuit), 즉, 즉 링형 공진자(2), 광학 증폭기인 SOA 소자(3), SOA 소자(3)로부터의 광과 광섬유를 커플링시키기 위한 렌즈(4), 및 광섬유의 방향으로만 광을 전송하는 절연체(5)를 각각 포함하는 파장 필터를 포함한다. 링형 공진자(2) 및 SOA 소자(3)는 링형 공진자(2)가 구비된 기판 상에 하이브리드 집적된다. 렌즈(4) 및 절연체(5)는 후술되는 캐리어(6) 상에 장착된다. 렌즈(4) 및 절연체(5)는 크기에 따라 링형 공진자(2)가 마련된 기판 상에 장착될 수 있다. 도 1의 A 및 B에 도시된 광학 소자 유닛(1)은 파장 가변 광원 모듈(wavelength tunable light source module)로서 기능한다.
광학 소자 유닛(1)을 지지하는 캐리어(6)는 열-전도 특성을 갖는다. 캐리어(6)가 링형 공진자(2)의 기판 재료와 같은 성질을 갖는 물질, 즉, 예를 들어 Si로 이루어지면, 열 수축 응력이 감속된다. 이 열 수축 응력은 광학 소자 유닛(1)과 캐리어가 결합될 때 야기되는 열 수축 응력이다. 캐리어(6)는 펠티에 소자(8)상에 장착된다. 펠티에 소자(8)는 링형 공진자(2)의 링을 응력 제어하기 위한, 즉, 링형 공진자(2)의 온도를 안정적으로 유지시키기 위한 온도 제어 소자로서 기능한다.
도 1의 A 및 B에 도시된 광학 소자 유닛(1)의 링형 공진자(2) 각각은 외부 공진자(2)로서 PLC를 포함한다. 외부 공진자로서 기능하는 링 공진자(2)는 소형이며 대량 생산에 적합한 파장 필터이다. 링형 공진자(2)의 링이 히터 등으로 열-제어될 때, 가변 파장 필터(tunable wave length filter)로서 기능한다.
제 1 실시 형태에 따른 광학 소자 유닛(1)의 링형 공진자(2)의 기판 재료는 대략 1mm 두께의 Si 기판이다. 링형 공진자(2)는 유리 박막을 Si 기판상에 퇴적하는 방법으로 형성된다. 따라서, 링형 공진자(2)와 하이브리드 집적된 SOA 소자(3)로부터의 발광 위치가 Si 기판의 하부로부너 약 1mm 높이이므로, Si 기판 상에 렌즈(4) 및 다른 광학 요소(절연체(5) 포함)를 마련하는 것이 곤란하다. 또한, Si 기판이 약 1mm정도로 얇으므로, 열원인 링형 공진자(2)와 펠티에 소자(8) 사이에 큰 열 저항이 있다. 따라서, 링형 공진자(2)의 가열치가 크면, 고온환경에서 일정 온도 제어를 하는 것이 어려워진다.
상기의 관점에서, 본 실시 형태는 광학 소자 유닛(1)이 특정 레벨의 두께를 갖는 열-전도 캐리어(6)에 솔더링되고 캐리어(6)가 펠티에 소자(8)에 고정되는 구조를 채용한다. 이는 큰 렌즈(4) 및 절연체(5)와 같은 광학 요소가 캐리어(6) 상에 장착되도록 한다. 또한, 캐리어(6)를 사용하여 열원인 외부 공진자(2)와 펠티에 소자(8) 사이의 열 저항을 낮춤에 의해, 일정 온도 제어를 용이하게 구현할 수 있다.
열 교환기로서도 기능하는 펠티에 소자(8)는 한면은 뜨겁고 다른 면은 차가운 두개의 판 사이에 반도체 소자가 삽입되도록 구성된다. 파장을 제어하기 위해 일정 온도에서 PCL-형 파장 가변 필터로서 기능하는 외부 공진자(2)를 동작시킬 필요가 있고, 서미스터가 일반적으로 기판(1) 상에 마련되고, 서머미터에 의해 온도가 모니터되는 동안 펠티에 소자(8)에 의해 가열 또는 냉각이 수행된다.
광학 소자 유닛(1)과 캐리어(6) 사이의 솔더링은 솔더 부재의 녹는점까지 상승되는 고온에서 수행된다. 광학 소자 유닛(1) 및 캐리어(6)는 각 재료의 특성에 따라 확장되는 상태에서 솔더링된다. 따라서, 온도가 실내 온도로 떨어지면, 광학 소자 유닛(1)과 캐리어(6)는 각 재료의 특성에 따라 수축된다. 광학 소자 유닛(1)과 캐리어(6)가 상이한 선팽창율을 가지면, 광학 소자 유닛(1)과 캐리어(6)의 수축율이 상이하게 되어, 바이메탈 효과로 인해 광학 소자 유닛(1)이 캐리어(6)와 함께 휘게 된다. 이와 같이, 광학 소자 유닛(1)과 캐리어(6)의 선팽창율이 상이하면, 열 수축 응력과 잔여 수축 응력이 광학 소자 유닛(1)에 야기되어 PLC의 공진 파장이 변한다. 이는 높은 파장 정밀도가 요구되는 파장 가변 광원 모듈에서 문제가 된다.
상기의 관점에서, 제 1의 실시 형태의 광학 모듈에서, 링형 공진자(2)의, 예를 들어 Si인 기판 재료와 동일한 성질을 갖는 재료로 캐리어(6)를 구성함으로써 열 수축 응력이 감소된다. 이러한 구성을 사용하면, 광학 소자 유닛(1) 및 캐리어(6)의 선팽창 계수가 동일하다. 따라서, 바이메탈 효과가 실내 온도에서도 야기되지 않아, 광학 소자 유닛(1)에서의 휨현상, 특히, 링형 공진자(2)의 기판에서 휨현상이 도 2의 B에 도시된 바와 같이 방지될 수 있다.
광학 소자 유닛(1) 및 캐리어(6)가 본 실시 형태에 따른 광학 모듈에서 솔더 접합면(3A)을 통해 솔더링되더라도, 캐리어(6)가 광학 소자 유닛(1), 특히, 링형 공진자의 기판과 동일한 성질을 갖는 물질로 이루어지므로, 광학 소자 유닛(1)과 캐리어(6)의 선팽창 계수가 동일하다. 따라서, 외부 공진자(2)에 인가되는 열수축 응력 및 잔여 수축 응력의 효과가 현저히 감소될 수 있다.
또한, 캐리어가 선형 광파 회로를 포함하는 광학 공진자의 기판 재료와 동일한 성질을 갖는 재료로 이루어지기 때문에, 솔더링된 캐리어 및 광학 소자 유닛의 선팽창 계수가 동일하므로, 온도가 변하더라도 바이메탈 효과가 발생하지 않는다. 따라서, 광학 공진자의 공진 파장에서의 변동이 억제되어, 파장이 높은 정밀도로 제어된다.
상술한 광학 모듈에서, 선형 광파 회로는 공진 파장을 가변적으로 제어할 수 있는 광학 공진자를 형성할 수 있다. 이러한 구조를 사용하면, 광학 공진자에 인가된 응력의 양이 감소되어, 응력으로 인한 광학 공진자의 공진 파장이 억제될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태는 파장 필터 및 진폭 필터에 적용되어, 이러한 필터에서 파장 및 진폭을 정확하게 제어할 수 있다.
(제 2의 실시 형태)
본 발명의 제 1의 실시 형태에서, 가변 파장 필터인 링형 공진자가 응력 제어를 필요로 하는 광학 소자(2)로서 사용되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 링형 공진자 대신, 공진 파장이 가변적인 광학 공진자(외부 공진자)가 사용될 수 있다. 광학 공진자로서, 선형 광파 회로(PLC)를 포함하는 파장 분할 다중화 필터인 어레이 도파 회절 소자(array waveguide diffraction element)이 사용될 수 있다. 또한, 광학 공진자인 파장 필터가 광학 소자로서 사용되더라도, 광학 소자는 이에 한정되지 않는다. 파장 필터 대신, 진폭이 가변적으로 제어되는 진폭 필터가 사용될 수 있다. 진폭 필터로서, 가변 진폭 감쇠기(variable amplitude attenuator)가 사용될 수 있다. 또한, 캐리어(6)에 장착된 광학 소자가 제 1의 실시 형태에서 SOA 소자(3)와 같은 액티브 소자 또는 광학 렌즈, 광섬유 및 박막 필터와 같은 패시브 소자일 수 있다.
본 발명은 상기 실시 형태를 참조하여 특정되고 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다. 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 본질 및 범주에서 벗어나지 않는 범위내에서, 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있다.
도 1의 A는 본 발명의 제 1의 실시예에 따른 광학 모듈의 구성을 도시하는 도면이며, 도 1의 B는 도 1의 A의 정면도이다.
도 2의 A 및 B는 도 1의 A 및 B에 도시된 제 1의 실시예의 광학 모듈의 동작 상태를 도시하는 도면이다.
도 3의 A 및 B는 종래의 광학 모듈의 동작 상태를 도시하는 도면.

Claims (10)

  1. 응력 제어를 필요로 하는 광학 소자를 포함하는 광학 소자 유닛; 및
    상기 광학 소자 유닛을 지지하는 캐리어를 포함하고,
    캐리어는 광학 소자의 기판 재료와 동일한 성질을 갖는 재료로 이루어지며, 열 수축 응력이 감소되는 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열 수축 응력은 상기 광학 소자 유닛 및 캐리어가 결합될 때 야기된 열 수축 응력인 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어는 상기 광학 소자의 기판 재료인 Si와 동일한 성질을 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 소자는 응력 제어가 필요한 필터인 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 필터는 공진 파장이 가변적으로 제어될 수 있는 파장 필터인 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 필터는 진폭이 가변적으로 제어될 수 있는 진폭 필터인 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 파장 필터는 선형 광파 회로를 포함하는 링형 공진자인 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 파장 필터는 선형 광파 회로를 포함하는 파장 분할 다중화 필터인 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 파장 분할 다중화 필터는 어레이 도파 회절 소자인 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 진폭 필터는 가변 진폭 감쇠기인 것을 특징으로 하는 광학 모듈.
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