KR101114573B1 - 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리가 개시된다. 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리는 광신호 전달을 위한 평판형 광도파로, 일부분이 상기 평판형 광도파로의 적어도 일부분에 적층되는 기판, 기판 상부에 형성된 능동 소자, 및 평판형 광도파로를 통해 전달된 광신호가 기판을 관통하여 능동 소자의 능동 영역에 조사되도록 상기 광신호를 상향 반사시키는 미러를 포함한다. 이에 의해 평판형 광도파로와 능동 소자의 결합이 용이하고 양산성을 높일 수 있는 하이브리드 집적 구조가 가능해진다.

Description

광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리 및 그 제작 방법{Hybrid optical integration circuit assembly for optical receiving module and manufacturing method thereof}

광 통신 모듈에 관한 것으로, 특히 광신호를 전기신호로 변환하는 광 수신 모듈에 관한 것이다.

광통신의 속도와 용량이 증가함에 따라 기간전송 망에서는 하나의 광섬유에 서로 다른 파장의 광신호를 파장분할다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM)하여 보내는 방식이 2000년 이후로 주로 사용되고 있다. 그리고 가입자 망의 경우도 하나의 광섬유에 서로 다른 파장으로 양방향 전송하는 기술이 상용화되어 있다. 또한 이더넷 분야에 있어서도 파장분할다중화 방식을 표준화에서 채택하고 있다. 40G 이더넷의 경우에는 단일모드 광섬유(Single mode fiber) 10km 전송을 위해서 10G×4채널 CWDM(Coarse WDM) 방식을 표준으로 채택했으며, 100G 이더넷의 경우에는 단일모드 광섬유 10km, 40km 전송을 위해서 25G×4채널 LAN-WDM 방식을 표준으로 채택했다.

파장분할다중화 방식에서 여러 파장의 신호를 다중화(MUX)하거나 분리(DMUX) 하기 위해서는 박막 필터를 이용하는 방식과 평판형 광도파로(Planar Lightwave Circuit, PLC)를 이용하는 방식이 주로 사용되고 있다. 이중 평판형 광도파로의 경우 AWG(Arrayed Waveguide Grating)를 이용하거나 여러 격자(grating) 기술을 Silica 또는 Silicon 기반의 공정을 사용하여 제작하게 된다. 평판형 도파로 소자의 경우 수동 부품으로 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)나 포토다이오드(Photo Diode, PD) 같은 능동 부품과 결합하여 광 송수신 모듈과 같은 완제품이 될 수 있다.

그런데 능동 소자를 수동 소자에 결합시켜 사용하기 위해서는, 능동 소자와 수동 소자는 서로 다른 물질로 이루어져 있기 때문에 한 기판 위에서 동일한 공정으로 수동 소자와 능동 소자를 동시에 제작할 수 없고, 개별 공정을 통해서 완성된 각 소자를 정렬하고 부착해야 한다. 이와 같이 다른 매질로 집적된 능동 소자를 수동 소자 위에 결합시키는 것을 하이브리드 집적이라고 한다. 평판형 광도파로에 레이저 다이오드를 결합하는 방식은 레이저 다이오드에서 방출되는 빛을 광도파로의 코어(core)에 직접 커플링(coupling)하는 Butt-coupling 방식이 주로 사용되나, 포토다이오드의 경우에는 Butt-coupling 외에도 미러(Mirror)를 사용하여 결합하는 방식을 많이 사용하고 있다.

그러나 기존 Butt-coupling에 의한 포토다이오드 결합 방식의 경우에는 광도파로와 포토다이오드의 능동 영역(active area)를 X, Y, Z축 방향에 대해 정밀하게 정렬한 후 기판과 플립칩 본딩(flip-chip bonding) 또는 와이어 본딩(wire bonding)해야 하므로 양산성이 떨어진다. 그리고 기존 Mirror를 이용한 결합 구조 는 포토다이오드를 받치는 부분의 면적이 작아 신뢰성이 떨어지는 단점을 가지며, 또한 포토다이오드 칩을 본딩하는 과정에서 포토다이오드의 능동 영역에 손상을 입히거나 본딩된 와이어에 손상을 입힐 확률이 존재하는 단점이 있다.

평판형 광도파로와 능동 소자의 결합이 용이하고 양산성을 높일 수 있는 하이브리드 집적 구조를 제공함을 목적으로 한다.

본 연구는 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2008-F-017-02, 100Gbps급 이더넷 및 광전송기술개발]

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리는 광신호 전달을 위한 평판형 광도파로, 일부분이 평판형 광도파로의 적어도 일부분에 적층되는 기판, 기판 상부에 형성된 능동 소자, 및 평판형 광도파로를 통해 전달된 광신호가 기판을 관통하여 능동 소자의 능동 영역에 조사되도록 광신호를 상향 반사시키는 미러를 포함한다.

한편 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리를 제작하는 방법은 평판형 광도파로와 능동소자가 기 조립된 기판을 각각 독립적으로 가공하되, 평판형 광도파로 가공시 평판형 광도파로를 통해 전달된 광신호가 기판을 관통하여 능동 소자의 능동 영역에 조사되도록 광신호를 상향 반사시키는 미러를 가공하는 단계, 및 평판형 광도파로와 기판을 서로 광축을 정렬하여 결합하는 단계를 포함한다.

종래의 경우 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리를 제작하는 공정에 있어, 서브 마운트(Sub-mount) 위에 평판형 광도파로와 미러 면이 있는 기판을 실장하고 PD를 본딩하는 일련의 공정을 마친 후에 최종 시험을 할 수 있으므로 불량률이 높아지며, 또한 광도파로와 PD의 능동 영역을 X, Y, Z축 방향에 대해 정밀하게 정렬한 후 기판과 본딩해야 하므로 작업의 용이성과 재현성이 떨어지게 된다.

그러나 본 발명의 경우에는 수동 소자인 평판형 광도파로와 능동 소자인 PD, 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)가 조립된 기판을 독립적으로 제작하고 각각을 따로 시험하여 결합할 수 있고 Z 방향 및 틸트 정렬이 필요 없으므로, 작업의 용이성과 재현성 및 양산성을 높일 수 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

광통신에서 사용되는 광 송수신 모듈에서 광신호를 전기신호로 변환하는 부품을 ROSA(Receiver Optical Sub-Assembly)라고 하며, 40G 이더넷 광 송수신 모듈에서 사용되는 ROSA를 예로 들면, 4개의 파장(1271nm, 1291nm, 1311nm, 1331nm)이 CWDM 다중화된 광신호가 ROSA로 입력된다. 입력된 광신호는 평판형 광도파로 형태의 CWDM 역다중화기(DMUX)에 의해 4개의 채널로 분리되어 PD로 입력된다. PD에 입력된 광은 전기신호로 변환되고 트랜스임피던스 증폭기(Trans-Impedance Amplifier, TIA)를 통해 증폭되는 과정을 거친다. 이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 ROSA 구조에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ROSA 평면도이며, 도 2는 측단면도이다.

도시된 바와 같이, 기판(100)의 일부가 평판형 광도파로(200)의 상면에 적층된다. 기판(100) 상부에는 TIA(500)와 능동 소자인 PD(300)가 조립된다. 그리고 미러(400)는 평판형 광도파로(200)의 코어를 통해 전송된 광신호를 반사시켜 광신호의 전송 경로를 위쪽 방향으로 변경시킬 수 있도록 가공된 구조를 갖는다. 이에 따라 평판형 광도파로(200)의 코어를 통해 전송된 λ1 ~ λ4 파장을 갖는 광신호는 일정 각도를 갖도록 미러 가공된 면에서 반사되어 경로가 위쪽 방향으로 변경된다. 경로가 변경된 광신호는 기판(100)을 관통하여 PD(300)의 능동 영역에 조사되어 광전 변환되며, TIA(500)에 의해 증폭된다.

일 실시예에 있어서, 기판(100)은 실리콘 광 벤치(Silicon Optical Bench, SiOB) 기판이다. 실리콘 재질은 광통신에서 주로 사용되는 1300 ~1600nm 대역의 광신호를 투과시키는 특성을 가지므로, 기판으로 많이 이용된다. 추가로 평판형 광도파로(200)와 SiOB 기판(100), 그리고 SiOB 기판(100)과 PD(300)의 능동 영역 사이 면에 무반사 코팅(anti-reflection coating)을 하면 광신호가 손실되지 않고 PD(300)의 능동 영역으로 조사될 수 있다. 도 2의 도면부호 600은 무반사 코팅층을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ROSA 측단면도이다.

도 3은 무반사 코팅을 하지 않는 대신 비아 홀(Via hole)(110)을 가공하여 광신호를 PD(300)의 능동 영역에 닿도록 한 것이다. 즉, 비아 홀(110)은 미러(400)에 의해 상향 반사된 광신호를 PD(300)의 능동 영역으로 안내하는 경로 역할을 한다. 무반사 코팅을 하지 않는 대신 비아 홀을 가공하여 광신호를 PD(300)의 능동 역역에 닿도록 하면, SiOB 재질 외에도 광신호를 투과시키지 못하는 세라믹 재질을 기판으로 이용할 수 있다.

이상에 따른 본 구조의 주요 장점은 수동 소자인 평판형 광도파로와 능동 소자인 PD, TIA가 조립된 기판을 독립적으로 가공하고 각각을 따로 시험하여 결합할 수 있다는 것이다. 평판형 광도파로의 경우 도파로 생성 공정과 미러 가공 공정을 거쳐 품질 검사를 하게 되며, 기판 위에 PD와 TIA를 본딩하여 기판 자체로 품질 검사를 할 수 있다. 성능 검사가 완료된 평판형 광도파로와 기판을 결합하는 과정에서도 기판을 평판형 광도파로에 얹는 구조이므로 Z축 정렬과 틸트에 대한 정렬은 필요하지 않으며, X축과 Y축만 정렬하여 결합할 수 있는 장점이 있다. X축과 Y축 정렬의 경우에도 평판형 광도파로와 기판에 미리 정렬을 위한 마크를 새겨 놓으면, 채널 모두에 대해 정확하게 정렬하고 결합할 수 있는 장점이 생긴다. 또한 PD와 TIA가 실장되는 기판으로는 SiOB 재질뿐만 아니라 다채널에서 채널간 누화(Cross talk) 현상을 줄이기 위하여 세라믹 재질도 가능하며, 열 발생이 적을 시에는 쿼츠(Quartz) 재질의 기판도 가능하다.

도 4는 도 3의 홀 구조 예시도이며, 도 5는 또 다른 홀 구조 예시도이다.

도 4는 각각의 PD(300)에 일대일 대응되는 개별 홀(111) 구조를 나타내며, 도 5는 전체 홀(112) 구조를 나타낸다. 두 가지 구조 모두 적용 가능하다. 다만 개별 홀(111) 구조를 취할 경우, 채널간의 간섭을 줄이기 위하여 기판 바닥면, 즉 평판형 광도파로(200)와 접촉되는 면의 홀과 홀 사이에는 전기적으로 그라운드(Ground) 성분을 갖는 금속 막을 형성한다. 이 그라운드 성분을 갖는 금속 막은 도 4의 TIA(500) 부근과 고속 전기신호 전송을 위한 패턴 부근의 기판 바닥면(평판형 광도파로와 접촉되는 면)에도 필요하므로, 금속 막을 기판에 넓게 형성하는 것도 바람직하다.

한편, 이상에서는 4개의 채널을 적용한 경우를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한 개의 채널 또는 다채널 수신 모듈에도 적용될 수 있으며, 참고로 도 6에 한 개의 채널을 적용한 경우의 구조를 나타내었다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 ROSA 제작 방법 흐름도이다.

평판형 광도파로(200)와 능동소자가 기 조립된 기판(100)을 각각 독립적으로 가공한다(단계 700). 평판형 광도파로(200) 가공시에는 평판형 광도파로(200)를 통해 전달된 광신호가 기판(100)을 관통하여 능동 소자의 능동 영역에 조사되도록 광신호를 상향 반사시키는 미러(400)를 함께 가공한다. 그 다음 각각 독립적으로 가공된 평판형 광도파로(200)와 기판(100)을 서로 광축 정렬하여 결합한다(단계 710).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ROSA 평면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 측단면도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 측단면도.

도 4는 개별 홀 구조 예시도.

도 5는 단일 홀 구조 예시도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 채널의 경우의 ROSA 평면도.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 ROSA 제작 방법 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 110 : 비아 홀

200 : 평판형 광도파로 300 : PD

400 : 미러 500 : TIA

600 : 무반사 코팅층

Claims (10)

1. 광신호 전달을 위한 평판형 광도파로;

   일부분이 상기 평판형 광도파로의 적어도 일부분에 적층되는 기판;

   상기 기판 상부에 형성된 능동 소자; 및

   상기 평판형 광도파로를 통해 전달된 광신호가 상기 기판을 관통하여 상기 능동 소자의 능동 영역에 조사되도록 상기 광신호를 상향 반사시키는 미러;

   를 포함하되,

   상기 기판과 평판형 광도파로가 독립적으로 가공되고, 상기 평판형 광도파로와 상기 기판이 서로 광축이 정렬하여 결합됨을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,

   상기 능동 소자는 포토다이오드(Photo Diode)임을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
3. 제1항에 있어서,

   상기 기판과 상기 평판형 광도파로 사이 면, 상기 기판과 상기 능동소자의 능동 영역 사이 면 중 적어도 하나의 면에 형성된 무반사 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
4. 제3항에 있어서,

   상기 기판은 실리콘 광 벤치(Silicon Optical Bench) 기판임을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
5. 제1항에 있어서,

   상기 능동 소자는 상기 평판형 광도파로를 통해 전달되는 광신호 채널 수만큼 구성됨을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
6. 제5항에 있어서,

   상기 기판에는 상기 미러에 의해 상향 반사된 광신호를 상기 능동 소자의 능동 영역으로 안내하는 홀(hole)이 형성됨을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
7. 제6항에 있어서,

   상기 홀은 단일 홀임을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
8. 제6항에 있어서,

   상기 기판에 형성된 홀의 수는 상기 능동 소자 수만큼인 것을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
9. 제8항에 있어서,

   상기 홀의 수가 둘 이상인 경우 각각의 홀과 홀 사이에는 금속 막이 형성되며, 상기 금속 막은 그라운드 성분을 가짐을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리.
10. 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리를 제작하는 방법에 있어서,

    평판형 광도파로와 능동소자가 기 조립된 기판을 각각 독립적으로 가공하되, 상기 평판형 광도파로 가공시 상기 평판형 광도파로를 통해 전달된 광신호가 상기 기판을 관통하여 상기 능동 소자의 능동 영역에 조사되도록 상기 광신호를 상향 반사시키는 미러를 가공하는 단계; 및

    상기 평판형 광도파로와 상기 기판을 서로 광축을 정렬하여 결합하는 단계;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 수신 모듈용 하이브리드 집적회로 어셈블리 제작 방법.

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