KR101118841B1 - 집적형 두 파장 광 송신 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 인터페이스용 두 파장 광송신 모듈(TOSA : Transmitter Optical Sub Assembly)에 관한 기술로 특히 두 개의 파장이 다른 레이저 다이오드와 WDM 필터, 마이크로 렌즈등을 정밀 가공한 세라믹 블럭을 이용하여 집적화시킨 광모듈 패키지 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 하나의 TO-CAN 내에 파장이 서로 다른 2 개의 레이저 다이오드와 WDM 필터를 포함한 WDM 블럭을 내장시켜 집적형 두 파장 광 송신 모듈을 제작하며, 하나의 레이저 다이오드를 능동 정렬시키고나면 다른 하나의 레이저 다이오드는 기계적 공차에 의해 수동 정렬되어 모듈제작 시간이 종래에 비해 1/3 으로 단축되고, 레이저 다이오드를 수용하는 홀더와 서브마운트를 세라믹재로 구성하여 열 팽창에 의한 광 출력의 변동을 방지한다.

Description

집적형 두 파장 광 송신 모듈{Integrated Two Wave Optical Transmitter Module}

본 발명은 광 인터페이스에 사용되는 광 송신 모듈에 관한 것으로 좀 더 상세하게는 광 DVI(Digital Visual Interface) 또는 광 HDMI(high definition multimedia interface)에 사용되는 2 파장 광 송신 모듈(Transmitter Optical Sub-Assembly)에 관한 것이다.

일반적으로 2 파장을 사용하는 광 송신 모듈은 2 개의 레이저 다이오드와 WDM 필터, 마이크로 렌즈 등을 구조물에 탑재하여 구성한다.

통상 사용하고 있는 광 송신 모듈은 도 3에서와 같이 하나의 파장을 방출하는 레이저 다이오드(1)를 이른바 TO-56 패키지에 실장시켜 구성한다. 즉, 레이저 다이오드(1)를 TO-CAN 스템(2) 안에 배치하고 TO-CAN 캡(3)을 씌우고 그 상단에 마이크로 볼 렌즈를 배치하여 광 송신 모듈을 구성한다.

상기와 같은 방식으로 구성하는 광 송신 모듈 두 개를 이용하여 2 파장 광 송신 모듈을 제작한다.

도 4는 2 파장 광 송신 모듈의 구조를 나타내고 있다. 도 2에 나타낸 광 송신 모듈인 TO-56 패키지 2 개를 금속으로 제작된 블럭에 각각 직각으로 배치하고 그 사이에 WDM 필터를 삽입한 형태로 구성한다.

이와 같은 형태는 전체 광송신 모듈 크기를 줄이기 어렵다는 단점이 있으며 제작 공정시 하나의 레이저 다이오드 TO-56 패키지를 광섬유와 정렬시켜 고정시킨 다음 직각에 위치한 다른 파장의 레이저 다이오드 TO-56 패키지를 광섬유와 정렬시켜야 한다. 이때 각 파장의 레이저 다이오드 사이의 거리가 상당히 떨어져 있어(보통 10 mm 이상) 금속 하우징의 정밀도, 렌즈 및 WDM 필터의 위치 오차 등으로 인하여 두 개의 레이저 다이오드 TO-56 패키지의 광축을 각각 정렬하는데 시간이 많이 걸리고 광축 불일치에 의한 제품 불량 비율도 증가한다.

또한 이러한 방법은 레이저 다이오드와 볼 렌즈, WDM 필터가 금속으로 연결되어 있어 온도 변화에 따른 열팽창 영향을 크게 받게 되며 따라서 온도 변화에 따른 광 경로 변화가 심하게 나타난다. 즉, 레이저 다이오드에서 방출되는 빛이 볼 렌즈와 WDM 필터를 거쳐 광섬유 끝단에 초점이 위치하도록 설계된 금속 구조물에서 열팽창에 의하여 레이저 다이오드와 볼 렌즈 사이의 거리가 증가하면 초점이 광섬유 끝단보다 앞쪽에 위치하게 되어 광섬유로 집속되는 빛의 양이 줄어들게 된다. 반대로 온도가 내려갈 경우에도 레이저 다이오드와 볼 렌즈 사이의 거리가 감소하여 초점이 광섬유 끝단 뒤쪽에 위치하게 되어 광섬유로 집속되는 빛의 양이 줄어들게 된다. 이러한 광 출력의 변화는 광 인터페이스용 광 모듈이 통상적인 동작 온도 범위인 0 내지 70 ℃내에서 사용될 때 신호의 에러로 나타나게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 2 파장 광 송신 모듈을 좀 더 손 쉽고도 정확히 정렬할 수 있으면서 사용중 열팽창으로 인한 정렬 손상이 없는 집적형 두 파장 광 송신 모듈 및 그 제작 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 하나의 TO-CAN 내에 파장이 서로 다른 2 개의 레이저 다이오드와 WDM 필터를 포함한 WDM 블럭을 내장시키며,
상기 광 송신 모듈의 WDM 블럭은,

상기 각각의 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드 위에 배열되는 각각의 볼 렌즈를 수용하는 각각의 홀더;

상기 두 개의 홀더 사이에 배치되는 WDM 필터; 및

상기 각각의 홀더와 및 WDM 필터를 수용하는 'ㄱ'자형 세라믹 서브마운트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 두 파장 광 송신 모듈을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 홀더는 세라믹으로 구성하는 것을 특징으로 하는 집적형 두 파장 광 송신 모듈을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 집적형 두 파장 광 송신 모듈의 제작 방법으로서,

'ㄱ'자형 세라믹 서브마운트의 일단에 제1 세라믹 홀더를 배치하고,

상기 제1 세라믹 홀더에 제1 레이저 다이오드를 배치 및 정렬하고,

상기 제1 세라믹 홀더 안에서 제1 레이저 다이오드 위에 제1 볼 렌즈를 정렬하고,

상기 제1 세라믹 홀더 상단부에 WDM 필터를 정렬하고,

상기 'ㄱ'자형 세라믹 서브마운트의 타단에 제2 세라믹 홀더를 배치하고,

상기 제2 세라믹 홀더에 제2 레이저 다이오드를 배치 및 정렬하고,

상기 제2 세라믹 홀더 안에서 제2 레이저 다이오드 위에 제2 볼 렌즈를 정렬하되,

상기 제1 레이저 다이오드는 광 경로를 광섬유에 집속되도록 능동정렬하고, 상기 제2 레이저 다이오드는 기계적 공차에 의해 수동정렬하는 것을 특징으로 하는 상기 집적형 두 파장 광 송신 모듈의 제작 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 하나의 TO-CAN 내에 2개의 파장을 갖는 레이저 다이오드와 WDM 블록을 내장시켜 하나의 광섬유로 2 파장 신호를 전송할 수 있는 광 인터페이스용 집적형 광송신 모듈 제작이 가능하므로 광 송신 모듈 부품을 간소화하면서도 제작 공정 또한 간소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 정밀 가공한 레이저 다이오드 홀더와 서브마운트 등의 세라믹 구조물과 광축을 고려한 부품 위치 정밀도 향상을 통하여 파장이 다른 두 개의 레이저 다이오드 가운데 하나의 레이저 다이오드만을 광섬유 부분과 능동 정렬시키면 기계적 공차에 의하여 다른 레이저 다이오드도 자동으로 정렬할 수 있기 때문에 기존 상용 제품을 사용한 2 파장 광송신 모듈의 제작 시간이 10 내지 15 분임에 비하여 본 발명에서는 광 정렬 시간을 1/3 이하로 줄일 수 있으며 불량률도 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 세라믹 서브마운트 기판 위에 레이저 다이오드, 볼 렌즈, WDM 필터를 배열하여 온도 변화에 따른 팽창, 수축 등의 현상을 기존 상용 제품에 비하여 크게 줄일 수 있어 광 인터페이스용 광송신 모듈의 온도에 따라 광 출력이 변동되는 현상을 줄일 수 있어 광 출력의 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 초고주파 동작 특성이 우수한 세라믹 레이저 다이오드 홀더를 사용하여 10 Gbps이상의 고속 동작이 가능하고 세라믹 서브마운트 자체에 임피던스 정합을 위한 회로 패턴과 와이어 본딩을 위한 본딩 패드를 구성할 수 있어 집적형 광송신 모듈 제작이 용이하다.

도 1은 본 발명에 따라 하나의 TO-CAN 내에 2 개의 레이저 다이오드가 WDM 블럭과 함께 내장되어 구성되는 집적형 두 파장 광 송신 모듈 패키지 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 집적형 두 파장 광 송신 모듈의 WDM 블럭 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 종래 TO-CAN 광 송신 모듈 구성을 보여주는 단면도이다,
도 4는 종래 TO-CAN 광 송신 모듈을 이용한 2 파장 광 송신 모듈 패키지의 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 제작된 집적형 두 파장 광 송신 모듈 패키지의 구성을 보여주는 단면도이다. 즉, 하나의 TO-CAN 안에 두 개의 레이저 다이오드가 WDM 필터를 사이에 두고 수직적으로 배열되어 두 개의 파장을 하나의 광섬유에 링크시킬 수 있다. 이러한 집적형 두 파장 광 송신 모듈 패키지의 구성은 집적형 WDM 블럭(1)을 구성하여 TO-CAN에 내장하여 이루어질 수 있다.

즉, 도 2와 같이 WDM 블럭(1)의 구성은, 두 개의 레이저 다이오드(7)와 상기 레이저 다이오드(7) 각각의 위쪽에 위치하는 볼 렌즈(5) 및 상기 레이저 다이오드(7)와 볼 렌즈(5)를 수용 및 고정시킬 수 있는 홀더(4), 상기 레이저 다이오드(7)들로부터 각각 방출되는 빔(beam)들을 광섬유에 집속시키기 위한 WDM 필터(8) 및 상기 소자들을 고정시킬 수 있는 서브마운트(6)를 포함하여 이루어진다.

'ㄱ'자 형태의 서브마운트(6)와 'ㄷ'자 형태의 정밀 가공된 세라믹재 홀더(4)는 레이저 다이오드(7)에서 방출되는 빛이 진행하는 광축에 맞추어 각 부품들을 정확하게 위치시킬 수 있는 크기와 모양으로 제작된다.

집적형 TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly) 제작시 정밀 세라믹 홀더(4) 위치는 서브마운트(6)의 3 면에 맞추어 정확히 부착할 수 있다. 레이저 다이오드(7)의 경우 정밀 세라믹 홀더(4) 아래쪽 바깥면과 레이저 다이오드(7) 칩 크기에 맞추어 제작한 금속 패턴에 맞추어 정확한 위치에 부착할 수 있으며 마이크로 볼 렌즈(5)는 정밀 세라믹 홀더(4)의 'ㄷ'자 형태의 중간 부분에 삽입하여 3 면에 맞추어 고정하여 정확한 위치에 부착할 수 있다.

WDM 필터(8)의 경우 45 °경사로 2 개의 레이저 다이오드(7)의 빛을 합쳐주어야 하므로 한 단부가 45 °경사를 갖는 2 개의 정밀 세라믹 홀더(4) 면에 맞추어 정확한 위치에 부착할 수 있다.

본 실시예에서 상기 홀더(4)는 적층형 세라믹으로 구성하여 레이저 다이오드(7)를 부착시키고 볼 렌즈(5)를 고정시킨다. 상기 홀더(4)에는 레이저 다이오드(7) 부착과 임피던스 정합 그리고 와이어 본딩(wire bonding)을 위하여 Au/Sn 금속 패턴이 증착되어 있다. 상기 부품들은 'ㄱ' 자 형태의 세라믹 서브마운트(6) 기판 위에 수 마이크로 미터의 정밀도로 순차적으로 부착된다.

예를 들어 두께가 0.1 mm인 레이저 다이오드의 빛을 집속시키는 데 0.5 mm 지름의 볼 렌즈를 사용할 경우 레이저 다이오드(7)를 부착시키기 위한 0.15 mm 두께의 질화알루미늄(AlN)등의 세라믹 기판을 이용하여 홀더(4)를 'ㄷ'자 형태로 제작한다. 상기 홀더(4)에는 앞서 설명한 Au/Sn 금속 패턴이 증착되어 있으며 이 패턴에 맞추어 레이저 다이오드(7)를 부착하며 가운데 비어있는 공간에 볼 렌즈(5)를 위치시킨다. 이러한 부품들을 정렬시키기 위하여 'ㄱ'자 형태의 서브마운트(6)를 0.15 mm 정도 두께의 산화알루미늄(Al₂O₃) 등의 세라믹으로 제작한다.

패키지 공정 순서는 산화알루미늄 등으로 제작한 서브마운트(6) 기판 위에 홀더(4)를 정밀하게 다이 본딩(die bonding)한다. 각 홀더(4) 중앙에 마이크로 볼 렌즈(5)를 에폭시 수지를 이용하여 고정시킨 후 홀더(4)의 45 °경사면 사이에 WDM 필터(8)를 또한 에폭시 수지를 이용하여 고정시킨다.

이와 같이 제작한 집적형 WDM 블럭(1)을 TO-CAN 스템(2)에 접착시키고 칩 본더를 이용하여 레이저 다이오드(7)를 부착한 후 와이어 본더로 전극 와이어를 연결한다.

마지막으로 볼 렌즈(5)가 포함된 TO-CAN의 캡(3)을 전기 용접으로 씌워 도 1과 같은 두 파장 광 송신 모듈 패키지를 완성한다.

본 발명은 전체 WDM 블럭(1) 크기를 2 mm x 2 mm x 1 mm이내로 줄일 수 있어 소형 광 모듈 제작이 가능하며 파장이 다른 두 레이저 다이오드(7) 사이의 거리도 3 mm 이내로 짧기 때문에 광 정렬시 하나의 레이저 다이오드만을 광섬유 부분과 능동 정렬시키면 기계적 공차에 의하여 다른 레이저 다이오드는 자동으로 정렬 되도록 제작할 수 있다. 따라서 기존 2 파장 광 송신 모듈의 제작 시간이 10~15분이 걸리는 것에 비하여 광 정렬 시간을 그의 1/3 이하로 줄일 수 있고 불량률도 감소시킬 수 있다.

또한 이 방법은 레이저 다이오드와 볼 렌즈, WDM 필터(8)가 세라믹 기판으로 연결되어 있어 온도 변화에 따른 열팽창, 수축 등의 영향이 적어 광 경로나 광 출력의 변화도 크게 나타나지 않는다. 세라믹 기판은 열적 특성뿐만 아니라 초고주파 동작 특성이 우수하기 때문에 HDMI 최신 버전에서 요구하는 10 Gbps이상의 고속 동작도 가능하며 세라믹 서브마운트 자체에 임피던스 정합을 위한 회로 패턴과 와이어 본딩을 위한 본딩 패드를 구성할 수 있어 집적형 광 인터페이스 모듈 제작에 많은 장점이 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

1: WDM 블럭 2: TO-CAN 스템
3: TO-CAN 캡 4: 홀더
5: 볼 렌즈 6: 세라믹 서브마운트
7: 레이저 다이오드 8: WDM 필터

Claims (4)

1. 삭제
2. 하나의 TO-CAN 내에 파장이 서로 다른 2 개의 레이저 다이오드와 WDM 필터를 포함한 WDM 블럭을 내장시키고,
   상기 WDM 블럭은,
   상기 각각의 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드 위에 배열되는 각각의 볼 렌즈를 수용하는 각각의 홀더;
   상기 두 개의 홀더 사이에 배치되는 WDM 필터; 및
   상기 각각의 홀더와 및 WDM 필터를 수용하는 'ㄱ'자형 세라믹 서브마운트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 두 파장 광 송신 모듈.
3. 제2항에 있어서, 상기 홀더는 세라믹으로 구성하는 것을 특징으로 하는 집적형 두 파장 광 송신 모듈.
4. 집적형 두 파장 광 송신 모듈의 제작 방법으로서,
   'ㄱ'자형 세라믹 서브마운트의 일단에 제1 세라믹 홀더를 배치하고,
   상기 제1 세라믹 홀더에 제1 레이저 다이오드를 배치 및 정렬하고,
   상기 제1 세라믹 홀더 안에서 제1 레이저 다이오드 위에 제1 볼 렌즈를 정렬하고,
   상기 제1 세라믹 홀더 상단부에 WDM 필터를 정렬하고,
   상기 'ㄱ'자형 세라믹 서브마운트의 타단에 제2 세라믹 홀더를 배치하고,
   상기 제2 세라믹 홀더에 제2 레이저 다이오드를 배치 및 정렬하고,
   상기 제2 세라믹 홀더 안에서 제2 레이저 다이오드 위에 제2 볼 렌즈를 정렬하되,
   상기 제1 레이저 다이오드는 광 경로를 광 섬유에 집속되도록 능동정렬하고, 상기 제2 레이저 다이오드는 기계적 공차에 의해 수동정렬하는 것을 특징으로 하는 상기 집적형 두 파장 광 송신 모듈의 제작 방법.

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