KR101124177B1

KR101124177B1 - 티오형 레이저 다이오드 패키지

Info

Publication number: KR101124177B1
Application number: KR1020090122927A
Authority: KR
Inventors: 김정수
Original assignee: 주식회사 포벨
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2012-03-27
Also published as: KR20110066321A

Abstract

본 발명은 통신용 광모듈 패키지 구조에 관한 것으로, 특히 반도체 레이저 다이오드 칩에서 넓은 각도로 분산되어 발산되는 레이저 빛을 평행한 빛의 형태로 전환하여 방출하는 TO형 레이저 다이오드 패키지 구조에 관한 것이다. 본 발명에서 레이저 다이오드 패키지 구성은, TO형 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 저부로는 하나 이상의 전극핀을 실장한 스템을 구성하고 중앙이 개구된 상부프레임 저면으로는 평판형 유리창을 구비한 TO cap이 형성하는 내부 공간에 레이저 다이오드 칩과 상기 칩을 상면으로 안치시키는 칩 서브마운트, 렌즈 및 45도 반사거울을 배치 실장함으로써, TO 캡과 스템의 융착시에 TO cap과 스템의 상대 위치 변화에 따라 시준화 된 레이저 빛의 방향이 영향을 받지 않게 된다. 이에 따라서 레이저 다이오드 칩과 렌즈의 광정렬을 매우 정밀하게 조절할 수 있는 장점을 가지게 된다.

광모듈, 렌즈, 레이저, 시준화, 패키지

Description

티오형 레이저 다이오드 패키지 {TO type laser diode package}

본 발명은 광모듈 패키지 구조에 관한 것으로, 특히 패키지 내부에 레이저 다이오드 칩과 렌즈가 포함되어 평행광으로 시준화된 레이저 빛을 발산하는 광모듈 패키지와 이를 이용한 광모듈 구조에 관한 것이다.

최근 대용량의 정보 전송 및 고속의 정보 통신을 위하여 빛을 정보 전송의 매개로 하는 광통신이 일반화되어 있다. 특히, 가로 길이 및 세로 길이가 각각 0.3㎜ 정도인 반도체 레이저 다이오드 칩을 이용하여 손쉽게 10Gbps(giga bit per sec)의 전기 신호를 레이저 빛으로 변환할 수 있으며, 반도체 광 수광소자를 이용하여 광섬유를 통해 전송되어 오는 광신호를 전기신호로 손쉽게 변환할 수 있다.

이 경우, 레이저 빛은 광섬유를 전송 매질로 할 때 수십 Gbps(giga bit per second)의 초고속의 정보를 수십 Tera bps(bit per second)의 대용량으로 중첩하여 수백 Km의 장거리 전송이 가능하다는 특성을 가지고 있어 초고속, 대용량, 장거리 정보 전송에 필수적으로 사용되고 있다.

반도체 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛은 평행광으로 방출되는 것이 아니며 도 1에서 보이는 바와 같이 일정한 방사각을 가지며 레이저 빛을 방출 한다. 이렇게 방사하는 레이저 빛을 중심 직경이 8um 정도인 광섬유에 집속시키기 위해서는 렌즈를 이용하여 레이저의 발산광을 집속시키는 방법이 필요하다.

도 2는 반도체 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛이 하나의 렌즈를 통하여 광섬유로 집속되는 경우를 보여준다. 도 2와 같이 하나의 렌즈를 이용하여 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛을 광섬유로 집속시킬 때 집속 효율은 최대 50% 정도이다.

도 3은 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛을 먼저 하나의 시준화 렌즈(collimating lens)를 이용하여 평행광으로 전환시킨 후 평행광으로 전환된 레이저 빛을 별도의 렌즈를 이용하여 광섬유로 집속시키는 경우인 2-렌즈 시스템으로 레이저 빛을 광섬유로 집속시키는 예를 보여준다. 이러한 방법에서 레이저 빛의 집속 효율은 매우 높아져 80~90% 이상의 집속 효율을 보이며, 이에따라 높은 집속 효율이 요구되는 시스템에서는 2-렌즈형 집속 방법을 많이 사용하고 있다.

도 4는 광통신에서 많이 사용되고 있는 TO(transistor outline형) 레이저 다이오드 패키지의 구조도를 보여준다. TO형 레이저 다이오드 패키지 하우징은 금속재질의 기판과 금속재직의 기판을 관통하는 전극핀이 일체로 제작된 스템이라고 불리는 기판 위의 일측에 레이저 다이오드 칩을 실장하고 렌즈와 일체형으로 제작되는 TO cap을 씌워 제작되는 형태로써, 스템 및 TO형 패키지 하우징은 대량 생산에 적합하여 여타 레이저 다이오드 칩 모듈 패키지 하우징인 버터플라이 패키지 또는 미니플랫형 패키지에 비해 널리 사용되고 있는 재질이다. TO형 패키지는 스템 바닥면에 대해 수직한 방향으로 레이저 빛이 방출되는 특성을 가진다.

기존의 TO형 패키지 방법을 이용하여 레이저 빛을 시준화시킬때는 먼저 도 4의 렌즈와 렌즈를 붙잡고 있는 housing cap이 일체로 제작된 TO cap의 렌즈 초점이 미리 부착되어 있는 레이저 다이오드 칩의 레이저 방출면에 위치하도록 TO cap의 위치를 조절한 후 TO cap과 stem을 고정시키는 방법을 사용 할 수 있다.

이때 TO 캡이 레이저 다이오드 패키지의 stem에 접합 될 때 TO 캡의 하부 금속 부위가 전기 저항에 의해 용융되고 이 상태에서 cap을 눌러 stem과 TO cap을 부착시킨다. 이때 TO cap의 위치는 cap의 금속이 녹는 과정에서 수십 um(micrometer) 이상의 변위가 생기게 된다. TO 캡의 위치가 렌즈의 초점위치가 레이저 다이오드 칩의 레이저 발산점과 일치한 상태에서 TO cap을 stem과 융착시킬 때 발생하는 TO 캡의 위치 이동은 렌즈를 통해 시준화된 레이저 빛의 시준화 정도와, 시준화된 레이저 빛의 방출 방향을 변화시킨다. 그러므로 시준화된 레이저 빛의 방향을 정밀하게 조절하기 위해서는 렌즈의 위치 고정시에 렌즈의 위치가 변화하지 않도록 주의하여야 한다.

그러나 기존의 렌즈가 부착된 TO 캡을 전기적 용융에 의해 스템과 융착시킬 때, TO cap과 스템은 강한 힘으로 밀착된 상태에서 전기적으로 TO cap과 스템의 접착면이 용융된 후 냉각되어 TO 캡과 스템이 융착된다. TO cap의 일부분이 녹아서 스템과 융착될 때는 강한 충격이 발생하며 이로 인해 융착과정에서 TO 캡의 위치가 비틀어짐음 매우 빈번히 일어나는 현상이다.

그러므로 기존의 렌즈 일체형의 TO 캡과 스템을 사용하는 방법에서 시준화된 레이저 빛의 방향을 정밀하게 조절하기는 매우 어렵다.

도 4에서 설명한 바와 같이 종래의 기술에 있어서는 TO 캡 렌즈의 초점 위치를 정확히 레이저 다이오드 칩의 발산점에 일치시키기가 매우 어려워 시준화 된 레이저 빛의 방향을 일정하게 유지하기가 어려운 측면이 있었다.

본 발명에서는 렌즈의 초점 위치를 레이저 다이오드 칩의 레이저 발산점에 정확히 일치시키는 방법을 제안한다. 즉, 본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저 빛을 시준화시키기 위한 렌즈를 TO 캡과 분리 한 후 TO 캡은 기밀성을 유지시키기 위해 평면형의 유리로 밀봉한 후 레이저 빛을 시준화시키기 위한 렌즈는 TO 캡과 스템으로 이루어지는 TO형 패키지 내부에 실장하는 방법을 채택한다.

상기한 종래 문제점을 해결하고 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 다이오드 패키지 구성은, TO형 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 하나 이상의 전극핀을 실장한 스템과; 상기 스템 상면에 중앙이 개구된 상부프레임 저면에 평판형 유리창을 구비한 TO 캡;을 포함하되,
상기 TO 캡의 내부 공간에 칩 서브마운트에 안치된 레이저 다이오드 칩, 렌즈 및 45도 반사거울을 수평방향으로 배치 실장하여, 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛이 수평 방향 배치된 시준화 렌즈를 통하여 45도 반사거울에 입사한 후 수평 입사방향과 직각인 수직 상방향으로 레이저 빛이 절환되어 상기 평판형 유리창을 통과하여 외부로 탈출하는 것을 특징으로 한다.

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여기서, 상기 45도 반사거울은 레이저빛 방향 절환을 위한 프리즘으로 형성하거나, 평판형 반사거울의 일측면을 45도로 가공하여 자립성을 가지도록 하거나, 평판형 반사거울을 45도의 경사각을 가지는 지지대에 부착하여 제작하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이, 본 발명에 의한 모듈은 레이저 빛을 시준화시키는 렌즈의 정렬 및 고정이 TO 캡을 스템과 융착시키는 공정과 별도로 이루어지므로 TO 캡과 스템의 융착시에 TO cap과 스템의 상대 위치 변화에 따라 시준화 된 레이저 빛의 방향이 영향을 받지 않게 된다. 이에 따라서 레이저 다이오드 칩과 렌즈의 광정렬을 매우 정밀하게 조절할 수 있는 장점이 있다.

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

도 5 는 본 발명에 의한 평면형 유리창을 가지는 TO캡을 이용하여 제작된 시준화된 TO형 레이저 다이오드 모듈의 개념도, 도 6 은 평면형 반사거울의 일측면을 45도로 가공하여 제작된 45도 반사거울 구조, 도 7 은 평면형 반사거울을 45도의 경사각을 가지는 기판에 부착하는 형태로 제작된 45도 반사거울 구조, 도 8 은 본 발명에 의한 평면형 유리창을 가지는 TO캡을 이용하여 제작된 시준화된 TO형 레이저 다이오드 모듈의 다른 일 실시 구성도이다.

도 5는 본 발명에 의한 TO형 광모듈의 일 실시 예를 보여준다.

도시된 바와 같이, 저부로는 하나 이상의 전극핀(900)을 실장한 스템(800)을 구성하고 중앙이 개구된 상부프레임 저면으로는 평판형 유리창(370)을 구비한 TO cap(700)이 형성하는 내부 공간에 레이저 다이오드 칩(200)과 상기 칩(200)을 상면으로 안치시키는 칩 서브마운트(250), 렌즈(300) 및 45도 반사거울(350), 즉 45도 경사 반사면을 가지는 프리즘(350)을 배치 실장하고 있다.

이 경우, 구성 순서를 설명하면, 먼저 레이저 다이오드 칩(200)은 레이저 다이오드 칩 서브 마운트(250)에 올려진 채 스템(800) 바닥면에 부착된다. 이 경우 시준화 렌즈(300)는 스템(800) 바닥면에 고정 배치되는데 레이저 다이오드 칩(200)과 정렬되어진 렌즈(300)는 에폭시 또는 솔더로 고정된다. 이후 렌즈(300)에 의해 시준화 된 레이저 빛은 TO형 패키지 상부로 방출하기 위해 45도 각도를 가지는 프 리즘(350)에 의해 방향이 절환되어 TO 상부로 방출되게 된다.

또한, 상기 레이저 다이오드 칩(200)과 렌즈(300) 그리고 45도 경사진 반사면을 가지는 프리즘(350) 등이 배치되는 스템(800)과 평판형의 유리창(370)으로 이루어진 TO 캡(700)은 종래의 전기 저항에 의한 용융 압착법으로 융착되게 된다.

이 경우, 레이저 다이오드 칩(200)과 렌즈(300) 및 45도 경사 반사면을 가지는 프리즘(350) 등은 솔더 또는 에폭시에 의해 고정되므로 이들 부품이 고정 될 때 충격이 발생하지 않는다.

이에 따라서, 상기 레이저 다이오드 칩(200)과 렌즈(300) 및 프리즘(350) 등을 고정시킬 때 광 정렬이 흐트러지지 않으며, 이미 고정되어 부착된 레이저 다이오드 칩(200)과, 렌즈(300), 프리즘(350) 등은 TO 캡(700)을 스템(800)과 용융 압착에 의한 융착 과정에서 발생하는 충격에 의해 위치 이동이 되지 않고 고정되어 있으므로, 레이저 다이오드 칩(200)에서 발산되는 레이저 빛이 렌즈(300)에 의해 시준화 된 후 시준화 된 레이저 빛의 방향을 매우 정밀하게 조절 할 수 있게 된다.

도 5에서 레이저 빛의 방향을 절한하는 부품으로 프리즘(350)을 도시하였지만 이 프리즘은 도 6과 같이 평판형의 반사 거울(350)의 일면을 45도로 가공하는 것으로 대체가 가능하며, 또한 도 7과 같이 평판형의 반사거울(350)을 45도 경사면을 가지는 기판에 부착한 형태로 제작 할 수도 있다. 하지만, 이는 일 실시 예일 뿐 보다 다양한 형태의 반사거울(350) 제작이 가능함은 물론이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 레이저 다이오드 모듈 형상을 도시하고 있다.

이를 상세히 설명하면, 먼저 레이저 다이오드 칩(200)의 서브 마운트(250)에 부착되어 스템(800) 바닥면에 부착된 레이저 다이오드 칩(200)의 전면에 45도 경사각을 가지는 반사 거울(350)을 배치하여 레이저 다이오드 칩(200)에서 발산되는 레이저 빛(100)의 방향을 절환한다.

이 때, 45도 경사각을 가지는 반사면이 평면일 경우 반사 거울(350)에서 방향이 절환되어도 레이저 빛(100)의 발산각 특성은 바뀌지 않는다. 이처럼 반사거울(350)에 반사되어 레이저 다이오드 칩(200)에서 발산되는 특성의 레이저 빛의 광축이 수직으로 전환된 후 레이저 빛(100)은 시준화 렌즈(300)에 입사하여 평행광으로 시준화 된다.

그러므로 도 8에서와 같이 최종적으로 TO 패키지를 탈출하는 레이저 빛(100)은 스템(800) 바닥면에 대해 수직이며 시준화 되어 있고, 도 7의 설명에서와 같이 TO 캡(700)을 스템(800)에 융착시킬 때의 충격에 의해 광 정렬이 흐트러지지 않게 되는 것이다.

이 경우, 도 8에서 상기 시준화 렌즈(300)를 스템(800) 바닥면 으로부터 이격시켜 고정시키는 방법은 여러 가지 방법을 사용 할 수 있으나 렌즈(300)의 하부와 스템(800) 바닥면 사이에 렌즈(300)를 띄워 고정시킬 수 있는 지지대를 삽입함으로써 쉽게 구성될 수 있겠다.

하지만, 이러한 구성 예들은 일 실시 예일 뿐 이에 국한하지 않음은 너무도 자명하다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.

도 1 은 레이저 다이오드 칩에서 발산하는 특성을 가지며 방출되는 레이저 빛의 개념도

도 2 는 하나의 렌즈를 이용하여 레이저 다이오드 칩과 광섬유를 광 결합시키는 방법의 개념도

도 3 은 두 개의 렌즈를 이용하여 레이저 다이오드 칩과 광섬유를 광 결합시키는 방법의 개념도

도 4 는 종래의 렌즈가 부착된 TO 캡을 이용하여 레이저 빛을 시준화시키는 TO형 레이저 다이오드 모듈의 개념도

도 5 는 본 발명에 의한 평면형 유리창을 가지는 TO캡을 이용하여 제작된 시준화된 TO형 레이저 다이오드 모듈의 개념도

도 6 은 평면형 반사거울의 일측면을 45도로 가공하여 제작된 45도 반사거울

도 7 은 평면형 반사거울을 45도의 경사각을 가지는 기판에 부착하는 형태로 제작된 45도 반사거울

도 8 은 본 발명에 의한 평면형 유리창을 가지는 TO캡을 이용하여 제작된 시준화된 TO형 레이저 다이오드 모듈의 다른 일 실시도

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

100: 레이저빛 200: 레이저다이오드칩

210: 칩전면 220: 칩후면

300: 렌즈 400: 광섬유

250: 칩서브마운트 700: TO cap

800: 스템 900: 전극핀

350: 45도 반사거울 370: 평판형 유리창

Claims

TO형 레이저 다이오드 패키지에 있어서,

하나 이상의 전극핀을 실장한 스템과;

상기 스템 상면에 중앙이 개구된 상부프레임 저면에 평판형 유리창을 구비한 TO 캡;을 포함하되,

상기 TO 캡의 내부 공간에 칩 서브마운트에 안치된 레이저 다이오드 칩, 렌즈 및 45도 반사거울을 수평방향으로 배치 실장하여, 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛이 수평 방향 배치된 시준화 렌즈를 통하여 45도 반사거울에 입사한 후 수평 입사방향과 직각인 수직 상방향으로 레이저 빛이 절환되어 상기 평판형 유리창을 통과하여 외부로 탈출하는 것을 특징으로 하는 TO형 레이저 다이오드 패키지.
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제 1항에 있어서,

상기 45도 반사거울은 레이저빛 방향 절환을 위한 프리즘으로 형성하거나, 평판형 반사거울의 일측면을 45도로 가공하여 자립성을 가지도록 하거나, 평판형 반사거울을 45도의 경사각을 가지는 지지대에 부착하여 제작하는 것을 특징으로하는 TO형 레이저 다이오드 패키지.