KR101391890B1 - 광전변환모듈 - Google Patents

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하치노리 오가와
아츠시 카나야마
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교세미 가부시키가이샤
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Abstract

광전변환모듈은, 광 파이버에 의해 송신되어 오는 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환소자와, 광전변환된 전기신호를 외부로 출력하는 신호출력부를 가지며, 상기 광전변환소자의 출력전극과 상기 신호출력부 사이에 설치된 임피던스정합회로와, 상기 임피던스정합회로를 조립한 기판을 설치하고, 상기 임피던스정합회로는, 상기 기판의 표면에 틈을 두고 형성된 복수의 금속피막과, 이들 금속피막 중 인접하는 금속피막들을 전기적으로 접속하는 복수의 금속접속선을 가진다.

Description

광전변환모듈{PHOTOELECTRIC CONVERSION MODULE}
본 발명은, 광통신에 있어서 변조된 광신호를 광대역에 걸쳐 수신하고, 전기신호로 변환하여 출력하기 위한 광전변환모듈에 관한 것이다.
종래의 광통신에서는, 대용량의 데이터를 고속으로 장거리 전송할 수 있는 광 파이버를 전송매체로서 사용하고 있다. 이러한 광 파이버로부터 송신되어 오는 광신호를, 포토다이오드 등의 광전변환소자에 의해 전기신호로 변환하고, 상기 전기신호를 외부로 출력하는 다양한 광전변환모듈에 대한 개발이 이루어져, 실용화되어 있다.
여기서, 일반적인 광전변환모듈에 대해 설명하자면, 다음과 같다. 광전변환모듈(101)은, 도 25 및 도 26에 나타낸 바와 같이, 광 파이버(105)로부터 송신되어 오는 광신호를 조정하는 광학렌즈(광학창[optical window];106)와, 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환소자(108)와, 상기 전기신호를 외부로 출력하는 신호출력부(121) 등을 가진다. 광전변환소자(108)의 출력전극(108a)과 신호출력부(121)의 중심도체(121a)가 금속 와이어(115)에 의해 전기적으로 접속되어, 전기신호가 모듈(101)의 외부로 출력된다.
도 27 및 도 28에 나타낸 광전변환모듈(101A)에 있어서는, 광전변환소자(108)와 신호출력부(121) 사이에 증폭기(130)가 설치되어 있다. 상기 증폭기(130)는, 광전변환된 단상(單相)의 전기신호를 증폭하는 증폭기이다. 광전변환소자(108)의 출력전극(108a)과 증폭기(130)의 입력전극(130a)이 금속 와이어(132)에 의해 전기적으로 접속되고, 증폭기(130)의 출력전극(130b)이 신호출력부(121)의 중심도체(121a)에 금속 와이어(133)에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
상기의 도 25 및 도 26에 나타낸 광전변환모듈(101)에서는, 광전변환소자(108)의 출력전극(108a)과 신호출력부(121)의 중심도체(121a)가 금속 와이어(115)에 의해 직접 접속되어 있다. 도 27 및 도 28에 나타낸 광전변환모듈(101A)에서는, 광전변환소자(108)의 출력전극(108a)과 증폭기(130)의 입력전극(130a)이 금속 와이어(132)에 의해 직접 접속되고, 증폭기(130)의 출력전극(130b)과 신호출력부(121)의 중심도체(121a)가 금속 와이어(133)에 의해 직접 접속되어 있다. 각 금속 와이어(132, 133)는, 인덕턴스 성분을 가지며, 광전변환소자(108)의 출력전극(108a), 증폭기(130)의 출력전극(130b) 및 신호출력부(121)의 특성 임피던스에 비해 높은 임피던스가 된다. 이 때문에, 특히 고주파대역에서는 임피던스의 부정합에 의한 전기신호의 반사가 발생하여, 고주파특성이 열화(劣化)되는 문제가 있었다.
이에, 특허문헌 1에 기재된 광전변환모듈(102)에서는, 도 29에 나타낸 바와 같이, 변환된 전기신호를 모듈(102)의 외부로 출력하는 전송선로기판(140)을 가지며, 증폭기(130)와 전송선로기판(140) 사이에, 임피던스정합회로(110)가 조립된 기판(120)이 설치되어 있다. 상기 임피던스정합회로(110)는, 커패시턴스 성분을 가지는 평행평판 마이크로칩 콘덴서(112)와, 증폭기(130)와 콘덴서(112) 및 콘덴서(112)와 전송선로기판(140)을 각각 전기적으로 접속하는 인덕턴스 성분을 가지는 금 와이어(114)를 구비하고 있다.
상기 임피던스정합회로(110)의 등가회로가 도 30에 도시되어 있다. 상기 콘덴서(112)의 사이즈와 재질을 변경함으로써, 커패시턴스 성분(112a)을 조정하고, 금 와이어(114)의 길이를 변경함으로써 인덕턴스 성분(114a)을 조정한다. 이와 같이 하여, 전송선로기판(140)에 대한 임피던스 정합을 도모할 수 있으며, 광전변환모듈(102)의 고주파 반사 감쇠량 특성을 개선할 수 있고, 전기신호의 전송특성을 개선할 수 있다.
일본 특허공개공보 제2002-353493호
특허문헌 1의 광전변환모듈(102)의 임피던스정합회로(110)의 등가회로는, 도 30에 나타낸 바와 같이 일단(一段)의 저역 통과 필터(low-pass filter)와 동일한 회로이기 때문에, 고주파대역에서의 전송손실이 커져, 전송특성의 평탄성이 손상될 우려가 있다. 따라서, 전송특성을 개선하기 위해 커패시턴스 성분(112a)과 인덕턴스 성분(114a)을 한층 더 큰 값으로 설정할 필요가 있는데, 그렇게 하면, 위상의 선형성이 유지되지 않아 군 지연(group delay)의 열화를 초래할 우려가 있다.
본 발명의 목적은, 임피던스 부정합에 따른 반사 감쇠량을 감소시키고 또한 고주파대역내의 전송특성의 평탄성을 향상시킬 수 있는 광전변환모듈의 제공, 및 위상의 선형성을 유지시킴으로써 군 지연 특성을 안정화시킬 수 있는 광전변환모듈의 제공 등에 있다.
본 발명에 따른 광전변환모듈은, 광 파이버에 의해 송신되어 오는 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환소자와, 광전변환된 전기신호를 외부로 출력하는 신호출력부를 가지는 광전변환모듈로서, 상기 광전변환소자의 출력전극과 상기 신호출력부 사이에 설치된 임피던스정합회로와, 상기 임피던스정합회로를 조립한 기판을 설치하고, 상기 임피던스정합회로는, 상기 기판의 표면에 틈을 두고 형성된 복수의 금속피막과, 이들 금속피막 중 인접하는 금속피막들을 전기적으로 접속하는 복수의 금속접속선을 가진다.
상기 광전변환모듈에 있어서, 광 파이버에 의해 송신되어 오는 광신호를 광전변환소자에 도입하고, 상기 광신호를 광전변환소자에 의해 전기신호로 변환하여, 변환된 전기신호를 기판에 조립된 임피던스정합회로를 통해 신호출력부로부터 외부로 출력한다.
상기 임피던스정합회로는, 복수의 금속피막과, 인접하는 금속피막들을 전기적으로 접속하는 복수의 금속접속선을 가지며, 금속피막은 커패시턴스 성분을 가지며, 금속접속선은 인덕턴스 성분을 가지므로, 복수의 금속피막의 커패시턴스 성분과 복수의 금속접속선의 인덕턴스 성분을 적절히 조정함으로써, 신호출력부에 대한 임피던스 정합이 가능해진다.
본 발명의 상기 구성에 더하여, 다음과 같은 여러 가지의 구성을 적절히 채용해도 좋다.
(1) 상기 임피던스정합회로는, 상기 광전변환소자의 출력전극과, 상기 출력전극에 인접하는 상기 금속피막을 접속하는 금속 와이어를 포함한다(청구항 2).
(2) 상기 광전변환소자의 출력전극에, 광전변환된 전기신호를 증폭하는 증폭기가 접속되며, 상기 임피던스정합회로는, 상기 증폭기의 출력전극과 상기 신호출력부 사이에 설치되어 있다(청구항 3).
(3) 상기 임피던스정합회로는, 상기 증폭기의 출력전극과, 상기 출력전극에 인접하는 상기 금속피막을 접속하는 금속 와이어를 포함한다(청구항 4).
(4) 상기 복수의 금속피막 중 인접하는 금속피막 사이의 틈에 있어서, 상기 기판의 표면에 절연(isolation)용 홈을 형성하였다(청구항 5).
(5) 상기 절연용 홈에, 상기 기판을 형성하는 모재(母材)보다 낮은 유전율의 유전체를 충전하였다(청구항 6).
(6) 상기 금속접속선은 금속 와이어로 이루어진다(청구항 7).
(7) 상기 금속접속선은 상기 금속피막과 일체인 선형상 금속피막으로 이루어진다(청구항 8).
(8) 청구항 9에 따른 광전변환모듈은, 광 파이버에 의해 송신되어 오는 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환소자와, 광전변환된 전기신호를 외부로 출력하는 신호출력부를 가지는 광전변환모듈로서, 상기 광전변환소자의 출력전극과 상기 신호출력부 사이에 설치된 임피던스정합회로와, 상기 임피던스정합회로를 조립한 기판을 설치하고, 상기 임피던스정합회로는, 상기 기판의 표면에 형성되며 또한 상기 신호출력부에 직접 접속된 마이크로스트립 형상의 금속피막을 가진다.
청구항 1의 발명에 따르면, 임피던스정합회로의 복수의 금속피막은, 커패시턴스 성분을 가지며, 인접하는 금속피막들을 접속하는 복수의 금속접속선은 인덕턴스 성분을 가지기 때문에, 이들 금속피막의 사이즈와 막 두께와 기판의 재질을 적절히 조정하고, 복수의 금속접속선의 굵기와 길이를 적절히 조정함으로써, 신호출력부에 대한 임피던스 정합을 확실히 행할 수 있다. 이에 따라, 고주파의 전기신호의 전송손실을 억제할 수 있어, 반사 감쇠량 특성을 개선할 수 있다.
특히, 복수의 금속피막과 복수의 금속접속선에 의해 복수 단(段)의 저역 통과 필터와 동일한 임피던스정합회로를 구성하므로, 일단(一段)의 임피던스정합회로에 비해, 고주파대역의 전송손실을 개선하여, 전송특성의 평탄성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 개개의 커패시턴스 성분과 인덕턴스 성분의 값을 낮게 억제할 수 있게 되어, 전기신호의 위상의 선형성을 유지시키기 쉬우며, 군 지연 특성을 안정시켜, 전송에 따른 전기신호의 파형 왜곡을 최대한 억제할 수 있다.
청구항 2의 발명에 따르면, 금속 와이어의 길이나 굵기를 적절히 조정함으로써, 인덕턴스 성분의 값을 조정할 수 있다.
청구항 3의 발명에 따르면, 광전변환소자에 의해 변환된 단상의 전기신호를 증폭기에 의해 증폭하는 동시에, 단상신호를 작동신호로 변환하여 외부로 출력할 수 있다.
청구항 4의 발명에 따르면, 금속 와이어의 길이나 굵기를 적절히 조정함으로써, 인덕턴스 성분을 조정할 수 있다.
청구항 5의 발명에 따르면, 상기 복수의 금속피막 중 인접하는 금속피막 사이의 틈에 있어서, 상기 기판의 표면에 절연용 홈을 형성하였으므로, 인접하는 금속피막들의 절연상태를 유지할 수 있다.
청구항 6의 발명에 따르면, 상기 기판을 형성하는 모재보다 낮은 유전율의 유전체를 충전하였으므로, 인접하는 금속피막들의 절연상태를 강하게 유지할 수 있다.
청구항 7의 발명에 따르면, 상기 금속접속선은 금속 와이어로 이루어지므로, 금속 와이어의 길이나 굵기를 적절히 조정함으로써, 금속 와이어의 인덕턴스 성분의 값을 조정할 수 있다.
청구항 8의 발명에 따르면, 상기 금속접속선은 상기 금속피막과 일체인 선형상 금속피막으로 이루어지므로, 선형상 금속피막의 길이나 폭, 막 두께 등을 적절히 조정함으로써, 선형상 금속피막의 인덕턴스 성분을 조정할 수 있고, 임피던스 정합을 확실히 행할 수 있는 동시에, 선형상 금속피막과 가로로 긴 형상의 금속피막을 한 번의 공정으로 기판상에 형성할 수 있으므로 제조시간을 단축시킬 수 있다.
청구항 9의 발명에 따르면, 임피던스정합회로를 조립한 기판을 설치하며, 상기 임피던스정합회로는, 기판의 표면에 형성되고 또한 신호출력부에 직접 접속된 마이크로스트립 형상의 금속피막을 가지므로, 다음과 같은 효과를 나타낸다.
상기 금속피막이 마이크로스트립 형상으로 구성됨으로써 용이하게 특성 임피던스를 근사적으로 계산할 수 있고, 또한, 금속피막이 신호출력부에 직접 접속됨으로써 접속부의 인덕턴스 성분을 감소시킬 수 있으므로, 신호출력부와의 임피던스 정합을 확실히 행할 수 있다. 이 때문에, 고주파의 전기신호의 전송손실을 억제할 수 있어, 반사 감쇠량 특성을 개선할 수 있다.
상기 마이크로스트립 형상의 구성은, 금속피막의 커패시턴스 성분과 인덕턴스 성분을 안정시킬 수 있으므로, 고주파대역내의 전송특성의 평탄성이 향상되고, 위상의 선형성을 유지시키기 쉬워, 군 지연 특성을 안정시킬 수 있다. 이 때문에, 전송에 따른 전기신호의 파형 왜곡을 최대한 억제할 수 있다.
또한, 상기 광전변환소자의 출력전극으로부터 신호출력부로 임피던스정합회로를 통해 신호를 외부로 출력시키는 구성이므로, 종래의 전송선로기판 등의 전송경로의 구성부품을 삭감할 수 있어, 광전변환소자로부터 신호출력부까지의 경로를 단축시킬 수 있으므로, 특성의 편차를 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 부품수 감소에 따라 구조가 간단화되어, 제작비용을 경감시킬 수 있다.
청구항 10의 발명에 따르면, 상기 임피던스정합회로는, 상기 광전변환소자의 출력전극과, 상기 금속피막을 접속하는 금속 와이어를 포함하므로, 금속 와이어의 길이나 굵기를 적절히 조정함으로써, 인덕턴스 성분의 값을 조정할 수 있다.
청구항 11의 발명에 따르면, 상기 광전변환소자용 출력전극에, 광전변환된 전기신호를 증폭하는 증폭기가 접속되고, 상기 임피던스정합회로는, 상기 증폭기의 출력전극과 상기 신호출력부 사이에 설치되어 있으므로, 광전변환소자에 의해 변환된 단상의 전기신호를 증폭기에 의해 증폭하는 동시에, 단상신호를 작동신호로 변환하여 외부로 출력할 수 있다.
청구항 12의 발명에 따르면, 상기 임피던스정합회로는, 상기 증폭기의 출력전극과, 상기 금속피막을 접속하는 금속 와이어를 포함하므로, 금속 와이어의 길이나 굵기를 적절히 조정함으로써, 인덕턴스 성분을 조정할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광전변환모듈의 평면도이다.
도 2는, 도 1의 II-II선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은, 임피던스정합회로의 등가회로의 도면이다.
도 4는, 광전변환모듈의 반사 감쇠량 특성을 나타낸 선도이다.
도 5는, 광전변환모듈의 전송 손실 특성을 나타낸 선도이다.
도 6은, 광전변환모듈의 군 지연 특성을 나타낸 선도이다.
도 7은, 제 2 실시예에 따른 광전변환모듈의 평면도이다.
도 8은, 도 7의 VIII-VIII선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 9는, 제 3 실시예에 따른 임피던스정합회로의 평면도이다.
도 10은, 도 9의 Ｘ-X선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 11은, 광전변환모듈의 반사 감쇠량 특성을 나타낸 선도이다.
도 12는, 광전변환모듈의 전송 손실 특성을 나타낸 선도이다.
도 13은, 광전변환모듈의 군 지연 특성을 나타낸 선도이다.
도 14는, 제 4 실시예에 따른 임피던스정합회로의 평면도이다.
도 15는, 도 14의 XV-XV선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 16은, 제 4 실시예의 임피던스정합회로의 변경예의 평면도이다.
도 17은, 도 16의 XVII－XVII선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 18은, 제 5 실시예에 따른 광전변환모듈의 평면도이다.
도 19는, 도 18의 XIX－XIX선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 20은, 광전변환모듈의 반사 감쇠량 특성을 나타낸 선도이다.
도 21은, 광전변환모듈의 전송 손실 특성을 나타낸 선도이다.
도 22는, 광전변환모듈의 군 지연 특성을 나타낸 선도이다.
도 23은, 제 6 실시예에 따른 광전변환모듈의 평면도이다.
도 24는, 도 23의 XXIV-XXIV선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 25는, 종래의 광전변환모듈의 평면도이다.
도 26는, 도 25의 XXVI-XXVI선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 27은, 종래의 다른 광전변환모듈의 평면도이다.
도 28은, 도 27의 XXIIX－XXIIX선에 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 29는, 특허문헌 1에 기재된 광 모듈의 평면도이다.
도 30은, 도 29의 임피던스정합회로의 등가회로의 도면이다.
본 발명의 광전변환모듈은, 광통신에 있어서 광 파이버에 의해 송신되어 오는 광신호를 광대역에 걸쳐 수신하고 전기신호로 변환하여 외부로 출력하는 것이며, 특히 복수 단의 저역 통과 필터와 동일한 구조의 임피던스정합회로를 구비한 것이다.
[제 1 실시예]
이하에서는, 상기 광전변환모듈(1)에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 광전변환모듈(1)은, 광 파이버(5)에 의해 송신되어 오는 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 모듈이다. 상기 광전변환모듈(1)은, 패키지(3)와, 광학렌즈(6; 광학창)와, 광신호를 광전변환하는 광전변환소자(8)와, 광전변환소자(8)의 출력전극(8a)과 신호출력부(21) 사이에 설치된 임피던스정합회로(10)와, 상기 임피던스정합회로(10)를 조립한 기판(20)과, 광전변환된 전기신호를 외부로 출력하는 신호출력부(21) 등을 가진다.
광전변환소자(8)는, 일반적인 포토다이오드 소자이며, 패키지(3)에 고정되어 있다. 상기 광전변환소자(8)는, 광 파이버(5)에 의해 송신되어 오는 광신호를 광학렌즈(6)를 통해 수광면에서 받아, 광전변환하여 출력전극(8a)으로부터 전기신호를 출력한다.
상기 광전변환소자(8)의 출력전극(8a)은, 임피던스정합회로(10)의 입력측에 있어서 상기 출력전극(8a)에 인접하는 금속피막(12)과 금속 와이어(9)에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
임피던스정합회로(10)는, 기판(20)의 상면에 형성된 복수의 금속피막(12, 13)과, 인접하는 금속피막(12)을 전기적으로 접속하는 복수의 금속 와이어(15; 금속접속선에 해당함)와, 금속 와이어(9)를 가진다.
금속피막(12, 13)은, 예컨대 Ni, Au, Ag, Al, Cu 등으로부터 선택되는 금속피막이며, 그 막 두께는 예컨대 5∼100㎛이다. 금속피막(12)은, 좌우방향으로 가늘고 긴 직사각형(예컨대, 좌우 길이가 1.20mm, 폭이 0.15mm)으로 형성되며, 복수의 금속피막(12)은, 예컨대 0.05mm 정도의 폭의 적당한 틈(11)을 두고 평행하게 형성되어 있다. 금속피막(13)은, 원형의 하단부를 금속피막측으로 돌출시킨 형상으로 형성되며, 복수의 금속피막(12)의 폭방향 중심부를 연결하는 연장선상에 설치되어 있다.
신호출력부(21)는, 리드선(중심도체; 22)과, 리드선(22)의 외주를 덮는 용융유리로 형성된 유전체(23)로 구성되어 있다. 상기 리드선(22)은 유전체(23)를 통해 패키지(3)에 고정되며, 리드선(22)의 선단부(22a)가, 기판(20)과 금속피막(13)의 중심부를 관통하여 상면측으로 돌출되고, 그 선단부(22a)가, 금속피막(13)에 땜납 등에 의해 전기적으로 직접 접속되어 있다. 참고로, 유전체(23)는, 예컨대, 폴리에틸렌 등의 합성수지재료 등으로 형성된 것이어도 좋다.
금속 와이어(9, 15)는, 예컨대 Au의 본딩 와이어로 구성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 와이어(9)는, 광전변환소자(8)의 출력전극(8a)을, 상기 출력전극(8a)에 인접하는 금속피막(12)에 전기적으로 접속하고 있다. 금속 와이어(15)는 인접하는 금속피막(12)들을 전기적으로 접속하고 있다.
금속피막(12)은 접지에 대한 커패시턴스 성분(12a)이며, 금속피막(12)의 사이즈나 막 두께 및 기판(20)의 재질에 의존하는 커패시턴스 성분(12a)을 가진다(도 3 참조). 금속피막(13)도 접지에 대한 커패시턴스 성분을 가진다. 상기 금속피막(13)에서는, 그 직경을 크게 할수록 인덕턴스 성분을 감소시킬 수 있다.
금속 와이어(15)는, 길이나 굵기에 의존하는 인덕턴스성분(15a)을 가지며, 금속 와이어(9)도 동일한 인덕턴스 성분을 가지고 있다(도 3 참조).
상기 임피던스정합회로(10)의 등가회로는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 금속피막(12)의 커패시턴스 성분(12a)이 접지에 대해 병렬로 접속되며, 복수의 금속 와이어(9, 15)의 인덕턴스 성분(9a, 15a)이 직렬로 접속된 다단(多段)의 저역 통과 필터와 동일한 회로로 되어 있다.
신호출력부(21)에 대한 임피던스 정합을 행하려면, 복수의 금속피막(12)의 커패시턴스 성분(12a)을 조정하고, 금속 와이어(9, 15)의 인덕턴스 성분(9a, 15a)을 조정하며, 금속피막(13)의 커패시턴스 성분을 조정함으로써, 소정의 특성 임피던스의 값(예컨대, 50Ω)으로 설정한다.
기판(20)은, 예컨대, 페놀수지(베이클라이트), 유리섬유나 에폭시수지 등을 주제(主劑)로 하는 유전체 재료로 구성된 것이며, 기판상에 여러 가지의 회로패턴을 프린트할 수 있는 일반적인 것이다. 상기 기판(20)은 패키지(3)에 고정되어 있다. 참고로, 패키지(3)는 금속제의 재료로 형성된 것이다.
다음은, 광전변환모듈(1)의 특성에 대해 설명한다.
임피던스정합회로(10)를 가지는 광전변환모듈(1)의 반사 감쇠량 특성이 도 4에, 전송 손실 특성이 도 5에, 그리고 군 지연 특성이 도 6에 각각 도시되어 있다.
본 측정에 제공한 임피던스정합회로(10)에서는, 금속피막(12)의 수가 4이고, 금속피막(12)의 사이즈가 좌우 길이 1.2mm, 폭 0.15mm이고, 틈(11)의 크기가 0.05mm이고, 기판(20)의 두께가 0.25mm이며, 기판(20)을 구성하는 재료의 비유전율(比誘電率)은 9.8이다.
상기 광전변환모듈(1)에 임피던스정합회로(10)를 설치함으로써, 반사 감쇠량 특성에 대해서는, 임피던스정합회로를 설치하지 않은 경우에 비해 신호출력부(21)에 대한 임피던스 정합을 확실히 행할 수 있기 때문에, 반사 감쇠량 특성을, 예컨대, 신호 주파수 5GHz에서는 15dB, 10GHz에서는 9dB, 15GHz에서는 5dB 개선할 수 있다(도 4 참조).
전송 손실 특성에 대해서는, 임피던스정합회로(10)가 다단의 저역 통과 필터와 동일한 회로이므로, 전송대역내의 전송특성을 평탄화할 수 있기 때문에, 전송손실을, 예컨대, 신호 주파수 10GHz에서는 2dB, 15GHz에서는 3.4dB 개선할 수 있다(도 5 참조).
군 지연 특성에 대해서는, 금속피막(12)의 커패시턴스 성분과, 금속 와이어(9, 15)의 인덕턴스 성분을 적절히 조정함으로써, 위상의 선형성을 유지할 수 있어 군 지연 특성을 안정화시킬 수 있다. 예컨대, 신호 주파수가 1GHz 내지 20GHz인 주파수대역내에서, 군 지연을 12ps의 변동폭으로부터 7ps의 변동폭으로 개선할 수 있다(도 6 참조). 이와 같이, 임피던스정합회로(10)를 설치함으로써, 반사 감쇠량 특성이나 전송 손실 특성 및 군 지연 특성을 현저히 개선할 수 있다.
다음은, 상기 광전변환모듈(1)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
상기 광전변환모듈(1)은, 광통신의 수신측에 있어서, 우선, 광 파이버(5)로부터 전송되어 오는 광신호를, 광학렌즈(6) 등의 광학 시스템을 통해 효율적으로 광전변환소자(8)에 도입시킨다. 그런 다음, 상기 광전변환소자(8)에 의해 광신호를 효율적으로 전기신호로 변환하고, 그 전기신호를 임피던스정합회로(10)를 통해 신호출력부(21)에 전송시켜, 상기 신호출력부(21)로부터 광전변환모듈(1)의 외부로 출력한다.
여기서, 상기 임피던스정합회로(10)에서는, 복수의 금속피막(12)의 커패시턴스 성분과, 복수의 금속 와이어(9, 15)의 인덕턴스 성분과, 금속피막(13)의 커패시턴스 성분을 전술한 바와 같이 조정하고, 네트워크 에널라이저나 스미스 차트(Smith chart) 등을 사용하여 최적의 임피던스 값(예컨대, 50Ω 또는 75Ω)으로 조정함으로써, 신호출력부(21)에 대한 임피던스 정합을 적절히 행할 수 있다. 이와 같이 하여, 고주파의 전기신호의 전송손실을 감소시킬 수 있어, 반사 감쇠량 특성을 개선할 수 있다.
복수의 금속피막(12)과 금속 와이어(9, 15)에 의해 다단의 저역 통과 필터와 동일한 회로를 구성하므로, 일단의 저역 통과 필터에 비해, 고주파대역내의 전송특성의 평탄성을 향상시킬 수 있는 동시에, 개개의 커패시턴스 성분 및 인덕턴스 성분의 값을 낮게 억제하는 것이 가능해지고, 전기신호의 위상의 선형성을 유지시키기 쉬워, 군 지연 특성을 안정시킬 수 있다. 이와 같이 하여, 전송에 따른 전기신호의 파형 왜곡을 최대한 억제할 수 있다.
[제 2 실시예]
다음은, 제 2 실시예의 광전변환모듈(1A)에 대해 설명한다.
도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 광전변환모듈(1A)에 있어서의 제 1 실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 사용하며 그에 대한 설명은 생략한다. 상기 광전변환모듈(1A)에 있어서는, 광전변환소자(8)와 2개의 신호출력부(21) 사이에, 1개의 증폭기(30)와, 2개의 임피던스정합회로(10)가 설치되어 있다.
광전변환소자(8)의 출력전극(8a)에, 광전변환된 전기신호를 증폭하는 증폭기(30)가 접속되어 있다. 상기 증폭기(30)는, 광전변환소자(8)에 의해 변환된 단상의 전기신호를 증폭하는 동시에 그 단상의 신호를 차동신호로 변환하여, 2개의 신호출력부(21)로부터 광전변환모듈(1A)의 외부로 출력할 수 있다.
상기 증폭기(30)는 패키지(3)에 고정되고, 증폭기(30)의 입력전극(30a)은, 광전변환소자(8)의 출력전극(8a)에 금속 와이어(32)로 접속되며, 2개의 출력전극(30b)은, 2개의 임피던스정합회로(10)의 입력측의 금속피막(12)에 금속 와이어(33)로 접속되어 있다. 임피던스정합회로(10)는, 증폭기(30)의 출력전극(30b)과, 상기 출력전극(30b)에 인접하는 금속피막(12)을 접속하는 금속 와이어(33)를 포함하므로, 금속 와이어(33)의 길이나 굵기를 적절히 조정함으로써, 그 인덕턴스 성분을 조정할 수 있다.
[제 3 실시예]
다음은, 제 3 실시예의 광전변환모듈(1B)의 임피던스정합회로(10B)에 대해 설명한다. 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 광전변환모듈(1B)에 있어서의 제 1 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하며, 그에 대한 설명은 생략한다.
임피던스정합회로(10B)는, 복수의 금속피막(12)과, 복수의 금속 와이어(15; 금속접속선에 상당함)를 가지며, 제 1 실시예의 광전변환소자(8) 또는 제 2 실시예의 증폭기(30)에 상당하는 신호입력부(35)와 신호출력부(21B) 사이에 설치되어 있다. 상기 임피던스정합회로(10B)는 기판(20B)에 조립되어 있다. 복수의 금속피막(12)과 복수의 금속 와이어(15)는, 제 1 실시예와 동일하다.
상기 임피던스정합회로(10B)의 입력측의 금속피막(12)은, 금속 와이어(45)에 의해 신호입력부(35)에 전기적으로 접속되고, 임피던스정합회로(10B)의 출력측의 금속피막(12)은, 금속 와이어(46)에 의해 신호출력부(21B)의 리드선(22)의 선단부(22a)에 전기적으로 접속되어 있다. 이들 금속 와이어(45, 46)는, 임피던스정합회로(10B)에 포함된다. 상기 임피던스정합회로(10B)의 등가회로는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 다단의 저역 통과 필터와 동일한 회로로 되어 있다. 기판(20B)은, 패키지(3)에 고정되며, 복수의 금속피막(12) 중 인접하는 금속피막(12) 사이의 틈(11)에 있어서 기판(20B)의 표면에 절연용 홈(47)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 광전변환모듈(1B)의 특성에 대해 설명하기로 한다.
임피던스정합회로(10B)가 설치된 광전변환모듈(1B)의 반사 감쇠량 특성이 도 11에, 전송 손실 특성이 도 12에, 그리고 군 지연 특성이 도 13에 각각 도시되어 있다. 참고로, 본 측정에 제공한 임피던스정합회로(10B)에 있어서, 절연용 홈(47)은 폭이 0.25mm, 깊이가 0.05mm이다. 금속피막(12)과 금속 와이어(15)는, 제 1 실시예와 동일하다.
상기 광전변환모듈(1B)에 임피던스정합회로(10B)를 설치함으로써, 임피던스정합회로(10B)를 설치하지 않은 경우에 비해, 신호출력부(21)에 대한 임피던스 정합을 확실히 행할 수 있기 때문에, 반사 감쇠량 특성을 개선할 수 있다. 예컨대, 신호 주파수 5GHz에서는 14dB, 10GHz에서는 13dB, 15GHz에서는 4dB을 개선할 수 있다(도 11 참조).
전송 손실 특성에 대해서는, 임피던스정합회로(10B)가 다단의 저역 통과 필터와 동일한 회로로 되어 있으므로, 전송대역내의 전송특성을 평탄화할 수 있어, 전송손실을 감소시킬 수 있다. 예컨대, 신호 주파수 10GHz에서는 2.6dB, 15GHz에서는 3dB을 개선할 수 있다(도 12 참조).
군 지연 특성에 대해서는, 금속피막(12)의 커패시턴스 성분과, 금속 와이어(15, 45, 46)의 인덕턴스 성분을 적절히 조정함으로써, 위상의 선형성을 유지할 수 있어 군 지연 특성을 안정화시킬 수 있다. 예컨대, 신호 주파수 1GHz 내지 20GHz의 주파수대역내에서, 군 지연 12ps의 변동폭으로부터 6ps의 변동폭으로 개선할 수 있다(도 13 참조). 이와 같이 하여, 복수의 금속피막(12)을 가지는 임피던스정합회로(10B)를 설치함으로써, 반사 감쇠량 특성과, 전송 손실 특성과, 군 지연 특성을 개선할 수 있다.
상기 광전변환모듈(1B)의 작용 및 효과에 대해 설명하면, 다음과 같다.
기판의 표면에 절연용 홈(47)을 형성하였으므로, 인접하는 금속피막(12)들의 절연상태를 강화할 수 있다. 기판(20B)이, 신호출력부(21B)와 땜납 등의 도전성 재료로 직접 접속되어 있지 않기 때문에, 개개의 부품의 제작이 용이해져, 임피던스정합회로(10B)가 조립된 기판(20B)을 단일체로서 시판할 수 있게 된다. 다른 효과에 대해서는, 제 1 실시예와 거의 동일한 효과를 나타내므로, 설명을 생략한다.
여기서, 상기한 임피던스정합회로(10B)에 있어서, 상기 절연용 홈(47)에, 기판(20B)을 형성하는 재료보다 낮은 유전율의 유전체(예컨대, 산화알루미늄 등)을 충전하는 것이 바람직하다. 이 경우, 인접하는 금속피막(12)들의 절연상태를 한층 더 강화할 수 있다.
[제 4 실시예]
다음은, 제 4 실시예의 광전변환모듈(1C)의 임피던스정합회로(10C)에 대해 설명한다. 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, 임피던스정합회로(10C)는, 복수의 금속피막(51)과, 금속피막(51) 사이에 형성된 틈(53)과, 인접하는 금속피막(51)을 접속하는 복수의 선형상의 접속선 피막(52; 금속접속선에 상당함)이며 금속피막(51)과 일체인 복수의 접속선 피막(52)과, 금속 와이어(55, 56) 등을 가지며, 이들은 기판(20C)상에 일체적으로 형성되어 있다. 금속피막(51)은 상기 금속피막(12)과 동일한 것이며, 접속선 피막(52)은 상기 금속 와이어(15)와 동일한 기능을 나타내는 것이다.
임피던스정합회로(10C)의 입력측의 금속피막(51)은, 금속 와이어(55)에 의해 제 1 실시예의 광전변환소자(8) 또는 제 2 실시예의 증폭기(30)에 상당하는 신호입력부(35)에 접속되어 있고, 임피던스정합회로(10C)의 출력측 금속피막(51)은, 금속 와이어(56)에 의해 신호출력부(21C)의 리드선(22)의 선단부(22a)에 접속되어 있다. 이들 금속 와이어(55, 56)는, 임피던스정합회로(10C)에 포함되어 있다.
상기 광전변환모듈(10C)의 작용 및 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
접속선 피막(52)의 폭이나 막 두께를 적절히 조정함으로써, 접속선 피막(52)의 인덕턴스 성분을 조정할 수 있다. 복수의 금속피막(51)과 복수의 접속선 피막(52)을 동일공정에 의해 기판(20C) 상에 일체적으로 형성할 수 있으므로, 부품수를 삭감하여 제작비용을 경감시킬 수 있다. 또한, 신호출력부(21C)가 기판(20C)에 직접 접속되어 있지 않기 때문에, 구조가 간단해진다.
다음은, 상기의 임피던스정합회로(10C)를 부분적으로 변경한 변경예에 대해 설명한다. 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같이, 복수의 금속피막(51) 중 인접하는 금속피막(51) 사이의 틈(53)에 있어서, 기판(20C)의 표면에 복수의 절연용 홈(57)이 형성된다. 상기 절연용 홈(57)에 의해 인접하는 금속피막(51)들의 절연상태를 강화할 수 있다. 참고로, 이들 절연용 홈(57)에, 기판(20C)을 형성하는 재료보다 낮은 유전율의 유전체(예컨대, 산화알루미늄 등)를 충전하는 것이 바람직하다. 이 경우, 인접하는 금속피막(51)들의 절연상태를 한층 더 강화할 수 있다.
[제 5 실시예]
다음은, 제 5 실시예에 따른 광전변환모듈(1D)의 임피던스정합회로(10D)에 대해 설명한다. 단, 제 1 실시예와 동일한 것에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하며 설명은 생략한다.
도 18 및 도 19에 나타낸 바와 같이, 임피던스정합회로(10D)는, 마이크로스트립 형상의 금속피막(61)과 금속 와이어(62)를 가진다. 상기 금속피막(61)은 기판(20D)의 표면에 형성되며 또한 신호출력부(21D)에 직접 접속되어 있다. 금속 와이어(62)는, 광전변환소자(8)의 출력전극(8a)과 금속피막(61)을 전기적으로 접속하고 있다.
상기 마이크로스트립 형상의 금속피막(61)의 출력측에는, 대략 원형인 접속부(61a)가 형성되며, 기판(20D)을 관통한 신호출력부(21D)의 리드선의 선단부(22a)에 땜납 등에 의해 직접 접속되어 있다. 상기 접속부(61a)의 직경을 크게 할수록 접속부(61a)의 인덕턴스 성분을 감소시킬 수 있다. 기판(20D)의 폭은 금속피막(61)의 폭의 3배이상으로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 광전변환모듈(1D)의 특성에 대해 설명하면 다음과 같다.
임피던스정합회로(10D)를 조립한 광전변환모듈(1D)의 반사 감쇠량 특성이 도 20에, 전송 손실 특성이 도 21에, 그리고 군 지연 특성이 도 22에 각각 도시되어 있다. 참고로, 본 측정에 제공한 임피던스정합회로(10D)에 있어서, 금속피막(61)의 폭은 0.24mm, 특성 임피던스는 약 50Ω, 접속부(61a)의 직경은 0.4mm이다. 기판(20D)의 두께는 0.25mm이며, 기판(20D)을 구성하는 재료의 비유전율은 9.8이다.
상기 광전변환모듈(1D)에 임피던스정합회로(10D)를 설치함으로써, 반사 감쇠량 특성에 대해서는, 임피던스정합회로(10D)를 설치하지 않는 것에 비해 신호출력부(21D)에 대한 임피던스 정합을 확실하게 행할 수 있다. 예컨대, 반사 감쇠량을, 신호 주파수 5GHz에서는 6dB, 10GHz에서는 4dB, 15GHz에서는 3dB 개선할 수 있다(도 20 참조).
전송 손실 특성에 대해, 마이크로스트립 형상의 금속피막(61)은 커패시턴스 성분이나 인덕턴스 성분이 안정되어 있으므로, 전송대역내의 전송특성을 평탄화할 수 있다. 전송손실을, 예컨대, 신호 주파수 10GHz에서는 1.8dB, 15GHz에서는 2.5dB 개선할 수 있다(도 21 참조).
군 지연 특성에 대해, 마이크로스트립 형상의 금속피막(61)은, 위상의 선형성을 유지할 수 있어 군 지연 특성을 안정시키기 쉽다. 예컨대, 1GHz 내지 20GHz의 주파수대역내에서, 군 지연을 12ps의 변동폭으로부터 3ps의 변동폭으로 개선할 수 있다(도 22 참조). 이와 같이, 임피던스정합회로(10D)를 설치함으로써, 반사 감쇠량 특성, 전송 손실 특성 및 군 지연 특성을 상당히 개선할 수 있다.
상기 광전변환모듈(1D)의 작용 및 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
마이크로스트립 형상의 금속피막(61)을 가지므로, 도체폭이나 막 두께 등으로부터 특성 임피던스를 근사적으로 계산할 수 있다. 금속피막(61)이 신호출력부(21D)에 직접 접속되어 있으므로, 접속부(61a)의 인덕턴스 성분을 충분히 감소시킬 수 있다. 이 때문에, 금속피막(61)의 사이즈를 적절히 조정함으로써, 신호출력부(21D)에 대한 임피던스 정합을 확실히 행할 수 있으며, 고주파의 전기신호의 전송손실을 억제할 수 있어, 반사 감쇠량 특성을 개선할 수 있다.
마이크로스트립 형상의 금속피막(61)의 커패시턴스 성분과 인덕턴스 성분을 안정시킬 수 있어, 고주파대역내의 전송특성의 평탄성이 향상되며, 위상의 선형성을 유지시키기 쉬워, 군 지연 특성을 안정시킬 수 있다. 이 때문에, 전송에 따른 전기신호의 파형 왜곡을 최대한 억제할 수 있다.
[제 6 실시예]
다음은, 제 6 실시예에 따른 광전변환모듈(1E)에 대해 설명한다.
도 23 및 도 24에 나타낸 바와 같이, 상기 광전변환모듈(1E)에 있어서, 광학렌즈(6), 광전변환소자(8), 광전변환된 전기신호를 증폭하는 증폭기(30)는 제 2 실시예와 동일하므로, 동일한 것에 대해서는 동일부호를 사용하며 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 증폭기(30)의 2개의 출력전극(30b)은, 금속 와이어(66)에 의해 2개의 임피던스정합회로(10E)의 금속피막(65)에 각각 접속되어 있다. 각 임피던스정합회로(10E)는, 마이크로스트립 형상의 금속피막(65)과, 증폭기(30)의 출력전극(30b)과 금속피막(65)을 접속하는 금속 와이어(66) 등으로 구성되어 있다.
금속피막(65)의 단부에는 대략 원형인 접속부(61a)가 형성되며, 기판(20E)을 관통한 신호출력부(21E)의 리드선의 선단부(22a)에 땜납 등에 의해 직접 접속되어 있다. 금속피막(65)의 도체 폭이나 길이를 적절히 조정함으로써, 금속피막(65)의 커패시턴스 성분을 조정할 수 있고, 또한, 금속 와이어(66)의 길이나 굵기를 조정함으로써, 금속 와이어(66)의 인덕턴스 성분을 조정할 수 있어, 신호출력부(21)에 대한 임피던스 정합을 확실히 행할 수 있다. 제 6 실시예에 따르면, 제 5 실시예의 광전변환모듈(1D)과 거의 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.
다음은, 상기의 실시예를 부분적으로 변경한 변경예에 대해 설명한다.
1) 임피던스정합회로의 복수의 금속피막의 수와 복수의 금속접속선의 수량이나 형상은, 반드시 일정할 필요는 없으며, 요구되는 사양에 따라서 그 수량이나 형상을 적절히 변경해도 된다.
2) 당업자라면 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위내에서 상기의 실시예에 여러 가지의 변경을 부가한 형태로 실시할 수 있으며, 본 발명은 이러한 변경된 형태도 포함하는 것이다.
산업상 이용가능성
본 발명의 광전변환모듈은, 광통신에 있어서의 다양한 수신측의 광전변환모듈에 적용이 가능하며, 다단 저역 통과 필터나 마이크로스트립 형상의 금속피막이 조립된 임피던스정합회로를 설치하기 때문에, 임피던스 부정합에 의한 반사 감쇠량을 감소시켜, 고주파대역내의 전송특성의 평탄성을 향상시키는 동시에 위상의 선형성을 유지함으로써 군 지연 특성을 안정화시킨다.
1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E : 광전변환모듈
5 : 광 파이버
8 : 광전변환소자
8a : 출력전극
10, 10B, 10C, 10D, 10E : 임피던스정합회로
12 : 금속피막
13 : 금속피막
15 : 금속 와이어
20, 20B, 20C, 20D, 20E : 기판
21, 21B, 21C, 21D, 21E : 신호출력부
22 : 리드선

Claims (12)

  1. 광 파이버에 의해 송신되어 오는 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환소자와, 광전변환된 전기신호를 외부로 출력하는 신호출력부를 가지는 광전변환모듈로서,
    상기 광전변환소자 또는 광전변환소자에 접속된 증폭기와 상기 신호출력부 사이에 설치된 임피던스정합회로와, 상기 임피던스정합회로를 조립한 기판을 설치하고,
    상기 임피던스정합회로는, 상기 기판의 표면에 틈을 두고 형성된 복수의 금속피막과, 이들 금속피막 중 인접하는 금속피막들을 전기적으로 접속하는 복수의 금속접속선과, 상기 임피던스정합회로의 입력측에 있어서 상기 광전변환소자 또는 광전변환소자에 접속된 증폭기에 인접하는 상기 금속피막을 상기 광전변환소자 또는 광전변환소자에 접속된 증폭기에 접속하는 금속 와이어를 가지며,
    복수의 금속피막 중 인접하는 금속피막 사이의 틈에 있어서, 상기 기판의 표면에 절연(isolation)용 홈을 형성한 것을 특징으로 하는 광전변환모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 절연용 홈에, 상기 기판을 형성하는 모재(母材)보다 낮은 유전율의 유전체를 충전한 것을 특징으로 하는 광전변환모듈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 금속접속선은 금속 와이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 금속접속선은 상기 금속피막과 일체인 선형상 금속피막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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