KR101469249B1 - 광 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상부에 광소자 칩이 구비된 기판과, 적어도 하나의 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀에 상기 광소자 칩이 삽입되도록 상기 기판 상에 결합되는 스페이서와, 상기 관통홀을 폐쇄하도록 상기 스페이서 상에 결합되는 덮개와, 상기 덮개 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 결합되는 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유를 통해 전달되는 빛을 상기 광소자 칩으로 입사시키거나, 상기 광소자 칩에서 방출되는 빛을 상기 광섬유로 입사시키도록 구성됨으로써, 광 모듈의 소형화가 가능하고, 대량 생산으로 광 모듈의 단가를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

광 모듈 및 그 제조방법{OPTICAL MODULE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 광 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형화가 가능하고, 대량 생산으로 단가를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 다양한 형태의 광 송수신모듈 및 패키징(Packaging)이 가능하도록한 광 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

정보화시대가 도래하면서 많은 양의 정보를 전송할 수 있는 광을 이용한 광 모듈에 대한 필요성이 제기되고 있다. 그 중에서 광을 이용한 광 모듈은 모듈 자체가 가지고 있는 특성이 우수하여야 할 뿐만 아니라 오랜 시간 동안 자체의 특성을 유지해야 하는 높은 신뢰성이 요구된다.

FTTH(Fiber To The Home)의 구현을 위한 광 모듈의 보급을 촉진하기 위해서는 저렴한 가격이 유지되어야만 한다. 특히, 광 전송시스템의 용량이 커짐에 따라 광 전송시스템에 탑재되는 광 모듈의 크기를 줄여 단위 면적 당 탑재할 수 있는 모듈의 수량을 늘이려는 노력이 계속적으로 진행되고 있다.

한편, 기존의 광 모듈로는 플랫폼(Platform) 형태의 기판 상면에 광소자 및 전자소자를 집적하여 금속 케이스(case)에 집어넣은 버터플라이(Butterfly) 구조와, 광 송신 및 수신 등의 기능을 수행할 수 있는 능동 소자(예를 들면, 포토 다이오드나 레이저 다이오드 등)들이 집적된 스템 상면을 덮는 티오 캔(TO-CAN) 구조 등이 있다.

상기 티오 캔(TO-CAN) 구조를 갖는 광 모듈은 그 제작 단가가 낮아서, 다양한 형태의 초고속 광통신 시스템에 널리 적용되고 있지만, 티오 캔(TO-CAN) 패키지 자체의 부피를 줄이는데 한계가 있어 광 모듈의 소형화를 위해서는 새로운 구조의 광 모듈이 필요하다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소형화가 가능하고, 대량 생산으로 단가를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 다양한 형태의 광 송수신모듈 및 패키징(Packaging)이 가능하도록 한 광 모듈 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 상부에 광소자 칩이 구비된 기판; 적어도 하나의 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀에 상기 광소자 칩이 삽입되도록 상기 기판 상에 결합되는 스페이서; 상기 관통홀을 폐쇄하도록 상기 스페이서 상에 결합되는 덮개; 및 상기 덮개 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 결합되는 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유를 통해 전달되는 빛을 상기 광소자 칩으로 입사시키거나, 상기 광소자 칩에서 방출되는 빛을 상기 광섬유로 입사시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 모듈을 제공하는 것이다.

여기서, 상기 기판 상에 상기 광소자 칩과 전기적으로 접속되도록 전극패턴이 더 형성됨이 바람직하다.

바람직하게, 상기 전극패턴에 전기적으로 접속되도록 전자소자 칩이 더 구비되되, 상기 전자소자 칩은 상기 광소자 칩의 하부 또는 주변에 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 기판의 적어도 일 측면은 상기 스페이서의 측면 외측으로 돌출 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 광섬유는 상기 덮개 상에 투명한 에폭시를 통해 고정 결합될 수 있다.

바람직하게, 상기 덮개의 상면 및 하면에 무반사 광학 코팅층이 더 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 덮개의 상면 또는 하면에 상기 광섬유의 결합 위치와 대응되도록 렌즈가 더 형성되되, 상기 렌즈가 상기 덮개의 상면에 형성될 경우, 상기 렌즈와 상기 광섬유간에 일정간격 이격되도록 투명한 에폭시를 통해 고정 결합될 수 있다.

바람직하게, 상기 덮개의 상면 또는 하면에 상기 광섬유의 결합 위치와 대응되도록 일정각도의 경사면을 갖는 요홈부 또는 돌출부가 더 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 요홈부 또는 돌출부가 형성되는 반대면에 상기 광섬유의 결합 위치와 대응되도록 렌즈가 더 형성되되, 상기 렌즈가 상기 덮개의 상면에 형성될 경우, 상기 렌즈와 상기 광섬유간에 일정간격 이격되도록 투명한 에폭시를 통해 고정 결합될 수 있다.

바람직하게, 별도의 회로기판에 상기 기판을 표면 실장하여 상기 회로기판을 포함한 기판, 스페이서, 덮개 및 광섬유의 일부분을 몰딩 처리할 경우, 상기 광섬유의 손상을 방지하기 위하여 상기 광섬유를 감싸도록 보호튜브가 더 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 광섬유를 통과하여 상기 광소자 칩에 입사된 빛이 상기 광섬유로 되반사되는 것을 방지하기 위하여 상기 광섬유의 단면이 광축에 수직 절단되거나 경사면으로 절단되어 상기 덮개 상에 일정각도로 기울어지도록 결합될 수 있다.

바람직하게, 상기 광섬유를 통해 전달되는 여러 파장의 빛 중에서 특정파장의 빛을 통과시키도록 상기 덮개의 상면 또는 하면에 파장 선택형 필터가 더 코팅될 수 있다.

바람직하게, 상기 덮개의 상면 또는 하면에 광학 반사막이 더 형성되고, 상기 광섬유를 V자 형태로 결합함으로써, 어느 한 방향의 광섬유로 전달되는 빛 중에서 특정파장의 빛을 상기 광소자 칩으로 통과시키고, 나머지 빛을 다른 한 방향의 광섬유로 되반사시키거나, 어느 한 방향의 광섬유로 전달되는 동일한 파장 빛의 일부분을 상기 광소자 칩으로 통과시키고, 나머지 빛을 다른 한 방향의 광섬유로 되반사시킬 수 있다.

바람직하게, 상기 광소자 칩은 상기 기판 상에 어레이 형태로 배열하여 결합될 수 있다.

본 발명의 제2 측면은, 상부에 광소자 칩이 구비된 기판; 상기 광소자 칩이 몰딩되도록 상기 기판의 전면에 형성된 스페이서층; 및 상기 스페이서층 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 결합되는 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유를 통해 전달되는 빛을 상기 광소자 칩으로 입사시키거나, 상기 광소자 칩에서 방출되는 빛을 상기 광섬유로 입사시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 모듈을 제공하는 것이다.

바람직하게, 상기 광섬유는 상기 스페이서층 상에 투명한 에폭시를 통해 고정 결합될 수 있다.

본 발명의 제3 측면은, 상부에 광소자 칩이 구비된 기판; 적어도 하나의 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀에 상기 광소자 칩이 삽입되도록 상기 기판 상에 결합되는 스페이서; 및 상기 관통홀을 폐쇄하도록 상기 스페이서 상에 결합되는 덮개를 포함하는 광 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 제4 측면은, 기판 상에 적어도 하나의 광소자 칩을 결합하는 단계; 적어도 하나의 관통홀을 갖는 스페이서를 마련한 후, 상기 관통홀에 상기 광소자 칩이 삽입되도록 상기 스페이서를 상기 기판 상에 결합하는 단계; 상기 관통홀을 폐쇄하도록 덮개를 결합하는 단계; 및 상기 덮개 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 투명한 에폭시를 이용하여 광섬유를 결합하는 단계를 포함하는 광 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.

바람직하게, 상기 광소자 칩은 상기 기판 상에 어레이 형태로 배열하여 결합할 수 있다.

본 발명의 제5 측면은, 복수의 단위소자 영역으로 정의된 기판을 마련하는 단계; 각 단위소자 영역의 기판 상에 광소자 칩을 각각 배열하여 결합하는 단계; 복수의 관통홀을 갖는 스페이서층을 마련한 후, 상기 스페이서층의 각 관통홀에 각 광소자 칩이 삽입되도록 상기 스페이서층을 상기 기판 상에 결합하는 단계; 상기 스페이서층의 각 관통홀을 폐쇄하도록 덮개층을 결합하는 단계; 적어도 하나의 단위소자 영역으로 절단하는 단계; 및 상기 절단된 단위소자 영역의 덮개층 상에 각 광소자 칩의 위치와 대응되도록 투명한 에폭시를 이용하여 광섬유를 각각 배열하여 결합하는 단계를 포함하는 광 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.

바람직하게, 상기 덮개의 상면 또는 하면에 광학 반사막을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 광섬유를 제1 및 제2 광섬유로 분리한 후, 상기 제1 광섬유를 통해 전달되는 빛 중에서 특정파장의 빛이나 동일한 파장 빛의 일부분이 상기 광소자 칩에 입사되도록 상기 제1 광섬유를 상기 덮개 상에 일정각도로 기울어지게 정렬하여 결합한 상태에서 상기 광학 반사막을 통해 반사되는 빛이 상기 제2 광섬유에 입사되도록 상기 제2 광섬유를 상기 덮개 상에 일정각도 기울어지게 정렬한 다음, 투명한 에폭시를 이용하여 고정 결합할 수 있다.

바람직하게, 상기 덮개의 상면 또는 하면에 광학 반사막을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 광섬유를 V자 형태로 제작하여 상기 광섬유의 밑면을 평평하게 연마한 후, 상기 광섬유의 연마된 밑면을 상기 덮개 상에 투명한 에폭시를 이용하여 고정 결합함으로써, 어느 한 방향으로 기울어진 광섬유를 통해 전달되는 빛 중에서 특정파장의 빛이나 동일한 파장 빛의 일부분을 상기 광소자 칩에 입사시킴과 아울러 상기 광학 반사막을 통해 반사되는 빛을 다른 한 방향으로 기울어진 광섬유에 입사시킬 수 있다.

본 발명의 제6 측면은, 기판 상에 적어도 하나의 광소자 칩을 결합하는 단계; 상기 광소자 칩이 몰딩되도록 상기 기판의 전면에 투명한 에폭시를 사용하여 스페이서층을 형성하는 단계; 및 상기 스페이서층 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 투명한 에폭시를 이용하여 광섬유를 결합하는 단계를 포함하는 광 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 광 모듈 및 그 제조방법에 따르면, 소형화가 가능하고, 반도체 공정을 사용하여 필요한 부품을 제조하므로 동일한 규격의 부품을 대량 생산할 수 있어 단가를 줄일 수도 있을 뿐만 아니라 다양한 형태의 광 송수신모듈 및 패키징(Packaging)이 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 광섬유를 절단(as-cleaved) 상태로 사용할 수 있어 통상적으로 광섬유를 광소자와 정렬하기 위해 사용되는 광섬유 페룰(ferrule)을 사용하지 않아도 되어 원가 절감과 소형화에 유리한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 어레이형(배열형) 소자로 만들 때에 크기를 대폭 줄일 수 있고, 표면 실장형의 광소자를 만들 수 있을 뿐만 아니라 개별 광 모듈별로 패키징을 할 수도 있으며, 웨이퍼 레벨(Wafer Level)로 패키징을 할 수도 있는 이점이 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 설명하기 위한 분리 사시도, 결합 사시도 및 결합 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 기판 구조의 다른 예를 나타낸 광 모듈의 결합 사시도이다.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 적용된 덮개 구조의 다양한 예들을 나타낸 단면도이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 적용된 광섬유의 다양한 결합구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 적용된 덮개 및 광섬유 구조의 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 적용된 광소자 칩과 전자소자 칩의 결합구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 외부의 회로기판에 표면 실장하여 몰딩 처리한 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 모듈의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 21 내지 도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 제조방법을 설명하기 위한 사시도 및 단면도들이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 설명하기 위한 분리 사시도, 결합 사시도 및 결합 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 기판 구조의 다른 예를 나타낸 광 모듈의 결합 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈은 크게, 기판(100), 스페이서(Spacer)(200), 덮개(300) 및 광섬유(400)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 기판(100)은 예컨대, 사각판 형상으로 그 상부에 광소자 칩(130)이 구비되어 있으며, 스페이서(200)와 덮개(300)를 고정시키는 기반이 된다. 이러한 기판(100)의 재질로는 예컨대, 반도체(Semiconductor), 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB), 세라믹(Ceramic), 유리(Glass) 또는 플라스틱(Plastic) 등을 사용할 수 있다.

또한, 기판(100) 상에는 광소자 칩(130) 또는 광소자 칩(130)과 전자소자 칩(150, 도 17 및 도 18 참조)을 연결할 수 있도록 예컨대, 다이 본딩(Die Bonding) 및 와이어 본딩(Wire Bonding) 등을 할 수 있는 복수의 전극(111)으로 이루어진 전극패턴(110)이 형성될 수 있다. 이러한 전극패턴(110)은 외부의 회로와 전기적인 접속을 용이하게 할 수 있도록 기판(100)의 일측면으로 연장되어 형성됨이 바람직하다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(100)은 스페이서(200)보다 약간 크게 하여 다른 회로와 연결시키기 위한 전극(111)들을 스페이서(200)의 외측으로 노출시킬 수도 있고, 비아홀(Via Hole)을 사용하여 웨이퍼 레벨(Wafer Level)로 패터닝을 하고 상기 비아홀을 중심으로 다이싱(Dicing)하여 내부의 전극(111)이 자연스럽게 연결될 수 있도록 할 수도 있다.

한편, 두 개의 전극(111)만을 필요로 하는 단순한 포토다이오드(Photo Diode, PD)나 표면 발광 레이저다이오드(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode, VCSLE)와 같은 단순 레이저다이오드(Laser Diode, LD)의 경우에는 기판(100) 상에 두 개의 전극(111)으로 이루어진 전극패턴(110)만 있으면 되며, 여러 전극(111)이 필요한 TIA(Transimpedance Amplifier)가 집적된 포토다이오드 광 모듈이나, 레이저다이오드(LD)에 모니터 포토다이오드(Monitor PD)가 필요한 경우에는 필요한 수만큼의 전극(111)을 형성하면 된다.

다른 한편, 기판(100)과 스페이서(200), 스페이서(200)와 덮개(300)의 결합은 예컨대, 에폭시(Epoxy), 솔더(Solder) 또는 금속(Metal) 등을 사용하여 단단히 접착할 수 있다. 이때, 솔더나 금속을 사용할 경우, 접착하고자 하는 양 접촉면에 통상의 반도체 공정을 사용하여 필요한 모양의 금속 또는 솔더패턴(120)을 형성 또는 증착하여 접착시킬 수 있다. 이 경우 전극패턴(110)과 솔더패턴(120) 사이에는 추가의 절연층 형성이 필요하다.

스페이서(200)는 높이 조절을 위한 중간층으로서, 광소자 칩(130)과 광섬유(400)의 광 결합을 일정하게 유지하기 위한 층이다.

이러한 스페이서(200)는 기판(100)의 평면으로부터 일정한 높이를 갖는 기둥 형태(예컨대, 사각기둥, 원통형, 육각기둥 등)로 이루어지는 바, 상면과 하면의 일정영역(바람직하게, 중앙부분)을 관통하도록 관통홀(250)이 형성되어 있으며, 이러한 관통홀(250)은 기판(100)과의 결합 시 광소자 칩(130)이 삽입되어 외부로부터 광소자 칩(130)을 보호하는 기능과 광소자 칩(130), 덮개(300) 및 광섬유(400)로 구성되는 결합 광학계의 적절한 거리 설정을 하는 기능을 수행한다.

또한, 관통홀(250)의 크기는 광소자 칩(130)과 일정간격 이격되어 삽입될 수 있도록 광소자 칩(130)보다 크게 형성됨이 바람직하다.

한편, 스페이서(200)의 재질은 예컨대, 금속, 유리, 플라스틱, 폴리머, 세라믹 또는 반도체 등을 사용할 수 있으며, 특히 단단하면서 기판(100)이나 덮개(300)와 가깝거나 유사한 선팽창계수를 갖는 물질을 사용하는 것이 유리하다.

덮개(300)는 스페이서(200)의 관통홀(250)을 폐쇄하도록 스페이서(200) 상에 결합되며, 통상 사각판 형상을 갖는다.

이러한 덮개(300)는 사용하고자 하는 광원의 파장에서 투명한 물질을 사용하며, 양면이 연마(Polishing)된 유리, 플라스틱 또는 반도체 기판 등이 가능하다. 예를 들어, 실리콘, InP, GaAs와 같은 반도체 기판의 경우, 가시광선 영역에서는 불투명하지만, 장파장 광통신용 파장인 약 1.3um, 1.5um 대역에서는 빛을 통과하므로 본 발명의 덮개(300)로 사용할 수 있다. 한편, 도면에 도시되진 않았지만, 덮개(300)는 연마된 양면에 무반사 코팅을 수행하여 반사 손실을 줄여서 사용하는 것이 유리하다.

그리고, 광섬유(400)는 통상적으로 빛을 이용하여 정보를 전달하기 위한 것으로서, 덮개(300) 상에 광소자 칩(130)의 위치와 대응되도록 정렬하여 예컨대, 투명한 에폭시(450)를 통해 결합되어 있다.

이와 같이 덮개(300)에 광섬유(400)가 고정되어 광소자 칩(130)으로 빛을 입사시키거나, 반대로 광소자 칩(130)에서 방출되는 빛을 광섬유(400)로 입사시키게 된다.

예를 들어, 광소자 칩(130)이 수광소자인 포토다이오드(PD)인 경우에는 광섬유(400)에서 출력되는 빛이 포토다이오드(PD)에 최대한 결합(Coupling)되도록 정렬을 하며, 광소자 칩(130)이 레이저다이오드(LD)나 발광다이오드(LED)와 같은 발광소자일 경우에는 광소자 칩(130)에서 방출되는 빛이 광섬유(400)로 최대한 결합되도록 광섬유(400)를 정렬하여 투명한 에폭시(450)로 고정시킨다.

이때, 광섬유(400)의 정렬은 능동정렬(Active Alignment) 또는 수동정렬(Passive Alignment) 방법을 모두 사용할 수 있다. 상기 수동정렬의 경우에는 기판(100)에 부착된 광소자 칩(130)과의 정밀한 정렬을 위하여 필요한 패턴들이 기판(100)과 덮개(300)에 형성되어야 한다.

상기 능동정렬의 경우에는 기판(100)에 고정된 광소자 칩(130)으로부터 방출된 광원의 빛이 실제 광섬유(400)로 결합되거나, 또는 광섬유(400)에서 출력되는 빛이 포토다이오드(PD)에 최대한 결합되는 위치를 찾아서 투명한 에폭시(450)로 경화하여 고정시키면 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈은, 광소자 칩(130)이 부착된 기판(100), 스페이서(200) 및 덮개(300)를 차례로 적체한 후, 광소자 칩(130)의 위치와 대응되도록 광섬유(400)를 정렬하여 사용하고자 하는 파장에서(또는 투과시키고자 하는 파장에서) 투명한 에폭시(450)를 이용하여 덮개(300) 상에 고정하면 완성된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈은 기판(100), 스페이서(200), 덮개(300) 및 광섬유(400)를 결합하여 구성하였지만, 이에 국한하지 않으며, 광섬유(400)를 부착하지 않고 PLC(Planar Lightwave Circuits)기판의 출력이나 입력 도파로(Waveguide)에 바로 붙여서 사용할 수도 있다.

다른 한편, 광소자 칩(130)과 광섬유(400)의 광 결합 효율은, 덮개(300)의 형상 및 두께, 스페이서(200)의 두께 및 구조물 내에서의 광소자 칩(130)의 위치에 의하여 결정될 수 있다.

도 5 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 적용된 덮개 구조의 다양한 예들을 나타낸 단면도이다.

도 5 내지 도 11을 참조하면, 포토다이오드(PD)로 이루어진 광소자 칩(130)의 수광 면적이 충분히 클 경우에는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 양면이 편평한 덮개(300)를 사용하고, 단면이 수직 절단된 광섬유(400)를 바로 부착하여 사용할 수 있다. 또한, 덮개(300)에는 필요에 따라 덮개(300)의 양면에 무반사 광학 코팅(Anti-Reflection Optical Coating)을 형성하여 사용할 수도 있다.

한편, 좀더 많은 광량을 포토다이오드(PD)에 결합시키거나, 표면 발광 레이저다이오드(VCSEL)와 발광다이오드(LED)와 같은 표면 방출형 광원 빛의 광섬유 결합효율을 향상시키기 위하여, 덮개(300)에는 렌즈(310a 및 310b)를 형성하여 사용할 수 있다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 덮개(300)의 하면(광섬유가 부착되는 면의 반대면)에 렌즈(310a)를 형성할 수 있고, 도 6에 도시된 바와 같이, 덮개(300)의 상면(광섬유가 부착되는 면)에 렌즈(310b)를 형성할 수도 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이, 덮개(300)의 상면 및 하면에 렌즈(310a 및 310b)를 형성할 수도 있다.

이때, 덮개(300)의 상면에 렌즈(310b)가 형성될 경우, 렌즈(310b)와 광섬유(400)간에 일정간격 이격되도록 투명한 에폭시(450)를 통해 고정 결합됨이 바람직하다.

이와 같은 렌즈(310a 및 310b)는 반도체 공정의 식각 공정을 사용하여 쉽게 제작할 수 있다. 이 때에도 필요에 따라 덮개(300)의 상면 및 하면에 무반사 광학코팅을 형성하여 사용할 수 있음은 물론이다.

또한, 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 덮개(300) 부분의 형상을 변경하여 광섬유(400)로 되반사되는 빛의 양을 효과적으로 줄일 수 있다.

즉, 도 8은 덮개(300)의 하면에 요홈 형태의 경사면(320)을 형성한 일 실시예로서, 이와 같은 구조의 덮개(300)를 사용하면 광섬유(400)의 광축에 수직으로 절단면을 형성한 광섬유(400)를 사용하면서도, 광소자 칩(130)에서 되반사되어 오는 빛이 광섬유(400)로 재입사되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.

이때, 반사광을 효과적으로 차단할 수 있는 경사면(320)의 각도(θ')는, 광소자 칩(130)과 덮개(300)사이의 거리, 덮개(300)의 굴절율, 원하는 편광 의존성, 원하는 반사광 차단 정도에 따라 달라지며, 통상 덮개(300)의 굴절율이 약 1.5정도인 유리재질일 경우 경사면(320)의 각도(θ')는 약 6도에서 10도 정도가 사용되며, 굴절율이 약 3.4 정도인 실리콘 반도체일 경우 경사면(320)의 각도(θ')는 약 2도에서 4도 정도면 충분하다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 경사면(320)이 형성된 상태에서 덮개(300)의 상면(광섬유가 부착되는 면)에 도 6과 같은 렌즈(310b)를 형성하여 광섬유(400)로 입사된 빛이 광소자 칩(130)에 결합되는 효율이나, 반대로 광소자 칩(130)에서 발광되는 빛이 광섬유(400)로 결합되는 효율을 향상시키도록 할 수도 있다.

이와 같은 덮개(300)의 형상은 반도체 공정에서 사용되는 여러 공정을 사용하여 제작할 수 있는데, 유리재질의 경우 정밀 금형을 사용하여 제조할 수도 있으며, 실리콘의 경우에는 방향성 식각(etching) 공정과 건식 식각(dry etching) 공정을 사용하여 형성할 수 있다.

도 9는 도 8과 달리 덮개(300)의 하면에 돌출된 경사면(330)을 형성한 구조이며, 도 8과 동일한 효과를 가진다. 또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 돌출된 경사면(330)이 형성된 상태에서 덮개(300)의 상면(광섬유가 부착되는 면)에 도 6과 같은 렌즈(310b)를 형성하여 광섬유(400)로 입사된 빛이 광소자 칩(130)에 결합되는 효율이나, 반대로 광소자 칩(130)에서 발광되는 빛이 광섬유(400)로 결합되는 효율을 향상시키도록 할 수도 있다.

또한, 덮개(300)의 상면과 하면에는 원하는 광학 코팅을 증착하여 사용할 수 있음은 물론이다. 이와 같은 구조에서 경사면(320 및 330)은 덮개(300)의 상면에 형성할 수도 있으며, 이 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 렌즈(310a)를 덮개(300)의 하면에 형성하는 것이 바람직하다.

도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 적용된 광섬유의 다양한 결합구조를 설명하기 위한 단면도이다.

도 12 내지 도 14를 참조하면, 통상 광섬유(400)에서 광소자 칩(130)으로 빛을 입사시키거나, 광소자 칩(130)에서 방출되는 빛을 광섬유(400)로 입사시키기 위해서는 광소자 칩(130)의 수광 혹은 발광면과 광섬유(400)가 일직선으로 정렬되는 것이 유리하나, 종종 광 모듈에서는 광섬유(400)를 통과하여 광소자 칩(130)에 입사된 빛이 되반사되어 다시 광섬유(400)로 다시 입사되는 것을 최대한 줄여야 한다.

이와 같은 광 모듈에서는, 광섬유(400)를 통과하여 광소자 칩(130)에 입사된 빛이 광섬유(400)로 되반사되는 것(일명, "Return Loss" 또는 "Back Reflection"라 함)을 줄이기 위하여, 도 12에 도시된 바와 같이, 광섬유(400)를 덮개(300)에 수직으로 부착하지 않고 일정각도로 기울여서 부착함으로써, 광섬유(400)로 되반사되는 빛의 양을 효과적으로 줄일 수 있다.

이때, 광섬유(400)의 기울임 각도(θ)는 약 6∼8도가 바람직하며, 포토다이오드(PD)의 경우에는 수광 면적에 따라 결합 효율이 달라진다. 수광 면적이 충분히 넓은 InGaAs 포토다이오드(PD)의 경우에는, 덮개(300)를 양면에 무반사 광학 코팅된 실리콘을 사용할 경우 약 20도 정도로 단일모드 광섬유(400)를 기울여 부착하여도 약 85％이상의 입사광 결합 효율을 확보할 수 있다.

이와 같은 광 모듈에서는 도 12에 도시된 바와 같이, 광섬유(400)의 단면이 광섬유(400)의 광축에 수직 절단된 광섬유(400)를 사용할 수도 있고, 도 13에 도시된 바와 같이, 광섬유(400)의 단면이 광섬유(400)의 광축에 경사면으로 절단된(Tilt Cut) 광섬유(400')를 부착하여 사용할 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 활용하면, 파장다중(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 광통신에서 필요한 파장 선택형 포토다이오드 광 모듈을 쉽게 만들 수 있다.

즉, 광섬유(400)를 통하여 전달되는 여러 파장의 빛 중에서 특정한 파장의 빛만을 통과시켜 포토다이오드(PD)에 입사시켜 검출하는 파장 선택형 포토다이오드 광 모듈을 제작하기 위하여, 도 14에 도시된 바와 같이, 덮개(300)의 한 면 또는 양면에 다층박막의 파장 선택형 필터(또는 밴드패스 필터)(320)를 코팅하여 특정한 파장의 빛만을 통과시켜 검출하게 된다.

이때, 덮개(300)의 한 측면에만 파장 선택형 필터(320)를 코팅하면, 다른 측면에는 무반사 광학 코팅(330)을 형성하여 사용하는 것이 유리함은 물론이다.

도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 적용된 덮개 및 광섬유 구조의 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 적용된 덮개(300) 및 광섬유(400)의 구조를 변경하여 탭 커플러 포토다이오드(Tap Coupler PD) 또는 빔 스플리팅(또는 파장 선택형) 포토다이오드(Beam Splitting PD) 광 모듈을 쉽게 제작할 수 있다.

즉, 제1 광섬유(400a)를 통해 입사된 광의 일부분을 포토다이오드(PD)인 광소자 칩(130)에 입사시켜 입력광의 크기를 모니터링(Monitoring)하고, 나머지 빛은 다른 경로에 위치한 제2 광섬유(400b)로 통과시키는 탭 커플러 포토다이오드(Tap coupler PD)를 제작하기 위하여, 도 15에 도시된 바와 같이, 덮개(300)의 상면 또는 하면에 광학 반사막(340)을 형성하여 제1 광섬유(400a)를 통해 전달된 입사광의 투과 및 반사도를 조절하여 원하는 양의 빛만 광소자 칩(130)으로 통과시키고, 나머지 빛은 다른 제2 광섬유(400b)로 되반사시킬 수 있다. 이때, 제1 및 제2 광섬유(400a 및 400b)는 V자 형태로 부착됨이 바람직하다.

이러한 광 모듈 구조의 제작 방법은 먼저, 제1 광섬유(400a)를 거쳐온 빛을 광소자 칩(130)에 정렬하여 원하는 결합을 이루고, 이러한 정렬 상태에서 다른 쪽의 제2 광섬유(400b)를 정렬하여 반사되는 광이 입사되도록 한 후에 투명한 에폭시(450)를 투여한 다음 미세 정렬을 실시하여 원하는 결합 값을 얻도록 하면 된다. 이때, 투명한 에폭시(450)는 열 또는 자외선(UV) 경화 등을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 도 15에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 광섬유(400a 및 400b)로 분리하여 결합하였지만, 이에 국한하지 않으며, 도 16에 도시된 바와 같이, 먼저 광섬유를 결합하여 V자 형태의 광섬유(400")로 만들고, V자의 밑면을 연마하여 광학 반사막(340)으로 박막 코팅이 되어 있는 덮개(300)에 부착하면, 도 15와 동일한 결과를 얻을 수 있으며, 광섬유의 정렬과정이 단순화 될 수 있는 효과가 있다.

이와 같이 동일한 파장의 빛에 대하여, 광학 반사막(340)을 이용하여 투과율 및 반사율을 조절하여 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같은 광 모듈을 제작하면, 광학 반사막(340)의 특성에 따라 제1 광섬유(400a)로 전달되는 동일한 파장의 빛에 대하여 일부분(예컨대, 1％ 또는 2％ 등)만을 광소자 칩(130)쪽으로 보내고, 나머지 빛은 제2 광섬유(400b)로 되반사시키는 탭 커플러 포토다이오드(Tap coupler PD) 광 모듈 또는 제1 광섬유(400a)로 전달되는 여러 개의 파장을 갖는 빛 중에서 특정한 파장의 빛을 광소자 칩(130)쪽으로 보내고, 나머지 빛은 제2 광섬유(400b)로 되반사시키는 빔 스플리팅(또는 파장 선택형) 포토다이오드(Beam Splitting PD) 광 모듈을 쉽게 제작할 수 있다.

도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 적용된 광소자 칩과 전자소자 칩의 결합구조를 설명하기 위한 단면도이다.

도 17 및 도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈 구조를 활용하면 집적된(Integrated) 광소자 모듈(Module)을 쉽게 제작할 수도 있다. 즉, 광소자 칩(130)과 전자소자 칩(150)을 한 구조 안에 넣어서 광 모듈을 만드는 것도 가능하다.

여기서, 상기 전자소자라 함은 예컨대, 인덕터, 캐패시터, 저항, 앰프(AMP), 드라이버 IC(driver IC), 컨트롤러 IC(Controller IC) 등을 말한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 전자소자 칩(150) 상에 광소자 칩(130)이 부착될 수 있고, 도 18에 도시된 바와 같이, 광소자 칩(130)과 전자소자 칩(150)이 각기 기판(100) 상에 인접하여 부착될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 광소자 칩(130)과 전자소자 칩(150)이 한 구조물에 있을 경우에는, 기판(100)에 이러한 소자들 즉, 광소자 칩(130)과 전자소자 칩(150)을 부착하고 연결하여 외부로 신호를 뽑아내기 위한 전극들이 형성되어야 한다.

이와 같은 경우에도 광섬유(400)로부터 광소자 칩(130)에 입사된 빛이 반사되어 다시 광섬유(400)로 입사되는 것을 막기 위하여, 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 광섬유(400)를 수직축(혹은 광섬유의 광축)에 대하여 기울여 부착할 수 있음은 물론이다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 외부의 회로기판에 표면 실장하여 몰딩 처리한 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 이러한 외부의 회로기판(500)으로는 전극의 형성이 가능한 통상의 인쇄회로기판(PCB), 세라믹, 반도체, 플라스틱, 유리 또는 폴리머 등이 사용 가능하다.

도 19를 참조하면, 전술한 바와 같이 제작된 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈은 외부의 회로기판(500)에 표면 실장하여 사용할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 회로기판(500) 상에 결합하고, 리드(lid)프레임 또는 핀(pin)(550)을 연결한 후, 회로기판(500)을 포함한 기판(100), 스페이서(200), 덮개(300) 및 광섬유(400)의 일부분을 전자소자의 패키징에 많이 사용되는 EMC(Epoxy Molding Compound)(600)를 이용하여 몰딩(Molding) 처리하여 사용할 수도 있다.

이 경우, 광섬유(400)의 외부에 별도의 보호튜브(700)를 사용하여 광섬유(400)의 과도한 구부림 발생으로 인한 광섬유(400) 손상으로부터 광섬유(400)를 효과적으로 보호할 수 있다.

도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 모듈의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.

도 20을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 모듈은, 전술한 본 발명의 일 실시예에 적용된 각각의 스페이서(200)와 덮개(300)를 결합하지 않고, 일체형으로 형성된 구조이다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 모듈은, 상부에 광소자 칩(130)이 구비된 기판(100)과, 광소자 칩(130)이 전체적으로 몰딩되도록 기판(100)의 전면에 형성된 스페이서층(200')과, 스페이서층(200') 상에 광소자 칩(130)의 위치와 대응되도록 결합되는 광섬유(400)를 포함하여 이루어진다.

이 경우 광소자 칩(130) 또는 광소자 칩(130)과 전자소자 칩(150, 도 17 및 도 18 참조)이 부착된 기판(100)에 예컨대, 투명 에폭시 또는 폴리머 수지를 부어서 몰딩 형태로 스페이서층(200')을 제작한 후, 그 위에 광섬유(400)를 부착하게 된다.

이때, 광섬유(400)와 부착되는 스페이서층(200')의 표면은 투명도와 편평도를 유지하여 광이 왜곡되지 않고 광원의 빛이 광섬유(400)로 전달되거나, 광섬유(400)의 빛이 수광소자 즉, 광소자 칩(130)으로 전달될 수 있어야 한다.

도 21 내지 도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 제조방법을 설명하기 위한 사시도 및 단면도들이다.

도 21 내지 도 27을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 제조방법은, 먼저 복수의 단위소자 영역으로 정의된 기판(100')을 마련한 후, 각 단위소자 영역의 기판(100') 상에 광소자 칩(130)을 각각 배열하여 결합한다.

다음으로, 복수의 관통홀(250')을 갖으며 복수의 단위소자 영역으로 정의된 스페이서층(200")을 마련한 후, 스페이서층(200")의 각 관통홀(250')에 각 광소자 칩(130)이 삽입되도록 스페이서층(200")을 기판(100') 상에 결합한다.

이후에, 스페이서층(200")의 각 관통홀(250')을 폐쇄하도록 복수의 단위소자 영역으로 정의된 덮개층(300')을 결합한 후, 적어도 하나의 단위소자 영역으로 절단(Dicing)한다. 이때, 절단(Dicing)은 단위소자로 자를 수도 있고, 어레이 형태로 자를 수도 있다(도 22 및 도 23 참조).

마지막으로, 상기 절단된 단위소자 영역의 덮개층(300') 상에 각 광소자 칩(130)의 위치와 대응되도록 투명한 에폭시(450)를 이용하여 광섬유(400)를 각각 배열하여 결합한다.

한편, 광섬유(400)의 결합은 도 22에 도시된 바와 같이, 각 단위소자 영역으로 절단되기 전에 결합하여도 무방하다. 또한, 광섬유(400)는 개개의 광섬유(400)를 정렬하여 부착할 수도 있고, 어레이로 잘라진 단위소자에 대하여는 어레이 형태의 광섬유(400)를 정렬하여 붙일 수도 있다.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 제조방법에서, 기판(100')이 절연체일 경우에 바로 필요한 전극패턴(110)을 형성할 수 있으며, 기판(100')이 도체일 경우에는 먼저 유전체(dielectric)로 절연막을 형성하고, 그 위에 필요한 전극패턴(110)을 형성(증착)한 후, 다시 절연막을 형성하고, 그 위에 다시 스페이서층(200")과의 접착을 위한 솔더패턴(120)을 형성하면 된다.

전술한 바와 같이, 웨이퍼 레벨(Wafer Level)의 부착공정을 실시하여, 일차원적 또는 2차원적으로 절단한 후 광섬유(400)를 부착하여 제작할 수 있으며, 이때 각 광소자 칩(130) 부분마다 스페이서층(200")을 사용하지 않고, 도 25에 도시된 바와 같이, 중간 부분의 스페이서층을 생략하고, 양끝에만 스페이서층(200")을 삽입하여 광 모듈의 제작도 가능하다.

한편, 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같이, 어레이 형태의 광 모듈에 있어서, 전극(850)을 형성한 별도의 기판(800)에 전술한 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 기본 단위 광 모듈을 올려서 제작할 수도 있다.

이러한 별도의 기판(800)으로는 전극(850)의 형성이 가능한 인쇄회로기판(PCB), 세라믹, 반도체, 플라스틱, 유리 또는 폴리머 등이 사용 가능하다. 이 경우 개개의 광 모듈의 특성을 사전에 측정하여 기판(800)에 올리게 되므로, 어레이 형태의 광 모듈의 단위 특성을 균일하게 고를 수 있으므로, 수율 면에서도 유리하다. 이와 같은 어레이 형태의 광 모듈도 도 19에 도시된 바와 같은 EMC 몰딩(Molding)을 사용하여 제작할 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 광 모듈 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

Claims (22)

1. 삭제
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6. 상부에 광소자 칩이 구비된 기판;
   적어도 하나의 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀에 상기 광소자 칩이 삽입되도록 상기 기판 상에 결합되는 스페이서;
   상기 관통홀을 폐쇄하도록 상기 스페이서 상에 결합되는 덮개; 및
   상기 덮개 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 결합되는 광섬유를 포함하며,
   상기 광섬유를 통해 전달되는 빛을 상기 광소자 칩으로 입사시키거나, 상기 광소자 칩에서 방출되는 빛을 상기 광섬유로 입사시키도록 구성되며,
   상기 덮개의 상면에 상기 광섬유의 결합 위치와 대응되도록 렌즈가 더 형성되되, 상기 렌즈와 상기 광섬유는 일정간격 이격되어 있으며, 투명한 에폭시를 통해 서로 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
7. 상부에 광소자 칩이 구비된 기판;
   적어도 하나의 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀에 상기 광소자 칩이 삽입되도록 상기 기판 상에 결합되는 스페이서;
   상기 관통홀을 폐쇄하도록 상기 스페이서 상에 결합되는 덮개; 및
   상기 덮개 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 결합되는 광섬유를 포함하며,
   상기 광섬유를 통해 전달되는 빛을 상기 광소자 칩으로 입사시키거나, 상기 광소자 칩에서 방출되는 빛을 상기 광섬유로 입사시키도록 구성되며,
   상기 덮개의 상면 또는 하면에 상기 광섬유의 결합 위치와 대응되도록 일정각도의 경사면을 갖는 요홈부 또는 돌출부가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 요홈부 또는 돌출부가 형성되는 반대면에 상기 광섬유의 결합 위치와 대응되도록 렌즈가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
9. 삭제
10. 삭제
11. 상부에 광소자 칩이 구비된 기판;
    적어도 하나의 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀에 상기 광소자 칩이 삽입되도록 상기 기판 상에 결합되는 스페이서;
    상기 관통홀을 폐쇄하도록 상기 스페이서 상에 결합되는 덮개; 및
    상기 덮개 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 결합되는 광섬유를 포함하며,
    상기 광섬유를 통해 전달되는 빛을 상기 광소자 칩으로 입사시키거나, 상기 광소자 칩에서 방출되는 빛을 상기 광섬유로 입사시키도록 구성되며,
    상기 기판의 측면으로 어레이 형태로 광소자 칩을 배열하고 외부의 회로와 전기적인 접속이 가능하도록, 상기 기판 상에는 상기 광소자 칩과 전기적으로 접속되고 상기 기판의 일측면으로 연장되는 전극패턴이 더 형성되며,
    상기 광섬유를 통과하여 상기 광소자 칩에 입사된 빛이 상기 광섬유로 되반사되는 것을 방지하기 위하여 상기 광섬유의 단면이 광축에 수직 절단되거나 경사면으로 절단되어 상기 덮개 상에 일정각도로 기울어지도록 결합되고,
    상기 광섬유를 통해 전달되는 여러 파장의 빛 중에서 특정파장의 빛을 통과시키도록 상기 덮개의 상면 또는 하면에 파장 선택형 필터가 더 코팅되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
12. 상부에 광소자 칩이 구비된 기판;
    적어도 하나의 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀에 상기 광소자 칩이 삽입되도록 상기 기판 상에 결합되는 스페이서;
    상기 관통홀을 폐쇄하도록 상기 스페이서 상에 결합되는 덮개; 및
    상기 덮개 상에 상기 광소자 칩의 위치와 대응되도록 결합되는 광섬유를 포함하며,
    상기 광섬유를 통해 전달되는 빛을 상기 광소자 칩으로 입사시키거나, 상기 광소자 칩에서 방출되는 빛을 상기 광섬유로 입사시키도록 구성되며,
    상기 덮개의 상면 또는 하면에 광학 반사막이 더 형성되고, 상기 광섬유를 V자 형태로 결합함으로써, 어느 한 방향의 광섬유로 전달되는 빛 중에서 특정파장의 빛을 상기 광소자 칩으로 통과시키고, 나머지 빛을 다른 한 방향의 광섬유로 되반사시키거나, 어느 한 방향의 광섬유로 전달되는 동일한 파장 빛의 일부분을 상기 광소자 칩으로 통과시키고, 나머지 빛을 다른 한 방향의 광섬유로 되반사시키는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
13. 제 6, 7, 8, 11, 또는 12 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광소자 칩이 형성된 기판은 복수개가 측면으로 배열되어 어레이 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
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