KR101778303B1 - 고속 신호 전송을 위한 ｔｏ－ｃａｎ(티오-캔) 구조의 광모듈 - Google Patents

고속 신호 전송을 위한 ｔｏ－ｃａｎ(티오-캔) 구조의 광모듈 Download PDF

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Abstract

고속 신호 전송을 위한 TO-CAN(티오-캔) 구조의 광모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 TO-CAN 구조의 광모듈은, 광소자 또는 전자소자를 수용하는 스템과, 스템의 홀을 통하여 광소자 또는 전자소자와 연결되는 리드핀을 포함하며, 리드핀은 'ㄱ' 자로 꺾인 형태이다. 이에 따라 고속 동작이 가능하며 저가인 TO-CAN(티오-캔) 패키지 구조의 광모듈을 구현할 수 있다.

Description

고속 신호 전송을 위한 ＴＯ－ＣＡＮ(티오-캔) 구조의 광모듈 {Optical module having TO-CAN structure for high-speed signal transmission}
본 발명은 광통신 기술에 관한 것으로, TO-CAN(티오-캔) 패키지 구조의 광모듈에 관한 것이다.
광통신 망은 광섬유 및 광증폭기, 광송수신을 위한 다양한 형태의 광모듈 등의 개발과 보급으로 인해서 널리 사용되고 있다. 특히, 근래에는 급증하는 통신용량을 소화해내기 위해서, 100㎓ 이상의 초고속 광통신 시스템들이 개발, 사용되고 있다. 광모듈로는 플랫폼(Flat form) 형태의 기판 상면에 집적된 버터플라이(Butterfly) 구조와, 광송수신 기능을 수행할 수 있는 능동 소자들이 집적된 스템 상면을 덮는 TO-CAN(티오-캔) 구조 등이 있다. 전술한 TO-CAN 구조를 갖는 광모듈은 그 제작 단가가 낮아서, 다양한 형태의 초고속 광통신 시스템에 널리 적용되고 있다.
그런데, 광통신 시스템의 고속화 및 소형화에 따라 현재의 TO-CAN 구조의 광모듈은 10Gbps급 이상에서 사용하기에 전기적 특성의 제약을 갖는다. 대부분의 TO-CAN 구조에서 사용되는 신호선용 리드핀에서 광소자 또는 전자소자와 전기적으로 연결되는 부분의 구조는 TO 몸체와 유전체(유리재질 또는 기타 재질)로부터 공기 중으로 돌출되어 와이어 본딩이 가능하도록 평탄한 면을 확보하기 위한 못 머리 모양 또는 일자형 모양으로 형성된다.
전술한 구조에서 리드핀이 TO-CAN 몸체와 유전체로부터 공기 중으로 돌출된 부분과 광소자 또는 전자소자에서 리드핀으로의 전기적 연결을 위한 와이어 본딩에서의 인덕턴스 성분에 의해 높은 주파수 영역에서 임피던스 불연속이 발생한다. 이는 신호 무결성에 좋지 않은 영향을 끼치며, 신호 파형에 왜곡 현상을 가져온다. 특히, 높은 주파수 대역에서는 전송 손실값(transmission)과 반사값(reflection)이 증가하여 광통신 시스템에 사용하기에 부적합하다.
일 양상에 따라, 신호선용 리드핀 구조를 개선하여 고속 동작이 가능하며 저가인 TO-CAN(티오-캔) 패키지 구조의 광모듈을 제안한다.
일 양상에 따른 TO-CAN(티오-캔) 패키지 구조의 광모듈은, 광소자 또는 전자소자를 수용하는 스템과, 스템의 홀을 통하여 광소자 또는 전자소자와 연결되는 리드핀을 포함하며, 리드핀은 'ㄱ' 자로 꺾인 형태이다.
이때, 리드핀은 소정의 선폭 및 길이를 가지고 스템의 외부로 노출되는 제1 요소와, 제1 요소와 연결되고 선 형태로 스템의 내부에 위치하는 제2 요소를 포함할 수 있다. 제1 요소의 길이는 광소자 또는 전자소자와의 거리를 최소화하도록 설정되고, 제1 요소의 선폭은 전송 손실 및 반사값을 최소화하도록 설정될 수 있다. 제1 요소는 도선을 통해 광소자 또는 전자소자와 와이어 본딩될 수 있다.
리드핀은 광소자 또는 전자소자와의 거리를 최소화하기 위해 스템의 중앙에 위치할 수 있다. 광모듈은 스템 상부 상에 리드핀 양쪽에 위치하는 그라운드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, TO-CAN 패키지 구조에서 신호선용 리드핀의 구조를 광소자 또는 전자소자와의 전기적 연결을 위한 와이어 본딩의 길이를 최소화하는 형태를 가짐으로써 고속 신호 전송이 가능하다. 나아가, 일반적인 제작 공정을 따르면, 재료가 동일하며 저가의 고속 동작이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TO-CAN(티오-캔) 패키지 구조의 광모듈을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 신호선용 리드핀을 세부적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 TO-CAN 패키지 구조의 광모듈의 주파수에 따른 전송 손실값 및 반사값을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 TO-CAN 패키지 구조의 광모듈을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 TO-CAN 패키지 구조의 광모듈의 주파수에 따른 전송 손실값 및 반사값을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TO-CAN(티오-캔) 패키지 구조의 광모듈(10)을 도시한 도면이다. 도 2는 도 1의 신호선용 리드핀(110)을 세부적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 설명하기에 앞서, 본 발명은 광모듈의 전체적인 구성요소를 모두 표현한 것이 아니며, 본 발명의 구성 및 동작에 관여되는 구성 요소만을 상세히 설명하기로 한다. 가령 본 발명의 광모듈(10)은 전원부, 제어/모니터링부, 2개의 신호핀 및 그라운드 핀 등으로 구성되어 있으나, 본 발명에서는 리드핀(110)의 구조에 특징이 있으므로, 하나의 리드핀(110)을 중심으로 상세히 후술한다.
도 1을 참조하면, TO-CAN 패키지 구조의 스템(100)은 양면을 관통하는 홀들이 형성되고, 이 홀들에는 신호선용 리드핀(110)의 일부가 삽입된다. 그리고, 광수신 모듈의 경우, 스템(100) 상부에는 그 내부에 입력된 광신호를 전류로 변환하는 광소자(전자 소자)(120)와, 유전체(140)가 위치한다. 본 발명의 TO-CAN 패키지 구조는 25Gbps급 이상, 나아가 100Gpbs 이상의 광모듈에서 고속 전송에 적합하다.
일반적인 TO-CAN 패키지 구조에서 광소자 또는 전자 소자와 신호선용 리드핀 사이의 전기적 연결을 위해 도선을 와이어 본딩(wire bonding)하는데, 이 경우 와이어 본딩하는 도선의 길이가 길어진다. 도선의 길이가 길어지면, 높은 주파수 영역에서 임피던스 불연속이 발생하여 신호 무결성에 좋지 않은 영향을 가져온다. 이로 인하여 신호 파형에 왜곡 현상을 가져올 수 있다. 특히, 높은 주파수 대역에서는 전송 손실값(transmission)과 반사값(reflection)이 증가하여 사용하기 어려운 구조를 갖는다.
전술한 문제점을 해결하고자 본 발명은 신호선용 리드핀(110)이 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 'ㄱ' 자로 꺾인 형태를 갖는다. 리드핀(110)은 소정의 선폭(W)과 길이(L)를 가지고 스템(100)의 외부로 노출되는 제1 요소(1100)와, 제1 요소(1100)와 연결되고 선 형태로 스템(100)의 내부에 위치하는 제2 요소(1110)를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제1 요소(1100)의 길이(L)는 광소자(전자소자)(120)와 리드핀(110) 사이의 거리를 최소화하도록 설정된다. 그리고, 제1 요소(1100)의 선폭(W)은 전송 손실 및 반사값을 최소화하도록 설정된다. 제1 요소(1100)는 도선(130)을 통해 광소자(전자소자)(120)와 와이어 본딩된다. 본 발명의 추가 양상에 따르면, 리드선(110)은 광소자(전자소자)(120)와의 거리를 최소화하기 위해 스템(100)의 중앙에 위치한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 리드핀(110)이 'ㄱ' 자 형태를 가짐에 따라, 광소자(전자소자)(120)와 전기적 연결을 위해 와이어 본딩하는 도선(130)의 길이가 줄어들어 주파수 특성이 개선된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 TO-CAN 패키지 구조의 광모듈(10)의 주파수에 따른 전송 손실값 및 반사값을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. 이때, 3차원 EM(electromagnetic) 시뮬레이션 툴인 ANSYS사의 HFSS를 이용할 수 있다.
도 3은 와이어 본딩을 위한 도선의 길이가 최소가 되도록 리드핀의 길이(L)을 고정하고 선폭(W)을 W1<W2<W3으로 변화 주면서 계산된 결과를 보여 주고 있다. 도 3을 참조하면, 선폭(W)이 W3인 경우 전송 손실값(transmission)은 50GHz까지 0.5dB 이하의 값을 가지며, 반사값(reflection)은 50GHz까지 -13dB 이하의 값을 가짐을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 TO-CAN 패키지 구조의 광모듈(40)을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 광모듈(40)은 도 1을 참조로 설명한 광모듈(10)에 그라운드 플레이트(ground plate)(412)를 더 포함한다. 즉, TO-CAN 패키지 구조의 스템(400)은 양면을 관통하는 홀들이 형성되고, 이 홀들에는 신호선용 리드핀(410)의 일부가 삽입된다. 광수신 모듈의 경우, 스템(400) 상부에는 그 내부에 입력된 광신호를 전류로 변환하는 광소자(전자 소자)(420)와, 유전체(440)가 위치한다. 그리고, 신호선용 리드핀(410)이 'ㄱ' 자로 꺾인 형태를 갖는다. 이때, 리드핀(410)은 소정의 선폭(W)과 길이(L)를 가지고 스템(400)의 외부로 노출되는 요소와, 선 형태로 스템(400)의 내부에 위치하는 요소를 포함한다.
리드핀(410)의 "ㄱ"자 형태의 꺽이는 부분의 양쪽에 그라운드 플레이트(412)를 실장하여 고속 신호 전달에 도움이 되도록 하는 구조를 갖는다. 그라운드 플레이트(412)는 리드핀(410) 양쪽에 계산된 특정 간격(W)을 가지고 실장되어야 도 5와 같이 양호한 특성을 갖는다. "ㄱ"자 형태의 리드핀(410)의 형태는 광소자(전자소자)(420)와 리드핀(410) 사이의 전기적 연결시 와이어 본딩을 위한 도선(430)의 길이를 최소화할 수 있도록 선폭(W)과 길이(L)를 설정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 TO-CAN 패키지 구조의 광모듈(40)의 주파수에 따른 전송 손실값 및 반사값을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. 이때, 3차원 EM(electromagnetic) 시뮬레이션 툴인 ANSYS사의 HFSS를 이용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 4의 TO-CAN 패키지 구조의 광모듈(40)의 전송 손실값(transmission)은 50GHz까지 0.3dB 이하의 값을 가지며, 반송값(reflection)은 50GHz까지 -14dB 이하의 값을 가짐을 확인할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.
10,40 : TO-CAN(티오-캔) 패키지 구조의 광모듈
100,400 : 스템
110,410 : 리드핀
120,420 : 광소자(전자 소자)
130,430 : 도선
140,440 : 유전체
412 : 그라운드 플레이트

Claims (7)

  1. 광소자 또는 전자소자로 구성된 소자;
    상기 소자를 수용하는 스템;
    상기 소자와는 이격되어 위치하고 'ㄱ' 자로 꺾인 형태를 가지며, 내부의 제2 요소가 상기 소자와의 거리를 최소화하기 위해 상기 스템의 중앙에 위치하는 리드핀; - 상기 리드핀은 상기 스템의 외부로 노출되고 선폭 W와 길이 L인 제1 요소, 상기 제1 요소와 연결되고 선 형태로 상기 스템의 내부에 위치하는 상기 제2 요소를 포함함 -
    상기 리드핀의 외부의 상기 제1 요소와 상기 소자를 와이어 본딩 연결하는 도선; 및
    상기 스템 상부 상에 상기 리드핀 양쪽에 위치하고 간격이 상기 W인 그라운드 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 티오 캔(TO-CAN) 구조의 광모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 리드핀은
    상기 제1 요소가 소정의 선폭 및 길이를 가지고, 상기 스템의 외부로 노출되고,
    상기 제2 요소가 상기 제1 요소와 연결되고, 선 형태로 상기 스템의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 티오 캔(TO-CAN) 구조의 광모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 요소의 길이는 상기 광소자 또는 전자소자와의 거리를 최소화하도록 설정되고, 상기 제1 요소의 선폭은 전송 손실 및 반사값을 최소화하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 티오 캔(TO-CAN) 구조의 광모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광모듈은
    100Gbps급 이상의 데이터 전송 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 티오 캔(TO-CAN) 구조의 광모듈.
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