KR101948781B1 - 광수신기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광수신기에 관한 것으로, 포토다이오드; 적어도 하나의 캐패시터; 상기 포토다이오드 상측에 위치에는 렌즈를 포함하고, 상기 캐패시터는 상기 포토다이오드의 근방에 위치시키는 것을 특징으로 한다.

Description

광수신기 및 그 제조방법{OPTICAL RECEIVER AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 광수신기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 고성능의 광전기능을 포함 및/또는 파장가변필터를 이용한 선택적 광수신이 가능한 광수신기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

근래에 들어 스마트폰 등의 동영상 서비스를 비롯하여 통신 용량이 매우 큰 통신 서비스들이 출시되고 있다. 이에 따라 종래의 통신 용량을 대폭적으로 증가시킬 필요가 대두 되고 있는데, 이러한 통신 용량 증가 방법의 하나로 이미 종래에 포설되어 있는 광섬유를 이용하는 파장분할 다중화방식(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 방식의 통신 방식이 채택되고 있다. 상기 WDM은 파장이 서로 다른 레이저 빛들이 서로 간섭하지 않아 하나의 광섬유를 통하여 동시에 여러 가지 파장의 빛 신호를 전송하여도 신호 간에 간섭이 없는 현상을 이용한 것으로, 하나의 광섬유로 여러 파장의 빛을 동시에 전송하는 방식을 말한다.

현재 세계적으로 NG-PON2(Next Generation - Passive Optical Network version 2)라는 규격이 합의되고 있으며, 이러한 NG-PON2 규격에는 전화국에서 가입자로의 하향 광신호로 4채널 또는 8채널의 파장을 설정하고 있다. 이러한 채널의 파장 간격은 50GHz, 100GHz, 또는 200GHz으로 등간격으로 파장 간격을 설정하고 있다.

이러한 NG-PON2 규격에서 하나의 가입자는 하나의 파장을 선택하여 광수신을 하여야 하며, 이러한 파장의 분리는 파장을 분리하는 고정 장치로 특정한 파장의 채널 광신호를 광 수신기에 입력시킴으로써 하향 광신호를 수신하는 방법이 가능하다. 그러나 이러한 고정된 파장을 특정한 광섬유로 분리하고, 특정 광섬유에 결합된 파장의 종류에 관계없이 광수신을 하는 형태의 광 수신기는 광선로 할당이 동적으로 이루어지지 않아 광선로의 관리에 어려움이 있어 왔다.

최근, 초고화질의 대용량 동영상 통신이 주된 통신 내용으로 변화하고 있고, 미국 등에서는 차세대 광통신망을 선점하기 위한 경쟁이 벌어지고 있으며, 이러한 경쟁에는 Comcast등의 cable 업체와, Google등의 인터넷 업체, Verizon등의 통신 업체가 모두 광통신을 기반으로 경쟁하기 시작하였고, 미국의 Comcast는 동영상을 위주로한 서비스를 하기 위해 고속 광가입자망을 미국 전역에서 증설하기 시작하였으며, Google은 무료 서비스로 시범 서비스를 하던 Google fiber를 유료로 전환하여 본격적인 광통신망 확충에 나서고 있으며, 미국의 Verizon은 이러한 cable 업체와 인터넷 업체의 공세에 맞서 세계에서 가장 빠른 네트웍인 하향 40Gbps/ 상향 10Gbps급의 TWDM-PON(Time-wavelength division multiplexing)기술을 상용화하고 있다.

일본의 NTT는 일본의 Oki와 더불어 2018년에 하향 40Gbps/ 상향 40Gbps급의 TWDM-PON 기술을 도입을 하려 하고 있으며, 중국 또한 하향 40Gbps/ 상향 40Gbps급의 TWDM-PON을 도입을 진행하고 있다.

이와같이 전세계의 가입자망은 고도의 AR(Augmented Reality) VR(Virtual Reality)등 폭주하는 데이터 트래픽을 기존에 포설된 광섬유로 서비스하기 위해 대폭적인 data traffic이 요구되며, 이를 위하여 광섬유의 효율화를 극대화할수 있는 TWDM-PON(시간-파장 다중화) 기술의 채택 가능성이 매우 높다.

TWDM-PON 방식에서는 하나의 4개의 국사쪽 광모듈과 이에 대응하는 수많은 가입자의 광모듈(1:32 또는 1:64)이 연동된다. 가입자의 광수신모듈은 0.8nm(100GHz@1550nm)의 파장간격을 가지는 채널중에서 지정된 파장에 대해 자신이 통신할 파장을 가변하여 선정하여야 하며, 이러한 파장 가변의 속도는 시스템의 적용에 매우 큰 영향을 미친다. 현재 일반 가입자의 경우 광송수신이 간헐적으로 이루어지기 때문에 1sec의 파장 가변 시간이면 충분한 파장 가변 시간이 되나, mobile backhaul용등 네트웍에서는 채널간 전환속도를 50msec로 규정하고 있다.

종래 본 출원인이 출원한 특허에서는 열전소자를 이용하여 파장 가변을 시키는 경우에는 채널간 파장 변화 시간을 100msec 이내로 줄이기 어려운 측면이 있다. 즉, 4채널을 사용하는 경우에는 최소 300ms가 필요하다.

한편, 포토다이오드 칩, TIA(Trans impedance amplifier)칩, 캐패시터는 광수신기의 성능을 크게 중요한 요소이다. 특히, TO-can형 패키지의 광수신기의 경우에는 스템 베이스는 외부 회로와 강력하게 그라운드(ground)로 연결되어 있고, 이 그라운드를 각각의 소자에 결합하는 방법, 각각의 소자의 거리가 수신감도를 결정하는 큰 요소가 된다.

10Gbps 이상의 고속의 광통신의 경우에는 수신감도가 1Gbps 대의 광통신보다 몇배 더 요구되기 때문에, 크기가 매우 작은 TO-CAN형 패키지의 광수신기의 경우에는 내부 소자의 배치가 굉장히 중요한 문제이다.

본 발명의 해결하는 과제는 고속의 광통신 시스템에 적용이 가능한 광수신기의 구조 및 빠른 속도로 파장 가변이 가능한 광수신기 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단으로 광수신기는 포토다이오드; 적어도 하나의 캐패시터; 상기 포토다이오드 상측에 위치에는 렌즈를 포함하고, 상기 캐패시터는 상기 포토다이오드의 근방에 위치시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 렌즈는 상기 포토다이오드의 상측에 위치하고, 동시에 상기 캐패시터의 상측에 위치되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 캐패시터의 상부에 위치하고, 상기 캐패시터의 대응되는 개수만큼 렌즈 서브마운트를 포함하고, 상기 렌즈가 상기 렌즈 서브마운트에 결합되어 상기 포토다이오드의 상측에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 다른 수단을 광수신기는 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 겹치지 않게 위치한 열전소자; 상기 포토다이오드 상측에 위치에는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈의 상측에 위치하고 소정의 파장을 갖는 광신호만을 투과시키는 파장가변필터; 상기 파장가변필터의 일부분은 상기 열전소자에 결합되어 있고, 상기 파장가변필터의 상기 일부분을 제외한 부분은 상기 렌즈의 상측에 위치하여, 상기 광수신기를 위에서 바라보았을 때, 상기 렌즈가 상기 파장가변필터의 일부분을 제외한 부분에 의해서 가려지고, 상기 열전소자의 온도에 따라서 파장가변필터를 투과파장이 가변되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 광수신기의 경우 열전소자를 사용하더라도, 빠른 속도로 파장 가변이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 최적의 구조를 제안함으로써, 전기적 성능을 향상시키고, 동시에 패키징이 용이한 장점이 있다.

또한, 별도의 마운트없이 필터를 결합하기 때문에, 단가를 낮추고, 제작이 용이한 장점이 있다.

도 1 본 발명의 광수신기 일실시예의 제조 순서.
도 2 본 발명의 광수신기 일실시예의 광수신 구조.
도 3 본 발명의 광수신기의 측면 단면도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 광수신기의 다른 측면 단면도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광수신기 및 그 제조방법에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명의 경우에는 다양한 패키징 형태의 광수신기에 모두 적용이 가능하지만, 본 발명의 경우에는 상용에서 제일 많이 사용하는 TO-CAN형 패키지의 광수신기에 대해서 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광수신기의 일 실시예를 제조하는 과정의 도면이다.

TO-CAN형의 경우에는 복수의 단자(110, 120)를 포함하는 스템(100)에 광소자 및 전자소자를 실장하여, 특정 소자를 제조한다.

상기 스템(100)의 상면은 그라운드가 되어 있는 구조를 갖고, 상기 그라운드는 상기 복수의 단자중 어느 하나를 이용하여 외부 그라운드랑 연결되어질 수 있다.

상기 스템(100)의 상면에 포토다이오드(210)를 형성시킨다. 포토다이오드(210)는 수신감도가 좋은 APD를 사용할 수 있다. 이는 사용되는 시스템의 성능에 따라서 포토다이오드(210)의 종류(PIN, APD)가 결정된다. 또한, TO-CAN은 직경이 수mm이기 때문에 내부 공간이 적다. 적은 내부 공간을 최적으로 이용하기 위해서는 상기 포토다이오드(210)의 위치가 중요하고 본 실시예의 경우에는 중앙에 위치시켰지만, 이 위치는 소자들의 배치가 허락되는 한 변경이 가능하다.

포토다이오드(210)을 형성시킨 후에는 캐패시터(500) 및 TIA(600)을 스템(100)의 상면에 위치시킨다. 포토다이오드(210)에서 광전변환된 전기신호는 고속의 데이터이어서, 주파수가 높고, 전기신호가 약하기 때문에, TIA(600)에서 전기 신호를 증폭을 해야 한다.

또한, TIA(600)과 포토다이오드(210)은 바이어스 전원을 공습 시켜줘야지 동작을 한다. 이 때, 적절한 바이어스 전압을 제공하지 못하면, 고속의 데이터에 대한 수신감도가 떨어지는 문제가 있다.

이 과정에서, 포토다이오드(210)와 캐패시터(500)의 거리, TIA와 캐패시터(500)의 거리, 포토다이오드와 TIA(600)와의 거리가 굉장히 중요하다. 이는 각 소자의 거리를 최대한 짧은 것이 바람직하기 때문이다. 그 이유는 각각의 소자를 연결 시켜주기 위한 와이어 거리에 따라서 다양한 현상이 발생되고, 이러한 현상들에 의해서 수신된 전기신호에 왜곡이 발생하여, 수신감도가 떨어지게 된다. 왜곡이 발생하는 이유는 대역폭 제한, 기생현상 등이 있을 수 있겠다. TIA(600)과 포토다이오드(210), 캐패시터(500)은 별도의 서브마운트에 의해서 결합되어질 수 있고, 직접적으로 결합되어질 수도 있다.

상기 캐패시터(500)은 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하고, 그 위치는 포토다이오드(200)의 주변에 위치할 수 있다.

상기 포토다이오드(210)에 수신되는 광을 효율적으로 수광하기 위해서는 렌즈(700)가 별도로 필요하다. 렌즈(700)는 포토다이오드(200)의 상측에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 렌즈(700)을 고정하기 위해서는 렌즈를 고정할 수 있는 렌즈 서브마운트(710)가 필요하다. 렌즈 서브마운트(710)의 위치는 다양하게 구성할 수 있지만, 본 발명의 본 실시예의 경우에는 캐패시터(500)의 상면에 결합을 한다(도 4 내지 7에는 다양한 구조의 실시예가 개시되어 있음). 이렇게 캐패시터(500) 상면에 결합하는 이유는 캐패시터(500)는 포토다이오드(200)와 가까이 위치(최소한의 거리의 와이어 본딩)해야 하고, 렌즈도 수광하는 구조상 포토다이오드(200)의 상측에만 존재해야하기 때문에, 공간 구조상 최적화되어 있는 형태이다.

상기 렌즈 서브마운트(710)의 경우에는 적어도 하나로 구성 되어지고, 2개를 이용해서 구성하면, 안정적인 구조를 제공할 수 있다. 렌즈 서브마운트(710)은 렌즈(700)의 초점거리가 존재하기 때문에 포토다이오드(210)와 렌즈(700)은 일정거리가 이격이 되어야 하기 때문에 포함시키는 것이다.

도 2와 3에 개시된 본 실시예와 같이 2개의 캐패시터의 상면에 2개의 렌즈 서브마운트(710)를 각각 형성하여, 렌즈(700)를 상기 2개의 렌즈 서브마운트(710)에 브릿지하여 형성하면, 공간적 및 구조적으로 안정적이고 효율적일 것이다.

또한, 별도의 렌즈 서브마운트(710) 없이, 캐패시터(500)의 높이가 포토다이오드(210)보다 높을 경우에는 패캐시터(500)에 렌즈(700)를 직접 결합하여 구성할 수 도 있다. 다만 이런 경우에는 캐패시터(500)의 높이가 커지고, 이러면 용량을 위해서는 면적이 넓어져야 하는 단점이 있다.

TIA(600)은 앞서 설명한 것과 같이 포토다이오드(210)와 캐패시터(500)와 근접하여 있는 것이 바람직하다. TIA(600)는 포토다이오드가 형성되어 있지 않는 공간에 위치시키며, 절연 등을 위해서 별도의 서브마운트(미도시)를 포함할 수 있다.

본 실시예의 경우에는 포토다이오드(210)의 하측에 위치시키고, 캐패시터(500)와 포토다이오드(210)에 각각 와이어로 연결을 한다.

도 4 내지 도 7의 경우에는 TO-CAN 내부의 공간에 각 소자를 배치하는 다양한 실시예이다. 전체적인 실시예의 핵심은 포토다이오드(210)의 주위에 캐패시터(500)을 두고, 상면 또는 근방으로 렌즈 서브마운트(710)을 위치시킨다. 그 이유는 포토다이오드(210)와 캐패키터(500)의 와이어 연결 거리를 최소화해야 하기 때문이다.

상기 포토다이오드(210) 상측에 열전소자(300)을 위치시킨다. 종래에는 열전소자(300)의 상판에는 포토다이오드, 렌즈, 렌즈 마운트, 필터, 필터 마운트 등을 공간효율을 위해서 형성시켰다. 이렇게 형성하는 경우에는 TO-CAN 내부의 적은 공간을 효율적으로 사용할 수 있어서, 굉장히 큰 장점이 있었다. 하지만, 포토다이오드를 상판에 위치시키게 되면, 열전소자(300)의 상판은 포토다이오드(210)의 그라운드를 잡아주기 위해서 상기 열전소자(300)의 상판을 스템의 그라운드와 연결해야 한다. 이러한 과정에서 열전소자(300)의 상판과 그라운드 사이에 열교환이 일어나서 열전소자(300)의 성능이 열화되는 문제가 있다.

열전소자의 상판에 복수의 구성요소를 형성하는 구조는 열전소자(300)의 열전소자의 열 부담이 늘어나고, 이로 인해서 상판의 열용량이 줄어들게 되므로, 빠른 온도 변화가 어려운 단점이 있었다. 단순히 외부 온도 변화에 따른 열전소자(300)의 조절, 파장가변필터의 파장 가변속도가 상관없는 시스템의 경우에는 이러한 구조가 큰 문제가 없다. 하지만, 파장가변필터의 빠른 파장가변을 위해서는 이러한 단점이 문제 요소가 된다.

본 발명의 경우에는 도면에서 보여지는 것과 같이, 열전소자(300)와 포토다이오드(210)를 각각 분리하도록 위치시키고, 열전소자의 상판에 파장가변필터(800)의 일부만을 형성시킨다. 이렇게 구조가 가능한 이유는 캐패시터(500)를 포토다이오드(210) 옆에 위치시키고, 캐패시터(500)의 위쪽으로 렌즈(700)를 중첩을 했기 때문이다.

파장가변필터(800)은 열전소자와(300)와 열적으로 커플링되어 있고, 그 결합을 위해서 별도의 접착부재를 이용할 수 있다.

상기 열전소자(300)에 결합된 파장가변필터(800)는 파장가변필터(800)의 일 부분만 결합되어 있는 외팔보 형상으로 형상할 수 있다. 즉 이 경우 파장가변필터(800)의 일부분은 열전소자(300)에 결합되고, 파장가변필터(800)의 그 외 부분 중 일부는 렌즈(700)를 상측에서 가리는 구조가 될 것이다. 결합은 에폭시와 같은 접착제를 이용하여 결합하는 것이 바람직하고, 열적으로 커플링이 되어 있는 구조가 될 것이다.

또한, 열전소자(300)과 파장가변필터(800)는 소정의 분리부(미도시)를 포함하여 결합되어 질 수 있고, 이 경우에는 파장가변필터(800)의 온도변화를 위해서 별도의 히터부가 파장가변필터(800)의 일부분에 위치하는 것이 바람직하다.

따라서 파장가변필터(800)가 투과시키는 파장은 열전소자(300)의 상판의 온도변화에 따라 가변될 것이다. 또한, 열전소자(300)의 상판의 열용량이 오직 파장가변필터(800)에 대해서만 결정되기 때문에, 열변화에 대한 응답속도가 빨라서, 파장가변필터(800)의 온도변화도 빠르게 될 것이다.

또한, 상기와 같이 파장가변필터(800)의 일부만 형성될 경우, 파장가변필터(800) 중 빛이 지나가는 광경로에는 온도균일도가 좋은 장점이 있다. 파장가변필터(800)의 전체면적에 대해서 온도를 변화시키는 경우(열전소자위에 형성되어 있거나, 히터가 올려져 있는 구조)에는 온도가 파장가변필터(800)의 전체에 걸쳐서 약 13도차이가 발생하늠 반면, 본 발명의 구조의 경우에는 온도변화가 거의 없다. 이 같이 생기는 이유는 열전소자(300)에 의해서 발생된 열은, 파장가변필터의 부착된 면의 상면으로 온도가 빠져나가기 때문이다. 즉 열이 드레인(drain)되는 부분이 필터의 나머지 면적이 아닌, 위쪽 방향이기 때문이다.

상기 열전소자(300)의 상판에는 서미스터(320)가 형성되고, 상판의 온도를 서미스터(320)에 의해서 확인할 수 있을 것이다. 서미스터(320)를 이용한 온도측정방법은 주지기술이므로 본 발명에서는 설명을 제외한다.

결과적으로, 본 발명의 광수신기는 열전소자(300)의 상판에 파장가변필터(800)만을 결합하여 빠른 파장가변 기능을 구성하였고, 이러한 과정에서 공간효율을 최대화하면서, 높은 성능을 나타낼 수 있도록 캐패시터(500)를 포함한 내부 소자의 배치구조를 제안하였다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

또한, 각각의 실시예는 개별적으로 실시할 수 있지만, 각각의 실시예를 결합해서 실시를 할 수도 있다.

100 스템
210 포토다이오드
300 열전소자
500 캐패시터
600 TIA (Transimpedance amplifier)
700 렌즈
800 파장가변필터

Claims (4)

1. 광수신기에 있어서,
   포토다이오드;
   적어도 하나의 캐패시터;
   상기 포토다이오드 상측에 위치하는 렌즈를 포함하고,
   상기 캐패시터는 상기 포토다이오드의 근방에 위치시키고,
   상기 렌즈를 고정하기 위한 렌즈 서브마운트를 상기 캐패시터의 상면에 상기 캐패시터의 대응되는 개수만큼 형성하고, 각 렌즈 서브마운트 상에 상기 렌즈를 위치시키며,
   상기 렌즈는 상기 포토다이오드와 상기 캐패시터 모두의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
   
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