KR102043704B1

KR102043704B1 - 광학 모듈, 광통신 장치, 및 그들을 구비한 정보처리 시스템

Info

Publication number: KR102043704B1
Application number: KR1020130077318A
Authority: KR
Inventors: 박상기
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2019-11-12
Also published as: KR20150004178A; US20150010274A1; US9423567B2

Abstract

본 발명은 광학 모듈, 광통신 장치, 및 그를 구비하는 정보처리 시스템을 개시한다. 그의 모듈은, 하부 클래드 층과, 상기 하부 클래드 층 상에서 일방향으로 연장되는 광 도파로와, 상기 광 도파로 상의 광 소자와, 상기 광 소자와 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 광 도파로의 굴절률 보다 큰 굴절률을 갖는 프리즘과, 상기 프리즘 및 상기 광 소자를 덮는 하우징과, 상기 프리즘에 인접하고 상기 하우징과 상기 광 도파로 사이에 배치된 전극 층을 포함한다.

Description

광학 모듈, 광통신 장치, 및 그들을 구비한 정보처리 시스템 {optical device module, optical communication apparatus, and computer system used the same}

본 발명은 컴퓨터 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접합 효율이 높은 광통신을 실현하는 광학 모듈, 광통신 장치, 및 정보처리 시스템에 관한 것이다.

전자 기기의 소형화 및 고속화 경향에 따라, 상기 전자 기기를 구성하는 구성요소들의 집적도를 높이기 위한 연구가 지속되고 있다. 전자 기기의 소형화 및 고속화를 위해서는, 상기 구성요소들의 소형화와 더불어 상기 구성요소들 사이의 빠른 신호의 전달이 요구된다.

구성요소들 사이의 빠른 신호 전달을 위한 일 수단으로, 전자 기기간의 광통신 기술의 적용이 시도되고 있다. 광 통신 기술을 전자 기기 내에 적용하는 경우, 보다 빠른 속도로 신호 전달이 수행됨은 물론, 기존 신호 전달 방식의 단점인 고저항, 고열 발생 및 기생 커패시턴스 현상 등이 완화될 수 있다.

기술적으로 성숙단계에 있는 광섬유 광통신기술을 컴퓨터에 도입하기 위한 연구가 최근에 활발히 진행되고 있다. 대표적으로 실리콘 포토닉스 기술은 광신호를 전송하기 위해 실리콘 물질을 광도파로로 사용한다. 또한 컴퓨터의 PCB 보드 속에 광섬유를 삽입하여 기존의 광섬유 광통신기술을 직접적으로 활용하려는 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

본 발명의 목적은 접합 효율을 극대화할 수 있는 광학 모듈, 광통신 장치, 및 그를 구비하는 정보처리 시스템을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전기 접속과 광 접속의 신뢰성이 높은 광학 모듈, 광통신 장치, 및 그를 구비하는 정보처리 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 광학 모듈은, 하부 클래드 층; 상기 하부 클래드 층 상에서 일방향으로 연장되는 광 도파로; 상기 광 도파로 상의 광 소자; 상기 광 소자와 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 광 도파로의 굴절률 보다 큰 굴절률을 갖는 프리즘; 상기 프리즘 및 상기 광 소자를 덮는 하우징; 및 상기 프리즘에 인접하고 상기 하우징과 상기 광 도파로 사이에 배치된 전극 층을 포함할 수 있다.

상기 전극 층과 상기 광 소자를 연결하는 본딩 와이어를 더 포함할 수 있다.

상기 광 소자는 상기 경사면에 접합되는 수직공진표면방출레이저, 또는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 수직공진표면방출레이저 및 포토 다이오드는 상기 프리즘에 인접하여 배치되고, 상기 본딩 와이어에 연결되는 본딩 패드를 구비할 수 있다.

상기 프리즘은 상기 본딩 패드 및 상기 본딩 와이어에 대향되는 방향의 경사각이 형성된 쐐기 모양을 가질 수 있다.

상기 쐐기 모양의 프리즘은 갈륨 포스파이드 또는 실리콘을 포함할 수 있다.

상기 프리즘과 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 굴절률을 갖는 버퍼 층을 더 포함할 수 있다.

상기 버퍼 층은 인덱스 매칭 오일 또는 접착제를 포함할 수 있다.

상기 광 도파로와 상기 전극 층 사이의 상부 클래드 층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 광통신 장치는, 서브 제어 영역, 연결 영역, 및 서브 단위 셀 영역을 갖는 기판; 상기 서브 제어 영역 상에 배치되는 서브 제어 부분들; 및 상기 서브 단위 셀 영역 상에 배치되고, 상기 서브 제어 부분들과 통신하는 서브 단위 셀 부분들을 포함하고, 상기 서브 제어 부분들 또는 상기 서브 단위 셀 부분들 중 적어도 하나는 광학 모듈을 포함한다. 여기서, 상기 광학 모듈은, 상기 기판 상의 하부 클래드 층과, 상기 하부 클래드 층 상에 배치되고, 상기 서브 제어 부분들 또는 상기 서브 단위 셀 부분들에서부터 연결 영역까지 연장되는 광 도파로와, 상기 서브 제어 영역 또는 상기 서브 단위 셀 영역의 상기 광 도파로 상의 광 소자들과, 상기 광 소자들과 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 광 도파로의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 프리즘과, 상기 프리즘에 및 상기 광 소자들을 덮는 하우징과, 상기 프리즘에 인접하여 상기 하우징과 상이 광 도파로 사이에 배치된 전극 층들을 포함할 수 있다.

상기 서브 제어 부분들의 상기 광 소자들은 제 1 광원과, 제 1 검출기를 포함하고, 상기 서브 단위 셀 부분들의 상기 광 소자들은 상기 광 도파로에 의해 상기 제 1 광원에 접속되는 제 2 검출기와, 상기 제 1 검출기에 접속되는 제 2 광원을 포함할 수 있다.

상기 광 도파로들은 상기 제 1 광원과 상기 제 2 검출기 사이에 연장되는 제 1 광 도파로; 및 상기 제 1 검출기 및 상기 제 2 광원 사이에 연결되는 제 2 광 도파로를 포함할 수 있다. 상기 제 1 광 도파로 및 상기 제 2 광 도파로는 서로 교차되지 않을 수 있다.

상기 서브 제어 부분이 상기 광 도파로들에 의해 N개의 서브 단위 셀 부분들에 연결되어 N 개의 단위 셀 부분들로 구성될 때, 상기 단위 셀 부분들은 N² 개의 상기 서브 단위 셀 부분들을 포함할 수 있다.

상기 광 도파로에 의해 상기 N² 개의 상기 단위 셀 부분들과 연결되는 메인 제어 부분들을 더 포함하고, 상기 메인 제어 부분들과 상기 단위 셀 부분들은 N개의 상위 단위 셀 부분들로 구성될 때, 상기 상위 단위 셀 부분들은 N³개의 상기 서브 단위 셀 부분들을 포함할 수 있다.

상기 광 도파로들을 연결하는 상기 광 커넥터를 더 포함할 수 있다.

상기 광 커넥터는, 상기 광 도파로 상의 육면체 프리즘; 상기 육면체 프리즘 상의 상부 광 도파로 층; 상기 상부 광 도파로 층 상의 탑 하부 클래드 층; 및 상기 탑 하부 클래드 층 상의 탑 기판을 포함할 수 있다.

상기 기판은 실리콘을 포함하고, 상기 광 도파로는 실리콘 나이트라이드를 포함할 수 있다.

상기 하부 클래드 층 내에 배치된 반도체 소자를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 정보처리 시스템은, 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판 상의 일측에 실장된 전자기 장치들; 상기 전자기 장치들에 연결되고, 상기 인쇄회로기판 상의 타측에 실장되는 광통신 장치들을 포함하고, 상기 광통신 장치들은, 서브 제어 영역, 연결 영역, 및 서브 단위 셀 영역을 갖는 기판과, 상기 서브 제어 영역 상에 배치되는 서브 제어 부분들과, 상기 서브 단위 셀 영역 상에 배치되고, 상기 서브 제어 부분들과 통신하는 서브 단위 셀 부분들을 포함하고, 상기 서브 제어 부분들 또는 상기 서브 단위 셀 부분들 중 적어도 하나는, 광학 모듈을 포함한다. 여기서, 상기 광학 모듈은, 상기 기판 상의 하부 클래드 층과, 상기 하부 클래드 층 상에 배치되고, 상기 서브 제어 부분들 또는 상기 서브 단위 셀 부분들에서부터 연결 영역까지 연장되는 광 도파로와, 상기 서브 제어 영역 또는 상기 서브 단위 셀 영역의 상기 광 도파로 상의 광 소자들과, 상기 광소자들과 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 광 도파로의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 프리즘과, 상기 프리즘에 및 상기 광 소자들을 덮는 하우징과, 상기 프리즘에 인접하여 상기 하우징과 상이 광도파로 사이에 배치된 전극 층들을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광통신 장치의 상기 기판 상에 실장된 중앙처리장치, 유저 인터페이스, 메모리, 또는 모뎀을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 광학 모듈은 기판, 하부 클래드 층, 광 도파로, 상부 클래드 층, 버퍼 층, 프리즘, 광 소자, 하우징, 전극 층, 본딩 와이어들을 포함할 수 있다. 기판 상에 하부 클래드 층이 배치될 수 있다. 광 도파로는 하부 클래드 층 상에서 일방향으로 연장되는 실리콘 나이트라이드, 또는 실리콘 옥시 나이트라이드를 포함할 수 있다. 상부 클래드 층은 광 도파로 및 하부 클래드 층 상에 배치될 수 있다. 광 도파로의 일부는 상부 클래드 층으로부터 노출될 수 있다. 버퍼 층은 상부 클래드 층으로부터 노출된 광 도파로 상에 배치될 수 있다. 버퍼 층은 광 도파로 보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 버퍼 층 상의 프리즘은 버퍼 층보다 높은 굴절률을 갖는 실리콘을 포함할 수 있다. 프리즘은 경사면을 구비한 쐐기 모양을 가질 수 있다. 광 소자는 레이저 광을 제공하는 광원을 포함할 수 있다. 광 소자는 프리즘의 경사면에 접합되어 레이저 광을 상기 경사면에 수직으로 입사할 수 있다. 레이저 광은 프리즘에서부터 광 도파로까지 점진적으로 증가된 굴절각으로 진행될 수 있다. 광 도파로 내에서 레이저 광의 굴절각이 90°일 때, 상기 광 도파로와 광 소자는 최대의 접합 효율을 가질 수 있다. 최대의 접합 효율은 광 도파로, 버퍼 층, 및 프리즘 각각의 굴절률과, 상기 프리즘의 경사각에 의해 결정될 수 있다. 프리즘은 광 소자와 광 도파로의 광 결합을 증가시킬 수 있다. 또한, 프리즘은 광 소자와 광 도파로의 정렬 허용 범위를 증가시킬 수 있다.

하우징은 프리즘 및 광 소자를 덮을 수 있다. 프리즘 및 광 소자는 하우징 내의 충진 접착제에 의해 고정될 수 있다. 하우징과 충진 접착제는 패키지 비용을 감소시키고, 생산 수율을 향상시킬 수 있다. 전극 층은 프리즘에 인접하는 상부 클래드 층 상에 배치될 수 있다. 전극 층은 하우징을 지지하고, 상기 하우징의 내부와 외부까지 연장될 수 있다. 본딩 와이어들은 하우징의 내부에서 광 소자와 전극 층을 연결할 수 있다. 전극 층 및 본딩 와이어는 하우징의 외부에서 상기 하우징 내의 광 소자를 전기적으로 접속시킬 수 있다. 하우징 외부의 전극 층은 본딩 와이어들에 의해 외부의 전자기 장치에 연결될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 광학 모듈, 광통신 장치, 및 그를 구비한 정보처리 시스템은 전기 접속 및 광 접속의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광통신 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 도 1의 서브 제어 부분들과 서브 단위 셀 부분들을 보다 상세히 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 광학 모듈들을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 평면도이다.
도 5는 광섬유를 이용한 광학 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5의 평면도이다.
도 7 및 도 8은 광섬유와 광 도파로 각각의 평면 정렬 허용 오차에 따른 출력 파워의 세기를 나타내는 그래프들이다.
도 9는 도 1의 광 커넥터를 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9의 상부 기판 및 육면체 프리즘을 상세히 나타낸 단면도이다.
도 11은 하부 클래드 층 내의 반도체 소자를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 응용 예에 따른 정보처리 시스템을 나타내는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광통신 장치(200)를 개략적으로 나타낸다. 본 발명의 실시 예에 따른 광통신 장치(200)는, 메인 제어 부분들(120), 서브 제어 부분들(112), 서브 단위 셀 부분들(110), 광 도파로들(30), 및 광 커넥터들(130)을 포함할 수 있다. 광 도파로들(30)은 메인 제어 부분들(120), 서브 제어 부분들(112), 및 서브 단위 셀 부분들(110)에 순차적으로 연결될 수 있다. 메인 제어 부분들(120)은 서브 제어 부분들(112) 및 서브 단위 셀 부분들(110)을 제어하는 제어 신호를 출력하고, 응답 신호를 수신할 수 있다. 서브 제어 부분들(112)은 메인 제어 부분들(120)과 통신하며, 서브 단위 셀 부분들(110)을 제어할 수 있다. 하나의 서브 제어 부분(112)과 16개의 서브 단위 셀 부분들(110)은 단위 셀 부분들(114)을 각각 구성할 수 있다. 단위 셀 부분들(114)이 16개로 구성될 때, 단위 셀 부분들(114)은 16²개의 서브 단위 셀 부분들(110)을 포함할 수 있다. 또한, 하나의 메인 제어 부분들(120)과 16개의 단위 셀 부분들(114)은 상위 단위 셀 부분(116)을 구성할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 16개의 상위 단위 셀 부분들(116)은 16³ 개의 서브 단위 셀 부분들(110)을 포함할 수 있다. 상위 단위 셀 부분들(116)과 초 메인 제어 부분들(미도시)은 고차원 단위 셀을 구성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 광통신 장치(200)는, 단위 셀 부분들(114) 차원이 증가될수록, 16의 고차승 개수로 설계된 서브 단위 셀 부분들(110)을 포함할 수 있다.

서브 제어 부분들(112)은 광 신호를 메인 제어 부분들(120) 또는 서브 단위 셀 부분들(110)에 출력할지를 결정할 수 있다. 메인 제어 부분들(120), 서브 제어 부분들(112), 및 서브 단위 셀 부분들(110)은 각각 광 신호와 전기 신호의 상호간 광전 변환을 수행할 수 있다.

광 커넥터들(130)은 메인 제어 부분들(120)과 서브 단위 셀 부분들(114) 사이의 광 도파로들(30)을 연결할 수 있다. 광섬유들(36)은 광 커넥터들(130)에 의해 그들의 길이가 연장되고, 도시되지는 않았지만, 서브 단위 셀 부분들(114) 내의 서브 제어 부분들(112)과 서브 단위 셀 부분들(110) 사이의 광섬유들(36)을 연결할 수도 있다. 광 커넥터들(130)의 구체적인 설명은 후속에서 설명하기로 한다.

도 2는 도 1의 서브 제어 부분들(112)과 서브 단위 셀 부분들(110)을 보다 상세히 나타내는 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 서브 제어 부분들(112)은 제 1 광원(72)과 제 1 검출기(74)를 포함할 수 있다. 서브 단위 셀 부분들(110)은 제 2 검출기(76)와 제 2 광원들(78)을 포함할 수 있다. 제 1 광원(72), 제 1 검출기(74), 제 2 광원(78), 및 제 2 검출기(76)는 광 소자들(70)이다. 제 1 광원(72)과 제 2 광원(78)은 수직 공진 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL), 레이저 다이오드(Laser Diode)를 포함할 수 있다. 제 1 검출기(74) 및 제 2 검출기(76)는 포토다이오드를 포함할 수 있다. 제 1 광원(72)과 제 2 검출기(76)는 제 1 광 도파로(32)에 의해 연결될 수 있다. 제 1 광원(72), 제 1 광 도파로(32), 및 제 2 검출기(76)는 제 1 통신 라인이 될 수 있다. 또한, 제 2 광 도파로(34)는 제 1 검출기(74)와 제 2 광원(78)를 연결할 수 있다. 마찬가지로, 제 1 검출기(74), 제 2 광 도파로, 제 2 광원(78)은 제 2 통신 라인이 될 수 있다. 제 1 광 도파로(32) 및 제 2 광 도파로(34)는 서로 교차되지 않고, 서브 제어 부분들(112)과 서브 단위 셀 부분들(110)을 연결할 수 있다.

서브 제어 부분들(112), 광 도파로들(30), 및 서브 단위 셀 부분들(110)은 기판(10) 상에 실장될 수 있다. 기판(10)은 서브 제어 영역, 연결 영역, 및 서브 단위 셀 영역을 가질 수 있다. 서브 제어 영역은 서브 제어 부분들(112)이 실장되는 영역이다. 서브 단위 셀 영역은 서브 단위 셀 부분들(110)이 실장되는 영역이다. 연결 영역은 서브 제어 영역 및 서브 단위 셀 영역 사이의 영역이다. 연결 영역에는 광 도파로들(30)이 배치될 수 있다.

광 소자들(70)은 광 도파로들(30)과 결합되어 광학 모듈(100)을 구성할 수 있다. 광 도파로(30)는 광학 모듈들(100)을 연결할 수 있다. 서브 제어 부분들(112) 또는 서브 단위 셀 부분들(110)은 광신호를 송신 및 수신하는 복수개의 광학 모듈들(100)을 가질 수 있다.

도 3은 본 발명의 광학 모듈들(100)을 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 3의 평면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 광학 모듈(100)은 기판(10), 하부 클래드 층(20), 광 도파로(30), 상부 클래드 층(40), 버퍼 층(50), 프리즘(60), 광 소자(70), 하우징(80), 전극 층(90), 및 본딩 와이어들(96)을 포함할 수 있다.

기판(10)은 결정 실리콘을 포함할 수 있다. 결정 실리콘은 약 3.45 정도의 굴절률을 가질 수 있다. 기판(10) 상에 하부 클래드 층(20)이 배치될 수 있다. 하부 클래드 층(20)은 실리콘 옥사이드를 포함할 수 있다. 실리콘 옥사이드는 1.45 정도의 굴절률을 가질 수 있다.

광 도파로(30)는 하부 클래드 층(20) 상에서 일 방향으로 연장될 수 있다. 하부 클래드 층(20)은 광 도파로(30)보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 광 도파로(30)는 기판(10)보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 광 도파로(30)는 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 옥시 나이트라이드를 포함할 수 있다. 실리콘 나이트라이드는 약 2.0 정도의 굴절률을 가질 수 있다. 실리콘 옥시 나이트라이드는 1.7 정도의 굴절률을 가질 수 있다.

상부 클래드 층(40)은 광 도파로(30)의 일 측을 덮을 수 있다. 상부 클래드 층(40)의 굴절률은 광 도파로(30)의 굴절률보다 낮을 수 있다. 상부 클래드 층(40)은 실리콘 옥사이드를 포함할 수 있다.

버퍼 층(50)은 상부 클래드 층(40)에 인접하여 광 도파로(30)의 타 측을 덮을 수 있다. 버퍼 층(50)은 광 도파로(30)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 버퍼 층(50)은 약 1.7 내지 2.1 정도의 굴절률을 갖는 인덱스 메칭 오일 또는 접착제를 포함할 수 있다.

프리즘(60)은 버퍼 층(50) 상에 배치될 수 있다. 버퍼 층(50)은 프리즘(60)과 광 도파로(30) 사이에 공기의 유입을 방지할 수 있다. 프리즘(60)은 버퍼 층(50)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 공기는 프리즘(60)과 광 도파로(30) 사이의 광 전달을 방해할 수 있기 때문이다. 프리즘(60)은 경사면(62)을 구비한 쐐기 모양을 가질 수 있다. 프리즘(60)의 경사각(θ)은 굴절각에 대응될 수 있다. 프리즘(60)은 결정 실리콘 또는 갈륨 포스파이드(GaP)를 포함할 수 있다. 갈륨 포스파이드는 결정구조에서 약 3.05 정도의 굴절률을 가질 수 있다. 프리즘(60)은 광 소자(70)와 광 도파로(30)의 광 결합을 증가시킬 수 있다. 또한, 프리즘(60)은 광 소자(70)와 광 도파로(30)의 정렬 허용 범위를 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 광학 모듈(100)은 광 접속의 신뢰성을 극대화할 수 있다.

광 소자(70)는 프리즘(60)의 경사면(62)에 수직으로 접합될 수 있다. 한편, 광 소자(70)는 소자 패드(71)를 가질 수 있다. 소자 패드(71)는 제 1 본딩 와이어(79)에 의해 전극 층(90)에 접속될 수 있다.

하우징(80)은 프리즘(60) 및 광 소자(70)을 덮는다. 충전 접착제(glue filling, 82)는 하우징(80)의 내부에 충진될 수 있다. 또한, 마감 접착제(84)는 하우징(80) 내부의 버퍼 층(50)을 밀봉(sealing)할 수 있다.

전극 층(90)은 프리즘(60)에 인접하는 상부 클래드 층(40) 상에 배치된다. 전극 층(90)과 상부 클래드 층(40) 사이에 절연 층(44)이 배치될 수 있다. 절연 층(44)과 전극 층(90)은 하우징(80)을 지지할 수 있다. 절연 층(44)은 프리즘(60) 외곽에 배치될 수 있다.

하우징(80)은 프리즘(60) 및 광 소자(70)를 덮을 수 있다. 프리즘(60) 및 광 소자(70)는 하우징(80) 내의 충진 접착제(82)에 의해 기판(10) 상에서 고정될 수 있다. 수직 공진 표면 방출 레이저의 광 소자(70)는 하우징(80)에 의해 보호될 수 있다. 하우징(80)은 광섬유들(30)의 연장 방향에 수직한 방향으로 확장되는 직사각형 모양의 평면을 가질 수 있다. 하우징(80)은 전극 층(90)의 일부를 덮을 수 있다. 전극 층(90)은 하우징(80)의 내부에서 외부까지 연결될 수 있다. 하우징(80) 내부의 전극 층(90)은 제 1 본딩 와이어(79)에 의해 광 소자(70)에 전기적으로 접속될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 광학 모듈(100)은 전기 접속의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

하우징(80) 외부의 전극 층(90)은 제 2 본딩 와이어(94)에 의해 패드(92)에 전기적으로 접속될 수 있다. 패드(92)는 전극 층(90) 및 절연 층(44)에 인접하는 상부 클래드 층(40) 상에 배치될 수 있다. 패드(92)는 외부의 전자기 장치에 전기적으로 접속될 수 있다.

상술한 바와 같이, 수직 공진 표면 방출 레이저의 광 소자(70)는 레이저 광(140)을 광 도파로(30)에 제공할 수 있다. 레이저 광(140)은 프리즘(60)에서부터 광 도파로(30)까지 굴절각이 증가되어 진행될 수 있다. 레이저 광(140)이 높은 굴절률의 매질에서 낮은 굴절률의 매질로 진행될 때마다 그의 굴절각은 증가될 수 있다. 굴절각이 광 도파로(30)에서 90°일 때, 광학 모듈(100)의 제 1 광원(72)과 광 도파로(30), 제 2 광원(78)과 상기 광도파로(30)은 최대 접합 효율(coupling effiecency)를 가질 수 있다. 레이저 광(140)은 프리즘(60)의 경사면(62)에 수직으로 입사될 수 있다. 즉, 프리즘(60)에서 레이저 광(140)의 제 1 입사각(Φ₁)은 0이다. 또한, 경사면(62)에서의 제 1 굴절각(미도시) 또한 0이다. 굴절률이 작은 매질에서 굴절률이 큰 매질로 광 신호가 입사되면, 굴절각은 입사각보다 줄어든다. 레이저 광(140)은 공기 중에서 프리즘(60)으로 입사될 수 있다.

이후, 레이저 광(140)은 프리즘(60)의 바닥에 제 2 입사각(Φ₂)으로 진행될 수 있다. 제 2 입사각(Φ₂)은 프리즘(60)의 경사면(62)의 경사각(θ)과 동일하다. 레이저 광(140)은 버퍼 층(50) 내에 제 2 굴절각(Φ₃)으로 굴절될 수 있다. 제 2 굴절각(Φ₃)은 제 2 입사각(Φ₂)보다 클 수 있다. 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 광 신호가 입사되면, 굴절각은 입사각보다 증가될 수 있다. 레이저 광(140)은 광 도파로(30) 내에 제 3 굴절각(Φ₄)으로 진행될 수 있다. 제 3 굴절각(Φ₄)는 제 2 굴절각(Φ₃)보다 클 수 있다.

레이저 광(140)은 90°정도의 제 3 굴절각(Φ₄)을 가질 때, 가장 높은 결합 효율을 가질 수 있다. 이때, 레이저 광은 광 도파로(30) 내에서 그와 평행하게 진행될 수 있다. 제 3 굴절각(Φ₄)이 90°보다 작거나 클 경우, 레이저 광(140)은 광 도파로(30)의 바닥에서 광 소자(70) 방향으로 반사되어 되돌아갈 수 있다. 즉, 결합 효율이 낮아질 수 있다.

도 5는 광섬유(36)를 이용한 광학 모듈(100)을 나타내는 평면도이다. 도 6은 도 5의 평면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 광학 모듈(100)의 광 소자들(70) 대신 광섬유(36)가 채용될 수 있다. 광섬유(36)는 프리즘(60)의 경사면에 접합(coupling)될 수 있다. 광 도파로(30)는 프리즘(60)의 아래에서 약 20㎛ 이상의 선폭을 가질 수 있다. 광 도파로(30)는 프리즘(60)으로부터 멀어질수록 테이퍼질 수 있다. 여기서, 본 발명의 광학 모듈(100)은 광 섬유 커넥터가 될 수 있다.

도 7 및 도 8은 광섬유(36)와 광 도파로(30)의 평면 정렬 허용 오차에 따른 출력 파워의 세기를 나타낸다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 프리즘(60) 아래에서 20㎛ 정도 선폭의 광 도파로(30)는 프리즘(60)에서 멀어질수록 약 7.21㎛ 정도의 선폭으로 테이퍼지고, 약 18.9㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다. 프리즘(60)은 그의 재질에 따라 최대 결합 효율의 경사각을 가질 수 있다. 예를 들어, 결정 실리콘의 프리즘(60)은 25° 내지 35°정도의 경사각을 가질 수 있다. 바람직하게는, 결정 실리콘의 프리즘(60)이 경사면이 약 29.6°의 경사각을 가질 때, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 모듈(100)은 최대 결합 효율을 가질 수 있다. 갈륨 포스파이드의 프리즘(60)은 30° 내지 40°의 경사각을 가질 수 있다. 표 1은 갈륨 포스파이드 프리즘(60)의 경사각에 따른 레이저 광의 출력 파워를 나타낸다.

GaP 프리즘 경사각(degree)	출력파워(mW)
35.06	0.801
35.2	0.810
35.35	0.804
35.5	0.706

표 1을 참조하면, 갈륨 포스파이드(GaP)의 프리즘(60)이 경사면이 약 35.2°의 경사각을 가질 때, 0.810mW의 최대 출력 파워를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 광학 모듈(100)은 최대 결합 효율을 가질 수 있다.

또한, 제 1 검출기(74) 또는 제 2 검출기(76)는 광 도파로(30)에서 전달되는 레이저 광(140)을 검출할 수 있다. 레이저 광(140)는 광 도파로(30)에서부터 프리즘(60)까지 감소된 굴절각으로 진행될 수 있다. 레이저 광(140)이 낮은 굴절률의 매질에서 높은 굴절률의 매질로 진행될 때마다 그의 굴절각은 줄어들 수 있다. 프리즘(60)에서 레이저 광(140)의 굴절각이 0°일 때, 광 도파로(30)과 제 1 검출기(74) 또는 상기 광 도파로(30)과 제 2 검출기(76)는 최대 접합 효율을 가질 수 있다. 레이저 광(140)의 진행에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 9는 도 1의 광 커넥터(130)를 나타내는 단면도이다. 도 10은 도 9의 상부 기판(12) 및 육면체 프리즘(66)을 상세히 나타낸 단면도이다.

도 1, 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 광 커넥터(130)는 육면체 프리즘(66), 상부 버퍼 층(52), 탑 상부 클래드 층(42), 상부 광 도파로(38), 탑 하부 클래드 층(22), 및 상부 기판(12)을 포함할 수 있다.

상부 기판(12), 탑 하부 클래드 층(22), 상부 광 도파로(38), 탑 상부 클래드 층(42), 및 상부 버퍼 층(52)은 육면체 프리즘(66)을 중심으로 기판(10), 하부 클래드 층(20), 광 도파로(30), 상부 클래드 층(40), 및 버퍼 층(50)과 각기 대칭적으로 배치될 수 있다.

상부 기판(12)은 기판(10)과 동일한 결정 실리콘을 포함할 수 있다. 탑 하부 클래드 층(22) 및 탑 상부 클래드 층(42)은 실리콘 옥사이드를 포함할 수 있다. 상부 광 도파로(38)는 실리콘 나이트라이드, 또는 실리콘 옥시 나이트라이드를 포함할 수 있다. 상부 버퍼 층(52)은 인덱스 매칭 오일 또는 접착제를 포함할 수 있다.

육면체 프리즘(66)은 광 도파로(30) 및 상부 광 도파로(38)와 평행한 하부면 및 상부면을 가질 수 있다. 도 9 및 도 10에서의 육면체 프리즘(66)은 사각형의 단면으로 나타난다. 사각형 단면은 대각선(64)을 가질 수 있다. 대각선(64)은 프리즘(60)의 경사면(62)에 대응될 수 있다. 즉, 육면체 프리즘(66)은 쐐기 모양의 복수개의 프리즘(60)이 결합된 것에 대응될 수 있다.

레이저 광(140)은 상부 광 도파로(38)에서 광 도파로(30)까지 굴절되어 진행될 수 있다. 레이저 광(140)의 진행 방향에 따라 상부 광 도파로(38)에서 육면체 프리즘(66)까지 굴절률은 증가된 후, 상기 육면체 프리즘(66)에서 광 도파로(30)가지 다시 굴절률은 감소될 수 있다. 접합 효율을 갖는 육면체 프리즘(66)은 임의의 선폭과 높이를 가질 수 있다. 육면체 프리즘(66)의 선폭과 높이가 적절히 조절되면 레이저 광(140)은 상부 광 도파로(38)과 광 도파로(30) 사이에서 반사 손실 없이 진행될 수 있다.

도 11은 하부 클래드 층(20) 내의 반도체 소자(28)를 나타내는 단면도이다.

도 11을 참조하면, 광학 모듈(100)은 하부 클래드 층(20)과 기판(10)사이의 반도체 소자들(28)을 포함할 수 있다. 반도체 소자(28)는 디램(DRAM), 또는 낸드 플래시(NAND flash)와 같은 메모리 또는 박막트랜지스터를 포함할 수 있다. 박막트랜지스터의 반도체 소자들(28)은 소스(23), 드레인(24), 게이트 절연막(25), 게이트(26), 및 게이트 상부 절연막(27)을 포함할 수 있다. 소스(23) 및 드레인(24) 기판(10)의 상부 표면에 배치될 수 있다. 소스(23)와 드레인(24)은 이격될 수 있다. 게이트 절연막(25), 게이트(26), 및 게이트 상부 절연막(27)은 소스(23) 및 드레인(24) 사이의 기판(10) 상에 적층될 수 있다. 게이트 (26)에 제어 전압이 인가되면, 소스(23)와 드레인(24) 사이의 기판(10) 내에 공핍 영역(depletion region)으로 채널(미도시)이 형성될 수 있다. 따라서, 소스(23)과 드레인(24)은 턴온될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 박막트랜지스터의 반도체 소자(28)는 하부 클래드 층(20) 내의 워드 라인 및 데이터 라인(비트 라인)에 연결될 수 있다. 워드 라인과 데이터 라인은 서로 다른 방향으로 연장될 수 있다.

도 12는 본 발명의 응용 예에 따른 정보처리 시스템(400)을 나타낸다. 본 발명의 응용 예에 따른 정보처리 시스템(400)은, 인쇄회로기판(14), 전자기 소자들(300), 및 광통신 장치(200)를 포함할 수 있다. 인쇄회로기판(14)은 전자기 소자들(300), 전기 배선들(310), 소켓들(320), 및 광통신 장치(200)를 실장할 수 있다. 예컨대, 전자기 소자들(300)은 인쇄회로기판(14)의 일 측 상에 배치되고, 광통신 장치(200)는 상기 인쇄회로기판(14)의 타 측 상에 배치될 수 있다. 전기 배선들(310)은 인쇄회로기판(14) 상의 전자기 소자들(300)과 광통신 장치(200)를 연결할 수 있다. 소켓들(320)은 인쇄회로기판(14) 외부의 입출력 부(미도시)를 연결시킬 수 있다. 입출력 부는 키보드 또는 모니터를 포함할 수 있다.

광통신 장치(200)는 중앙처리장치(210), 유저 인터페이스(220), 메모리(230), 및 모뎀(240)을 실장할 수 있다. 중앙처리장치(210), 유저 인터페이스(220), 메모리(230), 및 모뎀(240)은 광 소자들(70)을 통해 광 신호를 송수신할 수 있다. 광 신호는 광 도파로들(30)를 통해 전달될 수 있다. 여기서, 광 도파로들(30)은 광 소자들(70)에 의해 중앙처리장치(210), 유저 인터페이스(220), 메모리(230), 및 모뎀(240)에 공통으로 연결된 버스(bus)일 수 있다. 중앙처리장치(210)는 전자기 소자들(300), 유저 인터페이스(220), 및 메모리(230) 또는 모뎀(240)에서 제공되는 데이터를 연산 처리할 수 있다. 유저 인터페이스(220)는 사용자 환경을 제공할 수 있다. 메모리(230)에는 중앙처리장치(210)에서 처리된 데이터 또는 외부에서 입력된 데이터가 저장된다. 메모리(230)는 디램, 에스램과 같은 주 기억장치, 또는 하드 디스크, 고체 상태 디스크(SSD)와 같은 보조 기억장치를 포함할 수 있다. 모뎀(240)은 정보처리 시스템을 초고속 인터넷 또는 광통신 인터넷에 접속시킬 수 있다. 도시되지 않았지만, 본 발명의 응용 예에 따른 정보처리 시스템에는 응용 칩셋(Application Chipset), 카메라 이미지 프로세서(Camera Image Processor: CIS), 입출력 장치 등이 더 제공될 수 있음은 이 분야의 통상적인 지식을 습득한 자들에게 자명하다. 또한, 정보처리 시스템(400)은 컴퓨터 또는 모바일 기기에 대응될 수 있다. 도 12에서 광통신 장치(200)는 단위 셀 부분(도 2의 114)을 근간으로 하여 중앙처리장치(210), 유저 인터페이스(220), 메모리(230), 및 모뎀(240)이 실장된 것으로 개시되어 있으나, 본 발명에서는 다양하게 실시 변경 가능할 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 기판 12: 상부 기판
20: 하부 클래드 층 22: 탑 하부 클래드 층
23: 소스 24: 드레인
25: 게이트 절연막 26: 게이트
27: 게이트 상부 절연막 30: 광 도파로
32: 제 1 광 도파로 34: 제 2 광 도파로
36: 광섬유 38: 상부 광 도파로
40: 상부 클래드 층 42: 탑 상부 클래드 층
44: 절연 층 50: 버퍼 층
52: 상부 버퍼 층 60: 프리즘
62: 경사면 64: 대각선
66: 육면체 프리즘 70: 광 소자
71: 소자 패드 72: 제 1 광원
74: 제 1 검출기 76: 제 2 검출기
78: 제 2 광원 79: 제 1 본딩 와이어
80: 하우징 82: 충진 접착제
84: 마감 접착제 90: 전극 층
92: 패드 94: 제 2 본딩 와이어
96: 본딩 와이어들 100: 광학 모듈
110; 서브 단위 셀 부분들 112: 서브 제어 부분들
114: 단위 셀 부분들 116: 상위 단위 셀 부분
120: 메인 제어 부분들 130: 광 커넥터들
140: 레이저 광 200: 광통신 장치
210: 중앙처리장치 220: 유저 인터페이스
230: 메모리 240: 모뎀
300: 전자 부품들 310: 전기 배선들
320: 소켓들 400: 정보처리 시스템

Claims

하부 클래드 층;
상기 하부 클래드 층 상에서 일방향으로 연장하고, 실리콘 나이트라이드를 포함하는 광 도파로;
상기 광 도파로 상의 광 소자;
상기 광 소자와 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 광 도파로의 굴절률 보다 큰 굴절률을 갖는 프리즘;
상기 프리즘 및 상기 광 소자를 덮는 하우징; 및
상기 프리즘에 인접하고 상기 하우징과 상기 광 도파로 사이에 배치된 전극 층을 포함하되,
상기 프리즘은 상기 광 도파로의 연장 방향에 대해 기울어진 경사면을 포함하는 쐐기 모양을 갖고, 갈륨 포스파이드를 포함하되,
상기 프리즘의 상기 경사면은 상기 광 도파로의 연장 방향에 대해 35.2도 기울어진 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 전극 층과 상기 광 소자를 연결하는 본딩 와이어를 더 포함하는 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 광 소자는 수직공진표면방출레이저, 또는 포토 다이오드를 포함하는 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 광 소자는 상기 프리즘에 인접하여 배치되는 본딩 패드를 구비한 광학 모듈.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 프리즘과 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 굴절률을 갖는 버퍼 층을 더 포함하는 광학 모듈.
제 7 항에 있어서,
상기 버퍼 층은 인덱스 매칭 오일 또는 접착제를 포함하는 광학 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 광 도파로와 상기 전극 층 사이의 상부 클래드 층을 더 포함하는 광학 모듈.
서브 제어 영역, 연결 영역, 및 서브 단위 셀 영역을 갖는 기판;
상기 서브 제어 영역 상에 배치되는 서브 제어 부분들; 및
상기 서브 단위 셀 영역 상에 배치되고, 상기 서브 제어 부분들과 통신하는 서브 단위 셀 부분들을 포함하되,
상기 서브 제어 부분들 또는 상기 서브 단위 셀 부분들 중 적어도 하나는 광학 모듈을 포함하되,
상기 광학 모듈은:
상기 기판 상의 하부 클래드 층;
상기 하부 클래드 층 상에서 일방향으로 연장하고, 실리콘 나이트라이드를 포함하는 광 도파로;
상기 광 도파로 상의 광 소자;
상기 광 소자와 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 광 도파로의 굴절률 보다 큰 굴절률을 갖는 프리즘;
상기 프리즘 및 상기 광 소자를 덮는 하우징; 및
상기 프리즘에 인접하고 상기 하우징과 상기 광 도파로 사이에 배치된 전극 층을 포함하되,
상기 프리즘은 상기 광 도파로의 연장 방향에 대해 기울어진 경사면을 포함하는 쐐기 모양을 갖고, 갈륨 포스파이드를 포함하되,
상기 프리즘의 상기 경사면은 상기 광 도파로의 연장 방향에 대해 35.2도 기울어진 광통신 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 서브 제어 부분들의 상기 광 소자들은 제 1 광원과, 제 1 검출기를 포함하고,
상기 서브 단위 셀 부분들의 상기 광 소자들은 상기 광 도파로에 의해 상기 제 1 광원에 접속되는 제 2 검출기와, 상기 제 1 검출기에 접속되는 제 2 광원을 포함하는 광통신 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 광 도파로들은
상기 제 1 광원과 상기 제 2 검출기 사이에 연장되는 제 1 광 도파로; 및
상기 제 1 검출기 및 상기 제 2 광원 사이에 연결되는 제 2 광 도파로를 포함하되,
상기 제 1 광 도파로 및 상기 제 2 광 도파로는 서로 교차되지 않는 광통신 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 서브 제어 부분이 상기 광 도파로들에 의해 N개의 서브 단위 셀 부분들에 연결되어 N 개의 단위 셀 부분들로 구성될 때, 상기 단위 셀 부분들은 N² 개의 상기 서브 단위 셀 부분들을 포함하는 광통신 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 광 도파로에 의해 상기 N² 개의 상기 단위 셀 부분들과 연결되는 메인 제어 부분들을 더 포함하고, 상기 메인 제어 부분들과 상기 단위 셀 부분들은 N개의 상위 단위 셀 부분들로 구성될 때, 상기 상위 단위 셀 부분들은 N³개의 상기 서브 단위 셀 부분들을 포함하는 광통신 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 광 도파로를 연결하는 광 커넥터를 더 포함하는 광통신 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 광 커넥터는,
상기 광 도파로 상의 육면체 프리즘;
상기 육면체 프리즘 상의 상부 광 도파로 층;
상기 상부 광 도파로 층 상의 탑 하부 클래드 층; 및
상기 탑 하부 클래드 층 상의 탑 기판을 포함하는 광 통신 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 기판은 실리콘을 포함하되,
상기 광 도파로는 실리콘 나이트라이드를 포함하는 광통신 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 하부 클래드 층 내에 배치된 반도체 소자를 더 포함하는 광통신 장치.
인쇄회로기판;
상기 인쇄회로기판 상의 일측에 실장된 전자기 장치들;
상기 전자기 장치들에 연결되고, 상기 인쇄회로기판 상의 타측에 실장되는 광통신 장치들을 포함하되,
상기 광통신 장치들은, 서브 제어 영역, 연결 영역, 및 서브 단위 셀 영역을 갖는 기판과, 상기 서브 제어 영역 상에 배치되는 서브 제어 부분들과, 상기 서브 단위 셀 영역 상에 배치되고, 상기 서브 제어 부분들과 통신하는 서브 단위 셀 부분들을 포함하되,
상기 서브 제어 부분들 또는 상기 서브 단위 셀 부분들 중 적어도 하나는, 광학 모듈을 포함하되,
상기 광학 모듈은:
상기 기판 상의 하부 클래드 층;
상기 하부 클래드 층 상에서 일방향으로 연장하고, 실리콘 나이트라이드를 포함하는 광 도파로;
상기 광 도파로 상의 광 소자;
상기 광 소자와 상기 광 도파로 사이에 배치되고, 상기 광 도파로의 굴절률 보다 큰 굴절률을 갖는 프리즘;
상기 프리즘 및 상기 광 소자를 덮는 하우징; 및
상기 프리즘에 인접하고 상기 하우징과 상기 광 도파로 사이에 배치된 전극 층을 포함하되,
상기 프리즘은 상기 광 도파로의 연장 방향에 대해 기울어진 경사면을 포함하는 쐐기 모양을 갖고, 갈륨 포스파이드를 포함하되,
상기 프리즘의 상기 경사면은 상기 광 도파로의 연장 방향에 대해 35.2도 기울어진 정보처리 시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 광통신 장치의 상기 기판 상에 실장된 중앙처리장치, 유저 인터페이스, 메모리, 또는 모뎀을 더 포함하는 정보처리 시스템.