KR102288628B1 - 자동 광파워 제어 가능 구조를 갖는 표면실장형 레이저 다이오드 - Google Patents

자동 광파워 제어 가능 구조를 갖는 표면실장형 레이저 다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 레이저 다이오드를 채용하는 사용자 입장에서 대량 생산의 용이성 및 주변 환경에 관계없이 레이저 다이오드의 출력 광파워를 자동으로 일정하게 유지하여 레이저 다이오드가 포함된 제품의 성능을 항상 동일하게 유지할 수 있도록 하는 포토 다이오드가 내장된 표면실장형 레이저 다이오드를 구현하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 레이저 다이오드 빔의 90도 방향 전환 구조 및 자동 광파워 제어를 가능토록 하는 포토 다이오드가 내장된 표면실장이 가능한 레이저 다이오드를 제공한다.

Description

자동 광파워 제어 가능 구조를 갖는 표면실장형 레이저 다이오드 {SURFACE MOUNTING DEVICE TYPE LASER DIODE WITH AUTOMATIC OPTICAL POWER CONTROL STRUCTURE}
본 발명은 자동 광파워 제어 가능 구조를 갖는 표면실장(SMD : Surface mounting device) 형태의 레이저 다이오드에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 표면실장 타입 레이저 다이오드의 구동을 위해 사용하는 구동 회로 구성 시 레이저 다이오드의 광파워를 일정하게 유지하는 회로 구성이 가능토록 "포토 다이오드가 내장된 표면실장 타입 레이저 다이오드”에 관한 것이다.
레이저 프린터, Lidar(Light detection and ranging)와 같은 거리 측정 센서, 공장 자동화 센서, 동작인식 센서 등에서 발광소자로 다양하게 적용되고 있는 레이저 다이오드는 일반적으로 빛을 내는 레이저 다이오드 칩(LD)과 필요 시 레이저 다이오드 빛을 수광하는 포토 다이오드(PD) 칩을 각각의 마운트에 고정하여 일반적으로 TO 캔에 조립된다. 대개 LD 칩은 스템에 수직한 방향으로 별도의 마운트에 고정되고 레이저 다이오드의 전면에서 광이 출사된다. 이러한 일반적인 도 1 구조의 레이저 다이오드는 실제 사용 환경에서 자동 전류 제어(ACC : Automatic current control) 및 자동 파워 제어(APC : Automatic power control) 구동회로와 결합되어 사용된다. 이러한 구조로 인해 빔의 방향 변경을 위해 각종 광학계가 구성되거나(일본 특허공보 특허 제 2590904호 등) 대한민국출원 제10-2018-0102766호에서는 스템히트블록 단부에 경사각을 준 미러를 설치하거나 한다.
TO 형태의 패키지는 응용분야에 따라 필수적인 소형화 및 사람에 의해 수작업으로 회로물에 실장되는 형태의 조립으로 사용자 측면의 대량 양산화에 맞지 않는 문제가 있다. 또한 현재 존재하는 표면 실장형 레이저 다이오드의 경우 포토 다이오드가 내장되지 않아 응용분야에서 주변 환경(온도 등)에 의해 레이저 다이오드 광파워 변화에 따른 모듈 특성에 영향 받지 않도록 자동으로 레이저 다이오드의 광파워를 일정하게 출력되도록 유지하는 제어 방식을 사용할 수 없다.
이러한 문제를 해결하기 위해 포토 다이오드가 내장되어 자동 광파워 제어 가능 구조를 갖는 표면실장 형태의 레이저 다이오드 구조를 제안한다.
따라서 본 발명의 목적은 레이저 다이오드를 사용하는 사용자 측면에서 대량 생산의 용이성 및 레이저 다이오드가 채용된 제품에서 주변 환경에 의해 구동되는 레이저 다이오드의 광파워 변화가 없도록 자동 광파워 제어가 가능하도록 하는 포토 다이오드가 내장된 표면실장형 형태의 레이저 다이오드를 구현하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 포토 다이오드 일체형 서브마운트(서브마운트 + 포토 다이오드 동시 기능)에 레이저 다이오드 칩을 본딩하며, 레이저 다이오드 칩, 서브마운트, 포토다이오드는 골드와이어로 표면실장형 패키지의 리드 핀과 연결되어 구동될 수 있는 표면실장형 레이저 다이오드를 제공한다.
또한, 빛을 90도로 방향 전환시키기 위한 45도 반사미러 또는 그에 상응하는 부품을 가지고 있는 표면실장형 레이저 다이오드를 제공한다.
즉, 본 발명은,
금속 기판 상에,
레이저 다이오드 칩을 본딩하는 서브마운트 영역을 제공하는 동시에 상기 레이저 다이오드 칩의 빛을 감지하는 포토 다이오드를 겸하는 포토 다이오드 일체형 서브마운트;
상기 포토 다이오드 일체형 서브마운트에 본딩된 레이저 다이오드 칩; 및
상기 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 메인 빔의 방향을 전환하여 주는 반사미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 금속 기판은 공통 핀이 접속되는 공통 핀용 패드;
레이저 다이오드 용 핀이 접속되는 LD 핀용 패드; 및
포토다이오드 용 핀이 접속되는 PD 핀용 패드;를 포함하고,
상기 공통 핀용 패드, LD 핀용 패드 및 PD 핀용 패드는 서로 절연된 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 서브마운트 영역과 공통 핀용 패드, 상기 레이저 다이오드와 LD 핀용 패드, 그리고 상기 포토다이오드와 PD 핀용 패드는 각각 와이어에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 레이저 다이오드 칩은 하나 이상 배열되며, 다수 배열되어 다채널을 이루는 경우, 각각의 레이저 다이오드 칩에 대해 각각의 LD 핀용 패드가 금속 기판에 설치되고, 각각의 와이어에 의해 레이저 다이오드 칩과 LD 핀용 패드가 연결된 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, LD 핀용 패드 및 PD 핀용 패드는 절연을 위해 상기 금속 기판 상에 개구부로 된 틈새를 두고 배열되거나, 패드 둘레에 절연체를 배열한 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 공통 핀용 패드는 금속 기판이 겸하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 반사미러는 45°경사면을 구비한 것임을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈을 제공한다.
상기 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈의 레이저 다이오드와 포토 다이오드를 트랜지스터와 수동소자에 연결하여 회로를 구성하여 포토 다이오드에 의해 레이저 다이오드의 광파워를 자동 제어할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 자동 광 파워 제어 모듈을 제공한다.
본 발명은 레이저 다이오드 빛을 수광해서 자동 광파워 제어 기능을 할 수 있는 단일채널 및 다채널 레이저 다이오드를 제공하여 레이저 다이오드가 채용된 제품의 사용 환경에 상관없이 레이저 다이오드의 광출력을 일정하게 유지하여 제품의 특성을 유지할 수 있는 구조 및 레이저 빔의 경로를 수직으로 변경하는 45도 반사미러 및 이에 상응하는 부품이 포함된 단일채널 또는 다채널 표면실장형 레이저 다이오드를 제공함으로써 사용자 구동 측면, 소형화 및 대량 양산 측면에서도 유리하다.
또한, 다채널 레이저 다이오드 빛을 방출시킬 수 있는 구조이므로 순차적 및/또는 동시에 빛을 방출시키므로써 사용 용도에 따라 해상도 및 구동 속도 증가가 가능한 구조이다.
또한, 본 발명은 레이저 다이오드 빛을 수광해서 모니터링 할 수 있는 포토다이오드가 포함된 표면 실장형 다채널 레이저 다이오드를 제공하여 레이저 다이오드 소자를 연속 구동 또는 펄스 구동 시 제품의 특성에 영향을 주지 않도록 하는 자동 광파워 제어가 가능한 구조이다.
도 1은 종래 기술에 따른 TO Can 패키지 구성을 보여주는 단면 구성도이다.
도 2a는 본 발명에 있어 자동 광파워 제어 가능하도록 레이저 다이오드 빛을 수광할 수 있는 포토다이오드 구비 및 45도 반사미러 구조가 적용된 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 구성을 보여주는 단면 구성도이다.
도 2b은 도 2a를 측면에서 보여주는 구성도이다.
도 3은 레이저 다이오드 칩을 본딩하고 레이저 빛을 수광할 수 있는 포토 다이오드 일체형 서브마운트를 보여주는 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명에서 명시한 도 2a의 단일채널 표면실장형 레이저 다이오드를 자동 광파워 조정으로 구동할 수 있는 널리 사용되는 일반적인 트렌지스터와 수동소자로 구성된 회로도이다.
도 5와 6은 2채널과 4채널로 확장된 자동 광파워 제어가 가능한 표면실장 레이저 다이오드를 보여주는 단면 구성도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1의 종래 기술에서 단일채널 레이저 다이오드(100)를 서브마운트(200)에 부착하고 이를 스템히트블록(400)의 스템부분에 부착시켜 레이저 빔이 연직방향으로 방출되는 것을 보여준다. 또한 포토 다이오드(300)가 스템에 실장되어 레이저 다이오드 후면부로 출사되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 수단으로 사용되어 자동 광파워 제어가 가능한 구조이다.
상술한 바와 같이 이러한 구성은 레이저 빔의 방향 전환을 위해 별도의 광학계를 구성해야 하고, 수직/수평 구조를 갖는 스템히트블록의 수직부에 레이저 다이오드 칩을 고정하야 하므로 제작 공정이 번거롭고 콤팩트하게 될 수 없다. 또한 기존의 표면실장형 레이저 다이오드 경우 레이저 빛을 수광할 수 있는 포토 다이오드의 부재로 사용자가 구동 시 자동 광파워 제어를 할 수 없는 단점이 있다.
이러한 점을 개선한 본 발명은 도 2와 같이 기존 LED 조립 등에 사용되는 패키지에 레이저 다이오드 칩을 본딩 및 레이저 다이오드부터 출사되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 포토 다이오드가 일체화되어 있는 포토 다이오드 일체형 서브마운트(500)를 채용하고 또한 빔의 경로를 수직으로 변경하는 45도 반사미러(600) 부품을 사용하여 자동 광파워 제어가 가능하고 소형화 및 대량 생산이 용이한 표면실장형 레이저 다이오드를 제공한다.
즉, 리드 프레임과 같은 금속 기판(700) 상에 포토 다이오드 일체형 서브마운트(500)를 고정하고, 상기 포토 다이오드 일체형 서브마운트(500)의 서브마운트 영역(500-1)에 레이저 다이오드 칩(100)을 본딩하여 레이저 다이오드의 광 파워를 자동 제어될 수 있게 하며, 제조공정을 간소화하여 양산에 적합하게 한다.
또한, 레이저 다이오드 칩이 금속기판(700)과 나란하게 배열된 포토 다이오드 일체형 서브마운트 상에 본딩되어 레이저 빔의 방향을 패키지 모듈에서 전환시켜주기 위해, 경사면을 갖는 반사미러(600)를 금속기판(700)에 배치한다. 경사면을 갖는 프리즘 형태의 반사미러 부재는 금속기판 상에 용이하게 고정될 수 있고, 모든 부재들이 배열된 상태에서 패키지 모듈 전체적으로 거의 평탄한 구조를 가질 수 있어 제조공정의 양산성이 좋다. 금속기판(700)에 경사면을 갖는 반사미러(600)가 고정된 것을 적용하여 서브마운트 등의 부재를 조립할 수도 있다.
단일채널 레이저 다이오드 칩(100)과 레이저 빔의 경로를 90도 전환하는 미러 및 회로물에 연결되는 핀과 레이저 다이오드, 일체형 서브마운트(500)를 연결하는 골드와이어(800, 900)를 구비한 표면실장형 타입의 레이저 다이오드 패키지 모듈을 제공한다. 골드와이어(900)은 공통 핀과 연결된다.
레이저 다이오드 칩(100), 서브마운트를 겸하는 포토 다이오드에서 서브마운트 영역(500-1), 그리고 포토 다이오드(500-2)는 각각 전기접속을 위해 와이어링 된다. 이를 위해, 금속 기판(700)에 공통 핀용 패드, LD 핀용 패드 및 PD 핀용 패드가 제공된다. 공통 핀용 패드에는 공통 핀이 접속되고, 서브마운트 영역(500-1)과 공통 핀용 패드가 골드와이어(900)로 접속된다.
LD 핀용 패드와 레이저 다이오드 칩(100)은 별도의 골드와이어로 접속된다.
PD 핀용 패드에는 포토다이오드 용 핀이 접속되고, 포토다이오드(500-2)와 PD 핀용 패드를 다른 골드 와이어(800)이 연결한다.
상기 공통 핀용 패드, LD 핀용 패드 및 PD 핀용 패드는 서로 전기적으로 절연된 상태이며, 이를 위해 금속기판(700)에는 개구부 형태의 갭을 두고 LD 핀용 패드와 PD 핀용 패드를 배열할 수 있다. 패드 간 전기절연은 각 패드 둘레에 절연체를 배열하여 이루어질 수도 있다.
공통 핀용 패드는 별도의 패드를 구성하지 않고 금속 기판 자체를 활용할 수 있다.
도 3은 레이저 다이오드 칩이 본딩되는 서브마운트 영역(500-1)과 레이저 다이오드 빛을 수광하여 전기 신호로 변화해 주는 역할을 하는 포토 다이오드(500-2)가 동시에 구성되어 있는 포토 다이오드 일체형 서브마운트를 보여주는 도면이다. 레이저 다이오드 칩으로부터 전면을 향해 방출되는 메인 빔 외에 후면으로 방출되는 약한 빔이 서브마운트를 겸하는 포토다이오드 영역(500-2)에 의해 감지된다. 포토다이오드 영역(500-2)에는 포토다이오드 본딩 패드(500-3)이 형성되어 여기에 와이어가 접속된다.
도 4는 본 발명에서 명시한 도 2a의 단일채널 표면실장형 레이저 다이오드를 자동 광파워 구동할 수 있도록 널리 사용되는 트렌지스터(Q1, Q2)와 수동소자(R:저항, C:캐파시터, VR:가변저항)로 구성된 회로도로 도 2a의 공통 핀이 도 4의 VCC와 연결되며, LD 핀이 트렌지스터인 Q2의 컬렉터와 연결 및 PD핀은 트렌지스터인 Q1의 베이스와 연결됨으로써 주변 환경에 상관없이 광파워를 일정하게 유지할 수 있는 구동이 가능하다. 도 4의 회로구성에서 포토다이오드의 입력단에 설치된 가변저항 VR 이외에 추가된 R3는 생략될 수 있다.
도 5와 도 6은 다채널 표면실장형 레이저 다이오드 도면이며, 레이저 다이오드 채널 수 증가만큼 표면실장형 패키지의 구동 핀도 증가한다. 그에 따라 LD 핀용 패드도 증가하여 배치되며, 이들은 서로 절연되고, 상술한 바와 같이 PD 핀용 패드와도 절연된다. 금속 기판에는 여분의 공핀 용 패드를 더 둘 수 있다.
도 5와 도 6의 다채널 표면실장형 레이저 다이오드는 이에 상응하는 구동 회로물을 사용하여 용도에 맞게 구동 가능하다.
본 발명은 상기와 자동 광파워 제어 및 90도 빔경로를 가지는 단일 및 다채널 표면실장형 레이저 다이오드를 구현함으로써 사용 환경에 상관없이 레이저 다이오드로부터 출사되는 광파워를 일정하게 유지하여 제품의 품질을 항상 일정하게 유지하며, 콤팩트한 사이즈를 요하는 적용 분야 및 대량 생산 체재에 부합하는 구조를 제공하는 장점이 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구 범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 레이저 다이오드
200: 서브마운트
300: 포토 다이오드
400: 스템히트블록
500: 포토 다이오드 일체형 서브마운트
600: 45도 반사미러
700: 금속 기판
800, 900: 골드와이어

Claims (8)

  1. 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈로서,
    금속 기판;
    상기 금속 기판 상에,
    레이저 다이오드 칩을 본딩하는 서브마운트 영역을 제공하는 동시에 상기 레이저 다이오드 칩의 빛을 감지하는 포토 다이오드를 겸하는 포토 다이오드 일체형 서브마운트;
    상기 포토 다이오드 일체형 서브마운트에 본딩된 레이저 다이오드 칩; 및
    상기 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 메인 빔의 방향을 전환하여 주는 반사미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 기판은 공통 핀이 접속되는 공통 핀용 패드;
    레이저 다이오드 용 핀이 접속되는 LD 핀용 패드; 및
    포토다이오드 용 핀이 접속되는 PD 핀용 패드;를 포함하고,
    상기 공통 핀용 패드, LD 핀용 패드 및 PD 핀용 패드는 서로 절연된 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 서브마운트 영역과 공통 핀용 패드, 상기 레이저 다이오드와 LD 핀용 패드, 그리고 상기 포토다이오드와 PD 핀용 패드는 각각 와이어에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 레이저 다이오드 칩은 하나 이상 배열되며, 다수 배열되어 다채널을 이루는 경우, 각각의 레이저 다이오드 칩에 대해 각각의 LD 핀용 패드가 금속 기판에 설치되고, 각각의 와이어에 의해 레이저 다이오드 칩과 LD 핀용 패드가 연결된 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈.
  5. 제2항에 있어서, LD 핀용 패드 및 PD 핀용 패드는 절연을 위해 상기 금속 기판 상에 개구부로 된 틈새를 두고 배열되거나, 패드 둘레에 절연체를 배열한 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈.
  6. 제2항에 있어서, 상기 공통 핀용 패드는 금속 기판이 겸하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반사미러는 45°경사면을 구비한 것임을 특징으로 하는 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈.
  8. 제1항의 표면실장형 레이저 다이오드 패키지 모듈의 레이저 다이오드와 포토 다이오드를 트랜지스터와 수동소자에 연결하여 회로를 구성하여 포토 다이오드에 의해 레이저 다이오드의 광파워를 자동 제어할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 자동 광 파워 제어 모듈.













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