KR102513083B1 - 광 집적 회로 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로 패키지는, 제1 미러 및 제1 미러로부터 이격되어 배치되는 광 커플링 소자가 배치된 제1 기판, 및 제1 기판의 상부에 배치되며, 제1 미러로 광 신호를 출력하는 전광 변환 소자 및 제1 미러로부터 반사되어 수신된 광 신호를 광 커플링 소자로 반사시키는 제2 미러가 배치된 제2 기판을 포함한다.

Description

광 집적 회로 패키지{PHOTONIC INTEGRATED CIRCUIT PACKAGES}
본 발명은 광 집적 회로 패키지에 관한 것이다.
전자 장치에서 대용량의 데이터에 대한 고속 송수신에 대한 요구가 점점 증가하고 있다. 이에 따라, 기존의 금속 배선을 통한 신호 전달을 광 신호를 이용한 방식으로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광 신호를 이용한 신호 전달 방식에서는 광원, 광 커플링 소자 등이 집적된 광 집적 회로 패키지가 필요하다. 이러한 광 집적 회로 패키지 내에서 각 구성 요소들 사이에서의 광의 정확한 전달을 위한 구조가 요구된다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 정합성 및 집적성이 향상된 광 집적 회로 패키지를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지는, 제1 미러 및 상기 제1 미러로부터 이격되어 배치되는 광 커플링 소자가 배치된 제1 기판, 및 상기 제1 기판의 상부에 배치되며, 상기 제1 미러로 광 신호를 출력하는 전광 변환 소자 및 상기 제1 미러로부터 반사되어 수신된 상기 광 신호를 상기 광 커플링 소자로 반사시키는 제2 미러가 배치된 제2 기판을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지는, 제1 미러 및 광 커플링 소자가 배치된 제1 기판, 및 상기 제1 기판의 상부에 배치되며, 전광 변환 소자 및 제2 미러가 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 및 제2 미러는 각각 상기 제1 및 제2 기판의 마주하는 면에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지는, 순차적으로 적층된 베이스 기판, 제1 절연층, 광 커플링 소자가 배치된 광 코어층, 및 제2 절연층을 포함하며, 상면으로부터 적어도 상기 제2 절연층을 리세스하여 배치되는 제1 오목 미러를 포함하는 광 집적 회로 기판, 및 상기 광 집적 회로 기판 상에 조립되고, 전광 변환 소자 및 하면으로부터 리세스되어 배치되는 제2 오목 미러를 포함하는 광 벤치를 포함할 수 있다.
광 집적 회로 기판 및 광원이 배치된 기판에 각각 미러를 배치함으로써, 정합성 및 집적성이 향상된 광 집적 회로 패키지가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 레이아웃도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 일부를 나타내는 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 미러를 나타내는 단면도들이다.
도 5 내지 도 7은 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 단면도들이다.
도 8 및 도 9는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 평면도 및 단면도이다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 단면도이다.
도 11 및 도 12는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 분해도들이다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지를 포함하는 광 집적 회로 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에서의 광은 광의 물리적인 특징(예를 들면, 반사 등)을 설명할 때에 주로 사용되고, 광 신호는 데이터 통신을 위한 신호를 담고 있는 광을 설명할 때에 주로 사용되나, 본 명세서에서 광과 광 신호는 실질적으로는 동일한 개념을 가지는 용어로, 서로 혼용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 레이아웃도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 단면도이다. 도 2에서는 도 1의 X-X'를 따른 단면을 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광 집적 회로 패키지(100)는 광 집적 회로 기판을 포함하는 제1 기판(S1), 제2 기판(S1) 상에 적층되는 투광성의 제2 기판(S2), 및 제2 기판(S2) 상에 적층되며 광원(140)이 배치된 제3 기판(S3)을 포함한다. 도 1에서는, 제1 기판(S1)에 배치되는 구성 요소들과 구별되도록, 제3 기판(S3)에 배치되는 구성 요소들에 대하여 점 해칭을 추가하여 표시하였다. 제1 내지 제3 기판들(S1, S2, S3)은 수직 방향, 예를 들어 y 방향으로 적층될 수 있으며, 도시하지는 않았으나 제1 및 제2 기판들(S1, S2)의 사이, 및 제2 및 제3 기판들(S2, S3)의 사이에는 접착층 등이 개재되어 제1 내지 제3 기판들(S1, S2, S3)을 접합시킬 수 있다.
제1 기판(S1)은 순서대로 적층된 베이스 기판(111), 제1 절연층(112), 광 소자들이 배치된 광 코어층(113), 및 제2 절연층(114)을 포함하는 바디부(101)를 포함할 수 있다. 광 코어층(113)에는 광 소자들이 배치될 수 있어, 제1 기판(S1)은 광 집적 회로 기판에 해당할 수 있다. 제1 기판(S1)은 제1 및 제2 절연층(112, 114)을 리세스하며 배치되는 제1 미러(162) 및 제4 미러(168)를 더 포함할 수 있으며, 적어도 일 영역에 배치되는 얼라인 마크(190)를 더 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 기판(S1)은 패키지 기판 등에 실장될 수 있으며, 별도의 전기 신호 전송부를 통하여 상기 패키지 기판과 전기적 신호를 주고 받을 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들에서, 제1 기판(S1)에는 광 변조기(124) 및/또는 도시되지 않은 광 검출기에 전기적 신호를 전달하는 전기 집적 회로 소자가 더 실장될 수 있다.
베이스 기판(111) 및 광 코어층(113)은 반도체 물질, 예컨대 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄과 같은 ?족 반도체를 포함할 수 있다. 베이스 기판(111)은 벌크 웨이퍼 또는 에피택셜층으로 제공될 수도 있으며, 광 코어층(113)도 에피택셜층으로 제공될 수 있다. 제1 및 제2 절연층들(112, 114)은 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 특히, 제2 절연층(114)은 광 코어층(113)보다 굴절률이 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 베이스 기판(111), 제1 절연층(112), 및 광 코어층(113)은 SOI(silicon-on-insulator) 기판을 구성할 수 있다.
광 코어층(113)에는 광 커플링 소자들을 포함하는 다양한 광 소자들이 배치될 수 있다. 구체적으로, 광 코어층(113)에는 광 도파로(126), 및 광 도파로(126)에 의해 연결되는 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B)과 광 변조기(124)가 배치될 수 있다.
제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B)은 각각 광의 입력 및 출력에 사용될 수 있다. 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 12B)은 광 집적 회로 기판(110) 또는 제1 기판(S1)에서 수평 방향으로 진행하는 광을 상부를 향하는 수직한 방향 또는 수직한 방향에서 소정 각도로 틸팅된 방향으로 커플링할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B)은 광 커플링 소자에 해당할 수 있다.
광 변조기(124)는 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B)의 사이에 위치하며, 광의 세기, 위상 등을 변경하여 광 신호를 생성할 수 있다. 광 변조기(124)는 예를 들어, 전계 흡수형 변조기 또는 간섭형 변조기일 수 있다. 예를 들어, 광 변조기(124)는 광을 두 개 이상의 경로로 분리하고 그 중 적어도 하나의 경로에서 빛의 위상을 변조하며, 위상이 변조된 빛과 위상이 그대로 유지된 빛 사이의 상쇄 및 보강 간섭을 이용하여 빛을 변조하는 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계형 변조기일 수 있다. 광 도파로(126)는 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B) 및 광 변조기(124)의 사이에서 이들을 연결하며, 광이 진행하는 통로일 수 있다. 실시예들에 따라, 도시되지 않은 영역에서, 광 코어층(113)에는 광 검출기와 같은 광전 변환 소자, 파장 분할 다중화 소자, 파장 분할 역다중화 소자 등이 더 배치될 수 있다.
제1 미러(162) 및 제4 미러(168)는 반사기의 일종일 수 있다. 제1 미러(162) 및 제4 미러(168)는 상부의 제3 기판(S3)으로부터 전달된 광 신호를 다시 상부로 반사시킬 수 있다. 제1 미러(162)는 제3 기판(S3)의 광원(140) 또는 제1 리플렉터(152)로부터 전송된 광 신호를 반사시켜 제3 기판(S3)의 제2 미러(164)로 전송할 수 있으며, 제4 미러(168)는 제3 기판(S3)의 제3 미러(166)로부터 전송된 광 신호를 반사시켜 제3 기판(S3)의 광 파이버(180) 또는 제2 리플렉터(154)로 전송할 수 있다.
제1 미러(162) 및 제4 미러(168)는 제1 기판(S1)의 상면에서 제1 및 제2 절연층들(112, 114)을 리세스한 영역에 배치될 수 있으며, 오목 미러일 수 있다. 제1 미러(162)의 하부에 잔존하는 제1 절연층(112)의 두께(D5)는 영보다 클 수 있다. 따라서, 제1 미러(162)의 중심부는 베이스 기판(111)의 상면과 동일하거나 높은 레벨에 위치할 수 있으며, 예를 들어, 제1 미러(162)가 가장 깊게 배치되는 경우, 제1 미러(162)는 베이스 기판(111)과 접할 수 있다. 제4 미러(168)의 배치도 제1 미러(162)의 배치와 유사할 수 있으며, 제1 미러(162)에 대한 설명이 동일하게 적용될 수 있다.
제1 미러(162)는 광 코어층(113)으로부터 일측으로(laterally) 제1 거리(D1)로 이격되도록 배치될 수 있다. 제1 거리(D1)는 예를 들어, 수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터일 수 있다. 특히, 제1 미러(162)는 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B)과 같은 광 코어층(113)의 광 커플링 소자로부터 이격되어 배치될 수 있다. 제4 미러(1168)도 광 코어층(113)으로부터 일측으로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 미러(162) 및 제4 미러(168)의 지름은 예를 들어, 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 범위일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제1 미러(162)의 배치 구조에 대해서는 하기에 도 3a 및 도 3b를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
제1 미러(162) 및 제4 미러(168)는 리세스된 표면에 배치된 반사층으로 구성될 수 있다. 상기 반사층은 평면 상에서 적어도 리세스된 영역을 포함하도록 배치될 수 있으며, 원형 또는 사각형의 형상을 가질 수 있다. 또는, 상기 반사층은 광 신호의 경로를 제외한 영역들 전체로 연장되도록 배치될 수도 있다. 상기 반사층은 고반사율 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 미러(162)를 포함하는 미러의 구조에 대해서는 하기에 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
얼라인 마크(190)는 제1 기판(S1)뿐 아니라 제3 기판(S3)에도 배치될 수 있으며, 각각 서로 마주보는 면에 배치될 수 있다. 얼라인 마크(190)는 제1 기판(S1)과 제3 기판(S3)의 결합 시 정합성 향상을 위하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 얼라인 마크(190)를 이용하여, 제1 미러(162)의 중심으로부터의 거리로 표현되는 좌표값으로 위치를 정의함으로써, 제1 기판(S1)과 제3 기판(S3)이 정렬될 수 있다.
제2 기판(S2)은 제1 기판(S1)과 제3 기판(S3)의 사이에 개재될 수 있으며, 투광성 물질의 바디부(102)로 이루어질 수 있다. 제2 기판(S2)은 제1 기판(S1)과 제3 기판(S3)의 사이에서 초점 거리(focal length)를 조절하는 기능을 할 수 있다. 제2 기판(S2)은 제1 기판(S1) 및 제3 기판(S3)과 접촉되어 배치될 수 있으며, 사이에 접착층이 개재될 수 있다. 제2 기판(S2)의 바디부(102)는 특히, 광 신호를 손실 없이 투과시킬 수 있는 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiNx, SiON, Al2O3, HfO, TiO2 또는 ZrO을 포함할 수 있다. 제2 기판(S2)은 제3 기판(S3)에 실장된 광원(140)의 하부를 수용하는 캐비티(CA)를 가질 수 있다. 다만, 제2 기판(S2)은 실시예들에 따라 생략될 수도 있다. 이 경우, 제1 기판(S1)과 제3 기판(S3)의 사이의 공간은 예를 들어, 에어로만 채워질 수 있다.
제3 기판(S3)은 제2 기판(S2)을 사이에 두고 제1 기판(S1)과 광학적으로 정렬되도록 배치될 수 있다. 제3 기판(S3)은 바디부(103), 광원(140), 제1 리플렉터(152), 제2 미러(164), 제3 미러(166), 제2 리플렉터(154), 및 광 파이버(180)를 포함할 수 있다.
광원(140)은 광 신호를 출력하여 제1 기판(S1)의 제1 미러(162)에 광 신호를 전달할 수 있다. 광원(140)은 전광 변환 소자일 수 있으며, 예를 들어, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광원(140)은 제3 기판(S3)의 하면의 리세스 영역(RC) 내에 실장될 수 있다. 광원(140)은 예를 들어, 제3 기판(S3)에 플립칩 본딩되어 실장될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제1 리플렉터(152)는 광원(140)으로부터 출력된 광 신호의 진행 방향을 변경하여 제1 기판(S1)으로 전송할 수 있다. 제1 리플렉터(152)는 일종의 평탄 미러(flat mirror)일 수 있으며 경사면으로 이루어질 수 있다. 제1 리플렉터(152)는 상기 경사면 상에 배치된 고반사율의 반사층을 포함할 수 있다. 제1 리플렉터(152)는 제1 기판(S1)의 제1 미러(162)와 소정 길이(D3)만큼 상하로 중첩(overlap)될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제1 리플렉터(152)는 제1 기판(S1)의 제1 미러(162)와 평면 상에서 중첩되지 않도록 배치될 수도 있다.
제2 및 제3 미러(164, 166)는 제3 기판(S3)의 하면에 바디부(103)를 리세스하여 배치될 수 있다. 즉, 제1 기판(S1)의 제1 및 제4 미러(162, 168)와 제3 기판(S3)의 제2 및 제3 미러(164, 166)는 각각 서로 마주하는 면에 배치될 수 있다. 특히, 제2 미러(164)는 광원(140)으로부터 제2 거리(D2)만큼 일측으로 이격되어 배치될 수 있다. 제2 미러(164)는 제1 기판(S1)의 제1 미러(162)와 소정 길이(D4)만큼 상하로 중첩될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제2 미러(164)는 제1 기판(S1)의 제1 미러(162)와 평면 상에서 중첩되지 않도록 배치될 수도 있다. 제2 미러(164)는 제1 기판(S1)의 광 커플링 소자와 적어도 일부가 중첩되도록 배치될 수도 있다. 이와 같이 제1 리플렉터(152), 제1 미러(162), 제2 미러(164), 및 제2 그레이팅 커플러(122A)가 순차적으로 일부 중첩되어 배치되는 경우, 집적도가 더욱 향상될 수 있다.
제2 및 제3 미러(164, 166)는 오목 미러일 수 있으며, 바디부(103)의 리세스된 표면에 배치된 반사층으로 구성될 수 있다. 상기 반사층은 고반사율 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상술한 제1 및 제4 미러(162, 168)에 대한 설명이 동일하게 적용될 수 있다.
제2 리플렉터(154)는 제1 기판(S1)의 제4 미러(168)로부터 전송된 광 신호의 진행 방향을 변경하여 광 파이버(180)로 전송할 수 있다. 제2 리플렉터(154)는 경사면으로 이루어질 수 있으며, 상기 경사면 상에 배치된 고반사율의 반사층을 포함할 수 있다.
광 파이버(180)는 제1 기판(S1)을 거쳐 전송받은 광 신호를 외부 장치로 출력하거나, 외부 장치로부터 광 신호를 입력받을 수 있다. 광 파이버(180)는 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 클래딩 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
광 집적 회로 패키지(100)에서 광 신호는, 도 2에 화살표를 이용하여 도시된 것과 같이, 제3 기판(S3)의 광원(140)에서 생성된 광 신호는 제1 및 제2 미러들(162, 164)을 거쳐 제1 기판(S1) 내의 광 코어층(113)으로 전달될 수 있다. 제1 그레이팅 커플러(122A)는 수신한 광 신호를 광 도파로(126)를 통해 수평한 방향, 예를 들어 x 방향으로 전송하여 광 변조기(124)로 전달할 수 있다. 광 변조기(124)는 제1 기판(S1) 내의 전기 집적 회로 소자 등으로부터 수신한 전기 신호에 기초하여 상기 광 신호를 변조 생성할 수 있다. 생성된 광 신호는 제3 기판(S3)으로 전송되어 제3 및 제4 미러들(166, 168)을 거쳐 광 파이버(180)와 같은 광 인터페이스를 통해 외부로 출력될 수 있다. 광 신호는 제1 내지 제3 기판(S1, S2, S3)이 적층되면서, 제1 내지 제4 미러들(162, 164, 166, 168)이 상호 정렬되어 손실을 최소화하면서 진행되고 전송될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 것과 같이, 예시적인 실시예들에서 광원(140)은 서로 다른 파장의 빛을 내는 복수의 광원들을 포함할 수 있으며, 광 변조기(124)도 각각의 광원들(140)로부터의 광의 세기, 위상 등을 변경하도록 복수개로 어레이 형태로 배치될 수 있다. 제1 내지 제4 미러들(162, 164, 166, 168)도 각각의 광원들(140) 및 광 파이버들(180)의 어레이에 대응되도록 복수개로 배치될 수 있다.
복수의 광원들(140)로부터 복수의 광 변조기들(124) 각각에 전달되어 생성된 복수의 광 신호들은 서로 다른 데이터, 정보 들을 전송할 수 있다. 또한, 상기 광 신호들은 서로 간섭 및 중첩없이 상기 복수의 광 파이버들(180)을 통해 출력될 수 있다. 다만, 광원(140), 광 변조기(124), 제1 내지 제4 미러들(162, 164, 166, 168), 및 광 파이버(180)의 개수 및 배치 형태는 실시예들에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 일부를 나타내는 단면도들이다. 도 3a 및 도 3b에서는 도 2의 'A' 영역에 대응되는 영역을 각각 도시한다.
도 3a를 참조하면, 제1 미러(162)는 제1 기판(S1)에서 바디부(101)의 제2 절연층(114)만을 리세스하여 배치될 수 있다. 이 경우, 광 코어층(113)은 제1 미러(162)의 하부로 연장되지 않을 수 있으며, 제1 그레이팅 커플러(122A)는 제1 미러(162)에서 소정 거리(D6)만큼 이격되어 배치될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제1 미러(162)는 도 3a의 실시예에서와 같이 제1 기판(S1)에서 바디부(101)의 제2 절연층(114)만을 리세스하여 배치될 수 있으며, 광 코어층(113)은 제1 미러(162)의 하부로 연장될 수 있다. 이에 의해, 광 코어층(113)과 제1 미러(162)는 적어도 일 영역에서 상하로 중첩되도록 배치될 수 있다. 다만, 이 경우에도 제1 그레이팅 커플러(122A)와 같은 광 커플링 소자는 제1 미러(162)로부터 이격되어 배치될 수 있다. 제1 미러(162)의 하부로 연장되는 광 코어층(113)에는 광 커플링 소자가 배치되지 않을 수 있으며, 광 커플링 소자 이외의 광 소자들만 배치되거나, 광 소자들이 배치되지 않은 더미 광 코어층일 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 미러를 나타내는 단면도들이다. 도 4a 내지 도 4c에서는 도 2의 제1 내지 제4 미러들(162, 164, 166, 168)에 채용될 수 있는 미러(160a, 160b, 160c)의 구조를 도시한다.
도 4a를 참조하면, 미러(160a)는 표면에 계단 형상의 미세 단차들을 가질 수 있다.
도시된 것과 같이, 미러(160a)는 상면 및 하면에 단차들을 가질 수 있다. 상기 단차들은 미러(160a)의 상면과 하면에서 동일하거나 다른 깊이 및 각도를 가질 수 있다. 상기 단차들은 제1 기판(S1)의 바디부(101) 또는 제3 기판(S3)의 바디부(103)에 리세스된 영역을 형성할 때, 그레이스케일(grayscale) 리소그래피 방식에 의해 마스크층을 형성하고 식각함으로써 바디부(101, 103)의 표면에 단차들이 형성되고, 이러한 단차들을 따라 미러(160a)를 이루는 반사층이 증착됨으로써 형성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 미러(160b)는 금속층(RLa) 및 금속층(RLa) 상의 유전층(RLb)을 포함할 수 있다.
유전층(RLb)은 금속층(RLa)의 산화로부터 방지하고 금속층(RLa)을 보호하는 층일 수 있다. 유전층(RLb)은 반사시키는 파장대역의 광에 대하여 광 손실이 적은 유전 물질로 이루어질 수 있다. 유전층(RLb)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 고유전율(high-k) 유전 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 미러(160c)는 서로 다른 굴절률을 가지며 교대로 적층되는 제1 및 제2 브래그층들(RLc, RLd)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 브래그층들(RLc, RLd)은 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector, DBR)를 이룰 수 있다. 예를 들어, 제1 브래그층(RLc)은 저굴절률층을 포함하고, 제2 브래그층(RLd)은 고굴절률층을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 브래그층들(RLc, RLd)은 유전물질로 이루어질 수 있다. 제1 브래그층(RLc)은 예를 들어, SiO2(굴절률: 약 1.46), Al2O3(굴절률: 약 1.68) 및 MgO(굴절률: 약 1.7) 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 제2 브래그층(RLd)은 예를 들어, TiO2(굴절률: 약 2.3), Ta2O5(굴절률: 약 1.8), ITO(굴절률: 약 2.0), ZrO2(굴절률: 약 2.05) 및 Si3N4(굴절률: 약 2.02) 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 브래그층들(RLc, RLd)은 서로 동일하거나 다른 두께를 가질 수 있다.
도 5 내지 도 7은 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 단면도들이다.
도 5를 참조하면, 광 집적 회로 패키지(100a)에서, 광원(140)은 제3 기판(S3)의 리세스 영역(RC) 내에 실장되어, 하면이 바디부(103)의 하면과 공면을 이루거나 바디부(103)의 하면보다 높은 레벨에 위치할 수 있다. 즉, 리세스 영역(RC)은 상대적으로 깊게 형성되어, 광원(140)은 바디부(103)에 의해 완전히 둘러싸일 수 있다. 이에 따라, 제2 기판(S2)의 바디부(102a)는 캐비티(CA)를 갖지 않을 수 있으며 평평한 상면을 가질 수 있다. 이와 같이, 실시예들에서, 광원(140)의 실장 형태 및 이에 따른 리세스 영역(RC)과 캐비티(CA)의 크기 및 형태는 다양하게 변경될 수 있다.
도 6을 참조하면, 광 집적 회로 패키지(100b)에서, 제1 리플렉터(152a)는 곡면의 형상을 가질 수 있다. 제1 리플렉터(152a)의 곡률 및 배치 형태는 광원(140)으로부터 출력되는 광 신호의 방향 및 하부의 제1 미러(162)의 위치 등에 따라서 결정될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 광 파이버(180)에 인접하게 배치되는 제2 리플렉터(154)도 곡면의 형상을 가질 수 있다.
도 7을 참조하면, 광 집적 회로 패키지(100c)에서 광원(140a)은 제3 기판(S3)의 하면 상에 실장될 수 있다. 또한, 광 집적 회로 패키지(100c)에서는 도 2의 실시예에서와 달리 제1 리플렉터(152)가 생략될 수 있다.
광원(140a)은 제3 기판(S3)의 바디부(103a)의 하면 상에 실장될 수 있다. 따라서, 제3 기판(S3)의 바디부(103a)는 리세스 영역(RC)(도 2 참조)을 갖지 않을 수 있으며, 제2 기판(S2)의 바디부(102)의 캐비티(CA)는 상대적으로 깊게 형성될 수 있다.
광원(140a)으로부터 출력되는 광 신호는 리플렉터에 의하지 않고 제1 미러(162)로 전송될 수 있다. 이는 광원(140a)이 예를 들어, 수직 발광 레이저 다이오드 또는 수직 발광 다이오드이기 때문일 수 있다. 이 경우, 광원(140a)으로부터 출력되는 광 신호는 하부의 제1 기판(S1)을 향하여 수직으로 또는 틸팅된 각도로 전송될 수 있다.
상술한 광 집적 회로 패키지들(100a, 100b, 100c)에서와 같이, 광원(140, 140a)은 다양한 형태로 제3 기판(S3)에 배치될 수 있으며, 광원(140, 140a)에 인접하게 배치되는 제1 리플렉터(152, 152a)도 다양한 형태를 가질 수 있다. 또한, 실시예들에서, 제1 리플렉터(152, 152a)는 광원(140, 140a)에 따라 생략될 수도 있다.
도 8 및 도 9는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 평면도 및 단면도이다. 도 9에서는 도 8의 X-X'를 따른 단면을 도시한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 광 집적 회로 패키지(100d)는 도 1 및 도 2의 실시예에서와 달리, 제3 기판(S3)이 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 소자(134) 및 파장 분할 다중화 소자(134)와 연결되는 광 도파로(136)를 더 포함할 수 있다. 파장 분할 다중화 소자(134) 및 광 도파로(136)는 제3 기판(S3)의 바디부(103) 내에 매립되어 배치될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
파장 분할 다중화 소자(134)는 서로 다른 파장 대역의 광 신호들을 입력받아 하나의 출력 광 신호를 생성할 수 있다. 즉, 파장 분할 다중화 소자(134)는 일종의 멀티플렉서로서 기능할 수 있다. 파장 분할 다중화 소자(134)에 의해 생성된 출력 광 신호는, 광 도파로(136)를 통해 광 파이버(180)로 전달되어 광 파이버(180)를 통해 출력될 수 있다.
특히, 광 집적 회로 패키지(100d)에서는, 제1 기판(S1)에서 광원들(140)로부터 출력된 서로 다른 파장의 광 신호들이 각 파장에 최적화된 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B)을 각각 통하여 제3 기판(S3)에서 다중화될 수 있다. 따라서, 파장 분할 다중 소자(134)가 제1 기판(S1)의 광 코어층(113) 내에 배치되어 광 신호가 다중화된 후 단일의 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B)을 거쳐 광 파이버(180)로 전송되는 경우에 비하여, 제1 및 제2 그레이팅 커플러들(122A, 122B)의 구현이 용이하며 각 파장 대역에서의 광 신호의 손실을 최소화할 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 단면도이다.
도 10을 참조하면, 광 집적 회로 패키지(100e)는 렌즈(170)를 더 포함할 수 있으며, 도 2의 실시예에서와 달리 제3 및 제4 미러(166, 168)를 포함하지 않을 수 있다.
렌즈(170)는 제2 그레이팅 커플러(122B)와 제2 리플렉터(154)의 사이에서 제2 기판(S2)의 바디부(102) 하면에 형성될 수 있다. 렌즈(170)는 볼록 렌즈일 수 있다. 렌즈(170)에 의해 제2 그레이팅 커플러(122B)와 제2 리플렉터(154)의 사이에서 초점 거리가 확보될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 기판(S2)의 바디부(102) 상면 및/또는 제3 기판(S3)의 바디부(103) 하면에도 렌즈들이 더 배치될 수 있다. 또한, 렌즈(170)가 배치되는 경우에도, 도 2의 실시예의 제3 및 제4 미러(166, 168)가 함께 배치되는 것도 가능할 것이다. 이와 같이 실시예들에서, 제1 기판(S1)으로부터 광 파이버(180)로 광 신호를 전송하기 위한 구조는 다양하게 변경될 수 있다.
도 11 및 도 12는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 분해도들이다. 도 11 및 도 12에서는 광 연결을 위한 구성을 중심으로 도시하여, 예를 들어 도 2의 광 코어층(113)에 배치되는 광 소자들은 생략하고 도시된다.
도 11을 참조하면, 광 집적 회로 패키지(100f)는 광 집적 회로 기판(PS) 및 광 집적 회로 기판(PS) 상에 조립(assembly)되는 제1 및 제2 광 벤치들(optical benches)(OB1, OB2)을 포함한다. 광 집적 회로 기판(PS)은 예를 들어, 도 2를 참조하여 상술한 제1 기판(S1)에 대응될 수 있다. 제1 광 벤치(OB1)는 예를 들어, 도 2의 제3 기판(S3)에서 광원(140) 및 제2 미러(164)를 포함하는 영역에 대응될 수 있으며, 제2 광 벤치(OB2)는 도 2의 제3 기판(S3)에서 제3 미러(166) 및 광 파이버(180)를 포함하는 영역에 대응될 수 있다. 광 집적 회로 패키지(100f)에서, 제1 광 벤치들(OB1)과 제2 광 벤치(OB2)는 별도로 서로 이격되어 광 집적 회로 기판(PS) 상에 조립될 수 있다.
광 집적 회로 기판(PS)은 광 커플링 소자들을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 광 벤치들(OB1, OB2)과의 광 연결을 위한 구조물로서 제1 미러들(162) 및 제4 미러들(168)을 포함할 수 있다.
제1 광 벤치들(OB1)은 각각 광원(140) 및 제1 미러(164)를 포함하며, 복수개로 광 집적 회로 기판(PS) 상에 배치될 수 있다. 다만, 광원(140) 및 제1 광 벤치(OB1)의 구성은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 제1 광 벤치(OB1)는 하나만 배치될 수도 있으며, 복수의 광원들(140)이 하나의 제1 광 벤치(OB1)를 구성할 수도 있다. 제1 광 벤치들(OB1)에서 광원들(140)로부터 출력된 광 신호는 광 집적 회로 기판(PS)로 전송된 후, 제1 미러들(162)에 의해 반사되어 제2 미러들(164)을 통해 다시 광 집적 회로 기판(PS)로 전송될 수 있다.
제2 광 벤치(OB2)는 제3 미러들(166) 및 광 파이버들(180)을 포함할 수 있다. 제2 광 벤치(OB2)는 제1 광 벤치들(OB1)과 별도로 광 집적 회로 기판(PS) 상에 배치될 수 있다. 따라서, 구체적인 구조에서, 예를 들어 도 2를 참조하여 상술한 제3 기판(S3)의 두 개의 기판들로 분리되어 구성되는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 광 벤치들(OB1, OB2)은 광 집적 회로 기판(PS)과 구별되는 일종의 기판으로 지칭될 수도 있다. 다만, 실시예들에서, 제2 광 벤치(OB2)는 광 파이버들(180)을 포함하면서 다양한 구조를 갖도록 변경될 수 있다.
도 12를 참조하면, 광 집적 회로 패키지(100g)는 광 집적 회로 기판(PS) 및 광 집적 회로 기판(PS) 상에 조립되는 광 벤치(OB)를 포함한다. 광 집적 회로 기판(PS)은 예를 들어, 도 2를 참조하여 상술한 제1 기판(S1)에 대응될 수 있다. 광 벤치(OB)는 예를 들어, 도 2의 제3 기판(S3)에 대응될 수 있다. 광 집적 회로 패키지(100g)에서, 광원들(140) 및 광 파이버들(180)은 하나의 광 벤치(OB) 내에 포함되어 광 집적 회로 기판(PS) 상에 조립될 수 있다.
광 집적 회로 기판(PS)은 광 커플링 소자들을 포함할 수 있으며, 광 벤치(OB)와의 광 연결을 위한 구조물로서 제1 미러들(162) 및 제4 미러들(168)을 포함할 수 있다.
광 벤치(OB)는 적어도 하나의 광원(140)과 제1 미러(164), 제3 미러들(166), 및 광 파이버들(180)을 포함할 수 있다. 광 벤치(OB) 내에서 광원(140)과 광 파이버(180)의 배치는 다양하게 변경될 수 있다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 13을 참조하면, 광 집적 회로 패키지(10)는 광 신호의 송수신을 위한 광통신 장치일 수 있으며, 광 집적 회로(50)를 포함할 수 있다. 광 집적 회로(50)는 전기 집적 회로 소자(30), 전광 변환 소자(40), 및 광 변조기(20)를 포함할 수 있다. 광 집적 회로(50)는 이외에도 광 검출기, 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 소자 등과 같은 능동 광 소자, 및/또는 광 도파로, 그레이팅 커플러, 반사기(reflector) 등과 같은 수동 광 소자들을 더 포함할 수 있다. 또한, 광 집적 회로 패키지(10)는 이외에도 광 파이버 어레이와 같은 광 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
전기 집적 회로 소자(30)는 인가 받은 송신 데이터(MI)를 기초로 하여 송신 전기 신호들(VD)을 생성할 수 있다. 광 변조기(20)는 송신된 전기 신호들(VD)에 따라 전광 변환 소자(40)로부터 수신된 광신호(LI)를 변조하여 변조된 광신호(LM)를 생성할 수 있다. 변조된 광신호(LM)는 외부 기기 또는 베이스 인쇄 회로 기판 등으로 전달될 수 있다.
광 집적 회로(50)를 이루는 전기 집적 회로 소자(30), 전광 변환 소자(40), 및 광 변조기(20)는, 도 2의 제1 기판(S1)과 같이, 하나의 기판에 배치될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 전기 집적 회로 소자(30)는 그 외의 구성 요소들과 다른 기판에 배치될 수 있다. 실시예들에 따라, 전광 변환 소자(40)를 포함하는 광 송신부와 광 검출기를 포함하는 광 수신부가 분리되어 각각의 광 집적 회로를 이루는 것도 가능할 것이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 광 집적 회로 패키지를 포함하는 광 집적 회로 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 광 집적 회로 시스템(10A)은 도 1 내지 도 13을 참조하여 상술한 광 집적 회로 패키지를 포함할 수 있다. 광 집적 회로 시스템(10A)은 복수의 전기 집적 회로 소자들(39_1 내지 39_n), 복수의 광 변조기들(34_1 내지 34_n), 복수의 전광 변환 소자들(40_1 내지 40_n), 복수의 광전 변환 소자들(36_1 내지 36_n), 정렬 소자(51, 52), 및 리셉터클 커넥터들(61, 62)을 포함할 수 있다.
정렬 소자(51, 52)는 광 신호 다중화기(51), 및 광 신호 역다중화기(52)를 포함할 수 있다. 복수의 광 변조기들(34_1 내지 34_n)은 복수의 전기 집적 회로 소자(39_1 내지 39_n)로부터 입력 받은 송신 전기 신호들(MI_1 내지 MI_n)을 각각 기초로 하여, 복수의 전광 변환 소자들(40_1 내지 40_n)로부터 수신된 수신 광 신호들(LI_1 내지 LI_n)을 변조하여 송신 광 신호들(LT_1 내지 LT_n)을 각각 생성할 수 있다. 이때, 수신 광 신호들(LI_1 내지 LI_n) 및 변조된 송신 광 신호들(LT_1 내지 LT_n) 각각은 서로 다른 파장을 가지는 광 신호일 수 있다.
정렬 소자(51, 52)에 포함된 광 신호 다중화기(51)는 변조된 송신 광 신호들(LT_1 내지 LT_n)을 이용하여 다중화된 광 신호를 생성하고, 리셉터클 커넥터들(61, 62)을 통하여 다중화된 광 신호를 외부 장치 또는 패키지 회로 기판으로 송신할 수 있다.
외부 장치로부터 리셉터클 커넥터들(61, 62)을 통하여 송신된 다중화된 광 신호는 정렬 소자(51, 52)에 포함된 광 신호 역다중화기(52)에 제공될 수 있다. 광 신호 역다중화기(52)는 리셉터클 커넥터들(61, 62)로부터 입력 받은 다중화된 광 신호를 변조된 수신 광 신호들(LR_1 내지 LR_n)로 역 다중화할 수 있다. 이때, 변조된 수신 광 신호들(LR_1 내지 LR_n) 각각은 서로 다른 파장을 가지는 광 신호일 수 있다.
복수의 광전 변환 소자들(36_1 내지 36_n)은 변조된 수신 광 신호들(LR_1 내지 LR_n)을 각각 기초로 하여 변조된 수신 전기 신호들(MO_1 내지 MO_n)을 각각 생성하여 복수의 전기 집적 회로 소자(39_1 내지 39_n)로 제공할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 광 집적 회로 패키지 101, 102, 103: 바디부
111: 베이스 기판 112: 제1 절연층
113: 광 코어층 114: 제2 절연층
122: 그레이팅 커플러 124: 광 변조기
126, 136: 광 도파로 134: 파장 분할 다중화 소자
140: 광원 152, 154: 리플렉터
160: 미러 162: 제1 미러
164: 제2 미러 166: 제3 미러
168: 제4 미러 170: 렌즈
180: 광 파이버 190: 얼라인 마크

Claims (10)

  1. 제1 미러 및 상기 제1 미러로부터 이격되어 배치되는 그레이팅 커플러가 배치된 제1 기판; 및
    상기 제1 기판의 상부에 배치되며, 상기 제1 미러로 광 신호를 출력하는 광원, 상기 제1 미러로부터 반사되어 수신된 상기 광 신호를 상기 그레이팅 커플러로 반사시키는 제2 미러, 및 상기 그레이팅 커플러로부터 상기 광 신호를 수신하는 광 파이버가 배치된 제2 기판을 포함하고,
    상기 광원은 상기 제2 기판의 하면의 리세스 영역에 있는 광 집적 회로 패키지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 미러는 각각 상기 제1 및 제2 기판의 마주하는 면에 배치되는 광 집적 회로 패키지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 미러는 각각 상기 제1 및 제2 기판의 일 면으로부터 리세스되어 배치되는 오목 미러(concave mirror)인 광 집적 회로 패키지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 기판은, 상기 광원에 인접하게 배치되며 상기 광원으로부터 수신된 상기 광 신호를 상기 제1 미러로 반사시키는 리플렉터를 더 포함하는 광 집적 회로 패키지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 배치되며, 투광성 물질로 이루어진 제3 기판을 더 포함하는 광 집적 회로 패키지.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기판은,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상의 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되며, 상기 그레이팅 커플러가 배치된 광 코어층; 및
    상기 광 코어층 상에 적층되는 제2 절연층을 포함하고,
    상기 제1 미러는 적어도 상기 제2 절연층을 리세스하여 배치되는 광 집적 회로 패키지.
  8. 제1 미러 및 그레이팅 커플러가 배치된 제1 기판; 및
    상기 제1 기판의 상부에 배치되며, 광원, 제2 미러, 및 광 파이버가 배치된 제2 기판을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 미러는 각각 상기 제1 및 제2 기판의 마주하는 면에 배치되고,
    상기 광원은 상기 제2 기판의 하면의 리세스 영역에 있는 광 집적 회로 패키지.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 출력된 광 신호는 상기 제1 미러로 진행되고, 상기 제1 미러에 의해 반사되어 상기 제2 미러로 진행되며, 상기 제2 미러에 의해 반사되어 상기 그레이팅 커플러로 전송되는 광 집적 회로 패키지.
  10. 순차적으로 적층된 베이스 기판, 제1 절연층, 그레이팅 커플러가 배치된 광 코어층, 및 제2 절연층을 포함하며, 상면으로부터 적어도 상기 제2 절연층을 리세스하여 배치되는 제1 오목 미러를 포함하는 광 집적 회로 기판; 및
    상기 광 집적 회로 기판 상에 조립되고, 하면의 리세스 영역 내에 배치된 광원, 광 파이버, 및 하면으로부터 리세스되어 배치되는 제2 오목 미러를 포함하는 광 벤치를 포함하는 광 집적 회로 패키지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20160109659A1 (en) * 2014-10-15 2016-04-21 Huawei Technologies Co., Ltd. Stacked Photonic Chip Coupler for SOI Chip-Fiber Coupling
US20170102503A1 (en) * 2015-10-08 2017-04-13 Teramount Ltd. Fiber to chip optical coupler

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