KR102529088B1 - 커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블 조립체 - Google Patents

커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광소자 모듈의 일면에 형성된 광섬유 정렬 가이드부재와 광학부품 정렬 가이드홈을 이용하여 광섬유와 광학부품을 광소자와 정렬시켜 조립할 수 있어 광소자와 광학부품의 수동 정렬(Passive Alignment)도 쉽게 이루어질 수 있는 광 커넥터 플러그 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 커넥터 플러그는 광신호를 발생하거나 광신호를 수신하는 광 엔진(light engine)을 구비하는 광소자 모듈; 상기 광소자 모듈의 일면에 형성되어 광섬유가 안착되는 광섬유 삽입채널을 구비하는 광섬유 정렬 가이드부재; 및 상기 광소자 모듈의 일면에 광섬유 정렬 가이드부재와 인접하여 형성된 광학부품 정렬 가이드홈에 안착되는 광학 부품;을 포함하며, 상기 광 엔진은 상기 광소자 모듈의 일면에 광학 부품과 인접하여 형성되고 수평 방향으로 광신호를 방사하거나 광신호를 수신하는 광소자; 및 상기 광소자 모듈의 내부에 설치되어 상기 광소자를 제어하는 광 집적회로(IC);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블 조립체{Connector Plug and Active Optical Cable Assembly Using the Same}
본 발명은 커넥터 플러그에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광소자 모듈의 일면에 형성된 광섬유 정렬 가이드부재와 광학부품 정렬 가이드홈을 이용하여 광섬유와 광학부품을 광소자와 정렬시켜 조립할 수 있어 광소자와 광학부품의 수동 정렬(Passive Alignment)도 쉽게 이루어질 수 있는 커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블(AOC) 조립체에 관한 것이다.
광 엔진(optical engine)은 통상 데이터를 고속으로 전송하도록 사용된다. 광 엔진은 전기 신호를 광신호로 변환하고, 그 광신호를 송신하고, 광신호를 수신하고, 광신호를 다시 전기 신호로 변환하기 위한 하드웨어를 포함한다. 전기 신호는 전기 신호가 레이저와 같은 광 소스 장치를 변조하도록 사용될 때 광신호로 변환된다. 소스로부터의 광은 광섬유와 같은 송신 매체에 결합된다. 다양한 광 송신 매체를 통해 광 네트워크를 통과하고 그 목적지에 도달한 후, 광은 검출기와 같은 수신 장치에 결합된다. 검출기는 디지털 처리회로에 의해 사용하기 위해 수신된 광신호를 기반으로 전기 신호를 발생한다.
광 통신 시스템은 종종 전기 통신 시스템 및 데이터 통신 시스템과 같은 다양한 시스템에서 데이터를 송신하도록 사용된다. 전기 통신 시스템은 종종 몇 마일에서부터 수천 마일에 이르는 범위의 넓은 지리적 거리에 걸친 데이터의 송신을 포함한다. 데이터 통신은 종종 데이터 센터를 통한 데이터의 송신을 포함한다. 그러한 시스템은 몇 미터에서부터 수백 미터에 이르는 범위의 거리에 걸친 데이터의 송신을 포함한다. 전기 신호를 광신호로 전송하도록 사용되고 광신호를 광 케이블과 같은 광 송신 매체에 전달하는 결합 컴포넌트는 비교적 비싸다. 이러한 비용 때문에, 광 송신 시스템은 일반적으로 대량의 데이터를 장거리로 전송하는 네트워크의 백본으로서 사용된다.
한편, 현재의 컴퓨터 플랫폼 아키텍처 디자인은 하나의 디바이스를 다른 디바이스에 연결하기 위해 여러 가지 상이한 인터페이스를 망라할 수 있다. 이들 인터페이스는 컴퓨팅 디바이스 및 주변기기에 I/O(입력/출력)를 제공하며, I/O 제공을 위해 다양한 프로토콜과 표준을 사용할 수 있다. 상이한 인터페이스는 인터페이스를 제공하기 위해 상이한 하드웨어 구조를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 현재의 컴퓨터 시스템은 통상적으로, 디바이스들을 연결하는 케이블의 단부에서 물리적 커넥터 및 플러그에 의해 실행되는, 대응 연결 인터페이스를 갖는 다중 포트를 구비한다.
보편적인 커넥터 형태는 다수의 관련 USB 플러그 인터페이스를 갖는 USB(Universal Serial Bus) 서브시스템, 디스플레이포트(DisplayPort), HDMI(High Definition Multimedia Interface), 파이어와이어(Firewire)(IEEE 1394에 규정됨), 또는 기타 커넥터 형태를 구비할 수 있다.
또한, 예를 들어, 셋탑 박스를 이용하는 UHD 텔레비전(TV)과 같이 분리된 2 장치 사이에 초고속으로 대용량 데이터의 전송이 필요한 경우 전기 및 광 입출력 인터페이스 커넥터가 요구된다.
더욱이, UHD 텔레비전 내부에 보드와 보드 사이에 초고속으로 대용량 데이터의 송수신이 필요한 경우에는 소형이면서 1mm 두께로 슬림화된 광 인터페이스 커넥터가 요구된다.
즉, TV 등에서는 얇은 폼 팩터(form factor)를 만족시켜면서 고속의 전송을 가능하게 하기 위해서는 액티브 광 케이블(AOC: Active Optical Cable) 커넥터의 크기 또는 AOC에 내장된 광 엔진(optical engine)의 크기가 1mm 이하로 매우 얇아야 한다. 그러나, 종래의 AOC는 인쇄회로기판(PCB) 위에 본딩 혹은 COB(Chip On Board) 형태로 패키징하므로 얇은 두께를 실현하기 어렵다.
이러한 요구사항들을 만족하는 AOC는 현재 높은 가격으로 공급되고 있는 데 이러한 높은 공급 가격은 PCB, 광소자(PD/VCSEL), 광학부품(렌즈나 미러), 광섬유(optical fiber) 사이의 부정확한 정렬(alignment)에 따른 추가적인 능동 정렬(active alignment) 비용이 대부분을 차지하기 때문이며, 수동 정렬(Passive Alignment)을 위한 정확한 구조 형성 및 조립에 비용이 많이 소요된다.
또한, 수십 Giga~100 G 이상의 고속 상호 접속(interconnection)을 위해서는 광소자(PD/VCSEL)의 와이어 본딩(wire-bonding) 때문에 발생하는 성능 저하를 해결하는 것이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2014-0059869호(특허문헌 1)에는 입출력(I/O) 장치로서, 전기 및 광 입출력 인터페이스 양자를 포함하고 상기 광 입출력 인터페이스는 적어도 하나의 광 렌즈를 포함하는 입출력 커넥터, 제1 단부는 상기 입출력 커넥터에서 터미네이션하고 상기 적어도 하나의 광 렌즈에 광학적으로 연결되는 적어도 하나의 광 파이버, 및 광신호들을 전기 신호들로 변환하며 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 송수신기 모듈을 포함하며, 상기 적어도 하나의 광 파이버의 제2 단부는 상기 송수신기 모듈에서 터미네이션하고, 상기 입출력 커넥터 및 상기 송수신기 모듈은 접하고 있지 않는 입출력 장치를 개시하고 있다.
특허문헌 1의 입출력 장치는 광 엔진 등의 광소자와 구동칩들이 인쇄회로기판을 이용하여 조립되고 있어, 높은 정확도와 생산성을 도모할 수 있는 자동화가 어렵고, 소형화와 슬림화가 어려운 문제가 있다.
일반적으로 광통신 모듈(module)은 광신호를 전송하는 광케이블을 고정할 수 있는 기계적 장치와, 광케이블로부터 전송된 광신호를 전기적 신호로 또는 광케이블로 전송할 광신호를 전기적 신호로부터 변환하는 광소자와 이러한 광소자와 정보를 주거나 받기 위한 인터페이스(interface) 회로를 포함하여야 한다.
종래의 광통신 모듈은 광케이블 고정 부재 및 광소자와, 인터페이스 회로 칩들을 각각 별도의 과정으로 회로 기판에서 서로 이격하여 배치해야 하므로 회로 기판을 차지하는 면적이 넓어지며, 제조과정이 복잡하고, 또한 광소자가 제공한 전기적 신호가 회로 기판에 형성된 전도성 스트립을 통하여 광전자 회로에 제공되므로 전기적 신호의 열화도 있을 수 있다.
: 한국 공개특허공보 제10-2014-0059869호
따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 광소자 모듈의 일면에 형성된 광섬유 정렬 가이드부재와 광학부품 정렬 가이드홈을 이용하여 광섬유와 광학부품을 광소자와 정렬시켜 조립할 수 있어 광소자와 광학부품의 수동 정렬(Passive Alignment)도 쉽게 이루어질 수 있는 커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 광소자 모듈, 광섬유 및 광학부품의 조립체가 최소한의 구성부품과 조립공정으로 결합될 수 있는 심플한 구조를 갖는 커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광소자 모듈의 일면에 광섬유 정렬 가이드부재를 사용하여 개방(open) 구조의 광섬유 조립채널을 일체로 형성하고 광섬유를 조립함에 의해 개별적인 광학부품을 사용할지라도 광소자와 광학부품 사이의 정렬과, 광학부품과 광섬유 사이의 정렬이 수동 정렬 기술을 이용하여 오 정렬 없이 높은 정확도를 가질 수 있는 커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 시스템-인-패키지(SIP; System In Package) 형태의 광소자 모듈에 개방(open) 구조의 광섬유 조립채널이 일체로 형성되어 광 엔진을 원칩 또는 단일 소자로 패키지화할 수 있는 커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 초고속으로 대용량 데이터의 송수신이 가능하며 소형이면서 1mm 두께로 슬림화된 구조를 구현하면서 저렴한 비용으로 제조 가능한 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 시스템-인-패키지 형태의 광소자 모듈을 사용하는 경우, 몰딩 과정에서 칩이 의도한 위치에서 벗어나 이동(drift)하여 정렬 정밀도가 저하되는 문제를 해결하고, 광소자에서 광이 수직(vertical) 방향이 아닌 수평(lateral) 방향으로 방사가 되는 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)를 사용하는 커넥터 플러그 및 이를 이용한 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터 플러그는 광신호를 발생하거나 광신호를 수신하는 광 엔진(light engine)을 구비하는 광소자 모듈; 상기 광소자 모듈의 일면에 형성되어 광섬유가 안착되는 광섬유 삽입채널을 구비하는 광섬유 정렬 가이드부재; 및 상기 광소자 모듈의 일면에 광섬유 정렬 가이드부재와 인접하여 형성된 광학부품 정렬 가이드홈에 안착되는 광학 부품;을 포함하며, 상기 광 엔진은 상기 광소자 모듈의 일면에 광학 부품과 인접하여 형성되고 수평 방향으로 광신호를 방사하거나 광신호를 수신하는 광소자; 및 상기 광소자 모듈의 내부에 설치되어 상기 광소자를 제어하는 광 집적회로(IC);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광소자 모듈의 일면에 형성되어 광 집적회로(IC)와 광소자를 연결하도록 제1 및 제2 수직 도전 경로부재를 구비하는 배선층;을 더 포함하며, 상기 광섬유 정렬 가이드부재와 광학부품 정렬 가이드홈은 배선층 상부에 형성될 수 있다.
상기 광소자는 상부면에 형성된 제1연결패드가 상기 제1수직 도전 경로부재에 본딩 와이어로 연결되고, 상기 광소자의 하부면에 형성되어 있는 제2연결패드는 제2수직 도전 경로부재와 직접 연결될 수 있다. 또한, 상기 광소자는 하부면에 형성된 제1 및 제2 연결패드가 상기 제1 및 제2 수직 도전 경로부재에 직접 연결될 수 있다.
본 발명의 커넥터 플러그는 상기 배선층은 상기 광 집적회로(IC)의 출력단자를 외부로 인출하기 위한 배선패턴을 더 포함하며, 상기 배선패턴은 상기 광학 부품과 상기 광소자 모듈의 타면에 형성된 외부접속단자 중 하나에 연결될 수 있다.
상기 광학 부품은 상기 광소자에서부터 발생한 광신호를 처리하거나 광경로를 변경하는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)로 이루어지며, 상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는 상기 광소자에서 광신호를 전송하는 경우 복수의 광소자에서 발생된 서로 다른 파장의 광을 멀티플렉싱하고, 광신호를 수신하는 경우는 디멀티플렉싱할 수 있다.
상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는, 고굴절률(High Refractive Index) 물질로 이루어진 코어; 및 상기 코어를 둘러싸며 저굴절률(Low Refractive Index) 물질로 이루어지는 클래딩;을 포함하며, 상기 코어와 클래딩의 경계면에서 내부 전반사(Total Internal Reflection)가 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 커넥터 플러그는 상기 광소자와 광학 부품 사이에 배치되어 광소자에서 발생된 광신호의 경로를 제어하여 상기 광학 부품의 코어에 집속시키기 위한 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 커넥터 플러그는 수평 방향으로 광신호를 방사하거나 광신호를 수신하는 광소자; 상기 광소자를 제어하는 광 집적회로(IC); 상기 광소자와 광 집적회로(IC)가 실장되는 광소자 모듈; 상기 광소자 모듈의 일면에 형성되어 광섬유가 안착되는 광섬유 삽입채널을 구비하는 광섬유 정렬 가이드부재; 상기 광소자 모듈의 일면에 광섬유 정렬 가이드부재와 인접하여 형성된 광학부품 정렬 가이드홈에 안착되는 광학 부품; 및 상키 광소자 모듈에 설치되어 상기 광 집적회로(IC)와 상기 광소자를 전기적으로 연결하는 도전 경로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 광학 부품은 상기 광소자에서부터 발생한 광신호를 처리하거나 광경로를 변경하는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)로 이루어지고, 상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는 상기 광소자에서 광신호를 전송하는 경우 복수의 광소자에서 발생된 서로 다른 파장의 광을 멀티플렉싱하고, 광신호를 수신하는 경우는 디멀티플렉싱할 수 있다.
일반적으로 수십 Giga~100G 이상의 고속의 전송을 가능하게 하는 액티브 광 케이블(AOC) 커넥터는 소형이면서 1mm 두께로 슬림화된 광 인터페이스 커넥터가 요구되며, 합리적인 제조비용을 만족시키기 위해서는 PCB, 광소자(PD/VCSEL), 광학부품(렌즈나 미러), 광섬유(optical fiber) 사이에 수동 정렬(Passive Alignment)을 사용하면서 오 정렬(Mis-alignment)이 발생하지 않아야 된다.
본 발명에서는, 광섬유 및 광학부품을 조립하기 위해서 패키지에 일면에 일체로 형성된 정밀한 가이드 구조물이 Optical Bench 역할을 하여 조립체가 오정렬 없이 높은 정확도를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 반도체 제조공정을 이용한 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 기판을 사용하지 않고 광소자와 구동칩을 패키지함에 의해 광소자 모듈을 종래의 1/16 정도의 초소형으로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 시스템-인-패키지(SIP; System In Package) 형태의 광소자 모듈에 개방(open) 구조의 광섬유 조립채널이 일체로 형성되어 광 엔진을 원칩 또는 단일 소자로 패키지화할 수 있다.
본 발명에서는 픽-앤-플레이스 타입(Pick & Place type)으로 패키지의 광섬유 조립채널에 광섬유 조립을 자동화할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 초고속으로 대용량 데이터의 송수신이 가능하며 소형이면서 1mm 두께로 슬림화된 액티브 광 케이블(AOC) 조립체(광 인터페이스 커넥터)를 제공할 수 있다.
본 발명에서는 단말기의 교합 포트에 물리적으로 착탈 가능한 결합이 이루어짐과 동시에 교합 포트에 구비된 인터페이스를 통하여 전기 I/O 인터페이싱 또는 광 인터페이싱이 이루어질 수 있는 있다.
또한, 본 발명에서는 솔더 볼로 이루어지는 외부접속단자를 구비하고 보드(PCB)와 보드(PCB) 사이, 칩(chip)과 칩(chip) 사이, 보드(PCB)와 칩(chip) 사이, 보드(PCB)와 주변장치 사이에 초고속 대용량 데이터 전송을 수행할 수 있다.
본 발명의 커넥터 플러그는 전기-광 변환 기능과 광-전기 변환 기능을 함께 갖고 있는 트랜스폰더(transponder) 칩으로서 시스템-인-패키지(SiP), SOC(System on Chip), SoB(System on Board), 패키지-온-패키지(PoP; Package on Package) 중 하나의 형태로 패키지가 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 액티브 광 케이블(AOC)은 미니 디스플레이 포트, 표준 디스플레이 포트, 미니 USB(Universal Serial Bus), 표준 USB, PCI 익스프레스(PCIe), IEEE 1394 파이어 와이어(Firewire), 선더볼트(Thunderbolt), 라이트닝(lightning), 고선명 멀티미디어 인터페이스(HDMI), QSFP, SFP, CFP 등의 데이터 전송 표준 규격을 만족하도록 외부연결단자를 구현할 수 있다.
본 발명에서는 시스템-인-패키지 형태의 광소자 모듈을 사용하는 경우, 몰딩 과정에서 칩이 의도한 위치에서 벗어나 이동(drift)하여 정렬 정밀도가 저하되는 문제를 해결하고, 광소자에서 광이 수직(vertical) 방향이 아닌 수평(lateral) 방향으로 방사가 되는 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)를 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 이용하여 구성되는 광 통신 시스템을 나타내는 개략 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 제1실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 광소자, 광학부품, 광섬유가 실장된 커넥터 플러그를 나타내는 평면도, 단면도 및 측면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 커넥터 플러그를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 광소자, 광학부품, AWG, 광섬유가 실장되어 있는 커넥터 플러그를 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 커넥터 플러그를 나타내는 평면도, 단면도 및 측면도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 광소자와 광소자 모듈 사이의 도전 경로에 대한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
도 6b 및 도 6c는 각각 본 발명에 따른 광소자와 광소자 모듈 사이에 방열 기능을 갖는 도전 경로에 대한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 광학부품과 광소자 모듈 사이의 도전 경로를 갖는 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 광 웨이브가이드가 일체로 형성된 커넥터 플러그를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 광소자 모듈의 일면에 광섬유 정렬 가이드부재를 형성하지 않고 광섬유를 실장한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 광소자 모듈의 일면에 광섬유 실장블록을 이용하여 광섬유를 실장한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 AWG 없이 광소자, 볼타입 광학부품, 광섬유가 실장된 커넥터 플러그를 나타내는 단면도이다.
도 12a 내지 도 12h는 본 발명의 제1실시예에 따른 커넥터 플러그의 광소자 모듈을 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
전기 신호를 광신호로 그리고 그 역으로 변환하는 소자의 가격으로 인하여, 광 통신 시스템은 일반적으로 네트워크에서 백본으로서 사용된다. 그러나, 광 통신 시스템은 컴퓨터 통신에 다양한 장점을 제공할 수 있다. 컴퓨터 통신은 몇 센티미터에서 수백 센티미터에 이르는 통신을 지칭한다.
본 발명에서는 장거리에 위치한 단말기와 단말기 사이의 광 통신에 사용되는 광 통신 시스템 뿐 아니라 컴퓨터 통신에 적용 가능한 시스템을 개시한다.
광 시스템은 광섬유를 광 엔진(Optical Engine)에 접속하는 반도체 패키지를 사용할 수 있다. 광전자 소자는 발광 장치 또는 광 수신 장치이다. 발광 장치의 일 예는 DFB(Distributed Feedback Laser)이다. 광 수신 장치의 일 예는 포토다이오드(PD; Photodiode)이다.
구동회로(즉, 구동칩 또는 광 IC)는 광소자에 따라 동작하도록 사용된다. 예를 들면, 포토다이오드는 포토다이오드 상의 광자의 충돌로 인한 전기 신호를 증폭하기 위한 트랜스-임피던스 증폭기와 함께 동작한다. 광전자 소자가 발광 장치인 경우, 구동회로는 발광 장치를 구동하도록 사용된다.
본 발명에서는 광전자 소자에 따라 동작하는 구동회로(구동칩)를 광전자 소자와 함께 플립 칩(flip chip) 패키지 기술을 이용하여 와이어-본딩 없이 집적함과 동시에 기판을 사용하지 않고 소자들을 집적하면서 입출력(I/O) 단자를 바깥으로 빼서 입출력 단자를 늘리는 팬-아웃 기술, 소위 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 광소자와 구동칩을 패키지함에 의해 슬림한광소자 모듈을 구현할 수 있다.
또한, 다양한 정렬 기술이 광전자 소자(광소자)가 매입된 반도체 패키지(광소자 모듈)에 조립되는 광섬유와 정렬하는데 사용된다. 광소자 모듈은 웨이퍼 단위로 반도체 공정을 이용하여 제조 프로세스를 진행한 후, 이어서 광섬유와 광학부품을 안착시키기 위한 광섬유 정렬 가이드부재와 광학부품 정렬 가이드를 광소자 모듈의 일면에 일체로 형성하고, 이후 광학 소자와 광학 부품을 픽-앤-플레이스하여 고정하고, 개별적으로 분리하는 다이싱 공정에 의해 광섬유와 광학부품을 고정시킬 수 있는 광 커넥터 플러그(Optical Connector Plug)가 반도체 패키지 타입으로 얻어진다.
더욱이, 광소자 모듈 웨이퍼에 광소자와 광학부품의 조립에 필요한 광섬유 정렬 가이드부재와 광학부품 정렬 가이드를 일체로 형성하고, 광소자와 광학부품을 조립함에 의해 광소자와 광학부품 사이의 정렬과, 광학부품과 광섬유 사이의 정렬이 능동 정렬을 이용하지 않고 저렴한 수동 정렬(Passive Alignment) 기술을 이용할지라도 오 정렬 없이 이루어질 수 있다.
이하의 상세한 설명에서 광 엔진은 그 내부에 구비된 광소자를 지칭할 수 있고, 광섬유는 광섬유에서 피복층을 제거한 광섬유 라인을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 이용하여 구성되는 광 통신 시스템을 나타내는 개략 블록도이다.
광 통신 시스템(1)은 제1 및 제2 단말기(10,20) 사이를 상호 연결하여 광통신이 이루어지게 하며, 각각의 단부에 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)를 구비하며, 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200) 사이에는 광섬유를 내장한 광케이블(300a)이 연결되어 있다
여기서, 제1 및 제2 단말기(10,20)는 각각 데스크탑 또는 랩탑 컴퓨터, 노트북, 울트라북, 태블릿, 넷북, 또는 이에 포함되지 않는 다수의 컴퓨팅 디바이스 중 하나일 수 있다.
제1 및 제2 단말기(10,20)는 컴퓨팅 디바이스 이외에, 많은 다른 형태의 전자 디바이스가 포함될 수 있다. 다른 형태의 전자 디바이스는 예를 들어, 스마트폰, 미디어 디바이스, PDA(개인용 휴대 단말기), 울트라 모바일 퍼스널 컴퓨터, 멀티미디어 디바이스, 메모리 디바이스, 카메라, 보이스 레코더, I/O 디바이스, 서버, 셋탑 박스, 프린터, 스캐너, 모니터, 엔터테인먼트 제어 유닛, 휴대용 뮤직 플레이어, 디지털 비디오 레코더, 네트워킹 디바이스, 게임기, 게이밍 콘솔을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 단말기(10,20)는 본 발명에 따른 광 통신 시스템을 통하여 상호 연결되며, 각각에 구비된 하우징(11,21)에는 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)와 물리적으로 결합되어 인터페이스가 이루어지는 제1 및 제2 교합 포트(12,22)가 적어도 하나씩 설치되어 있다.
제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)는 광 인터페이스를 통한 통신을 지원할 수 있다. 또한 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)는 전기 인터페이스를 통한 통신을 지원할 수 있다.
일부 예시적 실시예에서, 제1단말기(10)는 다수의 프로세서를 구비하는 제1서버를 포함할 수 있으며, 제2단말기(20)는 다수의 프로세서를 구비하는 제2서버를 포함할 수 있다.
이들 실시예에서, 제1서버는 커넥터 플러그(100) 및 교합 포트(12)에 의해 제2서버와 상호연결될 수 있다. 다른 실시예에서는, 제1단말기(10)가 셋탑 박스를 포함할 수 있고, 제2단말기(20)가 텔레비전(TV)을 포함할 수 있으며, 그 반대일 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재되는 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200) 및 제1 및 제2 교합 포트(12,22)가 수많은 실시예들 중 하나일 수 있다.
또한, 제2단말기(20)는 주변 I/O 장치일 수 있다.
제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)는 제1 및 제2 단말기(10,20)의 제1 및 제2 교합 포트(12,22)와 교합하도록 구성될 수 있다.
제1 및 제2 교합 포트(12,22)는 또한 하나 이상의 광 인터페이스 부품을 구비할 수 있다. 이 경우, 제1교합 포트(12)는 I/O 장치와 결합될 수 있으며, 프로세서(13)와 포트(12) 사이에서 광신호(또는 광신호 및 전기 신호)를 전달하는 처리 및/또는 단자 부품을 구비할 수 있다. 상기 신호 전달은 발생 및 광신호로의 변환 또는 수신 및 전기 신호로의 변환을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 단말기(10,20)에 구비된 프로세서(13,23)는 전기 및/또는 광 신호 I/O 신호를 처리할 수 있으며, 단수 또는 복수 개가 사용될 수 있다. 프로세서(13,23)는 마이크로프로세서, 프로그래밍 가능한 논리 소자나 어레이, 마이크로컨트롤러, 신호 처리기, 또는 이들의 일부 또는 전부를 포함하는 조합일 수 있다.
제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)는 커넥터 플러그 내에 제1 및 제2 광 엔진(light engine)(110,210)을 구비할 수 있으며, 이러한 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)는 액티브 광 커넥터 또는 액티브 광 리셉터클 및 액티브 광 플러그로 지칭될 수 있다.
일반적으로, 이러한 액티브 광 커넥터는 교합 커넥터 및 광학 조립체에 대한 물리적 연결 인터페이스를 제공하도록 구성될 수 있다. 광학 조립체는 "서브 조립체"로 지칭될 수도 있다. 조립체는 완제품, 또는 제조 물품의 완성된 시스템 또는 서브 시스템을 지칭할 수 있지만, 서브 조립체는 일반적으로 서브 조립체를 완성하기 위해 다른 부품 또는 다른 서브 조립체와 조합될 수 있다. 그러나, 서브 조립체는 본 명세서에서 "조립체"와 구별되지 않으며, 조립체에 대한 언급은 서브 조립체로 간주될 수 있는 것을 지칭할 수 있다.
제1 및 제2 광 엔진(110,210)은 다양한 작업에 따라 광신호를 발생시키고, 또는 광신호를 수신 및 처리하도록 구성된 임의의 디바이스를 포함할 수 있다.
실시예에서, 제1 및 제2 광 엔진(110,210)은 광신호를 발생하기 위한 레이저 다이오드, 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)의 광 인터페이싱을 제어하기 위한 광 집적회로(IC), 광신호를 수신하기 위한 포토다이오드 중 어느 하나 이상을 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 광 IC는 레이저 다이오드 및 포토다이오드를 제어하거나, 레이저 다이오드를 구동하거나, 및/또는 포토다이오드로부터의 광신호를 증폭시키도록 구성될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 레이저 다이오드는 광이 수직(vertical) 방향이 아닌 수평(lateral) 방향으로 방사가 되는 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)를 포함한다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 광 엔진(110,210)은 하나 이상의 통신 프로토콜에 따라서 또는 그에 부합하여 광신호를 처리하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)가 광신호 및 전기 신호를 전달하도록 구성되는 실시예에서는, 광 인터페이스 및 전기 인터페이스가 동일한 프로토콜에 따라서 작동되도록 요구될 수 있다.
제1 및 제2 광 엔진(110,210)은 전기 I/O 인터페이스의 프로토콜에 따라 신호를 처리하는지, 다른 프로토콜 또는 표준에 따라 신호를 처리하는 지에 따라서 제1 및 제2 광 엔진(110,210)은 특정 커넥터 내의 의도된 프로토콜을 위해서 구성되거나 또는 프로그래밍될 수 있으며, 다양한 광 엔진이 다양한 프로토콜을 위해서 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 포토다이오드, 또는 포토다이오드 회로를 갖는 부품은 포토다이오드가 광신호를 전기 신호로 변환하므로 광 단자 부품으로 간주될 수 있다. 레이저 다이오드는 전기 신호를 광신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 광 IC는 광신호를 생성하기 위한 출력을 발생하기 위해 레이저 다이오드를 적절한 전압으로 구동함으로써 레이저 다이오드를 광학적으로 송신될 신호에 기초하여 구동하도록 구성될 수 있다. 광 IC는 포토다이오드로부터의 신호를 증폭하도록 구성될 수 있다. 광 IC는 포토다이오드에 의해 발생된 전기 신호를 수신하고 이를 해석하여 처리하도록 구성될 수 있다.
본 발명 실시예에서, 프로세서(13,23)와 교합 포트(12,22) 사이에서 광신호(또는 광신호 및 전기 신호)를 전달하는 I/O 콤플렉스(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. I/O 콤플렉스는 프로세서(13,23)가 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)의 제1 및 제2 광 엔진(110,210)을 거쳐서 제1 및 제2 단말기(10,20)와 통신할 수 있는 하나 이상의 I/O 링크를 제어하도록 구성된 하나 이상의 I/O 배선을 수용할 수 있다. I/O 배선은 통신 프로토콜의 하나 이상의 형태의 데이터 패킷을 전송하는 능력을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 다양한 통신 프로토콜 또는 표준이 사용될 수 있다. 통신 프로토콜은 미니 디스플레이 포트, 표준 디스플레이 포트, 미니 USB(Universal Serial Bus), 표준 USB, PCI 익스프레스(PCIe), IEEE 1394 파이어 와이어(Firewire), 선더볼트(Thunderbolt), 라이트닝(lightning), 고선명 멀티미디어 인터페이스(HDMI; High Definition Multimedia Interface) 등의 데이터 전송 표준 규격을 만족하지만 이것에 한정되지는 않는다.
각각의 다른 표준이 전기 접점 조립체를 위한 다른 구성 또는 핀 배열(pin out)을 구비할 수 있다. 또한, 커넥터의 크기, 형상 및 구성은 대응 커넥터의 교합을 위한 공차를 포함하는 표준에 종속될 수 있다. 따라서, 광 I/O 조립체를 통합하기 위한 커넥터의 레이-아웃은 다양한 표준에서 상이할 수 있다.
제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)와 제1 및 제2 단말기(10,20)의 교합 포트(12,22)사이에는 물리적으로 착탈 가능한 결합이 이루어짐과 동시에 교합 포트(12,22)에 구비된 인터페이스를 통하여 전기 I/O 인터페이싱 또는 광 인터페이싱이 이루어질 수 있다.
또한, 후술하는 다른 실시예에서 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)는 교합 포트(12,22)와 물리적으로 착탈 가능한 결합이 이루어는 대신에 프로세서(13,23)를 구비하는 메인 보드에 솔더 볼로 이루어지는 외부접속단자가 고정 결합되는 것도 가능하다. 그 결과, 도 1에 도시된 바와 같이, 광케이블(300a)의 양 단부에 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)가 연결된 본 발명의 액티브 광 케이블(AOC) 조립체는 예를 들어, 하나의 단말기 내부에서 보드(PCB)와 보드(PCB) 사이, 칩(chip)과 칩(chip) 사이, 칩(chip)과 보드(PCB) 사이, 보드(PCB)와 주변장치 사이, 단말기 본체와 주변 I/O 장치 사이를 상호 연결하여 초고속 대용량 데이터 전송이 필요한 경우에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 광 통신 시스템(1)은 제1 및 제2 단말기(10,20) 사이에 광통신이 이루어지도록 연결될 때, 각 단부에 구비된 제1 및 제2 커넥터 플러그(100,200)는 동일하게 구성될 수 있다. 따라서, 이하에서는 제1단말기(100)와 결합되는 제1커넥터 플러그(100), 즉 액티브 광 케이블(AOC) 조립체에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 제1실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 광소자, 광학부품, 광섬유가 실장된 커넥터 플러그를 나타내는 평면도, 단면도 및 측면도이다.
도 2a 내지 도 2c를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 커넥터 플러그(100)는 내부에 광소자(130)를 구동하기 위한 광 IC(140)를 구비하는 광소자 모듈(패키지)(101); 상기 광소자 모듈(101)의 일면에 설치된 광소자(발광 혹은 수광)(130); 상기 광소자 모듈(101)의 일면에 설치되어 상기 광소자(130)에서부터 발생한 신호를 처리하거나 광경로를 변경하는 광학 부품(500); 상기 광소자 모듈(101)의 일면에 설치되어 복수의 광섬유(300)가 안착되는 광섬유 삽입채널을 형성하는 광섬유 정렬 가이드부재(400); 및 상기 광소자 모듈(101)의 일면에 형성되어 내부 소자와 상기 광소자(130)를 전기적으로 연결하는 도전 경로부재(125a,125b,127);를 포함하고 있다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 커넥터 플러그는 광소자 모듈(101)의 일면에 광섬유(300)와 광학 부품(500)을 각각 정렬하여 실장하기 위한 광섬유 정렬 가이드부재(400)와 광학부품 정렬 가이드홈(600)이 일체로 형성되어 있다.
상기 광소자 모듈(101)은 광신호를 능동적으로 발생시키고 및/또는 수신 및 처리하도록 구성된 액티브 광 엔진(110)을 구비할 수 있다. 광 엔진(110)은 광신호를 발생하거나 광신호를 수신하기 위한 광소자(130)와 상기 광소자(130)를 제어하여 광 인터페이스를 제어하기 위한 광 IC(140)를 구비할 수 있다.
이 경우, 상기 광소자(130)는 광소자 모듈(101)의 일면에 실장방식으로 집적되고, 광 IC(140)는 광소자 모듈(101)의 내부에 일부가 몰딩되어 있다.
또한, 광소자 모듈(101)은 필요에 따라 광 IC(140) 이외에 신호처리에 필요한 프로세서(도시되지 않음), 인코더 및/또는 디코더(135), R, L, C 등의 수동 소자, 또는 파워 관련 IC 칩을 더 포함할 수 있다.
광소자(130)는 예를 들어, 광신호를 발생하기 위한 레이저 다이오드 및/또는 광신호를 수신하기 위한 포토다이오드를 구비할 수 있다. 다른 실시예에서, 광 IC(140)는 레이저 다이오드 및 포토다이오드를 제어하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 광소자(130)는 광소자 모듈(101)의 일면에 실장방식으로 집적되면서 광이 수직(vertical) 방향이 아닌 수평(lateral) 방향으로 방사가 되는 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)를 사용할 수 있다.
더욱이, 상기 광소자(130)는 광도파로가 주기(週期) 구조가 되도록 함으로써 파장 선택성을 지니게 한 공진기를 갖춘 DFB(Distributed Feedback) 레이저를 사용할 수 있다. DFB(Distributed Feedback) 레이저는 보통의 반도체 레이저와 발광 원리는 같지만, 광의 파장을 같게 하기 위해서는 발광부 중에 요철(凹凸)을 설치해 둔것으로, 광섬유 내를 전송하는 광의 속도도 같게 되어 신호파형이 붕괴되지 않는다.
또 다른 실시예에서, 광 IC(140)는 레이저 다이오드를 구동하고 포토다이오드로부터의 광신호를 증폭시키도록 구성될 수 있다.
광소자 모듈(101)은 기판을 사용하지 않고, 각종 부품, 예를 들어, 광 IC(140) 등을 플립 칩(flip chip) 형태로 집적하면서, 예를 들어, 에폭시 몰드 화합물(EMC; Epoxy Mold Compound)로 몰딩이 이루어져서 몰드 몸체(111)를 구성하고 있다. 그 결과 몰드 몸체(111)는 집적된 후 패키징이 이루어지는 광 엔진(110)을 충격으로부터 안전하게 보호하는 역할을 한다.
광소자 모듈(101)에는 도 12d에 도시된 바와 같이, 외측면에 배치된 외부접속단자(160)와 전기적인 상호 연결에 이용되는 도전성 수직 비아(via)(150)가 몰드 몸체(111)에 수직방향으로 배치되어 있다.
또한, 광소자 모듈(101)은 광 엔진(110)을 구성하는 각종 부품, 예를 들어, 광 IC(140)와 프로세서(도시되지 않음), 인코더 및/또는 디코더(135), R, L, C 등의 수동 소자, 또는 파워 관련 IC 칩을 더 포함할 수 있다.
상기 광소자 모듈(101)의 상부에는 광 IC(140)와 프로세서(도시되지 않음), 인코더 및/또는 디코더(135) 등의 내부 소자의 연결패드(131,141)를 보호함과 동시에 내부 소자와 외부에 노출된 상기 광소자(130)를 전기적으로 연결하는 수직 도전 경로부재(125a,125b)와, 인코더 및/또는 디코더(135)와 광 IC(140) 사이의 상호 연결을 위한 도전성 배선패턴(123a)과, 광 IC(140)와 도전성 수직 비아(via)(150)를 상호 연결하는 도전성 배선패턴(123b)을 보호하기 위한 배선층(120)이 형성되어 있다.
이 경우, 광소자(130)는 제1실시예인 경우 애노드와 캐소드로 이루어진 2개의 연결패드가 광소자(130)의 상부면과 하부면에 각각 형성되고 측면으로부터 광이 출입하는 형태의 칩을 사용하고 있다. 즉, 광소자(130)의 광이 출입하는 방향은 광학 부품(500) 및 광섬유(300)와 대향한 방향으로 설정된다.
애노드와 캐소드로 이루어진 2개의 연결패드가 광소자(130)의 상부면과 하부면에 각각 형성되어 있는 제1실시예의 광소자(130)는 상부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)와 수직 도전 경로부재(125a) 사이에 본딩 와이어(127)로 연결이 이루어지고, 광소자(130)의 하부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)는 수직 도전 경로부재(125b)와 솔더볼 등을 이용하여 직접 연결된다.
상기 광소자(130)는 제1실시예인 경우 애노드와 캐소드로 이루어진 2개의 연결패드가 광소자(130)의 상부면과 하부면에 각각 형성되어 있으나, 이에 제한되지 않고 애노드와 캐소드로 이루어진 2개의 연결패드가 광소자(130)의 하부면에 모두 형성되는 것도 가능하다. 이에 대한 실시예에 대하여는 차후에 설명한다.
상기 배선층(120)에는 인코더 및/또는 디코더(135)와 광 IC(140)의 하부면에 배치된 연결패드(131,141)를 상호 연결하는 도전성 배선패턴(123a)과, 광 IC(140)와 도전성 수직 비아(via)(150)를 상호 연결하는 도전성 배선패턴(123b)이 매입 형성되어 있다. 그 결과, 와이어-본딩 없이 패키징이 이루어질 수 있다.
상기 배선층(120)은 절연층(dielectric layer) 또는 패시베이션층(passivation layer) 재료로 이루어지며, 예를 들어, 폴리이미드(polyimide), PMMA(poly(methylmethacrylate)), 벤조사이클로부텐(BCB: benzocyclobutene), 실리콘 산화물(SiO2), 아크릴, 또는 다른 폴리머 기반의 절연재료로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 배선층(120)은 필요에 따라 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 광학 부품(500)은 광소자 모듈(101)의 일면에 형성된 광학부품 정렬 가이드홈(600)에 설치되어 상기 광소자(130)에서부터 발생한 광 신호를 처리하거나 광경로를 변경하는 것으로, 광학 MUX(멀티플렉서) 또는 DEMUX(디멀티플렉서) 기능을 수행하는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)로 구현될 수 있다.
상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는 광신호를 양 방향으로 전달하며 광소자(130)에서 광신호를 전송하는 경우는 광학 MUX(멀티플렉서)로서 작용하고, 광신호를 수신하는 경우는 DEMUX(디멀티플렉서) 기능을 수행한다.
또한, 상기 광학 부품(500)은 Mach Zehnder, Ring, Thermal 등을 포함하는 모듈레이터(Modulator)로 구현될 수 있다.
상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는 이를 위해 광소자(130a-130d)에 대응하여 고굴절률의 폴리머로 이루어진 코어(510a-510d)가 저굴절률의 폴리머로 이루어진 하부 및 상부 클래딩층(420) 사이에 패턴 형성되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 광학 부품(500)은 광학 감쇄기(Optical Attenuator) 등을 포함할 수 있다.
상기 광소자(130)가 4개의 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)를 사용하여 4채널인 경우, 상기 광학부품(500), 즉 AWG(Arrayed Waveguide Grating)도 이에 대응하여 4개의 코어(510a-510d)를 갖는 4채널로 형성되며, AWG를 통과한 4개의 광신호는 멀티플렉싱되어 하나의 광섬유(300)를 통하여 전송될 수 있다.
상기 4개의 광소자(130)에서 나온 서로 다른 파장의 광은 상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)에서 광학 멀티플렉싱되어 하나로 합성된다.
상기 광소자 모듈(101)의 일면에는 광섬유 정렬 가이드부재(400)가 간격을 두고 설치되어 광섬유(300)가 안착되는 광섬유 삽입채널(410)을 형성한다.
광섬유 정렬 가이드부재(400)는 광섬유(300)의 코어(310)와 광학부품(500)의 코어(520)를 일치시키기 위한 정렬용 가이드 패턴 역할을 한다.
광섬유 정렬 가이드부재(400)는 폴리머 물질을 사용하는 포토리소그래피(Photo Lithography)에 의해 광소자 모듈(101)의 표면에 웨이퍼 단위로 형성될 수 있다.
광섬유(300)는 코어(310)의 외주에 클래딩(311)이 형성되어 있으며, 상기 광학부품(500), 즉 AWG(Arrayed Waveguide Grating)도 복수개의 코어(510-510d)와 코어를 둘러싸는 클래딩(Cladding)(520)으로 구성되어 있다. 코어(Core)(510)에는 고굴절률(High Refractive Index) 물질을 사용하고 클래딩(Cladding)(520)에는 저굴절률 (Low Refractive Index) 물질을 배치시킨 구조를 갖게 구성하면 코어(510)와 클래딩(520)의 경계면에서 내부 전반사(Total Internal Reflection)가 이루어지므로 빛이 코어(510)를 통해 진행하게 된다.
이하에 도 12a 내지 도 12h를 참고하여, 본 발명에 따른 광소자 모듈(101)의 제조방법을 설명한다.
먼저, 도 12a에 도시된 바와 같이, 몰딩 프레임(31)의 일면에 접착층(또는 릴리즈 테이프)(32)이 형성된 몰딩 테이프(30)를 이용하여 플립 칩(flip chip) 공정으로 광소자 모듈(101)에 집적될 각종 칩 형태의 부품을 몰딩 테이프(30)의 미리 설정된 위치에 부착시킨다.
이 경우, 몰딩 테이프(30)는 도 12g와 같이, 웨이퍼 레벨로 제조 프로세스가 진행될 수 있도록 웨이퍼 형태로 이루어질 수 있다.
광소자 모듈(101)에 집적될 각종 부품은, 예를 들어, 인코더 및/또는 디코더(135), 광 IC(140), 도전성 수직 비아(150)를 형성하는 데 필요한 비아 PCB(153) 등이며, 픽-앤-플레이스(pick & place) 방식으로 실장한다. 이 경우, 필요에 따라 신호처리에 필요한 프로세서, R, L, C 등의 수동 소자, 또는 파워 관련 IC 칩을 포함할 수 있다. 실장되는 부품은 칩의 연결패드가 몰딩 테이프(30)에 접촉하도록 실장방향을 정한다.
비아 PCB(153)는 PCB에 레이저로 관통하거나 패턴 및 식각 공정을 사용하여 관통공(through hole)을 형성하고 관통공을 도전성 금속으로 매립하여 도전성 수직 비아(150)를 형성할 수 있다. 상기 도전성 금속은 예를 들어, 금(gold), 은(silver), 구리(copper) 등의 금속으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도전성 금속이면 충분하다. 또한, 관통공에 도전성 수직 비아(150)를 형성하는 방법은 도전성 금속 분말을 충진하는 방법 이외에 스퍼터(sputter), 증착(evaporation), 도금(plating)으로 전도성 금속으로 관통공을 매립한 후, 기판 표면을 평탄화하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 12b와 같이, 예를 들어, 에폭시 몰드 화합물(EMC; Epoxy Mold Compound)로 몰딩 테이프(30)의 상부에 몰딩층(33)을 형성하고 경화 후 표면을 평탄화한다. 이어서, 경화된 몰드의 상부면을 CMP(chemical mechanical polishing) 처리하여 도전성 수직 비아(150))의 상단이 드러나도록 가공한 후, 경화된 몰드와 몰딩 프레임(31)을 분리하면, 도 12c에 도시된 슬림한 몰드 몸체(111)가 얻어진다.
이어서, 얻어진 몰드 몸체(111)를 반전시키고, 노출된 인코더 및/또는 디코더(135)와 광 IC(140)의 연결패드(131,141)를 보호함과 동시에 상호 전기적으로 연결하기 위한 배선층(120)을 도 12d와 같이 형성한다.
먼저, 노출된 인코더 및/또는 디코더(135)와 광 IC(140)의 연결패드(131,141)를 보호하기 위한 절연층을 먼저 형성하고, 이어서 연결패드(131,141)에 대한 접촉창을 형성한다. 이어서, 도전성 금속층을 형성하고 이를 패터닝하여 연결패드(131,141)를 상호 연결하는 제1배선패턴(123a)과, 광 IC(140)와 도전성 수직 비아(via)(150)를 상호 연결하는 제2배선패턴(123b)을 형성한다.
제1 및 제2 배선패턴(123a,123b)은 금(gold), 은(silver), 구리(copper), 알루미늄(aluminium) 등의 도전성 금속을 스퍼터(sputter), 또는 증착(evaporation) 등의 방법으로 도전성 금속층을 형성하여 제조될 수 있다.
그 후, 도전성 제1 및 제2 배선패턴(123a,123b)을 커버링하는 절연층을 형성한다.
절연층은 예를 들어, 폴리이미드(polyimide), PMMA(poly(methylmethacrylate)), 벤조사이클로부텐(BCB: benzocyclobutene), 실리콘 산화물(SiO2), 아크릴, 또는 다른 폴리머 기반의 절연재료로 이루어질 수 있다.
그 후, 본 발명에서는 도 12e와 같이 배선층(120)의 상부에 광섬유 정렬 가이드(400)와 광학부품 정렬 가이드홈(600)을 동시에 형성하거나 독립적으로 형성한다.
광섬유 정렬 가이드(400)와 광학부품 정렬 가이드홈(600)을 동시에 형성하는 경우, 배선층(120) 표면에 저굴절률의 폴리머(polymer)를 사용하여 하부클래딩층을 형성한 후, 고굴절률의 폴리머를 사용하여 코어(Core)층을 형성하고 이를 패터닝하여 복수개의 코어패턴을 간격을 두고 형성한다.
이어서 복수개의 코어패턴을 둘러싸면서 배선층(120) 상부를 덮도록 저굴절률의 폴리머를 도포하여 상부클래딩층을 형성한다. 이에 따라 하부클래딩층과 상부클래딩층(520) 사이에는 복수개의 코어(510a-519d)이 매입된 AWG, 즉 광학부품(500)이 일체로 형성된다.
그 후, 광학 부품(500)을 형성하기 위해 도포된 하부 및 상부 클래딩층(520)을 도 2a와 같이 패터닝하면, 광학 부품(500)에 대응하여 광섬유(300)가 조립되는 광섬유 삽입채널(410)이 형성된 광섬유 정렬 가이드부재(400)가 도 12f와 같이 얻어진다.
이어서, 광학 부품(500)을 배선층(120) 위의 광학부품 정렬 가이드홈(600)에 실장하는 경우에는 배선층(120)을 식각하여 광소자(130a-130d)와 광섬유 정렬 가이드부재(400) 사이에 광학부품 정렬 가이드홈(600)을 형성한다. 이 경우, 광소자(130a-130d)를 실장하는 데 필요한 광소자 정렬 가이드홈(132-132d)을 형성하는 것도 가능하다.
그후, 광 IC(140)와 광소자(130)를 연결하도록 광 IC(140)의 연결패드(141)로부터 절연층을 관통하여 외부로 노출되는 윈도우를 형성한 후, 제1 및 제2 수직 도전 경로부재(125a,125b)를 형성하면 도 12g와 같이 얻어진다.
이 경우, 상기 제2 수직 도전 경로부재(125b)의 표면에는 광소자(130)의 하부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)와 연결에 필요한 솔더볼 등을 미리 형성할 수 있다.
이어서, 노출된 도전성 수직 비아(150)의 상부에 도전성 금속을 증착하여 금속층을 형성한 후, 이를 패터닝하여 데이터 전송 표준 규격 중 하나를 만족하는 복수의 도전성 스트립을 형성하여 외부접속단자(160)를 형성한다.
상기 외부접속단자(160)는 데이터 전송 표준 규격에 따라 다양하게 변형될 수 있으며, 솔더 볼이나 금속 범프 형태로 형성될 수도 있다.
상기 실시예에서는 도전성 수직 비아(150)를 형성하기 위하여 비아 PCB(153)를 플립 칩(flip chip) 공정으로 광소자 모듈(101)에 집적시키는 방법을 제안하고 있으나, 몰드 몸체(111)를 제조한 후 도전성 수직 비아(150)를 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 광소자 모듈(101)은 반도체 제조공정을 이용한 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 기판을 사용하지 않고 광 IC(140) 등을 패키지함에 의해 슬림한 형태로 패키징이 이루어질 수 있다.
본 발명의 커넥터 플러그(100)는 도 12d에 도시된 바와 같이, 광소자 모듈(101)을 웨이퍼 단위로 반도체 공정을 이용하여 SIP(System In Package)형 웨이퍼(102)를 형성하는 제조 프로세스를 진행한 후, 이어서 도 12g와 같이 광섬유(300)를 안착시키기 위한 광섬유 정렬 가이드(400), 광소자(130)와 광학 부품(500)을 실장하는 데 필요한 광소자 정렬 가이드홈(132-132d) 및 광학부품 정렬 가이드홈(600)을 형성하고, 광 IC(140)와 광소자(130a-130d)를 연결하는 데 필요한 수직 도전 경로부재(125a,125b)를 형성한다.
이어서, 광소자(발광 혹은 수광)(130)를 광소자 정렬 가이드홈(132-132d)에 솔더볼 등을 이용하여 실장하고, 수직 도전 경로부재(125a)와 광소자(130)의 상부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음) 사이에 본딩 와이어(127)로 연결하며, 광학 부품(500)을 광학부품 정렬 가이드홈(600)에 실장하면 도 12h와 같이 웨이퍼 형태로 얻어진다.
이어서, 웨이퍼(102)를 소잉(sawing)하여 개별적으로 분리하는 다이싱 공정에 의해 복수의 광섬유(300)를 고정시킬 수 있는 광 엔진 패키지(Optical Engine Package), 즉, 광 커넥터 플러그(Optical Connector Plug)(100)가 반도체 패키지 타입으로 제조된다.
상기와 같이 얻어진 광 커넥터 플러그(Optical Connector Plug)(100)의 일면에는 도 2a와 같이 광섬유(300)가 조립되는 개방형 광섬유 삽입채널(410)이 형성되어 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 커넥터 플러그(100)는 광소자(130)로서 광소자 모듈(101)의 일면에 실장방식으로 집적되면서 광이 수평(lateral) 방향으로 방사가 되는 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)를 사용하는 것으로, 내부에 광소자(130)를 구동하기 위한 광 IC(140)를 구비하는 광소자 모듈(패키지)(101)의 일면에 광소자 정렬 가이드홈(132-132d) 및 광학부품 정렬 가이드홈(600)에 광소자(발광 혹은 수광)(130)와 광신호를 처리하거나 광경로를 변경하는 광학 부품(500)이 설치되고, 광섬유 정렬 가이드부재(400)에 의해 형성된 광섬유 삽입채널(410)에 광섬유(300)가 안착되어, 광소자(발광 혹은 수광)(130)와 광학 부품(500) 및 광섬유(300)에 대한 코어 라인의 수동 정렬이 쉽게 이루어질 수 있다.
더욱이, 본 발명의 커넥터 플러그(100)는 웨이퍼 레벨로 웨이퍼(102)에 광섬유(300)의 조립에 필요한 광섬유 정렬 가이드부재(400)와, 광소자(발광 혹은 수광)(130)와 광학 부품(500)의 조립/정렬에 필요한 광소자 정렬 가이드홈(132-132d) 및 광학부품 정렬 가이드홈(600)을 일체로 형성함에 따라 높은 생산성을 가지게 된다.
또한, 본 발명에서는 광소자 모듈(101)을 반도체 제조공정을 이용한 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 기판을 사용하지 않고 광 IC(140) 등을 패키지함에 의해 300㎛ 두께의 슬림한 형태로 제조되고, 광소자 모듈(101)의 일면에 형성되는 광섬유 정렬 가이드부재(400)와 광학부품 정렬 가이드홈(600)에 대한 광학 부품(500)의 조립체를 150㎛ 두께로 구현할 수 있어, 커넥터 플러그(100)의 전체적인 두께를 0.5mm 미만으로 슬림하게 구현할 수 있다.
본 발명에서는 광소자 모듈(101), 광섬유(300) 및 광학부품(500)의 조립체가 최소한의 구성부품과 조립공정으로 결합될 수 있는 심플한 구조를 갖는다.
본 발명에서는 광소자 모듈(101)의 일면에 광섬유 정렬 가이드부재(400)를 사용하여 개방(open) 구조의 광섬유 조립채널(410)을 일체로 형성하고 광섬유(300)를 조립함에 의해 개별적인 광학부품(500)을 사용할지라도 광소자(130)와 광학부품(500) 사이의 정렬과, 광학부품(500)과 광섬유(300) 사이의 정렬이 수동 정렬 기술을 이용하여 오 정렬 없이 높은 정확도를 가질 수 있다.
그 결과, 본 발명의 커넥터 플러그는 시스템-인-패키지(SIP; System In Package) 형태의 광소자 모듈(101)에 개방(open) 구조의 광섬유 조립채널(410)이 일체로 형성되어 광 엔진을 원칩 또는 단일 소자로 패키지화할 수 있으며, 초고속으로 대용량 데이터의 송수신이 가능하며 소형이면서 1mm 두께로 슬림화된 구조를 구현하면서 저렴한 비용으로 제조 가능하다.
상기한 제1실시예에서는 4개의 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)로 이루어지는 광소자(130), AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 4개의 코어(510-510d)와 광섬유(300)의 코어(310)가 광소자 모듈(101)에 조립된 것이나, 본 발명은 채널수를 증가시킴에 따라 QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable), QSFP+(Quad Small Form-factor Pluggable Plus), QSFP2B(Quad Small Form-factor Pluggable 2B) 등에 적용될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 본 발명의 제1실시예는 광소자(130), AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 4개의 코어(510-510d)와 광섬유(300)의 코어(310)가 하측에 형성된 것이다. 이에 따라 광섬유 정렬 가이드부재(400)에 의해 형성되는 광섬유 조립채널(410)도 광섬유(300)의 코어(310)가 하측에 위치하도록 광섬유 조립채널(410)의 깊이가 깊게 설정되어 있다.
도 3에 도시된 제1실시예의 변형예에 따른 커넥터 플러그는 광소자(130), AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 4개의 코어(510-510d)와 광섬유(300)의 코어(310)가 상측에 형성된 것이다. 이에 따라 광섬유 정렬 가이드부재(400)에 의해 형성되는 광섬유 조립채널(410)도 광섬유(300)의 코어(310)가 상측에 위치하도록 광섬유 조립채널(410)의 깊이가 얕게 설정되어 있는 점에서 차이가 있다. 나머지 부분은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 제1실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 광소자, 광학부품, AWG, 광섬유가 실장되어 있는 커넥터 플러그를 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 본 발명의 제1실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 광소자, 광학부품, AWG, 광섬유가 실장된 커넥터 플러그를 나타내는 평면도, 단면도 및 측면도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 커넥터 플러그는 내부에 광소자(130)를 구동하기 위한 광 IC(140)를 구비하는 광소자 모듈(패키지)(101); 상기 광소자 모듈(101)의 일면에 설치된 광소자(발광 혹은 수광)(130); 상기 광소자 모듈(101)의 일면에 설치되어 상기 광소자(130)에서부터 발생한 신호를 처리하거나 광경로를 변경하는 광학 부품(500); 상기 광소자 모듈(101)의 일면에 설치되어 복수의 광섬유(300)가 안착되는 광섬유 삽입채널을 형성하는 광섬유 정렬 가이드부재(400); 및 상기 광소자 모듈(101)의 일면에 형성되어 내부 소자와 상기 광소자(130)를 전기적으로 연결하는 도전 경로부재(125a,125b,127);를 포함하고 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 커넥터 플러그는 광학 부품(500)으로 AWG를 사용하고, 광소자(발광 혹은 수광)(130)와 광학 부품(500) 사이에 볼(Ball) 형태의 렌즈(250)가 삽입되어 있는 점에서 제1실시예와 차이가 있고 나머지는 동일하다.
상기 볼(Ball) 형태의 렌즈(250)는 포토리소그래피 방식을 이용하여 광소자 모듈(패키지)(101)의 표면에 광섬유 정렬 가이드부재(400)의 형성과 동시에 형성할 수 있다.
상기 볼(Ball) 형태의 렌즈(250)는 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈 형태로 형성되어 발광 광소자(130)로부터 발생된 레이저가 분산되는 것을 막고 광학 부품(500)의 코어(510-510d)로 집속시키기 위한 용도로 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 볼(Ball) 형태의 렌즈(250a-250d)를 4개의 광소자(130a-130d)와 AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 4개의 코어(510-510d) 사이에 형성된 4개의 요홈(210a-210d)에 형성하면, 4개의 광소자(130a-130d), 4개의 렌즈(250a-250d) 및 AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 4개의 입구측 코어(510-510d) 사이에 광라인(L)이 쉽게 정렬될 수 있다. 또한, 광학 부품(500), 즉 AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 출구측 코어는 광섬유(300)의 코어(310)와 수동 정렬이 쉽게 이루어질 수 있다.
제2실시예의 나머지 부분은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 제1실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 6a를 참고하면, 본 발명에 따른 광소자와 광소자 모듈 사이의 도전 경로에 대한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그가 도시되어 있다.
상기한 제1실시예에서는 광 IC(140)와 광소자(130)를 연결하는 데 수직 도전 경로부재(125a)와 광소자(130)의 상부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음) 사이에는 본딩 와이어(127)로 연결하고, 광소자(130)의 하부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)는 솔더볼 등을 이용하여 수직 도전 경로부재(125b)와 직접 연결하고 있다.
도 6a에 도시된 변형예를 나타내는 커넥터 플러그는 광소자(130)의 하부면에 애노드와 캐소드로 이루어진 2개의 연결패드가 모두 형성된 패키지 칩을 사용한 것이다.
광소자(130)의 하부면에 배치된 2개의 연결패드가 제1 및 제2 수직 도전 경로부재(125a,125b)와 직접 연결되도록 제1 및 제2 수직 도전 경로부재(125a,125b)의 상부에 솔더볼 등을 미리 형성하고 이를 이용하여 광소자(130)를 광소자 모듈(패키지)(101) 위에 실장한 것이다.
상기 변형예의 나머지 부분은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 제1실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 6b 및 도 6c는 각각 본 발명에 따른 광소자와 광소자 모듈 사이에 방열 기능을 갖는 도전 경로에 대한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
상기한 제1실시예에서는 광 IC(140)와 광소자(130)를 연결하는 데 수직 도전 경로부재(125a)와 광소자(130)의 상부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음) 사이에는 본딩 와이어(127)로 연결하고, 광소자(130)의 하부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)는 솔더볼 등을 이용하여 수직 도전 경로부재(125b)와 직접 연결하고 있다.
도 6b에 도시된 변형예를 나타내는 커넥터 플러그는 수직 도전 경로부재(125a)와 광소자(130)의 상부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음) 사이에는 본딩 와이어(127)로 연결하고, 광소자(130)의 하부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)를 수직 도전 경로부재(125b)를 통하여 광 IC(140)와 연결하는 대신에 1층 및 2층 방열 수직 비아(151,153)를 통하여 광소자 모듈(패키지)(101)의 타측면으로 노출이 이루어지도록 처리한 것이다.
1층 방열 수직 비아(151)는 광소자 모듈(패키지)(101)의 형성시에 일체로 형성되고, 2층 방열 수직 비아(153)는 배선층(120)을 형성한 후 광소자(130)를 실장하기 전에 1층 방열 수직 비아(151)의 상부에 형성한다.
1층 및 2층 방열 수직 비아(151,153)는 도전성 수직 비아(150)와 유사한 방식으로 형성될 수 있으며, 도전성과 열전도가 우수한 금속을 관통구멍에 도금시키거나 도전성 파우더를 관통구멍에 충진시키는 방식으로 구현될 수 있다.
1층 및 2층 방열 수직 비아(151,153)는 광소자 모듈(패키지)(101)을 관통하여 형성되므로 광소자(130)로부터 발생된 열을 쉽게 외부로 발산할 수 있다.
도 6c에 도시된 변형예를 나타내는 커넥터 플러그는 광소자 모듈(패키지)(101) 내부에 광 IC(140)가 매입되어 있지 않는 타입으로, 광소자(130)의 상부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)와 수직 도전 경로부재(125a) 사이는 본딩 와이어(127)로 연결하고, 수직 도전 경로부재(125a)는 도전성 수직 비아(150)를 통하여 외부접속단자(160)에 연결하며, 광소자(130)의 하부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)는 1층 및 2층 방열 수직 비아(151,153)를 통하여 광소자 모듈(패키지)(101)의 타측면으로 노출이 이루어지도록 처리한 것이다.
도 6b 및 도 6c를 참고하면, 도시된 도전 경로에 대한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그는 1층 및 2층 방열 수직 비아(151,153)를 통하여 방열 기능을 가진다.
도 7은 본 발명에 따른 광학부품과 광소자 모듈 사이의 도전 경로를 갖는 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
상기한 제1실시예에서는 광 IC(140)와 광소자(130)를 연결하는 데 수직 도전 경로부재(125a)와 광소자(130)의 상부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음) 사이에는 본딩 와이어(127)로 연결하고, 광소자(130)의 하부면에 형성되어 있는 연결패드(도시되지 않음)는 솔더볼 등을 이용하여 수직 도전 경로부재(125b)와 직접 연결하고 있다.
도 7에 도시된 커넥터 플러그는 광소자(130)와 연결되는 수직 도전 경로부재(125b)로부터 배선층(120) 내부에 연장 형성된 배선패턴(123a)을 이용하여 광학부품(500)과 광소자 모듈(101) 사이의 도전 경로를 갖는 변형예를 나타낸다.
광학부품(500)이 능동 광학소자인 경우 하부면에 복수의 연결패드(도시되지 않음)를 구비할 수 있으며, 연결패드와 배선패턴(123a) 사이에 수직 도전 경로부재(129a,129b)를 이용하여 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 광 웨이브가이드가 일체로 형성된 커넥터 플러그를 나타내는 단면도이다.
광학 부품(500), 즉 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는 미리 제작된 부품을 광소자 모듈(101)에 조립하거나, 도 8에 도시된 바와 같이 광소자 모듈(101)에 일체로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 광섬유 정렬 가이드(400)을 형성할 때, 배선층(120) 표면에 저굴절률의 폴리머(polymer)를 사용하여 하부클래딩층을 형성한 후, 고굴절률의 폴리머를 사용하여 코어(Core)층을 형성하고 이를 패터닝하여 복수개의 코어 패턴을 간격을 두고 형성한다.
이어서 복수개의 코어 패턴을 둘러싸면서 배선층(120) 상부를 덮도록 저굴절률의 폴리머를 도포하여 상부클래딩층을 형성한다. 이에 따라 하부클래딩층과 상부클래딩층(420) 사이에는 복수개의 코어(510a-519d)이 매입된 AWG, 즉 광학부품(500)이 일체로 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 광소자 모듈의 일면에 광섬유 정렬 가이드부재를 형성하지 않고 광섬유를 실장한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
상기한 실시예에서는 광섬유(300)를 실장하기 위해 광섬유 정렬 가이드부재(400)를 형성하고 있으나, 도 9에 도시된 바와 같이 광섬유 정렬 가이드부재(400)를 형성하지 않고 광섬유(300)를 배선층(120) 위에 실장하는 것도 가능하다.
도 10은 본 발명에 따른 광소자 모듈의 일면에 광섬유 실장블록을 이용하여 광섬유를 실장한 변형예를 나타내는 커넥터 플러그의 단면도이다.
본 발명에 따른 커넥터 플러그는 광섬유(300)를 광소자 모듈(101)의 일면에 실장할 때, 광섬유 수용홈(321)이 형성된 광섬유 실장블록(320)을 이용하여 쉽게 실장할 수 있다.
즉, 광섬유(300)를 광섬유 실장블록(320)의 광섬유 수용홈(321)에 끼워서 고정시킨 후, 광섬유 실장블록(320)을 광소자 모듈(101)의 일면에 실장하면 광섬유(300)의 실장이 쉽게 이루어질 수 있다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따라 광소자 모듈의 일면에 AWG 없이 광소자, 볼타입 광학부품, 광섬유가 실장된 커넥터 플러그를 나타내는 단면도이다.
제2실시예에 따른 커넥터 플러그는 광소자 모듈(101)의 상부에 광소자(130), 볼 타입 렌즈(250), 광학부품(500)(즉, AWG), 광섬유(300)가 실장되어 있어 있다.
본 발명의 제4실시예에 따른 커넥터 플러그는 AWG를 생략하고 광소자 모듈(101)의 일면에 광소자(130), 볼 타입 렌즈(250), 광섬유(300)가 실장되는 것도 가능하다.
또한, 볼 타입 렌즈(250)와 광섬유(300) 사이에는 필요에 따라 광소자(130)로부터 방사된 레이저가 반사되어 피드백되는 것을 방지하도록 아이솔레이터(isolator)가 설치될 수 있다.
상기한 실시예 설명에서는 광케이블(300a)의 일측 단부에 연결된 제1커넥터 플러그에 대하여 설명하였으나, 광케이블(300a)의 타측 단부에 연결된 제2커넥터 플러그도 동일한 구성을 가질 수 있다. 단, 제1커넥터 플러그에 포함된 광 엔진의 광소자가 광신호를 발생하는 레이저 다이오드가 사용된 경우, 제2커넥터 플러그에 포함된 광 엔진의 광소자는 광신호를 수신하는 포토다이오드가 사용되는 점에서 차이가 있다.
본 발명의 커넥터 플러그는 액티브 광 케이블(AOC)을 구성하면서 단말기와 단말기를 상호 연결하도록 데이터 전송 표준 규격 중 하나를 만족하는 복수의 도전성 스트립, 솔더 볼이나 금속 범프 형태로 외부접속단자(160)를 형성할 수도 있다.
또한, 상기 커넥터 플러그의 외부접속단자(160)는 데이터 전송 표준 규격 이외에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
복수의 도전성 스트립으로 외부접속단자(160)를 형성하는 경우는 본 발명의 커넥터 플러그(100)가 도 1과 같이 단말기(10)의 교합 포트(12)에 물리적으로 착탈 가능한 결합이 이루어지는 경우에 적용될 수 있다.
외부접속단자(160)가 솔더 볼이나 금속 범프 형태로 형성되는 경우는 하나의 단말기 내부에서 보드(PCB)와 보드(PCB) 사이의 상호 연결(board-to-board interconnection), 칩과 칩 사이의 상호 연결(chip-to-chip interconnection), 보드와 칩 사이의 상호 연결(board-to-chip interconnection)이나 또는 단말기 메인 보드와 주변 I/O 장치 사이를 상호 연결하는 온-보드 상호 연결(on-board interconnection)에 적용될 수 있다.
이 경우는 교합 포트(12)에 물리적으로 착탈 가능한 결합이 이루어지는 대신에 커넥터 플러그(100)가 하나의 칩과 같이 솔더 볼이나 금속 범프를 이용하여 보드(board)에 형성된 도전성 전극패드에 솔더링되어 고정 결합되는 것이다.
상기와 같이, 물리적인 교합 포트-커넥터 플러그 결합을 생략함에 따라 전기 I/O 인터페이싱 또는 광 인터페이싱을 거치지 않고 온-보드 상호 연결이 이루어지게 된다.
그 결과, 온-보드 상호 연결이 이루어지면 신호 경로를 최소한으로 단축함에 의해 신호 저하와 지터를 감소시키고 신호 무결성을 향상시키며, 신호 경로 상의 기생전류성분으로 인해 발생하는 데이터 오류를 감소시킬 수 있으며, 전반적인 보드 개발 작업을 줄여서 엔지니어링 비용을 절감할 수 있는 효과가 얻어진다.
본 발명의 커넥터 플러그는 보드에 온-보드 상호 연결(on-board interconnection)이 이루어질 수 있다.
커넥터 플러그가 보드에 바로 탑재된 온-보드 상호 연결 구조는 솔더 볼이나 금속 범프로 이루어진 커넥터 플러그(100)의 외부접속단자(160)가 예를 들어, FPGA(Field Programmable Gate Arrays), DSP, 콘트롤러 등을 구성하는 보드(board)에 형성된 도전성 전극패드에 고정 결합되는 경우이다.
즉, 솔더 볼이나 금속 범프로 이루어진 외부접속단자(160)를 보드(board)에 형성된 도전성 전극패드에 매칭시킨 후 리플로우(reflow) 공정을 거침에 따라 커넥터 플러그(100)와 보드 사이의 상호 연결이 이루어지게 된다. 이 경우, 외부접속단자(160)의 솔더 볼과 결합되는 보드의 전극패드는 예를 들어, BGA(Ball Grid Arrys), QFN(Quad Flat Non-leaded Package) 등의 구조로 이루어질 수 있다.
상기 보드(board)는 예를 들어, FPGA 또는 CPLD(Complex Programmable Logic Device) 등을 구성하는 데 사용되는 인쇄회로기판(PCB)일 수 있으며, 보드(board) 위에는 복수의 집적회로(IC) 칩과 전자 부품이 탑재될 수 있다.
FPGA는 일반적으로 디지털 신호 프로세서(DSP), ASIC 초기버전, 소프트웨어 정의 라디오, 음성인식, 머신러닝 시스템 등의 다양한 분야의 기능성 시스템에 적용되고 있으며, 보드(board)에 1개 또는 2개의 커넥터 플러그(100)가 직접 결합될 수 있으며, 각각 광케이블(300a)을 통하여 이들 시스템을 다른 기능성 보드(시스템) 또는 단말기에 바로 연결하는 역할을 할 수 있다.
더욱이, 솔더 볼이나 금속 범프로 이루어진 외부접속단자(160)를 갖는 커넥터 플러그(100) 또는 액티브 광 케이블(AOC) 조립체는 전기-광 변환 기능과 광-전기 변환 기능을 함께 갖고 있는 트랜스폰더(transponder) 칩으로서 시스템-인-패키지(SiP; System in Package) 형태로 복수의 다른 기능을 갖는 집적회로(IC) 칩들이 단일 패키지로 통합되거나, SOC(System on Chip) 형태로 커넥터 플러그(100)를 포함하여 여러가지 기능이 단일 칩에 내장되거나, SoB(System on Board) 또는 패키지-온-패키지(PoP; Package on Package) 형태로 패키지가 이루어질 수 있다.
상기한 SiP, SoC, SoB 또는 PoP 형태로 함께 패키지가 이루어질 수 있는 집적회로(IC) 칩 또는 기능 소자는 예를 들어, 신호처리 기능을 갖는 프로세서로서 CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), DSP(Digital Signal Processor), ISP(Image Signal Processor)의 집적회로 칩(IC Chip), 각종 다기능 처리용 복수의 집적회로(IC)를 필요로 하는 차량용 ECU(Electronic Control Unit), 자율주행 차량, 인공지능(AI) 등의 집적회로 칩(IC Chip)을 들 수 있다.
본 발명에서는 시스템-인-패키지 형태의 광소자 모듈을 사용하는 경우, 몰딩 과정에서 칩이 의도한 위치에서 벗어나 이동(drift)하여 정렬 정밀도가 저하되는 문제를 해결하고, 광소자에서 광이 수직(vertical) 방향이 아닌 수평(lateral) 방향으로 방사가 되는 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)를 사용할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 광학부품의 수동 정렬(Passive Alignment)도 쉽게 이루어질 수 있는 커넥터 플러그를 이용하여 액티브 광 케이블(AOC) 조립체를 구성할 수 있으며, 수십 Giga~100G 이상의 초고속으로 대용량 데이터의 송수신이 가능하여 보드와 보드 사이, UHDTV급의 TV와 주변기기 사이의 데이터 전송에 사용되는 액티브 광 케이블(AOC)에 적용할 수 있다.
1; 광 통신 시스템 10,20: 단말기
11,21: 하우징 12,22: 교합포트
13,23: 프로세서 100: 커넥터 플러그
101: 광소자 모듈 102: 웨이퍼
120: 배선층 123a,123b: 배선패턴
125a,125b,129a,129b: 수직 도전 경로부재 127: 본딩 와이어
130-130d: 광소자 131,141: 연결패드
132-132d: 광소자 정렬 가이드홈 111: 몰드몸체
140: 광 IC 150: 도전성 수직 비아
160: 외부접속단자 250-250d: 볼타입 렌즈
210a-210d: 요홈 300a: 광케이블
300: 광섬유 310,510: 코어
311,520: 클래드 400: 광섬유 정렬 가이드부재
410: 광섬유 삽입채널 500: 광학부품
510a~510d: 코어 600: 광학부품 정렬 가이드홈

Claims (13)

  1. 광신호를 발생하거나 광신호를 수신하는 광 엔진(light engine)과 서로 대향한 제1면과 제2면을 갖는 몰드 몸체를 구비하는 광소자 모듈; 및
    상기 몰드 몸체의 제1면에 안착되어 상기 광신호를 처리하거나 광경로를 변경하는 광학 부품;을 포함하며,
    상기 광 엔진은
    상기 몰드 몸체의 제1면에 광학 부품과 인접하여 배치되고 상기 광학 부품을 향하여 수평 방향으로 광신호를 방사하거나 광신호를 수신하는 복수의 광소자; 및
    상기 몰드 몸체의 내부에 설치되어 상기 광소자를 제어하는 광 집적회로(IC);를 포함하며,
    상기 광소자는 상기 광신호를 수평방향으로 방사하는 경우 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)로 이루어지고,
    상기 광학 부품은 상기 광소자에서 광신호를 전송하는 경우 상기 복수의 광소자에서 발생된 서로 다른 파장의 광을 멀티플렉싱하고, 광신호를 수신하는 경우는 디멀티플렉싱하는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)이며,
    상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는,
    각각 복수의 광소자와 정렬되며 고굴절률(High Refractive Index) 물질로 이루어진 복수의 입구측 코어;
    광섬유의 코어와 정렬되는 출구측 코어; 및
    상기 코어를 상부와 하부에서 둘러싸며 저굴절률(Low Refractive Index) 물질로 이루어지는 클래딩;을 포함하며,
    상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는 상기 몰드 몸체의 제1면에 배선층과 일체로 형성되는 커넥터 플러그.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몰드 몸체의 제1면에 형성되어 광 집적회로(IC)와 광소자를 연결하도록 제1 및 제2 수직 도전 경로부재를 구비하는 배선층; 및
    광섬유가 안착되는 광섬유 삽입채널을 형성하는 광섬유 정렬 가이드부재;를 더 포함하며,
    상기 광섬유 정렬 가이드부재와 광학 부품이 실장되는 광학부품 정렬 가이드홈은 배선층 상부에 형성되는 커넥터 플러그.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광소자는 상부면에 형성된 제1연결패드가 상기 제1수직 도전 경로부재에 본딩 와이어로 연결되고, 상기 광소자의 하부면에 형성되어 있는 제2연결패드는 제2수직 도전 경로부재와 직접 연결되는 커넥터 플러그.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광소자는 하부면에 형성된 제1 및 제2 연결패드가 상기 제1 및 제2 수직 도전 경로부재에 직접 연결되는 커넥터 플러그.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광소자는 상부면에 형성된 제1연결패드가 상기 제1수직 도전 경로부재에 본딩 와이어로 연결되고, 상기 광소자의 하부면에 형성되어 있는 제2연결패드는 방열 수직 비아를 통하여 광소자 모듈의 타측면으로 노출이 이루어지는 커넥터 플러그.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 배선층은 상기 광 집적회로(IC)의 출력단자를 외부로 인출하기 위한 배선패턴을 더 포함하며,
    상기 배선패턴은 상기 광학 부품과 상기 몰드 몸체의 제2면에 형성된 외부접속단자 중 하나에 연결되는 커넥터 플러그.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광소자와 광학 부품 사이에 배치되어 광소자에서 발생된 광신호의 경로를 제어하여 상기 광학 부품의 코어에 집속시키기 위한 렌즈를 더 포함하는 커넥터 플러그.
  11. 수평 방향으로 광신호를 방사하거나 광신호를 수신하는 복수의 광소자;
    상기 광소자를 제어하는 광 집적회로(IC);
    서로 대향한 제1면과 제2면을 갖는 몰드 몸체를 구비하고, 상기 몰드 몸체의 제1면에 광소자가 배치되고 상기 몰드 몸체 내부에 광 집적회로(IC)가 매립되는 광소자 모듈;
    상기 몰드 몸체의 제1면에 상기 광소자와 인접 안착되고 상기 광신호를 처리하거나 광경로를 변경하는 광학 부품; 및
    상기 광소자 모듈에 설치되어 상기 광 집적회로(IC)와 상기 광소자를 전기적으로 연결하는 도전 경로;를 포함하며,
    상기 광소자는 상기 광신호를 수평방향으로 방사하는 경우 단면 발광 레이저(Edge Emitting Laser Diode)로 이루어지고,
    상기 광학 부품은 상기 광소자에서 광신호를 전송하는 경우 복수의 광소자에서 발생된 서로 다른 파장의 광을 멀티플렉싱하고, 광신호를 수신하는 경우는 디멀티플렉싱하는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)이며,
    상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는,
    각각 복수의 광소자와 정렬되며 고굴절률(High Refractive Index) 물질로 이루어진 복수의 입구측 코어;
    광섬유의 코어와 정렬되는 출구측 코어; 및
    상기 코어를 상부와 하부에서 둘러싸며 저굴절률(Low Refractive Index) 물질로 이루어지는 클래딩;을 포함하며,
    상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는 상기 몰드 몸체의 제1면에 배선층과 일체로 형성되는 커넥터 플러그.
  12. 삭제
  13. 광섬유 삽입채널을 갖는 커넥터 플러그; 및
    상기 광섬유 삽입채널에 적어도 하나의 광섬유가 결합되는 광케이블;을 포함하며,
    상기 커넥터 플러그는 제1항 또는 제11항에 따른 커넥터 플러그인 액티브 광 케이블(AOC) 조립체.
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