KR102605669B1 - 적층형 광통신 모듈 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광소자 및 관련 소자들의 조립이 완료된 제1 광송신부와 제2 광송신부를 별도 제작하고 이들을 적층하여 제1 광송신부와 제2 광송신부의 각 출력광이 하나로 합쳐져 광섬유(파이버)를 통해 송신되는 광송신 모듈의 구조와 제조 방법이 제공된다. 이러한 광송신 모듈의 제작을 위해 웨이퍼 기반 패키징 공정(wafer level packaging process)을 활용하여 제1 광송신부와 제2 광송신부를 별도로 제작한 후 이들을 적층한다. 이로써, 발생 열의 방출이 제1 광송신부에 설치된 제1 방열판과 제2 광송신부에 설치된 제2 방열판으로 나뉘어 두 방향으로 이루어지도록 하여 기존보다 방열 효율이 우수해진다. 뿐만 아니라 실장 면적도 또한 종래 모듈 대비 1/2로 감소될 수 있다.

Description

적층형 광통신 모듈 및 제조방법 {Stacked optical communication module and manufacturing method thereof}

본 발명은 광네트워크에서 사용되는 다채널 광통신 모듈에 관한 것이다.

최근 데이터 트래픽이 급격히 증가함에 따라 대용량의 데이터를 고속으로 신호 왜곡없이 전송할 수 있는 광 송수신 모듈이 각광을 받고 있다. 이에 대해서는 그 패키지의 소형화가 중요한 이슈이다.

기존의 광네트워크에서 사용되는 다채널 광송신 모듈(Multi-Channel TOSA(Transmitter Optical Sub Assembly) Module)의 경우, 송신 채널이 수평으로 배치된다. 따라서, 모듈의 방열은 아래쪽 또는 위쪽의 한 방향으로만 가능하며, 채널을 확장할수록 수평 방향으로의 면적이 커지므로 광트랜시버 또는 PCB 실장형 온보드 광학소자(On-board optics)에 사용시 제한적 요소가 될 수 있다.

본 발명은 다채널 광송신 모듈에서 발생되는 열의 방열 문제를 해결하기 위해, 열을 효율적으로 배출시킬 수 있는 구조를 제공하여 기존보다 효율적으로 열방출이 용이할 뿐 아니라 실장 면적도 또한 줄일 수 있는 광송신 모듈 및 그 제조방법을 제안한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 광소자 및 관련 소자들의 조립이 완료된 제1 광송신부와 제2 광송신부를 별도 제작하고 이들을 적층하여 제1 광송신부와 제2 광송신부의 각 출력광이 하나로 합쳐져 광섬유(파이버)를 통해 송신되는 광송신 모듈의 구조와 제작 방법이 제공된다.

이러한 광송신 모듈의 제작을 위해 웨이퍼 기반 패키징 공정(wafer level packaging process)을 활용하여 제1 광송신부와 제2 광송신부를 별도로 제작한 후 이들을 적층한다. 이로써, 발생 열의 방출이 제1 광송신부에 설치된 제1 방열판과 제2 광송신부에 설치된 제2 방열판으로 나뉘어 두 방향으로 이루어지도록 하여 기존보다 방열 효율이 우수해진다. 뿐만 아니라 실장 면적도 또한 종래 모듈 대비 1/2로 감소될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 한 측면에 따르면, 웨이퍼 기반의 패키징 공정을 활용하여 제작된 제1 광송신부; 상기 제1 광송신부에 포함되어 제1 광송신부에서 발생하는 열을 방출하는 제1 방열판; 웨이퍼 기반의 패키징 공정을 활용하여 제작되어 상기 제1 광송신부에 적층된 제2 광송신부; 상기 제2 광송신부에 포함되어 제2 광송신부에서 발생하는 열을 방출하는 제2 방열판을 포함하는 적층형 광통신 모듈이 제공된다.

또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 웨이퍼 기반의 패키징 공정을 활용하여 제1 광송신부를 제작하고; 상기 제1 광송신부에, 열을 방출하는 제1 방열판을 부착하고; 웨이퍼 기반의 패키징 공정을 활용하여 제2 광송신부를 제작하고; 상기 제2 광송신부에, 열을 방출하는 제2 방열판을 부착하고; 상기 제1 광송신부와 제2 광송신부를 적층하는 것을 포함하는 적층형 광통신 모듈 제조방법이 제공된다.

본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

기존의 다채널 광모듈과 다르게 Wafer level 패키징 공정을 활용하여 제1 광송신부와 제2 광송신부로 적층 제작하기 때문에 대량 생산 공정을 할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 제1 및 제1 광송신부의 적층 구조에서 양자의 광출력을 결합하는 구조라서, 기존의 일측 방열 구조에서 제1/제2의 양측 방열 구조로 개량되어 효과적인 방열 성능을 얻을 수 있으며, 송신채널당 실장 면적을 1/2로 줄여 단위 모듈당 실장 면적을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 광송신부의 내부 구성도 및 광경로
도 2는 커버글라스가 씌워진 하부 광송신부의 외관도
도 3은 상부 광송신부의 내부 블럭도 및 광경로
도 4는 하부 및 상부 광송신부가 결합된 광송신 모듈의 구성도 및 광경로
도 5는 2Ch 광송신 모듈의 패키징 순서의 개요도
도 6은 4Ch 하부 광송신부의 내부 구성도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 기술된 바람직한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예는 단지 본 발명을 완전하게 개시하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 기재 내용에 의해 정의되는 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적층형 광송신 모듈의 제1부분인 하부(bottom) 광송신부(10)의 내부 단면도이다. 기판으로 사용되는 SiOB(silicon optical bench)(11)에 렌즈용 서브마운트(submount)(12)를 형성하고 그 위에 미러(14)와 콜리메이션(collimation) 또는 포커싱(focusing) 렌즈(16)를 설치한다. 미러(14)와 렌즈(16) 사이에는 반파장판(half-wave plate)(18)을 설치한다. 또한, 렌즈(16)에 인접하여, LD/LDD용 유전체(dielectric) 서브마운트(15)를 형성하고 여기에 LD(laser diode)(20)와 LD 구동기(LD driver, LDD)(22)를 형성한다. LD 구동기(22)에 인접해서, 표면에 전송선로(transmission line)(도 2의 25)가 형성된 전송선로용 유전체 서브마운트(24)를 설치하고 LDD(22)에 전송선로(25)를 연결한다. 그리고 SiOB(10)의 저면 외측에 히트싱크(26)를 부착하여 열을 방출(heat emission)하도록 한다. SiOB(11)의 표면의, 상기 내부 부분품들의 주변부에는 차후 커버 글라스와의 씰링을 위한 솔더층(27)이 형성되어 있다.

도 1의 위쪽에 나타낸 확대 뷰는 하부 광송신부(10)의 광경로를 나타낸다. LD(20)에서 방사된 P편광 빔(17)은 렌즈(16)에서 렌즈 유형이 콜리메이션이냐 포커싱이냐에 따라 Collimation되거나 Focused beam으로 변환되어, 반파장판(18)에 입력된다. 입력된 빔은 반파장판(18)에 의해 편광이 90° 회전되어 S편광 빔(19)으로 변환된다. 변환된 빔은 미러(14)에서 반사되어 방향이 90° 바뀌어 출력광(21)으로서 외부로 출사된다.

도 2는 커버 글라스가 씌워져 완성된 하부 광송신부(10)의 상부 사시도이다. 송신채널이 1개인 1Ch의 송신기를 예시하고 있다.

도 1에 나타낸 내부 부분품을 실장 완료한 후에, 인터포저(29)가 포함된 커버글라스(28)를 씌우고, SiOB(11)의 표면의 솔더층(27)과 커버글라스(28)의 내측의 솔더층(30)을 접합하여 씰링해서 하부 광송신부(10)를 완성한다. 광학적으로 투명한 Cover glass(28)에 의해 하부 광송신부가 (그리고 상부 광송신부가) Sealing 되므로 내부 광원이 거의 손실 없이 외부로 출력될 수 있다. 이러한 커버글라스가 씌워지는 구성은 상부 광송신부(도 3)의 경우에도 동일하다.

또한, 커버글라스(28)에는(바람직하게는 내측에), 커버글라스(28) 아래에 위치하는 미러(14)에서 외부로 출사되는 출력광(21)이 커버글라스(28)에서 반사되지 않고 온전히 외부로 출사되도록 반반사(AR) 코팅부(31)가 포함된다. 그리고 커버글라스(28)의 일측에는, 유전체 서브마운트(24)의 상면에 형성된 전송선로(25)와 접속되어 외부로 인출하기 위한 전극(36)이 형성된 인터포저 영역(29)이 포함된다. 즉, 이 인터포저 영역(29)에 형성된 전극(36)을 통해서, 하부 광송신부(10)의 유전체 서브마운트(24)의 상면에 형성된 전송선로(25)가 외부 회로에 연결될 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적층형 광송신 모듈의 제2부분인 상부(top) 광송신부(20)의 내부 단면도이다.

도 1의 하부 광송신부(10)와의 차이점은 편광을 회전할 수 있는 반파장판(도 1의 18)이 없어서 LD(20')에서 출력된 P편광(17')이 편광 회전없이 P편광의 출력광(23)으로서 출사된다는 점이다. 그 외에는 하부 광송신부(10)과 동일하게 구성된다.

이와 같이 반파장판(도 1의 18)은 하부 광송신부(10) 또는 상부 광송신부(20)의 하나에만 위치할 수 있으며, 이 때 반파장판(도 1의 18)의 위치에 따라서 도 4에서 설명할 광 멀티플렉서(Optical Multiplexer)에서 PBS(Polarized beam splitter)의 방향만 바뀌게 된다.

도 4는 하부 광송신부(10) 및 상부 광송신부(20)를 적층하여 최종 완성된 적층형 광송신 모듈을 나타낸다.

하부 광송신부(10)와 상부 광송신부(20)에 각각 씌워진 커버글라스(28, 28') 사이에, 하부 광송신부(10)와 상부 광송신부(20)를 간격을 띄워서 지지하기 위한 써포트 스페이서(30)가 개재된다.

써포트 스페이서(30)에 의해 간격을 두고 적층된 하부 광송신부(10)와 상부 광송신부(20) 사이의 공간에는 광 멀티플렉서(32)와, 하부 인터포저(34) 및 상부 인터포저(34')가 설치된다.

하부 광송신부(10)를 위한 커버글라스(28)의 인터포저 영역(29)에 형성된 비아(33)를 통해 전송선로(25)에 연결된 전극(36)에 하부 인터포저(34)가 연결되고, 마찬가지로, 상부 광송신부(20)를 위한 커버글라스(28')의 인터포저 영역(29')에 형성된 비아(33')를 통해 전송선로(25)에 연결된 전극(36')에 상부 인터포저(34')가 연결된다. 하부 인터포저(34)와 상부 인터포저(34')는 에폭시에 의해 상호 접착되어 글라스 인터포저 단자(38)로서 패키지 밖으로 노출된다. 이 추가적인 글라스 인터포저 단자(38)는 전송할 신호를 광송신 모듈 내부로 인가한다.

광 멀티플렉서(Optical Multiplexer)(32)는 미러(40), PBS(Polarized beam splitter)(42), 렌즈(44), 파이버블록(Fiber block)(46)으로 구성되어 하부 광송신부(10)와 상부 광송신부(20)에서 나오는 통합 출력광을 Multiplexing하여 광섬유(Fiber)를 통해 송출한다.

도 4의 아래에 나타낸 확대 뷰를 보면 광 멀티플렉서(32)의 작용을 알 수 있다. 상부 광송신부(20)에서 출력되는 P편광(23)은 45° 미러(40)를 통해 PBS(42)의 P편광 투과면으로 입사되며, 하부 광송신부(10)에서 출력되는 S편광(21)은 PBS(42)를 통해 90°로 방향이 바뀌므로 P편광과 S편광의 광경로가 일치됨을 알 수 있다. 이와 같이 Multiplexing된 P편광과 S편광은 렌즈(44)를 통해 파이버블록(46)으로 집광되어 송출된다.

도 5a~c는 도 1에 나타낸 1Ch의 하부 광송신부(10)와 도 3에 나타낸 1Ch의 상부 광송신부(20)를 적층하여 2Ch의 광송신 모듈을 제작(패키징)하는 공정 순서를 개략적으로 나타낸다.

1차 패키징 공정으로, 도 5a와 같이 제작된 하부 광송신부(10)의 커버글라스(28) 상에, 도 5b와 같이, 광 멀티플렉서(32)의 파이버블록(46) 및 편광을 Multiplexing 하기 위한 광학 부품(40, 42, 44)을 하부 광송신부(10)에서 출력되는 광을 이용해 광정렬한 후 에폭시 등으로 본딩한 후 인터포저(34)를 솔더링한다. 그리고 상부 광송신부(20)를 적층하기 전에 써포트 스페이서(30)를 하부 광송신부(10)의 커버글라스(28))에 본딩한다.

이어서 2차 패키징 공정으로(도 5c), 도 5b와 상응한 공정으로 제작된 상부 광송신부(20)에 전원을 인가하여 Optical Multiplexer(32)에 대략적으로 위치시킨 후 세부 미세 광정렬을 한다. 그 후 에폭시를 활용하여 하부 광송신부(10)에 상부 광송신부(20)를 결합하여 적층한다.

도 6은 광송신 모듈을 8Ch로 확장할 경우의 4Ch 하부 광송신부(100)의 내부 구성도를 나타낸다. 전송선로(250) 및 LDD(220)가 4채널로 확장되며, 4Ch 파장 다중화기(Wavelength Division Multiplexer)(480)를 통해 파장이 다른 4채널의 광출력이 하나의 광경로로 Multiplexing된다. 이 때 파장 다중화기(48)는 AWG(Arrayed Waveguide Grating) PLC(Planar Lightwave Circuit)의 형태와 ZIGZAG filter block의 형태일 수 있다. 파장 다중화기(480)의 형태에 따라 Lens(160)는 Focusing lens 또는 Collimation lens가 사용될 수 있다. 또한, 4Ch 상부 광송신부(미도시)는 반파장판(180)이 생략된 구조로 하부 광송신부(100)와 유사하며 하부와 상부의 광송신부의 결합은 앞서 설명한(도 4) 2Ch 광송신 모듈과 동일한 광 Multiplexer 구조로 제작될 수 있다.

이와 같이, 하부 4Ch, 상부 4Ch로 구성된 8Ch 광송신 모듈을 제작할 수 있으며 이 역시 히트싱크(260)를 하부 광송신부와 상부 광송신부로 별도 배치함으로써 열방출을 효과적으로 처리할 수 있다.

종래에, 파장 다중화기를 활용하는 4채널 이상의 광송신 모듈 제작에 있어서는 채널 증가에 따라 패키징 난이도가 급격히 증가하여 제품 완성 수율이 떨어졌다. 그러나 본 발명을 적용하면 8채널 광원의 광송신 모듈을 제작함에 있어 편광 특성과 PBS(Polarized beam splitter)를 활용해 광 멀티플렉싱할 수 있으므로 하부 광송신부 및 상부 광송신부)에 각각 4채널씩 분배함으로써 제작 난이도를 감소시킬 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다. 또한 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

1. 웨이퍼 기반의 패키징 공정을 활용하여 제작된 제1 광송신부;
   상기 제1 광송신부에 포함되어 제1 광송신부에서 발생하는 열을 방출하는 제1 방열판;
   웨이퍼 기반의 패키징 공정을 활용하여 제작되어 상기 제1 광송신부에 적층된 제2 광송신부;
   상기 제2 광송신부에 포함되어 제2 광송신부에서 발생하는 열을 방출하는 제2 방열판; 및
   상기 제1 광송신부에서 출사되는 광과 상기 제2 광송신부에서 출사되는 광을 멀티플렉싱하여 출력하는 광 멀티플렉서를 포함하는 적층형 광통신 모듈.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 광 멀티플렉서는
   상기 제2 광송신부에서 출사되는 광과, 제1 광송신부에서 출사되는 광의 광경로를 일치시키는 PBS(Polarized beam splitter)를 포함하는 적층형 광통신 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 광송신부는 신호 전송선로에 연결된 제1 인터포저를 포함하고,
   상기 제2 광송신부는 신호 전송선로에 연결된 제2 인터포저를 포함하는 적층형 광통신 모듈.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 광송신부는
   기판에 형성된 적어도 하나의 LD(laser diode), 적어도 하나의 렌즈(16), 반파장판(half-wave plate), 및 미러를 포함하여,
   상기 적어도 하나의 LD에서 방사된 제1편광이 상기 적어도 하나의 렌즈를 통해 상기 반파장판에 입력되어, 상기 반파장판에 의해 제2편광으로 변환되고, 변환된 제2편광이 상기 미러에서 방향이 바뀌어 외부로 출사되는 것을 특징으로 하는 적층형 광통신 모듈.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 광송신부는 상기 기판에 형성된 적어도 하나의 LD, 적어도 하나의 렌즈, 반파장판, 및 미러를 씰링하는 커버글라스를 추가로 포함하는 적층형 광통신 모듈.
7. 제5항에 있어서, 상기 제1 광송신부의 LD 및 렌즈가 2개 이상의 N개일 때, N개의 광을 하나의 광으로 멀티플렉싱하는 파장 다중화기(Wavelength Division Multiplexer)를 추가로 포함하는 적층형 광통신 모듈.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2 광송신부는
   기판에 형성된 적어도 하나의 LD(laser diode), 적어도 하나의 렌즈, 및 미러를 포함하여,
   상기 적어도 하나의 LD에서 방사된 제1편광이 상기 적어도 하나의 렌즈를 통해 상기 미러에 입사되어 미러에서 방향이 바뀌어 외부로 출사되는 것을 특징으로 하는 적층형 광통신 모듈.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2 광송신부는 상기 기판에 형성된 적어도 하나의 LD, 적어도 하나의 렌즈, 및 미러를 씰링하는 커버글라스를 추가로 포함하는 적층형 광통신 모듈.
10. 제8항에 있어서, 상기 제2 광송신부의 LD 및 렌즈가 2개 이상의 N개일 때, N개의 광을 하나의 광으로 멀티플렉싱하는 파장 다중화기(Wavelength Division Multiplexer)를 추가로 포함하는 적층형 광통신 모듈.
11. 웨이퍼 기반의 패키징 공정을 활용하여 제1 광송신부를 제작하고;
    상기 제1 광송신부에, 열을 방출하는 제1 방열판을 부착하고;
    웨이퍼 기반의 패키징 공정을 활용하여 제2 광송신부를 제작하고;
    상기 제2 광송신부에, 열을 방출하는 제2 방열판을 부착하고;
    상기 제1 광송신부와 제2 광송신부를 적층하는 것을 포함하되,
    상기 제1 광송신부와 제2 광송신부를 적층하는 것은, 상기 제1 광송신부에서 출사되는 광과 상기 제2 광송신부에서 출사되는 광을 멀티플렉싱하는 광 멀티플렉서를 추가로 형성하는 것을 포함하는 적층형 광통신 모듈 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 광송신부를 제작하는 것은
    기판에 적어도 하나의 LD(laser diode), 적어도 하나의 렌즈(16), 반파장판(half-wave plate), 및 미러를 형성하는 것을 포함하는 적층형 광통신 모듈 제조방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1 광송신부를 제작하는 것은
    상기 기판에 형성된 적어도 하나의 LD, 적어도 하나의 렌즈, 반파장판, 및 미러를 커버글라스로 씰링하는 것을 추가로 포함하는 적층형 광통신 모듈 제조방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 제1 광송신부를 제작하는 것은
    상기 제1 광송신부의 신호 전송선로에 제1 인터포저를 연결하는 것을 포함하는 적층형 광통신 모듈 제조방법.
15. 제11항에 있어서, 상기 제2 광송신부를 제작하는 것은
    기판에 적어도 하나의 LD(laser diode), 적어도 하나의 렌즈, 및 미러를 형성하는 것을 포함하는 적층형 광통신 모듈 제조방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 제2 광송신부를 제작하는 것은
    상기 기판에 형성된 적어도 하나의 LD, 적어도 하나의 렌즈, 및 미러를 커버글라스로 씰링하는 것을 추가로 포함하는 적층형 광통신 모듈 제조방법.
17. 제11항에 있어서, 상기 제2 광송신부를 제작하는 것은
    상기 제2 광송신부의 신호 전송선로에 제2 인터포저를 연결하는 것을 포함하는 적층형 광통신 모듈 제조방법.
18. 삭제

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