KR20010028259A - 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈과 그 제작방법 - Google Patents
광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈과 그 제작방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광가입자망에서 송수신이 동시에 가능한 양방향 송수신모듈에 관한 것이다.
이러한 양방향 송수신모듈은 송수신 집적칩과, 광섬유와, 실리콘벤치로 구성된다. 상기 송수신 집적칩은, 상기 레이저광원의 앞에 집적되어 상기 레이저광원에서 방출되는 송신광의 모드크기를 변환하는 광모드변환수단과, 상기 광모드변환수단의 위에 집적되어 상기 광모드변환수단을 통해 도파되는 송신광의 일부를 검출하여 송신광을 모니터링하는 모니터 광검출수단, 및 상기 모니터 광검출수단의 위에 집적되어 상기 광섬유를 통해 입사되는 수신광을 검출하는 상기 수신 광검출수단을 포함하고; 상기 실리콘벤치는, 기판과, 상기 기판에 형성되어 상기 수신광을 상기 수신 광검출소자에게 반사하는 U자 홈, 상기 U자 홈의 한쪽 끝부분의 상기 기판에 중복 형성된 V자 홈, 및 상기 U자 홈과 V자 홈 사이에 형성되어 상기 광섬유나 V자 홈에서 반사된 송신광을 차단하는 반사차단벽을 포함하며; 상기 광섬유는, 상기 송수신 집적칩과 대면한 단부가 경사절두원추형으로 형성되어, 상기 광섬유의 코어부분만 기울기각을 가지도록 형성된다.
Description
본 발명은 광가입자망에서 송수신이 동시에 가능한 모듈에 관한 것으로서, 특히 송수신 집적칩은 레이저다이오드와, 광모드변환기, 모니터 광검출소자, 및 수신 광검출소자를 집적하여 구성하고, 실리콘벤치에는 U자 홈과, V자 홈, 및 반사방지벽을 형성하며, 광섬유는 송수신신호 사이의 상호 간섭을 억제하도록 연마하고, 세 개의 구성요소들을 수동정렬방법으로 정렬한 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈 및 그의 제작방법에 관한 것이다.
현재 파장분할다중(WDM : Wavelength Division Multiplexing) 기술에 의한 대용량의 고속 광통신망을 구현하기 위한 다각적인 노력이 진행되고 있다. 그러나, 향후 초고속 정보통신망의 효율적인 이용과 FTTH(Fiber-To-The-Home)의 실현을 위해서는 저가의 광가입자망을 구현해야 할 필요성이 있다.
광가입자망을 조기에 실현하기 위한 핵심기술로서 양방향 송수신모듈이 있으며, 이 양방향 송수신모듈을 개발하기 위한 다양한 방법들이 제시되었다. 이러한 방법들 중 전형적인 두 가지 기술은 TDM(Time Division Multiplexing) 방식과 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 방식이다.
상기한 TDM 방식은 시간대를 나누어 서로 다른 타임슬롯(Time Slot)에서 송신신호와 수신신호를 하나의 단일모드 광섬유를 통해 전달하는 방법으로서, 미국특허 제 5,793,789 호에서 Lucent Tech.사의 Rafael Ben-Michael 등에 의해 제시되었다. 이 특허는 레이저다이오드(Laser Diode)와 수신 광검출소자 및 광모드변환기를 집적하고, 하나의 단일모드 광섬유에 의해 각각의 타임슬롯(Time Slot)에서 송신 및 수신을 하는 기술로써 광가입자망에서 매우 유망한 기술 중의 하나이다. 그러나, 이 방법은 송신 및 수신을 서로 다른 시간대로 나누어 처리하므로 신호처리 속도가 반감되는 단점이 있다.
또한, 상기한 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 방식은 1.3um/1.55um의 두 파장을 이용하여 송신신호와 수신신호를 주고받는 방법이다. 이 WDM 방식은 레이저다이오드(Laser Diode)와 수신 광검출소자 및 광도파로소자를 PLC(Planar Light Circuits) 기판에 하이브리드(Hybrid) 혹은 단일칩으로 집적하고, 1.3um/1.55um의 파장을 이용하여 송수신하는 방법으로 지금까지 다양한 방법들이 제시되었다.
먼저, 일본의 NTT에서는 Junichi Yoshida가 "Low-cost optical transceiver for access networks"라는 제목의 논문을 OFC97 Technical Digest Thl1(invited) pp.275~276 에 발표하였다. 이는 PLC(Planar Light Circuits) 플랫폼(Platform) 위에 1.3um SS-레이저다이오드(Lazer Diode)와, 모니터 광검출소자(Monitor Photo Diode), 도파로 광검출소자(Waveguide Photo Diode), 및 1.3um/1.55um WDM 필터(Filter)를 하이브리드(Hybrid) 집적함으로써, 1.3um 양방향 TCM(Time Compression Multiplexing) 또는 1.3um/1.55um WDM(Wavelength Division Multiplexing) 통신이 가능한 기술을 개발하였다. 이 방법은 우수한 기술이지만, 몇 개의 개별소자를 PLC 플랫폼 위에 하이브리드 집적하는 동안에 광결합 손실이 커지고, PLC 플랫폼의 제작이 난해하며, 집적칩을 사용한 경우에 비해 부피가 크다는 단점이 있다.
독일 Siemens사에는 R.Matz 등이 "Development of a Photonic Integrated Transceiver Chip for WDM Transmission" 제목의 논문을 IEEE Phot. Tech. Lett., vol. 6, no.11, pp. 1327-1329 (1994) 에 발표하였다. 또한, 영국의 GEC사에는 G.M.Foster, et al 가 "OEIC WDM transceiver modules for local access networks" 제목의 논문을 Elec. Lett., vol. 31, no.2, pp. 132-133 (1995) 에 발표하였다.
상기 두 논문들 이외의 다수의 논문들에서는 레이저다이오드(LD)와, 모니터 광검출소자(Monitor PD), 도파로 광검출소자(Waveguide PD), 및 도파로 커플러(Waveguide Coupler)나 마크젠더 간섭계(Mach-Zender Interferometer)가 집적된 단일칩을 사용함으로써, 1.3um/1.5um 파장을 이용하여 송수신이 가능한 방법이 발표되었다. 이러한 방법은 여러 종류의 다른 기능을 가지는 소자를 집적함으로써 제작이 복잡하고, 칩의 특성이 저조한 문제가 있다.
또 다른 방법으로서 일본의 MEI(Matsushita Electric Industrial Co.) 사에서는 T.Uno 등이 "Hybrid Integration of 1.3um transmitter and 1.55um receiver with fiber-embedded circuit" 제목의 논문을 OFC97 Technical Digest Thl1(invited) pp.277~278 에 발표하였다. 이 논문에서는 실리콘기판(Si Substrate)에 V자 홈(V-Groove)과 트랜치(Trench)를 형성하고, 1.55um WDM 필터와 레이저와 광검출소자를 개별적으로 배치한다. 1.55um 수신광은 필터에 의해 반사되어 광검출소자에서 검출되고, 1.3um 송신광은 투과되어 광섬유에 광결합하는 방법으로 1.3um/1.55um 송수신이 가능하도록 한 기술이 발표하였다.
미국 Lucent사는 집적소자나 PLC(Planar Light Circuits) 기판을 사용하지 않은 양방향 송수신모듈을 상용화하였다. 미국특허 제 5,841,562 호와 미국특허 제 5,838,859 호에서 설명된 바와 같이 단일 광섬유 앞에 광분리기(Beam Splitter)를 사용하여 광섬유로부터의 수신광은 빔분리기로 반사시켜 수신소자로 보내고, 송신광은 그대로 투과하여 광섬유에 결합시키는 방법을 사용하였다. 그러나 이 방법에서는 광결합효율을 높이기 위하여 송신칩과 수신칩 앞에 렌즈를 사용하여 능동 정렬하므로 제작 단가가 상대적으로 높고, 비교적 부피가 큰 단점이 있다.
또한, G.C.Joo 등은 "Bidirectional optical coupling of transceiver chip for subscribers" 제목의 논문을 Electron Lett., vol.34, no.24, pp.2350-2351 (1998) 에 발표하였다. 이 논문에서의 양방향 송수신칩은 필터나 도파로 커플러, 및 빔 분리기를 사용하지 않는다. 즉, 레이저의 앞쪽 거울면 부근에 수신 광검출소자를 집적하고, 이를 실리콘벤치 위에 표면이 아래로 가도록 플립칩 본딩(flip-chip bonding)하여 집적칩을 만들고 광섬유와 수동정렬한다.
집적칩의 레이저에서 나온 송신광은 광섬유에 광결합되고, 수신광은 광섬유 끝의 기울기각에 의해 굴절되어 실리콘벤치에 반사된 후 집적칩의 수신소자로 입사한다. 또한, 1.3의 굴절률을 가진 물질을 사용하여 송신광의 광섬유에 의한 반사를 줄이고, 기울기각을 크게 하여 반사광이 수신광 검출소자로 입사하는 것을 막고 광정렬 오차를 크게 하였다. 그러나, 이러한 송신광의 광결합 효율이 떨어지고, 수신소자와 레이저소자 사이의 전기적 및 광학적 상호 간섭으로 인하여 수신효율이 떨어진다. 또한, 송신광의 광섬유에 의한 반사를 줄이기 위하여 굴절률 조절을 위한 물질을 사용하여야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 송수신 집적칩과, 실리콘벤치 및 광섬유를 구비하고, 중단거리 광가입자망급에서 광섬유 데이터 링크에 사용되는 경제성이 매우 높은 최소형의 안정적인 양방향 송수신모듈 및 그의 제작방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 서로 다른 두 파장을 사용한 송수신뿐만 아니라 단일 파장을 이용한 송수신이 가능하고, 보다 경제적이면서도 부피가 작은 양방향 송수신모듈 및 그의 제작방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 양방향 송수신모듈의 송수신 집적칩을 도시한 종축 단면도,
도 1b는 본 발명의 한 실시예에 따른 양방향 송수신모듈의 송수신 집적칩을 도시한 평면도,
도 2a는 도 1a 내지 도 1b에 도시된 송수신 집적칩의 레이저소자의 횡축 단면도,
도 2b는 도 1a 내지 도 1b에 도시된 송수신 집적칩의 광모드변환기와 모니터 광검출소자, 및 수신 광검출소자의 횡축 단면도,
도 3은 도 1a 내지 도 1b에 도시된 송수신 집적칩의 모니터 광검출소자와 수신 광검출소자의 세부 단면도,
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따른 실리콘벤치의 제작과정을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 4c는 본 발명의 한 실시예에 따른 실리콘벤치의 사시도,
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 한 실시예에 따른 광섬유의 제작과정을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 5c는 본 발명의 한 실시예에 따른 광섬유의 사시도,
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 양방향 송수신모듈의 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
100 : 송수신 집적칩 101 : 레이저다이오드의 음전극
102 : 레이저다이오드의 양전극 103 : 모니터 광검출소자의 양전극
104 : 광검출소자들의 음전극 105 : 수신 광검출소자의 양전극
110 : 레이저다이오드 111 : 활성층
112 : p-InP층 113 : n-InP층
114 : p-InP층 115 : p-InGaAs층
120 : 광모드변환기 121 : 빔확장 도파로층
122 : p-InP층 130 : 모니터 광검출소자
131 : n-InP층 132 : u-InGaAs층
133 : p-InP층 134 : p-InGaAs층
140 : 수신 광검출소자 141 : p-InP층
142 : u-InGaAs층 143 : p-InP층
145 : 입사창 200 : 실리콘벤치
201 : U자 홈 202 : V자 홈
203 : 반사차단벽 204 : 금 증착막
205 : 솔더범프 206, 208 : 스탠드오프
207, 209, 210 : 본딩패드 300 : 광섬유
301 : 원추형부분 302 : 원추형부분의 경사각
303 : 기울기각부분 304 : 기울기각부분의 각 크기
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양방향 송수신모듈의 송수신 집적칩은, 광섬유로 송신광을 출사하고 광섬유로부터 입사되는 수신광을 검출하기 위해 실리콘벤치에 수동정렬된다. 이러한 송수신 집적칩은, 상기 송신광을 방출하는 레이저광원과; 상기 레이저광원의 앞에 집적되어 상기 레이저광원에서 방출되는 송신광의 모드크기를 변환하여 상기 광섬유로 출사하는 광모드변환수단; 상기 광섬유를 통해 입사되는 수신광을 검출하는 수신 광검출수단; 및 상기 광모드변환수단과 수신 광검출수단 사이에 집적되어, 상기 광모드변환수단을 통해 도파되는 송신광의 일부를 흡수하여 송신광을 모니터링하면서, 상기 수신 광검출수단으로 진행하는 송신광을 차단하여 송수신광 사이의 광학적 상호 작용에 의한 잡음을 억제하도록 하는 모니터 광검출수단을 포함한 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 송수신 집적칩은 기판으로부터 n-p-n-p-n층 구조로 형성되어, 송수신광 사이의 전기적 상호 작용에 의한 잡음을 억제하도록 한다.
양호하게는, 상기 레이저광원의 활성층은 상기 광모드변환수단의 도파로층과 버트결합(butt-join)된다.
양호하게는, 상기 송수신 집적칩은 수신 광검출수단이 아래를 향하는 상태에서 상기 실리콘벤치에 플립칩 본딩된다.
양호하게는, 상기 수신 광검출수단은 광모드변환수단의 거울면에서 안쪽에 배치된다.
양호하게는, 상기 모니터 광검출수단과 수신 광검출수단은 광모드변환수단의 중간지점에 위치한다.
양호하게는, 상기 모니터 광검출수단과 상기 수신 광검출수단 사이에 전자-정공 확장방지층 및 광흡수층이 삽입된다.
양호하게는, 상기 레이저광원의 거울면은 HR(Hard Reflection) 코팅하고, 상기 광모드변환수단의 거울면은 AR(Anti-Reflection) 코팅한다.
또한, 본 발명에 따르면, 송수신 집적칩의 레이저광원에서 방출되는 송신광이 광섬유에서 광결합되고, 광섬유를 통해 입사되는 수신광이 실리콘벤치에서 반사되어 상기 송수신 집적칩으로 입사되도록, 상기 송수신 집적칩과 광섬유가 상기 실리콘벤치에 수동정렬되는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈이 제공된다. 상기 송수신 집적칩은, 상기 레이저광원의 앞에 집적되어 상기 레이저광원에서 방출되는 송신광의 모드크기를 변환하여 상기 광섬유로 출사하는 광모드변환수단과; 상기 광섬유를 통해 입사되는 수신광을 검출하는 수신 광검출수단; 및 상기 광모드변환수단과 수신 광검출수단 사이에 집적되어, 상기 광모드변환수단을 통해 도파되는 송신광의 일부를 흡수하여 송신광을 모니터링하면서, 상기 수신 광검출수단으로 진행하는 송신광을 차단하여 송수신광 사이의 광학적 상호 작용에 의한 잡음을 억제하도록 하는 모니터 광검출수단을 포함한 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 양방향 송수신모듈의 상기 실리콘벤치는, 기판에 형성되어 상기 수신광을 상기 수신 광검출수단에게 반사하는 U자 홈과, 상기 U자 홈의 한쪽 끝부분의 상기 기판에 중복 형성된 V자 홈, 및 상기 U자 홈과 V자 홈 사이에 형성되어 상기 광섬유나 V자 홈에서 반사된 송신광을 차단하는 반사차단벽을 포함한다. 상기 U자 홈의 수신광 반사면에 금 증착막이 형성되는 것이 보다 양호하다.
양호하게는, 상기 광섬유는, 상기 송수신 집적칩과 대면한 단부가 경사절두원추형으로 형성되어, 상기 광섬유의 코어부분만 기울기각을 가지도록 한다. 여기서, 상기 광섬유의 기울기각은 레이저광원과 광섬유 사이의 거리에 반비례하는 것이 보다 양호하다.
또한, 본 발명에 따른 송수신 집적칩 제작방법은, 광섬유로 송신광을 출사하고 광섬유로부터 입사되는 수신광을 검출하기 위해 실리콘벤치에 수동정렬되는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 송수신 집적칩 제작방법에 있어서, 기판 위에 상기 송신광을 방출하는 레이저다이오드를 성장하는 제 1 단계와, 상기 레이저다이오드의 앞에 상기 레이저다이오드에서 방출된 송신광을 크기모드 변환하는 수직 광모드변환기를 집적하는 제 2 단계, 상기 광모드변환기 부분의 표면을 평탄화하는 제 3 단계, 표면이 평탄화된 상기 광모드변환기 위에 상기 송신광의 일부를 흡수하여 상기 송신광을 모니터링하면서 송수신광 사이의 광학적 상호 작용에 의한 잡음을 억제하도록 하는 모니터 광검출기와 광섬유를 통해 입사되는 수신광을 검출하는 수신 광검출기를 순차적으로 집적하여 송수신 집적칩을 제작하는 제 4 단계, 및 상기 송수신 집적칩을 실리콘벤치에 플립칩 본딩하는 제 5 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 제 3 단계는, 레이저다이오드 부분에 산화실리콘 마스크를 증착하고, 습식식각액을 사용하여 상기 광모드변환기 부분을 표면 평탄화하는 단계이다.
양호하게는, 상기 제 4 단계는, 상기 모니터 광검출소자를 제작하기 위한 제1n-InP층과, 제1u-InGaAs층, 제1p-InP층을 순차적으로 성장하는 제 1 소단계와, 그 위에 상기 수신 광검출소자를 제작하기 위한 제2p-InP층과, 제2u-InGaAs층, 및 제2n-InP층을 차례로 성장하는 제 2 소단계, 상기 제2n-InP층과, 제2u-InGaAs층, 및 제2p-InP층을 식각하여 상기 수신 광검출소자를 제작하는 제 3 소단계, 그 위에 산화실리콘을 증착한 후 모니터 광검출소자를 위한 패턴을 형성하는 제 4 소단계, 상기 산화실리콘과, 제1p-InP층, 제1u-InGaAs층을 차례로 식각하는 제 5 소단계, 및 그 위에 전극단자들을 형성하는 제 6 소단계를 포함한다.
보다 양호하게는, 상기 모니터 광검출소자의 제1p-InP층과 상기 수신 광검출소자의 제2p-InP층 사이에 전자-정공 확산방지 및 광흡수층을 더 포함하여, 상기 두 광검출소자들 사이에 광의 이동을 차단하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 양방향 송수신모듈의 제작방법은, 송수신 집적칩의 레이저광원에서 방출되는 송신광은 광섬유에서 광결합되고, 광섬유를 통해 입사되는 수신광은 실리콘벤치에서 반사되어 상기 송수신 집적칩으로 입사되도록, 상기 송수신 집적칩과 광섬유가 상기 실리콘벤치에 수동정렬된 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 제작방법에 있어서, 송수신 집적칩 제작방법은, 기판 위에 레이저다이오드와 상기 레이저다이오드의 앞에 상기 레이저다이오드에서 방출된 송신광을 크기모드 변환하는 수직 광모드변환기를 집적하는 제 1 단계와, 상기 광모드변환기 부분의 표면을 평탄화하는 제 2 단계, 표면이 평탄화된 상기 광모드변환기 위에 모니터 광검출기와 수신 광검출기를 순차적으로 집적하여 송수신 집적칩을 제작하는 제 3 단계, 상기 송수신 집적칩을 실리콘벤치에 플립칩 본딩하는 제 4 단계, 및 송수신광 사이의 상호 간섭을 억제하는 광섬유를 상기 송수신 집적칩과 대면하게 광정렬하는 제 5 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 제 3 단계는, 상기 모니터 광검출소자를 제작하기 위한 제1n-InP층과, 제1u-InGaAs층, 제1p-InP층을 순차적으로 성장하는 제 1 소단계와, 그 위에 상기 수신 광검출소자를 제작하기 위한 제2p-InP층과, 제2u-InGaAs층, 및 제2n-InP층을 차례로 성장하는 제 2 소단계, 상기 제2n-InP층과, 제2u-InGaAs층, 및 제2p-InP층을 식각하여 상기 수신 광검출소자를 제작하는 제 3 소단계, 그 위에 산화실리콘을 증착한 후 모니터 광검출소자를 위한 패턴을 형성하는 제 4 소단계, 상기 산화실리콘과, 제1p-InP층, 제1u-InGaAs층을 차례로 식각하는 제 5 소단계, 및 그 위에 전극단자들을 형성하는 제 6 소단계를 포함한다.
양호하게는, 상기 제 4 단계의 실리콘벤치 제작방법은, 기판에 질소화실리콘 박막 증착과, 사진 현상, 및 질소화실리콘 박막 식각 등의 과정들을 수행하여 U자 홈을 형성하는 제 1 소단계와, 상기 U자 홈의 한쪽 끝에서 질소화실리콘 박막 증착과 사진 현상, 및 질소화실리콘 박막 식각 등의 과정들을 수행하여 V자 홈을 형성함으로써 U자 홈과 V자 홈 사이에 송신광의 반사를 차단하는 반사차단벽을 형성하는 제 2 소단계, 및 상기 U자 홈의 수신광 반사벽에 금 증착막을 입히는 제 3 소단계를 포함한다.
양호하게는, 상기 제 5 단계의 광섬유는 송수신 집적칩과 대면한 단부가 경사절두원추형으로 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 "광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈 및 그의 제작방법"을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 양방향 송수신모듈은, 크게 송수신 집적칩과 실리콘벤치와 광섬유로 대별되며, 이들의 적절한 광정렬을 통해 제작된다. 이러한 양방향 송수신모듈은 광가입자망에서 1.3um/1.55um 파장을 이용하여 광신호를 송수신하는 방식, 또는 좁은 파장 간격(wavelength spacing)을 가지는 두 개의 파장채널을 이용한 DWDM 방식, 또는 단일 파장채널을 이용하여 송수신하는 방식 등에 사용할 수 있다.
상기한 양방향 송수신모듈을 제작하기 위하여, 먼저 송수신 집적칩과 실리콘벤치, 및 광섬유의 제작에 관한 기술적인 문제 해결방법과 이들 부품을 이용한 광정렬방법을 개략적으로 설명하고, 자세한 설명은 후술하기로 한다.
첫째, 송수신 집적칩에 대해 설명한다. 레이저소자와 수신광소자를 집적하고 동시에 구동하면 상호 전기적인 간섭으로 인하여 칩의 특성이 크게 저하된다. 또한, 레이저빔의 모드크기가 작고 광섬유가 기울어 있으면 광결합효율이 낮아진다. 이를 해결하기 위한 방법으로 본 발명에서는 레이저소자 앞에 광모드변환기를 집적하여 광결합효율을 향상시킨다.
또한, 광모드변환기 위의 일부분에 모니터 광검출소자와 수신 광검출소자를 차례로 집적한다. 모니터 광검출소자는 레이저소자의 출력을 모니터하는 동시에 수신 광검출소자와 레이저빔 사이의 간섭을 줄이는 역할을 한다. 모니터 광검출소자 위에 집적된 수신 광검출소자는 표면의 입사창을 통하여 광섬유로부터의 수신광을 측정한다. 이러한 두 광검출소자들은 송수신 집적칩의 거울면에서 안쪽으로 배치되는데, 이로써 수동정렬시에 광검출소자들의 박막 두께에 의해 광섬유로부터의 수신광의 경로를 차단하는 요인을 배제할 수 있다.
둘째, 실리콘벤치에 대해 설명한다. 광섬유와 V자 홈에 의해 반사된 송신광은 수신 광검출소자로 입사하여 수신신호를 왜곡시킨다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 U자 홈과 V자 홈을 형성하고 그 사이에 반사방지벽을 형성하여 송신광의 반사를 억제한다.
셋째, 광섬유에 대해 설명한다. 기존의 광섬유는 끝이 일정한 기울기각을 가지도록 가공하였으며, 이 기울기각으로 인하여 광결합효율이 떨어지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 먼저, 원추형뿔 모양이 되도록 연마한 다음에 광섬유의 도파로를 포함한 좁은 영역에만 기울기각을 가지도록 제작한다. 이로써 광섬유에 의해 반사된 송신광이 광검출소자에 입사하는 것을 크게 줄일 수 있다.
아래에서는 위에서 간단하게 언급하였던 양방향 송수신모듈의 각 구성요소들과, 구성요소들을 수동정렬에 의해 광결합하는 방법에 대해 상세하게 살펴본다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 단면도이다. 이 양방향 송수신모듈은 송수신 집적칩(100)과 실리콘벤치(200) 및 광섬유(300)를 구비한다. 송수신 집적칩(100)은 레이저소자(110)와, 광모드변환기(120), 모니터 광검출소자(130), 및 수신 광검출소자(140)를 구비한다. 실리콘벤치(200)은 V자 홈(201)과, U자 홈(202), 반사차단벽(203), 및 솔더(solder) 금속 등을 구비한다. 광섬유(300)는 원추형부분(301)과 기울기각부분(303)으로 구분된다.
아래에서는, 상기한 송수신 집적칩(100)과 실리콘벤치(200) 및 광섬유(300)의 제작공정을 설명하고 각 구성소자들의 기능을 설명하며, 최종적으로 도 6의 양방향 송수신모듈을 위한 광정렬방법에 있어서 각 부품의 배치와 역할 및 핵심기능을 설명한다.
1. 송수신 집적칩의 제작.
도 1a는 송수신 집적칩(100)의 횡축 단면도로써, 이는 레이저다이오드(110)와, 광모드변환기(Spot Size Converter)(120), 모니터 광검출소자(Monitor Photodiode)(130), 및 수신 광검출소자(Detector Photodiode)(140)를 구비한다.
레이저다이오드(110)는 패브리페롯(Fabry Perot) 혹은 DFB(Distributed Feedback) 레이저로서, 활성층(111)이 광모드변환기(120)의 수직 변환형 도파로층(121)과 박막 성장에 의해 버트조인(Butt-Join) 결합된다. 광모드변환기(120)는 레이저빔의 모드크기를 크게 하는 기능을 한다. 광모드변환기(120) 위에 집적된 모니터 광검출소자(130)는 광모드변환기(120)를 통하여 도파되는 레이저빔의 일부를 검출하여 레이저빔의 출력을 모니터링한다. 레이저다이오드를 장기간 사용하면 레이저빔의 크기가 달라질 수 있는데, 모니터 광검출소자는 원하는 크기의 레이저빔을 얻기 위하여 레이저빔을 모니터링한 후 피드백함으로써 레이저빔을 제어한다. 수신 광검출소자(140)는 광섬유로부터의 수신광을 검출한다.
도 2a는 송수신 집적칩의 레이저다이오드를 도시한 단면도이고, 도 2b는 광모드변환기(120)의 단면도이다.
레이저다이오드(110)와 광모드변환기(120)의 집적은 일반적인 공정방법에 따른다. 즉, 기판 위에 레이저다이오드(110)를 제작하기 위한 박막층들을 순차적으로 성장하고, 광모드변환기(120)가 제작되는 부분은 레이저다이오드(110)의 활성층(111)까지 식각한다. 이때, 레이저다이오드(110)의 활성층은 벌크(Bulk) 또는 MQW 구조를 가진다.
다음, 광모드변환기(120)의 수직변환형 도파로층(121)을 형성한다. 즉, 산화실리콘 패턴을 형성하고 선택영역 성장방법에 의하여 1.1um의 InGaAsP를 성장한다. 이로써 위치에 따라 두께와 조성이 다른 도파로층(121)이 형성되어 레이저다이오드의 활성층(111)에 수평선상에서 결합된다.
다음, 광모드변환기(120)의 도파로층(121) 위에 p-InP층을 성장하고, 레이저다이오드 부분을 보호하던 산화실리콘박막을 제거한다. 다음, 전체 표면에 산화실리콘박막이나 질소화실리콘(SiNx)막을 증착하고, 1.5um의 폭을 가진 직선 패턴을 형성한 다음, n-InP 기판까지 오차가 적은 건식식각방법에 의해 식각하여 레이저빔의 도파로층를 형성한다.
일반적인 PBH(Planar Buried Heterostructure) 구조형성을 위한 공정에서처럼 두 번의 재성장방법에 의해, p-InP층(112)과, n-InP층(113), p-InP층(114), 및 p-InGaAs층(115)을 차례로 성장한다. 상기한 p-InP층(112)과 n-InP층(113)은 전류차단층으로 작용하고, p-InP층(114)은 클래드층이며, p-InGaAs층(115)은 금속접합층이다.
여기까지의 과정은 레이저다이오드와 수직형 광모드변환기의 집적에 관한 논문에서 일반적으로 사용되는 방법 중의 하나로서, K. Yokoyama 등이 "Design and Fabrication of High-Couoling Efficiency Spot-Size Converter Integrated Laser Diodes Using Three-Dimensional"의 제목으로 BPM Program J. Lightwave Technol., vol.16, NO.8, pp.1456-1463(1998)에 발표한 논문을 살펴보면 좀 더 자세한 내용을 알 수 있다.
일반적으로 레이저다이오드의 거울면에서 레이저의 모드크기는 약 2um 정도이다. 그러나, K. Yokoyama 논문에서 발표한 것처럼 300um 길이의 수직형 광모드 변환기가 집적된 경우에 거울면에서의 광 모드크기는 약 5.6um이다. 이와 같은 광 모드크기는 광섬유와의 광결합효율을 증가시키고, 정렬오차를 크게 향상시킨다.
본 발명에서 송수신 집적칩의 제작에 관한 본 발명의 핵심적 기술은, 레이저다이오드 앞에 광모드변환기를 집적하고, 그 위에 모니터 광검출소자와 수신 광검출소자를 차례로 집적하는 것에 있다. 본 발명에서의 상기한 핵심적 기술의 공정과정을 순서에 따라 설명하면 다음과 같다.
먼저, 레이저다이오드(110)와 광모드변환기(120)를 집적할 때 성장하였던 p-InP층(112), n-InP층(113), p-InP층(114) 등의 전류차단층의 성장 공정에서 p-InP층(114)을 3um 이상 두껍게 성장하여 광모드변환기(120)의 도파로층(121) 윗부분을 충분히 평탄화시킨 다음, p-InGaAs층(115)을 성장한다.
다음, 산화실리콘(SiO2) 마스크를 사용하여 레이저다이오드(110) 부분을 보호하고, 광모드변환기(120) 부분의 표면 p-InGaAs층(115)을 식각한다. p-InP층(114)의 일부를 약1.5um만 남기고 HCl:H3PO4, 황산용액(H2SO4용액)등의 습식 식각액을 사용하여 표면을 보다 더 평탄화시킨다. 여기서, 표면의 평탄화란 광모드변환기(120)에서 도파로층 위에 InP층의 성장과정에서 생긴 굴곡을 없애는 것을 말한다. 이러한 표면의 단차는 InP 위에 격자정합되는 광검출소자의 InGaAs박막층에 격자 부정합선을 형성하는 요인이 되므로 재성장과 식각의 방법에 의해 충분히 제거해야 한다.
다음, 최종 박막 성장과정에 의해 도 3의 모니터 광검출소자(130)를 제작하기 위하여, n-InP층(131)과, u-InGaAs층(132), 및 p-InP층(133)을 성장하고, 연속하여 p-InGaAs(134)와 수신 광검출소자를 제작하기 위한 p-InP층(141)과, u-InGaAs층(142), 및 n-InP층(143)을 차례로 성장한다.
일반적인 InP층과 InGaAs층을 위한 식각 공정방법에 의해 광검출소자 형성을 위하여 각 층을 선택적으로 식각한다. 즉, 건식 식각과 습식 식각방법을 사용하여 n-InP층(143)과, u-InGaAs층(142), 및 p-InP층(141)을 먼저 식각하고, 산화실리콘을 증착한 다음 모니터 광검출소자를 위한 패턴을 형성하여 산화실리콘막과 p-InGaAs층(134)과, p-InP층(133), 및 u-InGaAs층(132)을 차례로 식각한다.
다시, 그 위에 산화실리콘을 증착한 후, 포토리소그라피와 이온빔 증착방법에 의해 p,n형 접촉저항금속(Contact Ohmic Metal)을 증착하고, 도 1b 내지 도 3에 도시된 바와 같이 전극단자들(Electrode)(102, 103, 104, 105)을 형성한다.
광검출소자의 길이 방향에 대한 크기와 위치를 살펴보면, 도 1b에서와 같이 모니터 광검출소자(130)는 광모드변환기(120)의 거울면을 기준으로 50um 내지 170um의 거리에 위치하고, 폭은 60um이다. 그 위에 집적되는 수신 광검출소자(140)는 광모드변환기(120)의 거울면에서 중심이 130um 지점에 있고, 직경은 60um이다. 두 광검출소자들의 위치들은 실리콘벤치 위에 정렬될 때 광결합을 고려한 것이다.
또한, 도 1b 내지 도 3에서 101은 레이저다이오드의 음전극이고, 102는 레이저다이오드의 양전극이다. 103은 모니터 광검출소자(130)의 양전극이고, 104는 모니터 광검출소자(130)와 수신 광검출소자(140)의 음전극이고, 105는 수신 광검출소자(140)의 양전극이다.
상기와 같이 제작되는 송수신 집적칩의 크기는, 레이저다이오드 부분이 400um이고, 광모드변환기 부분이 300um이며, 폭은 400um로 제작한다. 송수신 집적칩을 절단할 때 각 집적칩의 경계면에 마커(Marker)를 표시하여, 정확한 길이로 절단이 가능하게 한다. 하나의 송수신 집적칩이 절단되면, 광모드변환기 부분의 거울면은 AR(Anti-reflection) 코팅을 하고, 레이저다이오드 부분의 거울면은 HR(Hard Reflection)코팅을 하여 집적칩의 출력특성을 향상시킨다.
도 2b에 도시된 광모드변환기(120)에서 p-InP층(122)의 두께는 앞에서 설명한 습식식각에 의해 결정된다. 또한, 그 위에 성장되는 n-InP층(131)의 두께에 의해 모니터 광검출소자(130)의 u-InGaAs(132)와 광모드변환기(120)의 도파로층(121) 사이의 최종 간격이 결정된다. 이 간격은 광모드변환기(120)에서 도파로층(121)을 지나 모드크기가 변화되는 데 영향을 주지 않으면서 또한 모니터 광검출소자(130)가 집적칩의 광출력 크기를 감시할 수 있을 정도의 광결합을 얻을 수 있는 크기이어야 한다.
일반적으로 이 간격은 광모드변환기(120)에 의해 얻고자 하는 모드크기를 고려하여 결정한다. 가우시안 빔이론에서 광출력 최대치의 e-2에 해당하는 빔반경 안에 들어오는 광출력이 약 86%이므로, 도 2b에서 p-InP층(122)과 n-InP층(131)의 두께는 빔 반경과 동일하거나 그 보다 큰 값을 가지도록 한다.
모니터 광검출소자(130)의 위치는 레이저다이오드(110)와 광모드변환기(120)의 경계면으로부터 130um에서 250um 지점에 위치하는데, 이 영역에서 도파되는 가우시안빔의 빔반경은 앞에서 언급한 K. Yokoyama의 논문의 도 7로부터 알 수 있듯이 거울면에서의 빔반경(Gaussian Beam Radios)과 같은 값인 약 2.8um 정도로 거의 일정하다. 즉, 집적된 수직형 광모드변환기(120) 내의 빔반경은 약 100um 정도에서 이미 충분히 확장되므로, 모니터 광검출소자(130)의 영역에서는 일정한 빔반경을 가진다. p-InP층(122)과 n-InP층(131)의 두께는 반복적인 실험을 통하여 광모드변환기(120)의 거울면에서의 광모드크기를 반영하여 조정함으로써 최적화될 수 있다.
모니터 광검출소자(130)는 레이저빔과 수신 광검출소자(140) 사이의 상호 간섭을 방지하는 기능을 한다. 모니터 광검출소자(130)와 수신 광검출소자(140) 사이에 성장된 p-InGaAs층(134)은 각 광검출소자들에서 입사광에 의해 생성된 전자-정공쌍이 확산에 의해 서로 다른 수신소자로 이동하는 것을 막고, 일부 각 소자에서 흡수되지 못한 수신광을 흡수하는 역할을 한다. 또한, 이 p-InGaAs층(134)은 p-InP층(133) 및 p-InP층(141)과 전극금속 사이에 p-저항접촉을 좋게 하는 역할을 한다. 이 p-InGaAs층(134)은 p-InP층(133)과 p-InP층(141)을 전자, 정공의 확산거리(diffusion length)보다 충분히 두껍게 성장한다면 없어도 무관하다.
상기와 같이 제작 완료된 송수신 집적칩에 전류 인가방법은 다음과 같다.
도 1a, 도 1b에서 레이저의 전류구동 및 변조를 위해서 레이저다이오드의 양전극(102)은 일정한 크기의 양의 전압, 예를 들면 +3V의 전압으로 일정하게 유지하고, 레이저다이오드의 음전극(101)에 0V에서 +3V 사이의 전압을 인가하여 레이저 광출력을 유도한다.
도 1b에서 모니터 광검출소자의 양전극(103)에 인가되는 전압은 레이저다이오드의 양전극(102)에 가해지는 것과 같은 전압인 +3V로 한다. 여기에 가해지는 전압은 도 3에 도시된 바와 같이 모니터 광검출소자(130)의 n-InP층(131)에 인가된다. 도 2b에서 n-InP층(131)과, p-InP층(122), 및 n-InP 기판은 npn 구조를 형성하므로 모니터 광검출소자의 양전극(103)과 레이저다이오드의 음전극(101) 사이에 전류차단층의 기능을 한다.
또한, 모니터 광검출소자의 양전극(103)에 +3V를 인가하고, 두 광검출소자들의 음전극(104)에 0V의 전압을 인가하면 모니터 광검출소자(130)에는 역방향 전압이 걸린다. 광모드변환기(120)를 지나 도파되는 광의 일부가 u-InGaAs층(132)에 광결합될 때 생성되는 광전류에 의해 레이저 출력을 측정하고, 이를 외부회로에 의해 다시 레이저다이오드에 역 입력하여 레이저 출력을 조절하게 된다.
두 광검출소자들의 음전극(104)에 인가된 0V의 전압은 p-InP층(133)과 p-InP층(141)에 동시에 인가되므로, 수신 광검출소자의 양전극(105)에 +3V의 전압을 인가하면 수신 광검출소자(140)에도 역방향 전압이 걸리게 된다. 따라서, 입사창(145)을 통해 변조된 수신광이 입사하면 광전류의 측정에 의해 수신신호를 검출할 수 있게 된다.
모니터 광검출소자(130)는 도파로를 지나 진행하는 광의 세기를 측정하므로, 도파로를 따라 직사각형 모양의 구조를 택하였고, 수신 광검출소자(140)는 수신되는 가우시안빔이 타원형이므로, 원형 혹은 타원형의 모양을 가지도록 한다. 이로써, 불필요한 정전용량을 줄일 수 있으며, 이로 인해 주파수반응(frequency response)특성을 좋게 하는 잇점도 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 모양은 앞에 설명한 광검출소자들의 본래 기능에 부합되는 범위 내에서 사각형이나 원형 또는 타원형으로 변형될 수 있다.
두 광검출소자(130, 140)들을 광모드변환기(120)의 거울면에서 안쪽에 배치하는 것은 중요한 의미가 있다. 즉, 도 6에서 광섬유(300)의 기울기각의 크기(도 5b의 304)는 굴절된 수신광이 송수신 집적칩(100)의 표면에 의해 차단되지 않을 정도 이상이어야 한다. 따라서, 송수신 집적칩(100)에서 레이저빔의 중심과 표면과의 간격은 광섬유와의 정렬시에 광섬유의 기울기각을 결정하는 중요한 요인중의 하나이다. 그러므로, 광검출소자들의 위치가 거울면에 근접해 있을 경우, 그 두께에 의해 광섬유의 기울기각을 크게하는 요인으로 작용한다. 따라서, 두 광검출소자들의 위치는 광정렬시에 송수신 집적칩의 거울면과 광섬유와의 정렬거리 및 광결합 계수 등을 고려하여 결정하여야 한다. 보다 자세한 내용은 광정렬에 관한 부분에서 설명하기로 한다.
2. 실리콘벤치(Si-Bench)의 제작.
송수신 집적칩(100)과 광섬유(300)의 광결합 정렬을 위한 실리콘벤치(200)의 제작방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 4c에 도시된 바와 같이 U자 홈(201)과 V자 홈(202)을 형성하는데, 사진현상, 질소화실리콘(SiNx) 증착(Deposition), 습식식각의 공정에 의해 형성한다. 습식식각은 수산화칼륨(KOH) 용액을 사용한다.
도 4a를 참조하면, PECVD에 의한 질소화실리콘(SiNx) 박막 증착, 사진현상 및 진화실리콘(SiNx) 식각, 수산화칼륨 용액(KOH Solution)에 의한 식각 과정에 의해 U자 홈(201)을 형성한다. 다음, V자 홈 패턴을 형성하기 위하여 질소화실리콘(SiNx) 박막을 증착하고, 사진현상 및 질소화실리콘(SiNx) 식각과정을 거친다.
도 4b를 참조하면 V자 홈(202)의 폭은 식각에 의한 패턴의 넓어짐, 금(Au) 스탠드오프(stand-off)(206, 208)의 두께, 송수신 집적칩의 윗면과 송신빔의 모드중심간의 거리를 모두 고려하여, 수동 정렬시에 송수신 집적칩의 광축과 광섬유의 축이 일치하도록 결정된다.
이렇게 결정된 V자 홈 식각을 위한 패턴폭이 140um이라면, U자 홈(201)과 V자 홈(202)의 패턴폭은 같게 하고, 식각 시간은 다르게 한다. 즉, 에칭속도가 1um/min인 조건에서 약 25분간 수산화칼륨(KOH)용액에 식각하면 도 4a에 도시된 바와 같이 단면 모양이 U자형이 된다. 다시, V자 홈(202)를 위한 패턴을 U자 홈(201)의 한쪽 끝에 중복되도록 형성하고, 식각하면 도 4b에 도시된 바와 같은 단면모양의 V자 홈(202)이 생성된다.
여기서 본 발명의 핵심은 U자 홈(201)과 V자 홈(202)의 연속 형성에 의해 도 4b와 같은 단면을 가진 실리콘벤치(200)를 제작하는 방법과, 이 실리콘벤치의 역할에 있다.
도 4c를 참조하면, 203은 도 6에 도시된 바와 같이 송수신 집적칩(100)과 광섬유(300)의 정렬시에 송신광이 광섬유(300)나 V자 홈(202)에 반사되어, 송수신 집적칩(100)의 광검출소자들 쪽으로 향하는 반사빔의 일부를 차단하는 반사차단벽이다.
또한, U자 홈(201)의 바닥부분과 벽면에 전자빔 증착방법에 의해 입혀진 금(Au)증착막(204)은, 광섬유(300)로부터 입사하는 수신광이 반사되어 수신 광검출소자(140)의 수광부(145)로 입사하도록 한다.
도 4c에서 205는 송수신 집적칩(100)의 플립칩 본딩을 위한 솔더범프(solder bump)이다. 206, 208은 스탠드오프(stand-off)로써 실리콘벤치(200)의 표면에서 송수신 집적칩(100)의 표면 거리를 결정하고, 송수신 집적칩(100)의 본딩패드와 실리콘벤치(200)의 본딩패드를 잇는 역할을 한다.
이와 관련된 보다 자세한 내용이나, U자 홈이나 V자 홈을 형성하기 위한 패턴 및 식각조건 등은 "S.H. Lee" 등이 "Design and Fabrication of Silicon Optical Bench for Passive-Aligned Optical Packaging" 의 제목으로 "J. the Korean Physical Society, Vol. 33, pp. S444 ~ S449, 1998"에 발표한 논문을 참조하면 보다 자세한 내용을 알 수 있다.
3. 광섬유의 제작.
본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 기울기각을 가진 한 가닥의 광섬유(300)를 이용하여 송신광과 수신광이 동시에 송수신되도록 한다. 광섬유(300)의 기울기각은 스넬(Snell)의 굴절법칙에 의해 수신 광검출소자와 수신신호의 광결합을 유도하는 중요한 역할을 한다.
버트결합(Butt-coupling)에서 레이저광의 일부는 광섬유(300)에 광결합되어 전송되지만, 상당부분은 손실된다. 거울면에서 나오는 레이저 가우시안빔은 진행하면서 퍼져 나가는 성질을 가지고 있다. 따라서, 적은 기울기각을 가진 광섬유 면에서 반사된 송신광은 반사되어 수신 광검출소자로 입사되는 바, 이는 송수신신호 간의 간섭으로 작용한다. 이때, 반사되는 비율이 적더라도 송신광의 세기가 수신광의 세기에 비해 아주 크므로 무시할 수 없는 양이다.
앞서 설명한 실리콘벤치의 제작에서도 이러한 현상을 줄이기 위한 방법을 고안하였지만, 본 발명에서는 광섬유의 특별한 제작방법이 사용된다.
본 발명에서는 광섬유 끝의 전부를 광축에 대하여 단순히 일정한 각을 가진 면으로 가공하지 않고, 도 5a에 도시된 바와 같이 송수신 집적칩과 대면한 단부를 경사절두원추형으로 가공한다. 즉, 끝부분이 경사지게 절단된 원추형으로 가공한다. 가공방법은 광섬유 연마용 판 위에 일정한 각도로 광섬유 축을 고정한 상태에서 광섬유를 광섬유 축에 관해 일정속도로 회전하면서, 동시에 연마용 판도 회전하여 광섬유 끝을 연필처럼 뽀족하게 연마한다. 이때 광축에 대한 연마면 즉, 원추형부분(301)의 경사각(302)은 45도 보다 작게 한다.
그 다음 도 5b에 도시된 바와 같이 광섬유의 도파로(core)부분만 일정한 기울기각을 가지도록 연마한다. 역시 연마용 판 위에 원추형 광섬유 끝이 광정렬을 위한 특정각이 되도록 고정하고 연마용 판을 회전하여 광섬유의 도파로 끝부분만 일정각을 가진 면이 되도록 연마하여, 도 5c에 도시된 바와 같은 최종 모양이 되도록 한다. 이때, 기울기각의 방향을 광섬유 피복층에 펜으로 표시하여 광정렬시 참고가 되도록 한다.
도 5b에서 단일 모드 광섬유의 직경이 9um인 경우, 기울기각을 가진 연마면 즉, 기울기각부분(303)의 광축에 대한 수직방향 직경은 약 10um~20um로 한다. 제작 후의 원추형부분의 경사각(302)과, 기울기각부분(303)의 중심과 광섬유 도파로의 일치 여부, 및 직경은 고 배율 광학 현미경을 이용한 근접모드(Near Field) 측정과 사진촬영에 의해 확인한다.
또한 기울기각부분(303)의 광섬유 축에 대한 각 크기(304)는 광섬유에서 나오는 수신광이 굴절되어 도 6에서와 같이 수신 광검출소자에 입사되도록 한다. 이 각은 도파되는 수신광의 파장과 광섬유 굴절률, 광정렬시 송수신 집적칩의 레이저빔 중심과 표면 간격 등에 의해 결정되어야 한다.
도 6에서 레이저빔축과 광섬유축이 일치하고 송수신 집적칩에서 도파로에서 표면까지의 두께가 약 3um인 경우를 가정하면, 집적칩 거울면과 광섬유 끝의 거리가 70um일 때 공기 상태에서 수신빔의 중심이 집적칩 거울면 도파로에서 약 6um 아래 지점을 지나 수동 광검출소자를 향하도록 하기 위한 광섬유 기울기각부분(303)의 크기는 약 10도 이다. 이 각의 크기는 당연히 집적칩 거울면과 광섬유간의 거리가 클수록 작아진다. 그러나, 레이저다이오드와 광섬유의 광결합 효율이 동시에 고려되어야 하므로 이에 관한 추가적인 설명은 광정렬 부분에서 설명한다.
4. 송수신모듈의 광정렬방법.
본 발명에서는 광섬유에 기울기각을 형성하여 광결합효율의 현저한 저하를 보상하면서, 동시에 송수신되는 광 및 레이저 출력의 모니터링이 가능한 양방향 송수신모듈을 제작한다. 또한, 광섬유에 의해 반사된 송신광이 수신 광검출소자에 입사하는 것을 최대한 억제하기 위하여 광섬유와 실리콘벤치를 제작한다.
여기서는, 앞에서 설명한 송수신 집적칩, 실리콘벤치, 광섬유 등 구성요소들의 정렬방법과 그 기능에 대해 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이 송수신 집적칩(100)을 실리콘벤치(200) 위에 플립칩 본딩하고, 끝에 기울기각을 가진 광섬유(300)와 수동정렬에 의해 광결합한다. 송수신 집적칩(100)의 광모드변환기(120)의 거울면에서 나온 송신광은 광섬유(300)에 결합되고, 광섬유(300)로부터의 수신광은 기울기각(303)에 의해 굴절되어 U자 홈(201)의 경사진 벽면에서 반사되어 수신 광검출소자로 입사한다.
U자 홈(201)의 경사면은 표면에 대해 54.74도 기울어져 있고, 산화실리콘과 금(Au)증착막(204)으로 덮여있기 때문에 수신빔을 효율적으로 반사한다.
도 6에서 효율적인 광결합을 위한 각 구성요소들의 위치를 예를 들어 설명하면, 송수신 집적칩의 전체 길이는 700um이고, 이중에서 레이저다이오드의 패브리페롯 길이가 400um, 광모드변환기의 부분이 300um이다. 또한, 모니터 광검출소자는 광모드변환기의 거울면으로부터 50um에서부터 160um에 걸쳐 70um의 폭을 가지고 위치하며, 수신 광검출소자는 중심위치가 거울면을 기준으로 130um에 위치하고 직경이 60um이다. 그리고, 실리콘벤치(200)의 U자홈(201)의 길이가 160um가 되도록 제작하고, 정렬 마크에 의해 플립칩 본딩시에 도 6에 도시된 바와 같이 수신 광검출소자의 끝부분이 U자 홈(201)의 한쪽 끝에 일치되도록 한다.
또한, 앞에서 설명한 실리콘벤치(200)의 제작방법에 의해 반사차단벽(203)의 꼭지점과 송수신 집적칩의 표면까지의 간격이 약 20um±5um가 되도록 한다. 이것은 코어 직경이 9um인 단일 모드 광섬유에서 나온 가우시안빔이 70um진행했을 때 빔의 크기가 약 15um 정도임을 고려한 것이다. 즉, 광섬유와의 정렬거리를 70um로 했을 때 수신출력을 보장하는 범위 내에서 불필요한 반사광이 수신 광검출소자로 입사하는 것을 최대한 억제하기 위한 것이다.
송수신 집적칩(100)의 레이저다이오드(110)와 광섬유(300)의 축이 일치할 때, 광섬유(300) 끝의 기울기각부분의 각 크기(304)는 광섬유(300)와 송수신 집적칩(100)과의 거리 및 송수신 칩적칩(100)의 거울면에서 도파로층(121)과 표면까지의 간격에 의해 결정된다.
송수신 집적칩(100)의 거울면에서 도파로층(121)와 표면까지의 간격이 3um이고, 광섬유(300)와 송수신 집적칩(100)의 광결합거리가 70um일 때, 수신빔의 중심이 송수신 집적칩(100) 거울면의 도파로에서 6um 지점을 지나게 하는 광섬유(300)의 기울기각부분의 각 크기(304)는 약 10도이다. 같은 조건하에서 이 각은 광섬유(300)로부터의 수신 가우시안빔의 60% 이상이 송수신 집적칩의 거울면 아래를 지나도록 보장한다.
따라서, 광결합 거리 70um, 코어직경이 9um인 광섬유(300) 끝의 기울기각부분의 각 크기(304)가 10도, 광모드변환기(120)에 의해 변환된 광모드의 반경 크기가 수직, 수평모두 2.8um인 경우 예상되는 송신광의 광결합 효율은 약 13%이다. 광결합 거리 즉, 광섬유와 거울면의 거리가 70um보다 가까울 경우는 수신광 경로를 보장하기 위해 필요로 하는 기울기각이 커야 하므로 오히려 광결합 효율이 낮아진다. 그리고, 정렬거리가 큰 경우에는 거리에 의해 결합효율이 저하된다. 따라서, 수신광 경로를 위한 기울기각과 거리에 따른 광결합 효율의 변화를 동시에 고려하여 광정렬거리를 결정한다.
광결합효율과 정렬오차는 광모드변환기(120)에 의해 변환되는 모드크기가 커질수록 증가한다.
이와 관련된 계산은 J.I.Sakai가 "Design of a Miniature Lens for Semiconductor Laser to Single-Mode Fiber Coupling" 의 제목으로 J. Quantum Electron. Vol.QE-16,No.10, 1980, pp 1059~1066. 에 발표한 논문을 참조하면 자세한 내용을 알 수 있다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 양방향 송수신모듈은, 충분한 광결합효율을 보장하고, 송수신신호 사이의 상호 간섭에 의한 크로스토크(Cross-Talk)을 줄일 수 있으며, 이로써 안정적이고 신뢰성있는 저가의 모듈 제작이 가능해진다. 따라서, 본 발명을 적용할 경우 단일 파장 또는 1.3um/1.55um 파장대를 사용한 양방향 송수신이 가능한 저가의 광가입자망의 구축이 가능해지는 효과가 있다.
Claims (21)
- 광섬유로 송신광을 출사하고 광섬유로부터 입사되는 수신광을 검출하기 위해 실리콘벤치에 수동정렬되는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 송수신 집적칩에 있어서,상기 송신광을 방출하는 레이저광원과;상기 레이저광원의 앞에 집적되어 상기 레이저광원에서 방출되는 송신광의 모드크기를 변환하여 상기 광섬유로 출사하는 광모드변환수단;상기 광섬유를 통해 입사되는 수신광을 검출하는 수신 광검출수단; 및상기 광모드변환수단과 수신 광검출수단 사이에 집적되어, 상기 광모드변환수단을 통해 도파되는 송신광의 일부를 흡수하여 송신광을 모니터링하면서, 상기 수신 광검출수단으로 진행하는 송신광을 차단하여 송수신광 사이의 광학적 상호 작용에 의한 잡음을 억제하도록 하는 모니터 광검출수단을 포함한 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송수신 집적칩은 기판으로부터 n-p-n-p-n층 구조로 형성되어, 송수신광 사이의 전기적 상호 작용에 의한 잡음을 억제하도록 하는 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 레이저광원의 활성층은 상기 광모드변환수단의 도파로층과 버트결합(butt-join)되는 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송수신 집적칩은 수신 광검출수단이 아래를 향하는 상태에서 상기 실리콘벤치에 플립칩 본딩되는 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 수신 광검출수단은 광모드변환수단의 거울면에서 안쪽에 배치된 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 모니터 광검출수단과 수신 광검출수단은 광모드변환수단의 중간지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 모니터 광검출수단과 상기 수신 광검출수단 사이에 전자-정공 확장방지층 및 광흡수층을 삽입하여, 상기 두 광검출수단들 사이에 광의 이동을 차단하도록 하는 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 레이저광원의 거울면은 HR(Hard Reflection) 코팅하고, 상기 광모드변환수단의 거울면은 AR(Anti-Reflection) 코팅하는 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩.
- 송수신 집적칩의 레이저광원에서 방출되는 송신광은 광섬유에서 광결합되고, 광섬유를 통해 입사되는 수신광은 실리콘벤치에서 반사되어 상기 송수신 집적칩으로 입사되도록, 상기 송수신 집적칩과 광섬유가 상기 실리콘벤치에 수동정렬된 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈에 있어서,상기 송수신 집적칩은, 상기 레이저광원의 앞에 집적되어 상기 레이저광원에서 방출되는 송신광의 모드크기를 변환하여 상기 광섬유로 출사하는 광모드변환수단과;상기 광섬유를 통해 입사되는 수신광을 검출하는 수신 광검출수단; 및상기 광모드변환수단과 수신 광검출수단 사이에 집적되어, 상기 광모드변환수단을 통해 도파되는 송신광의 일부를 흡수하여 송신광을 모니터링하면서, 상기 수신 광검출수단으로 진행하는 송신광을 차단하여 송수신광 사이의 광학적 상호 작용에 의한 잡음을 억제하도록 하는 모니터 광검출수단을 포함한 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈.
- 제 9 항에 있어서, 상기 실리콘벤치는, 기판에 형성되어 상기 수신광을 상기 수신 광검출수단에게 반사하는 U자 홈과,상기 U자 홈의 한쪽 끝부분의 상기 기판에 중복 형성된 V자 홈, 및상기 U자 홈과 V자 홈 사이에 형성되어 상기 광섬유나 V자 홈에서 반사된 송신광을 차단하는 반사차단벽을 포함한 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈.
- 제 10 항에 있어서, 상기 U자 홈의 수신광 반사면에 금 증착막이 형성된 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈.
- 제 9 항에 있어서, 상기 광섬유는, 상기 송수신 집적칩과 대면한 단부가 경사절두원추형으로 형성되어, 상기 광섬유의 코어부분만 기울기각을 가지는 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈.
- 제 12 항에 있어서, 상기 광섬유의 기울기각은 레이저광원과 광섬유 사이의 거리에 반비례하는 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈.
- 광섬유로 송신광을 출사하고 광섬유로부터 입사되는 수신광을 검출하기 위해 실리콘벤치에 수동정렬되는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 송수신 집적칩 제작방법에 있어서,기판 위에 상기 송신광을 방출하는 레이저다이오드를 성장하는 제 1 단계와,상기 레이저다이오드의 앞에 상기 레이저다이오드에서 방출된 송신광을 크기모드 변환하는 수직 광모드변환기를 집적하는 제 2 단계,상기 광모드변환기 부분의 표면을 평탄화하는 제 3 단계,표면이 평탄화된 상기 광모드변환기 위에 상기 송신광의 일부를 흡수하여 상기 송신광을 모니터링하면서 송수신광 사이의 광학적 상호 작용에 의한 잡음을 억제하도록 하는 모니터 광검출기와 광섬유를 통해 입사되는 수신광을 검출하는 수신 광검출기를 순차적으로 집적하여 송수신 집적칩을 제작하는 제 4 단계, 및상기 송수신 집적칩을 실리콘벤치에 플립칩 본딩하는 제 5 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩 제작방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 제 3 단계는,레이저다이오드 부분에 산화실리콘 마스크를 증착하고, 습식식각액을 사용하여 상기 광모드변환기 부분을 표면 평탄화하는 단계인 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩 제작방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 제 4 단계는,상기 모니터 광검출소자를 제작하기 위한 제1n-InP층과, 제1u-InGaAs층, 제1p-InP층을 순차적으로 성장하는 제 1 소단계와,그 위에 상기 수신 광검출소자를 제작하기 위한 제2p-InP층과, 제2u-InGaAs층, 및 제2n-InP층을 차례로 성장하는 제 2 소단계,상기 제2n-InP층과, 제2u-InGaAs층, 및 제2p-InP층을 식각하여 상기 수신 광검출소자를 제작하는 제 3 소단계,그 위에 산화실리콘을 증착한 후 모니터 광검출소자를 위한 패턴을 형성하는 제 4 소단계,상기 산화실리콘과, 제1p-InP층, 제1u-InGaAs층을 차례로 식각하는 제 5 소단계, 및그 위에 전극단자들을 형성하는 제 6 소단계를 포함한 것을 특징으로 하는 송수신 집적칩 제작방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 모니터 광검출소자의 제1p-InP층과 상기 수신 광검출소자의 제2p-InP층 사이에 전자-정공 확산방지 및 광흡수층을 더 포함하여, 상기 두 광검출소자들 사이에 광의 이동을 차단하도록 하는 특징으로 하는 송수신 집적칩 제작방법.
- 송수신 집적칩의 레이저광원에서 방출되는 송신광은 광섬유에서 광결합되고, 광섬유를 통해 입사되는 수신광은 실리콘벤치에서 반사되어 상기 송수신 집적칩으로 입사되도록, 상기 송수신 집적칩과 광섬유가 상기 실리콘벤치에 수동정렬된 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 제작방법에 있어서,송수신 집적칩 제작방법은, 기판 위에 레이저다이오드와 상기 레이저다이오드의 앞에 상기 레이저다이오드에서 방출된 송신광을 크기모드 변환하는 수직 광모드변환기를 집적하는 제 1 단계와,상기 광모드변환기 부분의 표면을 평탄화하는 제 2 단계,표면이 평탄화된 상기 광모드변환기 위에 모니터 광검출기와 수신 광검출기를 순차적으로 집적하여 송수신 집적칩을 제작하는 제 3 단계,상기 송수신 집적칩을 실리콘벤치에 플립칩 본딩하는 제 4 단계, 및송수신광 사이의 상호 간섭을 억제하는 광섬유를 상기 송수신 집적칩과 대면하게 광정렬하는 제 5 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 제작방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 제 3 단계는,상기 모니터 광검출소자를 제작하기 위한 제1n-InP층과, 제1u-InGaAs층, 제1p-InP층을 순차적으로 성장하는 제 1 소단계와,그 위에 상기 수신 광검출소자를 제작하기 위한 제2p-InP층과, 제2u-InGaAs층, 및 제2n-InP층을 차례로 성장하는 제 2 소단계,상기 제2n-InP층과, 제2u-InGaAs층, 및 제2p-InP층을 식각하여 상기 수신 광검출소자를 제작하는 제 3 소단계,그 위에 산화실리콘을 증착한 후 모니터 광검출소자를 위한 패턴을 형성하는 제 4 소단계,상기 산화실리콘과, 제1p-InP층, 제1u-InGaAs층을 차례로 식각하는 제 5 소단계, 및그 위에 전극단자들을 형성하는 제 6 소단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 제작방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 제 4 단계의 실리콘벤치 제작방법은,기판에 질소화실리콘 박막 증착과, 사진 현상, 및 질소화실리콘 박막 식각 등의 과정들을 수행하여 U자 홈을 형성하는 제 1 소단계와,상기 U자 홈의 한쪽 끝에서 질소화실리콘 박막 증착과 사진 현상, 및 질소화실리콘 박막 식각 등의 과정들을 수행하여 V자 홈을 형성함으로써 U자 홈과 V자 홈 사이에 송신광의 반사를 차단하는 반사차단벽을 형성하는 제 2 소단계, 및상기 U자 홈의 수신광 반사벽에 금 증착막을 입히는 제 3 소단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 제작방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 제 5 단계의 광섬유는 송수신 집적칩과 대면한 단부가 경사절두원추형으로 형성된 것을 특징으로 하는 광가입자망을 위한 양방향 송수신모듈의 제작방법.
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