KR20040062328A - 광모듈의 정렬 및 고정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 광모듈의 정렬 및 고정 방법에 있어서, 렌즈계를 안착시키기 위한 홈을 상기 서브마운트 상에 형성하는 제1 과정과, 상기 홈으로부터 기결정된 거리만큼 이격된 위치에 반도체 레이저를 서브마운트의 상에 고정시키는 제2 과정과, 상기 홈의 기저면에 자외선 경화제를 1차 도포한 후, 그 위에 상기 렌즈계를 안착시키는 제3 과정과, 상기 홈과 상기 렌즈계의 연결 부분에 열경화성 에폭시 수지를 2차 도포하는 제4 과정을 포함한다.

Description

광모듈의 정렬 및 고정 방법 {METHOD FOR ALIGNING AND FIXING OPTICAL MODULE}

본 발명은 광모듈에 관한 것으로서, 특히 렌즈계와 반도체 레이저를 실리카재질의 기판상에 집적한 광모듈의 정렬 및 고정 방법에 관한 것이다.

광통신 시스템에 있어서, 일반적인 광송신용 광모듈은 반도체 레이저와, 다수의 광학 소자와, 상기 반도체 레이저에서 출력된 광원을 전송하기 위한 광섬유 또는 페롤을 포함한다.

광섬유를 사용한 광통신망은 사용 파장의 분산 현상으로 인한 광신호의 퍼짐 현상과, 광섬유 재질 자체의 굴절률 등의 광신호 전파 매질 자체에 기인한 재료 분산 등의 현상으로 인하여 광신호의 장거리 전송시 그 손실이 과다하게 커지게 된다.

상술한 바와 같은 단점들을 극복하기 위한 방법중, 광통신용 광원으로 사용되는 광모듈의 내에 이러한 광신호를 집광할 수 있는 렌즈계를 실장함으로써, 광섬유와 반도체 레이저간 커플링 효율을 향상시키는 방법과, 반도체 레이저에서 출력된 광신호가 입사되는 광섬유의 입사면을 사각으로 절단함으로써, 그 집광 효율을 향상시키는 방법 등이 사용되고 있다.

특히, 렌즈계를 실장한 광모듈의 광축 정렬 방법에는 비구면 렌즈계 또는 그린(GRIN) 렌즈계를 그 상면에 금(Au) 코팅된 실리카 재질의 기판상에 레이저 웰딩(Laser welding) 또는 솔더(Solder)를 사용하여 렌즈를 능동 정렬하는 방법 등이 사용되고 있다.

상술한 광축 정렬의 오차 범위는 광모듈의 전송 속도와 무관하게 최적의 광결합 위치로부터 대략 1㎛이내로 제한되고 있다. 제한된 오차 범위 내에서 광축을 정렬하는 방법에는 능동 정렬 방법과 수동 정렬 방법이 있다. 상기 능동 정렬 방법은 광모듈이 작동하고 있는 상태에서 광축을 정렬하는 방법으로서, 상기 능동 정렬 방법은 정밀도가 높은 반면에, 공정이 복잡해져 시간과 비용 손실이 증대되는 문제점이 있다.

도 1은 종래의 광모듈의 구성을 나타내는 측면도이다. 도 1을 참조하여 종래의 광모듈의 광축 정렬 방법을 설명한다. 종래의 광모듈의 광축 정렬 방법은 서브마운트(Submount,130) 상에 상기 반도체 레이저(111)를 고정시키는 제1 과정과, 렌즈계를 상기 서브마운트(130)상에 광축 정렬시키는 제2 과정과, 상기 렌즈계(122)를 상기 서브마운트(130)상에 레이저 웰딩에 의하여 고정시키는 제3 과정으로 이루어진다.

상기 제1 과정은 상기 반도체 레이저(111)를 상기 서브마운트(130)상에 위치된 유전체 재질의 받침대(112) 상면에 플립 칩 본드(Flip Chip Bond) 방법으로 상기 반도체 레이저(111)를 접합시키는 과정이다. 상기 반도체 레이저(111)로부터 출력된 광의 진행 방향을 z축으로 정의하며, 이후 상기 광모듈을 구성하는 광학 소자간 광축 정렬의 기준으로한다.

상기 제2 과정은 상기 광모듈을 구성하는 반도체 레이저(111)를 기준으로, 상기 서브마운트(130) 상에 상기 렌즈계(120)를 광축 정렬시키기 위한 과정이다. 상기 렌즈계(120)는 렌즈(122)와, 상기 렌즈(122)를 실장하는 금속 하우징(121)으로 구성된다.

상기 제3 과정은 상기 서브마운트(130)와 상기 렌즈계(122)의 사이에 삽입된 금속 재질의 레이저 웰더(123)를 용접용 야그(YAG) 등의 레이저빔으로 조사함으로써, 용융 접합시키는 과정이다.

그러나, 레이저 웰딩에 의한 접합 과정은 광축 정렬시 상기 광모듈을 작동시킨 상태에서 광축을 정렬하는 능동 정렬 방법은 광축 정렬의 정밀도는 향상되는 반면에 광축 정렬 과정에 소요되는 공정 시간 및 생산비가 증대되는 문제가 있다.

도 2는 종래 기술에 의해 수동 정렬된 광모듈 측면을 나타낸다. 수동 정렬에 의한 상기 광모듈의 광축정렬 방법은 상기 서브마운트(200) 상에 홈(V-Groove)을 형성하는 제1 과정과, 반도체 레이저(210)를 플립 칩 본딩 방법에 의해 상기 서브마운트(200)에 접합시키는 제2 과정과, 상기 홈에 상기 렌즈계(230)를 안착시킨 후, 접착제를 도포하여 고정시키는 제3 과정으로 이루어진다.

상기 제1 과정은 상기 서브마운트(200) 상에 상기 렌즈계(230)를 안착시키기 위한 홈을 형성하는 과정으로써, 상기 홈은 다이싱(Dicing)이나, 에칭(Etching) 방법에 의해 형성되며, 브이 그루부(V-Groove) 등과 같은 다양한 형태로 성형 가능하다.

상기 제2 과정은 반도체 레이저(210)를 상기 서브마운트(200) 상에 고정시키는 과정으로써, 상기 반도체 레이저(210)를 플립칩 본딩 방법에 의해 상기 서브마운트(200) 상에 고정시킨다. 상기 반도체 레이저(210)는 상기 반도체 레이저(210)의 발광면이 상기 렌즈계(230)의 초점 거리만큼 이격될 수 있도록 위치를 설정한다.

상기 제3 과정은 상기 반도체 레이저(210)에서 출력된 광이 상기 렌즈계(230)의 중심을 통과할 수 있도록 상기 홈에 상기 렌즈계(230)를 안착시킨후, 접착제를 도포하여 고정하는 과정이다.

상술한 바와 같은 서브마운트상에 홈을 형성한 후 렌즈계를 고정시키는 광모듈의 광축 정렬 방법은 상기 렌즈계의 광축 정렬이 용이하며, 원가 절감 및 조립 시간 단축으로 인한 생산성이 향상되는 이점이 있다. 그러나, 렌즈계에 외부의 압력이 가해질 경우, 렌즈계의 광축이 틀어지는 문제가 있다. 즉, 렌즈의 하단부에 외부 압력이 가해지면, 렌즈계는 그 광축이 좌우 또는 상하로 흔들림으로써, 그 광축이 틀어지는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 광축 정렬 및 고정이 용이하고, 외부 영향으로 인한 광축의 틀어짐 현상을 방지할 수 있는 광모듈의 광축 정렬 및 고정 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광모듈의 정렬 및 고정 방법은,

렌즈계를 안착시키기 위한 홈을 상기 서브마운트 상에 형성하는 제1 과정과;

상기 홈으로부터 기결정된 거리만큼 이격된 위치에 반도체 레이저를 서브마운트의 상에 고정시키는 제2 과정과;

상기 홈의 기저면에 자외선 경화제를 1차 도포한 후, 그 위에 상기 렌즈계를 안착시키는 제3 과정과;

상기 홈과 상기 렌즈계의 연결 부분에 열경화성 에폭시 수지를 2차 도포하는제4 과정을 포함한다.

도 1은 종래 기술에 의한 광모듈의 측면을 나타내는 측면도,

도 2는 종래 기술에 의한 광모듈의 측면을 나타내는 측면도,

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 광모듈의 정렬 방법을 나타내는 평면도,

도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 광모듈의 구성을 나타내는 측면도,

도 5는 본 발명에 의한 광모듈에 대한 진동 및 물리적인 충격 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명에 의한 광모듈에 대한 고온에서의 작동 신뢰성을 테스트한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명에 의한 광모듈의 열충격 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 광모듈의 정렬 방법에 따른 광모듈의 단계별 구성 상태를 나타내는 평면도이고, 도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 광모듈의 광축 정렬 방법에 따른 광모듈의 단계별 구성 상태를 나타내는 측면도이다.

본 발명에 따른 광모듈의 정렬 및 고정 방법은 상기 렌즈계를 안착시키기 위한 홈을 상기 서브마운트 상에 형성하는 제1 과정과, 상기 홈으로부터 기결정된 거리만큼 이격된 위치에 반도체 레이저를 서브마운트의 상에 고정시키는 제2 과정, 상기 홈의 기저면에 자외선 경화제를 1차 도포한 후, 그 위에 상기 렌즈계를 안착시키는 제3 과정과, 상기 홈과 상기 렌즈계의 연결 부분에 열경화성 에폭시 수지를 2차 도포하는 제4 과정을 포함한다.

도 3a를 참조하면, 상기 제1 과정은 상기 반도체 레이저(320)로부터 기결정된 거리만큼 이격된 위치에 상기 렌즈계(340)를 안착시키기 위한 홈(310)을 상기 서브마운트(300) 상에 형성하는 과정으로써, 상기 홈(310)은 다이싱(Dicing)이나, 에칭(Etching) 방법에 의해 형성되며, 브이 그루부(V-Groove) 등과 같은 다양한 형태로 성형 가능하다. 상기 서브마운트(300)는 SiOB 재질을 사용한다. 상기 홈(310)은 상기 렌즈계(320)의 중심에 상기 광이 입사할 수 있도록 에칭 및 다이싱에 의해 홈의 폭과 높이를 조절한다. 즉, 상기 제2 과정은 상기 홈(310)에 안착될 상기 렌즈계(340)의 중심으로 상기 광이 통과할 수 있도록 상기 홈(310)의 깊이와 폭을 형성하는 과정이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 제2 과정은 상기 홈(310)으로부터 기결정된 거리만큼 이격된 위치에 상기 반도체 레이저(320)를 상기 서브마운트(300)의 상에 고정시키는 과정으로써, 상기 반도체 레이저(320)를 플립칩 본딩 방법에 의해 상기 서브마운트(300) 상에 고정시킨다. 상기 반도체 레이저(320)는 상기 반도체 레이저(320)의 발광면이 상기 렌즈계(340)의 초점 거리만큼 이격될 수 있도록 위치를 설정한다. 플립칩 본딩 방법은 접합하고자 하는 상기 반도체 레이저(320) 형상의 패드를 상기 서브마운트(300) 상에 부착한 후 상기 반도체 레이저(320)를 상기 패드(미도시)의 반도체 레이저 형상부에 위치시켜 고온에서 용융 접합하는 방법으로써, 상기 패드의 고온 용융시 표면 장력의 발생으로 인해 부가적인 조정을 하지 않고도 수평 정렬 오차가 크게 감소된다. 상기 반도체 레이저(320)에서 출력된 광의 진행 방향을 z축으로 정의하며, 상기 반도체 레이저의 높이 방향을 y축, 폭 방향을 x축으로 정의하며, 광축 정렬시 기준으로 한다. 또한, 상기 반도체 레이저(320)의 일측에 포토 다이오드(330)를 정렬함으로써, 상기 반도체 레이저(320)에서 출력되는 광의 세기를 모니터링한다.

도 3b 및 도 4a를 참조하면, 상기 제3 과정은 상기 홈(310)의 기저면에 자외선 경화제(350)를 1차 도포한 후, 그 위에 상기 렌즈계(340)를 안착시키는 과정으로써, 상기 렌즈계(340)의 중심으로 상기 반도체 레이저(320)에서 출력된 광이 통과할 수 있도록 미세 조정하며, 상기 홈(310)에 상기 렌즈계(340)를 1차 접합시키는 과정이다. 즉, 상기 제3 과정은 상기 홈(310)의 기저면에 자외선 경화제(350)를 1 차 도포한 후, 그 위에 상기 렌즈계(340)를 안착시키기 위한 과정이다.

상기 렌즈계(340)로는 볼 렌즈(Ball lens), 비구면 렌즈(Aspherical lens) 또는 그린 렌즈(Grin lens) 등과 같은 다양한 렌즈들이 사용 가능하다.

상기 반도체 레이저(320)에서 출력된 광의 진행 방향을 광축인 z축, 상기 서브마운트(300)의 표면으로부터 상기 z과 수직한 방향을 y축, 상기 z축과 y축에 수직하게 교차하는 축을 x축으로 정의한다. 상기 제3 과정은 상기 홈(310)에 상기 렌즈계(340)를 안착시킨 후, 상기 반도체 레이저(320)에서 출력된 광이 상기 렌즈계(340)의 중심을 통과할 수 있도록 미세 조정한다.

도 3c 및 도 4b를 참조하면, 상기 제4 과정은 상기 홈(310)과 상기 렌즈계(340)의 연결 부분에 열경화성 에폭시 수지(360)를 2차 도포하는 과정으로써, 외부에서 가해지는 압력 및 물리적인 충격으로 인해 상기 렌즈계(340)의 광축이 틀어지는 것을 완충하는 역할을 하게 된다. 즉, 상기 홈(310)의 기저면에 1차 도포된 상기 자외선 경화제(350)와, 상기 홈(310) 및 상기 렌즈계(340)의 연결 부분 전체를 감쌀 수 있도록 상기 열경화성 에폭시 수지(360)를 2차 도포함으로써, 상기 렌즈계(340)를 상기 홈(310)에 보다 안정적으로 고정시키기 위한 과정이다.

상기 제4 과정에서 2차 도포된 열경화성 에폭시 수지(360)는 상기 제3 과정에서 1차 도포된 자외선 경화제(350)보다 더 낮은 열팽창계수를 갖는 물질을 사용하고, 탄성 계수는 더 높은 물질을 사용한다.

도 5는 본 발명에 의한 광모듈을 벨-코아 스펙(Bell-Core SPEC.)에 따라 진동 및 물리적인 충격 테스트 결과를 나타내는 그래프로써, 그래프의 좌측은 진동 테스트 결과를 나타내고, 우측의 그래프는 물리적인 충격에 의한 광모듈의 광신호 손실량을 나타내는 그래프이다. 본 발명에 따른 광모듈은 대체로 0.5~ -0.5㏈ 범위안에 들어간다

도 6은 본 발명에 의한 광모듈을 벨-코아 스펙(Bell-Core SPEC.)에 따라 고온에서의 작동 특성을 테스트한 결과를 나타내는 그래프로써, 고온 상태에서 각각 500,1000,1500,2000 시간 마다 광모듈의 광세기 손실량을 측정한 그래프이다. 본 발명에 따른 다수의 광모듈을 사용하여 실험한 결과, 본 발명에 따른 광모듈은 대체로 0.5~ -0.5㏈ 범위안에 들어간다.

도 7은 본 발명에 의한 광모듈을 벨-코아 스펙(Bell-Core SPEC.)에 따라 열충격 테스트 결과를 나타내는 그래프로써, 다수의 광모듈을 -45℃ ~ 85℃ 사이의 온도 변화에 의한 열충격을 일정 시간 동안 다수회 반복하여 인가하는 테스트이다. 상기 광모듈에 상술한 바와 같은 열충격을 100 ~ 500 회 인가한 후, 매 100회마다 그 때의 광모듈의 광손실을 측정하였다. 이 테스트는 1.0 ~ -1.0 ㏈의 범위를 광모듈의 불량 여부를 판단하는 기준으로 하며, 본 발명에 따른 광모듈은 0.5 ~ -0.5㏈의 범위 이내에 들어감을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 홈에 안착된 상기 렌즈계에 서로 상이한 물리적 특성을 갖는 접합제를 다수회 도포함으로써, 외부 압력으로 인한 렌즈계 광축의 틀어짐과같은 현상을 최소화시킬 수 있다는 이점이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광모듈의 광축 정렬 방법은 상기 렌즈계의 광축 정렬이 용이하며, 원가 절감 및 조립 시간 단축으로 인한 생산성 향상 효과가 크다.

Claims (6)

1. 광모듈의 정렬 및 고정 방법에 있어서,

   렌즈계를 안착시키기 위한 홈을 상기 서브마운트 상에 형성하는 제1 과정과;

   상기 홈으로부터 기결정된 거리만큼 이격된 위치에 반도체 레이저를 서브마운트의 상에 고정시키는 제2 과정과;

   상기 홈의 기저면에 자외선 경화제를 1차 도포한 후, 그 위에 상기 렌즈계를 안착시키는 제3 과정과;

   상기 홈과 상기 렌즈계의 연결 부분에 열경화성 에폭시 수지를 2차 도포하는 제4 과정을 포함함을 특징으로 하는 광모듈의 정렬 및 고정 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제4 과정에서 2차 도포된 열경화성 에폭시 수지는 상기 제3 과정에서 1차 도포된 자외선 경화제보다 더 낮은 열팽창계수를 갖는 물질을 사용함을 특징으로 하는 광모듈의 정렬 및 고정 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제4 과정에서 2차 도포된 열경화성 에폭시 수지는 상기 제3 과정에서 1차 도포된 자외선 경화제보다 더 높은 탄성계수를 갖는 물질을 사용함을 특징으로 하는 광모듈의 정렬 및 고정 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 홈에 안착되는 렌즈계로는 볼 렌즈가 사용됨을 특징으로 하는 광모듈의 정렬 및 고정 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 홈에 안착되는 렌즈계로는 비구면 렌즈가 사용됨을 특징으로 하는 광모듈의 정렬 및 고정 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 홈에 안착되는 렌즈계로는 그린 렌즈가 사용됨을 특징으로 하는 광모듈의 정렬 및 고정 방법.