KR20050064571A - 병렬 광접속 모듈용 광접속 장치 및 이를 이용한 병렬광접속 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유와의 결합시 정렬 오차로 인해 발생되는 결합 손실을 감소시킬 수 있도록 적어도 2열의 실린더형 렌즈를 갖는 프리즘 반사면을 갖는 2D 반사경, 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로를 구비하고, 광섬유와의 결합시 정렬 오차로 인해 발생되는 결합 손실을 감소시킬 수 있도록 적어도 2열의 2D 실리콘 광학벤치를 구비하며, 광결합용 2D 광도파로의 고정을 용이하게 하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 구비한 병렬 광접속 모듈용 광연결장치 및 이를 이용한 병렬 광접속 모듈을 제공한다.
Description
본 발명은 광섬유를 통해 광신호를 송신하거나 수신하기 위한 병렬 광접속 모듈용 광연결장치 및 이를 이용한 병렬 광접속 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유와의 결합시 정렬 오차로 인해 발생되는 결합 손실을 감소시킬 수 있도록 적어도 2열의 실린더형 렌즈를 갖는 프리즘 반사면을 갖는 2D 반사경, 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로를 구비하고, 광섬유와의 결합시 정렬 오차로 인해 발생되는 결합 손실을 감소시킬 수 있도록 적어도 2열의 2D 실리콘 광학벤치를 구비하며, 광결합용 2D 광도파로의 고정을 용이하게 하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 구비한 병렬 광접속 모듈용 광연결장치 및 이를 이용한 병렬 광접속 모듈을 제공한다.
일반적으로 저속의 시스템 등에서 회로기판과 회로기판, 칩(chip)과 칩 또는 시스템 간의 연결은 전기적인 금속 케이블을 통해 이루어진다. 그러나, 대용량 병렬 컴퓨터로 구성되는 차세대 정보통신 시스템이나 1Tb/s급 이상의 ATM 스위칭 시스템 등에서와 같이 정보가 대용량화되고, 전송 속도가 향상됨에 따라 이러한 금속 케이블을 이용할 경우 스큐(skew), EMI(electromagnetic interference) 등과 같은 전기적인 문제가 발생되어 시스템의 동작 효율이 저하되고 시스템 집적화가 어려워진다.
그래서 근래에 들어 광 송신/수신 모듈을 이용하여 광 연결을 이루는 기술이 개발되었는데, 광 송신/수신 모듈 내부의 광 결합 방식으로는 45도 경사각으로 위치된 반사경을 구비하는 리본 광섬유 다채널 광 콘넥터에 광수신 소자를 직접 결합시키는 방식, 45o경사각으로 위치된 반사경을 구비하는 폴리머(polymer) 광도파로에 광 송수신 소자를 결합시키고 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터에 연결시키는 방식, 광 송수신 소자를 폴리머 광도파로에 수직으로 결합시키고 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터에 연결시키는 방식, 플라스틱 팩키지에 고정된 광 송수신 소자를 다채널 광 콘넥터에 수직으로 결합시키는 방식 등이 이용된다. 이때, 광 송신 소자 즉, 광원으로는 대개 표면방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL) 어레이(Array)가 사용되며, 광 수신 소자 즉, 광검출기는 포토 다이오드(Photo Diode; PD) 어레이가 사용된다.
국내특허출원 제2000-7003642호(출원일: 2000년 4월 4일)에 기재된 "광 모듈"은 출사구를 통해 발진된 광이 광도파로에 의해 90o 반사된 후 기판에 형성된 코어를 따라 광 콘넥터와 연결된 광섬유로 전달되도록 구성된다.
2000년 5월에 ECTC 2000에서 발표된 "병렬 광 접속 모듈(ParaBIT-1: 60-Gb/s-Throughput Parallel Optical Interconnect Module, 발표자: N. Usui)"은 평면의 반사경이 45도 경사각으로 위치된 24채널 고분자 도파로막과 24-광섬유 BF 콘넥터가 접속된 구조를 가지며, 도파로막과 콘넥터는 수동으로 조립된다.
이와 같은 소개된 기술 중 45o 경사각으로 위치된 반사경을 가지는 폴리머 광도파로에 광 송수신 소자를 결합시키고, 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터와 연결시키는 방식은 반사경 형성이 비교적 용이하고 광 커플러(Coupler), 광 스위치, WDM(Wavelength Division Multiplexing) 소자 등을 폴리머 광도파로에 내장시킬 수 있어 전체 모듈의 기능 확장을 이룰 수 있기 때문에 가장 효과적인 방법으로 평가되고 있다.
그러나, 차후 확장된 기능을 갖는 병렬 광접속용 광 송신/수신 모듈을 제작하기 위해 상기와 같은 광결합 기술을 이용할 경우 광 송수신 소자와 광섬유 간의 결합시 약간의 오정렬이 발생되어도 큰 결합손실이 발생되기 때문에 만족스러운 효율을 얻지 못한다. 따라서, 결합손실을 최소화시킬 수 있는 병렬 광접속용 광 송신/수신 모듈의 구조적인 개선이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2D 실리콘 광학벤치를 이용하여 트렌치 속에 광원/광검출기를 수동정렬 방식으로 매립하여 고정하고, 2D 광도파로가 부착된 2D 페룰이 어뎁터에 고정되도록 하여 2D 광도파로와 광원/광검출기 간의 정렬오차가 최소화되도록 하여 광 신호가 전달되는 과정에서 결합 손실이 최소화되어 광 출력이 증대되며, 수동정렬에 의한 광결합이 용이하여 생산성이 뛰어나 저렴한 비용으로 광 연결을 이룰 수 있는 병렬 광접속 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 2층 이상의 2D 광도파로를 이루는 코어의 종단에 2D 반사경을 형성 또는 부착하여 광의 정확한 90o 경로 변경 및 집속이 이루어지도록 하고, 2열의 2D 실리콘 광학벤치를 이용하여 트렌치 속에 광원/광검출기를 수동정렬 방식으로 매립하여 고정하고, 2D 광도파로가 부착된 2D 페룰이 어뎁터에 고정되도록 하여 2D 광도파로와 광원/광검출기 간의 정렬오차가 최소화되도록 하여 광 신호가 전달되는 과정에서 결합 손실이 최소화되어 광 출력이 증대되며, 수동정렬에 의한 광결합이 용이하여 생산성이 뛰어나 저렴한 비용으로 광 연결을 이룰 수 있는 병렬 광접속 모듈을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 수동정렬 방식의 2열의 광원/광검출기 어레이칩 패키징에 의한 생산성 향상과, 2열의 광원/광검출기와 2D 광도파로간 높은 광결합효율을 갖는 병렬 광접속 모듈의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 측면은 전극패드와 소정의 전기 회로 패턴이 형성된 기판; 상기 기판 상에 구비되며, 트렌치가 형성된 2D 광학벤치; 상기 2D 광학벤치에 형성된 상기 트렌치 내에 적어도 2열로 구비되며, 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 상기 광신호를 외부로 방출하는 광원; 상기 기판 상에 구비되며, 상기 전극패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원을 구동시키는 구동기; 상기 광원으로부터 방출된 적어도 2열의 광신호의 경로를 변경하도록, 적어도 2열의 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경; 상기 2D 반사경으로부터 반사된 광을 도파하기 위해 형성된 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로; 및 상기 2D 광도파로로부터 전달된 광을 광섬유로 전달하고 상기 2D 광도파로를 지지하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 포함하는 병렬 광접속 모듈을 제공한다.
본 발명의 제2측면은 전극패드와 소정의 전기 회로 패턴이 형성된 기판; 상기 기판 상에 구비되며, 트렌치가 형성된 2D 광학벤치; 상기 2D 광학벤치에 형성된 상기 트렌치 내에 적어도 2열로 구비되며, 외부로 부터 전송되어 온 광신호를 개구부를 통해 검출하는 광검출기; 상기 기판 상에 구비되며, 상기 광검출기로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 상기 전극패드를 통해 출력하는 수신기; 외부로 부터 입사된 적어도 2열의 광신호의 경로를 변경하도록, 적어도 2열의 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경; 상기 2D 반사경으로부터 반사된 광을 도파하기 위해 형성된 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로; 및 광섬유로부터 광을 상기 2D 광도파로로 전달하고 상기 2D 광도파로를 지지하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 포함하는 병렬 광접속 모듈을 제공한다.
본 발명의 제 3 측면은 전극패드와 소정의 전기 회로 패턴이 형성된 기판; 상기 기판 상에 구비되며, 트렌치가 형성된 2D 광학벤치; 상기 2D 광학벤치에 형성된 상기 트렌치 내에 각각 적어도 1열로 구비된 광검출기와 광원, 상기 광원은 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 광신호를 외부로 방출하고, 상기 광검출기는 외부로 부터 전송되어 온 광신호를 개구부를 통해 검출하는 광검출기와 광원; 상기 기판 상에 구비되며, 전극패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원을 구동시키는 구동기와 상기 광검출기로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 상기 전극패드를 통해 출력하는 수신기; 상기 광원으로부터 출력 또는 상기 광검출기로 입력되는 광신호의 경로를 변경하도록, 적어도 2열의 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경; 상기 2D 반사경으로부터 반사된 광을 도파하기 위해 형성된 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로; 및 상기 2D 광도파로로부터 광을 광섬유로 전달하고 상기 2D 광도파로를 지지하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 포함하는 병렬 광접속 모듈을 제공한다.
바람직하게는, 광원은 표면방출 레이저, 광검출기는 포토 다이오드일 수 있으며, 2D 광도파로에 부착된 2D 페룰는 어뎁터에 의해 고정될 수 있다.
본 발명의 제 4 측면은 병렬 광접속 모듈용 광연결장치에 있어서, 적어도 2열로 진행하는 광의 경로를 변경하도록, 적어도 2열의 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경; 상기 2D 반사경으로부터 반사된 광을 도파하기 위해 형성된 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로; 및 상기 2D 광도파로로부터 광을 광섬유로 전달하고 상기 2D 광도파로를 지지하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 구비하는 것을 특징으로 하는 병력 광접속 모듈용 광연결장치를 제공한다.
본 발명은 광섬유와의 결합을 용이하게 하며 광결합손실을 최소화시키므로써 대용량, 고밀도화된 데이터를 고속으로 전송할 수 있도록 한 개선된 구조의 병렬 광접속용 광모듈을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 게재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
(병렬 광접속 광송신 모듈)
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 24채널 병렬 광접속 송신 모듈(Tx-Tx 모듈)을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 24채널 병렬 광접속 송신 모듈(Tx-Tx 모듈)은, 송신용 트렌치(11), 송신용 전극패드(12), 비아홀(Via Hole; 13) 및 소정의 송신용 전기 회로 패턴(미도시)이 형성된 기판(10)과, 2D 실리콘 광학벤치(Silicon Optical Bench; 130)의 일부분에 트렌치(134)를 구비한다.
이 트렌치(134) 속에는 광원(60)이 구비되고, 기판(10) 상의 전극패드(12)를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 광원(60)을 구동시키고, 광섬유와 연결되는 광커넥터(미도시)와 접속되는 어뎁터(50)와, 1층 코어(32) 및 2층 코어(31)가 형성되어 있으며, 종단의 코어에는 2D 반사경(20)이 형성된 2D 광도파로(30)와, 2D 광도파로(30)를 어뎁터(50)에 고정시키기 위한 2D 페룰(40)이 있다. 한편, 광원(60)의 개구부(미도시)와 2D 반사경(20)의 반사면이 대향되도록 기판(10)과 어뎁터(50)가 결합된다. 상기 2D 실리콘 광학벤치(130)는 광원(60)의 크기가 고려되어 만들어진 트렌치(134)속에 광원(60)이 매립되면서 자동적으로 수동정렬이 정밀하게 된다.
이를 보다 상세히 설명하면, 2개의 구동기(80) 및 2개의 광원(60)은 기판, 예컨대 힛스프레더,(100) 상에 어레이(Array) 형태로 각각 형성되며, 구동기(80)는 솔더(미지칭)를 이용하여 PCB 상에 접착(Bonding)되고, 광원(60)은 솔더에 의해 2D 실리콘 광학벤치(130) 내에 형성된 트렌치(134) 바닥면 상에 접착된다.
구동기(80)는 본딩 와이어(미도시)에 의해 전극패드(12)와 연결되고, 광원(60)은 본딩 와이어에 의해 구동기(80)와 연결된다. 또한, 광원(60)은 표면방출 레이저(VCSEL)가 사용가능하며, 상부에는 개구부가 형성되어 광원(60)으로 부터 발생된 광이 외부로 방출된다. 즉, 광원(60)은 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 외부로 광신호를 방출한다. 구동기(80)는 전극 패드(12)를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 광원(60)을 구동시키는 역할을 한다.
2D 광도파로(30)의 코어(31,32) 두께는 일정하지만 코어(31,32) 폭은 2D 반사경(20)과 결합되는 부분에서는 폭이 넓은 쪽에서 작아지는 테이퍼(Taper) 형상인 반면 2D 페룰(40)과 결합되는 부분에서는 두께와 동일한 코어(31,32) 폭을 가진다. 2D 광도파로(30)의 코어(31,32) 길이 방향 구조는 2D 반사경(20)과 결합되는 부분에서는 1층(32), 2층(31)이 서로 125㎛ 이격되게 출발하다가 2층 코어(31)가 중간부분에서 밴드(Bend) 구조를 주어 2D 페룰(40)과 결합되는 종단에는 1층(32), 2층(31)이 서로 이격함이 없는 형태를 유지한다.
기판(10) 상에는 전극패드(12, 15) 및 소정의 회로패턴(미도시)이 형성되어 있다. 상기 기판(10)으로는 임피던스(Impedance) 정합 뿐만 아니라 누화 (Crosstalk) 또는 스큐(Skew)가 충분히 낮은 물질 예를 들어, FR-4, 테프론 등으로 이루어진 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)을 이용할 수 있다.
기판(10) 내에 있는 비아홀(13)은 외부 전기신호와 구동기(80) 및 수신기(90)를 연결하기 위한 전기적인 통로이고 기판 바닥에 부착되는 멕어레이(110)는 외부 전기신호와 BGA(Ball Grid array) 방식으로 연결하기 위한 전기 커넥터이다. 기판(10)의 일부인 힛스프레더(heat spreader; 100)는 구동기(80) 및 광원(60)에서 발생되는 열을 1차적으로 방출시키는 기능을 한다.
2D 실리콘 광학벤치 전극은 2D 실리콘 광학벤치(130) 위에 구성되어 광원(60)의 전극 패드(미도시)와 연결되어 인근 PCB 전극(12)과 와이어 본딩을 한다. 광원(60)은 2D 실리콘 광학벤치(130)의 트렌치(134) 내부에 장착되고, 2D 실리콘 광학벤치(130)는 열전도성이 높은 접착제(미도시)에 의해 힛스프레더(100) 위에 부착되어 있다. 2D 광도파로(30)는 2D 광도파로 지지대(120) 위에 정렬하여 부착된다.
(병렬 광접속 광수신 모듈)
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 24채널 병렬 광접속 수신 모듈(Rx-Rx 모듈)을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 24채널 병렬 광접속 수신 모듈(Rx-Rx 모듈)은, 수신용 트렌치(14), 수신용 전극패드(15), 비아홀(13) 및 소정의 전기 회로 패턴(미도시)이 형성된 기판(10)과, 2D 실리콘 광학벤치(130) 일부분에 트렌치(134)를 구비한다. 이 트렌치(134) 속에는 광검출기(70)가 구비되고, 광검출기(70)로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 전극패드(15)를 통해 출력하는 수신기(90)와, 광섬유와 연결되는 광커넥터(미도시)와 접속되는 어뎁터(50)와, 1층 코어(32) 및 2층 코어(31)가 형성되다. 종단의 코어에는 2D 반사경(20)이 형성된 2D 광도파로(30)와, 2D 광도파로(30)를 어뎁터(50)에 고정시키기 위한 2D 페룰(40)을 포함된다. 광검출기(70)의 활성영역(미도시)과 2D 반사경(20)의 반사면이 대향되도록 기판(10)과 어뎁터(50)가 결합된다. 상기 2D 실리콘 광학벤치(130)는 광검출기(70)의 크기가 고려되어 만들어진 트렌치(134)속에 광검출기(70)가 매립되면서 자동적으로 수동정렬이 정밀하게 된다.
이하, 도 2a 및 도 2b 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 24채널 병렬 광접속 수신 모듈(Rx-Rx 모듈)을 상세히 설명한다.
2개의 수신기(90) 및 2개의 광검출기(70)는 기판(100)에 어레이(Array) 형태로 각각 형성되며, 수신기(90)는 솔더를 이용하여 PCB 상에 접착되고, 광검출기(70)는 솔더에 의해 2D 실리콘 광학벤치(130) 내에 형성된 트렌치(134) 바닥면 상에 접착된다. 수신기(90)는 본딩 와이어에 의해 전극패드(15)와 연결되고, 광검출기(70)는 본딩 와이어에 의해 수신기(90)와 연결된다. 또한, 상기 광검출기(70)는 광검출기로 사용되는 PIN PD를 포함하며, 외부로부터 활성영역(미도시)을 통해 입사되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환한다. 수신기(90)는 광검출기(70)로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 전극패드(15)를 통해 출력하는 역할을 한다.
2D 광도파로(30)의 코어(31, 32) 두께는 일정하지만 코어(31, 32) 폭은 2D 반사경(20)과 결합되는 부분에서는 폭이 좁은 쪽에서 넓어지는 테이퍼인 반면 2D 페룰(40)과 결합되는 부분에서는 두께와 동일한 코어(31, 32) 폭을 가진다. 2D 광도파로(30) 코어(31, 32)의 길이 방향 구조는 2D 반사경(20)과 결합되는 부분에서는 1층(32), 2층(31)이 서로 125㎛ 이격되게 출발하다가 2층 코어(31)가 중간부분에서 벤드 구조를 주어 2D 페룰(40)과 결합되는 종단에는 1층(32), 2층(31)이 서로 이격함이 없는 형태를 유지한다.
기판(10) 내에 있는 비아홀(13)은 외부 전기신호와 수신기(90)를 연결하기 위한 전기적인 통로이고 힛스프레더(heat spreader; 100)는 수신기(90) 및 광검출기(70)에서 발생되는 열을 1차적으로 방출시키는 기능을 한다.
2D 실리콘 광학벤치 전극(미도시)은 2D 실리콘 광학벤치(130) 위에 구성되어 광검출기(70)의 전극 패드(미도시)와 연결되어 인근 PCB 전극(15)과 와이어 본딩을 한다. 광검출기(70)는 2D 실리콘 광학벤치(130)의 트렌치(134) 내부에 장착되고, 2D 실리콘 광학벤치(130)는 열전도성이 높은 접착제(미도시)에 의해 힛스프레더(100) 위에 부착되어 있다. 2D 광도파로(30)는 2D 광도파로 지지대(120) 위에 정렬하여 부착된다.
(병렬 광접속 광송수신 모듈)
도 3a 및 도 3b 또는 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 12채널 병렬 광접속 송수신 모듈(Tx-Rx 모듈 또는 Rx-Tx 모듈)을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 12채널 병렬 광접속 송수신 모듈(Tx-Rx 모듈 또는 Rx-Tx 모듈)은, 송수신용 트렌치(16), 송신용 전극패드(12) 및 수신용 전극패드(15), 비아홀(13) 및 소정의 전기 회로 패턴(미도시)이 형성된 기판(10)과, 2D 실리콘 광학벤치(130) 일부분에 트렌치(134)를 구비하여 이 트렌치(134) 속에 구비된 광원(60) 및 광검출기(70)와, 기판(10) 상에 구비되며 전극패드(12)를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 광원(60)을 구동시키는 구동기와 광검출기(70)로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 전극패드(15)를 통해 출력하는 수신기(90)와, 광섬유와 연결되는 광커넥터(미도시)와 접속되는 어뎁터(50)와, 1층 코어(32) 및 2층 코어(31)가 형성되며 종단의 코어에는 2D 반사경(20)이 형성된 2D 광도파로(30)와, 2D 광도파로(30)를 어뎁터(50)에 고정시키기 위한 2D 페룰(40)을 포함하여 이루어지며, 광원(60)의 개구부 및 광검출기(70)의 활성영역과 2D 반사경(20)의 반사면이 대향되도록 기판(10)과 어뎁터(50)가 결합된다. 상기 2D 실리콘 광학벤치(130)는 광원(60) 및 광검출기(70)의 크기가 고려되어 만들어진 트렌치(134)속에 광원(60) 및 광검출기(70)가 매립되면서 자동적으로 수동정렬이 정밀하게 된다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 12채널 병렬 광접속 송수신 모듈(Tx-Rx 모듈 또는 Rx-Tx 모듈)을 더욱 구체적으로 설명한다.
1개의 구동기(80) 및 1개의 광원(60)과 1개의 수신기(90) 및 1개의 광검출기(70)는 기판(10)에 어레이(Array) 형태로 각각 형성되며, 구동기(80) 및 수신기(90)는 솔더를 이용하여 PCB 상에 접착되고, 광원(60) 및 광검출기(70)는 솔더에 의해 2D 실리콘 광학벤치(130) 내에 형성된 트렌치(134) 바닥면 상에 접착된다. 구동기(80) 및 수신기(90)는 본딩 와이어에 의해 송신용 전극패드(12) 및 수신용 전극패드(15)와 각각 연결되고, 광원(60) 및 광검출기(70)는 본딩 와이어에 의해 구동기(80) 및 수신기(90)와 각각 연결된다.
2D 광도파로(30)의 코어(31, 32) 두께는 일정하지만 코어(31, 32) 폭은 2D 반사경(20)과 결합되는 부분에서는 송신용은 폭이 넓은 쪽에서 작아지는 테이퍼와 수신용은 폭이 좁은 쪽에서 넓어지는 테이퍼인 반면 2D 페룰(40)과 결합되는 부분에서는 두께와 동일한 코어(31, 32) 폭을 가진다. 2D 광도파로(30) 코어(31, 32)의 길이 방향 구조는 2D 반사경(20)과 결합되는 부분에서는 1층(32), 2층(31)이 서로 125㎛ 이격되게 출발하다가 2층 코어(31)가 중간부분에서 벤드 구조를 주어 2D 페룰(40)과 결합되는 종단에는 1층(32), 2층(31)이 서로 이격함이 없는 형태를 유지한다.
(2D 반사경)
도 5a 및 도 5b는 2D 반사경(20)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 5a에 도시된 바와 같이 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태를 가진다. VCSEL1 또는 VCSEL2에서 입사된 원형의 가우시안(Gaussian) 광빔은 수평 방향에서는 실린더형 렌즈에 의해 방사각이 조정되어 평행각에 가까운 빔으로 전환되고 깊이 방향으로는 VCSEL이 가지고 있는 방사각에 비례하여 진행되는 거리만큼 퍼진다.
따라서, 2D 광도파로(30)와 결합되는 쪽의 광빔의 단면 모양은 수직 방향으로는 좁고 깊이 방향으로는 넓은 타원형을 이루게 된다. 반대로, 2D 광도파로(30)에서 입사된 원형의 가우시안 광빔은 수직 및 깊이 방향 모두 방사각에 비례하여 퍼지다가 PD 쪽으로 결합되는 광빔의 단면 모양은 수평 방향으로는 다소 좁고 깊이 방향으로는 넓은 타원형을 이루게 된다.
도 5b는 설계 변수를 설명하기 위한 것으로 S는 2D 광도파로(30) 및 2D 페룰(40)의 수직 방향 피치(Pitch)와 동일한 값을 가지며 W는 2D 광도파로(30) 및 2D 페룰(40) 코어의 수평 방향 피치(250㎛)가 12채널 만큼 있는 3.3mm 이상의 값을 가진다. R1 및 R2는 모두 송신용일 경우에는 다소 값이 작고 모두 수신용일 경우는 송신용보다 다소 큰 값을 가지며, 송수신용일 경우는 R1과 R2이 서로 다른 값을 가진다.
도 5c 및 도 5d는 2D 반사경(20)의 구조에 대한 레이 트레이싱(Ray tracing) 방법에 의한 시뮬레이션 결과 그래프이다. 도 5c는 송신용, 도 5d는 수신용 2D 반사경(20)의 경우이다.
여기서, VCSEL의 방사각은 12o 프리즘 각도는 45o 프리즘의 굴절률은 1.49이다. 도 5c에 도시한 바와 같이 송신용 2D 반사경(20)은 2D 광도파로(30) 코어의 폭이 크면 클수록 광결합손실이 낮아진다. 최적치는 렌즈의 반지름이 40㎛에서 0.2dB로 낮게 산출되었다. 도 5d에 도시한 바와 같이 수신용 2D 반사경(20)은 2D 광도파로(30) 코어의 폭이 작으면 작을수록 광결합손실이 낮아진다. 최적치는 렌즈의 반지름이 80㎛에서 0.9dB로 산출되었다.
2D 반사경(20)은 X-ray 리소그래피 기술, 핫엠보싱(Hot embossing) 기술, 사출 성형 기술 등에 의한 제작이 가능하다.
(2D 광도파로)
다음으로, 도 6a 내지 도 6e를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2D 광도파로를 설명한다. 도 6a 내지 도 6e는 2D 광도파로(30)의 종단면 구조를 도시한 도면들이다.
2D 광도파로(30)는 클래드층(33)과 2층의 코어(31, 32)가 형성된 구조를 이룬다. 전술한 바와 같이, 송신용 광도파로의 종단면은 넓은쪽에서 좁아지는 테이퍼 형태이고 수신용의 종단면은 좁은쪽에서 넓어지는 테이퍼 형태이다.
도 6a는 24채널 광접속 송신 모듈(도 1), 도 6b는 24채널 광접속 수신 모듈(도 2), 도 6c는 12채널 광접속 송수신 모듈(도 3), 도 6d는 12채널 광접속 수송신 모듈(도 4)에 해당되는 2D 반사경(20)과 결합되는 코어의 종단면 구조이고, 도 6e는 2D 페룰과 결합되는 코어의 종단면 구조이다.
일제작예에서는 SH 및 SV는 모두 250㎛이고 WCOxWCO는 42㎛x42㎛이다. 이러한 2D 광도파로는 핫엠보싱 공정 기술, UV 엠보싱 기술, 사출 성형 기술, 사진식각 공정 기술 등으로 제작하는 것이 가능하다.
(2D 페룰)
도 7은 2D 페룰(40)의 구조를 설명하기 위한 도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 페룰(40)은 도 7에 도시된 바와 같이 중앙부에 광섬유(미도시)가 삽입될 수 있도록 광섬유홀(41)이 형성되며, 광섬유홀(41)의 양측부에는 어뎁터(50)와의 결합을 위한 가이드 핀(guide pin; 미도시)이 삽입되는 가이드홀(guide hole; 42)이 형성된다. 가이드 홀(42)은 다채널 광 콘넥터와의 접속을 위해 사용하는 가이드 핀이 삽입되는 구멍으로 국제전기 표준회의(International Electrotechnical Commission; 이하 'IEC'라 함) 국제규격에 맞도록 형성한다.
또한, 광섬유홀(41)의 상부에는 도 7에 도시된 바와 같이 광섬유홀(41)과 연결된 고정홀(43)이 형성되는데, 광섬유홀(41)에 광섬유를 삽입한 후 고정홀(43)에 접착제(에폭시 계열의 물질)를 매립한 후 열 또는 자외선(UV) 등으로 경화시켜 광섬유가 2D 페룰(40)에 완전히 고정되도록 한다.
상기 2D 페룰(40)은 온도 안정성 및 정밀 성형을 이룰 수 있는 물질 예를 들어, 실리카(Silica)와 폴리머(Polymer)가 혼합된 물질을 이송성형(Transfer molding) 방법으로 성형하여 형성한다. 상기 2D 페룰(40)의 외부 치수는 IEC 국제규격에 따라 호환성을 갖도록 하며, 내부 치수는 광섬유가 삽입될 수 있는 크기를 갖도록 한다. SH 및 SV는 2D 광도파로(30)와 마찬가지로 모두 250㎛로 형성가능하다.
(2D 광학벤치)
도 8a 및 도 8b는 2열의 표면방출 레이저(VCSEL; 60) 및 포토 다이오드(PD; 70) 어레이 칩의 수동정렬 및 접착을 설명하기 위한 2D 실리콘 광학벤치(130)의 평면도 및 단면도들이다.
실리콘에 트렌치(134d, 134d)를 형성한 후, 표면방출 레이저(60) 또는 포토 다이오드(70) 어레이칩이 수평 방향으로 원하는 위치에 놓일 수 있도록 트렌치 (134) 형성 전 식각창(134a, 135b)의 가로폭 및 세로폭의 설계치를 적당히 맞추고, 표면방출 레이저(60) 또는 포토 다이오드(70) 어레이칩이 깊이 방향으로 원하는 위치에 놓일 수 있도록 트렌치 깊이를 형성한다. 따라서, 표면방출 레이저(60) 또는 포토 다이오드(70) 어레이칩은 수평 방향과 깊이 방향으로의 정렬이 수동적으로 자기정렬(self alignment)되어 별도의 정렬을 필요로 하지 않는다.
도 8b는 도 8a에 도시된 2D 실리콘 광학벤치를 제작하기 위한 공정 순서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8b를 참조하면, LPCVD 방법에 의해서 실리콘(132) 위에 실리콘 질화막(131)을 증착한 후, 포토레지스트로 패터닝하고 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE)에 의해서 실리콘 질화막을 패터닝하여 식각창(134a, 135a)을 만든다. 이어서, 수산화칼륨(KOH)에 의해서 실리콘(132)을 습식 식각하여 트렌치(134b, 135b)를 형성한 후, 인산 또는 BOE(Buffered Oxide Etch)에 의해서 실리콘 질화막 패턴(131)을 제거한다. 다음에, PECVD 등의 방법으로 실리콘 질화막(133)을 적정량을 증착한다. 다음에, AZ9260 또는 AZ4903 등과 같은 초후막 포토레지스트를 도포한 후, 포토레지스트 패턴(138)을 형성한다. 이어서, 전자-빔(E-beam) 증착기를 이용하여 기저 금속층인 Ti/Ni/Au를 순차적으로 증착한 후, 포토레지스트 패턴(138)을 제거하고, 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing)에 의해서 어닐링을 수행한다.
다음에, 광원(60) 또는 광검출기(70) 어레이칩을 실리콘 광학벤치(130)의 트렌치(134, 135) 내에 삽입한 후 적당한 압력으로 어레이칩에 하중을 주면서 2D 실리콘 광학벤치(130)에 열을 가하면 어레이칩이 자기정렬이 되면서 2D 실리콘 광학벤치(130)의 트렌치(134, 135) 바닥에 있는 솔더에 접착된다.
도 9a 내지 도 9c는 도 1 내지 도 4에 도시된 병렬 광접속 모듈 내 장착되는 2D 광도파로를 2층으로 적층하기 위한 지그의 구조 및 설계 변수를 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 1층 및 2층용 엠보싱된 광도파로 필름(35, 36)을 마크(34)에 맞추어 정밀하게 절단(Sawing)한 후 도 9a에 도시한 바와 같이 1층 광도파로 필름(36) 및 2층 광도파로 필름(35)을 적층 지그(150)의 정해진 위치에 올려 놓으면서 코어 물질을 층간에 투입하고, 이때 광도파로 필름 양 옆에 놓여진 정렬용 블록(158)에 의하여 장비에 의해 절단된 정밀도대로 정렬이 이루어진다. 수직으로는 투명고무(152)와 투명유리(151)를 이용하여 상하를 고정하고, 이때 사방의 고정핀(161)을 조여서 UV 경화를 하기 위한 준비를 한다. 2D 광도파로(30) 적층 지그(150)에 필요한 기타 부품에는 코어 물질이 적층 지그(150) 표면에 묻지 않도록 하는 표면에 테프론 코팅(154), 지그 덮개(156)와 지그 몸체(155)를 잘 정렬하기 위한 가이드핀(162), 광도파로 옆을 잘 고정하기 위한 정렬 블록 스프링(159) 등이 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명은 2개의 리본 광섬유를 통해 병렬로 광신호를 송신, 2개의 리본 광섬유로부터 병렬의 광신호를 수신하거나, 또는 2개의 리본 광섬유를 통해 병렬로 광신호를 송수신, 2개의 리본 광섬유로부터 병렬의 광신호를 수송신하기 위한 고밀도의 대용량 병렬 광접속 모듈에 관하여 개시한다.
2D 광도파로를 이루는 코어의 종단에 실리더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경이 형성 또는 부착되도록 하여 광 신호의 정확한 90o경로 변경 및 집속이 이루어지도록 한다. 따라서, 광 신호가 전달되는 과정에서 광결합손실이 최소화되어 광 출력이 증대된다.
또한, 2D 실리콘 광학벤치(Silicon Optical Bench; SiOB)는 표면방출 레이저(VCSEL) 및 포토 다이오드(PD) 어레이 칩을 실리콘 광학벤치의 트렌치 내에 매립하면서 자동적으로 위치가 정해지도록 하는 자기정렬 방식을 이용하기 때문에 표면방출 레이저(VCSEL)/포토 다이오드(PD)와 2D 광도파로간 결합을 수동으로 정밀하게 정렬할 수 있어 생산성 향상을 이룰 수 있다.
또한, 2D 광도파로와 광원/광검출기 간의 정렬 및 2D 광도파로와 어뎁터 간의 고정을 용이하고 정확하게 이루기 위해 2D 광도파로를 2D 페룰에 부착시키고 2D 페룰을 어뎁터에 고정시키므로써 2D 광도파로와 광원/광검출기 간의 정렬 오차 허용범위가 넓어져 능동 및 수동 정렬이 가능해지며 기존의 모듈보다 생산성이 향상되고 저렴한 비용으로 광 연결을 이룰 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 24채널 병렬 광접속 송신 모듈(Tx-Tx 모듈)을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 24채널 병렬 광접속 수신 모듈(Rx-Rx 모듈)을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 12채널 병렬 광접속 송수신 모듈(Tx-Rx 모듈)을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 12채널 병렬 광접속 송수신 모듈(Rx-Tx 모듈)을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 5a 내지 도5d는 도 1 내지 도 4에 도시된 병렬 광접속 모듈 내 장착되는 2D 반사경의 구조 및 최적의 설계치수를 그래프로 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 1 내지 도 4에 도시된 병렬 광접속 모듈 내 장착되는 2D 광도파로의 구조 및 설계 변수를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 1 내지 도 4에 도시된 병렬 광접속 모듈 내 장착되는 2D 페룰의 구조 및 설계 변수를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8a 및 도 8b는 도 1 내지 도 4에 도시된 병렬 광접속 모듈 내 장착되는 2D 실리콘 광학벤치의 구조 및 설계 변수를 설명하기 위한 도면들이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 1 내지 도 4에 도시된 병렬 광접속 모듈 내 장착되는 2D 광도파로를 2층으로 적층하기 위한 지그의 구조 및 설계 변수를 설명하기 위한 도면들이다.
도면의 주요 부분에 부호의 설명
10: 기판 20: 2D 반사경
30: 2D 광도파로 40: 2D 페룰
50: 어뎁터 60: 광원(VCSEL)
70: 광검출기 80: 구동기
90: 수신기 100: 힛스프레더
110: 멕어레이 120: 2D 광도파로 지지대
130: 2D 실리콘광학벤치 150: 2D 광도파로 적층용 지그
Claims (14)
- 전극패드와 소정의 전기 회로 패턴이 형성된 기판;상기 기판의 일부에 트렌치가 형성되어 힛스프레더가 구비되는 인쇄회로 기판;상기 기판 상에 구비되며, 트렌치가 형성된 2D 광학벤치;상기 2D 광학벤치에 형성된 상기 트렌치 내에 적어도 2열로 구비되며, 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 상기 광신호를 외부로 방출하는 광원;상기 기판 상에 구비되며, 상기 전극패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원을 구동시키는 구동기;상기 광원으로부터 방출된 적어도 2열의 광신호의 경로를 변경하도록, 적어도 2열의 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경;상기 2D 반사경으로부터 반사된 광을 도파하기 위해 형성된 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로; 및상기 2D 광도파로로부터 전달된 광을 광섬유로 전달하고 상기 2D 광도파로를 지지하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 전극패드와 소정의 전기 회로 패턴이 형성된 기판;상기 기판의 일부에 트렌치가 형성되어 힛스프레더가 구비되는 인쇄회로 기판;상기 기판 상에 구비되며, 트렌치가 형성된 2D 광학벤치;상기 2D 광학벤치에 형성된 상기 트렌치 내에 적어도 2열로 구비되며, 외부로 부터 전송되어 온 광신호를 개구부를 통해 검출하는 광검출기;상기 기판 상에 구비되며, 상기 광검출기로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 상기 전극패드를 통해 출력하는 수신기;외부로 부터 입사된 적어도 2열의 광신호의 경로를 변경하도록, 적어도 2열의 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경;상기 2D 반사경으로부터 반사된 광을 도파하기 위해 형성된 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로; 및광섬유로부터 광을 상기 2D 광도파로로 전달하고 상기 2D 광도파로를 지지하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 전극패드와 소정의 전기 회로 패턴이 형성된 기판;상기 기판의 일부에 트렌치가 형성되어 힛스프레더가 구비되는 인쇄회로 기판;상기 기판 상에 구비되며, 트렌치가 형성된 2D 광학벤치;상기 2D 광학벤치에 형성된 상기 트렌치 내에 각각 적어도 1열로 구비된 광검출기와 광원, 상기 광원은 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 광신호를 외부로 방출하고, 상기 광검출기는 외부로 부터 전송되어 온 광신호를 개구부를 통해 검출하는 광검출기와 광원;상기 기판 상에 구비되며, 전극패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원을 구동시키는 구동기와 상기 광검출기로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 상기 전극패드를 통해 출력하는 수신기;상기 광원으로부터 출력 또는 상기 광검출기로 입력되는 광신호의 경로를 변경하도록, 적어도 2열의 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경;상기 2D 반사경으로부터 반사된 광을 도파하기 위해 형성된 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로; 및상기 2D 광도파로로부터 광을 광섬유로 전달하고 상기 2D 광도파로를 지지하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 제 1 항 또는 제 3항에 있어서, 상기 광원은 표면방출 레이저인 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 광검출기는 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 2D 광도파로에 부착된 2D 페룰은 어뎁터에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 2D 광도파로의 클래드층은 폴리머 물질, 코어는 에폭시 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 제 7 항에 있어서, 상기 코어는 균일한 모양 또는 일측부가 다른 일측부보다 점점 넓어지거나 좁아지는 깔때기 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 제 6 항에 있어서, 상기 2D 페룰의 중앙부에는 상기 2D 광도파로와 결합되는 2층의 광섬유홀이 형성되고, 상기 광섬유홀의 양측부에는 상기 어뎁터와의 결합을 위한 가이드 핀이 삽입되는 가이드홀이 형성되며, 상기 광섬유홀의 상부에는 상기 광도파로를 고정시키기 위한 고정홀이 형성된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 제 9 항에 있어서, 상기 고정홀에는 상기 광섬유를 고정시키기 위해 에폭시가 매립되는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 2D 광학벤치는 실리콘 물질로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
- 병렬 광접속 모듈용 광연결장치에 있어서,적어도 2열로 진행하는 광의 경로를 변경하도록, 적어도 2열의 실린더형 렌즈가 부착된 프리즘 형태의 2D 반사경;상기 2D 반사경으로부터 반사된 광을 도파하기 위해 형성된 적어도 2층의 코어 어레이를 갖는 2D 광도파로; 및상기 2D 광도파로로부터 광을 광섬유로 전달하고 상기 2D 광도파로를 지지하는 적어도 2층의 광섬유를 적재할 수 있는 2D 페룰을 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈용 광연결장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 2D 광도파로의 클래드층은 폴리머 물질, 코어는 에폭시 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈용 광연결장치.
- 제 12 항에 있어서, 상기 코어는 균일한 모양 또는 일측부가 다른 일측부보다 점점 넓어지거나 좁아지는 깔때기 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈용 광연결장치.
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