KR20050064572A - 콜리메이팅 검출장치 및 이를 이용한 광모듈 패키징 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드 모듈 제작시 이용되는 콜리메이팅 검출장치에 관한 것으로, 빔의 입사각이 변함에 따라 출력빔의 광파워를 변화시키는 페브리-페롯 에탈론의 특성을 이용하여 레이저 다이오드에서 방출되는 빔이 콜리메이팅 렌즈에 의해 평행광이 만들어지는 경우와 평행광이 되지 않는 경우의 광출력 차이를 광검출기를 이용하여 분별해내는 콜리메이팅 검출장치를 제공한다.

Description

콜리메이팅 검출장치 및 이를 이용한 광모듈 패키징 장치{Collimating Apparatus And Optical Module Packaging Using The Same}

본 발명은 콜리메이팅 검출장치 및 이를 이용한 광모듈 패키징 장치에 관한 것으로, 빔의 입사각이 변함에 따라 출력빔의 광파워를 변화시키는 페브리-페롯 에탈론의 특성을 이용하여 레이저 다이오드에서 방출되는 빔이 콜리메이팅 렌즈에 의해 평행광이 만들어지는 경우와 평행광이 되지 않는 경우의 광출력 차이를 광검출기를 이용하여 분별해내는 콜리메이팅 검출장치를 제공한다. 즉, 광섬유가 부착된 고속 광통신용 반도체 레이저 모듈 제작시 레이저 서브 모듈에 장착되는 콜리메이팅 렌즈를 정확한 위치에 정렬 및 부착하기 위한 정렬 기구에 관한 것이다.

일반적으로 고속 광전송용으로 사용되는 반도체 레이저 모듈을 패키징할 때 고려해야 할 사항으로는, 광출력과 단일모드 동작 등과 같은 레이저 다이오드 특성을 악화시키지 않아야 하고, 레이저 광출력을 광섬유에 모두 전달하여야 한다. 이를 위해서는 광학적, 전기적, 열적, 기계적 측면을 면밀히 고려하여야 한다. 반도체 레이저 모듈 패키징에서 광학적 측면을 고려하면, 레이저 다이오드와 광섬유와의 높은 광결합 효율을 확보하여 시스템에서 요구하는 평균 광출력을 유지하여야 한다. 또한, 레이저 다이오드의 안정된 단일모드 동작에 악영향을 미치는 광궤환을 차단하여야 한다. 신뢰성을 확보하기 위한 기계적 측면을 보면, 조립된 광부품의 광정렬이 외부 환경변화에 대해 변화되지 않도록 모듈 설계 및 제작 공정을 개발하여야 한다.

도 1a는 상기한 고려사항을 기준으로 현재 주로 제작되고 있는 대표적인 고속 광통신용 레이저 모듈의 평면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 레이저 모듈의 측면도이며, 도 1c는 도 1a에 도시된 레이저 모듈 중 레이저 서브모듈의 측면도로서, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 통상적인 반도체 레이저 모듈의 구성을 간략하게 설명하면 다음과 같다 :

우선, 도 1c에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(1), 다이아몬드 재질의 열분산용 기판(2), 모니터광 검출기(3), 칩 캐리어(5), L자 형태의 렌즈 고정대(6), 광집속형 렌즈(4), 렌즈 하우징(16), 렌즈링(17)으로 구성된 서브모듈(50)을 제작한다. 서브모듈(50)의 제작을 위해, 레이저 다이오드(1)를 다이아몬드 재질의 열 분산용 기판(2)위에 부착하고, 모니터 광 검출기(3) 등과 부품과 함께 칩 캐리어(5) 위에 조립한다.

이때, 열 분산용 기판(2)과 칩 캐리어(5)의 총두께는, 레이저 다이오드(1)가 부착된 후 이를 사용하여 제 1b 도와 같이 모듈로 제작할 때 레이저 다이오드(1)의 높이가 궤환광 차단기(9) 및 베이스링(10)의 중심과 일치되도록 제작한다. 이러한 칩 캐리어(5)는 레이저 용접법을 사용하여 렌즈(4)를 부착하기 위해서 L자 형태의 렌즈고정대(6) 위에 열전도성이 우수한 에폭시 또는 솔더를 이용하여 레이저 다이오드(1)가 렌즈고정대(6)의 구멍 중심에 위치하도록 고정시킨다. 일반적으로, 광집속형 렌즈(4)로 사용되는 플라노-콘벡스(plano-convex) 형태의 그린(GRIN) 렌즈는 직경이 1.8mm이고 길이가 약 3.2mm 정도되는 유리 막대형으로 제작된다. 그 후, 렌즈(4)가 삽입되어 있는 렌즈하우징(16)과 광섬유 페룰(11)을 동시에 동심축으로 잡고, 자유롭게 움직일 수 있는 레이저 용접장비를 이용하여 렌즈(4)와 광섬유 페룰(11) 간의 거리 및 렌즈(4)와 레이저 다이오드(1) 간의 거리를 변화시키면서, 횡방향 및 종방향으로 정렬하여 최적 조건이 되었을 때, 3가닥의 용접용 야그(YAG) 레이저빔을 용접될 부위(18,19)에 차례로 120˚ 각도에서 동시에 주사하여 렌즈(4)를 렌즈고정대(6)에 고정시킴으로써, 서브모듈(50)을 완성한다.

그후, 레이저 다이오드 모듈 제작을 위하여, 도 1b에 도시된 바와 같이, 사각의 버터플라이 패키지(13) 바닥에 열전 냉각소자(7)를 납땜으로 고정시키고, 열전 냉각소자(7)의 윗면에 열전도성 에폭시를 첨가한 후, 상기에서 제조된 서브모듈(50)을 올려 놓아 고정시킨다. 이렇게 준비된 사각의 버터플라이 패키지(13)는 궤환광 차단기(9)가 삽입된 후 다시 레이저 용접장비를 사용하여 베이스링(10)을 레이저 용접부위(20)에 용접하고, 이 베이스링(10)위에 페룰 하우징(12)을 매개체로하여 광섬유 페룰(11)을 레이저 용접하여 고정시킨다. 이때, 레이저 용접은 실제로 레이저 다이오드(1)를 구동시켜 방출되는 빛이 광섬유(23)에 가장 많이 집속될 때까지 미세한 정렬을 수행한 후, 용접후의 변위로 인한 광결합 효율저하를 방지하기 위해 종방향의 용접(21)을 수행한다. 그후, 광섬유 보호대(14)를 베이스링(10)의 나사홈(15)에 돌려 끼우고 모듈 뚜껑(24)을 덮어, 레이저 모듈을 완성한다.

레이저 모듈의 제작시, 베이스링(10)의 내경과 외경은 레이저 용접에 사용되는 부품의 규격 및 모듈 소형화를 고려하여 가능한 한 작게 하며, 광섬유 페룰(11)의 고정시 부품의 안정도와 모듈 소형화를 위하여 광섬유 페룰(11)이 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 베이스링(10)의 표면에서 내부로 들어가도록 설계된다. 한편, 모듈의 소형화를 고려하지 않고 광섬유 페룰(11)이 베이스링(10)의 표면에서 외부에 위치하도록 설계하였다 하더라도, 축방향의 광정렬시 베이스링(11)의 내부로 들어가게 되는 경우가 발생하게 된다.

그러나, 베이스링(10)의 내경과 광섬유 페룰(11)의 외경 사이에는 충분한 여유가 있지 않으므로, 만일 완성된 서브모듈(50)을 열전 냉각소자(7) 위에 고정시킬 때, 레이저 다이오드(1) 및 광집속형 렌즈(4)로 이어지는 광축(43)이 베이스링(10)의 중심에서 많이 (500μm 이상) 벗어나게 되면, 최대 광결합 위치가 베이스링(10)의 벗어나게 됨은 물론, 광섬유 페룰(11)의 외면이 베이스링(10)에 내면에 부딪히게 되어, 더 이상의 광정렬을 수행할 수 없게 되므로, 결국, 광모듈을 제작할 수 없는 사태가 되어 모듈 제작에 실패를 겪는 원인이 된다. 또한, 서브모듈(50)과 광섬유 페룰(11)의 광축이 어긋나면 광섬유(23)에 집속되는 빛의 광결합 효율도 저하되므로 바람직하지 못하다.

기존의 모듈 조립공정 중에 서브모듈(50)을 열전 냉각소자(7) 위에 고정시킬 때 주의해야 될 사항은 서브모듈(50)을 고정시킨 다음 궤환광 차단기(9)를 삽입하고 베이스링(10)을 레이저용접으로 고정시킨 후 광섬유 페룰(11)을 고정시킬 때의 공정의 난이도를 고려해야 한다는 점이다.

종래 기술에 따른 레이저 모듈 조립공정에서는, 광축(43)을 궤환광 차단기(9) 및 베이스링(10)의 중심에 맞추기 위해서, 열전 냉각소자(7)와 열 분산용 기판(2), 칩 캐리어(5) 및 레이저 다이오드(1)에 대한 정확한 설계 및 부품 가공으로 그 높이를 궤환광 차단기(9)의 중심 높이와 맞추고, 좌우의 중심은 현미경을 사용하여 칩 캐리어(5)와 버터플라이 패키지(13)를 정렬하여 맞추었다.

종래의 정렬방법에서의 문제점은 첫째로, 레이저 서브모듈(50)의 좌우 정렬시 현미경을 사용하여 정렬하지만, 결국은 현미경을 통해 관찰한 작업자의 판단에 의존하여야 하므로 그 정확도가 인간의 감지 한계를 벗어나지 못한다는 점과, 두번째로는, 레이저 서브모듈(50)의 상하 정렬시 비록 열전 냉각소자(7)와 열 분산용 기판(2), 칩 캐리어(5) 및 레이저 다이오드(1)에 대한 정확한 설계 및 부품 가공으로 그 높이를 궤환광 차단기(9)의 중심 높이와 맞추었지만, 이들 부품의 가공 오차에는 한계가 있음은 물론, 부품 고정시 임의의 양으로 사용되는 땜납, 열전도성 접착제, 전기전도성 접착제 등의 채용에 의해 부수적인 오차를 유발할 수 있다는 점이다.

실제로, 모듈 제작시 서브모듈(50)과 광섬유 페룰(11)과의 거리가 6∼7mm로 비교적 떨어져 있으므로, 이러한 약간의 오차로 인해서 서브모듈(50)이 광축(43)으로부터 벗어나는 경우, 광섬유 페룰(11)이 위치하는 지점에서의 광축은 베이스링(10)의 중심으로부터 쉽게 500㎛ 이상 벗어날 수 있다. 이러한 경우, 아무런 보정없이 부품을 조립하게 되면, 상기한 바와 같이 광섬유 페룰(11)의 정렬시 베이스링(10)과 광섬유 페룰(11)이 부딪치게 되어 모듈 조립에 실패할 가능성이 증가할 뿐 아니라, 서브모듈(50)의 광축과 광섬유 페룰(11)의 광축도 어긋나게 되므로, 광섬유(23)로 집속되는 빛의 광결합 효율도 감소하게된다.

도 2는 레이저 서브모듈이 장착된 종래 기술에 의한 반도체 레이저 모듈의 빔 정렬 장치의 전체 구성도이다. 이와 같은 빔 정렬 장치는 한국특허공개번호 제1998-00436076호에 개시되어 있다.

종래 기술에 의한 반도체 레이저 모듈의 빔 정렬기구는, 빔 정렬기구 받침대(42) 상에 부설되고, 서브모듈(50)을 정렬하기 위한 서브모듈 홀더(45)를 x, y, z 방향으로 움직이기 위한 서브모듈 홀더용 스테이지와, 정렬이 이루어진 후 서브모듈(50)과 열전 냉각소자 사이의 열전도성 에폭시를 열경화시켜 서브모듈(50)을 열전 냉각소자에 고정시키기 위한 핫플레이트(31)와, 버터플라이 패키지의 궤환광 차단기 삽입홈(44)에 그 일단이 삽입 설치되며, 상기한 서브모듈(50)의 레이저 다이오드에서 발산된 빔을 평행광으로 변환하여 스크린(39) 상에 맺히도록 하는 빔 정렬통(37)과, 상기한 빔 정렬통(37)을 고정하며 x, y, z 방향으로 움직이기 위한 x,y,z-스테이지(32)와, 서브모듈(50)의 정렬과정 중 정렬된 빔을 관찰하기 위한 스크린(39) 및 적외선 카메라(40)로 구성된다.

이때, 상기한 빔 정렬통(37), 원통 형상을 지니며 평행광 렌즈 조절용 손잡이(36)를 안내하기 위한 슬롯(35)이 형성된 평행광 렌즈 가이드(33), 상기한 렌즈 가이드(33) 내에 설치되며, 서브모듈(50)의 레이저 다이오드에서 발산된 빔을 평행광으로 변환하는 평행광 렌즈(34)와, 상기한 평행광 렌즈(34)의 상하부에 부설되며, 평행광 렌즈(34)의 중심으로 빔이 지나가도록 하는 평행광 렌즈 하우징(47)과, 상기한 렌즈(34)를 상기한 렌즈 가이드(34)의 슬롯(35)내에서 좌우로 이동시켜, 상기한 평행광 렌즈(34)를 빔 웨이스트(48) 후방에 위치시키기 위한 평행광 렌즈 조절용 손잡이(36)로 구성된다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래 기술에 따르면 수동적으로 빔을 정렬하여야 하므로 작업자의 판단에 의존하여 신뢰도가 저하되는 문제점이 있었다. 따라서, 자동으로 콜리메이팅 빔을 검출하는 새로운 방법이 요구되고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 콜리메이팅 렌즈에서 출사되는 빔이 평행광으로 변환되는 렌즈의 위치를 자동화된 광정렬 방법으로 찾을 수 있고, 빔 정렬 기구를 윈도우의 중심축에 맞추어 놓고 렌즈의 광정렬을 수행하면 광축이 벗어나는 정도가 상기 방법에 의해 광모듈을 제작하는 것에 비해 축소되므로 최종적으로 광결합 효율을 높일 수가 있다.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 레이저 다이오드의 모듈 제작시 이용되는 콜리메이팅 검출장치에 있어서, 레이저 다이오드로부터 방출되는 광의 입사각이 변함에 따라 출력광의 광파워를 변화시키는 페브리-페롯 에탈론과, 페브리-페롯 에탈론으로 부터 출력된 광출력의 차이를 검출해 내는 광검출기를 포함하여 구성되는 콜리메이팅 검출장치를 제공한다.

본 발명의 다른 측면은 콜리메이팅 검출장치를 이용하는 광모듈 장치에 있어서, 레이저 광을 생성시키는 레이저 다이오드; 레이저 다이오드로 부터 방출된 광을 통과시키는 렌즈; 렌즈로부터 통과된 광의 입사각이 변함에 따라 출력광의 광파워를 변화시키는 페브리-페롯 에탈론; 및 페브리-페롯 에탈론으로 부터 출력된 광출력의 차이를 검출해 내는 광검출기를 포함하여 구성되는 콜리메이팅 검출장치를 이용한 광모듈 장치를 제공한다.

한편, 입력 광의 파-필드 패턴의 FWHM값에 따른 투과율의 변화를 이용하여 광이 콜리메이팅 되었는지를 판단할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전 하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

이하, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콜리메이팅 검출장치는 페브리-페롯 에탈론(100)과 광검출기(101)를 포함하여 구성된다.

페브리-페롯 에탈론(100)는 레이저 다이오드(미도시)로부터 방출되는 광의 입사각이 변함에 따라 출력광의 광파워를 변화시키는 것으로, 페브리-페롯 에탈론(100)에 입사하는 광의 입사각에 따른 투과율의 변화를 이용하여 렌즈에서 출사되는 빔이 콜리메이팅 되었는지를 판단할 수 있게 되다.

바람직하게는, 입력 광의 파-필드 패턴(far-field pattern)의 FWHM(full width at half maximum) 값에 따른 투과율의 변화를 이용하여 렌즈에서 출사되는 빔이 콜리메이팅 되었는지를 판단할 수 있다.

이하, 페브리-페롯 에탈론(100)을 보다 상세히 설명한다.

파브리-페롯 간섭계를 통과하는 투과율은 다음 식(1)과 같이 표현된다.

(1)

여기에서 R은 간섭계의 양쪽면에 위치한 미러의 반사율을 나타내고, 미러사이의 굴절률은 n, 미러사이의 간격은 L, 간섭계의 면에 수직한 방향에 대해 입사하는 빔의 각도는 θ로 나타내었다. 위의 식(1)에 의하면 간섭계의 투과율이 각도의 함수인 것을 알 수 있다.

페브리-페롯 간섭계의 투과율이 입사각의 함수로 주어지는 식(1)을 이용하여 레이저 다이오드에서 방출되는 빔을 렌즈를 이용하여 콜리메이팅 시킬 때 콜리메이팅되는 빔의 경우 간섭계의 면에 거의 직각으로 입사하고, 콜리메이팅이 되지 않은 경우에는 어떤 임의의 각도로 입사를 한다. 이러한 각도의 함수로 투과율이 변하기 때문에 투과된 빔을 광검출기를 이용하여 검출함으로써 콜리메이팅 빔의 판단 근거를 제공할 수 있다.

한편, 페브리-페롯 간섭계의 양쪽면에 위치한 미러 사이의 간격을 일정하게 유지하는 경우를 페브리-페롯 에탈론이라 부른다. 즉, 위의 식(1)에서 L을 일정하게 유지하여 변하지 않게 유지한다.

광 검출기(101)는 특별히 한정되지 않는 다양한 종류가 가능하다. 예를 들어 검출능력이 우수한 Large-area PIN 포토다이오드를 이용할 수 있다.

도 4는 상술한 콜리메이팅 검출 장치를 이용하여 제작된 광모듈의 제작예의 구성도이다. 콜리메이팅 검출장치는 페브리-페롯 에탈론(100)과 광검출기(101)를 포함하여 구성되어 있고, 레이저 다이오드(102)에서 방출되는 레이저 빔을 렌즈(103)를 이용하여 콜리메이팅 시킬 때 렌즈(103)를 이동시킨다.

페브리-페롯 에탈론(100)는 렌즈(103)를 거쳐 방출되는 광의 입사각이 변함에 따라 출력광의 광파워를 변화시키는 기능을 수행하며, 페브리-페롯 에탈론(100)에 입사하는 광의 입사각에 따른 투과율의 변화를 이용하여 렌즈에서 출사되는 빔이 콜리메이팅 되었는지를 판단할 수 있게 되다.

한편, 광 검출기(101)에서 나오는 소정의 신호를 이용하여 자동정렬 장치에서 자동으로 렌즈를 정렬할 수 있도록 구성하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 사상이나 범위로부터 이탈됨이 없이 본 발명의 다양한 변경이 가능해질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 구현 예에 대한 상기의 설명은 예시의 목적으로만 제공될 것이며, 첨부된 청구 범위 및, 그것의 등가물에 의해서 한정되는 본 발명을 제한하기 위한 목적을 위해서 제공되는 것은 아니다.

상술한 바와 같이 본 발명은 종래의 빔 프로파일러나 적외선 카메라를 이용하여 수동적으로 빔을 정렬하는 방법에 비해 정확한 콜리메이팅 빔을 얻을 수 있고, 작업자의 판단에 의해 수행하는 종래의 방법들에 비해 자동으로 콜리메이팅 빔을 검출하는 본 발명은 신뢰도를 높일 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 본 발명은 정확한 콜리메이팅 빔을 얻을 수 있기 때문에 최종적으로 광섬유에 출력되는 빔의 파워을 높일 수 있어 광결합 효율도 높일 수 있다.

도 1a는 종래기술에 의한 고속 광통신용 레이저 모듈의 평면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 레이저 모듈의 측면도이며, 도 1c는 도 1a에 도시된 레이저 모듈 중 레이저 서브모듈의 측면도이다.

도 2는 레이저 서브모듈이 장착된 종래 기술에 의한 반도체 레이저 모듈의 빔 정렬 장치의 전체 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 콜리메이팅 검출장치의 개략적인 구성도이다.

도 4는 도 3의 콜리메이팅 검출 장치를 이용하여 제작된 광모듈의 제작예의 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 기호 설명>

100: 페브리-페롯 에탈론 101: 광검출기

102: 반도체 레이저 다이오드 103: 렌즈

Claims (5)

1. 레이저 다이오드의 모듈 제작시 이용되는 콜리메이팅 검출장치에 있어서,

   레이저 다이오드로부터 방출되는 광의 입사각이 변함에 따라 출력광의 광파워를 변화시키는 페브리-페롯 에탈론; 및

   상기 페브리-페롯 에탈론으로 부터 출력된 광출력의 차이를 검출해 내는 광검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 콜리메이팅 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력 광의 파-필드 패턴의 FWHM값에 따른 투과율의 변화를 이용하여 광이 콜리메이팅 되었는 지를 판단하는 것을 특징으로 하는 콜리메이팅 검출장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광검출기는 PIN 다이오드인 것을 특징으로 하는 콜리메이팅 검출장치.
4. 콜리메이팅 검출장치를 이용하는 광모듈 패키징 장치에 있어서,

   레이저 광을 생성시키는 레이저 다이오드;

   상기 레이저 다이오드로 부터 방출된 광을 통과시키는 렌즈;

   상기 랜즈로부터 통과된 광의 입사각이 변함에 따라 출력광의 광파워를 변화시키는 페브리-페롯 에탈론; 및

   상기 페브리-페롯 에탈론으로 부터 출력된 광출력의 차이를 검출해 내는 광검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 콜리메이팅 검출장치를 이용한 광모듈 패키징 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 입력광의 파-필드 패턴의 FWHM값에 따른 투과율의 변화를 이용하여 상기 렌즈에서 출사되는 빔이 콜리메이팅 되었는 지를 판단하는 것을 특징으로 하는 콜리메이팅 검출장치를 이용한 광모듈 패키징 장치.