KR20050068602A - 광신호 증폭장치, 이를 구비하는 광통신 모듈 및 그제조방법 - Google Patents

광신호 증폭장치, 이를 구비하는 광통신 모듈 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광신호의 전송시 신호의 감쇄를 보상해주는 광신호 증폭장치에 관한 것으로, 특히 하이브리드 집적이 가능한 광신호 증폭장치, 이를 구비하는 광통신 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 광신호 증폭장치는 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하며, 상기 제1 표면에 리세스(recess)가 형성된 기판과; 상기 리세스 내에 실장되며, 펌핑광을 출력하는 발광다이오드(LED)와; 상기 기판의 제2 표면에 형성되며, 상기 펌핑광에 의해 입력 광신호를 증폭하여 출력하는 SRSO(silicon rich silicon oxide) 광 증폭부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

광신호 증폭장치, 이를 구비하는 광통신 모듈 및 그 제조방법{OPTICAL AMPLIFIER, OPTICAL MODULE WITH THE SAME AND METHOD FOR FABRICATING THEREOF}
본 발명은 광신호의 전송시 신호의 감쇄를 보상해주는 광신호 증폭장치에 관한 것으로, 특히 하이브리드 집적이 가능한 광신호 증폭장치, 이를 구비하는 광통신 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광통신 시스템에 있어서 여러 기능을 갖는 광소자를 구현하기 위해 단일 부품을 각각 독립적으로 조립하여 광통신 모듈을 제작하는 경우 제품의 가격, 크기 면에서 경쟁력이 떨어지게 된다. 따라서, 이러한 단점을 극복하고 대량생산에 따른 가격 경쟁력을 확보하기 위한 방법으로 집적화(integration) 기술이 광소자에도 적용되고 있다. 집적화 기술로는 현재 하이브리드 집적(hybrid integration)과 모놀리식 집적(monolithic integration) 방법이 개발되고 있다. 하이브리드 집적화 기술은 광 플랫폼(optical platform) 기술이라고 할 수 있다. 이는 평면광파회로(planar lightwave circuit; PLC) 기술을 이용하여 수동(passive) 소자의 기능을 집적화한 플랫폼 위에 능동 소자를 하이브리드 상태로 집적화하는 기술이다. 모놀리식 집적화 기술은 시스템-온-칩(system on a chip) 기술로써 레이저 다이오드를 제외한 모든 광/전 부품을 실리콘 CMOS 공정을 이용하여 모놀리식 집적으로 원칩(one chip)화하는 기술이다. 궁극적으로는 모놀리식 집적화가 가장 진보된 형태의 기술이지만 현실적으로 어려운 점이 많아 현재는 하이브리드 집적화에 대한 연구가 주로 행해지고 있다.
한편, 송신기로부터 송출된 신호광은 광전송로를 통해 전송될 때에 전송 손실을 입고 수신기에 도달할 때에는 파워가 작아지게 된다. 수신기에 도달한 신호광의 파워가 소정치 이하이면, 수신 에러에 의해 정상적으로 광통신을 행할 수 없는 경우가 생길 수 있다. 따라서, 송신기와 수신기 사이에 광 증폭기를 설치하여 신호광을 증폭함으로써 신호광이 광전송로를 통해 전송될 때에 입은 전송손실을 보상하고, 좀 더 먼 거리를 적은 오류를 가지고 전송할 수 있다.
이러한 광증폭기에는 EDFA(erbium doped fiber amplifier)가 가장 일반적이다. EDFA는 희토류 원소(예를 들면 Er)가 첨가된 실리카 유리 섬유(silica glass fiber)를 이용한 것으로, 펌핑광에 의해 첨가된 희토류 원소를 여기(excitation)시킴으로써 입력 신호광을 증폭하여 출력한다.
그러나, 상기 EDFA는 광섬유를 사용함으로 인해 하이브리드 집적화에 적합하지 않다. 또한 펌핑용 광원으로써 대개 100㎽ 이상의 고출력 레이저를 사용하기 때문에 가격이 비싼 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 하이브리드 집적이 가능하며, 제작비용이 저렴한 광신호 증폭장치, 이를 구비하는 광통신 모듈 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광신호 증폭장치는 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하며, 상기 제1 표면에 리세스(recess)가 형성된 기판과; 상기 리세스 내에 실장되며, 펌핑광을 출력하는 발광다이오드(LED)와; 상기 기판의 제2 표면에 형성되며, 상기 펌핑광에 의해 입력 광신호를 증폭하여 출력하는 SRSO(silicon rich silicon oxide) 광 증폭부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 SRSO 광증폭부는 희토류 원소가 첨가된 SRSO 코어층과, 상기 SRSO 코어층을 감싸도록 형성된 상부 클래딩 및 하부 클래딩을 포함함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 리세스는 상기 제1 표면의 벌크 식각에 의해 상기 SRSO 광증폭부가 노출되도록 형성되며, 필요에 따라 적어도 2차례의 식각에 의해 계단(step)형으로 형성됨을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 코어층은 단위 면적당 최대의 광결합 효율을 갖도록 실질적으로 나선형(spiral)으로 형성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 광통신 모듈은 기판, 하부 클래딩, 코어 및 상부 클래딩을 구비하며, 광학소자가 집적된 PLC(planar lightwave circuit) 플랫폼(platform)과; 상기 코어와 광결합 가능하도록 상기 PLC 플랫폼 위에 표면 실장되는 광신호 증폭장치를 포함하며, 상기 광신호 증폭장치는
서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하며, 상기 제1 표면에 리세스(recess)가 형성된 반도체 기판과; 상기 리세스 내에 실장되며, 펌핑광을 출력하는 발광다이오드(LED)와; 상기 반도체 기판의 제2 표면에 형성되며, 상기 펌핑광에 의해 입력 광신호를 증폭하여 출력하는 SRSO(silicon rich silicon oxide) 광 증폭부를 구비함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 SRSO 광증폭부는 상기 PLC 플랫폼과의 광학 정렬을 위한 위치 정렬용 키(align key)를 더 포함함을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광신호 증폭장치의 제조방법은 (a) 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하는 실리콘 기판의 상기 제1 표면 위에 하부 클래딩을 형성하는 과정과; (b) 상기 하부 클래딩 위에 희토류 원소가 첨가된 SRSO(silicon rich silicon oxide) 코어층을 형성하는 과정과; (c) 단위면적당 최대의 광결합 효율을 갖도록 상기 SRSO 코어층을 패터닝하는 과정과; (d) 상기 패터닝 된 SRSO 코어층 위에 상부 클래딩을 형성하는 과정과; (e) 상기 실리콘 기판의 제2 표면을 벌크 식각하여 리세스(recess)를 형성하는 과정과; (f) 상기 리세스 내에 발광다이오드(LED))를 실장하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 (e)과정은 상기 하부 클래딩이 노출되도록 상기 실리콘 기판의 제2 표면을 벌크 식각하며, 필요에 따라 적어도 2번의 포토리소그래피 공정에 의해 계단형의 리세스를 형성함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광신호 증폭장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 광신호 증폭장치(100)는 표면실장형 광 증폭기로써 기판(101)과, SRSO(silicon rich silicon oxide) 광 증폭부(110)와, 발광다이오드(LED, 120)를 포함한다.
상기 SRSO 광 증폭부(110)는 코어(103)와 상기 코어를 둘러싸고 있는 하부 클래딩(102) 및 상부 클래딩(104)으로 구성된다. 상기 코어(103)는 희토류 원소(예를 들면 Er)가 첨가되고 나노결정 실리콘(Si nanocrystal)이 형성되어 있는 SiO2로 이루어진다. 상기 희토류 원소가 첨가된 SiO2는 외부 펌핑광에 의해 희토류 원소가 펌핑 즉 여기(excitation) 되어 입력 광신호를 증폭하는 작용을 수행하며, 이는 EDFA의 증폭 메커니즘과 유사하다. EDFA와의 차이점은 나노결정 실리콘이 형성되어 있다는 것이다. 나노결정 실리콘은 효과적인 캐리어 트래핑 사이트(carrier trapping site)로 작용하며, 이에 의해 매우 크고 연속적인 광흡수 교차 단면(absorption cross section)이 형성된다. 따라서, 발광다이오드(LED)와 같이 광대역(broadband)의 탑 펌핑(top pumping)에도 효과적으로 작용한다.
또한, 상기 코어(103) 및 클래딩(102, 104)으로 이루어진 도파로는 그 길이가 길수록 증폭효율이 높으므로 단위 면적당 증폭효율이 최대가 되도록 예를 들면 나선형(spiral)으로 형성한다. 이때, 도파로가 꺽이는 부분에서의 광손실(banding loss)을 최소화하기 위해 나선형의 모서리 부분은 완만한 곡선을 이루도록 하며, 또한 도파로의 굴절률 및 반경을 조절한다.
상기 하부 클래딩(102)은 SiO2로 이루어지며, 상부 클래딩(104)은 융점 및 굴절률 조절을 위한 첨가체가 첨가된 SiO2로 이루어진다.
상기 발광다이오드(LED, 120)는 상기 SRSO 광 증폭부(110) 표면에 펌핑광을 제공하며, 상기 기판(101)을 벌크 식각(bulk etching)한 후 SRSO 광 증폭부(110)에 인접하게 실장 된다. 상기 발광다이오드(120)는 패키지(package) 상태로 형성될 수도 있고, 칩 형태로 실장 될 수도 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 광신호 증폭장치의 제조과정을 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 본 발명의 광신호 증폭장치의 제조과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(101) 위에 열산화(thermal oxidation), FHD(flame hydrolysis deposition), PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition), LPCVD(low pressure CVD) 등의 방법으로 SiO2 하부 클래딩(102)을 형성한다.
도 2b에서 상기 SiO2 하부 클래딩(102) 위에 PECVD 등의 방법으로 어븀(Er) 첨가된 SRSO(silicon rich silicon oxide) 코어층(103)을 증착한 다음, 일반적인 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 도파로 패턴을 형성을 위한 마스크 패턴을 형성하고, 플라즈마 식각을 통해 도파로를 제작한다.
도 2c에서, 상기 패턴 형성된 SRSO 코어층(103) 위에 FHD 또는 PECVD 등의 공정으로 SiO2 상부 클래딩(104)을 형성한다. 이때, 미세한 코어층(103) 패턴을 커버하도록 붕소(boron), 인(phosphrus) 등의 첨가제를 넣어 점도를 낮춘 물질을 사용한다.
도 2d에서, 상기 실리콘 기판(101)의 배면에 포토리소그래피 공정에 의해 마스크 패턴을 형성하고, 벌크 식각(bulk etching) 방법에 의해 식각하여 발광다이오드(LED)(120)를 실장 할 수 있는 공간을 형성한다. 본 실시예는 2번의 리소그래피 공정을 통해 계단형의 실장 공간을 형성한 예를 나타낸 것으로, 이때, 발광다이오드(120)가 장착되는 부분의 실리콘 기판(101)을 모두 제거하여 SRSO 광 증폭부(110)가 노출되도록 함으로써 발광다이오드(120)에서 나온 범핑 광이 SRSO 광 증폭부(110)에 전달될 수 있도록 한다.
도 2e에서, 상기 실리콘 기판(101)의 벌크 식각에 의해 형성된 식각 면에 발광다이오드(120) 패키지를 실장한다.
도 3은 본 발명의 적용예를 나타낸 도면으로, PLC 플랫폼(platform)(200) 위에 광신호 증폭장치(100)를 표면 실장한 예를 나타낸다. 여타의 광소자가 집적되어 있는 PLC 플랫폼(200) 위에 광신호 증폭장치(100)를 실장하기 위해서는 광도파로(waveguide) 간의 정밀한 정렬이 필요하며, 이를 위해 위치 정렬용 키(align key)가 SRSO 광증폭부에 형성된다. 위치 정렬용 키는 주로 십자 또는 정사각형 형태를 띠며 플립-칩 본더(flip-chip bonder)가 인식하기 용이한 곳에 패턴 형성되어 사용된다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 SRSO 광신호 증폭장치의 구조를 변경함으로써 표면실장 및 컴팩트(compact)한 패키지 제작이 가능하다. 따라서, 하이브리드 집적이 가능하여 광 증폭이 필요한 다기능 복합소자의 제작 시에 유용하다.
또한, 저가의 발광다이오드(LED)를 펌핑 광원으로 사용함으로써 광신호 증폭장치 및 광통신 모듈의 제조단가를 크게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광신호 증폭장치의 구성을 나타낸 도면,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 광신호 증폭장치의 제조과정을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 적용예를 나타낸 도면.

Claims (12)

  1. 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하며, 상기 제1 표면에 리세스(recess)가 형성된 기판과;
    상기 리세스 내에 실장되며, 펌핑광을 출력하는 발광다이오드(LED)와;
    상기 기판의 제2 표면에 형성되며, 상기 펌핑광에 의해 입력 광신호를 증폭하여 출력하는 SRSO(silicon rich silicon oxide) 광 증폭부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광신호 증폭장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 SRSO 광증폭부는
    희토류 원소가 첨가된 SRSO 코어층과,
    상기 SRSO 코어층을 감싸도록 형성된 상부 클래딩 및 하부 클래딩을 포함함을 특징으로 하는 광신호 증폭장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 리세스는
    적어도 2차례의 식각에 의해 계단(step)형으로 형성됨을 특징으로 하는 광신호 증폭장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리세스는
    상기 제1 표면의 벌크 식각에 의해 상기 SRSO 광증폭부가 노출되도록 형성됨을 특징으로 하는 광신호 증폭장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 코어층은
    단위 면적당 최대의 광결합 효율을 갖도록 실질적으로 나선형(spiral)으로 형성됨을 특징으로 하는 광신호 증폭장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 상부 클래딩 및 하부 클래딩은
    SiO2를 포함함을 특징으로 하는 광신호 증폭장치.
  7. 기판, 하부 클래딩, 코어 및 상부 클래딩을 구비하며, 광학소자가 집적된 PLC(planar lightwave circuit) 플랫폼(platform)과;
    상기 코어와 광결합 가능하도록 상기 PLC 플랫폼 위에 표면 실장되는 광신호 증폭장치를 포함하며, 상기 광신호 증폭장치는
    서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하며, 상기 제1 표면에 리세스(recess)가 형성된 반도체 기판과; 상기 리세스 내에 실장되며, 펌핑광을 출력하는 발광다이오드(LED)와; 상기 반도체 기판의 제2 표면에 형성되며, 상기 펌핑광에 의해 입력 광신호를 증폭하여 출력하는 SRSO(silicon rich silicon oxide) 광 증폭부를 구비함을 특징으로 하는 광통신 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 SRSO 광증폭부는 상기 PLC 플랫폼과의 광학 정렬을 위한 위치 정렬용 키(align key)를 더 포함함을 특징으로 하는 광통신 모듈.
  9. (a) 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하는 실리콘 기판의 상기 제1 표면 위에 하부 클래딩을 형성하는 과정과;
    (b) 상기 하부 클래딩 위에 희토류 원소가 첨가된 SRSO(silicon rich silicon oxide) 코어층을 형성하는 과정과;
    (c) 단위면적당 최대의 광결합 효율을 갖도록 상기 SRSO 코어층을 패터닝하는 과정과;
    (d) 상기 패터닝 된 SRSO 코어층 위에 상부 클래딩을 형성하는 과정과;
    (e) 상기 실리콘 기판의 제2 표면을 벌크 식각하여 리세스(recess)를 형성하는 과정과;
    (f) 상기 리세스 내에 발광다이오드(LED))를 실장하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 광신호 증폭장치의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 (d)과정은
    상기 미세한 패턴의 SRSO 코어층을 커버하도록 첨가제를 첨가하여 상부 클래딩의 점도를 낮추는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 광신호 증폭장치의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 (e)과정은
    상기 하부 클래딩이 노출되도록 상기 실리콘 기판의 제2 표면을 벌크 식각함을 특징으로 하는 광신호 증폭장치의 제조방법.
  12. 제 9 항 또는 제 11항에 있어서, 상기 (e)과정은
    적어도 2번의 포토리소그래피 공정에 의해 계단형의 리세스를 형성함을 특징으로 하는 광신호 증폭장치의 제조방법.
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