KR20050071795A

KR20050071795A - 수직 공동 표면 발광 레이저 모듈

Info

Publication number: KR20050071795A
Application number: KR1020040000113A
Authority: KR
Inventors: 곽규섭; 이영민; 안준현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-01-02
Filing date: 2004-01-02
Publication date: 2005-07-08
Also published as: US20050147360A1; KR100593995B1; US7160038B2

Abstract

본 발명에 따른 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL) 모듈은, 그 하부에 에칭 영역을 갖는 기판과, 상기 기판 상면에 적층되며 광 생성을 위한 복수의 층들을 포함하며, 생성된 광을 그 상측 및 하측으로 방출하기 위한 VCSEL을 포함하며, 상기 VCSEL 모듈은 상기 VCSEL의 하측으로 방출된 광을 검출함으로써, 상기 VCSEL의 출력 상태를 모니터링한다.

Description

수직 공동 표면 발광 레이저 모듈{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER MODULE}

본 발명은 레이저 모듈에 관한 것으로서, 특히 수직 공동 표면 발광 레이저 모듈(vertical cavity surface emitting laser module: VCSEL module)에 관한 것이다.

저가형 광모듈의 개발은 FTTH(fiber to the home) 구현의 핵심 요소가 되어 가고 있다. 특히, 수직 공동 표면 발광 레이저를 이용한 양방향 광모듈 개발이 활발한데, 저가형 광모듈 제작에 있어서 VCSEL 자체의 광 출력을 측정하는 구조가 간단하지 않다. 이는, VCSEL의 특성상 광 출력 방향이 소자에 수직이기 때문인데, 수직 상향으로 방출된 광을 반사하여 다시 VCSEL이 탑재된 실리콘 광학 벤치(silicon optical bench: SiOB) 쪽으로 유도하기가 어렵기 때문이다. 또한, 상기 VCSEL을 포함한 여러 소자들이 집적되는 경우에 원하는 않은 영역으로의 반사를 조절할 수 어렵다는 단점이 있다.

VCSEL의 광 출력을 측정하기 위한 모니터 포토다이오드(monitor photodiode: MPD)로는 실리콘 기판 PD(Si-base PD)가 일반적이다. 단방향(uni-directional)(또는, 송신용 또는 수신용) 광모듈 제작의 경우에는, 발광 소자인 VCSEL과 수광 소자인 PIN-PD(positive-intrinsic-negative PD)가 따로 집적되기 때문에, MPD를 VCSEL과 집적하기가 용이한 편이다. 특히, TO-캔 패키지(TO-can package)를 이용한 경우는 그 해결 방법이 다양하게 제시되고 있다.

도 1은 종래의 TO-캔 패키지 구조의 VCSEL 모듈의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 상기 VCSEL 모듈(100)은 기판(substrate, 110), 복수의 핀들(pin, 112), 광학 벤치(120), VCSEL(130), 하우징(housing, 140), 렌즈(lens, 150) 및 광섬유(optical fiber, 160)를 포함한다.

상기 기판(110)에는 전압 인가를 위한 복수의 핀들(112)이 설치되며, 그 상면에 상기 광학 벤치(120)가 탑재된다. 상기 광학 벤치(120)의 상면의 중심부에는 상기 VCSEL(130)이 탑재되고, 주변부에는 광 검출을 위한 MPD 영역들(MPD region, 미도시)이 형성되어 있다. 상기 하우징(140)은 그 하단이 상기 기판(120)에 부착되고, 그 상단에 원형의 홀이 형성되어 있다. 상기 렌즈(150)는 상기 홀에 설치되며, 상기 VCSEL(130)의 상측으로 방출된 광을 수렴시키고, 그 일부는 하측으로 반사한다. 상기 광섬유(160)는 코어(core, 162)와 클래드(clad, 164)를 포함하며, 상기 렌즈(150)와 정렬되도록 상기 하우징(140)의 상측에 배치된다. 상기 렌즈(150)에 의해 수렴된 광은 상기 광섬유(160)의 코어(162)에 입사되고, 상기 렌즈(150)에 의해 반사된 광은 상기 광학 벤치(120) 상의 MPD 영역들에 입사된다. 상기 MPD 영역은 입사된 광을 전기 신호로 검출하고, 상기 전기 신호로부터 상기 VCSEL(130)의 출력 상태를 모니터링(monitoring)한다.

양방향(또는, 송수신용) 광모듈 제작의 경우 VCSEL과 PIN-PD가 하나의 패키지에 함께 집적되어야 하는데, 이러한 경우에 VCSEL로부터 방출된 광이 상기 PIN-PD로 반사되는 것을 피해야 한다. 따라서, 상기 VCSEL 모듈과 같이 반사되는 광을 이용한 출력 모니터링에 제약을 받게 되는 것이다. 또한, 양방향 광모듈의 경우 PLC(planar lightwave circuit)를 이용한 경우 많은데, 이러한 경우에 VCSEL과 PIN-PD 사이의 간격이 매우 좁기 때문에 반사된 광을 검출하는 방식을 적용하기 어렵다. 또한, 패러럴 링크(parallel link)와 같이 어레이(array) 형태로 복수의 소자들이 집적될 경우에 어느 한 소자에서 방출된 광이 인접한 소자로 입사되지 않도록 하기 위한 방법이 용이하지 않다.

상술한 바와 같이, 종래의 VCSEL 모듈은 반사광을 이용하여 VCSEL의 출력 상태를 모니터링하므로, 양방향 광모듈, 패러럴 링크 등에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 반사광을 이용하지 않고 VCSEL에서 방출된 광을 검출할 수 있는 VCSEL 모듈을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL) 모듈은, 그 하부에 에칭 영역을 갖는 기판과, 상기 기판 상면에 적층되며 광 생성을 위한 복수의 층들을 포함하며, 생성된 광을 그 상측 및 하측으로 방출하기 위한 VCSEL을 포함하며, 상기 VCSEL 모듈은 상기 VCSEL의 하측으로 방출된 광을 검출함으로써, 상기 VCSEL의 출력 상태를 모니터링한다.

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

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 VCSEL 모듈의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 3a는 도 2에 도시된 VCSEL를 나타낸 좌측면도이며, 도 3b는 도 2에 도시된 VCSEL를 나타낸 저면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 SiOB를 A-A를 따라 나타낸 단면도이다. 도 2는 상기 VCSEL를 상기 SiOB로부터 분리하여 나타낸 것이고, 도 5는 상기 VCSEL가 상기 SiOB에 안착된 상태를 나타내는 정면도이다. 상기 VCSEL 모듈(200)은 SiOB(210), VCSEL(250), 렌즈(285)를 갖는 플라스틱 몰드 패키지(plastic molded package, 280), 광섬유(290)를 포함한다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 SiOB(210)는 그 상부에 V-홈(V-groove, 222)이 제공되며, 상기 V-홈(222)의 저면에 MPD 영역(230)이 제공된다. 상기 MPD 영역(230)은 상기 VCSEL(250)의 하측으로 방출된 광을 검출한다. 상기 MPD 영역(230)은 통상의 확산 공정(diffusion process)을 이용하여 형성된다. 상기 MPD 영역(230)을 동작시키기 위한 MPD 양극 패드(MPD anode pad, 242)가 상기 V-홈(222)의 일측에 배치되고, 상기 MPD 영역(230)과 상기 MPD 양극 패드(242)는 제1 금속 패턴(metal pattern)에 의해 전기적으로 연결된다. 상기 V-홈(222)의 타측에는 상기 VCSEL(250)을 동작시키기 위한 VCSEL 음극 패드(VCSEL cathode pad, 244)가 배치되고, 상기 VCSEL(250)과 상기 VCSEL 음극 패드(250)는 상기 MPD 영역(230)의 둘레에 배치된 제2 금속 패턴에 의해 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 VCSEL 음극 패드(244)의 일측에 상기 VCSEL(250)을 동작시키기 위한 VCSEL 양극 패드(246)가 배치된다. 상기 패드들(242,244,246)은 모두 상기 V-홈(222)의 둘레에 배치되도록 상기 SiOB(210)의 상면에 적층된다. 상기 SiOB(210)의 하면에는 상기 MPD 영역(230)을 동작시키기 위한 MPD 음극 패드(248)가 적층된다.

도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 VCSEL(250)은 그 하부에 에칭 영역(etched region, 262)을 갖는 기판(260)과, 상기 기판(260) 상면에 적층된 복수의 층들(270)을 포함하고, 상기 복수의 층들(270)은 광 생성을 위한 활성 영역(active region)을 포함한다. 상기 에칭 영역(262)은 전체적으로 하단 개방된 박스(box) 형태를 가지며, 상기 MPD 양극 패드(242) 쪽으로 그 일측면의 일부가 개방됨으로써 상기 VCSEL(250)의 에칭되지 않은 하면이 상기 제1 금속 패턴과 접촉되는 것을 방지한다. 상기 에칭 영역(262)은 필요에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 상기 에칭 영역(262)은 상기 VCSEL(250)의 하측으로 방출된 광이 상기 기판(260)에서 흡수되는 것을 최소화함으로써, 상기 MPD 영역(230)에 입사되는 광의 파워를 최대화한다.

상기 VCSEL(250)이 상기 SiOB(210)에 안착된 상태를 나타내는 도 5를 참조하면, 상기 VCSEL(250)은 상기 V-홈(222)의 저면에 안착되며, 이 때, 상기 MPD 영역(230)은 상기 에칭 영역(262)에 의해 덮여지며, 상기 VCSEL(250)의 에칭되지 않은 하면은 상기 VCSEL 음극 패드(244)로부터 연장된 제2 금속 패턴과 밀착됨으로써 상기 VCSEL 음극 패드(244)와 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제1 금속 패턴은 상기 VCSEL(250)의 일부 개방된 측면을 접촉없이 통과하여 상기 MPD 영역(230)과 전기적으로 연결되어 있다.

상기 플라스틱 몰드 패키지(280)는 그 중심부에 렌즈(285)를 가지며, 전체적으로 평판(plate) 형상을 갖는다. 상기 렌즈(285)를 갖는 플라스틱 몰드 패키지(280)는 일체로 형성된다. 상기 렌즈(285)는 상기 VCSEL(250)의 상측으로 방출된 광을 수렴(convergence)시킨다.

상기 광섬유(290)는 상기 렌즈(285)와 광축(optical axis) 정렬되며, 광 전송 매체인 코어(292)와 상기 코어(292)를 둘러싸는 클래드(294)를 포함한다. 상기 렌즈(285)에 의해 수렴된 광은 광섬유(290)의 코어(292)에 입사되고, 상기 코어(292) 내로 결합된 광은 상기 광섬유(290)의 길이 방향을 따라 진행한다.

상기 VCSEL(250)의 하측으로 방출된 광은 상기 MPD 영역(230)에 입사되며, 상기 MPD 영역(230)은 입력된 광을 전기적 신호로 검출함으로써 상기 VCSEL(250)의 출력 상태를 모니터링한다. 상기 VCSEL(250)을 상기 V-홈(222)의 저면 상에 안착시킴으로써, 상기 VCSEL(250)의 높이를 낮추고, 제작 공정을 용이하게 한다.

도 6은 도 2에 도시된 VCSEL 모듈(200)을 매트릭스(matrix) 형태로 복수 배열하고 패러럴 링크를 적용한 예이다. 도 6에 도시된 구조(300)는 도 2에 도시된 구조(200)를 중복 배치하고, 패러럴 링크를 적용한 것이므로, 중복되는 설명은 생략하고 동일 소자에 대해서는 동일 도면 부호를 사용하기로 한다.

도시된 바와 같이, 복수의 SiOB들(210)이 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 각 SiOB(210) 상에 해당 VCSEL(250)이 안착된다. 상기 복수의 VCSEL들(250)을 덮도록 복수의 렌즈들(285')을 갖는 플라스틱 몰드 패키지(280')가 제공되며, 상기 렌즈들(285')과 일대일 정렬되는 복수의 광섬유들(290)이 제공된다. 패러럴 링크를 위해 상기 SiOB들(210)과 평행하게 배치된 하나 이상의 보조 기판(310)이 제공되며, 상기 보조 기판(310)의 상면에는 상기 SiOB들(210)과 전기적으로 연결되는 복수의 어드레서블 패드들(addressable pad, 320)이 적층된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직 공동 표면 발광 레이저 모듈은 VCSEL의 하부를 에칭하고, 상기 VCSEL의 하측으로 방출된 광을 직접 검출함으로써 반사광을 이용하지 않고 상기 VCSEL의 출력 상태를 모니터링할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 종래의 TO-캔 패키지 구조의 VCSEL 모듈의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 VCSEL 모듈의 구성을 나타내는 사시도,

도 3a는 도 2에 도시된 VCSEL를 나타낸 좌측면도,

도 3b는 도 2에 도시된 VCSEL를 나타낸 저면도,

도 4는 도 2에 도시된 SiOB를 A-A를 따라 나타낸 단면도,

도 5는 도 2에 도시된 VCSEL가 상기 SiOB에 안착된 상태를 나타내는 정면도,

도 6은 도 2에 도시된 VCSEL 모듈을 매트릭스 형태로 복수 배열하고 패러럴 링크를 적용한 예를 나타낸 도면.

Claims

수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL) 모듈에 있어서,

그 하부에 에칭 영역을 갖는 기판과, 상기 기판 상면에 적층되며 광 생성을 위한 복수의 층들을 포함하며, 생성된 광을 그 상측 및 하측으로 방출하기 위한 VCSEL을 포함하며,

상기 VCSEL 모듈은 상기 VCSEL의 하측으로 방출된 광을 검출함으로써, 상기 VCSEL의 출력 상태를 모니터링함을 특징으로 하는 수직 공동 표면 발광 레이저 모듈.
제1항에 있어서,

그 상부에 상기 VCSEL의 하면을 통해 방출된 광을 검출하기 위한 모니터 포토다이오드(MPD) 영역이 형성되어 있으며, 상기 MPD 영역과 상기 에칭 영역이 정렬된 채로 그 상면에 상기 VCSEL이 탑재되는 광학 벤치를 더 포함함을 특징으로 하는 수직 공동 표면 발광 레이저 모듈.
제2항에 있어서,

상기 광학 벤치의 상면에는 V-홈이 형성되어 있으며, 상기 MPD 영역은 상기 V-홈의 저면에 형성됨을 특징으로 하는 수직 공동 표면 발광 레이저 모듈.
제1항에 있어서,

그 중심부에 렌즈를 가지며, 상기 렌즈는 상기 VCSEL의 상측으로 방출된 광을 수렴시키기 위한 플라스틱 몰드 패키지를 더 포함함을 특징으로 하는 수직 공동 표면 발광 레이저 모듈.
제4항에 있어서,

상기 렌즈와 광축 정렬되며, 상기 렌즈에 의해 내부로 결합된 광을 전송하기 위한 광섬유를 더 포함함을 특징으로 하는 수직 공동 표면 발광 레이저 모듈.