KR20060125509A - 광 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학대 및 광섬유 커넥터 사이의 광학적, 기계적 연결을 제공하는 광 어셈블리를 제공한다. 본 발명은 미세 광학 소자들을 형성하는 광전자 산업에 있어서 특별한 이용 가능성이 있다.
광 어셈블리, 광학대, 광섬유 커넥터

Description

광 어셈블리{OPTICAL ASSEMBLIES}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 광 어셈블리의 제 1 파쇄도이다.
도 3은 도 2와 반대 방향에서 도시한 도 1의 광 어셈블리의 제 2 파쇄도이다.
도 4는 본 발명의 다른 태양에 따른 광 어셈블리의 상부 하우징 부분을 도시한 도면이다.
본 출원은 2005년 6월 1일자 미국 임시출원 제60/686,543호에 대하여 우선권의 이익을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용은 여기에 참고문헌으로 포함된다.
본 발명은 일반적으로는 광전자 공학(Optoelectronics) 분야에 속하는 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 광학대(optical bench)와 광섬유 커넥터 간의 광학적, 기계적 연결을 제공하는 광 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명은 송신기, 수신기 또는 트랜시버 광학 하위 부품과 같은 광전자 하위 부품을 위한 하우징을 포함하며, 광섬유 커넥터와 연결될 수 있는 미세 광학 소자 어셈블리의 제조에 특히 적 용될 수 있다.
레이저 및 광검출기와 같은 광전자 장치들은 다양한 응용분야, 예를 들면 전기통신 산업에서 사용된다. 현존하는 상업적 송신기 광학 하위 부품들(TOSAs)은 레이저 다이오드 및 모니터 다이오드를 포함하는 TO-can 헤더 어셈블리(TO-can header assembly)를 기반으로 하는 공정을 사용하여 제조된다. 통상의 TO-can 형태의 패키지는 예를 들면 미국 특허공개공보 제2004/0240497호에 기재되어 있다. 헤더 어셈블리는 광신호가 광전자 장치로부터 또는 광전자 장치로 전달되도록 하는 광학적으로 투명한 창 또는 렌즈를 또한 구비한다. 레이저 광을 광섬유 페룰(optical fibre ferrule)에 집속하기 위해, 종래의 TO-can TOSA 패키지는 서로 정렬되어 용접되거나 적합하게 접합되어야만 하는 다양한 원통형으로 가공된 하위 부품들을 포함한다. 적어도 두 개 이상의 개별 정렬 및 용접 또는 접합 단계들이 이러한 패키지를 위해 필요하다. 광 아이솔레이터(optical isolator)가 필요한 장치에서는, 또 한 번의 정렬 및 용접 또는 접합이 필요하다. 종래의 TO-can TOSA 패키지를 제조하는 데에 있어서, 레이저 용접 또는 접합 시스템 형태의 값비싼 기구가 필요하다. 또한, TO-can 패키지는 실리콘 광학대와 같은 평면 타입의 장치 구조의 패키지에는 일반적으로 적합하지 않다.
따라서 소자의 수, 정렬 단계 및 용접 또는 접합 단계를 줄일 수 있는 광 어셈블리를 제공하는 것은 유익할 것이다. 예를 들어, 정렬 및 용접 또는 접합 단계의 수를 단 한 번의 정렬 및 용접 또는 접합 단계로 감소시키는 것은 바람직할 것이다. 그 결과, 종래의 광 어셈블리에 비해 재료, 노동력 및 가공 기구의 면에서 현저한 비용 절감을 달성할 수 있다. 또한, 실리콘 광학대 구조와 함께 사용하기에 적합한 광 어셈블리를 제공하는 것도 바람직하다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 소자의 수, 정렬 단계 및 용접 또는 접합 단계를 줄일 수 있는 광 어셈블리를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 실리콘 광학대 구조와 사용하기에 적합한 광 어셈블리를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 태양에 따라, 광 어셈블리가 제공된다. 상기 광 어셈블리는 기판에 부착된 광전자 소자를 포함하는 광학대; 상기 광학대가 배치되며, 제 1 결합 영역(mating region)을 포함하는 하우징; 제 2 결합 영역을 포함하며, 상기 광학대를 광섬유와 광학적으로 결합하기 위한 광학 페룰 리셉터클(optical ferrule receptacle) (여기서, 상기 하우징과 상기 광학 페룰 리셉터클은 상기 제 1 및 제 2 결합 영역에서 서로 결합됨); 및 상기 광학대에 부착되되, 내부의 스트레인을 경감하기 위해 상기 하우징의 내부 표면과 접촉하여 배치된 연성 기판을 포함한다.
본 명세서에서, 단수 형태는 복수를 포함하는 개념이다. "~ 상(on)" 및 "~ 위에(over)" 라는 용어는 공간상의 위치 관계를 정의함에 있어서 호환 사용되며, 중간에 개재되는 층 또는 구조물의 존재 또는 부존재를 포함한다. 또한, 여기서, "광 어셈블리"라는 용어는 광학 및/또는 광전자 기능을 갖는 구조물들을 포함한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 어셈블리(1)를 도시한 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다. 이하의 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성을 나타낸다. 상기 광 어셈블리는 광학대(3)를 포함한다. 상기 광학대는 내부 및 그 위에 다양한 표면 형상들이 형성된 상부 면(7)을 갖는 기판(5)을 포함한다. 기판(5)은 예를 들어, <100> 단결정 실리콘과 같은 실리콘, 갈륨 알세나이드(gallium arsenide), 인듐 포스파이드(indium phosphide), 리튬 니오베이트(lithium niobate)와 같이 웨이퍼 또는 칩의 형태로 제조될 수 있는 반도체 물질, 또는 세라믹, 폴리머 또는 금속으로부터 일반적으로 제조될 수 있다. 하나 이상의 광학 및/또는 광전자 소자가 기판 상부 면(7)에 접합된다. 일반적으로 광학 소자는 예를 들어, 광섬유, 볼 렌즈와 같은 렌즈, 필터 및 광학 아이솔레이터(optical isolator)를 포함한다. 대표적인 광학 아이솔레이터는 영구자석(8a) 및 가네트 결정(garnet crystal; 8b)을 포함한다. 일반적인 광전자 장치는 예를 들어, 레이저 다이 및 광검출기를 포함한다. 상기 광학대의 광학 및 광전자 소자들은 도면에 있어서 점선으로 표시되어 있다.
기판 상부 면(7)은 내부 또는 그 위에 다양한 소자들을 수용하기 위해 형성된 하나 이상의 표면 형상들을 포함한다. 상기 표면 형상들은 예를 들어, 광섬유를 수용하기 위한 V자 또는 U자형 홈과 같은 홈, 볼 렌즈와 같은 렌즈를 수용하기 위한 피트(pits), 및 광전자 장치의 전기적 접속을 위한 금속 형상을 포함할 수 있다. 일반적인 금속 형태들은 예를 들어 광전자 장치가 납땜되는 접촉 패드, 메탈 라인 및 전원 공급장치와의 접속을 위한 본딩 패드를 포함한다. 표면 형상들을 형 성하는 기술은 본 기술분야에 숙달된 자에 알려져 있다. 예를 들어, 홈 및 피트는 마스킹, 습식 및/또는 건식 에칭기술을 사용하여 형성될 수 있고, 금속배선 구조물들은 스퍼터링, 진공증착 또는 도금 기술에 의해 형성될 수 있다. 이러한 기술들은 기판이 몰딩 공정에서 형성될 수 있도록 하는 기판 마스터를 형성하기 위해 임의로 사용될 수 있다. 소자들을 위한 밀폐 공간을 형성하기 위해 광학대를 위한 리드(9)가 더 구비될 수 있다.
광학대(3)와의 전기 접속은 어떤 공지수단으로도 달성될 수 있다. 대표적인 실시예로서, 연성 기판(11)이 본 목적을 위해 구비된다. 연성 기판(11)의 본딩 패드들(미도시)은 광학대(3)의 이면 상의 대응하는 본딩 패드에 땜납되어, 결국 상기 광학대의 광전자 장치와 전기적으로 접속된다.
상기 광학대를 위한 하우징(13)은 하나 이상의 기능, 예를 들어, 광 어셈블리를 정렬할 때의 정렬, 광전자 장치에 의해 발생하는 불필요한 열을 제거하기 위한 탈열(heat sinking), 상기 연성 기판으로부터 응력을 제거하기 위한 스트레인 완화, 상기 광학대의 기계적 보호, 인쇄회로기판이나 다른 전자 기판과의 실장 능력 및 후속 납땜 공정에서 초기 납땜 부위의 땜납의 리플로우를 방지하기 위한 단열과 같은 기능을 제공한다. 상기 광학대 하우징(13)은 예를 들어, 금속 또는 열전도성 플라스틱을 기계 가공, 몰딩 또는 스탬핑하여 구성될 수 있다. 상기 광학대 하우징은 도 1 내지 3에 도시된 실시예에서와 같이 복수 부분으로 형성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 상기 하우징은 상부 부분(15) 및 하부 부분(17)을 포함한다. 상기 하우징은 광학 페룰 리셉터클(21)을 수용하기 위한 정렬 홀(19)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 서로 연결될 때, 상기 하우징과 광학 페룰 리셉터클 결합 부분 사이에서 대칭 관계가 형성된다. 상기 하우징의 부품은 상기 하우징 부품들 사이 및 상기 하우징 부품들과 다른 소자들 사이의 수동 정렬을 허용하는 표면 형상들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 정렬 핀(23)이 연성 기판(11)을 수동적으로 위치시키기 위해 구비될 수 있다. 트렌치(25) 및 돌출 영역(26)이 상기 광학대(3)을 수동적으로 위치시키기 위해 구비될 수 있다.
연성 기판(11)은 하부 하우징 부분(17)과 접촉한다. 릴리프 트렌치(relief trench; 28)가 상기 연성 기판 및 하부 하우징 부분 사이에서의 공기 갭(air gap)을 제공하기 위해 이 부분에 제공될 수 있다. 이 공기 갭은 뒤이어 상기 광학대를 상기 하우징에 납땜할 때에 상기 연성 기판 및 광학대(3) 사이에 형성된 납땜 접합 부위가 리플로우하는 것을 방지하기 위한 열 차단부로서 작용한다. 상기 하부 및/또는 상부 하우징 부분(17, 15)은 상기 연성 기판(11) 내의 스트레인을 완화하기 위한 스트레인 릴리프 랜드 면(strain relief land surface; 29)을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징 상부 및 하부 부분(15, 17)이 조립되면서, 면(29)은 상기 연성 기판과 접촉하여, 상기 연성 기판을 위한 스트레인 완화를 제공한다. 상기 랜드 면(29)으로부터 돌출된 것으로 도시된 핀들(31)은 상기 연성 기판의 홀들(32)과 결합하여 선택적인 추가 정렬(registration)을 제공하기 위해 구비될 수 있다. 폼(foam)이나 점착성 물질(adhesives)과 같은 유연성 물질들(compliant materials)을 릴리프 랜드 면(29) 및/또는 연성 기판(11) 상에 제공하여 하우징(13)을 빠져나갈 때에 상기 연성 기판을 사이에 끼워 넣고 이를 지지하게 할 수도 있다.
하우징(13)은 상술한 광학 소자들(예를 들어, 광섬유, 볼 렌즈와 같은 렌즈, 필터, 및 광학 아이솔레이터)과 같은 소자를 하나 이상 수용하기 위한 설비를 임의로 포함할 수 있다. 이러한 구조물은 더 작은 공간을 갖는 패키지를 가능하게 하고, 또(및) 조립성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4는 광학 아이솔레이터의 일부를 형성하는 영구자석(8a)이 포함되어 있는 상부 하우징 부분(15)을 도시하고 있다. 추가로 또는 선택에 따라, 상기 광학 아이솔레이터 및/또는 다중 아이솔레이터 자석의 가네트 결정(8b, 도 2 및 3 참조)을 상기 하우징에 포함할 수 있다.
광학 페룰 리셉터클(21)은 광섬유 또는 광섬유 스텁(stub)을 포함하고 있는 광섬유 커넥터(미도시)와의 광학적, 기계적 결합을 위해 제공된다. 상기 광섬유 컨넥터는 광섬유 접속용 전선(pigtail)에 부착된다. 광학 페룰 리셉터클(21)은 일반적으로 외부에 금속 또는 플라스틱으로 구성되며, 상기 커넥터와의 정렬을 위해 분할 세라믹 슬리브를 포함한다. 상기 광학 리셉터클은 예를 들어, 교세라(社)에서 상업적으로 입수 가능한 바와 같은, 내부에 광섬유 길이를 갖는 양면이 연마된 페룰 스텁을 포함할 수 있다. 상기 광학 리셉터클은 과도한 접합제가 광 경로를 침투하는 것을 방지하기 위한 위크 스탑(wick stop; 27)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 위크 스탑은 결합 영역 및 광 경로 사이에서 상기 광학 리셉터클의 면에 폐쇄된 홈의 형태를 취할 수 있다. 상기 도시된 위크 스탑(27)은 원형이지만, 다른 형태도 채용 가능하다.
접합제를 사용하면 상기 광학 페룰 리셉터클(21)에 대한 하우징(15)의 연결이 쉬워진다. 바람직한 접합제는 예를 들어, UV 경화, 열경화 및 이중 경화 에폭시 와 같은 에폭시와 땜납을 포함한다. 바람직하게는, 상기 접합제는 상기 어셈블리의 광 경로로부터 차단된다. 이러한 방식으로, 그렇지 않으면 예를 들어 광학 손실 문제로 사용할 수 없는 접합제들이 채용될 수 있다. 이러한 접합제의 도포는 하우징(15)의 결합 영역(19) 및 광학 리셉터클 어셈블리(21)의 결합 영역(30) 사이에서 대칭적으로 디스펜싱되도록 제어될 수 있다. 상기 하우징과 광학 리셉터클 결합 영역들 사이의 대칭 관계는 경화하는 동안 주변 환경에 노출되는 것에 의해 발생하는 팽창 및 수축에서의 편차를 최소화시켜 광학대(3)에 대한 정렬에 주는 영향을 최소화시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 소자의 수, 정렬 단계 및 용접 또는 접합 단계를 줄일 수 있는 광 어셈블리를 얻을 수 있다. 그 결과, 종래의 광 어셈블리에 비해 재료, 노동력 및 가공 기구의 면에서 현저한 비용 절감을 달성할 수 있다.
또한, 실리콘 광학대 구조와 사용하기에 적합한 광 어셈블리를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판에 부착된 광전자 소자를 포함하는 광학대(optical bench);
    상기 광학대가 그 안에 배치되며, 제 1 결합 영역(mating region)을 포함하는 하우징;
    제 2 결합 영역을 포함하며, 상기 광학대를 광섬유와 광학적으로 결합하기 위한 광학 페룰 리셉터클(optical ferrule receptacle) (여기서, 상기 하우징과 상기 광학 페룰 리셉터클은 상기 제 1 및 제 2 결합 영역에서 서로 결합됨); 및
    상기 광학대에 부착되되, 내부의 스트레인을 경감하기 위해 상기 하우징의 내부 표면과 접촉하여 배치된 연성 기판을 포함하는 광 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학대는 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 광학대인 광 어셈블리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광학대는 그 자체로 밀폐 봉지된 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징의 내부 면은 상기 하우징 및 상기 연성 기판의 일부 사이에 공기 갭(air gap)을 제공하는 트렌치를 포함하는 광 어셈블리.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징의 내부 면은 상기 연성 기판을 수동 위치시키기 위한 정렬 핀들을 포함하는 광 어셈블리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징에 상기 광학 페룰 어셈블리를 접합하기 위한 접합제를 더 포함하되, 상기 광학 페룰 어셈블리 및/또는 상기 하우징은 상기 광학 페룰 어셈블리를 상기 하우징에 접합하는 동안 상기 접합제가 광 경로로 침투하는 것을 방지하기 위한 위크 스탑(wick stop)을 포함하는 광 어셈블리.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 하부 하우징 부분과 연결되는 상부 하우징 부분을 포함하되, 상기 상부 및 하부 부분은 제 1 결합 영역의 일부를 각각 포함하는 광 어셈블리.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 결합 영역은 상기 제 2 결합 영역에 대해 방사상으로 대칭인 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징에 그 자체 또는 그 일부가 실장되는 광학 소자를 더 포함하는 광 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서, 광학 아이솔레이터(optical isolator)의 일부를 형성하는 자석이 상기 하우징에 실장되는 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
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