KR20070013985A

KR20070013985A - 양방향성 광모듈

Info

Publication number: KR20070013985A
Application number: KR1020050124043A
Authority: KR
Inventors: 송정호; 백용순; 김기수; 김성일
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2007-01-31
Also published as: WO2007029920A1; KR100734874B1; US7974539B2; US20080212973A1

Abstract

광섬유를 통하여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신하는 기능을 가지는 양방향성 광모듈을 제공한다. 본 발명은 기판 상에 형성된 레이저 다이오드의 광축에 정렬하여 반도체 광증폭기가 집적되어 있는 송신용 광소자와, 상기 송신용 광소자의 레이저 다이오드의 광축에 대해, 수광면이 수직으로 놓이는 포토 다이오드로 구성된 수신용 광소자를 포함하여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신한다. 이와 같은 구성되는 본 발명의 양방향성 광모듈은 TO형 패키지를 채용하면서 수요 부품수를 감소시켜 모듈 제작 공정을 간단하게 하여 저가에 우수한 특성의 모듈을 제작할 수 있다.

Description

양방향성 광모듈{Bi-directional optical module}

도 1은 종래 기술의 일 예에 의한 양방향성 광모듈을 도시한 개략도이다.

도 2 내지 도 4는 각각 일반적인 TO형 LD 모듈의 구조를 나타낸 정단면도, 측단면도 및 평면도이다.

도 5는 종래 기술에 다른 예에 따른 양방향성 소자의 개략도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의한 양방향성 광모듈의 광 결합 구도를 설명하기 위한 도면이다.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 양방향성 광모듈을 구성하는 송신용 광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.

도 10 및 도 11은 각각 본 발명에 의한 양방향성 광모듈의 정단면도 및 측단면도이다.

도 12 및 도 13은 본 발명에 의한 양방향성 광모듈의 평면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100: 송신용 광소자, 102: 송신용 LD, 104: 모니터 PD, 106: 반도체 광증폭기, 200: 수신용 광소자, 202: 광 밴드 패스 필터, 204: PD, 124: 그레이팅, 114: LD 양극 전극, 116: 모니터 PD 양극 전극, 118: 반도체 광증폭기 양극 전극, 122: 공통 전극, 120: 분리 절연층

본 발명은 광모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 광섬유를 통하여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신하는 기능을 가지는 양방향성(bi-directional) 광모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 광가입자망과 같은 망에서는 개별 가입자가 한 가닥의 광섬유를 통해 광신호를 송신하고 수신한다. 이러한 단일 광섬유 분배망은 광섬유 설치비용을 낮출 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 통신망을 구축할 수 있다. 광신호의 송수신에는 두 개의 파장이 사용되며 통상적으로 광송신에는 1.3um 파장대가, 광수신에는 1.5um 파장대의 광신호가 사용된다. 이렇게 단일 광섬유를 이용하여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신하기 위하여 양방향성 광모듈이 이용된다.

구체적으로, 도 1은 1992년 6월 30일자로 발명자 Althaus 등에 의해 미합중국에 등록된 특허 제5,127,075호를 근거로 한 개략도이다. 양방향성 광모듈은 TO(transistor outline)형 레이저 다이오드(LD, laser diode) 모듈(10), TO형 포토 다이오드(PD, photo diode) 모듈(20), 및 WDM 필터(30, WDM filter)로 이루어져 있다. 상기 TO형 LD 모듈(10)에는 LD(12), 모니터(monitor) PD(14), 렌즈(16) 및 LD 캡(18)이 포함되어 있다. 상기 모니터 PD(14)는 LD에서 출력되는 1.3um 파장대의 광을 모니터링하기 위해 사용된다.

상기 TO형 PD 모듈(20)은 PD(22), 렌즈(24) 및 PD 캡(26)이 포함되어 있다. 상기 TO형 LD 모듈(10) 및 TO형 PD 모듈(20)은 공통 하우징(34, common housing)으로 연결된다. 상기 WDM 필터(30)는 일점 쇄선으로 표시한 바와 같이 광섬유(32)로부터 입사하는 1.5um 파장대의 광을 반사시켜 TO형 PD 모듈(20)로 수신하고, TO형 LD 모듈(10)에서 출력하는 1.3um 파장대의 광은 투과시켜 렌즈(28) 및 광섬유(32)를 통하여 송신한다. 즉, 상기 WDM 필터(30)는 1.3um 파장대와 1.5um 파장대의 광을 공간적으로 분리시켜 주는 기능을 한다.

그런데, 도 1에 도시한 양방향성 모듈은 공통 하우징(common housing)을 매우 정밀하게 제작해야 하는 단점이 있다. 그리고, 도 1에 도시한 양방향성 모듈은 TO형 LD 모듈(10)과 TO형 PD 모듈(20)을 따로 제작하여 공통 하우징(34)에 붙여야 함으로 제작비용이 매우 큰 단점이 있다.

여기서, 도 1에 사용된 TO형 LD 모듈(10)을 포함하여 일반적으로 사용되는 TO형 LD 모듈의 구조를 보다 상세하게 설명한다.

구체적으로, 도 2 내지 도 4의 TO형 LD 모듈(50)은 TO형 패키지를 이용하여 구성한다. TO형 패키지의 기본적인 구조는 원형의 헤더 베이스(header base, 52)에 서브 마운트 페데스탈(sub-mount pedestal, 54)이 수직으로 붙어 있다. 상기 원형 의 헤더 베이스(52)는 원통형의 캡(cap, 64)으로 둘러싸이고, 원통형의 캡(64) 중앙부에는 광이 나갈 수 있는 윈도우(window, 66)가 형성되어 있다. 상기 헤더 베이스(52)에는 외부로 돌출되어 있는 리드핀(62)이 붙어있다.

LD 모듈(50)을 구성하는 LD(56)는 서브 마운트(sub-mount, 58)에 붙여진 후 서브 마운트 페데스탈(54)에 붙여지고, 모니터 PD(60)는 서브 마운트(58)를 통하여 헤더 베이스(52)에 붙여지게 된다. LD(56)와 PD(60)는 리드핀(lead pin, 62)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 리드핀(62)은 LD(56) 및 PD(60)와 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 와이어(68)로 연결된다.

상기 LD(56)의 광출력은 윈도우(66)와 헤더 베이스(52) 양쪽으로 나온다. 상기 윈도우(66)쪽으로 나오는 광은 렌즈를 통해 광섬유(미도시)에 결합되고, 헤더 베이스(52) 쪽으로 나오는 광은 모니터 PD(60)에 신호로 검출되어 LD(56)의 출력을 모니터링한다.

한편, 도 1 내지 도 4에 도시한 TO형 LD 모듈(10, 50)에 채용된 TO형 패키지는 산업적으로 굉장히 성공적인 패키지로써, 컴팩트 디스크 플레이어(compact disc player), 레이저 포인터(laser pointer), 바코드 스캐너(bar-code scanner)등에 사용되고 있다. 이러한 TO형 패키지는 아주 저렴한 가격에 생산할 수 있고, 광출력이 원형의 헤더 베이스(52)의 중심축과 일치하여 광섬유 등과 같은 광학계와의 정렬과 고정이 용이하다. 또한, TO형 패키지는 윈도우(66)와 캡(64)으로 외부와 차단되어 습기 등의 외기에 의해 쉽게 손상될 수 있는 LD(12, 56)를 보호할 수 있다. 또한 TO형 패키지의 윈도우(66)를 통해 광을 광섬유와의 결합하는 것은 통상의 기술로 저렴하게 해결할 수 있다.

이러한 TO형 패키지의 장점을 이용하고자 하나(단일)의 TO형 패키지로 이루어진 양방향성 모듈이 제안되었다. 이러한 양방향성 광모듈의 예로 2002년 12월 10일자로 발명자 Althaus 등에 의해 "Bidirectional module for multichannel use"라는 명칭으로 미합중국에 등록된 특허 제6,493,121호를 들 수 있다. 또한, H.-J. Yoon 등이 "Compact Bi-directional Optical Module Using Ceramic Blocks"라는 명칭으로 "IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 16, No.8, 2004, pp.1954-1956"에 설명된 바 있다. 그러나 이러한 양방향성 광모듈들은 하나의 TO형 패키지 안에 정밀 가공이 필요한 많은 부속품들을 필요로 함으로써 제작비용이 크다는 단점이 있다.

구체적으로, 도 5는 Mallecot 등이 "-31 dBm sensitivity of a monolithic transmit-receive device over wide temperature range"라는 명칭으로 "Optical Fiber Communication Conference 1999 Technical Digest, Vol.3, pp.191-194"에 발표한 내용이다. 도 5의 양방향성 소자(70)는 LD(반도체 레이저 다이오드, 72), LD(72)에서 출력되어 PD(76)으로 향하는 광을 감쇠시키는 흡수부(74, absorber) 및 광을 검출하는 PD(포토 다이오드, 76)를 단일 칩에 집적하여 제작된 양방향성 소자이다. 상기 LD(72)은 기판(78) 내부에 1.3um 파장대의 광을 발생시키는 활성층(82)이 포함되어 있고, 상기 PD(76)는 기판(78) 내부에 1.5um 파장대의 광을 검출하는 활성층(82)이 포함되어 있다. 도 5에서, 참조번호 84는 LD를 구성하는 그레이팅이 며, 86은 LD 전극, 88은 흡수부 전극, 90은 PD 전극, 94는 공통 전극, 92는 분리 절연층을 나타낸다.

그런데, 도 5의 구조를 채용한 양방향성 소자에서 얻은 -31dBm 감도(sensitivity)는 155 Mbit/s의 광 전송 속도일 때이며, PD 반응도(responsivity)는 0.3A/W이었다. 일반적으로, 수신기(receiver, 수신용 광소자)의 감도(sensitivity)는 다음과 같은 수학식 1로 주어진다.

감도 = 10log{(SN·In(r_e + 1)·1000)/(2ρ·(r_e - 1)}dBm

여기서, SN은 신호대 노이즈 비율(signal-to noise ratio)이고, r_e는 소광비(extinction ratio), In은 PD와 연결되는 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier, TIA)의 노이즈 전류(A), ρ는 모듈 반응도(A/W)이다. 트랜스임피던스 증폭기가 FET(field effect transistor)로 이루어진 경우 노이즈 전류는 밴드폭(bandwidth)이 증가할수록 제곱근 형태로 증가하게 된다. 따라서, 1.25 Gbit/s로 광 전송 속도가 높아질 때는 PD(76)의 반응도는 0.85A/W가 되어야만 같은 감도를 유지할 수 있다. 도 5와 같은 양방향성 소자에서는 높은 PD 반응도를 얻는 데 다음과 같은 기술적 한계가 있기 때문에 우수한 모듈 수신 감도를 얻을 수 없다.

도 5의 양방향성 소자에서, PD(76)으로 들어오는 1.5um 파장대의 광신호는 광섬유(미도시)에서 LD(72)를 거쳐오게 된다. LD와 광섬유와의 광결합 효율은 PD보다 낮다. LD의 고온 동작을 위한 p-클래드층에 수행하는 불순물의 높은 도핑은 밴 드 흡수(intervalence band absorption)에 의한 광신호의 손실을 증가시키게 된다. 또한 LD에서 나오는 1.3um 파장대의 광 신호에 의한 PD의 광 크로스토크(optical crosstalk)를 막기 위하여, 상기 흡수부에 흡수 영역 도파로를 넣어주기도 하는데, 이 도파로 또한 광신호 손실을 야기한다. 따라서 광결합 손실과 도파로 손실에 의해 PD(76)로 오는 1.5um 파장대의 광신호가 약화되어 PD 반응도가 낮아지게 된다.

더하여, 도 5의 양방향성 소자는 LD, 흡수부 및 PD가 집적된 단일 칩 형태이기 때문에 LD는 순방향 전압, PD는 역방향 전압이 필요로 함으로 두개의 전원이 필요하다. 그리고, 도 5의 양방향성소자는 LD, 흡수부 및 PD가 동일 기판에 존재함으로 높은 전송 속도에서 LD와 PD간의 전기적 크로스토크(electrical crosstalk)가 매우 크다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 TO형 LD 모듈과 TO형 PD 모듈을 따로 제작하지 않아 제작비용을 줄일 수 있는 단일의 양방향성 광모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 TO형 패키지 안에 정밀 가공이 필요한 부속품들의 수를 감소시켜 낮은 가격으로 단일의 TO형 패키지를 채용한 양방향성 광모듈을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수신용 광소자, 즉 PD의 감도를 향상시킬 수 있는 양방향성 광모듈을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 예에 의한 양방향성 광모듈은 기판 상에 형성된 레이저 다이오드의 광축에 정렬하여 반도체 광증폭기가 집적되어 있는 송신용 광소자를 포함한다. 그리고, 본 발명의 양방향성 광모듈은 상기 송신용 광소자의 레이저 다이오드의 광축에 대해, 수광면이 수직으로 놓이는 포토 다이오드로 구성된 수신용 광소자를 포함하여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신한다.

상기 기판 상에 형성된 레이저 다이오드의 광축에 정렬하여 모니터 포토 다이오드가 더 집적되어 있을 수 있다. 상기 수신용 광소자는 표면 입사형 포토다이오드로 구성하고, 상기 표면 입사형 포토 다이오드의 수광면에 광 밴드 패스 필터가 더 형성되어 있을 수 있다. 상기 송신용 광소자의 레이저 다이오드의 광축에서 상기 송신용 광소자의 포토 다이오드로의 광결합은 자유 공간 전파로 이루어지거나, 렌즈를 통해 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 예에 의한 양방향성 광모듈은 기판 상에 형성된 레이저 다이오드의 광축에 정렬하여 모니터 포토 다이오드 및 반도체 광증폭기가 집적되어 있는 송신용 광소자와, 상기 송신용 광소자의 레이저 다이오드의 광축에 대해, 수광면이 수직으로 놓이는 포토 다이오드와 상기 포토 다이오드의 수광면에 부착된 광 밴드 패스 필터로 구성된 수신용 광소자를 포함하여 이루어져 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신한다.

또한, 본 발명의 또 다른 예에 의한 양방향성 광모듈은 헤더 베이스에 수직으로 붙어 있는 서브 마운트 페데스탈과 상기 서브 마운트 페데스탈 내에 위치하는 서브 마운트로 구성된 TO형 패키지의 상기 서브 마운트에 부착된 송신용 광소자를 포함한다. 그리고, 상기 양방향성 광모듈은 상기 TO형 패키지의 헤더 베이스에 부착되고, 상기 송신용 광소자의 광축에 대해 수광면이 수직으로 놓이는 수신용 광소자를 포함하고, 상기 송신용 광소자 및 수신용 광소자를 이용하여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신한다. 상기 송신용 광소자는 기판에 형성된 레이저 다이오드와, 상기 광축에 정렬된 반도체 광증폭기가 집적되어 구성될 수 있다. 상기 송신용 광소자는 상기 광축에 정렬된 모니터 포토 다이오드가 더 집적될 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 TO형 패키지 안에 송신용 광소자 및 수신용 광소자를 집적하여 낮은 가격으로 양방향성 광모듈을 제공함과 아울러 수신용 광소자의 감도를 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의한 양방향성 광모듈의 광결합 구도를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 본 발명의 양방향성 광모듈의 결합 구도를 설명하기 위한 구조를 설명한다. 본 발명의 양방향성 광모듈은 기판, 예컨대 InP 기판에 송신용 LD(반도체 레이저 다이오드, 102)), LD(102)에서 출력되는 광을 모니터링하는 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106)가 단일 집적된 송신용 광소자(100)를 포함한다.

상기 송신용 광소자(100)는 기판(108)에 송신용 LD(102)의 광축에 정렬하여 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106)가 집적되어 있다. 상기 반도체 광증폭기(106)는 수신되는 광신호가 광결합 손실 및 도파 손실 등에 약화되는 것을 막기 위해 집적한다. 상기 송신용 광소자(100)에서는 송신용 LD(102)), 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106)가 모두 집적되어 있으나, 필요에 따라서는 송신용 LD(102)) 및 반도체 광증폭기(106)만을 집적할 수 도 있다.

그리고, 본 발명의 양방향성 광모듈은 1.5um 파장대의 광만 투과시키는 광 밴드 패스 필터(optical band pass filter, 202) 및 광을 수신하는 PD(204)를 포함하는 수신용 광소자(200)를 포함한다. 상기 광 밴드 패스 필터(202)는 반도체 광증폭기(106)에서 나오는 자발 방출(spontaneous emission)에 의해 발생하는 수신용 광소자(200)의 감도가 악화되는 것을 막는 역할을 수행한다. 상기 광 밴드 패스 필터(204)는 PD(204) 위에 유전체층을 적층하여 총두께 20um 내외로 구성하거나, 폴리머 박막을 기판으로 하여 제작한 얇은 박막 필터를 PD(204) 위에 부착하여 구성한다. 상기 PD(204)는 표면 입사형 PD로 구성할 수 있다.

상기 LD(102)은 그레이팅(124)을 구비하여 DFB(distributed feed back) LD로 구성할 수 있다. 상기 LD(102)은 기판(108) 내부에 1.3um 파장대의 광을 레이징하 고 이 레이징된 광이 진행하는 광 도파로 역할을 수행하는 제1 활성층(110)이 포함되어 있다. 상기 반도체 광증폭기(106)에는 1.5um 파장대의 광으로 증폭시키고 이 증폭된 광이 진행하는 광 도파로 역할을 수행하는 제2 활성층(112)이 포함되어 있다. 상기 제1 활성층(110) 및 제2 활성층(112)은 InGaAsP 또는 InGaAlAs로 구성할 수 있다. 상기 제1 활성층(110) 및 제2 활성층(112) 상에는 클래드층(128, 상부 클래드층)이 형성되어 있다. 상기 클래드층(128)은 InP로 구성한다.

도 6a 및 도 6b에서, 참조번호 114는 LD 양극 전극, 116은 모니터 PD 양극 전극, 118은 반도체 광증폭기 양극 전극, 122는 공통 전극, 120은 분리 절연층을 나타낸다. 상기 LD 양극 전극(114), 모니터 PD 양극 전극(116), 및 반도체 광증폭기 양극 전극(118)은 분리 절연층(120)에 의하여 전기적으로 분리된다.

다음에, 본 발명에 의한 양방향성 광모듈의 광결합 구도를 설명한다.

송신용 광소자(100)의 LD(102)에서 1.3um 파장대의 광출력이 광섬유(미도시)를 통하여 외부로 전송된다. 아울러서, LD(102)에서 나오는 광출력은 반대 방향으로 나와 모니터 PD(104)에서 흡수되어 LD(102)에서 출력되는 광을 모니터링한다. 더하여, 반도체 광증폭기(106)의 제2 활성층(112)의 밴드 갭(band gap)은 LD(102)의 제1 활성층(110) 보다 작아 모니터 PD(104)에서 흡수되지 않은 1.3um 파장대의 광출력은 반도체 광증폭기(106)에서 다시 흡수된다. 상기 반도체 광증폭기(106)에서 흡수되지 않은 1.3um 파장대의 직진광은 1.5um 파장대의 광만 투과시키는 광 밴드 패스 필터(202)에서 다시 반사되게 된다. 따라서, PD(204)로 오는 1.3um 파장의 광출력은 거의 없으며, 이에 따라 LD(102)에서 PD(204)로의 광 크로스토크(optical crosstalk)는 거의 없게 된다.

그리고, 외부에서 수신되는 1.5um 파장 대의 광신호는 광섬유(미도시)에서 LD(102)의 도파로(제1 활성층(110))로 결합된다. 상기 LD(102)의 도파로와 모니터 PD(104)의 도파로(즉 제1 활성층, 110)를 거치면서 1.5um 파장대의 광신호는 p-도핑(doping)에 의한 인터밸런스 밴드 흡수(intervalence band absorption)에 의한 광 손실을 가지고, 반도체 광증폭기(106)의 도파로(즉 제2 활성층, 112)를 거치면서 증폭된다.

반도체 광증폭기(106)에서 증폭된 1.5um 파장대의 광신호는 도 6a의 일점 쇄선으로 표시한 바와 같이 자유공간에서 발산하여 전파하게 된다. 반도체 광증폭기(106)에서 증폭된 광의 스폿 사이즈(spot size)를 1um이라고 할 때, 30um을 진행하면 대략 60um의 빔 직경(beam diameter)을 가지게 된다. 상기 PD(204)의 수광면의 지름이 약 80um이면 약 20um이 정렬 오차 여유(alignment tolerance)를 가지게 된다. 다시 말해, 반도체 광증폭기(106)를 이용하여 1.5um 파장대의 광신호를 증폭함으로써 광섬유와의 결합 손실, 도파로 손실 및 PD(204)와의 결합 손실을 보상해 줌으로 정렬 오차를 크게 할 수 있고 수신용 광소자의 감도를 높일 수 있다.

상기 반도체 광증폭기(106)와 PD(204) 수광면의 사이, 예컨대 반도체 광증폭기(106)와 광 밴드 패스 필터(202) 사이를 굴절률 매칭 물질(index matching material, 240)로 채우게 되면 상술한 정렬 오차 여유는 더욱 커지게 된다. 또한, 반도체 광증폭기(106)에서 증폭된 1.5um 파장대의 광신호는 도 6b와 같이 렌즈(250)를 통하여 광결합을 할 수 있다. 이렇게 렌즈(250)를 통한 반도체 광증폭기 (106)와 PD(204)간의 광결합을 수행할 경우, 상술한 정렬 오차 여유를 더욱 커지게 할 수 있다.

다음에, 본 발명에 의한 양방향성 광모듈을 구성하는 송신용 광소자의 제조 방법을 설명한다.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 양방향성 광모듈을 구성하는 송신용 광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다. 도 7 내지 도 9에서, 도 6a 및 도 6b와 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 7을 참조하면, LD(102), 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106)가 결합된 송신용 광소자(100)를 제조하기 위하여, 기판(108), 예컨대 InP 기판 상에 하부 클래드층(미도시) 및 그레이팅(grating, 124)을 형성한다. 상기 그레이팅(124) 상에 LD(102)의 제1 활성층(110)으로 이용될 제1 물질층(110a)과 제 1 상부 클래드층(126)을 성장시킨다. 이어서, 상기 반도체 광증폭기(106)가 위치할 부분의 제1 물질층(110a)과 제1 상부 클래드층(126)을 식각하고, 상기 반도체 광증폭기(106)의 제2 활성층(112)으로 이용될 제2 물질층(112a)과 제1 상부 클래드층(126)을 성장시킨다. 상기 제1 활성층(110) 및 제2 활성층(112)으로 이용될 제1 물질층(110a) 및 제2 물질층(112a)은 InGaAsP 또는 InGaAlAs로 형성한다. 상기 제1 상부 클래드층(126)은 InP로 형성한다.

이렇게 두 가지의 활성층용 물질층을 형성하는 버트 조인트(butt-joint) 방법 이외에도 선택적 영역 성장(Selective area growth) 방법으로 1.3um 과 1.5um 대의 활성층용 물질층(110a, 112a)을 한 번에 성장시킬 수도 있다.

도 8을 참조하면, 상기 제1 상부 클래드층(126) 위에 실리콘 나이트라이드9silicon nitride)와 같은 식각 마스크 물질을 증착하고 띠(stripe) 형태로 패터닝하고, 이 패턴을 식각 마스크로 상기 제1 물질층(110a)과 제2 물질층(112a) 및 제1 상부 클래드층(126)을 식각하여 LD의 광 도파로로 이용되는 제1 활성층(110) 및 반도체 광증폭기(106)의 광 도파로로 이용되는 제2 활성층(112)을 형성한다.

도 9를 참조하면, 제1 활성층(110), 제2 활성층(112) 및 제3 물질층 패턴(126a)이 형성된 기판(108)의 전면에 클래드층(128, 제2 상부 클래드층)을 형성한다. 상기 클래드층(128)은 InP로 형성한다. 이어서, 상기 LD(102), 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106) 사이에 전기적인 분리 절연층(120)을 이온주입(ion implantation)이나 식각 방법으로 형성한다.

이어서, 상기 클래드층(128) 상에 금속을 증착한 후 패터닝하여 LD(102), 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106)의 양극 전극(114, 116, 118)을 형성한다. 상기 기판(108)의 배면에는 금속을 증착하여 공통 전극(122)을 형성한다. 도 9에는 매몰(buried)형 도파로를 도시하였으나 재성장을 필요로 하지 않는 리지(ridge)형으로도 도파로를 구성할 수도 있다.

도 10 및 도 11은 각각 본 발명에 의한 양방향성 광모듈의 정단면도 및 측단면도이고, 도 12 및 도 13은 본 발명에 의한 양방향성 광모듈의 평면도이다.

구체적으로, 도 10 내지 도 13에서, 도 6a 및 도 6b와 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 10 및 도 11에서, 수신용 광소자의 밴드 패드 필터 등은 편의상 생략한다. 도면들은 송신용 LD(102), LD(102)에서 출력되는 광을 모니터링 하는 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106)가 단일 집적된 송신용 광소자(100)와, 1.5um 파장대의 광만 투과시키는 광 밴드 패스 필터(optical band pass filter, 202) 및 광을 수신하는 PD(204)를 포함하는 수신용 광소자(200)를 하나의 TO형 패키지로 만든 양방향성 광모듈(300)이다.

상기 양방향성 광모듈(300)은 상기 송신용 LD(102)의 광축이 수신용 PD(204)의 수광면(316)에 수직으로 놓여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신할 수 있다. 그리고, 본 발명의 양방향성 광모듈은 종래와 다르게 TO형 LD 모듈과 TO형 PD 모듈을 따로 제작하지 않아도 되고, 정밀 가공이 필요한 부속품들의 수가 적기 때문에 제작비용을 줄일 수 있다.

다음에, TO형 패키지의 구조 및 이에 광소자를 조립하는 방법을 도 10 내지 도 13을 이용하여 설명한다.

먼저, TO형 패키지는 기본적으로 원형의 헤더 베이스(302)에 서브 마운트 페데스탈(304) 및 서브 마운트(306)가 수직으로 붙어 있다. 상기 원형의 헤더 베이스(302)는 원통형의 캡(308)으로 둘러싸이고, 원통형의 캡(308) 중앙부에는 광이 나갈 수 있는 윈도우(310)가 형성되어 있다. 상기 헤더 베이스(302)에는 외부로 돌출되어 있는 리드핀(312)이 붙어있다. 도 10 및 도 11에서, 캡(308) 안의 리드핀(312)과 와이어 본딩된 와이어는 간략하게 하기 위해 생략한다.

다음에, TO형 패키지에 광소자를 조립하는 방법을 설명한다.

먼저, 광 밴드 패스 필터(202)가 붙어있는 PD(204)를 헤더 베이스(302)에 부착한다. 이어서, 상기 LD(102), 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106)가 단일 집적된 송신용 광소자(100)를 서브 마운트(306)에 부착한 후, 단차를 갖는 서브 마운트 페데스탈(304)에 다시 부착한다. 상기 서브 마운트 페데스탈(304)에 형성된 단차(314)는 LD(102), 모니터 PD(104) 및 반도체 광증폭기(106)가 단일 집적된 송신용 광소자(100)와 PD(204)의 간격이 매우 좁아 작업 중에 서로 부딪혀 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이렇게 조립하고 나면, 상기 송신용 LD(102)의 광축이 수신용 PD(204)의 수광면(316)에 수직으로 놓여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신할 수 있게 된다.

상기 서브 마운트 페데스탈(304)에 송신용 광소자(100)를 붙일 때 높은 모듈 반응도를 얻으려면 제1 활성층(LD 광도파로) 및 제2 활성층(반도체 광증폭기 도파로)과 PD(204)의 수광면(316)과의 정렬이 중요하다. 그런데, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 PD(204)의 수광면(316)이 넓어 약 20um 정도의 정렬 여유 오차가 있기 때문에 정밀 기계 가공으로 서브 마운트 페데스탈(304)과 헤더 베이스(302)를 제작하고 다이 본딩 공정을 이용할 경우 정렬 여유 오차내에서 용이하게 조립할 수 있다. 더하여, 상기 정렬 오차에 의해 생기는 약간의 광손실은 반도체 광증폭기(106)로 1.5um 파장대의 광신호를 증폭함으로써 충분히 보상된다.

그리고, 상기 TO형 패키지 안에는 도 13과 같이 전기적 크로스토크를 개선하기 위하여 트랜스임피던스 증폭기(330)를 실장시킬 수 있다. 상기 트랜스임피던스 증폭기(330)는 헤드 베이스(302)에 다이형태로 실장되고, 와이어 본딩 패드(332)가 TO형 패키지의 리드핀(312)에 본딩와이어(334)로 연결된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 양방향성 광모듈은 수요 부속품의 수를 감소시켜 제작이 용이하고 모듈 가격을 저렴하게 할 수 있다.

본 발명의 양방향성 광모듈은 반도체 광증폭기를 이용하여 1.5um 파장대의 광신호를 증폭함으로써 광섬유와의 결합 손실, 도파로 손실 및 PD와의 결합 손실을 보상해 줌으로 정렬 오차를 크게 허용할 수 있고 수신용 광소자의 감도를 높일 수 있다.

본 발명의 양방향성 광모듈은 광 밴드 패스 필터를 사용함으로써 반도체 광증폭기의 자발 방출(spontaneous emission)을 막아 수신용 광소자의 감도를 높이고 1.3um 파장대의 LD의 동작에 의한 광 크로스토크를 막을 수 있다.

본 발명의 양방향성 광모듈은 LD와 반도체 광증폭기에는 순방향의 전압을, 모니터 PD에는 그라운드(ground) 전압을 걸어 줄 수 있어 한 개의 전원으로 충분하고, 높은 전송 속도에서도 PD가 분리되어 있어 전기적 크로스토크의 영향도 매우 작다.

Claims

기판 상에 형성된 레이저 다이오드의 광축에 정렬하여 반도체 광증폭기가 집적되어 있는 송신용 광소자; 및

상기 송신용 광소자의 레이저 다이오드의 광축에 대해, 수광면이 수직으로 놓이는 포토 다이오드로 구성된 수신용 광소자를 포함하여 이루어져 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신할 수 있는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
제1항에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 레이저 다이오드의 광축에 정렬하여 모니터 포토 다이오드가 더 집적되어 있는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
제1항에 있어서, 상기 수신용 광소자를 구성하는 포토 다이오드는 표면 입사형 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
제1항에 있어서, 상기 표면 입사형 포토 다이오드의 수광면에 광 밴드 패스 필터가 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
제1항에 있어서, 상기 송신용 광소자의 레이저 다이오드의 광축에서 상기 송신용 광소자의 포토 다이오드로의 광결합은 자유 공간 전파로 이루어지거나, 렌즈 를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
기판 상에 형성된 레이저 다이오드의 광축에 정렬하여 모니터 포토 다이오드 및 반도체 광증폭기가 집적되어 있는 송신용 광소자; 및

상기 송신용 광소자의 레이저 다이오드의 광축에 대해, 수광면이 수직으로 놓이는 포토 다이오드와 상기 포토 다이오드의 수광면에 부착된 광 밴드 패스 필터로 구성된 수신용 광소자를 포함하여 이루어져 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신할 수 있는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
헤더 베이스에 수직으로 붙어 있는 서브 마운트 페데스탈과 상기 서브 마운트 페데스탈 내에 위치하는 서브 마운트로 구성된 TO형 패키지의 상기 서브 마운트에 부착된 송신용 광소자; 및

상기 TO형 패키지의 헤더 베이스에 부착되고, 상기 송신용 광소자의 광축에 대해 수광면이 수직으로 놓이는 수신용 광소자를 포함하고, 상기 송신용 광소자 및 수신용 광소자를 이용하여 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 송신 및 수신할 수 있는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
제7항에 있어서, 상기 송신용 광소자는 기판에 형성된 레이저 다이오드와, 상기 광축에 정렬되어 반도체 광증폭기가 집적되어 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
제8항에 있어서, 상기 송신용 광소자는 상기 광축에 정렬되어 모니터 포토 다이오드가 더 집적되어 있는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
제8항에 있어서, 상기 수신용 광소자는 표면 입사형 포토 다이오드로 구성하고, 상기 표면 입사형 포토 다이오드의 수광면에 광 밴드 패스 필터가 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.
제8항에 있어서, 상기 TO형 패키지에 전기적 크로스 토크를 개선하기 위한 트랜스 임피던스 증폭기가 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 양방향성 광모듈.