KR20070020800A - 삼파장 광송수신 모듈 패키지 - Google Patents

삼파장 광송수신 모듈 패키지 Download PDF

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KR20070020800A KR1020050075072A KR20050075072A KR20070020800A KR 20070020800 A KR20070020800 A KR 20070020800A KR 1020050075072 A KR1020050075072 A KR 1020050075072A KR 20050075072 A KR20050075072 A KR 20050075072A KR 20070020800 A KR20070020800 A KR 20070020800A
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Abstract

본 발명에 따르면, 삼파장 광 송수신 모듀 패키지는 기판부재와, 상기 기판부재에 고정되며 인접되게 설치되는 적어도 두 개의 제1, 2서브 마운트들과, 상기 제1 서브 마운트에 설치되며 광섬유 측으로 광신호를 송신하기 위한 레이저 다이오드와 제1렌즈가 설치되는 제1홀더를 구비한 송신유니트, 상기 제 1서브마운트에 설치되며 상기 레이저 다이오드로부터 방출되는 광축과 직각을 이루도록 설치되며 상기 광섬유를 통하여 수신되는 광신호를 수신하기 위한 제1포토다이오드와 제2렌즈가 설치되는 제2홀더를 각각 구비한 제 1수신유니트와, 상기 제 2서브마운트에 설치되며 상기 레이저 다이오드로부터 발출되는 광축과 직각을 이루도록 설치되며 상기 광섬유를 통하여 수신되는 광신호를 수신하기 위한 제3포토다이오드와 제 3렌즈가 설치되는 제3홀더를 각각 구비한 제 2수신유니트와, 레이저다이오드 유니트와 광섬유 사이에 설치되어 광섬유로부터 수되는광을 제1,2포토다이오드 유니트 측으로 수신하기 위한 파장분할다중화필터들을 구비한다.
광섬유, 광모듈, 삼파장

Description

삼파장 광송수신 모듈 패키지{package structure for triplexer optical modules}
도 1은 종래 삼파장 광송수신 모듈 패키지를 도시한 평면도,
도 2은 본 발명에 따른 삼파장 광송수신 모듈 패키지의 평면도,
도 3는 도 1에 도시된 삼파장 광송수신 모듈 패키지의 분리사시도,
도 4은 제1,2서브마운트에 설치되는 광송수신 모듈 패키지를 도시한 시사도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10; 삼파장 광송수신 모듈 패키지
20; 송신 유니트
30; 제1 수신유니트 40; 제2수신유니트
70; 광섬유
본 발명은 광송수신 모듈에 관한 것으로, 더 상세하게는 정밀 가공한 세라믹 부재를 이용하여 직접화시킨 삼파장 광모듈 패키지에 관한 것이다.
광가입자망 또는 광을 이용한 컴퓨터 네트워크와 같이 저렴한 비용으로 정보를 교환하고자 하는 광통신망은 광섬유 설치에 따른 비용을 낮추기 위해 집중국(center office) 또는 호스트와 개별 가입자 또는 단말기 사이를 한 가닥의 광섬유로 연결하는 단일 광섬유 분배망을 가진다. 이러한 단일 광섬유 분배망을 통하여 정보를 동시에 송, 수신하기 위해서는 신호광의 파장을 분할하여 사용하는 파장분할다중화(WDM) 방식이 사용되고 있다.
광모듈은 레이저다이오드(이하 LD라 약칭함), 포토다이오드(이하 PD라 약칭함)모듈이 분리 제작되어 왔으나 최근에 들어서 저렴한 비용을 특징으로 하는 광가입자망 및 컴퓨터 광네트워크가 확산 됨에 따라 한 가닥(단일)의 광섬유를 통해 광신호를 동시에 송, 수신 할 수 있는 광모듈의 수요가 급증하고 있다.
일반적으로 삼파장 광모듈 패키지는 도 1에 도시된 바와 같이 1310nm 레이저 다이오드와 모니터용 포토다이오드로 구성된 TO-56패키지(81)와 수신용 포토 다이오드를 내장한 TO-46 패키지(82)(83)를 금속으로 이루어진 블록에 TO-56 패키지(81)에 대해 대하여 직각으로 배치하고, 그 사이에 1550nm/1490nm 파장분할다중화(WDM)필터(84)와 1490nm/1310nm 파장분할다중화(WDM)필터(85)가 배치된 구성을 가진다.
이러한 삼파장 광모듈 패키지는 그 배열구조상 소형화가 어렵다. 또한 제작시 레이저 다이오드 TO -56 패키지(81)를 광섬유(70)와 정열시켜 고정시킨 후 두 개의 수신용 포토 다이오드 TO-46 패키지(82)(83)를 정렬하게 되는데, 이때에 레이저 다이오드 TO -56 패키지(81)와 수신용 포토다이오드 TO-46 패키지(82)(83) 사 이의 거리가 10nm 이상 벌어지게 된다. 따라서 금속블럭의 가공에 따른 정밀도, 렌즈, 파장분활 다중화 필터(84)(85) 등의 위치오차의 누적으로 인하여 광축이 일치하지 않게되어 광축 정렬에 따른 많은 시간이 소요되고, 수신감도의 불량 비율이 상대적으로 높다.
또한 레이저 다이오드와, 볼 렌즈, 파장분할 다중화 필터가 금속블럭에 지지되어 있으므로 금속블럭이 온도변화에 따른 영향을 크게 받게 되며, 결과적으로 온도 변화에 따른 광축의 경로 변화가 심하게 나타난다. 이를 더욱 상세하게 설명하면, 레이저 다이오드에서 방출되는 광이 볼 렌즈와 파장분할 다중화 필터를 거처 광섬유 끝단에 초점이 위치하도록 설계된 상태에서 온도 변화에 따른 열팽창으로 레디저 다이오드와 볼 렌즈 사이의 거리가 증가하면 초점이 광섬유의 끝단보다 앞쪽에 위치되는 언더 포커싱 현상이 발생되어 광성유로 집속되는 광량이 감소된다. 이와 반대로 온도가 낮아져 열수축이 발생되는 경우 레이저 다이오드와 볼렌즈 사이의 거리가 단축되어 초점이 광섬유 끝단의 뒤쪽에 위치하는 오버포커싱 현상이 발생되어 광섬유로 집속되는 광량이 감소하게된다.
이러한 광출력의 변화는 통신용 광 모듈 패키지의 경우 동작온도 범위(통상적으로 -45℃ 내지 85℃) 내에서 광출력의 변화가 ±1 dB 이내 이어야 하는 규정을 만족할 수 없으므로 제품의 불량 발생율이 매우 높다.
특허등록 제 10-0415754호에는 열팽창을 감안한 패키지의 일예가 개시되어 있다. 개시된 광모듈 패키지는 패키지 벽체에 기판을 지지하는 열팽창 보정대를 부착하고, 각각의 부착위치를 조절하여 패키지 벽체가 온도 변화에 따라 늘어나면 열팽창 보정대가 반대방향으로 늘어나 패키지의 벽체가 늘어난 길이를 상쇄하도록 된 구성을 가진다.
이러한 구조의 광모듈 패키지는 기판을 지지하는 열팽창 보정대를 별도로 부착하여야 하므로 소형화가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소형화가 가능하고 열팽창에 따른 광축정렬의 흐트러짐을 방지할 수 있는 삼파장 광송수신 모듈 패키지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 포토다이오드들의 정렬에 따른 시간을 단축하여 생산성의 향상을 도모 할 수 있으며, 고속동작이 가능한 삼파장 광송수신 모듈 패키지를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 삼파장 광송수신 모듈 패키지는
기판부재와, 상기 기판부재에 고정되며 인접되게 설치되는 적어도 두 개의 제1, 2서브 마운트들과,
상기 제1 서브 마운트에 설치되며 광섬유 측으로 광신호를 송신하기 위한 레이저 다이오드와 제1렌즈가 설치되는 제1홀더를 구비한 송신유니트,
상기 제 1서브마운트에 설치되며 상기 레이저 다이오드로부터 방출되는 광축과 직각을 이루도록 설치되며 상기 광섬유를 통하여 수신되는 광신호를 수신하기 위한 제1포토다이오드와 제2렌즈가 설치되는 제2홀더를 각각 구비한 제 1수신유니 트와,
상기 제 2서브마운트에 설치되며 상기 레이저 다이오드로부터 방출되는 광축과 직각을 이루도록 설치되며 상기 광섬유를 통하여 수신되는 광신호를 수신하기 위한 제3포토다이오드와 제 3렌즈가 설치되는 제3홀더를 각각 구비한 제 2수신유니트와,
레이저 다이오드 유니트와 광섬유 사이에 설치되어 광섬유로부터 수되는 광을 제1,2 수신 유니트 수신하기 위한 파장분할다중화필터들을 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1,2서브마운트에 설치되어 상기 파장분할다중화 필터를 지지 및 위치 고정하기 위한 스페이서를 더 구비하며, 상기 서브 마운트와, 제1,2,3홀더는 세라믹인 질화 알루미늄으로 이루어진다.
그리고 상기 제1,2,3홀더는 각각 제1지지부와, 상기 제 1지지부의 단부로부터 각각 연장되어 렌즈의 위치를 고정하는 제 2지지부로 이루어진다. 그리고 상기 제 1,2,3홀더는 각각 복수개가 적층된 구조를 가질 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 삼파장 광송수신 모듈 패키지는 단일의 광섬유를 통하여 송신 및 수신하기 위하여 신호광의 파장을 분할하여 사용하는 파장분활다중화 방식으로 그 일 실시예를 도 2 내지 도 3에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 상기 삼파장 광송수신 팩키지(10) 디아이엘 패키지(DIL- package), 버터플라이 패키지(butterfly package)에 설치되어 광섬유(70)를 통하여 광신호를 송수신 하기 위한 것으로, 기판부재(11)와, 상기 기판부재(11)에 고정되며 상호 밀착되는 제 1,2서브마운트(12)(13)와, 상기 제1서브 마운트(12)의 일측에 광섬유(70)와 대향되게 설치되는 송신 유니트(20)와, 상기 제 1,2서브마운트(12)(13)에 설치되며 상기 송신유니트(20)와 광섬유(70) 사이의 광축과 직각을 이루도록 배열되는 제 1,2수신유니트(30)(40)와, 상기 송신 유니트(20)와 광섬유(70) 사이의 광축상에 설치되어 광섬유로부터 수신되는 수신광을 상기 제 1,2송신 유니트(30)(40)로 송신하기 위한 제 1,2파장분할다중화(WDM)필터(51)(52)를 구비한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 삼파장 광송수신 모듈 패키지를 구성요소 별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 제 1,2서브 마운트(12)(13)는 기판부재(11)에 부착되어 송신 유니트(20)와 제 1,2수신유니트(30)(30)들을 지지할 수 있도록 판상으로 이루어지 것으로, 송신유니트(20)와 수신 유니트(30)(40)들이 직각을 이루도록 그 형상이 엘자형을 이룬다. 상기 제 1,2서브 마운트(12)(13)는 세라믹으로 제작될 수 있는데, 이 제1,2서브 마운트(12)(13)는 질화물 세라믹인 질화 알루미늄으로 이루어진다.
상기 송신 유니트(20)는 상기 제 1서브 마운트(12)에 상기 광섬유(70)와 대향되도록 설치되는 것으로, 레이저 다이오드(22)와, 이 레이저 다이오드(22)로부터 조사되는 광신호를 상기 광섬유 측으로 집속하기 위한 제1렌즈 즉, 제1마이크로 볼렌즈(24)가 설치되는 제1홀더(21)를 구비한다. 이 제1홀더(21)는 상기 레이저 다이오드(22)가 상면에 설치되며 이와 인접되는 측에 레이저 다이오드(22)를 구동시키 기 위한 칩(80, 직접회로 칩(IC))과 와이어 본딩을 위한 패드(23)가 설치된 제 1지지부(21a)와 상기 제 1지지부(21a)의 양측으로부터 연장되며 상기 제1마이크로 볼렌즈(24)를 지지하는 제 1연장부(21b)(21c)를 구비한다. 여기에서 상기 제 1연장부(21b)(21c)의 단부는 경사지게 설치되는 상기 제 1파장분할다중화(WDM)필터(51)와 접촉되어 제 1파장분할다중화(WDM)필터(51)의 설치 각을 한정할 수 있도록 경사면이 형성될 수 있다. 그리고 상기 제 1연장부(21b)(21c)의 높이는 상기 레이더 다이오드(22)로부터 조사되는 광이 제1마이크로 볼렌즈(52)의 중심 측으로 조사 될 수 있도록 설정함이 바람직하며, 상기 제1홀더(21)는 박판상으로 형성되어 다수개 적층할 수 있도록 함이 바람직하다. 상기 제1마이크로 볼렌즈(24)의 직경은 제1연장부(21b)(21c)들 사이의 거리 보다 크게하여 상기 제1연장부(21b)(21c)에 제1마이크로 볼렌즈(24)가 얹히도록 함이 바람직하다. 예컨데, 두께가 0.1mm 인 레이저 다이오드의 빛을 집속시키는데, 0.5mm 마이크로 볼 렌즈를 사용한 경우 질화알루미늄 기판을 이용하여0.15mm의 홀더를 제작한다.
상기 본딩을 위한 본딩패드(23)는 레이저 다이오드의 부착과 임피던스의 정합을 위하여 Au, Sn 또는 이들의 합금이 증착된다.
한편, 제 1수신 유니트(30)는 상기 제 1서브 마운트(12) 및 제 2서브 마운트(13)에 상기 송신유니트(20)와 광섬유(70) 사이의 광축과 직각(Y 축방향)을 이루도록 설치되는 것으로, 광섬유(70)로부터 수신되는 광신호를 수신하기 위한 제1포토 다이오드(32)와, 광섬유(70)로부터 입사되는 수신광을 제1포토 다이오드(32) 측으로 집속하기 위한 제2마이크로 볼렌즈(34)가 설치되는 제2홀더(31)를 구비한다.
상기 제 2홀더(31)는 상기 제1홀더(21)의 구성과 같이 내측면에 상기 제 1포토 다이오드(32)가 설치되는 제 2지지부(31a)와 상기 제 2지지부(31a)의 양측으로부터 연장되어 제 2렌즈인 제 2 마이크로 볼렌즈(34)를 지지하는 제 2연장부(31b)(31c)로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 제 2지지부(31a)의 상면에는 상기 제 1포토다이오드(32)로부터 수신된 신호광을 송신하기 위한 본딩패드(33)가 설치된다.
제 2수신 유니트(40)는 송신유니트와 광섬유(70) 사이의 광축과 직각을 이루며 상기 제 1수신 유니트(30)와 평행하게 제 2서브마운트(13)에 설치되어 광섬유(70)으로부터 광신호를 수신하는 것으로, 상기 제 1수신 유니트와 실질적으로 동일한 구성을 가진다. 즉, 광섬유(70)로부터 수신되는 광신호를 수신하기 위한 제2포토 다이오드(42)와, 광섬유(70)로부터 입사되는 수신광을 제2포토 다이오드(42) 측으로 집속하기 위한 제 3렌즈인 제3마이크로 볼 렌즈(44)가 설치되는 제3홀더(41)를 구비한다. 상기 제 3홀더(41)는 제 2포토다이오드(42)가 내측면에 설치되며 그 상면에 상기 제 2포토 다이오드(42)로부터 수신된 신호를 인출하기 위한 본딩패드(43)가 형성된 제 3지지부(41a)와 상기 제 3지지부(41a)의 양측으로부터 연장되어 제 3마이크로 볼 렌즈(44)를 지지하는 제 3연장부(41b)(41c)를 구비한다.
상기 제 2,3홀더의 다른 실시예로서는 도면에 도시되어 있지 않으나 제1,2서포트 부재에 설치되는 격벽부재로 이루어질 수 있다. 이 경우 각 격벽부재에 상기 제 1,2포토 다이오드가 각각 설치되며 이의 전면에는 제 2,3마이크로 볼 렌즈(34)(44)가 각각 설치된다.
한편, 본딩패드들은 상기 실시예와 같이 임피던스의 정합과 제 1,2포토 다이오드(32)(42)의 부착을 위하여 Au, Sn 또는 이들의 합금에 증착함이 바람직하다. 상기 기판부재(11)와 제1,2,3홀더(21)(31)(41)의 재질은 열팽창계수가 상대적으로 작은 세라믹으로 이루어지는데, 질화물 세라믹인 질화알루미늄 등으로 제작함이 바람직한데, 이에 한정되지는 않고 열팽창량이 상대적으로 적은 재질이면 어느 것이나 가능하다. 그리고 상기 제 2, 3홀더(31)(41)는 상기 제 1홀더와 같이 박판이 적층되어 이루어질 수 있음은 당연하다.
상기제 1,2파장분할다중화(WDM)필터(51)(52)는 상기 광섬유(70)로부터 수신되는 광을 상기 제1,2포토다이오드(32)(42) 측으로 분할하는 것으로, 송신유니트(20)와 광섬유(70) 사이의 광축상에 각각 경사지게 설치된다. 상기 제1,2파장분할 다중화 필터(51)(52)의 단부는 적어도 일측의 제 1,2서브마운트(12)(13)에 지지된 스페이서(53)에 의해 지지되어 그 위치가 고정된다. 즉, 상기 스페이서(53)의 양측단부에는 경사지게 설치되는 제 1,2파장분할다중화 필터(51)(52)의 측면과 밀착되는 경사면이 형성된다. 미설명부호 60은 집속렌즈이다.
상기와 같이 구성된 삼파장 광송수신 모율 패키지(10)는 레이저 다이오드(22)로부터 출력된 송신광은 제1마이크로 볼렌즈(24)에 의해 집속된 후 제 1,2파장다중화 필터(51)(52)를 통과한 후 집속렌즈(60)를 통하여 광섬유(70)에 집속된다. 그리고 광섬유(30)로부터 입사하는 수신광은 상기 랜즈(60)에 의해 집속되어 제2파장분할다중화 필터(52) 표면의 적은 영역으로 집속된 후 반사되고, 이 반사된 수신광은 제3마이크로 볼렌즈(44)에 의해 집속되어 상기 제2포토다이오드(61)에 집 속됨과 아울러 상기 제2파장분할다중화 필터(51)를 통과한 수신광은 제 1파장분할 다중화 필터(52)에 의해 반사된 후 제2마이크로 볼렌즈(34)에 의해 집속되어 상기 제1포토다이오드(32)에 집속된다.
이와 같이 작동되는 삼파장 광송수신 모듈 패키지는 제1,2서브마운트(12)(13)에 송신유니트(20), 제 1,2수신유니트(30)(40)를 에폭시을 이용하여 고정하고 제 1,2서브마운트(12)(13)와 제 1,2파장분할다중화 필터(51)(52) 및 스페이서를 고정함으로써 광축정열에 따른 시간을 줄일 수 있으며, 광축정렬에 따른 정밀도를 높일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 삼파장 광송수신 모듈 패키지는는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째; 디아이엘 패키지 또는 버터 플라이 패키지에 송신유니트와 제1,2수신유니트가 블록화된 삼파장 광송수신 모듈 유니트를 장착할 수 있으므로 국제 표준에 맞는 소형 광모듈(small form factor) 제작이 가능하다.
둘째; 블록화된 세라믹 구조의 제1,2 수신유니트들을 수동정렬 방식으로 고정할 수 있어 광축 정렬 시간을 1/3이상 줄일 수 있다.
즉, 기판부재에 송신유니트와 수신유니트가 설치된 서브마운트를 고정하고 이에 스페이서와 홀더에 의해 그 위치가 한정되는 파장분할다중화 필터를 설치함으로써 광축정렬 시간을 단축 할 수 있다.
셋째; 세라믹으로 이루어진 기판부재, 제1,2서브마운트, 제1,2,3홀더 등의 온도변화에 따른 팽창과 수축을 기존의 제품에 비하여 크게 줄일 수 있어, 광모듈의 온도변화에 광축정렬의 어긋남을 방지할 수 있다.
넷째; 고주파 동작 특성이 우수한 세라믹 기판을 사용하여 10Gbps 이상의 고속 동작이 가능하고, 세라믹으로 이루어진 서브 마운트 자체에 임퍼던스 정합을 위한 회로패턴과 와이어 본딩을 위한 패드를 설치할 수 있어 직접형 광모듈의 제작이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 기판부재와, 상기 기판부재에 고정되며 인접되게 설치되는 적어도 두 개의 제1, 2서브 마운트들과,
    상기 제1 서브 마운트에 설치되며 광섬유 측으로 광신호를 송신하기 위한 레이저 다이오드와 제1렌즈가 설치되는 제1홀더를 구비한 송신유니트,
    상기 제 1서브마운트에 설치되며 상기 레이저 다이오드로부터 방출되는 광축과 직각을 이루도록 설치되며 상기 광섬유를 통하여 수신되는 광신호를 수신하기 위한 제1포토다이오드와 제2렌즈가 설치되는 제2홀더를 각각 구비한 제 1수신유니트와,
    상기 제 2서브마운트에 설치되며 상기 레이저 다이오드로부터 방출되는 광축과 직각을 이루도록 설치되며 상기 광섬유를 통하여 수신되는 광신호를 수신하기 위한 제3포토다이오드와 제 3렌즈가 설치되는 제3홀더를 각각 구비한 제 2수신유니트와,
    레이저다이오드 유니트와 광섬유 사이에 설치되어 광섬유로부터 수되는광을 제1,2포토다이오드 유니트 측으로 수신하기 위한 파장분할다중화필터들을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 삼파장 광송수신 모듈 패키지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1,2서브마운트에 설치되어 상기파장분할다중화 필터들를 지지 및 위 치 고정하는 스페이서를 더 구비한 것을 특징으로 하는 삼파장 광송수신 모듈 패키지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 서브 마운트와, 제1,2,3홀더는 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 삼파장 광송수신 모듈 패키지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 세라믹은 질화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 삼파장 광 송수신 모듈 패키지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1,2,3홀더는 각각 지지부와, 상기 제 1지지부의 단부로 각각 연장되어 마이크로 볼렌즈를 지지하는 연장부로 이루어진 것을 특징으로 하는 삼파장 광송수신 모듈 패키지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018107367A1 (en) * 2016-12-13 2018-06-21 Source Photonics (Chengdu) Company Limited Multi-channel optical transmitter and methods of making and using the same

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