KR20070113660A - 광모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 기판에 광도파로와 적어도 하나의 경사면과 광학 필터 등의 광학요소 들을 포함하여 구성가능하고, 기판에 이들을 단위 구성으로 하여 각종 다파장 광송수신기를 용이하게 제조하는 기술을 개시한다. 본 발명에 의하면, 구성 부품간의 정렬이 간단하고 광학적 성능이 우수하며 신뢰성 있는 양방향 다파장 광송수신기를 제작할 수 있게 된다.
광도파로, 광수신기, 광송신기, 다파장송신기, 다파장수신기

Description

광모듈 및 그 제조방법{OPTICAL MODULE AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}
도 1 및 도 2는 종래 기술에 의한 양방향 3파장 광송수신기의 구조도를 도시한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광모듈의 평면도와 단면도를 함께 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광모듈의 평면도와 단면도를 함께 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 광모듈을 적용한 양방향 3파장 광송수신기의 구성예를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 의한 광모듈의 제작방법을 설명한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 광모듈을 제조하는 다른 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광모듈을 적용하여 제작된 양방향 4파장 광송수신기를 예시한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광모듈의 구성도이다.
도 10은는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광모듈의 구성도이다.
본 발명은 광모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 기판에 광도파로와 복수개의 광학면과 광학 필터 등의 광학요소 들을 포함하는 광모듈을 제작할 수 있는 기술을 개시한다. 이 기술에 의하면, 기판 상에서 다수의 광소자를 동시에 제작할 수 있을 뿐 아니라 구성 부품간의 정렬이 간단하고 광학적 성능이 우수하며 신뢰성 있는 양방향 다파장 광송수신기를 효과적으로 제작할 수 있게 된다.
예를 들어, 본 발명의 광모듈은 광통신망 특히 광가입자 통신망에서 사용되는 양방향 (BiDi; Bi-Directional) 다파장 광송수신 소자로 이용될 수 있다.
양방향 광섬유 통신은 광섬유 한가닥을 통하여 양방향으로 광을 주고받는 통신방식으로서, 광섬유의 각 방향으로 1개 이상의 서로 다른 광파장들을 사용한다. 따라서 광섬유의 양 단말에서는, 광섬유에서 나오는 여러 파장으로 구성된 수신 광신호를 파장별로 분리하고 검출하여 각 수신 전기신호들로 전환해야 하고, 또한 각 송신 전기신호들을 파장별 광신호 들로 바꾸고 이들의 광파장을 합성하여 하나의 송신 광신호로 만든 다음, 수신광의 경로에 역방향으로 집어넣음으로서 송신과 수신광들을 하나의 광섬유에 광학적으로 연결해야 한다.
이러한 광소자가 적용되는 예로는 광가입자망에서 디지털 데이터의 송신과 수신에 각각 1.31㎛ 및 1.55㎛의 파장을 사용하는 양방향 다이플렉서(BiDi-diplexer)를 예로 들 수 있다. 양방향 다이플렉서에서 1.31㎛는 광가입자가 전화국으로 신호를 송신하는 광파장이며 1.55㎛는 전화국에서 광가입자로 송신을 하는 광파장이다. 따라서 광가입자 또는 전화국의 광섬유 말단에서는 광섬유의 각 진행방향으로 1.31㎛ 및 1.55㎛ 파장의 송신 및 수신광을 하나의 광섬유에 연결해야 한다.
한편, 근래에는 상술한 2개의 파장에 추가하여 케이블티브이(CATV; cable TV) 신호를 가정으로 보내기 위하여 별도의 파장채널을 사용하는 양방향 트리플렉서(BiDi-triplexer), 즉, 총 3개의 파장을 사용하는 양방향 다파장 광송수신기가 사용되고 있다. 이 경우, 전화국에서 가정으로 가는 하향 디지털신호는 1.49㎛ 광파장, 가정에서 전화국으로 가는 상향 디지털신호는 1.31㎛ 광파장, 전화국에서 가정으로 가는 CATV 하향 아날로그 신호는 1.55㎛ 광파장을 사용한다. 더 나아가 통신용량의 확장을 위하여 추가로 제4 파장 1.61㎛의 사용까지 고려하고 있는 실정이다.
이처럼 사용 광파장의 개수가 증가하면서 여기에 사용되는 광부품의 개수가 증가하고 있고, 이들 부품간의 광학적 정렬이 매우 중요한 제조공정상의 문제로 대두되었다. 참고로, 광섬유의 코어는 10㎛로서, 광을 이 코어에 집어넣기 위해서는 통상 1㎛ 이상의 정밀도로 광섬유와 송수신 광모듈 부품들의 상대적 정렬 및 고정을 하는 과정이 필요하다.
종래 기술의 일반 광학적 방법을 사용하는 양방향 3파장 광송수신기의 경우, 하나의 광송수신기를 조립하는데 만 해도, 구성 부품의 정렬자유도가 최소 50개 이상에 이르며, 이들 간에 광학적인 정렬을 하는데 만 해도 1개의 소자당 10분 이상의 시간이 소요되고 있다,
도 1은 종래의 일반 광학적 방법을 사용하는 양방향 3파장 광송수신기의 구조도이다. 예를 들어, "3 TO-Triplexer Optical Sub-Assembly 개발" (Photonics Conference 2004, T1A2, 한국광학회, 박중완, 박문규 백재명, 이중희, 오윤경, 장동훈; 삼성전자)에 이 방식이 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 양방향 3파장 광송수신기는 광소자들과 렌즈가 조립된 형태인 티오캔들(TO-CAN; Transistor Outline CAN; 21, 22, 23), 렌즈들(24, 21a, 22a, 23a) 및 광학 박막필터들을 구비하는 미러들(26, 27, 28, 29)을 포함하여 구성된다.
티오캔(23)은 렌즈(23a), 모니터 광수신기(23b) 및 반도체레이저(23c)가 미리 조립되어 있으며, 티오캔(21, 22)은 각각 광수신기들(21b, 22b)과 렌즈들(21a, 22a)이 미리 조립되어 있다. 한편, 광섬유 단말(25)과 각 티오캔들(21, 22, 23)에는 평행광을 만드는 렌즈들(24, 21a, 22a, 23a)이 부착되어 있다.
동작 원리를 설명하면, 광섬유(25)에서 들어오는 1.55㎛ 파장과 1.49㎛ 파장의 광은 미러들(26, 27, 28, 29)을 자유공간에서 통과하게 하여 각 광파장으로 분리한 후, 광수신기들(21, 22)로 보내고 광송신기(23)에서 나오는 1.31㎛ 광파장의 송신광은 2개의 미러(28, 26)들을 통과하게 하여 광섬유로(25)로 보내진다. 1.55㎛ 파장과 1.49㎛ 파장의 광수신기 앞단에는 각 해당 파장 이외의 광은 반사시키는 차단용 광학 박막필터들이 추가된 미러들(27, 29)을 추가로 배치한다.
상술한 바와 같은 광학적 방법을 써서 양방향 3파장 광송수신기를 만들 경우 복잡한 광정렬의 문제가 발생한다. 이런 문제를 해결하기 위해 다수의 개별 부품을 쓰는 대신에 평판광회로를 사용하는 방식이 개시되었다. 이 방식에 의하면, 부품간 광정렬을 최소화하고 단일 기판에 광학 박막필터, 광송신기, 광수신기 등의 각 구성요소들을 집적화 하는 방식이다. 이 방식에서는 각 구성 부품간의 광학적 연결을 광도파로가 하기 때문에 광정렬시의 자유도를 크게 줄이고 아울러 구성부품의 개수 또한 줄일 수 있다.
도 2는 종래의 광도파로 기술을 사용하는 양방향 3파장 광송수신기의 구조도이다. 본 기술은 일본특허공개공보 특개평10-142459호에 개시되어 있다.
도 2를 참조하면, 광섬유(1)에서 입사된 광이 입력포트(14)를 통해 입력되면, 광도파로(18)를 통과하여 홈(9)에 끼워진 광학 박막필터들(7, 8)에 입사하고 파장에 따라 통과 또는 반사되어 광파장을 분리 또는 합성을 한다. 광송신기에서(5) 송신되는 1.31㎛ 광파장은 광학 박막필터(8)에서 반사되어 광섬유(1)로 보내지고, 광섬유(1)에서 들어오는 1.49㎛와 1,55㎛의 광파장 중에서 1.49㎛ 광파장은 2개의 광학 박막필터(7, 8)를 통과하여 광수신기(4)에 보내지고, 1.55㎛ 광파장은 광학 박막필터(7)에서 반사하여 광섬유(2)로 보내지며 광수신기를 광섬유(2)의 말단에 부착하여 사용하게 된다.
이 방법에서는 홈(9)에 끼워질 0.1∼0.01㎜ 두께의 얇은 광학 박막필터(7, 8)가 필요하며, 광도파로 기판에 작은 홈을 형성하고, 그 홈에 광학 박막필터(7, 8)를 삽입하는 공정을 수행하여야 한다. 이 광학 박막필터(7, 8)는 일반적으로 유리 기판에 광학 박막필터를 코팅한 다음, 유리 기판에서 필터막을 분리하여 적당한 크기로 잘라서 만든다. 이와 같은 과정은 각 소자마다 개별 작업을 해야 하는 것으로서 상기한 종래의 일반 광학적 방법에 비하여 개선은 되지만, 양산성에는 여전히 문제점을 내포하고 있다.
한편, 미국특허공개공보 US 20040052467, "WAVEGUIDE ASSEMBLED FOR　TRANSVERSE OF OPTICAL POWER"에는 도 2와 유사한 방식에 의한 광 모듈이 개시되어 있으나, 이 방식도 공정상의 어려움이 있어 양산성에 실제 적용하기에는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 생산성이 우수한 광도듈을 제작하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각 광파장의 분리 또는 합성시 각 파장의 광신호에 생기는 광손실이나 기타 통신의 품질을 떨어뜨리는 영향들을 줄일 수 있는 광모듈의 구조를 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래기술의 광도파로를 사용하는 방법에서는 광도파로 기판의 표면에서 광도파로를 수직으로 자르며 지나는 홈을 만들고 이 홈에 필터를 삽입해야 하는 불편이 있었음을 인지하고 이를 해소하기 위한 것으로, 광학 박막필터를 평탄한 광도파로 기판 면에 직접 코팅하여 만들고, 광도파로의 광을 기판면에 수직한 방향으로 지나게 하여 광파장을 분리 또는 합성하는 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광은 기판면의 수직에 가깝게 입사 또는 반사를 하며, 따라서 기판면에 수직한 광을 기판면에 평행한 광도파로에 효과적으로 광학적 연결을 할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 기술에서 처럼 필터홈에 필터를 삽입하는 것과 같은 칩마다의 개별 작업이 아닌, 양산에 적합한 형태의 일괄 공정인 웨이퍼 단위의 평판 가공공정이 가능하도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 평판 광도파회로를 사용하는 양방향 다파장 광송수신기의 제조에서 광송신기(레이저 다이오드) 또는 광수신기(포토 다이오드)의 칩을 평판 광도파회로 칩에 간단하면서도 효율적으로 물리적 정렬위치를 유지하며 광학적으로 고정하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광송신기나 광수신기 칩을 광도파회로 기판의 표면에 플립칩 본딩(Flip-chip bonding)과 같은 반도체칩 부착기술을 사용하여 고정함으로서 생산성을 크게 개선할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 광송신기나 광수신기를 기판에 부착하는 과정에서, 특히 광송신기의 경우에, 부착하는 칩의 위치에 따른 광학적 정렬과 장착의 편의성을 위하여 별도의 기구물(carrier)에 광송신기나 광수신기 칩을 부착하고 이것을 다시 기판에 부착함으로서 광학적 연결의 효율성을 기할 수도 있도록 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 측면의 광모듈은 기판의 상면에 형성된 광도파로; 상기 광도파로의 적어도 코어부를 경사면을 가지고 절취하는 절취부; 상기 경사면에 코팅된 박막; 및 상기 절취부 상부에 광학필터층을 구비한다.
상기 '경사면'은 상기 광도파로를 통해 전달되는 광을 파장에 따라 반사 또는 통과하고, 상기 '광학필터층'은 상기 경사면에서 반사된 광을 파장에 따라 통과 또는 반사시키는 광모듈을 제공한다.
'광모듈'이라 함은 광통신 등에 이용가능한 구조물을 총칭하는 개념으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서는 다파장 광송신기, 다파장 광수신기, 양방향 3파장 광송수신장치, 양방향 4파장 광송수신장치도 포함하는 개념이다.
'절취부'는 절취한 방식에는 한정되지 않고 다양한 형식으로 제조된 구성요소를 의미하는 것으로, 건식 또는 습식 식각, 기계적 제조 등을 모두 포함하는 것으로 이해 되어야한다.
한편, '적어도 코어부를 경사면을 가지고 절취한다'는 의미는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 다양한 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 하는 바, 예를 들어, 광도파로가 절취된 경사면에 도달하기 전에 종단되는 경우, 코어부의 일부분은 절취되지 않는 경우 등도 포함하는 것으로 광도파로의 일부의 경사면에 의해 반사 또는 투과가 이루어지는 기능을 가지면 이를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 바람직하게는, 광이 상기 경사면을 투과할 수 있도록, 절취부를 투명한 광학매질로 채운다.
바람직하게는, 상기 광도파로는, 상기 광도파로를 통해 전달되는 광이 상기 경사면을 통과하여 진행할 수 있도록 연장된 광도파로를 구비한다.
또한, 상기 광학필터층 상부에는 광수신소자 또는 광송신소자를 더 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 광도파로는 상기 경사면의 법선 방향에 대하여 제1 소정각을 이루고 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 광도파로를 통해 입사되어 상기 경사면과 상기 광학필터층에 의해 반사되는 광이 출사되도록 형성된 광도파로를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 광학필터층 상부 또는 하부에는, 마이크로렌즈; 상기 마아크로 렌즈 상부에 소정거리 이격되어 구비되는 광소자; 및 상기 광소자를 지지하는 기구물을 구비할 수 있다.
또한, 광학필터층 상부에는, 광소자를 지지하기 하기 위한 기구물을 더 구비하되, 상기 광학필터층과 상기 기구물 사이에는 마이크로렌즈가 구비되며, 상기 마이크로렌즈는 상기 기구물과 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈는 실질적으로 90도 회전에 대하여 비대칭으로 제작하는 것도 가능하고, 본 발명의 제1 측면에 의한 광모듈을 단위 광모듈로 하여 복수개가 동일한 기판 상에 구비되는 것도 가능하다.
본 발명의 제2 측면은 기판의 상면에 서로 교차하는 교차 영역을 가지며 형성된 제1 및 제2 광도파로; 상기 제1 및 상기 제2 광도파로 각각과 상기 교차영역을 관통하여 연장된 제3 및 제4 광도파로; 상기 교차영역에 형성되며, 상기 제1 및 상기 제2 광도파로를 제1 소정각으로 절취하는 제1 경사면과 제3 및 제4 광도파로를 제2 소정각으로 절취하는 제2 경사면을 구비하는 절취부; 및 상기 교차영역 상부에 형성된 광학필터층을 구비하는 광모듈을 개시한다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제3 광도파로와 상기 제2 및 제4 광도파로는 상기 제1 및 제2 경사면의 법선에 의해 실질적으로 대칭이다. 이 경우, 상기 법선이 이루는 평면과 절취부가 교차하는 단면은 직각 이등변 삼각형이 된다. 또한, 교차 영역 상부에는 광소자가 더 구비될 수 있다.
한편, 상기 제1 광도파로에서 입사된 수신 광파장들은 상기 제1 경사면에서 반사하여 상기 제2 광도파로로 전달되며, 상기 제3 광도파로에서 입사된 송신 광파장들은 상기 제1 및 제2 경사면을 통과하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 절취부는 투명한 광학매질 또는 투명 광학매질층에 부가하여 광흡수 광학매질층으로 구성된 복층 구조의 후방 광학매질로 채워질 수 있으며, 적어도 1개의 투명한 제1 실리카 또는 폴리머층과 카본블랙이 함유된 제2 폴리머층(또는 수지층)의 복층을 구비함으로서, 산란광을 흡수하도록 구현하는 것도 가능하다.
상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면은 필터 증착시에 증착각도를 기울여서 상호간 필터특성의 편위가 일어나는 비대칭 필터일 수도 있다.
본 발명의 제3 측면은 기판의 상면에 서로 교차하는 교차 영역을 가지며 형성된 제1 및 제2 광도파로; 상기 교차영역에 형성되며, 상기 제1 및 상기 제2 광도파로를 소정각으로 절취하는 경사면을 구비하는 절취부; 및 상기 교차영역 상부에 형성된 광학필터층을 구비하되, 상기 제1 광도파로는 상기 제1 경사면의 법선 방향에 대하여 제1 소정각을 이루고 형성되며, 상기 제2 광도파로는 상기 제1 광도파로를 통해 입사되어 상기 제1 경사면과 상기 광학필터층에 의해 반사되는 광이 전달되어 출사되도록 하는 광모듈을 제공한다.
본 발명의 제4 측면은 기판의 상면에 서로 교차하는 제1 교차 영역을 가지며 형성된 제1 및 제2 광도파로; 상기 교차영역에 형성되며, 상기 제1 및 상기 제2 광도파로를 소정각으로 절취하는 경사면을 구비하는 제1 절취부; 및 상기 제1 교차영역 상부에 형성된 제1 광학필터층을 구비하되, 상기 제1 광도파로는 상기 제1 경사면의 법선 방향에 대하여 제1 소정각을 이루고 형성되며, 상기 제2 광도파로는 상기 제1 광도파로를 통해 입사되어 상기 제1 경사면과 상기 제1 광학필터층에 의해 반사되는 광이 전달되어 출사되도록 하는 제1 단위 광모듈과,
상기 제1 단위 광모듈에 연결된 제2 단위 광모듈을 구비하되,
상기 제2 단위 광모듈은, 상기 기판의 상면에 서로 교차하는 제2 교차 영역을 가지며 형성된 제2 및 제3 광도파로; 상기 제2 교차영역에 형성되며, 상기 제2 및 상기 제3 광도파로를 소정각으로 절취하는 제2 경사면을 구비하는 제2 절취부; 및 상기 제2 교차영역 상부에는 형성된 제2 광학필터층을 구비하되, 상기 제2 광도파로는 상기 제2 경사면의 법선 방향에 대하여 제2 소정각을 이루고 형성되며, 상기 제3 광도파로는 상기 제2 광도파로를 통해 입사되어 상기 제2 경사면과 상기 제2 광학필터층에 의해 반사되는 광이 전달되어 출사되도록 한다.
한편, 상기 제1 광학필터층 및 상기 제2 광학필터층은 동일한 구조로 제작되어 있고, 상기 제1 소정각 및 상기 제2 소정각은 서로 상이하게 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제5측면은 광모듈의 제작방법에 있어서, 기판의 상면에 광도파로를 형성하여 준비하는 단계; 상기 광도파로의 상부 소정 영역에 광학필터층을 형성하는 단계; 상기 기판의 전면 또는 하면으로부터 형성되며, 상기 광도파로의 적어도 코어부를 경사면을 가지고 절취하는 절취부를 형성하는 단계; 및 상기 경사면에 박막을 코팅하는 단계를 포함하는 광모듈의 제작방법을 제공한다.
한편, 상기 절취부를 형성하는 단계는 상기 기판의 도파로층 하면에 비등방 식각된 실리콘 결정층 만들거나 기판을 마스크로 사용하는 건식식각 방법을 이용할 수도 있고, 상기 기판의 상면을 소정의 식각마스크를 이용하여 식각하여 형성할 수도 있다.
또한 상기 절취부를 형성하는 단계는 상기 기판의 상면을 회전연삭가공을 통해 상기 경사면을 형성하는 것도 가능하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
(제1 실시예)
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광모듈의 평면도와 단면도를 함께 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 광모듈은 기판(100)의 상면에 형성된 광도파로(120); 상기 광도파로의 적어도 코어부(120b)를 경사면(132)을 가지고 절취하는 절취부(130); 상기 경사면(132)에 코팅된 박막(미도시); 및 상기 절취부(130) 상부에 광학필터층(133)을 구비한다.
도 3을 참조하면, 광도파로(120)는 입력측에 제1 광도파로(136)와 출력측에 제2 광도파로(137)가 모두 구비되는 것으로 도시하고 있으나, 필요에 따라서는 제1 광도파로(136)와 제2 광도파로(137) 중 하나만을 단위 광모듈로 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 또한, 광모듈에서 광이 경사면(132)을 투과하는 기능을 갖출 경우에는 상기 절취부(130)를 광학매질로 다시 채우는 것이 바람직하다.
한편, 제1 광도파로(136)와 제2 광도파로(137)를 같은 측에 형성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제1 광도파로가 경사면의 법선 방향에 대하여 제1 소정각을 이루고 형성되도록 하고, 제1 광도파로를 통해 입사되어 경사면과 광학필터층에 의해 반사되는 광이 출사될 수 있도록 제2 광도파로를 배치하는 경우는 제1 광도파로와 제2 광도파로가 같은 측에 형성될 수 있다.
한편, 각 경사면(132,134)은 입사하는 파장에 따라 반사 또는 통과를 할 수 있도록 코팅된 박막(미도시)을 구비하는 것이 바람직하다. 각 경사면들(132,134)의 각은 실질적으로 45도로 하는 것이 바람직하고, 그 목적은 광도파로(120)를 통해 전달되는 광이 광학필터층(133)에 수직한 방향으로 입사할 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 광학필터층(133)은 경사면을 통해 반사되어 입사되는 광의 파장에 따라 통과 또는 반사시킬 수 있도록 복수개의 박막을 필터구조로 갖도록 하는 것이 바람직하다.
광학필터층(133) 상부에는 광소자(140)를 구비한다. 광소자(140)로는 광수신기 또는 광송신기를 광학필터층 상부에 형성하며, 예를 들어 플립칩 본딩에 의하여 간단히 장착될 수 있으며, 사용가능한 레이저의 예시로는 수직공진기 표면방출 레이저(VCSEL; Vertical Cavity Surface Emitting Laser)나 수평공진기 표면방출 레이저(HCSEL; Horizontal Cavity Surface Emitting Laser)등의 레이저 표면에서 수직으로 광을 방출하는 표면방출형의 레이저이다. 광수신기의 예시로는 표면흡수 포토다이오가 바람직하다.
기판(10)은 광도파로 구조물(20)이 형성될 수 있는 종류이면 특별히 한정되지 않고 다양한 종류가 가능하고, 바람직하게는 실리콘 기판을 이용하면 실리카 계열의 광도파로를 형성하게 된다.
제1 실시예의 광모듈을 사용하면, 광파장의 분리 또는 합성에 필요한 경사면(132,134)(광학면) 및 광학필터층(133)을 광도파로의 진행경로에 비교적 간단한 공정으로 구현함으로써 광모듈의 생산성을 개선시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 기판(100)의 상면 또는 하면에서 식각 공정 또는 기계적 공정으로 절취부를 형성하는 공정을 도입함에 따라 광도파로(120)를 통해 진행하는 복수개의 광파장을 선택적으로 반사 또는 통과 시킬 수 있고, 반사된 광을 다시 한번 광학필터층(133)으로 통과 또는 반사할 수 있게 함으로써 특정 파장의 광을 광학적으로 필터링할 수 있게 된다.
또한, 광학필터층(133) 상부에 광수신 소자를 플립칩본딩 등의 간단한 공정으로 정렬함으로써 광학필터층(133)을 통해 통과된 광을 수신할 수 있게 된다. 한편, 광학필터층(133) 상부에 광송신소자(140)를 정렬하면 상술한 광의 전달경로와 역방향으로 광이 전달되도록 할 수 있다.
이러한 광 모듈을 단위소자로 이용하면 양방향 3파장 광송수신기, 양방향 4 파장 광송수신기 등 다양한 광모듈을 제작할 수 있다. 이하 상세히 설명한다.
(제2 실시예)
도 4는 본 발명의 광모듈을 적용하여 제작된 양방향 3파장 광송수신기의 제작예를 설명한다.
도 4를 참조하면, 제2 실시예에 의한 양방향 3파장 광송수신기는 제1 및 제2 광도파로(36, 37), 제3 및 제4 광도파로(38, 39), 절취부(30), 및 광학필터층(33)을 구비한다. 상기 절취부(30)는 광학매질로 채워지는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 광도파로(36, 37)는 기판(10)의 상면에 서로 교차하는 교차 영역(L1, L2)을 가지고, 제3 및 제4 광도파로(38, 39) 각각은 제1 및 상기 제2 광도파로(36, 37) 각각과 교차영역(L1, L2)을 관통하여 연장된 형태를 가진다.
한편, 절취부(30)는 교차영역(L1, L2)에 형성되며, 상기 제1 및 제2 광도파로(36, 37)를 제1 소정각(Φ1)으로 절취하는 제1 경사면(32)과 제3 및 제4 광도파로(38, 39)를 제2 소정각(Φ2)으로 절취하는 제2 경사면(34)을 구비한다. 제1 소정각과 (Φ1)제2 소정각(Φ2)은 실질적으로 45도로 하는 것이 바람직함은 전술한 바와 같다.
또한, 본 실시예의 광모듈을 적용함에 있어, 광도파로(20)의 교차영역 (L1, L2)의 상부에는 광수신소자(40)가 더 구비된다. 바람직하게는 교차영역(L1, L2)의 광도파로층(20)과 상기 광소자(40)의 사이에서 교차영역(L1, L2)의 상부에 광학필터층(33)이 구비된다.
광도파로(20)에는 제1 경사면(32)의 법선(x방향)과 θ를 이루고 형성되는 제1 및 제3 광도파로(36, 38)와, 이들과 대칭을 이루는 구조로 형성된 제2 및 제4 광도파로(37, 39)가 형성되어 있다. 바람직한 입사각(θ)의 범위는 1 내지 25도 이다.
제1 경사면(32)과 제2 경사면(34)은 기판(10)의 표면(31)과 대략 45°를 이루며 금속 또는 유전체 등의 광학박막이 코팅되는 것이 바람직하다. 제1 소정각(Φ1)과 제2 소정각(Φ2)의 제1 경사면(32)과 제2 경사면(34) 각각은 상기 2개의 광도파로로부터 전달되는 광을 반사 또는 통과하게 한다.
본 제2 실시예에 의하면, 제1 경사면(32)의 법선의 기판면 방향(35a)에서 일정각(θ)를 이루며 제1 광도파로(36)를 통해 전달되어 오는 다파장의 광신호 중에서 제1 및 제2 파장의 광신호들은 제1 경사면(32)에서 반사되고 광학필터층(33)으로 상기의 입사각(θ)를 유지하며 입사한다.
광학필터층(33)에 입사된 광신호들 중에서 제2 파장의 광신호만 이 층을 투과하여 광학필터층(33)의 상부에 위치한 광수신기(40)에서 그 신호를 검출하고, 나머지 광 파장은 반사한다. 반사된 광은 다시 제1 경사면(32)에서 반사되어 제2 광도파로(37)로 출사된다.
한편, 제3 광도파로(38)로 입력되는 제3 파장의 광신호는 제2 경사면 및 제1 경사면(34, 32)을 통과하여 제1 광도파로(36)로 출사된다.
도 5는 도 4의 광모듈을 적용한 양방향 3파장 광송수신기 광모듈의 구성예와 동작원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 제1 경사면(32)과 제2 경사면(34)은 제1 광도파로(36)로 들어오는 1.49㎛와 1.55㎛의 광파장은 반사하고, 제3 광도파로(38)로 들어오는 1.31㎛의 광은 투과하며, 광학필터(33)은 1.49㎛와 1.55㎛의 광파장중 하나는 통과하고 나머지는 반사하도록 설계된다.
한편, 제1 광도파로와 제2 광도파로(36, 37), 또는 제3 광도파로와 제4 광도파로는(38, 39)는 도 5에 예시한 바와 같이 서로 간 광학적 정렬을 위하여 각 제1 경사면(32) 또는 제2 경사면(34)에 가까워지면서 광도파로의 측면이 붙어서 결합되는 구조를 가질 수 있다.
또한, 각 광도파로들은 적절한 수평방향 및 수직방향의 도파구조 변화를 갖는 모드 크기 변환기를 가질 수 있다. 도 5에서는 도파로의 수평 및 수직방향으로 도파로 폭과 두께에 테이퍼를 주는 방식의 모드크기 변환기를 도시하고 있으나 이와는 다른 구조의 모드크기 변환기가 적용되는 것도 가능함은 물론이다.
제1 광도파로(36)와 제2 광도파로(37)는 제1 경사면(32)과 제2 경사면(34)에 의한 이중 거울상에 의하여 광축이 일직선으로 정렬되며, 제1 광도파로(36)의 입사광이 제1 경사면에 입사된 다음에 3중 반사되어 제2 광도파로(37)로 출사되기 전까지는 기판의 표면(31)에 수직한 평면 내에서 광도파로의 상부 클래드층만을 통과하여 지나게 되며, 이 과정에서는 광의 자유회절에 의하여 진행 광의 퍼짐현상이 일어나고 그 결과 제1 광도파로(36)와 제2 광도파로(37)간의 광 연결에는 다소의 광 손실이 발생할 수 있다.
한편, 코어와 클래드 간 큰 굴절률 차이를 갖는 광도파로의 경우에는 상기와 같은 광손실을 줄이기 위하여 모드크기 변환기를 사용하는 것이 바람직하나, 0.25% 정도의 작은 굴절률 차를 갖는 광도파로의 경우는 적절한 광도파로와 광학 박막필터 구조의 설계에 의하여 모드크기 변환을 하지 않고서도 이와 같은 광손실을 작게할 수도 있다. 이와 같은 회절효과는 코어와 클래드 간 굴절률 차이가 0.25% 정도로 작은 광도파로의 경우 광도파로의 모드 크기가 10㎛에 이르며, 제1 경사면(32)에서 부터 광학박막층(33)까지의 반사에 의한 왕복거리, 즉 0.25% 광도파로의 최소한의 바람직한 상부 클래드층 두께인 약 20㎛의 2배 거리를 왕복하는 동안에 일어나는 광의 회절은 충분히 작기 때문이다.
제1 광도파로(36)와 제3 광도파로(38)사이의 광학적 연결에서도 마찬가지로 제3 광도파로(38)로 입력되는 광은 제2 경사면(34)과 제1 경사면(32)을 지나서 제1 광도파로(36)로 들어가야 하는데 경사면(34)과 제1 경사면(32) 사이에는 광도파로가 정의되지 않아 상기에서 설명한 자유회절에 의한 광 손실이 발생하고, 이를 줄이기 위하여 모드크기 변환기를 사용할 수도 있다. 또한, 모드크기 변환기는 광도파로의 상하 방향과 수평 방향으로 모드의 크기를 키우는 것이 바람직하나 경우에 따라서는 상하 또는 수평의 한 방향으로만 모드의 크기를 키우는 모드크기 변환기를 사용할 수도 있다.
일반적인 반사면에서는 광의 입사각이 브루스터(Brewster) 각에 가까울수록 TM 편광이 TE 편광보다 반사율이 낮다. 따라서 45도 광학면, 즉 입사각이 약 45도인 광학 필터의 경우, 편광의 차이에 대한 반사특성의 변화가 작은 광학 필터의 설계는 어려울 수밖에 없으며 원하는 특성을 얻기 위해서는 박막의 층수도 예를 들어 100여 층에 이르도록 많아질 수도 있게 된다.
광모듈을 실제 설계함에 있어서, 광이 제1 광도파로(36)에 입사할 경우, 광학박막층(33)으로의 입사각 θ(도 5 참조)는 제1 광도파로(36)가 제1 경사면(32)의 법선의 기판 표면 방향(도 4의 35a)과 이루는 각 θ와 동일하므로 광회로의 설계에 의하여 θ를 임의로 정할 수 있다. 따라서 상기 입사각 θ를 수직에 가깝게 선택할 수 있으며, 광학박막층(33)에서는 입사광의 편광변화에 대한 반사특성의 차이가 적은, 각 광파장을 분리 또는 합성하는 광학 박막필터를 손쉽게 설계할 수 있는 장점이 있다. 그러나 입사각이 너무 적으면, 제1 광도파로(36)와 제2 광도파로(37) 사이에 광의 누설이 생기는 점 또한 고려하여야 하며 바람직한 입사각(θ)의 범위는 1 내지 25도 이다.
제1 경사면(32)과 제2 경사면(34)은 서로 대칭면으로서 동일한 코팅이 이루어지는 것이 가장 바람직한 방법이며, 절취부(30)의 공간에는 굴절률이 광도파로의 모드 굴절률과 같은 광학용 유리재료나 폴리머 재료의 광학매질을 채우는 것이 바람직하다. 절취부(30)의 공간에 채워지는 광학매질을 예시하면, 화학기상증착에 의한 실리카 유리막을 광도파로 전체 층의 두께만큼 채우고 나머지는 카본블랙을 함유한 폴리머 재료로 충진할 수 있다. 이때 카본블랙은 각 광학면 및 광도파로 또는 광학매질로 부터의 산란광을 효과적으로 흡수하여 광수신기의 잡음을 제거하는 역할을 한다.
한편, 절취부(30)의 제1 경사면(32)과 제2 경사면(34)을 제조함에 있어, 기판(10)의 표면(31)에 수직한 방향으로부터 유전체 등의 광학박막코팅을 수행하는 각도를 기울여서 코팅할 수 있다. 이 경우, 제1 경사면(32)과 제2 경사면(34)에는 누적된 코팅막들의 두께에서 서로 일정한 비율로 차이가 생기며 그 결과 박막의 투과 또는 반사대역이 광파장에 따라서 서로 일정한 편위가 일어나게 된다. 이러한 기법을 이용하여 1개의 후방 식각된 패턴으로 제1 경사면(32)과 제2 경사면(34)의 광학적 특성을 다르게 할 수 있게 된다.
한편, 제1 및 제2 경사면(32, 34)을 관통하는 방향의 제3 광도파로(38)는 1.31㎛의 역방향 송신에 사용하도록 설계할 수 있다. 입사각이 작은 기판 상부의 광학필터층(33)은 상대적으로 파장이 근접한 1.49㎛와 1.55㎛의 파장분리에 이용하는 것이 광학 박막필터의 설계에 유리한 반면에, 입사각이 브루스터 각에 가까워서 편광에 대한 반사와 투과특성의 영향이 크며 따라서 각 파장채널 간 우수한 신호분리 특성을 갖는 광학필터의 설계가 어려운 제1 및 제2 경사면(32, 34)은 1,49㎛와 1.55㎛의 수신 광파장에서 멀리 떨어져 있는 1.31㎛의 송신 광파장에 이용하는 것이 설계에 있어서 효과적이다.
한편, 도 5의 광모듈을 단위소자로 하여 이들 단위소자 사이를 광회로로 다양하게 조합하여 서로 연결하면 복수개의 광섬유에 양방향으로 다파장의 광송신 및 광수신을 수행할 수 있는 광소자를 구성할 수 있다(도 8 참조). 이에 대해서는 상세히 후술한다.
이하, 도 6a 내지 도 6e를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 광모듈의 제작방법을 설명한다. 도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 의한 광모듈의 제작방법을 설명한 단면도들이다.
도 6a를 참조하면, 실리콘 기판(10)을 [100]면 또는 필요시 [100]면에서 소정의 각도로 기울어진 면으로 양면 연마한 후, 하부클래드층(20a), 코어(20b), 상부클래드층(20c)를 구비하는 광도파로(20)를 형성하고 그 표면을 평탄화한다. [100]면에서 기울어진 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 후속공정으로 실리콘 기판(10)을 비등방 식각할 때 생기는 식각면의 각도가 실리콘 결정축이 기판면과 이루는 각도에 의하여 결정되기 때문에, [100]면에서 기울어진 기판을 사용하면 비등방 식각된 식각면이 기판면과 이루는 각도를 용이하게 조절할 수 있게 되는 효과가 있다.
광도파로의 하부클래드층(20a)으로는 산화실리콘 막을 쓸 수도 있고, 화염가수분해 증착법이나 화학기상증착법에 의해 제작된 실리카 유리막을 쓸 수도 있다. 표면 평탄화 후 광학필터층을 선택적으로 형성한다. 이 과정은 예를 들어 포토마스크로 광학필터층이 형성될 영역 이외의 영역에 희생층을 쌓은 다음, 그 위에 광학필터층을 코팅하고 리프트오프(lift-off) 방법으로 희생층을 제거하는 방식을 사용할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상기 과정에서 제조된 기판(10)의 하면에서 상면 방향으로 피라미드 모양의 절취부를 형성한다. 이 과정을 상세히 설명한다. 광도파로(20)의 하부클래드층(20a)이 산화실리콘일 경우, 광도파로(20)의 제작과정에서 산화실리콘이 기판 양면에서 동시에 형성되므로 기판(10)의 후면 역시 동일한 산화실리콘층이 있게 된다. 따라서 기판(10)의 후면에서 상기 피라미드의 바닥면에 해당하는 산화실리콘 막의 패턴을 음각 포토마스크를 사용하여 제거함으로서 실리콘 기판면을 노출시키고, 남아있는 산화실리콘층을 식각마스크로 하여 비등방식각을 함으로서 기판 실리콘을 피라미드 형태로 제거할 수 있다. 또 다른 방식으로는, 광도파로(20)의 하부클래드층(20a)을 화염가수분해 증착법이나 화학기상 증착법으로 만든 경우, 기판(10)의 후면에 예를 들어 질화실리콘막을 증착하고, 이 질화실리콘 막을 선택적으로 식각하여 식각마스크로 이용할 수 있다. 다음, 식각마스크를 이용하여 실리콘 기판의 비등방성 식각법으로 식각한다. 이후에 잔류한 식각마스크를 제거할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 상기 과정으로 가공된 실리콘 기판 자체를 식각마스크로하여, 광도파로(20)를 광학필터층이 노출될 때까지 플라즈마로 마스크 층을 동시에 식각을 하며 제거한다. 이때, 식각시 생긴 피라미드형 패턴의 도파로층 측벽 기울기는 45°로 하는 것이 바람직하며, 플라즈마 식각과정에서는 사용하는 기체의 종류와 유량, 압력, 온도 등의 여러 조건을 조절하므로서 실리콘과 실리카 도파로 층의 상대적 식각 비율을 다르게 조절하여 45도 사면의 제작이 가능하다. 또한, 식각된 광학면이 광학적 용도로는 거칠 경우, 낮은 온도에서 녹는 붕인규산 유리(BPSG; boro-phospho-silicate glass) 등을 화학기상 증착법으로 증착하고 적정 온도에서 열처리하여 광학면의 거칠기를 제거할 수도 있다.
도 6d 및 도 6e를 참조하면, 기판의 후면을 통해서 경사면들을 코팅하고, 절취부(예를 들어 피라미드형 패턴)에 후방광학매질을 채워 넣는다. 이때 채워지는 후방광학매질로는 화염가수분해 증착법이나 화학기상증착법으로 증착한 실리카 유리막이나 폴리머 광학재료를 사용한다. 또는 이들 재료를 순차적으로 조합하는 복수개의 층으로 채워넣을 수도 있다.
도 7은 본 발명의 광모듈을 제조하는 다른 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 설명된 방식과의 차이점을 위주로 설명하면, 도 7의 방식에서는 절취부(30)가 광도파로(20)가 형성된 기판의 상면에 형성되어 있다는 것이다. 이러한 구조는 광도파로의 표면으로부터의 기계적 가공에 의해 용이하게 구현될 수도 있다.
먼저 기판(10)에 광도파로를 제작한 다음에, 회전하는 원판형 톱과 같이 가장자리에 연삭면을 갖는 회전하는 연삭기구가 기판면을 따라 진행하며 연삭 가공을 하는 것을 염두에 둔다. 여기서 연삭면이라 함은 미세한 다이아몬드가루가 박힌 상기 연삭치구의 연마날을 말한다. 날의 단면 모양은 임의의 사이각을 갖는 2변으로 이루어진다. 상기의 연삭방법을 사용하면 기판 면에 대하여 각각의 일정 각을 갖는 두개의 마주보는 사면으로 구성된 브이(V)자 형태의 홈을 가공할 수 있다. 정밀한 기계가공에 의한 통상적인 가공 정밀도는 보통 1㎛ 정도로서 이 발명이 적용되는 광모듈의 제작에는 충분한 정밀도이다. 브이(V)자형 홈의 사면을 45도 면으로 구현하는 것이 가능함은 물론이다.
45도의 경사면을 구현하는 다른 방법으로는, 기판에 광회로를 제작한 다음에, 기판 상면에 다른 실리콘 기판을 붙여서 갈아내고(이와 같은 방식은 일반적인 에스오아이(SOI; silicon on insulator)의 제작방법임.), 기판표면의 실리콘을 비등방 식각하여 V자 형태로 가공하여, 이를 마스크로 다시 광도파로를 V자 형태로 건식 식각하는 방법을 사용할 수도 있다.
45도의 경사면을 기판의 상부에서 구현하는 또 다른 방법으로는, 기판에 광회로를 제작한 다음에, 그레이스케일 마스크를(grey scale, 명암이 연속적으로 변함) 사용하여 포토레지스트 패턴을 V자 형태로 만들고 이를 식각마스크로 사용하여 기판에 건식식각으로 전사하는 방법을 사용할 수도 있다.
광회로기판의 상부에서 경사면을 절취하는 경우, 경사면 상부에 광학 박막필터(33)를 만들기 위해서는 절취된 경사면에 광학코팅을 한 후에 다시 투명한 광학매질로 채워 넣고, 그 표면을 평탄화하는 작업이 필요함은 물론이다. 절취부를 채워 넣는 광학매질로는 광학용 폴리머나 실리카계 광학유리 등을 사용할 수 있다.
(제3 실시예)
도 8은 본 발명의 광모듈을 적용하여 제작된 양방향 4파장 광송수신기를 예시한 평면도이다. 도 8의 각 단위 광모듈(56,57,58,59,60)은 도 3에 도시하고 있는 본 발명의 광모듈을 간략히 나타내고 있으며, 각 단위 광모듈(56,57,58,59,60)은 광학필터층(56a,57a,58a,59a,60a)과 광소자(56b,57b,58b,59b,60b)를 구비하고, 각 경사면들(미도시)이 구비된 절취부를 구비한다.
제3 실시예의 양방향 4파장 광송수신기에서 수신 광파장은 1.49μm, 1.55μm, 1.61μm이며, 송신 광파장은 1.31μm이다. 외부와의 광 연결을 위한 입출력 포트(51a)는 광도파로(51)을 통해 제1 단위 광모듈(56)과 연결된다. 제1 단위 광모듈(56)은 수신광로에 송신광을 역방향으로 집어넣는 양방향 합성과, 수신 파장채널 1개를 수신한다. 광도파로(52)에 연결된 제2 및 제3 단위 광모듈(57,58)은 수신된 광을 파장 별로 분리하는 기능을 한다.
광도파로(53)에 연결된 제5 및 제4 단위 광모듈(60,59)에서는 송신신호의 광파장별 합성 또는 레이저 송신기의 동작 감시 등의 기능을 수행한다.
이와 같은 구조는 송신과 수신 신호를 제1 단위 광모듈(56)에서 일차적으로 별개의 도파로로 완전 분리함으로서 송신신호와 수신신호 간의 신호 누화를 줄일 수 있게 되는 장점이 있다.
이 경우, 제1 단위 광모듈(56)의 광소자(56b)는 절취부의 제1 경사면 쪽(도 8 참조)에 위치시켜서 수신된 파장 중 1개의 파장을 분리하여 수신하는 경우를 예시를 하였으나, 광소자(56b)는 절취부의 제2 경사면 쪽에 위치시켜서 송신신호의 모니터로 사용할 수도 있다.
또한, 송신이나 수신광의 입출력은 모두 기판의 표면에서 할 수도 있으며, 광학필터층(56a,57a,58a,59a,60a) 위에서 플립칩 본딩 등의 방식으로 광수신기나 광송신기를 쉽게 장착할 수 있다. 이 경우, 사용되는 광수신기와 광송신기는 표면흡수형 포토다이오드 및 표면 방출형 레이저가 바람직함은 이미 전술한 바와 같다.
이하, 송신 광파장 1.31μm 및 수신 광파장 1.49μm, 1.55μm 1.61μm의 4개의 파장인 경우를 예로 들어 동작원리를 설명한다. 외부 광섬유에서 입출력 포트(51a)로 입력된 수신 광신호는 광도파로(51)을 따라서 입사각(θ1)으로 제1 단위 광모듈(56)에 들어오면 전술한 원리에 의하여 제1 단위 광모듈(56)의 제1 경사면에서 반사하고 다시 광학필터층(56a)에서 1.49μm의 광신호만 투과하여 광수신기(56b)에 전달되고 여기서 전기신호로 바뀌고, 나머지 광파장 1.55μm와 1.61μm는 반사되어 광도파로(52)로 유도된다.
광도파로(52)에서는 제2 단위 광모듈(57)에 입사각(θ2)으로 들어온 광신호 중에서 1.55μm 광파장은 제2 단위 광모듈(57)의 광학필터층(57a)을 통과하여 광수신기(57b)에서 전기신호로 바뀌며, 나머지 1.61μm의 광파장은 광도파로(54)로 유도된다.
광도파로(54)에서 입사각(θ3)로 제3 단위 광모듈(58)에 들어온 1.61μm의 광신호는 제3 단위 광모듈(58)의 광학필터층(58a)에서 1.61μm의 광신호가 투과하여 광수신기(58b)에서 전기신호로 바뀐다. 여기서, 제3 단위 광모듈(58)의 광학필터층(58a)은 1.49μm 및 1.55μm의 차단필터로 사용되나 1.49μm 및 1.55μm의 신호가 충분히 미약할 경우 이러한 코팅이 없이도 사용할 수 있다.
반면에 상향 송신신호는 제4 단위 광모듈(59)의 상부에 위치한 송신기(59b)에서 1.31μm의 광신호로 바꾸어지며 제4 단위 광모듈(59)의 무반사코팅층(59a)을 지나 광도파로(55)로 전송되고, 다시 제5 단위 광모듈(60)의 광학필터층(60a)에서 광신호의 세기가 일부 나누어져서 투과하여 광수신기(60b)에서 수신되며 나머지 광은 반사하여 광도파로(53)으로 입력된다. 여기서 제5 단위 광모듈(60)의 광소자(60b)는 동작상태 감시검출기(mPD; monitor photodiode)로서 사용된다. 다시 송신광은 광도파로(53)를 지나서 제1 단위 광모듈(56)의 경사면들을 투과하고 광도파로(51)를 거쳐 광섬유의 입출력포트(51a)를 통해 외부 광섬유로 전송된다.
한편, 상기의 제1, 제2 및 제3 단위 광모듈(56,57,58)의 광학필터층들(56a,57a,58a)은 각각 다른 다층 유전체 광학필터의 코팅막을 입혀야 하나 입사각 θ1, θ2, 또는 θ3를 서로 달리 함으로서 제1, 제2 및 제3 단위 광모듈(56, 57, 58)의 광학필터층의 코팅을 1회로 줄일 수도 있다.
이는 각 단위 광모듈의 박막계(56a,57a,58a)는 동일하나 입사각이 달라짐으로서 투과파장의 편위가 생기는 것을 이용하는 것이다.
제2 내지 제5 광모듈(57,58,59,60)의 45도 경사면 광학코팅은 모든 파장에 대한 반사코팅이며, 이는 전파장에 걸친 반사코팅이므로 금속막에 유전체막이 보완된 복합코팅이 사용될 수 있다. 또한, 유전체 광학코팅이 사용될 수 있음은 물론이다. 그리고, 제1 내지 제3 광모듈(56, 57, 58)의 광학필터층(56a,57a,58a)은 상호간 투과파장 간격이 근접하여 있으며, 수십 층의 유전체 광학박막 코팅이 사용될 수 있다. 그러나 입사각을 0도에 가까운 각도로 선정할 수 있어서 편광에는 비교적 무관하고 각 파장 채널간의 신호 누설의 차단이 우수한 광학 박막필터의 설계 및 제작이 가능하다.
한편, 광송신기가 사용되는 제4 단위 광모듈(59)의 광학필터층(59a)은 무반사코팅을 하거나 별도의 코팅 없이도 사용할 수 있다. 제5 단위 광모듈(60)의 광학필터층(60a)은 입사된 광량의 일부 만을 투과시키는 역할을 하며 보통 금속막에 유전체막이 보완된 복합박막 또는 유전체 박막을 사용한다.
본 실시예에서는 종래의 방법, 즉, 광도파로로 직접 입출력하는 방법을 사용할 수도 있으며, 이 경우 측면방출형의 레이저를(edge-emitting laser) 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 도 8의 제4 단위 광모듈(59)을 없애고, 그 대신에 제4 단위 광모듈(59)이 설치되는 영역을 기판면으로부터 적정한 깊이로 건식 식각한 다음, 여기에 측면방출레이저(edge-emitting laser)를 식각된 바닥 면에 고정시켜서, 건식식각 영역의 측벽, 즉, 기판면에 수직한 측면을 통하여 단면이 노출된 광도파로(55)에 레이저의 광을 입사시키는 방법이 사용될 수도 있다.
한편, 사용되는 송신 광파장이 수신 광파장들에 근접해 있을 경우에는, 본 실시예에 대한 변형으로서, 도 8의 제1 단위 광모듈(56)에 의하여 수신광과 송신광을 완전히 분리하는 구조를 취하는 대신에, 제1 및 제2 광도파로(도 4의 36, 37)와 제1 경사면 및 광학필터층(도 4의 32, 33)만으로 구성된 단위 광모듈을 이용하여 이 구성단위들을 지그재그로 복수개 연결하여 양방향 광파장 다중화 및 역다중화기로 사용할 수도 있다. 이 경우, 제1 경사면(도 4의 32)은 파장선별을 할 필요가 없어 전 파장 반사막을 사용한다.
한편, 도 8의 각 단위 광모듈에 할당되어 사용되는 각 파장채널의 광의 경로는 역방향으로 광이 진행하여도 동일하므로, 수신광의 경로를 송신광의 경로로 또는 송신광의 경로를 수신광의 경로로 사용하여도 무관하다. 따라서, 도 8의 각 광학필터층 위의 광수신기를 표면방출형의 광송신기로 대체하면 수신기능을 송신기능으로 간단히 바꿀 수 있으며 역과정 또한 가능하다.
광통신에서 광수신기로는 표면흡수형 포토다이오드가 보통 사용되고, 광송신기로는 측면방출레이저가 보통 사용되고 있다. 표면 흡수형 포토다이오드는 그 면적은 보통 20 내지 100 ㎛이다. 따라서, 그 면적 내에만 광이 들어오면 수신되므로 수신기의 플립칩 본딩시 위치정렬 문제는 간단하다.
그러나, 광송신기는 방출면적이 수 ㎛이므로, 해당 파장채널을 송신기로 사용하고자 할 경우에는 렌즈나 모드 컨버터등을 사용하여 효율적으로 광연결을 하기 위한 별도의 노력이 필요하며 도 9에 그 예시를 하고 이후에서 그 설명을 기술하기로 한다.
(제4 실시예)
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광모듈의 구성도이다.
도 9를 참조하면, 기판(10)의 상면에 형성된 광도파로(20)와 광도파로(20)의 적어도 코어부(20b)를 경사면(88,86)을 가지고 절취하는 절취부(89); 경사면(88,86)에 코팅된 박막(미도시); 및 절취부(89) 상부에는 광학필터층(83)을 구비한다. 그리고, 광학필터층(83)을 에워싸고, 그 상부에 광소자(85)가 구비되는 캐리어(81)가 설치되고, 광학필터층(83)과 마이크로렌즈(84)를 통해 전달되는 광이 광소자(85)에 도달할 수 있도록 캐리어(81)의 내부(82)는 빈 공간 또는 투명한 광학매질로 채워진다.
도 9를 참조하면, 광송신기 또는 광수신기를 평판 광도파회로의 기판면을 통해 광학적인 연결을 하기 위하여 기판 표면에 그 위치를 고정하기 위해 기구물을(carrier)(81) 사용하는 예시이다. 수광면적이 큰 광수신기의 경우는 상기 기구물을 사용할 필요가 없을 수도 있다. 그러나 광송신기, 즉 표면방출 레이저다이오드의 경우 마이크로렌즈가 보통 필요하고, 따라서, 캐리어는 기판 표면으로부터 레이저다이오드까지 적정한 거리를 확보하는데 유용한 방법이므로 레이저의 경우를 예시로 설명한다.
이 구조에 의하면, 광송신소자(레이저)(85)를 경사면(86) 위에 위치시켜서 광도파로(87)로 광을 효율적으로 집어 넣기 위해서는 레이저(85)와 경사면의(86) 사이에 일정한 거리를 둔 마이크로렌즈(84a)가 사용된다. 이는 레이저의 모드크기가 광도파로의 모드크기와 달라서, 이를 정합시키기 위한 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해서 기판 일부가 제거된 별개의 캐리어(81; carrier) 칩에 레이저를 고정하고, 레이저(85)와 경사면(86) 사이에 필요한 거리를 확보하여, 캐리어 칩(81)을 광도파로 기판(10)의 표면에 광학적인 정렬을 하게 된다. 캐리어 칩으로는 실리콘 기판을 비등방식각하여 보통 사용하며 이는 실리콘 광학벤치(SiOB; Silicon optical bench)로서 잘 알려진 기술이다.
마이크로렌즈는 광학필터층(83) 상부에 제작이 가능하고, 포토레지스트 또는 폴리머나 기타 유리막 재료를 다각형, 원형 또는 타원형으로 식각한 다음, 이를 가열하여 녹여서 포토레지스트 등의 폴리머나 기타 유리막 재료의 표면장력에 의해 제작된다.
마이크로렌즈는 광도파로 기판 위의 광학박막 필터 위에 제작되는 것이 보통이다. 하지만 이와는 다르게, 광도파로 기판면에 먼저 포토레지스트 등으로 마이크로렌즈를 만들고 나서, 이를 기판과 동시에 에칭하여(패턴 전사라고 함) 광도파로의 상부클래드 층에 렌즈형상을 전사하고, 다시 그 위에 광학 박막필터층을 코팅할 수도 있다. 이 경우, 코팅된 광학 필터층의 광학면은 볼록한 면을 갖게 되며, 45도 경사면에서 반사되어 회절에 의해 퍼지면서 광학 박막필터에 입사되었다가 반사되는 광이 다시 수렴하게 되므로 회절에 의한 광손실을 줄일 수 있는 이점이 있게 된다.
(제5 실시예)
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광모듈의 구성도이다.
도 10을 참조하면, 기판(10)의 상면에 형성된 광도파로(20)와 광도파로(20)의 적어도 코어부(20b)를 경사면(88,86)을 가지고 절취하는 절취부(89); 경사면(88,86)에 코팅된 박막(미도시); 및 절취부(89) 상부에는 광학필터층(83)을 구비한다. 그리고, 광학필터층(83)을 에워싸고, 그 상부에 광소자(85)가 구비되는 캐리어(81)가 설치되고, 광학필터층(83)과 마이크로렌즈(84a)를 통해 전달되는 광이 광소자(85)에 도달할 수 있도록 캐리어(81)의 내부(82)는 빈 공간 또는 투명한 광학매질로 채워진다.
제4 실시예와의 차이점을 위주로 설명하면, 제10 실시예에서는 마이크로렌즈(84b,84c)를 캐리어 내부에 추가로 형성한 경우이다. 이 경우, 캐리어(81)는 기판 표면에 유리막(81a)이 형성된 것을 사용하며(보통 실리콘 기판의 산화막을 사용함), 캐리어(81)를 비등방성 식각을 한 후에, 그 식각면에 투명 폴리머층 또는 화염가수분해법, 화학기상증착법, 졸겔(sol-gel)법 등으로 실리카 박막층(84c)을 생성하고, 이를 가열하여 녹여서 오목한 면을 갖게 한 다음, 그 위에 점도가 낮고 상기 박막층과는 굴절률이 다른 폴리머, 졸겔유리 등의 광학재료를 채워넣어 마이크로렌즈(84b,84c)를 형성한다.
도 10에서는 캐리어(81)에 형성된 렌즈(84b,84c)가 전술한 기판 면에 제작된 렌즈(84a)와 동시에 사용하여 광학계를 구성된 경우를 나타내고 있으나, 그 중 하나만을 사용하여 광학계를 구성할 수도 있음은 물론이다. 캐리어(81)와 기판(10) 사이의 빈 공간(82)은 그대로 사용하거나, 광학용 폴리머나 수지 등의 광학매질로 채워넣을 수도 있다.
상술한 방법들에 의하여 제작된 렌즈가 90도 회전에 대하여 비대칭일 경우는(예로서, 직사각형 또는 타원형 패턴의 경우) 그 패턴에 따라 렌즈의 수직하는 두 축 방향으로 곡률이 서로 다른 렌즈도 제작할 수 있으며, 이와 같은 비대칭 렌즈는 수평공진기형 표면방출레이저나 측면방출레이저의 경우에 생기는 비점수차를 제거하는데 유용하다.
본 발명의 사상이나 범위로부터 이탈됨이 없이 본 발명의 다양한 변경이 가능해질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 구현예에 대한 상기의 설명은 예시의 목적으로만 제공될 것이며, 첨부된 청구 범위 및, 그것의 등가물에 의해서 한정되는 본발명을 제한하기 위한 목적을 위해서 제공되는 것은 아니다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명에 따른 광모듈을 이용하면, 광섬유에서 평판광회로로 들어온 광이 광도파로를 따라서 진행하는 도중에 특정 파장의 광신호들을 광학필터층을 사용하여 선택하여 빼내어 해당 파장의 광수신기들로 전달하고, 각 광송신기에서 나오는 특정 파장의 광들을 광학필터층을 사용하여 하나의 광빔으로 만들어 이를 수신광 경로의 역방향으로 광섬유로 내보낼 수 있게 되는 효과가 있다.
(2) 본 발명을 사용하면, 개별 단위칩 마다의 작업을 배제하고, 수백개의 소자들로 구성된 웨이퍼(Wafer) 수준에서, 광파장의 분리 또는 합성에 필요한 복수개의 광학면 및 광학 막막필터들과 광도파로를 기판의 전면 또는 후면에서 평판형 공정으로 동시에 제조하므로서, 구성 부품간의 정렬이 간단하고 고성능인 양방향 다파장 광송수신기 광모듈들을 효과적으로 신뢰성있게 제작할 수 있다.
(3) 또한, 상기 광모듈의 생산성을 획기적으로 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래 기술에서 처럼 에폭시 등에 의해 별도의 광학 박막필터를 고정하지 않고 기판의 표면에 직접 코팅을 할 수 있어서 소자의 신뢰성을 대폭 개선할 수 있다.
(4) 기판 표면의 광학필터는 상대적으로 1.49㎛와 1.55㎛와 같이 파장채널 간격이 60nm로 적은 수신광들의 파장을 분리하고, 제1 경사면에서는 수신 광파장 1.49㎛로부터 180nm로 멀리 떨어져 있는 1.31㎛의 송신광파장을 1.49㎛ 수신광의 경로에 역방향으로 결합하는 구조를 사용하는 것이 가능하다. 즉, 수신 광파장의 분리에는 두 도파로의 교차각의 절반인 이차광학면으로의 입사각을 두 도파로 사이의 교차에 의한 신호의 누화가 일어나지 않는 범위 내에서 0도에 가깝게 임의로 선택할 수 있는 구조를 사용함으로서 광파장의 분리에서 중요한 특성의 하나인 광파장 채널분리의 편광의존성을 개선할 수 있다.
(5) 편광특성의 개선이 어려운 45도의 경사면에는 1.31㎛의 송신광파장을 합성하게 하므로서, 종래 기술의 양방향 3파장 광송수신기의 경우처럼 각 파장의 분리 또는 합성시 각각 단위필터 구조를 사용하지 않고, 두개의 도파로가 교차하는 영역에 복합미러구조 하나만을 사용하여 보통 20∼30μm 두께인 광도파로의 상부피복층만을 왕복하는 이중 광학면을 둠으로서, 광의 경로 또한 대폭 줄이면서 3파장의 분리합성이 효과적으로 동시에 이루어질 수 있으므로 광모듈 칩의 크기를 대폭적으로 줄일 수 있으며, 그 결과 생산성을 크게 개선할 수 있게 된다.

Claims (22)

  1. 기판의 상면에 형성된 광도파로;
    상기 광도파로의 적어도 코어부를 경사면을 가지고 절취하는 절취부;
    상기 경사면에 코팅된 박막; 및
    상기 절취부 상부에는 광학필터층을 구비하되,
    상기 경사면은 상기 광도파로를 통해 전달되는 광을 반사 또는 통과하고,
    상기 광학필터층은 상기 경사면을 통해 반사된 광을 파장에 따라 통과 또는 반사시키는 광모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광도파로는, 상기 광도파로를 통해 전달되는 광이 상기 경사면을 통과하여 진행할 수 있도록 연장된 광도파로를 구비하는 광모듈.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광학필터층 상부에는 광수신 소자 또는 광송신소자를 더 구비하는 광모듈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광도파로는 상기 경사면의 법선 방향에 대하여 제1 소정각을 이루고 형성되며,
    상기 광도파로를 통해 입사되어 상기 경사면과 상기 광학필터층에 의해 반사되는 광이 출사되도록 형성된 광도파로를 더 구비하는 광모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광학필터층 상부 또는 하부에는 마이크로렌즈;
    상기 마아크로 렌즈 상부에 소정거리 이격되어 구비되는 광소자; 및
    상기 광소자를 지지하는 기구물을 구비하는 광모듈
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 광학필터층 상부에 광소자를 지지하기 하기 위한 기구물을 더 구비하되,
    상기 광학필터층과 상기 기구물 사이에는 마이크로렌즈가 구비되며,
    상기 마이크로렌즈는 상기 기구물과 일체로 형성되어 있는 광모듈.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는 90도 회전에 대하여 실질적으로 비대칭인 광모듈.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 의한 광모듈을 단위 광모듈로 하여 복수개 구비하여 구성되며,
    상기 각 단위 광모듈은 광도파로를 통해 서로 연결되는 광모듈.
  9. 기판의 상면에 서로 교차하는 교차 영역을 가지며 형성된 제1 및 제2 광도파로;
    상기 제1 및 상기 제2 광도파로 각각과 상기 교차영역을 관통하여 연장된 제3 및 제4 광도파로;
    상기 교차영역에 형성되며, 상기 제1 및 상기 제2 광도파로를 제1 소정각으로 절취하는 제1 경사면과 제3 및 제4 광도파로를 제2 소정각으로 절취하는 제2 경사면을 구비하는 절취부; 및
    상기 교차영역 상부에 형성된 광학필터층을 구비하는 광모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 광도파로와 상기 제2 및 제4 광도파로는 상기 제1 및 제2 경사면의 법선에 의해 실질적으로 대칭인 광모듈.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 교차 영역 상부에는 광소자가 더 구비되는 광모듈.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로에서 입사된 수신 광파장들은 상기 제1 경사면에서 반사하여 상기 제2 광도파로로 전달되며, 상기 제3 광도파로에서 입사된 송신 광파장들은 상기 제1 및 제2 경사면을 통과하는 광모듈.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 광소자는 표면흡수 포토다이오드 또는 표면방출 레이저인 광모듈.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 절취부는 투명 광학매질, 또는 투명 광학매질층과 광흡수 광학매질층으로 구성된 복층 구조의 후방 광학매질로 채워진 광모듈.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 절취부는 광학매질로 채워지고,
    상기 광학매질은 적어도 1개의 투명한 제1 실리카 또는 폴리머층과 카본블랙이 함유된 제2 폴리머층(또는 수지층)의 복층을 구비하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면은 필터 증착시에 증착각도를 기울여서 상호간 필터특성의 편위가 일어나는 비대칭 필터인 광모듈.
  17. 기판의 상면에 서로 교차하는 교차 영역을 가지며 형성된 제1 및 제2 광도파로;
    상기 교차영역에 형성되며, 상기 제1 및 상기 제2 광도파로를 소정각으로 절취하는 경사면을 구비하는 절취부; 및
    상기 교차영역 상부에 형성된 광학필터층을 구비하되,
    상기 제1 광도파로는 상기 제1 경사면의 법선 방향에 대하여 제1 소정각을 이루고 형성되며, 상기 제2 광도파로는 상기 제1 광도파로를 통해 입사되어 상기 제1 경사면과 상기 광학필터층에 의해 반사되는 광이 전달되어 출사되도록 하는 광모듈.
  18. 기판의 상면에 서로 교차하는 제1 교차 영역을 가지며 형성된 제1 및 제2 광도파로; 상기 교차영역에 형성되며, 상기 제1 및 상기 제2 광도파로를 소정각으로 절취하는 경사면을 구비하는 제1 절취부; 및 상기 제1 교차영역 상부에 형성된 제1 광학필터층을 구비하되, 상기 제1 광도파로는 상기 제1 경사면의 법선 방향에 대하여 제1 소정각을 이루고 형성되며, 상기 제2 광도파로는 상기 제1 광도파로를 통해 입사되어 상기 제1 경사면과 상기 제1 광학필터층에 의해 반사되는 광이 전달되어 출사되도록 하는 제1 단위 광모듈과,
    상기 제1 단위 광모듈에 연결된 제2 단위 광모듈을 구비하되,
    상기 제2 단위 광모듈은,
    상기 기판의 상면에 서로 교차하는 제2 교차 영역을 가지며 형성된 제2 및 제3 광도파로; 상기 제2 교차영역에 형성되며, 상기 제2 및 상기 제3 광도파로를 소정각으로 절취하는 제2 경사면을 구비하는 제2 절취부; 및 상기 제2 교차영역 상부에는 형성된 제2 광학필터층을 구비하되, 상기 제2 광도파로는 상기 제2 경사면의 법선 방향에 대하여 제2 소정각을 이루고 형성되며, 상기 제3 광도파로는 상기 제2 광도파로를 통해 입사되어 상기 제2 경사면과 상기 제2 광학필터층에 의해 반사되는 광이 전달되어 출사되도록 하는 광모듈.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 광학필터층 및 상기 제2 광학필터층은 동일한 구조로 제작되어 있고,
    상기 제1 소정각 및 상기 제2 소정각은 서로 상이하게 구성된 광모듈.
  20. 광모듈의 제작방법에 있어서,
    기판의 상면에 광도파로를 형성하여 준비하는 단계;
    상기 광도파로의 상부 소정 영역에 광학필터층을 형성하는 단계;
    상기 기판의 전면 또는 하면으로부터 형성되며, 상기 광도파로의 적어도 코어부를 경사면을 가지고 절취하는 절취부를 형성하는 단계; 및
    상기 경사면에 박막을 코팅하는 단계를 포함하는 광모듈의 제작방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 절취부를 형성하는 단계는 상기 기판의 상면 또는 하면을 선택적으로 건식식각하는 방식으로 수행하는 광모듈의 제작방법.
  22. 제20 항에 있어서,
    상기 절취부를 형성하는 상기 기판의 상면을 회전연삭가공을 통해 상기 경사면을 형성하는 광모듈의 제작방법.
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