KR20080088723A - 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지 및 그제작방법 - Google Patents

가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지 및 그제작방법 Download PDF

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김형철
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고려오트론(주)
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Abstract

본 발명은 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지를 제공하기 위한 것으로, 다수의 광섬유가 내장되고 정렬용 가이드 홀(30)을 구비한 광섬유 케이블 커넥터(10)와; 상기 광섬유 케이블 커넥터(10)를 내부로 플러그-인시키는 어댑터(11)가 구비된 어댑터 소켓(1)과; 상기 어댑터 소켓(1)에 장착되고, 정렬용 가이드 홀을 갖는 마이크로 렌즈 어레이(22)와, 광전소자 어레이 칩(21)이 구비된 실리콘 광학 벤치(23)가 구비된 광서브 어셈블리 모듈(2)과; 정렬용 가이드홀과 제어 회로를 구비하여 상기 광서브 어셈블리 모듈(2)측에 배치된 회로 기판(4)과; 정렬용 가이드홀을 구비하고 상기 회로 기판(4)을 보호하기 위한 기판 하우징(5)을 포함하여 구성되고, 상기 광서브 어셈블리 모듈(2), 회로 기판(4) 및 기판 하우징(5)은 상기 정렬용 가이드홀에 삽입된 가이드핀(6)에 의해 정열 결합된 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 각 부품의 정렬 및 결합구조가 간단하고, 용이하게 수동정렬이 가능하며, 본 발명을 활용하면 제조 공정시간을 단축시킬 뿐만 아니라 신뢰성이 우수한 광접속 모듈의 제작이 가능하다.
광트랜시버, 패키징, 광전소자, 광결합 모듈, 마이크로 렌즈

Description

가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지 및 그 제작방법{Parallel Optical Transceiver Module Package Using Guide Pin}
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 VCSEL 칩과 광섬유의 수평 직접 결합 구조의 사시도.
도 2 내지 도 10은 본 발명에 따른 광 트랜시버 모듈의 바람직한 실시예에 관련된 도면으로,
도 2는 광 트랜시버 모듈의 조립된 사시도이고,
도 3은 광 트랜시버 모듈의 분해 사시도이고,
도 4는 광섬유 케이블 커넥터의 사시도이고,
도 5는 어댑터 소켓과 어댑터의 결합된 사시도이고,
도 6은 실리콘 광학 벤치의 구성도이고,
도 7은 마이크로 렌즈 어레이의 사시도이고,
도 8은 마이크로 렌즈 어레이의 변형예시도이고,
도 9는 EMI 실드의 사시도이고,
도 10은 기판 하우징의 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 어댑터
2: 광 서브 어셈블리 모듈 패키지
3: EMI 실드(Electromagnetic Interference Shield)
4: 회로기판
5: 기판 하우징
6: 가이드 핀
7: 방열판
10: 광섬유 케이블 커넥터
11: 어댑터
12: 결착홈
20: 광섬유 어레이
21: 광전소자 어레이 칩
22,22': 마이크로 렌즈 어레이
23: 실리콘 광학 벤치
24, 25: 스페이서
4a, 22a, 30, 52: 가이드 홀
51: 고정용 돌출부
52: 하우징 가이드 핀 홀
본 발명은 광 결합 모듈에 관한 것으로, 특히 광 정렬을 용이하게 함으로써 광 결합손실을 최소화하여 모듈 성능을 향상시키고, 각 부품의 정렬 및 결합구조가 간단하며, 용이하게 수동정렬이 가능토록 한 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지에 관한 것이다.
또한 본 발명은 제조 공정시간을 단축시키고, 광결합 구조의 복잡화와 제조 비용의 증가 없이 수평 간접 결합을 이룰 수 있는 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지의 제작방법에 관한 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 VCSEL 칩과 광섬유의 수평 직접 결합 구조의 사시도이다.
도 1에 도시된 수평 결합 구조는 VCSEL 칩(100)으로부터 출사된 광이 어떠한 광학계를 통과하지 않고 광섬유 케이블(101)과 직접 결합되는 방식을 사용하고 있다. 미국 특허 US 6,315,463 및 US 6,227,720은 이러한 수평 직접 결합 구조에 해당하는 기술이다.
도 1을 참조하면, 수평 직접 결합 방법은 VCSEL 칩(100)이 본딩된 기판(102)에 2개의 가이드 홀(104)을 만들어 광섬유 케이블 커넥터(105)의 가이드 핀(103)으로 정렬함과 동시에 광결합이 이루어지도록 한다. 이러한 수평 직접결합 방법은 표 면 발광과 원형 빔 특성을 가지는 VCSEL 레이저의 장점을 그대로 사용한 것으로, 그 구조가 아주 단순하다는 장점이 있다.
그러나, 이러한 수평 직접 결합 방법은 광섬유 케이블(101)의 착탈에 의한 VCSEL 레이저 창의 손상이 발생될 위험이 있으며, VCSEL 칩(100)과 그 구동회로 사이의 본딩 와이어가 광섬유 케이블(101)의 착탈에 의해 손상될 위험이 있다. 이런 위험 요소를 제거하고자 광섬유 케이블(101)과 VCSEL 칩(100)을 일정 거리 이상 이격 시킬 경우 광 결합 효율이 떨어지게 된다.
병렬 광 접속 모듈은 광신호를 생성하는 트랜스미터(Transmitter)와 광신호를 받아서 전기신호로 변환하는 리시버(Receiver)가 VCSEL, PD(Photodidoe) 어레이 된 POSA, 구동 드라이버 IC를 이용하여 전기신호를 생성하고 처리하는 회로(Circuit), 시스템 탈 부착이 용이하게 만든 패키지 하우징, 병렬형 인터페이스인 MPO 아답타로 구성되며 일반적으로 규약에 의해 크기 및 입출력단이 규격화 된다.
따라서 병렬 광 접속 모듈에 있어서 그 제조 방법은 모듈의 성능에 핵심적인 역할을 하게 되며 모듈 가격을 좌우하는 중요한 요소이다.
기존의 1채널 광통신 모듈용 TOSA, ROSA는 TO-CAN이라 불리우는 패키지 위에 레이저 다이오드(LD: Laser Diode) 칩 또는 포토 다이오드(PD: Photodidoe) 칩을 전기 및 열전도성이 좋은 물질로 부착하고 볼(Ball) 렌즈가 부착된 두껑(Cap)을 부착한 TO-CAN 소자를 광섬유와 능동 정렬하고, 금속 기구물을 이용하여 광결합 효율이 최대일때 레이저 용접기로 용접하는 구조이다.
이러한 능동 광정렬은 TO 패키지에 부착되어 있는 레이저 다이오드에 전류를 인가하면 레이저 다이오드는 광신호를 방출하게 되고, 방출되는 광신호가 렌즈를 통하여 일정한 거리에서 상이 맺히게 된다. 이 때 정렬 정도에 따라서 광섬유로 들어가는 광신호의 양이 다르게 검출되게 되며, 검출된 광신호 값이 가장 클 때를 찾아내는 광정렬방법을 말하는 것으로 대개의 광섬유-광소자 간의 정렬 및 패키징에서 사용하는 방법이다.
이와 같이 레이저 다이오드 혹은 포토 다이오드 등의 소자를 직접 구동시키고, 광섬유와의 정렬정도를 실시간으로 감지하여 최적의 정렬도를 얻어내는 능동 광정렬 방법에 있어서는 제작공정에 많은 시간과 고가의 조립 장비가 필요하다.
이에 반해, 수동 정렬 방법은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 어레이 칩으로부터 출사된 광이 포커싱 타입의 실리콘 광학 렌즈를 통해 다수개의 광섬유에 직접 결합되는 방식으로 파이버와 렌즈 사이에 능동 정렬 없이 정렬함과 동시에 광결합이 이루어지도록 만든 구조이다.
이는 VCSEL 어레이 칩에서 출사된 광이 광섬유에 결합되는 효율이 증가하고, 정렬 허용도가 높아지는 장점을 가지나 종래의 결합방식보다 제조비용이 높아지는 단점이 있다. 또한 광섬유와 VCSEL 칩, VCSEL 칩과 렌즈, 렌즈와 PCB 기판, PCB 기판과 하우징 사이의 정렬을 각각 정밀하게 해야하기 때문에 이에 따르는 정렬상의 어려움이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 제반적인 사정을 감안하여 창출된 것으로, 광 결합 조립품의 정렬을 용이하게 함으로써 광 결합손실을 최소화하여 모듈 성능을 향상시키고, 각 부품의 정렬 및 결합구조가 간단하며, 용이하게 수동정렬이 가능토록 한 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지를 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 제조 공정시간을 단축시키고, 광결합 구조의 복잡화와 제조 비용의 증가 없이 수평 간접 결합을 이룰 수 있는 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지의 제작방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,
다수의 광섬유가 내장되고 정렬용 가이드 홀을 구비한 광섬유 케이블 커넥터와;
상기 광섬유 케이블 커넥터를 내부로 플러그-인시키는 어댑터가 구비된 어댑터 소켓과;
상기 어댑터 소켓에 장착되고, 정렬용 가이드 홀을 갖는 마이크로 렌즈 어레이와, 광전소자 어레이 칩이 구비된 실리콘 광학 벤치가 구비된 광서브 어셈블리 모듈과;
정렬용 가이드홀과 제어 회로를 구비하여 상기 광서브 어셈블리 모듈측에 배치된 회로 기판과;
정렬용 가이드홀을 구비하고 상기 회로 기판을 보호하기 위한 기판 하우징을 포함하여 구성되고,
상기 광서브 어셈블리 모듈, 회로 기판 및 기판 하우징은 상기 정렬용 가이드홀에 삽입된 가이드핀에 의해 정열 결합된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면,
상기 어댑터 소켓과 광서브 어셈블리 모듈과의 사이에는 상기 가이드핀에 삽입되는 정렬용 가이드홀을 갖는 EMI 실드가 더 설치된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면,
상기 마이크로렌즈 어레이에는 광 결합을 위해 필요한 소정의 간격을 유지하기 위해 스페이서가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면,
상기 기판 하우징에는 상기 광전소자 어레이 칩과 인쇄 회로 기판에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열판이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지의 제작 방법은,
(a) 기판 하우징의 하우징 가이드 핀 홀에 가이드 핀을 고정시킨 후 정밀 스테이지을 이용하여 광학 정렬을 실시하는 단계와;
(b) 상기 가이드핀에 정렬용 가이드 홀이 있는 인쇄 회로 기판을 통과시킨 후 기판 하우징에 에폭시로 본딩 결합하는 단계와;
(c) 상기 가이드핀에 정렬용 가이드 홀이 있는 광 서브어셈블리 모듈을 통과시킨 후 회로 기판에 에폭시로 본딩 결합하는 단계와;
(d) 상기 기판 하우징의 상단에 방열판을 삽입 결착시키는 단계와;
(e) 상기 어댑터 소켓을 기판 하우징과 에폭시로 결합한 후 어댑터 소켓내 어댑터에 광섬유 케이블 커넥터를 삽입하여 광결합시키는 단계를 통하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이 광섬유 케이블 커넥터(10)는 상용화된 제품(예로, MPO 커넥터 등)을 사용한다. 광섬유 케이블 커넥터(10)는 그 중심부에 광섬유 어레이(20)를 내장하고 있으며, 광섬유 어레이(20)의 양 측면 부분에 도 7의 마이크로 렌즈 어레이(22 또는 22')와 광전소자 어레이 칩(21)(예로, VCSEL 어레이 칩)과의 광결합을 위한 가이드 홀(30)을 구비하고 있다.
도면 부호 1은 '어댑터 소켓'이다.
상기 어댑터 소켓(1)은 상기 광섬유 케이블 커넥터(10)를 내부로 결착시켜 플러그-인되는 어댑터(11)가 장착되어 구비되어 있다.
상기 어댑터(11)에는 상기 광섬유 케이블 커넥터(10)의 광섬유 어레이(20)가 삽입된다. 어댑터 소켓(1)은 광서브 어셈블리 모듈(2)의 마이크로 렌즈 어레이(22)와 광정소자 어레이 칩(21)과 광결합이 되도록 가이드 역할을 한다.
상기 어댑터 소켓(1)는 내부에 후술할 기판 하우징(5)과 결합하기 위해 도 5와 같이 결착홈(12)을 구비하고 있다.
상기 광 서브 어셈블리 모듈(2)은 마이크로 렌즈가 배열되어 있는 마이크로 렌즈 어레이(22)와, 상기 마이크로 렌즈 어레이(22)로부터 수신된 광 신호를 전기적 신호로 변환시키는 광전소자가 배열되어 있는 광전소자 어레이 칩(21)과, 상기 광전소자 어레이 칩(21)이 장착되는 실리콘 광학벤치(23)를 구비한다.
이때 마이크로 렌즈 어레이(22)는 상기 광섬유 어레이(20)와 광전소자 어레이 칩(21)의 광결합을 위해 광전소자 어레이 칩(21)에 오버랩되도록 설치된다.
이때 상기 실리콘 광학벤치(23)는 제어회로를 갖는 회로 기판(4)에 장착된다. 회로기판(4)에는 가이드 핀(6)의 삽입을 위해 도 4와 같이 정렬용 가이드 홀(4a)이 구비된다.
상기 광섬유 어레이(20)와 마이크로 렌즈 어레이(22)와의 사이, 마이크로 렌즈 어레이(22)와 광전소자 어레이 칩(21)과의 사이에는 광 결합을 위해서 일정간격(예 300um)이 유지되어야 하므로, 도 7과 같이 마이크로 렌즈 어레이(22)의 상단면과 그의 하단면에 돌출된 각각의 스페이서(24)를 구비한다.
다른 방법으로는 도 8과 같이 마이크로 렌즈 어레이(22')에 상기 스페이서(24)와 같은 높이로 돌출된 스페이서(25)를 구성할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 9의 EMI 실드(Shield)(3)를 포함할 경우에는 상기 스페이서(24 또는 25)와 같은 동일 높이를 같는 EMI 실드(3)를 마이크로 렌즈 어레이(22)의 스페이서(24)와 대체하여 설치가 가능하다.
상기 회로기판(4)을 보호하기 위해 기판 하우징(5)이 구비된다. 기판 하우징(5)에는 도 10과 같이 가이드핀(6)의 삽입을 위한 가이드 핀 홀(52)이 형성되어 있다.
또한 상기 기판 하우징(5)에는 상기 어댑터 소켓(1)에 결착시키기 위한 어댑터 본체 고정용 돌출부(51)가 구비된다.
또한 상기 기판 하우징(5)에는 상기 광전소자 어레이 칩(21)과 회로기판(4)에서 발생되는 높은 열을 방출시키기 위해 다수의 방열핀을 갖는 방열판(7)이 부착됨이 바람직하다.
이하, 광모듈을 이루는 각 부품의 패키징 과정을 순차적으로 설명한다.
먼저, 광모듈을 효율적으로 정렬 결합하기 위해 기판 하우징(5)의 하우징 가이드 핀 홀(52)에 2개의 가이드 핀(6)을 고정시키고, x,y,z 정밀 스테이지을 이용하여 광학 정렬을 실시한다.
다음, 상기 가이드핀(6)에 정렬용 가이드 홀(4a)이 있는 인쇄 회로 기판(4)을 통과시킨 후 기판 하우징(5)에 에폭시로 본딩하여 결합한다.
그 다음, 상기 가이드핀(6)에 정렬용 가이드 홀(22a)이 있는 광 서브어셈블리 모듈(2)을 통과시킨 후 회로 기판(4)에 에폭시로 본딩한다.
그 다음으로 기판 하우징(5)의 상단에 방열판(7)을 삽입하여 결착시킨다.
마지막으로 어댑터 소켓(1)을 기판 하우징(5)과 에폭시로 결합한 후 어댑터 소켓(1)내 어댑터(11)에 도 4의 광섬유 케이블 커넥터(10)를 삽입하면 광결합이 완성된다.
이와 같이 본 발명은 어레이 칩으로부터 출사된 광이 포커싱 타입의 실리콘 광학 렌즈를 통해 다수개의 광섬유에 직접 결합되는 방식으로 파이버와 렌즈 사이에 능동 정렬 없이 정렬함과 동시에 광결합이 이루어진다.
따라서 광전소자 어레이 칩에서 출사된 광이 광섬유에 결합되는 효율이 증가하고, 정렬 허용도가 높아지는 장점을 갖게 된다.
또한 본 발명은 종래의 결합방식보다 제조비용이 낮아지는 장점이 있고, 또한 광섬유와 광전소자(VCSEL) 칩, VCSEL 칩과 렌즈, 렌즈와 회로 기판, 회로 기판과 기판 하우징 사이의 정렬을 가이드 핀을 이용하여 정밀하게 구현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지에 따르면, 광결합 모듈 어셈블리를 구성하는 각 부품의 정렬 및 결합 구조가 간단하고, 고가의 장비를 사용하지 않는 수동정렬 구조를 채용하였기 때문에 제조 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 광결합 구조를 단순화하여 제조 비용의 증가 없이 수평 간접 결합을 이룰 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 다수의 광섬유가 내장되고 정렬용 가이드 홀(30)을 구비한 광섬유 케이블 커넥터(10)와;
    상기 광섬유 케이블 커넥터(10)를 내부로 플러그-인시키는 어댑터(11)가 구비된 어댑터 소켓(1)과;
    상기 어댑터 소켓(1)에 장착되고, 정렬용 가이드 홀을 갖는 마이크로 렌즈 어레이(22)와, 광전소자 어레이 칩(21)이 구비된 실리콘 광학 벤치(23)가 구비된 광서브 어셈블리 모듈(2)과;
    정렬용 가이드홀과 제어 회로를 구비하여 상기 광서브 어셈블리 모듈(2)측에 배치된 회로 기판(4)과;
    정렬용 가이드홀을 구비하고 상기 회로 기판(4)을 보호하기 위한 기판 하우징(5)을 포함하여 구성되고,
    상기 광서브 어셈블리 모듈(2), 회로 기판(4) 및 기판 하우징(5)은 상기 정렬용 가이드홀에 삽입된 가이드핀(6)에 의해 정열 결합된 것을 특징으로 하는 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 어댑터 소켓(1)과 광서브 어셈블리 모듈(2)과의 사이에는 상기 가이드핀(6)에 삽입되는 정렬용 가이드홀을 갖는 EMI 실드(3)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 어레이(22)에는 광 결합을 위해 필요한 소정의 간격을 유지하기 위해 스페이서(24 또는 25)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 하우징(5)에는 상기 광전소자 어레이 칩(21)과 인쇄 회로 기판(4)에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열판(7)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지.
  5. (a) 기판 하우징(5)의 하우징 가이드 핀 홀(52)에 가이드 핀(6)을 고정시킨 후 정밀 스테이지을 이용하여 광학 정렬을 실시하는 단계와;
    (b) 상기 가이드핀(6)에 정렬용 가이드 홀(4a)이 있는 인쇄 회로 기판(4)을 통과시킨 후 기판 하우징(5)에 에폭시로 본딩 결합하는 단계와;
    (c) 상기 가이드핀(6)에 정렬용 가이드 홀(22a)이 있는 광 서브어셈블리 모듈(2)을 통과시킨 후 회로 기판(4)에 에폭시로 본딩 결합하는 단계와;
    (d) 상기 기판 하우징(5)의 상단에 방열판(7)을 삽입 결착시키는 단계와;
    (e) 상기 어댑터 소켓(1)을 기판 하우징(5)과 에폭시로 결합한 후 어댑터 소 켓(1)내 어댑터(11)에 광섬유 케이블 커넥터(10)를 삽입하여 광결합시키는 단계를 통하여 제작되는 것을 특징으로 하는 가이드 핀을 이용한 병렬형 광 트랜시버 모듈 패키지의 제작방법.
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