KR20120016033A - Integrated two wave optical transmitter module - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An integrated two wavelengths optical transmission module is provided to transmit two wavelengths signal to one optical fiber by including a WDM block and a laser diode having 2 wavelengths within one TO-CAN. CONSTITUTION: A two wavelengths optical transmission module constitute an integrated WDM(Wavelength Division Multiplexing) block and is included in TO-CAN. The WDM block comprises two laser diodes(7), a ball lens(5), a holder(4), a WDM filter(8), and a sub-mount(6). The ball lens locates in the upside of the laser diode. The holder accepts and fixes the laser diode and the ball lens. The WDM filter focuses a beam emitted from the laser diodes in optical fiber. The sub mount fixes devices.

Description

집적형 두 파장 광 송신 모듈{Integrated Two Wave Optical Transmitter Module}Integrated Two Wave Optical Transmitter Module

본 발명은 광 인터페이스에 사용되는 광 송신 모듈에 관한 것으로 좀 더 상세하게는 광 DVI(Digital Visual Interface) 또는 광 HDMI(high definition multimedia interface)에 사용되는 2 파장 광 송신 모듈(Transmitter Optical Sub-Assembly)에 관한 것이다. The present invention relates to an optical transmission module used in an optical interface, and more particularly, to a two-wavelength optical transmission module (Transmitter Optical Sub-Assembly) used in an optical DVI (Digital Visual Interface) or an optical high definition multimedia interface (HDMI). It is about.

일반적으로 2 파장을 사용하는 광 송신 모듈은 2 개의 레이저 다이오드와 WDM 필터, 마이크로 렌즈 등을 구조물에 탑재하여 구성한다. In general, an optical transmission module using two wavelengths includes two laser diodes, a WDM filter, and a micro lens mounted on a structure.

통상 사용하고 있는 광 송신 모듈은 도 3에서와 같이 하나의 파장을 방출하는 레이저 다이오드(1)를 이른바 TO-56 패키지에 실장시켜 구성한다. 즉, 레이저 다이오드(1)를 TO-CAN 스템(2) 안에 배치하고 TO-CAN 캡(3)을 씌우고 그 상단에 마이크로 볼 렌즈를 배치하여 광 송신 모듈을 구성한다. The optical transmission module currently used is constructed by mounting a laser diode 1 emitting one wavelength in a so-called TO-56 package as shown in FIG. That is, the laser diode 1 is arranged in the TO-CAN stem 2, the TO-CAN cap 3 is put on, and the micro ball lens is arranged on the upper part to constitute the optical transmission module.

상기와 같은 방식으로 구성하는 광 송신 모듈 두 개를 이용하여 2 파장 광 송신 모듈을 제작한다. A two-wavelength optical transmission module is manufactured using two optical transmission modules configured in the above manner.

도 4는 2 파장 광 송신 모듈의 구조를 나타내고 있다. 도 2에 나타낸 광 송신 모듈인 TO-56 패키지 2 개를 금속으로 제작된 블럭에 각각 직각으로 배치하고 그 사이에 WDM 필터를 삽입한 형태로 구성한다. 4 shows the structure of a two-wavelength optical transmission module. Two TO-56 packages, the optical transmission module shown in Fig. 2, are arranged at right angles to a block made of metal, and a WDM filter is inserted therebetween.

이와 같은 형태는 전체 광송신 모듈 크기를 줄이기 어렵다는 단점이 있으며 제작 공정시 하나의 레이저 다이오드 TO-56 패키지를 광섬유와 정렬시켜 고정시킨 다음 직각에 위치한 다른 파장의 레이저 다이오드 TO-56 패키지를 광섬유와 정렬시켜야 한다. 이때 각 파장의 레이저 다이오드 사이의 거리가 상당히 떨어져 있어(보통 10 mm 이상) 금속 하우징의 정밀도, 렌즈 및 WDM 필터의 위치 오차 등으로 인하여 두 개의 레이저 다이오드 TO-56 패키지의 광축을 각각 정렬하는데 시간이 많이 걸리고 광축 불일치에 의한 제품 불량 비율도 증가한다. This type has the disadvantage that it is difficult to reduce the size of the entire optical transmission module. During the manufacturing process, one laser diode TO-56 package is aligned with the optical fiber and fixed, and then another wavelength laser laser TO-56 package is aligned with the optical fiber. You have to. The distance between the laser diodes of each wavelength is significantly apart (usually more than 10 mm), which means that the time between the two laser diode TO-56 packages can be aligned due to the precision of the metal housing and the positional error of the lens and the WDM filter. It takes a lot, and the rate of product defects due to optical axis mismatch increases.

또한 이러한 방법은 레이저 다이오드와 볼 렌즈, WDM 필터가 금속으로 연결되어 있어 온도 변화에 따른 열팽창 영향을 크게 받게 되며 따라서 온도 변화에 따른 광 경로 변화가 심하게 나타난다. 즉, 레이저 다이오드에서 방출되는 빛이 볼 렌즈와 WDM 필터를 거쳐 광섬유 끝단에 초점이 위치하도록 설계된 금속 구조물에서 열팽창에 의하여 레이저 다이오드와 볼 렌즈 사이의 거리가 증가하면 초점이 광섬유 끝단보다 앞쪽에 위치하게 되어 광섬유로 집속되는 빛의 양이 줄어들게 된다. 반대로 온도가 내려갈 경우에도 레이저 다이오드와 볼 렌즈 사이의 거리가 감소하여 초점이 광섬유 끝단 뒤쪽에 위치하게 되어 광섬유로 집속되는 빛의 양이 줄어들게 된다. 이러한 광 출력의 변화는 광 인터페이스용 광 모듈이 통상적인 동작 온도 범위인 0 내지 70 ℃내에서 사용될 때 신호의 에러로 나타나게 된다.In this method, the laser diode, the ball lens, and the WDM filter are connected to the metal, and thus, the thermal expansion effect is largely affected by the temperature change. That is, if the distance between the laser diode and the ball lens is increased due to thermal expansion in a metal structure in which the light emitted from the laser diode is designed to be positioned at the optical fiber end through the ball lens and the WDM filter, the focus is located before the optical fiber end. This reduces the amount of light focused on the optical fiber. On the contrary, even when the temperature decreases, the distance between the laser diode and the ball lens is reduced so that the focal point is located behind the end of the optical fiber, thereby reducing the amount of light focused on the optical fiber. This change in light output results in an error in the signal when the optical module for the optical interface is used within the usual operating temperature range of 0 to 70 ° C.

따라서 본 발명의 목적은 2 파장 광 송신 모듈을 좀 더 손 쉽고도 정확히 정렬할 수 있으면서 사용중 열팽창으로 인한 정렬 손상이 없는 집적형 두 파장 광 송신 모듈 및 그 제작 방법을 제공하고자 하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide an integrated two-wavelength optical transmission module and a method of manufacturing the same, which can more easily and accurately align the two-wavelength optical transmission module and have no alignment damage due to thermal expansion during use.

본 발명은, 하나의 TO-CAN 내에 파장이 서로 다른 2 개의 레이저 다이오드와 WDM 필터를 포함한 WDM 블럭을 내장시킨 것을 특징으로 하는 집적형 두 파장 광 송신 모듈을 제공할 수 있다.The present invention can provide an integrated two-wavelength optical transmission module comprising a WDM block including two laser diodes having different wavelengths and a WDM filter in one TO-CAN.

또한, 본 발명은, 상기 2 개의 레이저 다이오드는 방출되는 레이저 빔이 서로 직교하도록 배치되고, 상기 WDM 필터는 2 개의 레이저 다이오드 상부에 배치된 볼 렌즈와 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 집적형 두 파장 광 송신 모듈을 제공할 수 있다. In addition, the present invention, the two laser diodes are arranged so that the emitted laser beams are perpendicular to each other, the WDM filter is integrated two wavelengths, characterized in that disposed adjacent to the ball lens disposed on the two laser diodes An optical transmission module can be provided.

본 발명에 따르면, 하나의 TO-CAN 내에 2개의 파장을 갖는 레이저 다이오드와 WDM 블록을 내장시켜 하나의 광섬유로 2 파장 신호를 전송할 수 있는 광 인터페이스용 집적형 광송신 모듈 제작이 가능하므로 광 송신 모듈 부품을 간소화하면서도 제작 공정 또한 간소화할 수 있다. According to the present invention, an integrated optical transmission module for an optical interface capable of transmitting two wavelength signals through one optical fiber by embedding a laser diode having two wavelengths and a WDM block in one TO-CAN enables an optical transmission module. Simplify the parts while also simplifying the manufacturing process.

또한, 본 발명에 따르면, 정밀 가공한 레이저 다이오드 홀더와 서브마운트 등의 세라믹 구조물과 광축을 고려한 부품 위치 정밀도 향상을 통하여 파장이 다른 두 개의 레이저 다이오드 가운데 하나의 레이저 다이오드만을 광섬유 부분과 능동 정렬시키면 기계적 공차에 의하여 다른 레이저 다이오드도 자동으로 정렬할 수 있기 때문에 기존 상용 제품을 사용한 2 파장 광송신 모듈의 제작 시간이 10 내지 15 분임에 비하여 본 발명에서는 광 정렬 시간을 1/3 이하로 줄일 수 있으며 불량률도 감소시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, by actively aligning one laser diode of two laser diodes having different wavelengths with the optical fiber part by improving the precision of the position of the component considering the optical structure and the ceramic structure such as the laser diode holder and the sub-mount precision machining Since other laser diodes can be automatically aligned according to the tolerance, the fabrication time of the two-wavelength optical transmission module using the existing commercial product is 10 to 15 minutes. In the present invention, the optical alignment time can be reduced to 1/3 or less and the defective rate Can also be reduced.

또한, 본 발명에 따르면, 세라믹 서브마운트 기판 위에 레이저 다이오드, 볼 렌즈, WDM 필터를 배열하여 온도 변화에 따른 팽창, 수축 등의 현상을 기존 상용 제품에 비하여 크게 줄일 수 있어 광 인터페이스용 광송신 모듈의 온도에 따라 광 출력이 변동되는 현상을 줄일 수 있어 광 출력의 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, by arranging a laser diode, a ball lens, and a WDM filter on a ceramic submount substrate, phenomena such as expansion and contraction due to temperature change can be greatly reduced as compared to conventional commercial products, thereby providing an optical transmission module for an optical interface. It is possible to reduce the phenomenon that the light output fluctuates with temperature, thereby improving the stability of the light output.

또한, 본 발명에 따르면, 초고주파 동작 특성이 우수한 세라믹 레이저 다이오드 홀더를 사용하여 10 Gbps이상의 고속 동작이 가능하고 세라믹 서브마운트 자체에 임피던스 정합을 위한 회로 패턴과 와이어 본딩을 위한 본딩 패드를 구성할 수 있어 집적형 광송신 모듈 제작이 용이하다.In addition, according to the present invention, a high-speed operation of 10 Gbps or more is possible using a ceramic laser diode holder having excellent ultra-high frequency operating characteristics, and a circuit pattern for impedance matching and a bonding pad for wire bonding can be configured on the ceramic submount itself. It is easy to manufacture integrated optical transmission module.

도 1은 본 발명에 따라 하나의 TO-CAN 내에 2 개의 레이저 다이오드가 WDM 블럭과 함께 내장되어 구성되는 집적형 두 파장 광 송신 모듈 패키지 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 집적형 두 파장 광 송신 모듈의 WDM 블럭 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 종래 TO-CAN 광 송신 모듈 구성을 보여주는 단면도이다,
도 4는 종래 TO-CAN 광 송신 모듈을 이용한 2 파장 광 송신 모듈 패키지의 구성도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating an integrated two-wavelength optical transmission module package structure in which two laser diodes are built together with a WDM block in one TO-CAN according to the present invention.
2 is a cross-sectional view showing the WDM block configuration of the integrated two-wavelength optical transmission module according to the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional TO-CAN optical transmission module;
4 is a configuration diagram of a two-wavelength optical transmission module package using a conventional TO-CAN optical transmission module.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따라 제작된 집적형 두 파장 광 송신 모듈 패키지의 구성을 보여주는 단면도이다. 즉, 하나의 TO-CAN 안에 두 개의 레이저 다이오드가 WDM 필터를 사이에 두고 수직적으로 배열되어 두 개의 파장을 하나의 광섬유에 링크시킬 수 있다. 이러한 집적형 두 파장 광 송신 모듈 패키지의 구성은 집적형 WDM 블럭(1)을 구성하여 TO-CAN에 내장하여 이루어질 수 있다. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an integrated two-wavelength optical transmission module package manufactured according to the present invention. That is, two laser diodes in one TO-CAN are vertically arranged with a WDM filter interposed therebetween so that two wavelengths can be linked to one optical fiber. The integrated two-wavelength optical transmission module package may be configured by constructing an integrated WDM block 1 and embedded in the TO-CAN.

즉, 도 2와 같이 WDM 블럭(1)의 구성은, 두 개의 레이저 다이오드(7)와 상기 레이저 다이오드(7) 각각의 위쪽에 위치하는 볼 렌즈(5) 및 상기 레이저 다이오드(7)와 볼 렌즈(5)를 수용 및 고정시킬 수 있는 홀더(4), 상기 레이저 다이오드(7)들로부터 각각 방출되는 빔(beam)들을 광섬유에 집속시키기 위한 WDM 필터(8) 및 상기 소자들을 고정시킬 수 있는 서브마운트(6)를 포함하여 이루어진다. That is, as shown in FIG. 2, the WDM block 1 includes a ball lens 5 positioned above each of the two laser diodes 7 and the laser diodes 7, and the laser diodes 7 and the ball lenses. A holder (4) for accommodating and fixing (5), a WDM filter (8) for focusing the beams emitted from the laser diodes (7) to the optical fiber, and a sub for fixing the elements It comprises a mount (6).

'ㄱ'자 형태의 서브마운트(6)와 'ㄷ'자 형태의 정밀 가공된 세라믹재 홀더(4)는 레이저 다이오드(7)에서 방출되는 빛이 진행하는 광축에 맞추어 각 부품들을 정확하게 위치시킬 수 있는 크기와 모양으로 제작된다. The 'a' shaped submount (6) and the 'c' shaped precision processed ceramic holder (4) can accurately position each component in accordance with the optical axis of the light emitted from the laser diode (7). Are manufactured in size and shape.

집적형 TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly) 제작시 정밀 세라믹 홀더(4) 위치는 서브마운트(6)의 3 면에 맞추어 정확히 부착할 수 있다. 레이저 다이오드(7)의 경우 정밀 세라믹 홀더(4) 아래쪽 바깥면과 레이저 다이오드(7) 칩 크기에 맞추어 제작한 금속 패턴에 맞추어 정확한 위치에 부착할 수 있으며 마이크로 볼 렌즈(5)는 정밀 세라믹 홀더(4)의 'ㄷ'자 형태의 중간 부분에 삽입하여 3 면에 맞추어 고정하여 정확한 위치에 부착할 수 있다. In the manufacture of an integrated TOSA (Transmitter Optical Sub-Assembly), the position of the precision ceramic holder 4 can be accurately attached to three sides of the submount 6. In the case of the laser diode (7), it can be attached at the correct position according to the outer surface of the bottom of the precision ceramic holder (4) and the metal pattern manufactured to the size of the laser diode (7) chip, and the micro ball lens (5) is a precision ceramic holder ( Insert it into the middle part of 'ㄷ' shape of 4) and fix it on 3 sides so that it can be attached at the correct position.

WDM 필터(8)의 경우 45 °경사로 2 개의 레이저 다이오드(7)의 빛을 합쳐주어야 하므로 한 단부가 45 °경사를 갖는 2 개의 정밀 세라믹 홀더(4) 면에 맞추어 정확한 위치에 부착할 수 있다. In the case of the WDM filter 8, the light of the two laser diodes 7 must be combined at a 45 ° inclination so that the end of the WDM filter 8 can be attached at the correct position in accordance with the faces of two precision ceramic holders 4 having a 45 ° inclination.

본 실시예에서 상기 홀더(4)는 적층형 세라믹으로 구성하여 레이저 다이오드(7)를 부착시키고 볼 렌즈(5)를 고정시킨다. 상기 홀더(4)에는 레이저 다이오드(7) 부착과 임피던스 정합 그리고 와이어 본딩(wire bonding)을 위하여 Au/Sn 금속 패턴이 증착되어 있다. 상기 부품들은 'ㄱ' 자 형태의 세라믹 서브마운트(6) 기판 위에 수 마이크로 미터의 정밀도로 순차적으로 부착된다. In this embodiment, the holder 4 is made of a laminated ceramic to attach the laser diode 7 and fix the ball lens 5. Au / Sn metal patterns are deposited on the holder 4 for attachment of the laser diode 7, impedance matching, and wire bonding. The parts are sequentially attached to the ceramic submount 6 substrate in the form of a with a precision of several micrometers.

예를 들어 두께가 0.1 mm인 레이저 다이오드의 빛을 집속시키는 데 0.5 mm 지름의 볼 렌즈를 사용할 경우 레이저 다이오드(7)를 부착시키기 위한 0.15 mm 두께의 질화알루미늄(AlN)등의 세라믹 기판을 이용하여 홀더(4)를 'ㄷ'자 형태로 제작한다. 상기 홀더(4)에는 앞서 설명한 Au/Sn 금속 패턴이 증착되어 있으며 이 패턴에 맞추어 레이저 다이오드(7)를 부착하며 가운데 비어있는 공간에 볼 렌즈(5)를 위치시킨다. 이러한 부품들을 정렬시키기 위하여 'ㄱ'자 형태의 서브마운트(6)를 0.15 mm 정도 두께의 산화알루미늄(Al2O3) 등의 세라믹으로 제작한다.For example, if a 0.5 mm diameter ball lens is used to focus light of a 0.1 mm thick laser diode, a ceramic substrate such as 0.15 mm thick aluminum nitride (AlN) is used for attaching the laser diode 7. The holder 4 is manufactured in the form of a letter 'c'. The Au / Sn metal pattern described above is deposited on the holder 4, and the laser diode 7 is attached to the holder 4 and the ball lens 5 is positioned in an empty space. In order to align these components, the 'mount' shaped submount 6 is made of a ceramic such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a thickness of about 0.15 mm.

패키지 공정 순서는 산화알루미늄 등으로 제작한 서브마운트(6) 기판 위에 홀더(4)를 정밀하게 다이 본딩(die bonding)한다. 각 홀더(4) 중앙에 마이크로 볼 렌즈(5)를 에폭시 수지를 이용하여 고정시킨 후 홀더(4)의 45 °경사면 사이에 WDM 필터(8)를 또한 에폭시 수지를 이용하여 고정시킨다. The package process sequence precisely die bonds the holder 4 onto the submount 6 substrate made of aluminum oxide or the like. The micro ball lens 5 is fixed with an epoxy resin in the center of each holder 4, and then the WDM filter 8 is also fixed with an epoxy resin between 45 ° inclined surfaces of the holder 4.

이와 같이 제작한 집적형 WDM 블럭(1)을 TO-CAN 스템(2)에 접착시키고 칩 본더를 이용하여 레이저 다이오드(7)를 부착한 후 와이어 본더로 전극 와이어를 연결한다. The integrated WDM block 1 thus produced is bonded to the TO-CAN stem 2, the laser diode 7 is attached using a chip bonder, and the electrode wire is connected with the wire bonder.

마지막으로 볼 렌즈(5)가 포함된 TO-CAN의 캡(3)을 전기 용접으로 씌워 도 1과 같은 두 파장 광 송신 모듈 패키지를 완성한다.Finally, the cap 3 of the TO-CAN including the ball lens 5 is covered by electric welding to complete the two-wavelength optical transmission module package shown in FIG. 1.

본 발명은 전체 WDM 블럭(1) 크기를 2 mm x 2 mm x 1 mm이내로 줄일 수 있어 소형 광 모듈 제작이 가능하며 파장이 다른 두 레이저 다이오드(7) 사이의 거리도 3 mm 이내로 짧기 때문에 광 정렬시 하나의 레이저 다이오드만을 광섬유 부분과 능동 정렬시키면 기계적 공차에 의하여 다른 레이저 다이오드는 자동으로 정렬 되도록 제작할 수 있다. 따라서 기존 2 파장 광 송신 모듈의 제작 시간이 10~15분이 걸리는 것에 비하여 광 정렬 시간을 그의 1/3 이하로 줄일 수 있고 불량률도 감소시킬 수 있다.The present invention can reduce the size of the entire WDM block (1) to within 2 mm x 2 mm x 1 mm, making it possible to manufacture a small optical module and optical alignment because the distance between two laser diodes 7 having different wavelengths is also short within 3 mm. If only one laser diode is actively aligned with the fiber part, other laser diodes can be manufactured to be automatically aligned due to mechanical tolerances. Therefore, the optical alignment time can be reduced to less than one third of the conventional two-wavelength optical transmission module takes 10-15 minutes, and the defect rate can be reduced.

또한 이 방법은 레이저 다이오드와 볼 렌즈, WDM 필터(8)가 세라믹 기판으로 연결되어 있어 온도 변화에 따른 열팽창, 수축 등의 영향이 적어 광 경로나 광 출력의 변화도 크게 나타나지 않는다. 세라믹 기판은 열적 특성뿐만 아니라 초고주파 동작 특성이 우수하기 때문에 HDMI 최신 버전에서 요구하는 10 Gbps이상의 고속 동작도 가능하며 세라믹 서브마운트 자체에 임피던스 정합을 위한 회로 패턴과 와이어 본딩을 위한 본딩 패드를 구성할 수 있어 집적형 광 인터페이스 모듈 제작에 많은 장점이 있다.
In this method, since the laser diode, the ball lens, and the WDM filter 8 are connected to the ceramic substrate, there is little influence of thermal expansion and contraction due to temperature change, so that the optical path or light output does not change significantly. The ceramic substrate has excellent thermal characteristics as well as ultra-high frequency operation characteristics, so that high-speed operation of 10 Gbps or more required in the latest version of HDMI is possible, and the ceramic submount itself can form a circuit pattern for impedance matching and a bonding pad for wire bonding. There are many advantages in the fabrication of integrated optical interface modules.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above, but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various modifications and adaptations within the scope of the claims. It is self-evident.

1: WDM 블럭 2: TO-CAN 스템
3: TO-CAN 캡 4: 홀더
5: 볼 렌즈 6: 세라믹 서브마운트
7: 레이저 다이오드 8: WDM 필터1: WDM block 2: TO-CAN stem
3: TO-CAN cap 4: holder
5: ball lens 6: ceramic submount
7: laser diode 8: WDM filter

Claims (2)

하나의 TO-CAN 내에 파장이 서로 다른 2 개의 레이저 다이오드와 2 개의 레이저 다이오드 사이에 WDM 필터를 배치한 WDM 블럭을 내장시킨 것을 특징으로 하는 집적형 두 파장 광 송신 모듈.An integrated two-wavelength optical transmission module comprising a WDM block in which a WDM filter is disposed between two laser diodes and two laser diodes having different wavelengths in one TO-CAN. 제1항에 있어서, 상기 2 개의 레이저 다이오드는 방출되는 레이저 빔이 서로 직교하도록 배치되고, 상기 WDM 필터는 2 개의 레이저 다이오드 상부에 배치된 볼 렌즈와 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 집적형 두 파장 광 송신 모듈.The integrated two wavelengths of claim 1, wherein the two laser diodes are disposed so that the emitted laser beams are perpendicular to each other, and the WDM filter is disposed adjacent to a ball lens disposed on the two laser diodes. Optical transmission module.
KR1020110111002A 2011-10-28 2011-10-28 Integrated Two Wave Optical Transmitter Module KR101164377B1 (en)

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