KR20140131747A - 고주파 광 모듈 및 이를 구비한 광 통신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 TO-CAN 광 모듈TO-CAN 광 모듈는 광통신 장치를 개시한다. 그의 광 모듈은, 스템과, 상기 스템 내의 열전냉각소자와, 상기 열전냉각소자 상의 제 1 서브 마운트와, 상기 제 1 서브 마운트 상의 광 소자와, 상기 스템의 외 부에서 내 부로 인입되어 상기 열전냉각소자및 상기 광 소자에 인접하여 배치되는 복수개의 전극 리드 배선들과, 상기 전극 리드 배선들과 상기 광 소자 사이의 제 2 서브 마운트와, 상기 제 2 서브 마운트 상의 고주파 전송선로 배선들과, 상기 고주파 전송선로 배선들과 상기 광 소자를 연결하고, 상기 고주파 전송선로 배선들과 상기 전극 리드 배선들을 연결하는 복수개의 본딩 와이어들과, 상기 고주파 전송 선로 배선들과, 전극 리드 배선들의 주변에 배치되고, 상기 고주파 전송 선로 배선들과, 상기 전극 리드 배선들의 임피던스를 제어하는 임피던스 정합 부를 포함한다.

Description

고주파 광 모듈 및 이를 구비한 광 통신 장치{optical module and optical transmission devices used the same}
본 발명은 광통신 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 TO-CAN 광 모듈 및 이를 구비한 광통신 장치에 관한 것이다.
일반적으로 광 모듈은 DIL (dual-in-line) 핀 구조를 갖는 butterfly(버터플라이)나 TO-CAN 기반의 패키지를 사용하여 왔다. 최근에는 업체들 간의 표준인 XMD-MSA(10 Gbps miniature device-multiple source agreement)에서 권고하는 mini-DIL 형태의 legacy butterfly와 TO-CAN 기반의 초소형 패키지를 이용하여 광 모듈을 제작하고 있다. 상기 legacy butterfly 패키지는 구조적으로 패키지 하 부에 열전도도가 우수한 CuW을 사용하고 있을 뿐 아니라 고주파 동작을 위한 임피던스 정합이 용이하여 10 Gbps 이상의 동작속도를 갖고 cooled operation이 가능한 광 모듈에 주로 적용이 되어 왔다. 그러나, 이러한 legacy butterfly 형태의 광 모듈에 사용하는 패키징 부자재 비용이 높고 제작하기 쉽지 않아 저가형 광 모듈에는 적합하지 않다. 반면, TO-CAN 기반의 광 모듈은 초소형으로 제작할 수 있을 뿐 아니라 제작비용이 legacy butterfly 방식보다 훨신 낮아질 수 있는 큰 장점을 가진다.
그러나, TO-CAN 기반의 광송신 모듈의 경우, 광이 칩의 표면이 아니라 측면에서 출력되는 edge-emitting 방식의 DML(directly modulatetd laser)을 사용해야 하기 때문에 TO-CAN의 stem과 연결된 'L'형태의 블록 상 부에 DML 칩을 부착해야 광이 TO-CAN 패키지의 종축방향으로 출력되어 광섬유와 커플링될 수 있다. 상기와 같은 TO-CAN 패키지 구조에서 고주파 전기 신호는 TO-CAN의 stem을 관통하여 돌출된 lead 및 본드와이어(bondwire)를 통하여 DML에 연결된다. TO-CAN stem 부분은 쉽게 임피던스를 정합할 수 있는 구조로 설계 및 제작할 수 있지만, TO-CAN stem 외 부로 돌출되는 lead 및 본드와이어 부분의 경우 각각 직경의 한계 및 상대적으로 긴 길이로 인하여 높은 인덕턴스를 가지며 그 결과 임피던스 값이 수백 ohm(옴)으로 쉽게 증가될 수 있다. 이는 TO-CAN 패키지 구조를 갖는 광 모듈의 고주파 특성을 심각하게 저하시키는 주요한 요소에 해당하기 때문에, 상기 lead 및 본드와이어 부분에서의 인덕턴스 값을 낮추어 임피던스를 25 ohm(single-ended configured DML driver를 이용하는 경우) 혹은 50 ohm(differential configured DML driver를 이용하는 경우)으로 정합시켜야 우수한 고주파 특성을 얻을 수 있다.
한편, TO-CAN 기반의 광 모듈에서 사용하는 TO-stem은 TO-CAN을 구성하는 cover cap과의 laser welding이 가능해야 하기 때문에 열전도가 CuW에 비하여 현저하게 낮은 Kovar 재질을 사용한다. 또한, 상기에서 언급한 것처럼 DML 칩을 TO-CAN 패키지에 적용하기 위해서는 TO-stem에 'L' 블록을 보조적으로 연결한 후 DML 칩을 'L' 블록 상 부에 부착해야 하는데, 이러한 구조에서는 DML 칩을 냉각하기 위한 열전냉각소자(thermo-electric cooler, TEC)를 적용하기 어려울 뿐 아니라 DML에서 발생한 열을 방출하기 위한 방열효율이 낮아질 수 밖에 없다. 따라서, TO-CAN 기반의 광 모듈은 주로 냉각이 필요없는 uncooled operation에 주로 적용이 되어 왔다. 최근에는, 저 가격화가 가능한 TO-CAN 패키지의 장점을 이용한 cooled operation 방식의 광 모듈 연구가 활발하게 진행 중이다.
상기 cooled operation이 가능한 TO-CAN 기반의 광 모듈의 경우, TEC를 TO-stem 바닥에 배치하여 방열효율을 높일 수 있도록 하였으며, TEC 상 부에 DML 칩을 부착한 후 DML에서 출력되는 광을 TO-CAN 패키지 종축방향으로 변경하기 위하여 반사 미러를 배치한 구조를 채택하였다. 이 경우에 고주파 동작 측면에서 두가지 문제점이 발생한다. 첫번 째는 TEC 높이에 해당하는 만큼 TO-stem에서 돌출된 lead의 길이가 추가로 길어지며, 둘 째는 lead 끝단에서 DML 칩까지의 거리가 일반적인 구조의 uncooled operation 가능한 TO-CAN 기반의 패키지 구조에 비하여 훨신 길어지기 때문에 lead에서 DML 칩까지의 본드와이어 길이가 길어질 수 밖에 없다. 이러한 경우, 상기 lead 및 본드와이어에서의 인덕턴스 값은 지나치게 증가될 수 있으며 이로 인한 임피던스 부정합이 커져서 광 모듈의 고주파 동작에 심각한 영향을 주게 되어 결국 양호한 고주파 특성을 기대할 수 없다.
본 발명의 목적은 임피던스 부정합을 방지 또는 최소화할 수 있는 TO-CAN 광 모듈 및 그를 구비한 광송신 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고주파 특성을 향상시킬 수 있는 TO-CAN 광 모듈 및 그를 구비한 광송신 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광 모듈은, 스템; 상기 스템 내의 열전냉각소자; 상기 열전냉각소자 상의 제 1 서브 마운트; 상기 제 1 서브 마운트 상의 광 소자; 상기 스템의 외 부에서 내 부로 인입되어 상기 열전냉각소자 및 상기 광 소자에 인접하여 배치되는 복수개의 전극 리드 배선들; 상기 전극 리드 배선들과 상기 광 소자 사이의 제 2 서브 마운트; 상기 제 2 서브 마운트 상의 고주파 전송 선로 배선들; 상기 고주파 전송 선로 배선들과 상기 광 소자를 연결하고, 상기 고주파 전송 선로 배선들과 상기 전극 리드 배선들을 연결하는 복수개의 본딩 와이어들; 및 상기 고주파 전송 선로 배선들과, 전극 리드 배선들의 주변에 배치되고, 상기 고주파 전송 선로 배선들과, 상기 전극 리드 배선들의 임피던스를 제어하는 임피던스 정합 부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 임피던스 정합 부는, 상기 전극 리드 배선들을 포함하고, 상기 전극 리드 배선들 주변에 배치되어, 상기 전극 리드 배선들의 임피던스를 정합하는 제 1 임피던스 정합 부; 및 상기 고주파 전송 선로 배선들을 포함하고, 상기 고주파 전송 선로 배선들의 주변에 배치되고, 상기 고주파 전송 선로 배선들의 임피던스를 정합하는 제 2 임피던스 정합 부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 제 1 임피던스 정합 부는, 상기 열전냉각소자 및 상기 제 2 서브 마운트에 대향되는 상기 전극 리드 배선들의 타 측에 이격되는 GND 금속대를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 GND 금속대는 상기 열전냉각소자, 상기 제 2 서브 마운트, 및 상기 상기 전극 리드 배선들과 동일한 높이를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 GND 금속대는 상기 전극 리드 배선들을 둘러쌀 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제 1 임피던스 정합 부는, 상기 GND 금속대와 상기 전극 리드 배선들 사이의 제 3 서브 마운트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 제 3 서브 마운트는 알루미늄 산화막, 알루미늄 질화막, 폴리 이미드, 또는 테프론을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제 3 서브 마운트와 상기 GND 금속대 사이에 접착 금속 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면,상기 접착 금속 층은 구리를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 스템은 원통 모양을 갖고, 상기 GND 금속대는 원통 모양의 상기 스템의 측벽과 일정거리 이상으로 이격되도록 사다리꼴 모양의 평면을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 GND 금속대는, 접지 금속; 및 상기 접지 금속에 플레이팅된 금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제 2 임피던스 정합 부는 상기 제 2 서브 마운트 상의 상기 고주파 전송 선로 배선들 양측의 접지 배선들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 제 1 서브 마운트와 상기 제 2 서브 마운트는 동일한 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 통신 장치는, 고주파 신호 전압을 생성하는 펄스 발생 부; 상기 펄스 발생 부와 연결되고, 상기 고주파 신호 전압을 고주파 신호 전류로 변환하는 신호 드라이버; 상기 신호 드라이버에 연결되고, 상기 신호 드라이버의 상기 고주파 신호 전류를 이용하여 광 신호를 송신하는 광 모듈을 포함한다. 여기서, 상기 광 모듈은, 스템; 상기 스템 내의 열전냉각소자; 상기 열전냉각소자 상의 제 1 서브 마운트; 상기 제 1 서브 마운트 상의 광 소자; 상기 스템의 외 부에서 내 부로 인입되어 상기 열전냉각소자 및 상기 광 소자에 인접하여 배치되는 복수개의 전극 리드 배선들; 상기 전극 리드 배선들과 상기 광 소자 사이의 제 2 서브 마운트; 상기 제 2 서브 마운트 상의 고주파 전송 선로 배선들; 상기 고주파 전송 선로 배선들과 상기 광 소자를 연결하고, 상기 고주파 전송 선로 배선들과 상기 전극 리드 배선들을 연결하는 복수개의 본딩 와이어들; 및 상기 전극 리드 배선들의 주변에 배치되고, 상기 복수개의 전극들의 임피던스를 제어하는 임피던스 정합 부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 신호 드라이버를 실장하는 인쇄회로기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 모듈과 상기 인쇄회로 기판을 연결하는 플렉서블 인쇄회로기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광 소자에 정렬되는 광섬유를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 소자는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 펄스 발생 부는 펄스 파워 발생기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 신호 드라이버는 레이저 다이오드 드라이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 TO-CAN 광 모듈은, 스템, 열전냉각소자, 제 1 서브 마운트, 광 소자, 제 2 서브 마운트, 고주파 전송 선로 배선들, 전극 리드 배선들, 본딩 와이어들, 및 임피던스 정합 부를 포함할 수 있다. 스템은 TO-CAN 패키지를 포함할 수 있다. 열전냉각소자는 스템 내에 배치되어 광 소자의 온도를 일정한 온도로 유지시킬 수 있다. 제 1 서브 마운트는 광 소자를 열전냉각소자로 부터 절연시킬 수 있다. 광 소자는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 제 2 서브 마운트는 열전냉각소자 상에서 제 1 서브 마운트와 동일한 두께 또는 레벨을 가질 수 있다. 고자파 전송선로 배선들은 제 2 서브 마운트 상에 배치될 수 있다. 전극 리드 배선들은 스템의 바닥으로부터 열전냉각소자, 제 1 및 제 2 서브 마운트, 고주파 전송 선로 배선들의 높이 또는 레벨까지의 길이를 가질 수 있다. 본딩 와이어들은 광 소자, 고주파 전송 선로 배선들, 및 전극 리드 배선들을 연결할 수 있다. 고주파 전송 선로 배선들 및 전극 리드 배선들은 고주파 신호의 송신 또는 수신 시 임피던스가 증가될 수 있다. 임피던스 정합 부는 고주파 신호의 송수신시 임피던스를 정합시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 TO-CAN 광 모듈 및 그를 구비한 광통신 장치는 고주파 신호 전송 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 광통신 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 TO-CAN 광 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 I-I'선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 TO-CAN 광 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 4의 II-II'선상을 절취하여 나타내는 단면도이다.
도 6은 신호 전극 리드 배선들, 제 1 임피던스 정합 부의 구성요소인 GND 금속대, 접착 금속 층, 및 제 3 서브 마운트를 나타낸 단면도이다.
도 7은 임피던스 정합 특성의 계산 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 고주파(Radio Frequency) 신호의 투과 및 반사 손실 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제 1 응용 예에 따른 TO-CAN 광 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제 2 응용 예에 따른 TO-CAN 광 모듈을 나타내는 평면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨 부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 광 통신 장치는, 펄스 발생 부(100), 신호 드라이버(200), 및 TO-CAN 광 모듈(300)을 포함할 수 있다. 펄스 발생 부(100)는 신호 패턴 발생기(signal pattern generator)를 포함할 수 있다. 펄스 패턴 발생기는 고주파 전압을 생성할 수 있다. 고주파 전압은 약 1GHz 내지 100GHz의 고주파 신호를 포함할 수 있다.신호 드라이버(200)는 레이저 다이오드 드라이버 또는 증폭기를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드 드라이버는 고주파 전압을 고주파 전류로 변환하고 증폭할 수 있다. 고주파 전류는 TO-CAN 광 모듈(300) 내의 레이저 다이오드를 동작시킬 수 있다. 신호 드라이버(200)는 인쇄회로기판(210)에 실장(mount)될 수 있다. 메인 인쇄회로기판(210)은 펄스 발생 부(100)에 연결될 수 있다.
TO-CAN 광 모듈(300)은 플렉서블 인쇄회로기판(220)과 상호 연결될 수 있으며, 상기 플렉서블 인쇄회로 기판(220)은 메인 인쇄회로기판(210)에 연결될 수 있다. TO-CAN 광 모듈(300)은 광섬유(400)를 통하여 광신호를 출력할 수 있다. TO-CAN 광 모듈(300)은 내 부 배선들의 임피던스 값에 따라서 고주파 특성이 좌우될 수 있다. 고주파 신호를 전송하는 배선들의 인덕턴스와 커패시턴스에 의해 그들의 임피던스가 달라질 수 있다. 내 부 배선들 간의 임피던스를 정합할 수 있는 TO-CAN 광 모듈(300)에 대해 실시 예를 들어 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 TO-CAN 광 모듈(300)을 나타내는 평면도이다. 도 3은 도 2의 I-I'선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, TO-스탬(310) 내에 열전냉각소자(320)이 배치되고, 상기 열전냉각소자(320)에 연결되는 리드 배선들(360)이 상기 TO-스탬(310) 내 부로 인입된다. TO-스템(310)은 TO-CAN 패키지를 포함할 수 있다. TO-스템(310)은 원통 모양을 가질 수 있다. 리드 배선들(360)은 유리 절연체(368)에 의해 TO-스탬(310)으로부터 절연된다. 리드 배선들(360)은 제 1 내지 제 4 직류 배선들(364, 365, 366, 367)과 신호 전극 리드 배선들(362)을 포함할 수 있다. 제 1 직류 배선들(364)은 열전냉각소자(320)에 직류 전압을 전달할 수 있다. 제 1 직류 배선들(364)은 서로 분리되며, 적어도 하나는 동축(coaxial) 형태를 가질 수 있다. 제 2 직류 배선(366)은 광 검출기(344)에 직류 전압을 제공할 수 있다. 제 3 직류 배선(367)은 본딩 와이어((370)에 의해 써미스터(346)에 연결될 수 있다. 신호 전극 리드 배선들(362)은 GSSG(ground-signal-signal-ground) 형태로 구성되어, differential RF 전기신호를 전달할 수 있다. differential RF 전기신호는 도 1에서처럼 (+) signal lead와 (-) signal lead를 통하여 상호 tightly confined된 상태로 전송이 될 수 있으며, signal leads 주변이 ground로 둘러 싸여진 형태를 취하여 임피던스 정합이 용이하며 안정적인 RF 전기신호 전송이 가능하다. 상기 TO-스탬(310)은 전기적인 ground로 연결되어 있어야 한다.
열전냉각소자(320) 상에 제 1 서브 마운트(330), 광 소자(340), 써미스터(346), 고주파 전송 전로 배선들(350), 제 2 서브 마운트(352), 전극 리드 배선들(360), 본딩 와이어들(370), 제 1 임피던스 정합 부(382)가 배치된다. 열전냉각소자(320)는 광 소자(340)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 광 소자(340)는 고주파 신호에 의해 발열될 수 있다. 열전냉각소자(320)는 냉각 부(cooler side, 322), 가열 부 (heater side, 324), 필러들(pillars, 326)을 포함할 수 있다. 냉각 부(322)는 광 소자(340)를 냉각할 수 있다. 가열 부(324)는 TO-스템(310)의 내 부 바닥에 지지될 수 있다. 필러들(326)은 냉각 부(322)와 가열 부(324) 사이에 배치될 수 있다. 필러들(326)은 냉각 부(322)과 가열 부(324)를 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다. 열전냉각소자(320)는 TO-스템(310)의 내 부 중심에 배치될 수 있다.
제 1 서브 마운트(330)는 열전냉각소자(320)의 냉각 부(322)와 광 소자(340) 사이에 배치될 수 있다. 광 소자(340)는 제 1 서브 마운트(330) 상에 실장(mount)될 수 있다. 제 1 서브 마운트(330)는 열전냉각소자(320)의 냉각 부(322)로부터 광 소자(340)를 절연시킬 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제 1 서브 마운트(330)와 열전냉각소자(320) 사이에 접지 금속이 배치될 수 있다.
광 소자(340)는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드의 광 소자(340)는 광 섬유(400)에 레이저 광을 제공할 수 있다. 제 1 서브 마운트(330) 상에 45도 미러(342)와, 광 검출기(344)가 배치될 수 있다. 광 소자(340)는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 광 소자(340), 45도 미러(342), 광 검출기(344)는 일방향으로 정렬될 수 있다. 45도 미러(342)는 광 소자(340)의 레이저 광을 광 검출기(344)에 반 투과할 수 있다. 광 검출기(344)는 레이저 광을 감지할 수 있다. 광 검출기(344)의 광 소자(340)는 광 신호를 검출할 수 있다. 레이저 광 또는 광 신호는 약 10Gbps 이상의 고주파로 전송될 수 있다. 또한, 써미스터(346)는 광 검출기(344)에 대향되는 열전냉각소자(320)의 타측 상에 배치된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광 소자(340)를 제어하는 신호 드라이버(200)는 일반적인 차동 아웃풋 포트(differential output port)로 구성되며, 상기 차동 아웃풋 포트를 구성하는 신호 단자들은 각각 25 ohm의 port 임피던스를 갖는다. 신호 드라이버(200)는 광 소자(340)를 구동하는 방식에 따라 단일 단자 드라이브(single-ended drive) 및 차동 드라이브(differential drive) 방식으로 구분된다. 단일 단자 드라이브 방식의 경우, 광 소자(340)의 차동 아웃풋 포트(differential port)를 구성하는 신호(signal) 중 음(-)의 부분을 신호 드라이버(200)의 포트 끝단에 25 ohm 저항으로 터미네이션(termination)하여 양(+)의 부분 만이 광 소자(340)과 연결될 수 있다. 즉, 25 ohm 전송선로 한 개만 TO-스템(310) 내 부로 연결이 되기 때문에 도 2의 TO-스템(310)에서 GSSG 형태는 GSG로 변경될 수 있다. 또한, TO-스템(310) 내 부를 구성하는 GSG 부분의 임피던스 값을 단일 단자(single-ended) 25 ohm으로 설계해야 한다. 반면, 차동 드라이브(differential drive) 방식의 경우, 광 소자(340) (+/-) 포트(port)를 터미네이션(termination)하지 않으며 양(+) 및 음(-)의 신호 부분 모두 TO-스템(310) 내 부에 위치한 광 소자(340)과 연결한다. 양(+) 및 음(-)의 신호(signal) 부분은 25 ohm 포트 임피던스(port impedance)를 갖는 신호 드라이버(200) 와 연결되므로 신호(signal) 각각은 25 ohm으로 전송되어야 하지만, (+/-) 신호가 함께 전송되기 때문에 차동적(differential) 50 ohm의 임피던스 값을 갖는다. 따라서, TO-스템(310)의 GSSG 부분은 차동적(differential) 50 ohm으로 설계되어야 한다. 본 발명은 두 가지의 구동 방식중 차동 드라이브(differential drive)를 중심으로 임피던스 정합구조를 기술하지만 differential drive 방식에 국한되지 않고 single-ended drive 방식을 포함할 수 있다. Single-ended drive 방식을 적용하는 경우에 TO-스템(310) 및 제 1 서브마운트의 전송선로 형태만 다를 뿐 임피던스 정합을 위한 개념 및 구조는 동일하게 적용될 수 있다.
제 2 서브 마운트(352)는 제 1 서브 마운트(330)와 전극 리드 배선들(360) 사이의 열전냉각소자(320) 상에 배치될 수 있다. 고주파 전송 선로 배선들(350)은 제 2 서브 마운트(352) 상에 배치될 수 있다. 제 1 서브 마운트(330)와 제 2 서브 마운트(352)는 동일한 두께를 가질 수 있다. 제 2 서브 마운트 사용을 통하여 고주파 전송 선로 배선들(350)과 광 소자(340) 사이의 이격거리가 줄어들 수 있다. 본딩 와이어들(370)는 고주파 전송 선로 배선들(350)과 광 소자(340)를 연결할 수 있다.
한편, 신호 전극 리드 배선들(362)은 TO-스템(310) 내에서 열전냉각소자(320), 제 2 서브 마운트(352) 및 고주파 전송선로 배선(350)의 두께에 대응되는 높이 또는 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 신호 전극 리드 배선들(362)은 약 200㎛ 내지 약 500㎛ 정도의 직경을 가질 수 있다. 열전냉각소자(320)는 TO-스템(310)의 바닥에서부터 약 2mm 내지 약 5mm 이상의 높이를 가질 수 있다. 신호 전극 리드 배선들(362)의 임피던스는 데이터 신호의 주파수에 따라 그들의 값이 증가될 수 있다. 예를 들어, 광 소자(340)가 10Gbps 이상으로 고속 동작될 때, 신호 전극 리드 배선들(362) 각각의 개별 임피던스는 100Ω이상으로 크게 증가될 수 있다. 여기서, 신호 전극 리드 배선들(362)의 차동(differential) 임피던스는 50Ω보다 증가될 수 있다. 예를 들어, 임피던스의 증가에 의한 임피던스 부정합은 신호 전극 리드 배선들(362)의 노이즈 발생 및 고주파 신호 반사를 의미한다. 고주파 신호 반사 및 노이즈는 광 모듈의 고주파 특성을 저하시키는 원인이 될 수 있다. 임피던스는 신호 전극 리드 배선들(362)의 인덕턴스에 비례하고, 상기 신호 전극 리드 배선들(362)의 정전 용량에 반비례할 수 있다. 신호 전극 리드 배선들(362)의 인덕턴스는 신호 전극 리드 배선들(362)의 길이에 비례하여 증가될 수 있다.
임피던스 정합 부(380)는 신호 전극 리드 배선들(362) 및 고주파 전송 선로 배선들(350)의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 임피던스 정합 부(380)는 제 1 임피던스 정합 부(382)와 제 2 임피던스 정합 부(388)을 포함할 수 있다. 제 1 임피던스 정합 부(382)는 신호 전극 리드 배선들(362) 주변에 GND를 형성함으로써 신호 전극 리드 배선들(362)과 GND 사이의 정전용량 증가를 줄일 수 있다. GND 금속대(385)는 실버 페이스트 또는 솔더 페이스트에 의해 TO-스템(310)에 연결될 수 있다. GND 금속대(385)는 알루미늄(Al), 구리 텅스텐(CuW), 또는 Kovar와 같은 전기전도도가 높은 접지 금속을 포함할 수 있다. 또한, GND 금속대(385)는 접지 금속에 플레이팅된 금을 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 임피던스 정합 부(382)는 신호 전극 리드 배선들(362)의 임피던스 증가를 완화시키거나, 임피던스 감소를 통하여 임피던스를 정합시킬 수 있다. 신호 전극 리드 배선들(362)은 GND 금속대(385)로부터 이격될 수 있다. 신호 전극 리드 배선들(362)과 GND 금속대(385) 사이에 air gap이 형성된다. 제 1 임피던스 정합 부(382)는 GND 금속대(385)와 에어 갭을 포함할 수 있다. GND 금속대(385)는 열전냉각소자(320) 및 제 2 서브 마운트(352)에 대향되는 신호 전극 리드 배선들(362)의 타측 주변을 둘러쌀 수 있다. 즉, GND 금속대(385)가 굽어진 형태로 신호 전극 리드 배선들(362)을 둘러 싸면서 높아진 임피던스를 낮춤으로써 고주파 특성을 개선시킬 수 있다. 본딩 와이어들(370)은 GND 금속대(385)를 접지시킬 수 있다. GND 금속대(385)는 TO-스템(310)의 측벽(side wall)과 신호 전극 리드 배선들(362) 사이에 배치된다. GND 금속대(385)는 열전냉각소자(320), 제 2 서브 마운트(352), 및 고주파 전송 선로 배선들(350)과 동일한 높이 또는 길이를 가질 수 있다. 제 2 서브 마운트(352)는 PCB, Al2O3(alumina), AlN과 같은 절연체를 포함할 수 있다.
제 2 임피던스 정합 부(388)는 고주파 전송 선로 배선들(350) 및 접지 배선들(354)을 포함한다. 고주파 전송 선로 배선들(350) 및 접지 배선들(354)은 제 2 서브 마운트(352) 상에 배치될 수 있다. 접지 배선들(354)은 상기 고주파 전송 선로 배선들(350) 양측에 배치된다. 본딩 와이어들(370)은 제 2 임피던스 정합 부(388)를 접지시킬 수 있다. 고주파 전송 선로 배선들(350)의 임피던스는 인덕턴스에 비례하고, 정전 용량에 반비례할 수 있다. 인덕턴스는 신호 전극 리드 배선들(362)의 길이에 비례하여 증가될 수 있다. 고주파 전송 선로 배선들(350)는 약 차동(differential) 50Ω의 임피던스로 설계될 수 있다. 제 2 임피던스 정합 부(388)의 정밀한 설계를 통하여 고주파 전송 선로 배선들(350)의 임피던스를 정합시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 TO-CAN 광 모듈은 고주파 특성이 향상될 수 있다. GND 금속대(385)와, 제 2 임피던스 정합 부(388)의 GND는 본딩 와이어들(370)에 의해 열전냉각소자(320) 상의 GND에 연결된 것으로 도 2에 개시되어 있으나, 제 1 임피던스 정합 부를 구성하는 GND 금속대(382)와, 제 2 임피던스 정합 부(388)의 GND는 외 부의 접지에 공통으로 연결될 수 있다. 접지면은 열전냉각소자(320)의 냉각 부(322) 전면에 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 TO-CAN 광 모듈(300)을 나타내는 평면도이다. 도 5는 도 4의 II-II'선상을 절취하여 나타내는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 TO-CAN 광 모듈은, 제 1 임피던스 정합 부(382)를 구성하는 GND 금속대(385) 및 신호 전극 리드 배선들(362) 사이의 제 3 서브 마운트(384)를 포함할 수 있다. 제 3 서브 마운트(384)는 GND 금속대(385)와 신호 전극 리드 배선들(362)를 절연시킬 수 있다. 제 2 실시 예는 제 1 실시 예의 제 1 임피던스 정합 부(382)에서 GND 금속대(385)와 신호 전극 리드 배선들(362) 사이에 제 3 서브 마운트(384)를 갖는 것이다.
도 6은 신호 전극 리드 배선들(362), 제 1 임피던스 정합 부(382)를 구성하는 GND 금속대(385), 접착 금속 층(383), 및 제 3 서브 마운트(384)를 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 제 1 임피던스 정합 부(382)는 GND 금속대(385) 및 제 3 서브 마운트(384) 사이의 접착 금속 층(383)을 포함할 수 있다. 접착 금속 층(383)은 약 6㎛ 내지 약 32㎛ 두께의 구리를 포함할 수 있다. GND 금속대(385)는 금(Au)이 플레이팅된 접지 금속을 포함할 수 있다. 제 3 서브 마운트(384)는 알루미늄 산화막(Al2O3), 알루미늄 질화막(AlN), 폴리 이미드, 또는 테프론(Teflon)과 같은 재질을 포함할 수 있다.
도 7은 임피던스 정합 특성의 계산 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 신호 전극 리드 배선들(362)의 임피던스는 30 GHz까지 differential 47.5 ohm으로 거의 50 ohm에 근접하게 정합될 수 있다. 신호 전극 리드 배선들(362)은 GND 금속대(385) 및 제 3 서브 마운트(384)에 인접하여 배치될 수 있다.
도 8은 고주파(Radio Frequency) 투과 및 반사 손실 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 신호 전극 리드 배선들(362)은 30 GHz까지 약 -20 dB 이하의 고주파 반사 손실과, 약 0.1 dB 이하의 투과손실을 가질 수 있다.
고주파 반사 손실은 고주파 신호의 주파수에 비례하여 증가될 수 있다. 또한, 고주파 투과 손실은 고주파 신호의 주파수에 비례하여 증가될 수 있다.
GND 금속대(385) 및 제 3 서브 마운트(384)를 사용함으로써 신호 전극 리드 배선들(362)의 임피던스를 정합하고, 고주파 반사 손실 및 투과 손실을 감소시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 1 응용 예에 따른 TO-CAN 광 모듈(300)을 나타내는 평면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제 1 응용 예에 따른 TO-CAN 광 모듈(300)은 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 GND 금속대(385)를 포함할 수 있다. 제 3 서브 마운트(384)와 GND 금속대((385)는 TO-스템(310)의 바닥에서 수직으로 배치될 수 있다. GND 금속대(385)는 제 3 서브 마운트(384)에 접합되는 일면(미도시)이 그렇지 않은 타면(미도시) 보다 넓은 평면적을 가질 수 있다. 제 3 서브 마운트(384)에서 접하는 GND 금속대(385)의 모서리 부분이 경사지게 제거될 때, 사다리꼴 모양의 단면은 형성될 수 있다. 따라서, GND 금속대(385)는 TO-스템(310) 내에 용이하게 실장될 수 있다.
신호 전극 리드 배선들(362)은 제 2 서브 마운트(352) 및 제 3 서브 마운트(384) 사이에서 각기 서로 분리될 수 있다. 유리 절연체(368)은 TO-스템(310) 내에서 복수개의 신호 전극 리드 배선들(362)을 개별적으로 둘러쌀 수 있다. 제 1 응용 예는 제 2 실시 예에서의 GND 금속대(385)가 사다리꼴 모양의 단면을 가지며 신호 전극 리드 배선들이 스템 금속에 의하여 분리되어 있는 구조를 갖는 것이다.
도 10은 본 발명의 제 2 응용 예에 따른 TO-CAN 광 모듈(300)을 나타내는 평면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제 2 응용 예에 따른 TO-CAN 광 모듈(300)은 하나의 유리절연체(368) 내에 복수개의 신호 전극 리드 배선들(362)를 포함할 수 있다. 유리절연체(368)는 TO-스템(310) 내 부에 형성될 수 있다. 제 2 응용 예는 제 1 응용 예의 복수개의 신호 전극 리드 배선들(362)을 동시에 둘러싸는 유리 절연체(368)을 갖는 것이다. 제 2 응용 예의 신호 전극 리드 배선들(362)은 제 1 응용 예에서보다 가깝게 배치될 수 있다. 신호 전극 리드 배선들(362)간의 거리가 줄어들면, 그들 간의 임피던스는 감소될 수 있다. 제 1 임피던스 정합 부(382)는 신호 전극 리드 배선들(362)의 임피던스를 정합시킬 수 있다.
이상, 첨 부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 펄스 발생 부 200: 신호 드라이버
300: TO-CAN 광 모듈 400: 광 섬유
310: 스템 320: 열전냉각소자
330: 제 1 서브 마운트 340: 광 소자
350: 고주파 전송 선로 배선들 360: 전극 리드 배선들
362: 신호 전극 리드 배선들 368: 유리 절연체
370: 본딩 와이어 380: 임피던스 정합 부
382: 제 1 임피던스 정합 부
388: 제 2 임피던스 정합 부

Claims (20)

  1. 스템;
    상기 스템 내의 열전냉각소자;
    상기 열전냉각소자 상의 제 1 서브 마운트;
    상기 제 1 서브 마운트 상의 광 소자;
    상기 스템의 외 부에서 내 부로 인입되어 상기 열전냉각소자 및 상기 광 소자에 인접하여 배치되는 복수개의 전극 리드 배선들;
    상기 전극 리드 배선들과 상기 광 소자 사이의 제 2 서브 마운트;
    상기 제 2 서브 마운트 상의 고주파 전송선로 배선들;
    상기 고주파 전송선로 배선들과 상기 광 소자를 연결하고, 상기 고주파 전송선로 배선들과 상기 전극 리드 배선들을 연결하는 복수개의 본딩 와이어들; 및
    상기 고주파 전송 선로 배선들과, 전극 리드 배선들의 주변에 배치되고, 상기 고주파 전송 선로 배선들과, 상기 전극 리드 배선들의 임피던스를 제어하는 임피던스 정합 부를 포함하는 광 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합 부는,
    상기 전극 리드 배선들을 포함하고, 상기 전극 리드 배선들 주변에 배치되어, 상기 전극 리드 배선들의 임피던스를 정합하는 제 1 임피던스 정합 부; 및
    상기 고주파 전송 선로 배선들을 포함하고, 상기 고주파 전송 선로 배선들의 주변에 배치되고, 상기 고주파 전송 선로 배선들의 임피던스를 정합하는 제 2 임피던스 정합 부를 포함하는 광 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스 정합 부는, 상기 열전냉각소자 및 상기 제 2 서브 마운트에 대향되는 상기 전극 리드 배선들의 타 측에 이격되는 GND 금속대를 포함하는 광 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 GND 금속대는 상기 열전냉각소자, 상기 제 2 서브 마운트, 및 상기 상기 전극 리드 배선들과 동일한 높이를 갖는 광 모듈.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 GND 금속대는 상기 전극 리드 배선들을 둘러싸는 광 모듈.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스 정합 부는, 상기 GND 금속대와 상기 전극 리드 배선들 사이의 제 3 서브 마운트를 더 포함하는 광 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 서브 마운트는 알루미늄 산화막, 알루미늄 질화막, 폴리 이미드, 또는 테프론을 포함하는 광 모듈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 서브 마운트와 상기 GND 금속대 사이에 접착 금속 층을 더 포함하는 광 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 접착 금속 층은 구리를 포함하는 광 모듈.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 스템은 원통 모양을 갖고,
    상기 GND 금속대는 원통 모양의 상기 스템의 측벽과 일정거리 이상으로 이격되도록 사다리꼴 모양의 평면을 갖는 광 모듈.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 GND 금속대는,
    접지 금속; 및
    상기 접지 금속에 플레이팅된 금을 포함하는 광 모듈.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 임피던스 정합 부는
    상기 제 2 서브 마운트 상의 상기 고주파 전송 선로 배선들 양측의 접지 배선들을 더 포함하는 광 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 서브 마운트와 상기 제 2 서브 마운트는 동일한 두께를 갖는 광 모듈.
  14. 고주파 신호 전압을 생성하는 펄스 발생 부;
    상기 펄스 발생 부와 연결되고, 상기 고주파 신호 전압을 고주파 신호 전류로 변환하는 신호 드라이버;
    상기 신호 드라이버에 연결되고, 상기 신호 드라이버의 상기 고주파 신호 전류를 이용하여 광 신호를 송신하는 광 모듈을 포함하되,
    상기 광 모듈은, 스템; 상기 스템 내의 열전냉각소자; 상기 열전냉각소자상의 제 1 서브 마운트; 상기 제 1 서브 마운트 상의 광 소자; 상기 스템의 외 부에서 내 부로 인입되어 상기 열전냉각소자 및 상기 광 소자에 인접하여 배치되는 복수개의 전극 리드 배선들; 상기 전극 리드 배선들과 상기 광 소자 사이의 제 2 서브 마운트; 상기 제 2 서브 마운트 상의 고주파 전송선로 배선들; 상기 고주파 전송선로 배선들과 상기 광 소자를 연결하고, 상기 고주파 전송선로 배선들과 상기 전극 리드 배선들을 연결하는 복수개의 본딩 와이어들; 및 상기 전극 리드 배선들의 주변에 배치되고, 상기 복수개의 전극들의 임피던스를 제어하는 임피던스 정합 부를 포함하는 광 통신 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 신호 드라이버를 실장하는 인쇄회로기판을 더 포함하는 광 통신 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 모듈과 상기 인쇄회로 기판을 연결하는 플렉서블 인쇄회로기판을 더 포함하는 광 통신 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 소자에 정렬되는 광섬유를 더 포함하는 광 통신 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 소자는 레이저 다이오드를 포함하는 광 통신 장치.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 펄스 발생 부는 펄스 파워 발생기를 포함하는 광 통신 장치.
  20. 제 14 항에 있어서
    상기 신호 드라이버는 레이저 다이오드 드라이버를 포함하는 광 통신 장치.
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