KR20150012167A - 초고속 통신용 광 모듈 - Google Patents

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김정수
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Abstract

본 발명은 5Gbps 이상의 초고속 통신용의 레이저 다이오드 칩이 포함되는 TO can형의 초고속 통신용 광 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초고속 통신용 광 모듈은 고속 통신용 광모듈에 있어서, 레이저 다이오드 칩(100)에 신호를 전송하기 위한 고속 신호 전송용 기판(200)이, 고속 신호 전송용 선로 패턴이 형성된 상부 고속 신호 전송용 기판(210)과, 상부면이 도전성을 갖는 하부 고속 신호 전송용 기판(220)이 결합되어 이루어져, 단일 종단 임피던스 25ohm 또는 차동 종단 임피던스 50ohm을 가져 고속 통신이 가능하고, 고속 통신을 위한 레이저 다이오드 칩이 부착되는 기판의 높이가 0.4mm 정도가 되도록 하여 레이저 다이오드 칩과 렌즈 등의 광 결합을 용이하게 하며, 0.6mm 이하의 기판 폭으로 고속 전송 선로를 구현하여 TO can형의 좁은 실장 면적을 가지는 패키지에 효과적으로 내장되는 고속 신호 전송용 기판을 제공할 수 있다.

Description

초고속 통신용 광 모듈 {OPTICAL MODULE FOR HIGH SPEED COMMUNICATION}
본 발명은 초고속 통신용 광 모듈에 관한 것으로, 특히 5Gbps 이상의 초고속 통신용의 레이저 다이오드 칩이 포함되는 TO can형의 초고속 통신용 광 모듈에 관한 것이다.
근래에 들어 대용량의 정보 전송 및 고속의 정보 통신을 위하여 빛을 정보 전송의 매개로 하는 광통신이 일반화되어 있다. 근래에 있어서 가로 길이 및 세로 길이가 각각 0.3mm 정도인 반도체 레이저 다이오드 칩을 이용하여 손쉽게 5Gbps(giga bit per sec)의 전기 신호를 레이저 빛으로 변환할 수 있으며, 반도체 광 수광소자를 이용하여 광섬유를 통해 전송되어 오는 광신호를 전기신호로 손쉽게 변환할 수 있다. 빛은 매우 특이한 특성을 갖는 에너지파로서, 어느 한 지역에 동시에 존재하는 여러 빛들이 서로 상호 작용을 하기 위해서는 상호 작용의 대상이 되는 빛들이 동일한 파장을 가지거나, 빛의 위상(phase)가 맞아야 하며, 또한 진행 방향이 일치하여야 한다. 그러므로 빛은 서로 간의 간섭성이 매우 떨어지며 이러한 빛의 특성을 이용하여 여러 가지 파장을 갖는 빛을 동시에 하나의 광섬유를 통하여 전송하는 파장분할(Wavelength division multiplexing ; WDM) 방식의 광통신이 선호되고 있다. 이러한 WDM 방식의 광통신은 신호의 전송 매질인 광섬유를 공유할 수 있게 해줌으로써 광섬유 포설에 따른 비용을 줄여준다는 점에서 매우 경제적인 통신 방법이다.
이러한 WDM 방식의 광통신을 위해서 TO can형의 소형의 패키지 내에 고속의 레이저 다이오드 칩을 내장하는 형태의 패키지가 제안되고 있다. 도 1은 종래 고속 통신용 TO can형 패키지의 스템 구조 일례를 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 TO can형 패키지는 금속의 기판에 관통공을 뚫고 관통공 내부에 유리로 밀봉된 금속 전극핀을 삽입하는 형태로 제작되는 스템에 레이저 다이오드 칩 등을 부착하고, 전극핀과 레이저 다이오드 칩을 Au wire로 전기적으로 연결하는 패키지 방법으로 제작된다.
종래에는 레이저 다이오드 칩과 전극핀을 직접 Au wire로 연결하는 방법을 주로 사용하였지만, 근래 들어 TO can형 패키지가 고속화되면서 Au wire에 의한 전송 신호 왜곡의 문제가 발생하게 되어 레이저 다이오드 칩과 전극핀 사이에 임피던스 정합된 RF 기판을 부착하고, 이 RF 기판상에 레이저 다이오드 칩을 부착 한 후, RF 기판과 레이저 다이오드 칩을 Au wire로 전기적 연결을 함으로써 Au wire의 길이에 의한 고속 RF 신호의 왜곡을 최소화하는 방법을 사용하고 있다.
한편, 상기 도 1은 종래에 시판되고 있는 10Gbps급의 고속 신호에 적용되는 스템 구조로서, 도 1에서 RF 기판은 AlN의 재질로 이루어져 RF 스트라이프 패턴에 제작된 AlN 기판이 스템의 헤더(header)에 부착된 형태로 제작되는데, AlN 기판의 일측에 레이저 다이오드 칩이 부착된 후 레이저 다이오드 칩과 RF 기판상의 신호선과 Au wire로 전기적 연결이 이루어지게 된다.
이러한 도 1과 같은 구조에서 레이저 다이오드 칩의 부착 위치는 AlN 기판의 두께와 무관하게 되며, AlN 기판은 헤더의 위치에 미리 정해진 두께의 AlN RF 기판을 부착하는 형태로 제작되게 된다. 이러한 구조에서 RF 기판의 두께는 임의로 정해질 수 있다.
도 2는 근래에 많이 사용되고 있는 열전소자를 내장한 TO can형 레이저 다이오드 패키지의 측면 일례를 나타낸 것이다.
도 2에서 열전소자(700)는 스템(800)의 바닥면에 배치되고, 열전소자(700)의 상부판에 레이저 다이오드 칩(100)과 렌즈(500) 그리고 45도 반사 거울(600)이 배치되는 일례를 보여주고 있다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 레이저 빛이 방출되는 높이는 렌즈(500)의 중심 광축 높이와 일치하여야 하며, 통상적으로 이러한 렌즈(500)의 크기는 1mm 정도가 된다. 그러므로 렌즈(500) 중심 광축의 높이는 0.5mm 정도가 된다. 상기 렌즈(500)가 더 작아지면 렌즈(500) 구경이 작아져 충분히 많은 레이저 빛을 모으기 어렵기 때문에 렌즈(500)의 크기는 아무리 작아져도 0.8mm 이하로 줄이기 어려우며, 이에 따라 렌즈(500) 중심축의 높이는 0.4mm 이상이 된다. 레이저 다이오드 칩(100)의 경우 통상적으로 0.1mm 정도의 두께를 가지므로 레이저 다이오드 칩(100)의 레이저 발산점의 높이를 렌즈(500) 중심축과 일치시키기 위해서 레이저 다이오드 칩(100)이 놓여지는 서브마운트(200)의 높이는 통상적으로 0.4mm 정도가 된다. 그러나 이러한 0.4mm 두께의 서브마운트(200)를 이용하여 고속 통신이 가능한 고속 신호 전송 선로 제작이 어렵다. 한편, 도 2의 도면부호 810은 금속 전극핀이 삽입을 위한 관통공을 나타내고, 도면부호 900은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산하는 레이저 빛의 진행 방향을 나타낸다.
도 3은 최근에 사용되고 있는 6.0mm의 직경을 가지는 TO can형 패키지의 평면도 일례를 나타낸 것이다.
도 3과 같이, TO can형의 패키지를 이용하여 레이저 다이오드 칩(100)을 조립할 경우 레이저 빛의 방출이 TO can형 패키지의 중심부에서 이루어지기 위해서는 45도 반사 거울(600)과 렌즈(500) 및 레이저 다이오드 칩(100)이 TO can형 패키지의 한쪽에 몰려 있어야 한다. 6.0mm의 직경을 가지는 TO 60 규격의 경우, 패키지 중심에서 어느 한쪽 방향으로 허용되는 내경은 1.9mm 정도에 불과하다. 이러한 길이에 45도 반사 거울(600)의 절반과 렌즈(500)와 레이저 다이오드 칩(100)이 배치가 되어야 하며, 45도 반사 거울(600)의 길이가 최소 0.5mm 정도 포함되고 렌즈(500)의 두께가 통상적인 0.8mm 정도를 배정할 경우 레이저 다이오드 칩(100)의 서브마운트(200)에 허용되는 폭은 0.6mm에 불과하게 된다.
한편, 레이저 다이오드 칩(100)을 고속 동작시키기 위해서는 레이저 다이오드 칩(100)에 신호를 전달하는 모든 신호선의 규격이, 신호선의 +/- 각각의 단일 종단 전송 선로 임피던스(single ended impedance)로는 각각 25ohm으로 임피던스 매칭이 되는 것이 바람직하며, +/- 두 개의 전송 선로를 통합할 경우 50ohm의 차동 종단 임피던스(differential ended impedance)로 임피던스 정합을 이루는 것이 바람직하다. 도 3에서 도면 부호 202는 차동 종단 신호 전송용 선로를 나타낸다.
도 4는 단일 전송 선로의 일례를 보여주며, 도 5는 차동 임피던스 전송 선로의 일례를 나타낸 것이다. 도 4의 구조에 있어서, 유전율 11.4이며 두께 0.4mm인 실리콘 기판을 사용하였을 때 전송 선로(201)의 폭(W)에 따라 계산된 단일 종단 전송 선로 임피던스 값을 도 6에 도시하였다. 도 6에서 25ohm 임피던스 매칭을 위해서는 전송 선로(201)의 폭(W)이 1.05mm 정도가 되어야 한다. 이는 매우 좁은 TO can형의 레이저 다이오드 패키지에서 레이저 다이오드 칩용 전송 기판(200)의 폭으로 허용되는 크기인 0.6mm 를 초과하므로 TO can형의 초소형의 패키지에 채택하기 불가능한 규격의 전송 선로가 된다.
또한, 도 5의 구조에 있어서는, 유전율 11.4이며 두께 0.4mm인 실리콘 기판을 사용하였을 때 전송 선로(202)의 폭(W)과 전송 선로 사이의 거리(S)에 따라 계산된 차동 종단 전송 선로(202)의 임피던스 값을 도 7에 도시하였다. 도 7에서 50ohm 임피던스 매칭을 위해서는 하나의 전송 선로(202)의 폭이 최소 0.45mm 정도가 되어야 하며, 이에 따라 2개의 전송 선로가 필요한 차동 종단 전송 선로의 경우 고속 전송 선로의 기판의 폭이 최소 0.9mm 이상이 되어야 한다. 이는 매우 좁은 TO can형의 레이저 다이오드 패키지에서 레이저 다이오드 칩용 전송 기판(200)으로 허용되는 크기인 0.6mm 를 초과하므로 TO can형의 초소형의 패키지에 채택하기 불가능한 규격의 전송 선로가 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0129137호 (2012.11.28)
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 고속 통신용 광소자 제작에 있어서 고속 전송 선로 기판의 크기 선택의 제한이 없는 초고속 통신용 광 모듈을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초고속 통신용 광 모듈은 0.4mm의 두께를 가지는 고속 신호 전송 선로 기판을 제작하는데 있어서, 2개의 기판을 이어 붙여 2개의 기판의 합하여진 높이는 0.4mm가 되게 하고, 직접 레이저 다이오드 칩이 부착되는 상부 고속 신호 전송용 기판의 두께가 0.1∼0.3mm 정도의 두께가 되도록 하여, 폭이 0.6mm 이하인 고속 신호 전송용 기판을 이용하여 단일 종단 25ohm 임피던스 또는 차동 종단 50ohm의 임피던스 정합이 이루어지는 전송 선로를 제공할 수 있도록 한다. 또한, 기판 상부에 부착되는 레이저 다이오드 칩의 발산점 높이가 0.5mm로 높아져서 렌즈 등과의 광 결합이 용이하게 이루어질 수 있도록 제공된다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 초고속 통신용 광모듈은, 레이저 다이오드 칩에 신호를 전송하기 위한 고속 신호 전송용 기판이 고속 신호 전송용 선로 패턴이 형성된 상부 고속 신호 전송용 기판과, 상부면이 도전성을 갖는 하부 고속 신호 전송용 기판이 결합되어 이루어지게 된다.
여기에서, 상기 고속 신호 전송용 기판의 상부 일측에 레이저 다이오드 칩이 부착될 수 있다.
또한, 상기 하부 고속 신호 전송용 기판은 절연체의 상부면에 금속 박막이 증착되어 상부면이 도전성을 갖도록 형성되는데, 이 하부 고속 신호 전송용 기판의 상부면에 증착된 금속 박막은 접지면과 도전성 에폭시 또는 와이어 본딩(Wire bonding)을 통하여 연결되어 접지가 이루어지는 것이 바람직하다. 한편, 상기 하부 고속 신호 전송용 기판은 금속 재질로 제작될 수 있다.
상기 상부 고속 신호 전송용 기판은 AlN 또는 Silicon의 기판 재질에 금속 박막의 신호 전송용 선로가 증착되어 고속 신호 전송용 선로 패턴이 형성되되, 상기 상부 고속 신호 전송용 기판의 두께는 0.1mm에서 0.3mm 이내인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 초고속 통신용 광 모듈은 단일 종단 임피던스 25ohm 또는 차동 종단 임피던스 50ohm을 가져 고속 통신이 가능함과 동시에, 고속 통신을 위한 레이저 다이오드 칩이 부착되는 기판의 높이가 0.4mm 정도가 되도록 하여 레이저 다이오드 칩과 렌즈 등의 광 결합을 용이하게 하며, 0.6mm 이하의 기판 폭으로 고속 전송 선로를 구현하여 TO can형의 좁은 실장 면적을 가지는 패키지에 효과적으로 내장되는 고속 신호 전송용 기판을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 TO can형 레이저 다이오드 패키지의 일례,
도 2는 종래 열전소자를 내장한 TO can형 레이저 다이오드 패키지의 측면도 일례,
도 3은 종래 렌즈가 포함되는 TO can형 레이저 다이오드 패키지의 평면도 일례,
도 4는 종래 단일 종단 고속 신호 전송용 기판의 일례,
도 5는 종래 차동 종단 고속 신호 전송용 기판의 일례,
도 6은 종래 단일 종단 고속 신호 전송용 기판을 사용할 때 두께가 0.4mm인 기판의 경우 전송 신호 선로 폭에 따른 단일 종단 임피던스 변화 일례,
도 7은 종래 차동 종단 고속 신호 전송용 기판을 사용할 때 두께가 0.4mm인 기판의 경우 전송 신호 선로 폭에 따른 차동 종단 임피던스 변화 일례,
도 8은 본 발명에 따른 하부 기판과 상부기판을 결합한 형태의 고속 신호 전송용 기판 일례,
도 9는 본 발명에 따른 상부 기판과 하부 기판을 덧붙이는 형태로 제작되는 차동 종단 고속 신호 전송용 기판을 사용할 경우 상부기판의 두께와 고속 신호 전송용 신호 선로의 폭에 따른 차동 종단 임피던스 변화 일례를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 상부 기판과 하부 기판을 덧붙이는 형태로 제작되는 고속 신호 전송용 기판을 나타낸 것으로, 도 8의 (a)는 고속 신호 전송용 기판의 측면도이고, 도 8의 (b)는 평면도를 나타낸 것이다.
소정의 높이를 갖는 단일 기판, 예를 들어 0.4mm 높이를 가지는 단일 기판을 이용하여 고속 신호 전송 선로를 제작하고자 할 때, 도 6과 도 7에서 상술하였듯이 단일 종단 임피던스를 25ohm으로 맞추기 위해서는 1.05mm 이상의 신호 전송 선로폭(W)이 필요하며, 차동 종단 임피던스 50ohm을 맞추기 위해서는 두 개 전송 선로의 폭을 더한 0.8mm 이상의 폭을 가지는 기판이 필요하다.
도 8에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 고속 신호 전송용 기판(200)을 2장으로 나누어, 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 상부에 금속이 도포된 금속 박막(230)을 형성하고, 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 상부 금속 박막(230)을 접지면(ground) 면으로 사용할 경우 고속 신호 전송에 포함되는 기판 두께는 상부 고속 신호 전송용 기판(210)의 두께만 포함된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 상부 고속 신호 전송용 기판과 하부 고속 신호 전송용 기판을 덧붙이는 형태로 제작되는 차동 종단 고속 신호 전송용 기판을 사용할 경우, 상부 고속 신호 전송용 기판의 두께와 고속 신호 전송용 신호 선로의 폭에 따른 차동 종단 임피던스 변화를 나타낸 것이다.
도 9에 도시된 신호 선로 폭에 따른 차동 종단 임피던스 변화는, 두 개의 신호 전송용 선로(201)(202) 사이의 거리(S)가 0.03mm인 것으로 계산되었다. 또한, 도 9에서 상부 고속 신호 전송용 기판(210)의 두께(T1)가 각각 0.1mm, 0.15mm, 0.2mm, 0.25mm 일 때, 차동 종단 임피던스 50ohm을 얻기 위한 신호 전송용 선로(202) 하나의 폭(W)은 0.15mm, 0.2mm, 0.25mm, 0.3mm 가 된다. 그러므로 이러한 단일 전송 선로를 일정한 간격(S)으로 이격시켜 두 개 배치하여야 하는 차동 종단 신호 전송용 선로(202)의 최소폭은 0.33mm, 0.43mm, 0.53mm, 0.63mm 로, TO can형의 매우 좁은 실장 면적을 가지는 패키지에 적용 가능한 고속 신호 기판으로 사용할 수 있게 된다.
이때, 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 재질이 꼭 AlN, Si 기판일 필요는 없으며, 표면이 전기 전도성을 가지는 어떠한 특성의 기판도 가능하다. 이러한 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 일례로는 금속 또는 표면에 금속이 코팅된 Al2O3 등 표면에 금속 박막(230)이 코팅된 유전체 또는 반도체 기판도 사용이 가능하다. 하부 고속 신호 전송용 기판(220)이 절연성을 가지는 기판의 표면에 금속 박막(230)이 코팅된 경우 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 상부 금속 박막(230)을 접지시키기 위해 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 금속 박막(230)을 접지면과 전기적으로 연결하는 방법을 사용하여야 한다. 이때 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 금속 박막(230)과 접지면 사이를 도전성 에폭시를 사용하여 전기적 연결이 가능할 수 있으며, 와이어 본딩(wire bonding)의 방법으로 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 금속 박막(230)을 접지시킬 수도 있다.
상술한 본 발명의 실시예에서 제시한 높이는 단지 발명의 설명과 효과를 용이하게 설명하기 위한 예시일 뿐으로, 신호 전송용 기판(200)의 높이와 폭에 따라 구현되기 어려운 전송신호 임피던스를 구현하기 위해, 기판(20)의 높이와 폭을 분리하여 주어진 기판의 폭으로 원하는 임피던스를 구현하고, 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 높이를 이용하여 전체 신호 전송용 기판(200)의 높이를 결정하는 어떠한 예에도 본 발명은 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니라 동일 내지 유사 기능을 수행하기 위해 다양한 형태로 변형될 수 있는 것으로, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 레이저 다이오드 칩 200 : 고속 신호 전송용 기판
201 : 단일 종단 신호 전송용 선로 202 : 차동 종단 신호 전송용 선로
210 : 상부 고속 신호 전송용 기판 220 : 하부 고속 신호 전송용 기판
230 : 하부 고속 신호 전송용 기판의 상부면에 증착된 금속 박막
500 : 렌즈 600 : 45도 반사 겨울
700 : 열전소자 800 : TO can형 패키지의 스템
810 : TO can형 패키지의 전극핀 삽입을 위한 관통공

Claims (6)

  1. 고속 통신용 광모듈에 있어서,
    레이저 다이오드 칩(100)에 신호를 전송하기 위한 고속 신호 전송용 기판(200)은,
    고속 신호 전송용 선로 패턴이 형성된 상부 고속 신호 전송용 기판(210)과, 상부면이 도전성을 갖는 하부 고속 신호 전송용 기판(220)이 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 통신용 광 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고속 신호 전송용 기판(200)의 상부 일측에 레이저 다이오드 칩(100)이 부착되는 것을 특징으로 하는 고속 통신용 광 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 고속 신호 전송용 기판(220)은 절연체의 상부면에 금속 박막(230)이 증착되어 상부면이 도전성을 갖는 것을 특징으로 하는 고속 통신용 광 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 고속 신호 전송용 기판(220)은 금속 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 고속 통신용 광 모듈.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 하부 고속 신호 전송용 기판(220)의 상부면에 증착된 금속 박막(230)은 접지면과 도전성 에폭시 또는 와이어 본딩(Wire bonding)을 통하여 연결되어 접지가 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 통신용 광 모듈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 고속 신호 전송용 기판(210)은
    AlN 또는 Silicon의 기판 재질에 금속 박막의 신호 전송용 선로(201)(202)가 증착되어 고속 신호 전송용 선로 패턴이 형성되되,
    상기 상부 고속 신호 전송용 기판(210)의 두께는 0.1mm에서 0.3mm 이내인 것을 특징으로 하는 고속 통신용 광 모듈.
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