KR20170010045A

KR20170010045A - 파장 가변 필터를 이용한 광 수신기

Info

Publication number: KR20170010045A
Application number: KR1020170008522A
Authority: KR
Inventors: 김정수
Original assignee: 주식회사 포벨
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2017-01-25

Abstract

본 발명은 온도에 의해 투과하는 빛의 파장이 변화하는 파장 가변 필터를 이용하여 수신하는 파장을 가변시킬 수 있도록 하는 TO형 파장 가변 광 수신기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광 수신기는 TO-can형 패키지에 있어서, 스템 베이스(110)의 상부에 열전소자(200)를 배치하고, 상기 열전소자(200)의 상부판에 온도에 따라 투과하는 파장이 달라지는 파장 가변 필터(600)를 부착하며, APD(300)와 capacitor 및 TIA(400)를 포함하는 수광 소자는 스템 베이스(110) 바닥면에 부착하여 이루어짐으로써, 열전소자에 의해 선택되는 파장이 변화하는 방법을 통하여 빠른 파장 가변 특성을 얻을 수 있고, APD 칩 및 capacitor가 회로의 ground로 작용하는 스템 베이스 바닥면에 부착됨으로써 신호 전송 품질을 개선할 수 있도록 제공된다.

Description

파장 가변 필터를 이용한 광 수신기 {OPTICAL RECEIVER WITH WAVELENGTH TUNABLE FILTER}

본 발명은 TO(transistor outline)형 수신 파장 가변 광 수신기에 관한 것으로, 특히 TO 패키지 케이스와 전기적으로 분리된 7핀 이상의 전극핀을 가지는 TO형 패키지에 열적으로 수신 파장이 가변되는 수신 파장 가변 광 수신기에 관한 것이다.

근래에 들어 스마트폰 등의 동영상 서비스를 비롯하여 통신 용량이 매우 큰 통신 서비스들이 출시되고 있다. 이에 따라 종래의 통신 용량을 대폭적으로 증가시킬 필요가 대두 되고 있는데, 이러한 통신 용량 증가 방법의 하나로 이미 종래에 포설되어 있는 광섬유를 이용하는 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 방식의 통신 방식이 채택되고 있다. 상기 DWDM은, 파장이 서로 다른 레이저 빛들이 서로 간섭하지 않아 하나의 광섬유를 통하여 동시에 여러 가지 파장의 빛 신호를 전송하여도 신호 간에 간섭이 없는 현상을 이용한 것으로, 하나의 광섬유로 여러 파장의 빛을 동시에 전송하는 방식을 말한다.

현재 세계적으로 NG-PON2(Next Generation - Passive Optical Network version 2)라는 규격이 합의되고 있으며, 이러한 NG-PON2 규격에는 전화국에서 가입자로의 하향 광신호로 10Gbps급의 신호 속도를 가지는 4 채널의 파장을 설정하고 있다. 이러한 4채널의 파장 간격은 100GHz 또는 200GHz의 파장 간격을 설정하고 있다.

*이러한 NG-PON2 규격에서 하나의 가입자는 하나의 파장을 선택하여 광수신을 하여야 하며, 이러한 파장의 분리는 파장을 분리하는 고정 장치로 특정한 파장의 채널 광신호를 광 수신기에 입력시킴으로써 하향 광신호를 수신하는 방법이 가능하다. 그러나 이러한 고정된 파장을 특정한 광섬유로 분리하고, 특정 광섬유에 결합된 파장의 종류에 관계없이 광수신을 하는 형태의 광 수신기는 광선로 할당이 동적으로 이루어지지 않아 광선로의 관리에 어려움이 있어 왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해 광 수신기에서 동적으로 수신 파장을 결정할 수 있는 파장 가변 광 수신기가 개발되어 왔다. 이러한 파장 가변 광 수신기에 사용되는 파장 가변 필터는 일반적으로 유리 재질의 기판에 비정질 실리콘과 SiO2 등을 교대로 증착하여 특정한 파장만을 투과시키는 필터가 사용되고 있다.

또한 NG-PON2의 규격에서는 파장 가변 필터를 통과한 파장의 빛 신호를 수신하는 광수신소자로 APD(avalanch photo diode)를 제시하고 있다. 또한 파장 가변 광수신기는 10Gbps급의 고속 신호를 수신하여야 하므로 신호의 왜곡이 되지 않도록 제작되어야 한다. 10Gbps급의 신호를 잘 수신하기 위해서는 패키지의 신호 전송선이 10Gbps급의 신호를 잘 수신하기 위해 신호 전송선로의 RF impedance가 잘 매칭되어야 한다.

이러한 파장 가변 필터는 온도의 변화에 의해 투과되는 파장이 달라지는 특성이 있어 특정한 파장을 가변하여 수신하기 위해서는 파장 가변 필터의 온도를 바꾸어 주는 방법이 필요하다. 도 1은 미국 특허 US 6,985,281은 파장 가변 필터에 박막의 형태로 제작되는 히터(heater)를 이용하여 파장 가변 필터의 온도를 조절할 수 있도록 제작되는 파장 가변형 필터의 일례를 보여주고 있다. 그러나 히터를 사용할 경우에 온도의 상승은 용이하게 이루어질 수는 있으나, 온도의 하강은 열 방열에 의해 수동적으로 이루어지므로 온도 하강 시간을 조절하기 어려운 단점이 있다.

또한 히터를 사용하여 파장 가변 필터의 온도를 바꾸어 일정한 온도로 유지하기 위해서는 최소한 외부 환경 온도보다 높은 온도 조건에서 파장 가변 필터의 온도를 조절하여야 한다. 그러므로 외부 환경 온도가 85℃ 까지 변화할 경우 파장 가변 필터의 온도는 최소한 85℃ 이상, 바람직하게는 105℃ 이상의 온도 조건에서 온도를 바꾸어 파장 가변 필터의 투과 파장을 조절하여야 한다. NG-PON2에서는 2.4nm의 파장이 가변 될 것을 요구하고 있으며, 이에 따라 파장 가변 필터는 최소 105℃∼130℃ 구간에서 운용되어야 한다. 이러한 온도는 매우 높은 온도로써 에폭시 등의 고분자 계열 접착제의 온도 안정성에 문제가 일어나는 온도이므로 파장 가변 필터의 조립시에 에폭시를 사용할 수 없는 문제가 발생한다.

NG-PON2의 통신 시스템에서는 저가의 광소자를 요구하며 TO(transistor outline) 형 패키지가 저가의 광소자 패키지로 사용되고 있다. TO형 패키지는 복수 개의 관통공이 뚫린 금속 판재에 유리로 절연 및 밀봉되는 전극핀을 삽입한 구조로 제작되는 스템(stem)과, 스템 상부에 배치되는 광부품들을 덮는 뚜껑으로 구성되는 형태의 패키지이다. 통상적으로 통신용의 광트랜시버 패키지 형태인 SFF(small form factor) 또는 SFP(small form factor pluggable)은 규격이, 폭 × 높이 = 13mm × 8mm로 매우 작다. 이러한 트랜시버 외형에 내장될 수 있는 저가형 TO-can형 광소자는 대략 직경이 6mm 정도에 불과하다.

도 2는 8개의 전극핀을 가지는 스템 구조를 보여주고, 도 3은 8개의 전극핀이 내장된 TO-can형 패키지에서 광부품들이 실장되는 스템의 모습을 보여주고 있다. 도 3에서 capacitor(350)는 APD(300) 칩에 공급되는 외부 bias 전원에 타고 오는 고주파의 잡음을 제거하기 위한 용도로 사용된다. 그러므로 APD(300)의 전원 공급은 capacitor(350)를 통하여 이루어지고, APD(300) 전원 공급선으로 타고 들어오는 교류 잡음은 capacitor(350)를 통과하여 capacitor(350) 하부면의 그라운드(ground)로 보내지게 된다. 그러므로 capacitor(350)의 그라운드(ground) 성능이 약할 경우 APD(300) 전원 공급선의 잡음을 제거하기 어려워져서 수신 감도가 떨어지는 상황이 발생하게 된다.

도 3은 TO-can형 패키지에 있어서 APD(300) 칩 및 TIA(Trans impedance amplifier)(400) 칩 capacitor(350) 등이 배치되는 일례를 보여준다. TO-can형 패키지에 있어서 스템 베이스(110)는 외부 회로와 강력하게 그라운드(ground)로 연결되어 있어, capacitor(350)의 그라운드(ground) 면으로 작용하게 된다. TO-can형 제품의 경우 광소자는 통상적으로 TO-can형 패키지의 중심에 배치되게 된다. NG-PON2형의 광 트랜시버에서 수신기의 수신감도는 -28dBm이 요구되고 있으며, 이러한 높은 수신감도는 APD(300)-TIA(400)를 이용하여 얻을 수 있다. 그러나 APD(300)-TIA(400)에 있어서는 bias 전원의 노이즈(noise)를 제거하기 위하여 APD(300)의 bias line에 매우 인접한 위치에 적절한 용량의 capacitor(350)가 배치되어야 한다. 도 3은 이러한 APD(300)-TIA(400) 광수신기에서 TO-can형 내부의 부품 배치의 일례를 보여준다. 한편, 도 3의 배치에서 열전소자(200)를 추가하는 방법으로 APD(300)를 TEC 상부에 배치하고, 렌즈(250) 및 온도에 의해 투과 파장이 변화하는 파장 가변성 필터(600)를 열전소자(200)의 상부와 열 접촉을 시키는 방법에 의해 수신 파장을 결정하는 방법이 있을 수 있다. TIA(400) 칩은 통상적으로 1.0mm × 1.2mm 정도의 크기를 가진다.

도 4는 이러한 열전소자(200)의 상부면에 APD(300) 칩과 파장 가변 필터(600)가 배치되는 일례를 보여준다. 도 4에서는 capacitor(350)는 열전소자(200) 상부에 배치되지 않았으나, 이 경우에 capacitor(350)는 APD(300)와 매우 인접한 위치 할 수밖에 없다. 열전소자(200)는 통상적으로 0.7mm 이상의 높이를 가지므로 APD(300)를 열전소자(200) 상부에 배치하고, capacitor(350)를 스템 베이스(110))에 배치할 경우 APD(300)와 capacitor(350) 사이의 거리가 최소 0.7mm 이상으로 멀어져 수신감도를 매우 나쁘게 한다. capacitor(350)를 열전소자(200) 상부에 배치할 경우 APD(300)와 capacitor(350) 사이의 거리를 가깝게 할 수 있지만, capacitor(350)는 강력한 그라운드(ground)를 필요로 하기 때문에 TEC 상부판을 스템(stem) 바닥면과 전기적으로 매우 잘 결합되게 하여야 하며, 이 경우 열전소자(200)의 열 냉각 능력이 떨어지는 문제가 발생한다.

도 5는 capacitor(350)를 열전소자(200)의 상부면에 부착하고, 열전소자(200)의 상부면을 8가닥의 1 mil(0.025mm) 두께의 gold wire로 그라운드(ground)로 연결하였을 경우의 BER sensitivity를 나타낸 것이다. NG-PON2에서는 10^-3에서의 BER sensitivity를 측정하므로 이 경우에 10^-3에서의 sensitivity는 -22dBm으로 NG-PON2 규격에서 요구하는 -28dBm의 수신 감도를 가지지 못한다.

도 6은 capacitor(350)를 열전소자(200)의 상부판에 부착하고, 열전소자(200)의 상부판을 매우 뚜꺼운 실버 에폭시(silver epoxy)로 그라운드(ground)와 전기적 연결을 하였을 경우의 sensitivity 특성 곡선이다. 이 경우 수신 감도는 -32dBm까지 얻어져 NG-PON2 규격에서 요구하는 수신 감도를 가질 수 있다. 그러나 도 6의 경우에는 열이 독립적으로 제어되어야 할 열전소자(200)의 상부판이 열전달이 매우 잘되는 전기적 도체로써 외부환경인 그라운드(ground)와 연결되기 때문에 열전소자(200)의 온도 조절 능력이 매우 떨어지게 된다.

이와 같이, APD(300)를 열전소자(200) 상부에 배치하고 capacitor(350)를 열전소자(200) 외부의 스템(100)에 부착하는 방법은 APD(300)와 capacitor(350) 사이의 거리가 멀어져 수신감도의 저하를 가져오며, APD(300)와 capacitor(350)를 열전소자(200) 상부에 배치하고 열전소자(200)의 상부판을 몇 가닥의 골드 와이어(gold wire)로 그라운드(ground) 시킬 경우에는 약한 그라운드(ground) 때문에 수신 감도가 떨어지며, APD(300)및 capacitor(350)를 열전소자(200) 상부에 배치하고 열전소자(200)의 상부판을 두꺼운 실버 에폭시(silver epoxy) 등의 매우 강력한 전도체로 그라운드(ground) 시킬 경우 열전소자(200)의 온도 조절 능력이 떨어지는 단점이 발생하게 된다.

미국특허 US 6,985,281호 (2006.01.10)

본 발명은 이러한 종래 파장 가변 광수신 소자의 배치에 따른 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 파장 가변 광수신 소자에 있어서 파장 가변 필터의 온도 조절이 용이하며 열전소자의 온도 조절 능력을 떨어트리지 않으면서도 수신 감도가 극대화된 초고속 통신이 가능한 TO형의 저가의 파장 가변 광 수신기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 수신기는 광섬유로부터 발산되는 레이저 빛이 투과하는 파장 가변 필터와, 상기 파장 가변 필터를 투과하는 레이저 빛을 수신하는 10Gbps급의 고속 동작 속도를 가지는 APD 칩 및 capacitor, TIA 칩 및 열전소자, 열전소자의 온도를 측정하는 써미스터가 구비된 파장 가변 광 수신기로서, 상기 파장 가변 필터는 열전소자와 열접촉에 의해 온도가 조절되는 특징을 가지고 있으며, 열전소자의 일측면 스템 베이스 바닥면에 APD 칩과 capacitor, TIA 칩이 배치되는 구조를 가진다. 이때 파장 가변성 필터를 투과하는 빛은 평행광 이어야 하며, APD 칩의 수광 영역은 통상적으로 32um 정도로 매우 작으므로, 파장 가변 필터와 APD 칩 사이에는 파장 가변 필터를 투과한 빛을 모아주는 렌즈가 배치될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 광 수신기는 TO-can형 패키지에 있어서, 스템 베이스의 상부에 열전소자를 배치하고, 상기 열전소자의 상부판에 온도에 따라 투과하는 파장이 달라지는 파장 가변 필터를 부착하며, APD와 capacitor 및 TIA를 포함하는 수광 소자는 스템 베이스 바닥면에 부착하게 된다. 또한, 상기 파장 가변 필터와 APD 사이의 광 경로상에 파장 가변 필터를 통과한 평행광을 APD 칩의 활성 영역으로 집광시키는 렌즈가 배치될 수 있는데, 이 렌즈는 열전소자의 상부판에 부착되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 광 수신기는 온도에 의해 조절되는 파장 가변 필터가 열전소자에 의해 온도가 조절되므로 빠른 파장 가변 특성을 가질 수 있으며, 열전소자의 상부면이 그라운드(ground)와 열 접촉이 최소화되어 APD 칩 및 capacitor, TIA 칩 등은 스템 바닥면의 상부에 배치되므로 capacitor의 그라운드(ground)가 강화되어 높은 수신 감도를 동시에 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 히터(heater)에 의해 투과되는 파장이 달라지는 파장 가변 필터의 일례,
도 2는 종래 복수 개의 전극핀을 가지는 스템 구조 일례,
도 3은 종래 열전소자를 포함하지 않는 경우의 APD-TIA-capacitor 배치도 일례,
도 4는 종래 열전소자 상부판에 APD 칩 소자가 배치되고 스템 베이스 상부면에 capacitor가 배치되는 경우의 파장 가변 광 수신기의 배치도 일례,
도 5는 열전 소자 상부판에 APD 칩과 capacitor가 배치되고 열전소자 상부판이 8개의 1mil(0.025mm) 두께의 gold wire로 ground 되었을 경우의 수신 감도 일례,
도 6은 열전 소자 상부판에 APD 칩과 capacitor가 배치되고 열전소자 상부판이 두꺼운 silver epoxy로 ground 되었을 경우의 수신 감도 일례,
도 7은 본 발명에 따른 열전소자 상부판에 열접촉된 파장 가변 필터와 스템 바닥면에 배치된 APD 칩 및 capacitor가 구비된 구조의 파장 가변 광 수신기의 측면 구조도,
도 8은 본 발명에 따른 열전소자 상부판에 열접촉된 파장 가변 필터와 스템 바닥면에 배치된 APD 칩 및 capacitor가 구비된 구조의 파장 가변 광 수신기의 평면 구조도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 광 수신기의 측면 구조도를 나타낸 것이고, 도 8은 도 7의 구조도에서 렌즈 및 파장 가변 필터가 생략된 평면 구조도를 나타낸 것이다.

도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 광 수신기는 스템 베이스(110)의 상부에 열전소자(200)가 배치되고, 이 열전소자(200)의 상부에 렌즈(250) 및 파장 변화 필터(600)가 배치되며, 스템 베이스(110)의 상부에는 APD(300)와 capacitor(350) 및 TIA(400)를 포함하는 수광 소자가 배치된다.

본 발명에서 온도에 따라 투과 파장이 변화하는 파장 가변 필터(600)는 열전소자 부착 수단(도면 미 도시)에 의해 열전소자(200)의 상부에 부착되어, 열전소자(200) 상부판의 온도에 따라 투과 파장을 결정하게 된다. 상기 파장 선택성 파장 가변 필터(600)를 거친 평행광은 파장 가변 필터(600)와 APD(300) 칩 사이에 배치되는 렌즈(250)에 의해 수렴되어 APD(300) 칩의 활성 영역으로 집광되게 된다.

이때 렌즈(250)는 열전소자(200)의 상부판에 부착될 수도 있고, 스템 베이스(110) 상부면에 부착될 수도 있지만, 바람직하게는 열전소자(200) 상부판에 부착되는 것이 바람직하다. 이는 TO-can형 패키지의 규격이 매우 작으며, APD(300) 칩이 TO-can형 패키지의 중심에 배치되어야 한다는 것을 고려하면, 열전소자(200) 상부판에 렌즈(250)가 배치되지 않을 경우 열전소자(200)가 스템 베이스(110) 상부에서 차지할 수 있는 면적이 좁아져서 효율적인 온도 조절의 기능을 하기 어렵기 때문이다.

도 7과 도 8에서 APD(300) 칩과 TIA(400) 칩은 스템 베이스(110) 상부면에 부착되고, capacitor(350) 또한 스템 베이스(110) 상부면에 부착된다. 상기 APD(300) 칩과 capacitor(350)가 스템 베이스(110) 상부면에 배치될 때, APD(300)의 bias 전압은 전극핀(130)에서 capacitor(350)를 거친 후 APD(300)칩으로 인입된다. 이때, capacitor(350)는 그라운드(ground)로 작용하는 스템 베이스(110) 바닥면에 배치되므로, APD(300) bias 전압을 걸어주는 전송선의 잡음은 capacitor(350)를 통하여 용이하게 그라운드(ground)로 빠져나가게 된다.

상기 열전소자(200) 상부에는 열전소자(200)의 온도를 감시하기 위한 써미스터(도면 미 도시)가 존재할 수 있는데, 이 써미스터는 직류 성분의 신호이므로, 잡음을 고려할 필요가 없다. 그러므로 써미스터는 단지 하나의 1mil(0.025mm) 직경의 Au wire로 전극핀(130)과 연결되면 되므로 열전소자(200) 상부판에 열적인 부담을 최소화하게 된다.

그러므로 본 발명에 의한 온도에 의해 선택되는 파장이 가변되는 파장 가변형 광 수신기에서 열전소자(200)의 온도 조절 능력이 최대화되며, 동시에 APD(300) bias 전원 인가선의 잡음을 capacitor(350)를 통하여 효과적으로 제거하여 최대한의 수신 감도를 얻을 수 있는 장점이 있게 된다.

이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 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 : 스템 110 : 스템 베이스
120 : 유리 밀봉재 130 : 전극핀
200 : 열전소자 250: 렌즈
300 : APD 칩 350 : capacitor
360: APD와 capacitor를 연결하는 금속선(Au wire)
400 : TIA(Trans impedance amplifier) 칩
600 : 온도에 의해 투과되는 파장이 변화하는 파장 가변 필터
900 : 파장 가변 필터를 투과하는 빛
910 : 파장 가변 필터에서 반사하는 빛

Claims

TO-can형 패키지의 파장 가변 광수신 소자에 있어서,
스템 베이스(110)의 상부에 열전소자(200)를 배치하고, 상기 열전소자(200)의 상부에 온도에 따라 투과하는 파장이 달라지는 파장 가변 필터(600)를 부착하며, APD(300)를 포함하는 수광 소자를 스템 베이스(110) 바닥면에 부착하되,
상기 파장 가변 필터(600)와 APD(300) 사이의 광 경로상에 파장 가변 필터(600)를 통과한 평행광을 APD(300) 칩의 활성 영역으로 집광시키는 렌즈(250)가 배치되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광수신 소자.