KR20240004186A - 초소형 광송신 모듈 - Google Patents

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KR20240004186A
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KR
South Korea
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optical
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light emitting
optical transmission
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최성욱
박영준
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Abstract

본 발명은 에지형 발광 소자, 광학 부품 및 광섬유 사이에 x,y,z 모든 방향의 광학 정렬을 자동화하여 조립 난이도를 해결할 수 있는 초소형 광송신 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 광송신 모듈은 서로 대향한 제1면 및 제2면을 갖는 몰드 몸체; 각각 상기 몰드 몸체 내부에 제1면에 일치시켜서 몰딩되어 있으며 칩의 에지(edge) 방향으로 광신호를 발생하는 복수의 에지형 발광 소자; 및 상기 몰드 몸체 내부에 제1면에 일치시켜서 몰딩되어 있으며 일측에 상기 복수의 에지형 발광 소자에 대응하는 복수의 입력 도파로를 구비하고 복수의 입력 도파로를 통하여 입사된 복수의 광신호를 광을 처리하거나 전달하는 광학 부품;을 포함하며, 상기 발광 소자의 광축과 입력 도파로의 광축은 광학 정렬이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

초소형 광송신 모듈{Ultra-small Transmitter Optical Sub-Assembly}
본 발명은 광송신 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 칩의 에지(edge) 방향으로 광이 방사되는 에지형 발광 소자, 광학 부품 및 광섬유 사이에 x,y,z 모든 방향의 광학 정렬을 자동화하여 조립 난이도를 해결할 수 있는 초소형 광송신 모듈에 관한 것이다.
광통신에서 데이터 전송용량을 증대하는 방법은 통신 대역폭 혹은 가용 채널을 확대하거나 고차 변조를 적용할 수 있으나, 근본적으로 광송수신 기능을 담당하는 광트랜시버의 속도, 특히 광소자 및 광부품의 속도를 높이는 기술이 중요하다.
SNS, 동영상 등 대용량 모바일 서비스의 폭발적인 수요 증가로 인한 트래픽 증가는 네트워크 고도화에 대한 필요성을 대두시켰고, 이로 인해 데이터 센터의 광링크는 기존 10Gbps에서 최근 100Gbps 초고속 광네트워킹 기술이 빠르게 적용되고 있으며, 2019년 기준 전체 데이터 센터의 약 50% 이상을 100Gbps 광통신 부품이 점유하고 있다.
최근 4차 산업으로 인해 데이터 트래픽은 급격히 증가하고 있으며. 또한 5G의 본격적인 상용화에 따라 이를 대비하기 위한 네트워크 구축이 필요하다.
다중화(Multiplexing)는 한정된 통신자원을 효율적으로 사용하는 방식으로 두 통신 지점 간에 저속의 데이터를 따로 채널을 나눠 전송하지 않고, 여러 저속 채널을 하나의 전송로에 고속으로 보내는 방식이다.
이러한 다중화 기술은 전송 설비 투자비용 절감, 통신링크 효율 극대화, 통신회선 설비 단순화 등 많은 이점을 가지고 있어 5G 네트워크 구축에 적극 활용될 수 있다.
이러한 다중화 광통신망은 망의 양 단부에 여러 전송 스트림을 단일 스트림으로 결합하는 멀티플렉서(MUX: Multiplexer)와 합쳐진 단일 스트림을 각각의 요소로 분리한 뒤, 해당 수신장치에 전달하는 디멀티플렉서(DEMUX: Demultiplexer)를 필요로 한다.
다중화에는 TDM, FDM, CDM, WDM(Wavelength Division Multiplexing) 등 여러 방식이 있다. 그 중에서 WDM은 광신호의 주파수 특성을 이용한 방식으로, 광섬유의 넓은 주파수 영역을 이용하여 여러 주파수대의 신호를 동시에 전송한다.
즉, WDM은 여러 개의 빛 파장을 동시에 전송하는 광전송 방식을 의미하며, 하나의 광섬유에 다수의 파장을 다중화하고 이를 다시 역다중화함으로써 정보를 전송하는 방식이다.
WDM은 파장의 간격과 대역에 따라 저밀도 파장분할다중화(CWDM), 고밀도 파장분할다중화(DWDM), 단파 파장분할다중화(SWDM) 등으로 구분된다.
일정 구간의 선로가 포화상태에 이르렀을 때, 기존의 광통신 방법으로는 새로운 광케이블을 포설해야 하는데, WDM 전송방식이 도입되면 선로를 새로 포설할 필요 없이 하나의 광선로만으로 여러 채널의 광신호를 전송할 수 있어 비용을 낮출 수 있다. 싱글 모드(single mode) 광선로 자체는 무한한 대역폭을 내재하고 있어 네트워크 용량을 늘리기에 매우 용이하다.
광트랜시버는 광통신망을 연결하는 광케이블과 데이터 전송을 담당하는 전송장비 사이에서 전기신호를 빛의 신호로, 빛의 신호는 전기신호로 변화시켜주는 역할을 하면서 데이터를 주고받는 장치이다.
데이터 센터의 광링크에는 전송거리 2km, 초당 100기가비트 전송 속도의 100G CWDM4 QSFP+ 규격 광트랜시버가 주로 사용되고 있다.
AWG(Arrayed Waveguide Grating, 배열형 도파로 격자)는 WDM 기술을 가능하게 하는 핵심 부품으로 데이터 센터 및 5G용 AWG가 사용되고 있다. 그리고 데이터센터 내 송수신 광모듈의 고집적화와 소형화 추세에 따라 AWG는 100G급 송수신 광트랜시버 내부의 광송신 모듈(Transmitter Optical Sub-Assembly, TOSA), 광수신 모듈(Receiver Optical Sub-Assembly, ROSA) 부품이 MUX와 DEMUX 기능을 수행할 수 있도록 사용되고 있다.
MUX는 3G, LTE, 5G 등 다양한 서비스를 단일 회선으로 전송하고 수신할 수 있도록 광 신호를 결합 및 분리하는 장비이다. 따라서 MUX 장비를 도입하면 추가적인 광케이블 설치 없이 플러그인(plug-in) 방식으로 5G 네트워크 구축이 가능하며, 또한 기존 광케이블 망 구조를 변경하지 않아도 사용이 가능해 빠른 구축이 가능하며, 광케이블이 설치된 곳 어디든 5G 구축이 가능하다.
광송신 모듈(TOSA)은 통상 데이터를 고속으로 전송하도록 사용된다. 광송신 모듈(TOSA)은 전기 신호를 광신호로 변환하고, 광신호를 변조/합성하기 위한 하드웨어를 포함한다. 광송신 모듈은 광을 발생시키기 위한 광원(발광 소자)과 광을 변조/합성하기 위한 광학 부품을 필수로 포함한다.
일반적으로 광송신 모듈은 발광소자 및 광학 부품, 광섬유 체결 부품 사이의 광전달을 위하여 정밀한 광학 정렬이 필요하며, 단순 조립을 통한 정밀도의 한계를 극복하기 위하여 추가적인 광학계(렌즈, 반사면 등)를 사용하는 경우가 있다.
광송신 모듈(TOSA)은 광통신 시스템을 위하여 전기 신호를 광신호로 변환하기 위해서 필요한 핵심 부품이다. 광통신 시스템은 종종 전기 통신 시스템 및 데이터 통신 시스템과 같은 다양한 시스템에서 데이터를 송신하도록 사용된다. 전기 통신 시스템은 종종 몇 마일에서부터 수천 마일에 이르는 범위의 넓은 지리적 거리에 걸친 데이터의 송신을 포함한다. 데이터 통신은 종종 데이터 센터를 통한 데이터의 송신을 포함한다. 그러한 시스템은 몇 미터에서부터 수백 미터에 이르는 범위의 거리에 걸친 데이터의 송신을 포함한다.
일반적으로 300m 이내의 짧은 거리의 광통신의 경우는 발광 소자로서 멀티모드형인 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL; Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)를 사용하여 구현하고 있으나, VCSEL는 장거리 송신이 불가능하다.
대량의 데이터를 300m 이상 수십 Km 거리의 장거리 전송이 요구되는 광 네트워크의 백본이나 데이터 센터 내에 채용되는 100G급 광트랜시버의 광송신 모듈(TOSA)은 파장(주파수)가 다른 4채널의 신호를 모아서 하나의 광섬유로 전송하기 위한 파장다중화기(WDM MUX) 기능을 수행하는 것이 요구된다.
이러한 파장다중화기(WDM MUX)는 장거리 송신이 가능한 싱글 모드의 에지형 발광 소자 4개와 WDM 전송을 위해 싱글 모드 도파로를 가지는 AWG의 정렬이 요구되고 있다.
한국공개특허공보 제10-2020-0006655호(특허문헌 1)에는 광신호를 출력하는 복수의 광원들; 상기 복수의 광원들에서 출력된 광신호들을 다중화하는 광다중화기; 상기 광다중화기로부터 출력된 광신호를 평행한 빔의 형태로 변환하는 콜리메이팅(Collimating) 렌즈; 상기 복수의 광원들, 광다중화기 및 콜리메이팅 렌즈가 내측에 실장되는 패키지; 상기 패키지의 내측 일면에 배치되어 상기 광송신 모듈의 외부에서 반사되어 되돌아오는 광신호를 차단하는 광아이솔레이터(Optical Isolator)를 포함하고, 상기 복수의 광원들로부터 출력된 광신호들은, 상기 패키지 내부에 배치된 광다중화기를 통해 하나의 광신호로 다중화되어 콜리메이팅 렌즈를 통과한 후 상기 패키지 외부에 배치된 광결합 렌즈를 통해 리셉터클(Receptacle) 내의 광섬유 스터브(Fiber stub)에 광결합되어 외부로 출력되는 광송신 모듈이 개시되어 있다.
특허문헌 1은 함체 형태의 패키지 내부에 광원, 광다중화기, 렌즈 등이 분산되어 조립되는 구조이므로 부피가 매우 큰 단점이 있다.
: 한국공개특허공보 제10-2020-0006655호
광송신 모듈(TOSA)의 제작을 위해서는 상기 광송신 모듈의 구성 부품 간의 광신호 전달을 위하여 정밀한 광학 정렬이 필요하다. 이 과정에서 조립 비용이 증가하며, 특히 발광 소자와 광 부품 사이의 정렬은 가장 높은 조립 난이도를 가져서 조립 비용 증가의 주요 원인이 된다.
특히, 장거리 송신이 가능한 칩의 에지(edge) 방향으로 광이 방사되는 에지형 발광 소자와 싱글 모드 도파로(single mode waveguide)를 가지는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 정렬을 위해서는 서브-미크론(sub-micron) 단위의 정렬이 x,y,z 방향으로 모두 이루어져야 한다. 하지만 x,y 방향으로는 정밀한 픽앤플레이스(Pick and place) 장비를 통해 에지 발광 소자와 AWG 사이의 서브-미크론 단위의 정렬을 실행할 수 있지만, z 방향으로는 각 소자의 높이 자체에 미크론 이상의 공차가 있으며, 에지 발광 소자의 발광 스팟(spot)의 높이 자체도 AWG의 코어의 높이와 다르기 때문에 단순히 칩의 정밀한 플레이스(place)만으로 광학 정렬 문제를 해결할 수가 없다.
뿐만 아니라 상기 광송신 모듈은 제어 IC를 포함 여부와 무관하게 전기 신호를 외부와 효과적으로 연결할 수 있어야 한다. 이 경우 종래 기술은 보통 와이어 본딩을 사용하게 되는데 고속 신호 전송을 위해서 와이어 본딩은 신호 무결성 (Signal Integrity)에 손실이 생길 수 있다.
또한, 상기 광송신 모듈은 소형화와 집적화가 필요하다. 이는 보드 상에서의 통신, 반도체 칩패키지 상에서의 통신 등을 위해 풋프린트(foot print)와 높이 자체가 작아져야 하며, TV, VR 등의 소비자용 기기간의 광통신을 위해서는 소형화가 필수적이기 때문이다. 따라서, 광송신 모듈 크기 자체는 소형화가 되어야 하며 필요한 IC 등을 집적하여 집적화 되는 것이 필요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 그 목적은 칩의 에지(edge) 방향으로 광이 방사되는 에지형 발광 소자, 광학 부품 및 광섬유 사이에 x,y,z 모든 방향의 광학 정렬을 자동화하여 조립 난이도를 해결하도록 FOWLP(Fan Out Wafer Level Packaging) 방식을 사용하여 패키징함에 의해 소자간 배선에 의한 높이 공차를 완전히 해결할 수 있는 초소형 광송신 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 광송신 모듈, 광섬유 및 광학부품의 조립체가 최소한의 구성부품과 조립공정으로 결합될 수 있는 심플한 구조를 갖는 초소형 광송신 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광송신 모듈은 서로 대향한 제1면 및 제2면을 갖는 몰드 몸체; 각각 상기 몰드 몸체 내부에 제1면에 일치시켜서 몰딩되어 있으며 상기 몰드 몸체의 제1면과 평행한 칩의 에지(edge) 방향으로 광신호를 발생하는 복수의 에지형 발광 소자; 및 상기 몰드 몸체 내부에 제1면에 일치시켜서 몰딩되어 있으며 일측에 상기 복수의 에지형 발광 소자에 대응하는 복수의 입력 도파로를 구비하고 복수의 입력 도파로를 통하여 입사된 복수의 광신호를 광을 처리하거나 전달하는 광학 부품;을 포함하며, 상기 발광 소자의 광축과 입력 도파로의 광축은 광학 정렬이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 광학 부품은 입력 도파로를 가지는 모듈레이터(Modulator)일 수 있으며, 상기 모듈레이터(Modulator)는 마하젠더 간섭계(MZI; Mach-Zehnder interferometer) 혹은 링 모듈레이터(Ring Modulator)일 수 있다.
또한, 상기 광학 부품은 모듈레이터와 다중화기(MUX) 기능을 한 소자 안에 동시에 구현한 소자일 수 있다.
더욱이, 상기 광학 부품은 광학빔형성(optical beam forming)을 하기 위한 소자로 자동차 Lidar의 부품으로 사용될 수 있다.
또한, 상기 광학 부품은 동일 파장의 빛을 분배(Split)하기 위한 스플리터(Splitter)일 수 있다.
이 경우, 상기 발광 소자의 발광 스팟(spot)의 높이는 상기 입력 도파로의 코어와 동일한 높이로 설정되고, 상기 발광 소자는 DFB(Distributed Feedback) 방식으로 구동되는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 발광 소자와 입력 도파로 사이에 3차원 광학 정렬이 수동 정렬에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광송신 모듈은 상기 몰드 몸체의 제1면에 절연 물질로 형성되는 배선층; 상기 배선층의 내부 및 외부에 형성되며, 몰드 몸체의 내부에 봉지되어 있는 발광 소자를 외부로 연결하기 위한 배선 메탈; 및 상기 배선층의 표면에 노출되어 있으며, 상기 배선 메탈 또는 몰드 몸체의 내부에 봉지되어 있는 소자와 연결된 외부연결단자;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광송신 모듈은 서로 대향한 제1면 및 제2면을 갖는 몰드 몸체; 각각 상기 몰드 몸체 내부에 제1면에 일치시켜서 몰딩되어 있으며 칩의 에지(edge) 방향으로 광신호를 발생하는 복수의 에지형 발광 소자; 및 일측에 상기 복수의 에지형 발광 소자로부터 입사된 복수의 광신호를 광학 다중화(Multiplexing)하여 출력하는 광학 부품;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 발광 소자의 표면과 광학 부품의 광축간의 높이는 동일하게 설정되며, 상기 칩의 에지(edge) 방향은 상기 몰드 몸체의 제1면과 평행하게 설정될 수 있다.
상기 광학 부품은 일측에 상기 복수의 에지형 발광 소자에 대응하는 복수의 입력 도파로를 구비하고 복수의 입력 도파로를 통하여 입사된 복수의 광신호를 광학 다중화(Multiplexing)하여 출력 도파로로 출력하는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)로 구성되며, 상기 발광 소자의 광축 높이는 입력 도파로의 코어와 동일하게 설정될 수 있다.
또한, 상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)는 광학 다중화(Multiplexing) 기능을 수행하는 광학 멀티플렉서부; 상기 광학 멀티플렉서부의 선단부에 연결되어 복수의 발광 소자로부터 입사된 복수의 광신호가 입력되는 복수의 입력 도파로; 및 상기 광학 멀티플렉서부의 후단부에 연결되어 복수의 광신호가 멀티플렉싱된 후 출력되는 하나의 광신호를 출력하는 싱글 모드 출력 도파로;를 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 복수개의 입력 도파로는 탑 클레딩이 없는 상태로 몰드 몸체의 제1면 내부에 몰딩되며, 상기 복수의 입력 도파로의 코어 상부를 포함하는 몰드 몸체의 제1면에 절연 물질로 형성되며 복수의 입력 도파로의 탑 클레딩 역할을 하는 배선층을 더 포함할 수 있다.
상기 입력 도파로의 탑 클래딩 부분에 형성되는 배선층은 상기 입력 도파로의 코어보다 굴절율이 낮은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 외부연결단자는 와이어-본딩(wire-bonding) 패드 혹은 솔더 볼(Solder Ball)을 사용하는 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array) 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광송신 모듈은 각각 상기 복수의 발광 소자의 후단에 매입 배치되어 상기 발광 소자가 동작할 때 발생되는 광량을 모니터하여 광송신 모듈의 고장 여부를 판단하는 검출신호를 발생하기 위한 복수의 모니터 포토다이오드;를 더 포함할 수 있다.
상기 광학 부품은 파장이 다른 복수 채널의 신호를 모아서 하나의 광섬유로 전송하기 위한 파장다중화기(WDM MUX) 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광송신 모듈은 서로 대향한 제1면 및 제2면을 갖는 몰드 몸체; 각각 상기 몰드 몸체의 제1면 내부에 몰딩되어 있으며 칩의 에지(edge) 방향으로 광신호를 발생하는 복수의 에지형 발광 소자; 상기 몰드 몸체의 제1면 내부에 몰딩되어 있으며 일측에 상기 복수의 에지형 발광 소자에 대응하는 복수의 입력 도파로를 구비하고 복수의 입력 도파로를 통하여 입사된 복수의 광신호를 광학 다중화(Multiplexing)하여 출력 도파로로 출력하는 AWG(Arrayed Waveguide Grating); 및 상기 몰드 몸체의 제1면에 절연 물질로 형성되는 배선층;을 포함하며, 상기 AWG는 입력 도파로의 탑 클레딩이 없는 상태로 몰드 몸체의 제1면 내부에 몰딩되고, 상기 배선층은 복수의 입력 도파로의 코어 상부를 포함하는 몰드 몸체의 제1면에 절연 물질로 형성되어 입력 도파로의 탑 클레딩 역할을 하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 에지형 발광 소자는 DFB(Distributed Feedback Laser)이고, 상기 DFB(Distributed Feedback Laser)의 광축 높이는 입력 도파로의 코어와 동일하게 설정되며, 상기 DFB 칩의 에지(edge) 방향은 상기 몰드 몸체의 제1면과 평행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광송신 모듈은 상기 몰드 몸체의 제1면에 출력 도파로에 대응하며 형성되며 광섬유를 안착시키기 위한 광섬유 조립가이드;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광송신 모듈은 상기 몰드 몸체의 제2면에 형성되어 외부와 전기적으로 연결되는 외부연결단자; 및 상기 몰드 몸체를 관통하여 형성되며 상기 외부연결단자와 전기적으로 연결된 수직도전경로;를 더 포함하며, 상기 수직도전경로는 배선층을 통하여 발광 소자와 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광송신 모듈은 상기 출력 도파로에 대응하여 광송신 모듈의 일단부에 결합되며 광섬유가 수납된 광섬유 블록을 더 포함하며, 상기 광섬유 블록은 광섬유가 출력 도파로에 대응하도록 배선층을 사용하여 정렬될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광송신 모듈은 FOWLP(Fan Out Wafer Level Packaging) 방식을 사용하여 패키징함에 의해 소자간 배선에 의한 높이 공차를 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 광송신 모듈의 제조방법은 접착제가 도포된 캐리어(carrier) 위에 발광 소자, 상기 발광 소자와의 광축 높이를 일치시키도록 입력 도파로의 탑 클래딩(Top Cladding)이 형성하지 않은 AWG(Arrayed Waveguide Grating)를 미리 설정된 위치에 부착시키는 단계; 에폭시 몰드 화합물(EMC)로 캐리어의 상부에 몰딩층을 형성하고 경화 후 표면을 평탄화하는 단계; 상기 경화된 몰드의 상부면을 CMP(chemical mechanical polishing) 처리한 후, 경화된 몰드와 캐리어를 분리하여 서로 대향한 제1면 및 제2면을 갖는 몰드 몸체를 얻는 단계; 상기 몰드 몸체를 반전시켜 상기 발광 소자의 단자 패드와 상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 입력 도파로의 코어가 위치한 제1면을 노출시키는 단계; 및 상기 몰드 몸체의 제1면에 절연 물질로 배선층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 입력 도파로의 코어 상부에 형성된 배선층은 입력 도파로의 탑 클레딩 역할을 하도록 상기 입력 도파로의 코어보다 굴절율이 낮은 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광 소자의 발광 스팟(spot)의 높이는 상기 입력 도파로의 코어와 동일한 높이로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 광송신 모듈의 제조방법은 상기 배선층을 통하여 상기 발광 소자와 연결되며 상기 몰드 몸체의 제1면 또는 제2면에 형성되어 외부와 전기적으로 연결되는 외부연결단자를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광송신 모듈의 제조방법은 상기 AWG(Arrayed Waveguide Grating)의 출력 도파로의 선단부를 식각하여, 광섬유 수납공간을 형성하는 단계; 및 광송신 모듈 웨이퍼에서 광섬유 수납공간의 하단을 웨이퍼 소잉(Wafer sawing)하여 개별적인 패키지로 분리함에 의해 광송신 모듈 패키지의 일측면에 광섬유를 삽입할 수 있는 광섬유 조립가이드를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일반적으로 수십 Giga~100G 이상의 고속의 전송을 가능하게 하는 광트랜시버는 소형이면서 1mm 두께로 슬림화된 광 인터페이스 커넥터가 요구되며, 합리적인 제조비용을 만족시키는 것이 요구된다.
특히, 100G급 광송신 모듈(TOSA)의 제작을 위해서는 광소자로서 칩의 에지(edge) 방향으로 광이 방사되는 에지형 발광 소자(예를 들어, DFB 레이저), 광학 부품으로 예를 들어, 4채널의 광을 하나로 멀티플렉싱하기 위한 AWG(Arrayed Waveguide Grating) 및 광섬유(optical fiber) 사이에 수동 정렬(Passive Alignment)을 사용하면서 오 정렬(Mis-alignment)이 발생하지 않아야 된다.
에지형 발광 소자와 AWG의 정렬을 위해서는 서브-미크론(sub-micron) 단위의 정렬이 x,y,z 3차원의 방향으로 모두 이루어져야 하며, 본 발명에서는 발광 소자, 광학 부품 및 광섬유 사이에 x,y,z 모든 방향의 광학 정렬을 자동화하여 조립 난이도를 해결하도록 FOWLP(Fan Out Wafer Level Packaging) 방식을 사용함에 의해 소자간 배선에 의한 높이 공차를 완전히 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 광송신 모듈, 광섬유 및 광학부품의 조립체가 최소한의 구성부품과 조립공정으로 결합될 수 있는 심플한 구조를 갖는다.
더욱이, 본 발명에서는 시스템-인-패키지(SIP; System In Package) 형태의 광소자 뿐아니라 다양한 전기 소자를 광송신 모듈에 집적하고, 광송신 모듈의 크기를 소형화할 수 있다.
본 발명에서는 반도체 제조공정을 이용한 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 기판을 사용하지 않고 광소자와 구동칩을 패키지함에 의해 광송신 모듈을 종래의 1/16 정도의 초소형으로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 시스템-인-패키지(SIP; System In Package) 형태의 광송신 모듈에 개방(open) 구조의 광섬유 조립채널이 일체로 형성되어 광 엔진을 원칩 또는 단일 소자로 패키지화할 수 있다.
본 발명에서는 픽-앤-플레이스 타입(Pick & Place type)으로 패키지의 광섬유 조립채널에 광섬유 조립을 자동화할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 초고속으로 대용량 데이터의 송수신이 가능하며 소형이면서 1mm 두께로 슬림화된 액티브 광 케이블(AOC) 조립체(광 인터페이스 커넥터)를 제공할 수 있다.
본 발명에서는 단말기의 교합 포트에 물리적으로 착탈 가능한 결합이 이루어짐과 동시에 교합 포트에 구비된 인터페이스를 통하여 전기 I/O 인터페이싱 또는 광 인터페이싱이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 솔더 볼로 이루어지는 외부연결단자를 구비하고 보드(PCB)와 보드(PCB) 사이, 칩(chip)과 칩(chip) 사이, 보드(PCB)와 칩(chip) 사이, 보드(PCB)와 주변장치 사이에 초고속 대용량 데이터 전송을 수행할 수 있다.
본 발명의 커넥터 플러그는 전기-광 변환 기능과 광-전기 변환 기능을 함께 갖고 있는 트랜스폰더(transponder) 칩으로서 시스템-인-패키지(SiP), SOC(System on Chip), SoB(System on Board), 패키지-온-패키지(PoP; Package on Package) 중 하나의 형태로 패키지가 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 액티브 광 케이블(AOC)은 미니 디스플레이 포트, 표준 디스플레이 포트, 미니 USB(Universal Serial Bus), 표준 USB, PCI 익스프레스(PCIe), IEEE 1394 파이어 와이어(Firewire), 선더볼트(Thunderbolt), 라이트닝(lightning), 고선명 멀티미디어 인터페이스(HDMI), QSFP, SFP, CFP 등의 데이터 전송 표준 규격을 만족하도록 외부연결단자를 구현할 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 드라이버-리스(Driver-less) 광송신 모듈의 길이방향 단면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 광송신 모듈의 소자 배치도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 Driver-less 광송신 모듈의 필수구성요소를 설명하는 단면도이다.
도 3은 발광 소자와 광부품의 광축의 높이가 다른 본 발명의 제2실시예에 따른 Driver-less 광송신 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 드라이버 내장형 광송신 모듈의 단면도이다.
도 5는 광송신 모듈에 광섬유를 수납할 수 있는 광섬유 조립가이드가 형성된 Driver-less 광송신 모듈의 단면도이다.
도 6은 광섬유 정렬을 도와주는 광섬유 정렬부재를 사용한 Driver-less 광송신 모듈의 단면도이다.
도 7은 광송신 모듈에 광섬유가 수납된 광섬유 블록이 직접 결합된 Driver-less 광송신 모듈의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 Driver-less 광송신 모듈의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따라 제작된 광송신 모듈을 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
전기 신호를 광신호로 그리고 그 역으로 변환하는 소자의 가격으로 인하여, 광 통신 시스템은 일반적으로 네트워크에서 백본으로서 사용된다. 그러나, 광 통신 시스템은 컴퓨터 통신에 다양한 장점을 제공할 수 있다. 컴퓨터 통신은 몇 센티미터에서 수백 센티미터에 이르는 통신을 지칭한다.
본 발명에서는 장거리에 위치한 단말기와 단말기 사이의 광 통신에 사용되는 광 통신 시스템 뿐 아니라 컴퓨터 통신에 적용 가능한 시스템을 개시한다.
광 통신 시스템은 광섬유를 광송신 모듈(Transmitter Optical Sub-Assembly, TOSA) 또는 광수신 모듈(Receiver Optical Sub-Assembly, ROSA)에 접속하는 반도체 패키지를 사용할 수 있다. 발광 소자의 일 예는 DFB(Distributed Feedback Laser)이고, 광 수신 소자의 일 예는 포토다이오드(PD; Photodiode)이다.
본 발명의 설명에서 DFB(Distributed Feedback Laser)는 DFB(Distributed Feedback) 방식으로 구동되는 레이저 다이오드를 지칭한다.
광송신 모듈(TOSA)이 MUX 기능을 수행하기 위한 광학 부품은 싱글 모드 도파로(single mode waveguide)를 가지는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)를 사용할 수 있다.
구동회로(즉, 구동칩 또는 광 IC)는 광소자에 따라 동작하도록 사용된다. 예를 들면, 포토다이오드는 포토다이오드 상의 광자의 충돌로 인한 전기 신호를 증폭하기 위한 트랜스-임피던스 증폭기와 함께 동작한다. 또한, 발광 소자인 경우, 구동회로는 발광 소자를 구동하도록 사용된다.
본 발명에서는 발광 소자, 모니터 포토다이오드, 광학 다중화(Multiplexing) 기능을 수행하는 광학 부품 등을 구동회로(구동칩)와 함께 플립 칩(flip chip) 패키지 기술을 이용하여 와이어-본딩 없이 집적하면서 동시에 기판을 사용하지 않고 소자들을 집적하면서 입출력(I/O) 단자를 바깥으로 빼서 입출력 단자를 늘리는 팬-아웃 기술, 소위 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 패키지함에 의해 소자간 배선에 의한 높이 공차를 완전히 해결하면서 슬림한 광송신 모듈을 구현할 수 있다.
또한, 광송신 모듈은 웨이퍼 단위로 반도체 공정을 이용하여 제조 프로세스를 진행한 후, 이어서 광섬유를 안착시키기 위한 광섬유 조립가이드를 광송신 모듈의 일면에 일체로 형성하고, 개별적으로 분리하는 다이싱 공정에 의해 광섬유를 고정시킬 수 있는 광송신 모듈이 반도체 패키지 타입으로 얻어진다.
더욱이, 본 발명에서는 발광 소자, 모니터 포토다이오드, 광학 다중화(Multiplexing) 기능을 수행하는 광학 부품 등을 각종 구동회로(구동칩)와 함께 플립 칩(flip chip) 패키지함에 의해 슬림한 광송신 모듈을 형성하면서 동시에 광학 부품으로서 AWG를 함께 패키지함에 의해 발광 소자와 AWG 사이에 x,y,z 모든 방향의 광학 정렬을 자동화하여 조립 난이도를 해결할 수 있다.
또한, 광송신 모듈 웨이퍼에 발광 소자와 광학 부품을 일체로 형성하고 광섬유 조립에 필요한 광섬유 조립가이드를 일체로 형성함에 의해 발광 소자와 광학 부품 사이의 3차원(3D) 광학 정렬이 자동으로 이루어지며, 광학 부품과 광섬유 사이의 정렬이 능동 정렬을 이용하지 않고 저렴한 수동 정렬(Passive Alignment) 기술을 이용할지라도 오 정렬 없이 이루어질 수 있다.
이하에 설명되는 본 발명은 100G급 광 통신 시스템의 광송신 모듈(TOSA)이 MUX 기능을 수행하는 것 위주로 설명하며, 본 발명은 DEMUX 기능을 수행하는 광수신 모듈(Receiver Optical Sub-Assembly, ROSA)에 적용될 수 있다.
이하의 상세한 설명에서 광섬유는 광섬유에서 피복층을 제거한 광섬유 라인을 지칭할 수 있다.
첨부된 도 1a는 본 발명에 따른 드라이버-리스(Driver-less) 광송신 모듈의 길이방향 단면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 광송신 모듈의 소자 배치도를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참고하면, 본 발명에 따른 드라이브-리스 광송신 모듈(TOSA)(100)은 몰드 몸체(110)의 내부에 발광 소자(200), 모니터 포토다이오드(210), 광학 다중화(Multiplexing) 기능을 수행하는 광학 부품(300)을 포함하며, 몰드 몸체(110)는 광신호가 전달될 수 있는 투명한 몰딩 재료, 예를 들어, 에폭시 몰드 화합물(EMC)로 이루어질 수 있다.
상기 광송신 모듈(TOSA)(100)의 일단에는 광연결부재(600)를 이용하여 광섬유(610)가 연결된다.
상기 광학 부품(300)은 예를 들어, 싱글 모드 도파로(single mode waveguide)를 가지는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)를 사용할 수 있다.
AWG는 광학 다중화(Multiplexing) 기능을 수행하는 광학 멀티플렉서부(301)의 선단부에 복수개의 발광 소자(200a-200d)로부터 입사된 복수개의 광신호가 입력되는 복수개의 입력 도파로(303a-303d)가 연결되고, 후단부에 복수개의 광신호가 멀티플렉싱된 후 출력되는 하나의 광신호를 출력하는 하나의 출력 도파로(305)가 연결되어 있다.
상기 복수개의 발광 소자(200a-200d)와 광학 정렬이 요구되는 복수개의 입력 도파로(303a-303d)는 각각 언더 클래딩(Under Cladding)(310)과 코어(Core)(320)를 포함하고 있고, 탑 클래딩(Top Cladding)의 일부는 배선층(400)으로 대치될 수 있다.
이 때 배선층(400)은 절연층으로 폴리이미드(Polyimide) 등으로 형성될 수 있다. 상기 배선층(400)의 내부 및 외부에는, 몰드 몸체(110)의 내부에 봉지되어 있으며 전기적 연결이 필요한 소자들(예를 들어, 발광 소자(200), 모니터 포토 다이오드(210) 등)을 서로 연결하고 내부와 외부를 전기적으로 연결하기 위한 배선 메탈(410)이 존재한다.
내부 배선층 및 발광 소자(200) 등과 외부를 전기적으로 연결할 수 있도록 배선 메탈(410) 및 몰드 몸체(110)의 내부에 봉지된 모니터 포토 다이오드(210)와 연결된 외부연결단자(411)가 배선층(400)의 표면에 노출되어 있으며, 외부연결단자(411)는 와이어-본딩(wire-bonding) 패드 혹은 솔더 볼(Solder Ball)을 사용하는 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array) 형태일 수 있다.
이 경우, 외부연결단자(411)는 미니 디스플레이 포트, 표준 디스플레이 포트, 미니 USB(Universal Serial Bus), 표준 USB, PCI 익스프레스(PCIe), IEEE 1394 파이어 와이어(Firewire), 선더볼트(Thunderbolt), 라이트닝(lightning), 고선명 멀티미디어 인터페이스(HDMI), QSFP, SFP, CFP 등의 데이터 전송 표준 규격을 만족하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 광송신 모듈(TOSA)(100)은 100G급 광트랜시버로서 역할을 수행하도록 예를 들어, 파장(주파수)이 다른 4채널의 신호를 모아서 하나의 광섬유(610)로 전송하기 위한 파장다중화기(WDM MUX) 기능을 수행할 수 있다.
장거리에 위치한 단말기와 단말기 사이의 광 통신을 위해 본 발명에 따른 광송신 모듈(TOSA)(100)은 발광 소자(200)로서 장거리 송신이 가능한 칩의 에지(edge) 방향으로 광이 방사되는 에지형 발광 소자를 사용하며, 파장다중화기(WDM MUX) 기능을 수행하도록 광학 부품(300)은 복수의 입력 도파로(waveguide)(303a-303d)를 가지는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)를 사용할 수 있다.
이 경우, 복수의 입력 도파로(303a-303d)는 언더 클래딩(Under Cladding)과 탑 클래딩(Top Cladding) 사이에 코어(Core)가 삽입되어 있는 구조로 구성될 수 있다. 이때, AWG의 입력 도파로(303a-303d)는 언더 클래딩과 탑 클래딩은 코어보다 굴절율이 낮은 재료를 사용하여 구현될 수 있다.
AWG의 입력 도파로(303a-303d)에서 SiON 또는 SiO2을 사용하여 탑 클래딩을 형성하는 경우 탑 클래딩의 높이가 15~20㎛ 이상이 되어야 한다. 그러나, 일반적인 에지형 발광 소자, 예를 들어, DFB(Distributed Feedback Laser)의 광축(즉, 발광 스팟(spot) 높이는 4㎛~5㎛ 수준이므로 에지형 발광 소자(200a-200d)의 광축과 AWG의 입력 도파로의 광축(즉, 코어)의 높이는 큰 차이가 나게 된다.
일반적으로 인쇄회로기판(PCB)에 DFB(Distributed Feedback Laser)를 솔더링 방식으로 실장할 때 인쇄회로기판(PCB)과 DFB 사이에 존재하는 솔더층은 최소 10㎛인 점을 고려할 때, 에지형 발광 소자의 광축과 AWG의 입력 도파로의 광축을 정렬하는 것은 수동 정렬로 구현하기 어렵다.
DFB(Distributed Feedback Laser)는 광도파로가 주기(週期) 구조가 되도록 함으로써 파장 선택성을 지니게 한 공진기를 갖춘 것으로, 보통의 반도체 레이저와 발광 원리는 같지만, 광의 파장을 같게 하기 위해서 발광부 중에 요철(凹凸)을 설치해 둔것으로, 광섬유 내를 전송하는 광의 속도도 같게 되어 신호파형이 붕괴되지 않는다.
본 발명에서는 에지형 발광 소자(200a-200d)와 AWG의 입력 도파로(303a-303d) 사이에 서브-미크론(sub-micron) 단위로 x,y,z 모든 방향의 광학 정렬을 실시한다.
우선, x,y 방향으로는 도 9에 도시된 바와 같이 정밀한 픽앤플레이스(Pick and place) 장비를 통해 4개(4채널) 또는 10개(10채널)의 에지형 발광 소자(200a-200d)와 AWG의 입력 도파로(303a-303d) 사이에 2차원 평면상에 서브-미크론 단위의 정렬을 실행한다.
그 후, z 방향(높이 방향)으로는 에지형 발광 소자(200a-200d)와 AWG의 입력 도파로(303a-303d) 사이에 높이 자체에 미크론 이상의 공차가 있으며, 에지형 발광 소자의 발광 스팟(spot)의 높이 자체도 입력 도파로(303a-303d)의 코어의 높이와 다르기 때문에 단순히 칩의 정밀한 플레이스(place)만으로 z 방향으로의 광학 정렬 문제를 해결할 수가 없다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 에지형 발광 소자의 높이를 변경하기 위한 추가 공정을 적용하지 않고, 도 1a 및 도 8a 내지 도 8g에 상세하게 도시한 바와 같이 입력 도파로(waveguide)의 탑 클래딩(Top Cladding)을 제거한 AWG를 먼저 패키징 한 후, 배선층(400)의 재료를 코어(320)보다 굴절율이 낮은 것을 사용함으로써 배선층(400)이 탑 클래딩(Top Cladding)의 역할을 수행하도록 하여 2 소자 사이의 높이 차이를 극복하는 방법을 제안한다.
본 발명에서는 후술하는 도 8a 내지 도 8g에 상세하게 도시한 바와 같이 발광 소자(200)와 각종 구동회로(구동칩)를 플립 칩(flip chip) 패키지할 때, AWG를 함께 패키지함에 의해 발광 소자(200)와 광학 부품(300)(즉, AWG) 사이에 x,y 방향뿐 아니라 z 방향의 광학 정렬을 자동화하여 조립 난이도를 해결할 수 있는 광송신 모듈(100)을 제공할 수 있다.
그 결과, 본 발명에 따른 AWG는 광송신 모듈(TOSA)(100)에 내장된 복수의 발광 소자(200)로부터 발생된 예를 들어, 4채널의 광신호를 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 기능을 수행하여 광섬유(610)에 전달하는 역할을 한다. 이에 따라 광송신 모듈(TOSA)(100)은 각 채널당 25Gbps×4채널 = 100Gbps의 파장다중화기(WDM MUX)를 실현할 수 있다. 또한, 광송신 모듈(TOSA)(100)은 각 채널당 10Gbps×10채널 = 100Gbps의 파장다중화기(WDM MUX)를 실현할 수 도 있다.
도 1a 및 도 1b에서 발광 소자(200)의 후단에는 복수개의 모니터 포토다이오드(210,210a-210d)가 매입 배치되어 있다. 상기 모니터 포토다이오드(210)는 발광 소자(200)가 동작할 때 발생되는 광량을 모니터하여 광송신 모듈(TOSA)(100)의 고장 여부를 판단하는 검출신호를 외부연결단자(411)를 통하여 시스템 제어부에 전송한다.
본 발명의 광송신 모듈(100)은 광송신 모듈(100)과 광섬유(610)를 연결하기 위하여 광연결부재(600)가 사용될 수 있으며, 광송신 모듈(100)의 상부면 또는 하부면 표면에 방열부재(800)가 부착되어 광송신 모듈(100)은 발광 소자(200)나 드라이버 IC(220) 등에서 발열이 이루어질 때 방열 기능을 가질 수 있다.
여기서 광연결부재(600)는 예를 들어, QSFP의 하드웨어 컨넥터를 사용할 수 있고, 방열부재(800)는 열전 쿨러(TEC; Thermo-electric Cooler) 혹은 메탈 블록 등이 될 수 있다.
이 경우, 배선층(400)에 매입된 배선 메탈(410) 및 수직도전경로(412)는 내부 소자들에서 발생하는 열을 표면에 설치될 수 있는 방열부재(800)(TEC, 방열 블록 등)에 효율적으로 전달해줄 수 있는 방법을 제공한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 발광 소자(200)와 AWG를, 기판을 사용하지 않는 플립 칩(flip chip) 패키징 방식으로 패키징할 때, 입력 도파로(waveguide)의 탑 클래딩(Top Cladding)을 제거한 AWG를 발광 소자(200)와 동일한 레벨로 위치 설정한 상태에서 몰드 몸체(110)를 형성하고, 탑 클래딩(Top Cladding)과 절연층의 역할을 수행하도록 배선층(400) 재료를 코어(320)보다 굴절율이 낮은 물질을 사용함으로써 발광 소자(200)와 광학 멀티플렉싱을 수행하는 광학 부품(300) 사이에 x,y,z 모든 방향의 광학 정렬을 자동화하여 조립 난이도를 해결할 수 있다.
상기한 실시예 설명에서는 상기 광학 부품(300)으로 복수 채널의 광신호를 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 기능을 수행하여 광섬유에 전달하는 역할을 하는 AWG를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
상기 광학 부품(300)은 입력 도파로를 구비하고 광을 처리하거나 전달하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 상기 광학 부품(300)은 입력 도파로를 가지는 광학 다중화기(Multiplexer) 이외에 입력 도파로를 가지는 모듈레이터(Modulator), 즉 마하젠더 간섭계(MZI; Mach-Zehnder interferometer) 혹은 링 모듈레이터(Ring Modulator)일 수 있다. 이 경우, 상기 광학 부품(300)은 레이저의 광량을 조절하여 신호를 변조하는 것이 아니라, 광학 소자에서 변조하게 된다.
또한, 상기 광학 부품(300)은 모듈레이터와 다중화기(MUX) 기능을 한 소자 안에 동시에 구현한 소자일 수 있다.
또 다른 예로, 상기 광학 부품은 광학빔형성(optical beam forming)을 하기 위한 소자로 자동차 Lidar 등을 위한 부품으로 사용될 수 있으며, 상기 광학소자는 동일 파장의 빛을 분배(Split)하기 위한 스플리터(Splitter)일 수도 있다.
도 2는 제1실시예에 따른 드라이버-리스 광송신 모듈의 필수구성요소를 설명하는 단면도이다.
제1실시예에 따른 드라이버-리스 광송신 모듈(100)은 발광 소자(200)와 광학 부품(300)은 배선층(400) 하단부의 동일한 평면 상에 배치되어 있다. 즉, 발광 소자(200)의 발광 스팟과 광학 부품(300)의 입력 도파로의 코어는 배선층(400) 하단부의 동일한 평면 상에 배치되어 있어, 발광 소자(200)와 광학 부품(300)의 광축은 자동 정렬이 이루어진다.
발광 소자(200)와 광학 부품(300)은 인접하여 배치되며 광신호가 전달될 수 있는 몰딩 재료로 봉지되어 형성되는 몰드 몸체(110) 내부에 내장되어 있다.
이 때 몰드 몸체(110)는 두 가지 이상의 레이어로 구성될 수 있으며, 광신호가 전달되는 발광 소자(200)와 광학 부품(300) 사이의 영역에는 해당 파장에 대하여 높은 투과율을 가지는 물질을 사용하고, 나머지 부분은 불투명한 물질을 사용할 수 있다.
상기 배선층(400)은 절연 물질을 사용하며 폴리이미드(Polyimide) 등의 폴리머 물질, 산화물(Oxide) 등을 사용할 수 있다. 배선층(400)은 배선 메탈(410)을 포함하고 있으며, 이는 패키지 내부의 칩과 칩 사이의 연결, 칩과 광학 부품 사이의 연결, 칩과 외부 전기소자 사이의 연결을 담당하게 된다.
외부연결단자(411)는 내부 배선 메탈(410)과 연결된 구조이며, 칩 외부와 연결을 담당한다. 외부연결단자(411)는 와이어-본딩(wire-bonding)이 가능한 패드 형태이거나 BGA 형태일 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와같이, 제어 IC(Driver)가 포함되지 않은 광송신 모듈(Driver-less TOSA)(100)은 제어 IC에서 제공하는 전기 신호를 받아서 이를 광신호로 변경한다. 이때의 전기 신호는 광신호 생성을 직접할 수 있는 형태로 제공된다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어 IC가 포함된 광송신 모듈은 내부의 제어 IC 입력부에 적합한 전기 신호를 제공하게 된다. 두 경우 모두 광송신 모듈의 출력 신호는 광신호 형태로 출력이 된다.
도 3은 발광 소자와 광학 부품의 광축의 높이가 다른 본 발명의 제2실시예에 따른 드라이브-리스 광송신 모듈을 나타낸다.
본 발명의 제2실시예에 따른 드라이브-리스 광송신 모듈(100)은 광학 부품(300)인 AWG의 입력 도파로를 구성하는 탑 클래딩(Top Cladding)을 제거 혹은 높이를 감소시켜서 AWG의 코어(320)와 발광 소자(200)의 광축 높이와 맞추게 된다.
광학 부품(300)은 복수의 입력 도파로(waveguide)를 가지는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)를 사용하며, 입력 도파로는 실리콘 기판(330) 위에 언더 클래딩(Under Cladding)(310)과 코어(Core)(320)가 순차적으로 형성된 구조로 구성될 수 있다. 이때, AWG의 입력 도파로는 언더 클래딩은 코어보다 굴절율이 낮은 재료를 사용하여 구현될 수 있다.
이 때 AWG의 코어(320)와 발광 소자(200)의 광축 높이는 정확하게 같지 않을 수 있으며 빛의 확산 경로를 고려하여 달라질 수 있다. 부족한 탑 클래딩(Top Cladding)의 역할은 광학 부품(300)의 표면에 적층되는 배선층(400)에 의해서 수행될 수 있다.
도 4는 제3실시예에 따른 드라이브-리스(Driver-less) 광송신 모듈을 나타낸다.
제3실시예에 따른 드라이브-리스(Driver-less) 광송신 모듈(100)은 몰드 몸체(110) 내부에 패키징하는 소자로서 발광 소자(200)를 구동 제어하는 드라이버 IC(220), 발광 소자(200)의 광량을 모니터하는 모니터 포토다이오드(monitor Photodiode; mPD)(210), 이들을 연결하는 배선층(400)을 포함한다.
본 발명에 따른 광송신 모듈(TOSA)(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 몰드 몸체(110)의 내부에 드라이버 IC(220) 이외에 각종 구동회로(구동칩)를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 시스템-인-패키지(SIP; System In Package) 방식을 사용하여 발광 소자(200)와 광학 부품(300) 뿐만 아니라 제한 없이 다양한 소자들이 함께 집적된 단일 반도체 패키지를 제작할 수 있다.
일례로, 이들 소자는 SERDES(SERrialization/DE-Serialization), 레이저 제어 IC, MCU(Micro controller unit), 연산처리장치(central processing unit), 에러 정정(Error Correction) 소자 등이 될 수 있다. 이들은 서로 와이어 본딩 없이 패키지 내부의 배선층에 의해 서로 연결이 되게 된다.
제3실시예의 광송신 모듈(100)은 외부와 접속을 위해 배선층(400) 위에 위치하는 외부연결단자(411)와 배선층(400) 반대면에 위치하는 또 다른 외부연결단자(413)를 구비할 수 있다.
이 때 배선층(400)과 반대면을 연결해주기 위해 수직 방향의 수직도전경로(412)가 사용된다. 수직도전경로(412)는 몰드 몸체(110)를 바로 관통할 수도 있고, 다른 구조물 내부에 포함되어 연결될 수 있다. 외부연결단자(413)는 솔더 볼로 형성된 BGA 형태일 수 있다.
다음으로, 광송신 모듈과 광섬유간의 연결에 대한 방법 및 장치를 설명한다.이때 광송신 모듈은 상기 서술한 예시들을 모두 포함한다.
일 예로, 도 5에서는 광송신 모듈(100)의 일부를 에칭하여 광섬유(610)를 수납할 수 있는 광섬유 조립가이드(601)를 만들어 준다. 광학 부품(300)의 기판(substrate)이 Si으로 이루어진 경우, 이방성 식각이 가능하여 원하는 모양을 정밀하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
또 다른 예로, 도 6에서는 광섬유 정렬을 도와주는 광섬유 정렬부재(620)를 사용할 수 있다. 광섬유 정렬부재(620)에는 광섬유를 직접 삽입하지 않고, 광섬유가 수납된 광섬유 블록과 쉽게 결합될 수 있는 가이드핀(622)이 제공된다. 또한 광섬유 정렬부재(620)와 광송신 모듈(100)을 정렬하기 위해 배선층(400) 혹은 배선층 상부에 구조물을 사용하여 정렬할 수 있다. 광섬유 정렬부재(620)에는 광정렬을 도와주기 위한 렌즈(621)가 추가될 수 있다. 상기 렌즈(621)는 입사광을 집속시키는 콜리메이트 렌즈일 수 있다.
또 다른 예로, 도 7에서는 광섬유(610)가 수납된 광섬유 블록(600)을 직접 광송신 모듈(100)에 결합한다. 이 때 광송신 모듈(100)의 배선층(400) 혹은 배선층 상부의 구조물을 사용하여 정렬하거나, 두 구조물을 맞닿은 다음 능동 광학 정렬(Active Optical Alignment) 방식을 사용하여 정렬할 수 있다.
이하에 도 8a 내지 도 8g를 참고하여 본 발명에 따른 반도체 패키징 방식을 사용한 광송신 모듈의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광송신 모듈(100)의 반도체 패키징은 광학 소자, 즉 발광 소자(200)의 표면과 광학 부품(300)인 AWG 칩의 광축간의 높이가 일정한 부분을 평평한 표면위에 놓는 것으로부터 시작한다. 이에 따라서, 발광 소자(200)와 광학 부품(300) 사이에 z축 방향의 높이 정렬을 수행할 수 있다.
종래에는 이 방법이 어려운 이유는 높이가 일정한 부분에 전기적 연결을 위한 전기 연결부(단자 패드)가 추가되어야 하는데 전기 연결부(단자 패드)의 솔더링 부분 때문에 높이에 대한 공차가 발생할 수 있다.
본 발명에서는 소자간 전기 연결부를 소자를 웨이퍼 형태로 재구성(reconstruction)하고 그 위에 반도체 배선 공정을 사용하여 배선을 하는 FOWLP(Fan Out Wafer Level Packaging) 방식을 사용함에 의해 소자간 배선에 의한 높이 공차를 완전히 해결할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 패키징 방식을 사용한 광송신 모듈의 제조공정은 먼저, 도 8a와 같이 픽앤플레이스(Pick and place) 장비를 사용하여 접착제가 도포된 캐리어(carrier)(500) 위에 패키징할 칩, 예를 들어, 발광 소자(200), 모니터 포토다이오드(210), 광학 다중화(Multiplexing) 기능을 수행하는 광학 부품(300)을 도 1b에 도시된 바와 같이 원하는 위치에 위치시킨다. 발광 소자(200)로 DFB(Distributed Feedback Laser), 광학 부품(300)으로 AWG(Arrayed Waveguide Grating)를 사용할 수 있다.
상기 AWG는 DFB와의 광축 높이를 일치시키도록 입력 도파로를 형성하는 요소중 언더 클래딩(310)과 코어(320)만을 실리콘 기판(330) 위에 형성하고 탑 클래딩(Top Cladding)은 형성하지 않은 형태의 칩을 사용한다.
상기 AWG의 실리콘 기판(330) 일측에는 도 8e에 도시된 바와 같이 후속 공정에서 광섬유를 수납하기 위한 광섬유 조립가이드(601)를 형성할 때, 이방성 식각시에 식각이 용이하게 이루어질 수 있는 임시 충전물질(340)이 충전될 수 있다.
상기 캐리어(carrier)(500)를 이용하여 플립 칩(flip chip) 공정으로 광송신 모듈(100)에 집적될 각종 칩 형태의 부품을 미리 설정된 위치에 부착시키며, 캐리어(carrier)(500)는 도 8g와 같이, 웨이퍼 레벨로 제조 프로세스가 진행될 수 있도록 웨이퍼 형태로 이루어질 수 있다.
광송신 모듈(100)에 집적될 각종 부품은, 발광 소자(200), 모니터 포토다이오드(210), 광학 부품(300) 이외에 드라이버 IC(220), 수직도전경로(412)를 형성하는 데 필요한 비아 PCB, SERDES(SERrialization/DE-Serialization), 레이저 제어 IC, MCU(Micro controller unit), 연산처리장치(central processing unit), 에러 정정(Error Correction) 소자 등이며, 픽-앤-플레이스(pick & place) 방식으로 실장한다. 실장되는 부품은 칩의 연결패드가 캐리어(carrier)(500)에 접촉하도록 실장방향을 정한다.
비아 PCB는 PCB에 레이저로 관통하거나 패턴 및 식각 공정을 사용하여 관통공(through hole)을 형성하고 관통공을 도전성 금속으로 매립하여 수직도전경로(412)를 형성할 수 있다. 상기 도전성 금속은 예를 들어, 금(gold), 은(silver), 구리(copper) 등의 금속으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도전성 금속이면 충분하다. 또한, 관통공에 수직도전경로(412)를 형성하는 방법은 도전성 금속 분말을 충진하는 방법 이외에 스퍼터(sputter), 증착(evaporation), 도금(plating)으로 전도성 금속으로 관통공을 매립한 후, 기판 표면을 평탄화하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 8b와 같이, 몰딩 물질로 예를 들어, 에폭시 몰드 화합물(EMC; Epoxy Mold Compound)로 캐리어(carrier)(500)의 상부에 도포하여 몰딩층(120)을 형성하고 경화 후 표면을 평탄화한다. 이어서, 경화된 몰드의 상부면을 CMP(chemical mechanical polishing) 처리하여 수직도전경로(412)(도 8b에는 도시되지 않음)의 상단이 드러나도록 가공한 후, 경화된 몰드와 캐리어(carrier)(500)를 분리하면, 도 8c에 도시된 슬림한 몰드 몸체(110)가 얻어진다. 도 8b의 공정은 웨이퍼 단위로 이루어질 수 있다.
몰드 몸체(110)는 발광 소자(200)로부터 발생한 광신호가 모니터 포토다이오드(210)와 광학 부품(300)으로 전달될 수 있는 투명한 몰딩 재료, 예를 들어, 에폭시 몰드 화합물(EMC)로 이루어지는 것이 바람직하다.
이어서, 얻어진 웨이퍼 형태의 몰딩물을 도 8c와 같이 반전시키고, 노출된 발광 소자(200)와 모니터 포토다이오드(210)의 연결패드를 보호하기 위한 절연 물질을 도포하여 배선층(400)을 도 8d와 같이 형성한다.
이 경우 배선층(400) 형성에 사용되는 절연 물질은 예를 들어, 폴리이미드(polyimide), PMMA(poly(methylmethacrylate)), 벤조사이클로부텐(BCB: benzocyclobutene), 실리콘 산화물(SiO2), 아크릴, 또는 다른 폴리머 기반의 절연재료로 이루어질 수 있다.
이 경우, 배선층(400)은 예를 들어, 폴리이미드(polyimide)를 사용하여 상기 AWG의 입력 도파로에서 생략된 탑 클래딩(Top Cladding) 역할을 대신하도록 구성될 수 있다. 입력 도파로의 탑 클래딩은 코어보다 굴절율이 낮은 재료를 사용하여 구현되므로 이를 고려하여 배선층(400) 재료를 선택하여야 한다. 그러나, 입력 도파로의 탑 클래딩 부분만을 코어보다 굴절율이 낮은 재료를 사용하고 나머지 부분은 다른 절연 물질을 사용하는 것도 가능하다.
이어서, 도 8d와 같이 배선층(400)에 배선 메탈(410)을 형성하여 소자 또는 칩간의 전기적 연결은 먼저, 노출된 발광 소자(200)와 모니터 포토다이오드(210)의 연결패드를 보호하기 위한 절연 물질을 도포하여 배선층(400)을 먼저 형성하고, 이어서 연결패드에 대한 접촉창을 형성한다.
이어서, 도전성 금속층을 형성하고 이를 패터닝하여 각 소자의 단자 패드를 상호 연결하는 도전성 배선 메탈(410)을 형성한다. 배선 메탈(410)은 금(gold), 은(silver), 구리(copper), 알루미늄(aluminium) 등의 도전성 금속을 스퍼터(sputter), 또는 증착(evaporation) 등의 방법으로 도전성 금속층을 형성하여 제조될 수 있다.
그 후, 도전성 배선 메탈(410)을 커버링하는 절연 물질을 형성하고 도 1b와 같이 복수의 접촉창을 개구하여 외부연결단자(411)를 형성한다. 외부연결단자(411)는 데이터 전송 표준 규격에 따라 다양하게 변형될 수 있으며, 와이어-본딩(wire-bonding) 패드 혹은 솔더 볼(Solder Ball)을 사용하는 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array) 형태일 수 있다.
이어서, 도 8e와 같이 배선층(400), 출력 도파로의 선단부 및 임시 충전물질(340)이 충전된 부분을 식각하도록 이방성 식각하여, 광섬유 수납공간(130)을 형성한다. 상기 광섬유 수납공간(130)은 후속 공정에서 광섬유(610)를 수납하기 위한 광섬유 조립가이드(601)를 형성하는 데 필요하다.
이어서, 도 8f 및 도 8g와 같이, 광송신 모듈 웨이퍼(150)에서 광섬유 수납공간(130)의 하단을 웨이퍼 소잉(Wafer sawing)하여 개별적인 패키지로 분리한다.
상기와 같이 개별적인 패키지로 분리된 광송신 모듈(100)은 패키지의 일측면에는 도 9와 같이 단일의 광섬유(610)를 삽입할 수 있는 광섬유 조립가이드(601)가 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 광송신 모듈(100)은 반도체 제조공정을 이용한 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 기판을 사용하지 않고 발광 소자(200), 모니터 포토다이오드(210), 광학 다중화(Multiplexing) 기능을 수행하는 광학 부품(300) 등을 패키지함에 의해 슬림한 형태로 패키징이 이루어질 수 있다.
또한, 광송신 모듈 웨이퍼(150)에 발광 소자(200)와 광학 부품(300)을 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package) 방식으로 일체로 형성하고 광섬유 조립에 필요한 광섬유 조립가이드(601)를 일체로 형성함에 의해 발광 소자(200)와 광학 부품(300) 사이의 3차원(3D) 광학 정렬이 자동으로 이루어지며, 발광 소자(200)와 광학 부품(300) 사이의 정렬이 능동 정렬을 이용하지 않고 저렴한 수동 정렬(Passive Alignment) 기술을 이용할지라도 오 정렬 없이 이루어질 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 발광 소자와 광학 부품 사이의 수동 정렬(Passive Alignment)도 쉽게 이루어질 수 있는 방식을 이용하여 광송신 모듈을 구성할 수 있으며, 수백 Giga~수십 Tera 이상의 초고속으로 대용량 데이터의 송수신이 가능하여 하이퍼 블레이드 서버(hyper blade server)의 보드와 보드 사이, UHD TV급의 TV와 주변기기 사이의 데이터 전송에 사용되는 액티브 광 케이블(AOC)에 적용할 수 있다.
100: 광송신 모듈 110: 몰드 몸체
120: 몰딩층 200-200d: 발광 소자
210-210d: 모니터 PD 220: 드라이버 IC
300: 광학 부품 301: 멀티플렉서부
303a-303d: 입력 도파로 305: 출력 도파로
310: 언더 클래딩 320: 코어
330: 실리콘 기판 400: 배선층
410: 배선 메탈 411,413: 외부연결단자
412: 수직도전경로 500: 캐리어
600: 광연결부재 601: 광섬유 조립가이드
610: 광섬유 620: 광섬유 정렬부재
621: 렌즈 622: 가이드핀
800: 방열부재

Claims (9)

  1. 서로 대향한 제1면 및 제2면을 갖는 몰드 몸체;
    각각 상기 몰드 몸체 내부에 제1면에 일치시켜서 몰딩되어 있으며 상기 몰드 몸체의 제1면과 평행한 칩의 에지(edge) 방향으로 광신호를 발생하는 복수의 에지형 발광 소자; 및
    상기 몰드 몸체 내부에 제1면에 일치시켜서 몰딩되어 있으며 일측에 상기 복수의 에지형 발광 소자에 대응하는 복수의 입력 도파로를 구비하고 복수의 입력 도파로를 통하여 입사된 복수의 광신호를 광을 처리하거나 전달하는 광학 부품;을 포함하며,
    상기 발광 소자의 광축과 입력 도파로의 광축은 광학 정렬이 이루어지는 광송신 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 부품은 입력 도파로를 가지는 모듈레이터(Modulator)인 광송신 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모듈레이터(Modulator)는 마하젠더 간섭계(MZI; Mach-Zehnder interferometer) 혹은 링 모듈레이터(Ring Modulator)인 광송신 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광학 부품은 모듈레이터와 다중화기(MUX) 기능을 한 소자 안에 동시에 구현한 소자인 광송신 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광학 부품은 광학빔형성(optical beam forming)을 하기 위한 소자로 자동차 Lidar의 부품으로 사용될 수 있는 광송신 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광학 부품은 동일 파장의 빛을 분배(Split)하기 위한 스플리터(Splitter)인 광송신 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자의 발광 스팟(spot)의 높이는 상기 입력 도파로의 코어와 동일한 높이로 설정되고, 상기 발광 소자는 DFB(Distributed Feedback) 방식으로 구동되는 레이저 다이오드를 포함하는 광송신 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자와 입력 도파로 사이에 3차원 광학 정렬이 수동 정렬에 의해 이루어지는 광송신 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 몰드 몸체의 제1면에 절연 물질로 형성되는 배선층;
    상기 배선층의 내부 및 외부에 형성되며, 몰드 몸체의 내부에 봉지되어 있는 발광 소자를 외부로 연결하기 위한 배선 메탈; 및
    상기 배선층의 표면에 노출되어 있으며, 상기 배선 메탈 또는 몰드 몸체의 내부에 봉지되어 있는 소자와 연결된 외부연결단자;를 더 포함하는 광송신 모듈.
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