KR960013958B1 - 광통신용 고속 수광모듈 제작방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

광통신용 고속 수광모듈 제작방법

제1도는 종래의 포토다이오드와 광섬유 연결방식을 이용한 수광모듈 제작법

제2도는 본 발명이 적용된 포토다이오드와 광섬유를 정렬한 수광모듈 제작법으로

(a)는 각종 부품을 차례대로 나열한 사시도.

(b)는 각종 부품을 조립하였을 때의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 모듈용 금속케이스 12 : 전치증폭기가 내장된 하이브리드 기판

13 : ㄱ자형 세라믹 서브마운트 14 : 포토다이오드

15 : 레이저 용접부분 16 : 어셈블리 하우징

17 : 광섬유 페룰 하우징 18 : 그린로드 렌즈

19 : 스페이서 20 : 광섬유 페룰

21 : 콘넥터가 부착된 광섬유 22 : 광섬유 보호구

23 : 테프론 링으로 고정된 외부단자용 핀

24 : 고속 신호용 콘넥터 25 : 광섬유 보호구 결합용 나사홈

26 : PD base

본 발명은 광통신용 수광모듈에 관한 것으로 특히 부착광섬유를 변위없이 정렬고정하는 광통신용 고속 수광모듈 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 광통신이라 하면 음성신호 혹은 상대방에게 전달하고자 하는 각종 정보를 빛을 이용하여 송/수신하는 방법으로 그 방법을 간단히 설명하자면 우선 보내고자 하는 정보를 전기적인 신호로 바꾼 후에 이신호를 통신용 부호로 바꾸어 레이저 다이오드로 보낸다.

이때 레이저 다이오드는 보내져 오는 전기신호를 빛으로 변환시켜 광신호전송용 광섬유를 통하여 상대방에게 전달한다. 상기 레이저 다이오드를 포함하여 전기적 신호를 광신호로 바꿔서 광섬유까지 전달하는데 필요한 장치를 송신기(trans-mitter)라 부른다.

한편 송신기로부터 광섬유로 집속된 빛은 광섬유를 통하여 전파되는데 광섬유에서 광신호의 감쇄가 일어나므로 장거리통신에 있어서는 수십 ㎞마다 중계기를 두어 감쇄된 광신호를 증폭하여 원하는 곳까지 전송한다.

이렇게 전송되어온 광신호는 빛을 감지할 수 있는 수광소자(포토다이오드)를 통하여 전기적인 신호로 복원된다.

이때 광신호를 전기적인 신호로 변환시키는데 필요한 장치를 수신기(receiver)라 부르며, 광 송/수신기및 중계기 그리고 교환기등 광통신을 가능케하는 모든 장치를 모두 합쳐서 광통신 시스템이라 한다.

그중 수신기내에서 가장 핵심이 되는 것은 광수신 모듈, 일명 PD(Photo diode)모듈이다.

모듈의 기본적인 구조는 광송신기로부터 광섬유를 통해 보내져 오는 광신호를 받을 수 있도록 광섬유가 부착되어야 하며 광섬유로부터의 광신호를 받아 전기적인 신호로 변환시켜 주는 역할을 하는 PD(포토다이오드)가 가장 기본적으로 부착되어야 한다.

여기에 고석, 장거리 광통신에 필수적으로 장착되어 기본적인 광수신 모듈을 형성하는 것이 전치증폭단(pre-amplifier)으로 PD에서 광/전변환된 약한 전기신호를 저잡음으로 증폭하여 주증폭기에 보내주는 역할을 한다.

물론 이러한 주요 세부분을 이루는 소자(devices)들의 기본적인 특성이 좋아야 광모듈의 성능이 좋아지겠으나 이들을 서로 최적조건으로 연결시켜야 하는 것이 광수신모듈 제작에 있어서 가장 중요한 기술이다.

기존에 이들 세소자를 연결하는 방법 및 고려사항을 설명하고자 한다.

우선 송신단으로부터 광신호를 받기 위해 연결해야 하는 광섬유와 PD와의 광학적 접속을 수행하는데 이때 사용하는 광섬유는 고속송신을 위해 사용하는 단일모드 광섬유로 단일 모드 광섬유는 프라스틱 자켓(plastic jacet)을 씌운 구조로 빛이 전파되는 영역인 코어(core)부분의 직경이 10㎛로 매우 작고 모든 광신호는 이 부분의 5.5㎛이내에 모여 있다고 생각해도 된다.

이 코어를 둘러싸고 있는 것이 클래딩층으로 코어보다 굴절률이 약 0.2% 정도 낮고 그 직경이 125㎛로 제작되어 있어 전달되는 빛을 코어내부에 국한시키는 역할을 한다.

광섬유를 통해 전송되어온 빛이 PD로 전달되기 위해 공기중으로 나오는 순간부터 일정한 각도로 퍼지게 되는데 고속작동용 PD에서 빛을 받을 수 있는 면적은 대개 직경 20㎛ 정도인 원형이므로 코어에서 나올때의 직경 10㎛인 빛이 광결합 효율 90% 이상이 되도록 PD의 구광면적내로 보내야 한다.

따라서, 빛이 많이 퍼지기 전에 즉 광섬유와 PD의 간격이 매우 작은 상태(수 십에서 수백 ㎛)로 정렬하여야 한다.

이러한 구조는 정렬이 매우 힘들뿐 아니라 정렬후 약간의 오차에 의해서도 광결합 효율이 크게 바뀌게 되는 어려움이 있다.

따라서 광섬유 끝을 녹여서 아주 작은 렌즈(마이크로 렌즈)를 형성하므로써 빛의 퍼짐을 방지하여 광섬유와 PD간의 간격도 늘리고 결합효율 및 정렬오차(alignment tolerance)를 늘릴 수 있도록 한 것이 사용된다.

그러나 이러한 마이크로렌즈를 이용한 종래의 모듈 제작방법도 광섬유와 포토다이오드의 거리가 아직은 너무 짧고 광송신기로부터 오는 신호가 광섬유 끝에서 반사되는 양이 커서 한계를 느끼므로 근래에는 광섬유와 포토다이오드 사이에 렌즈를 삽입하여 사용하는 방법이 개발되었다.

제1도는 종래의 광수신 모듈의 전체적 구성을 나타낸 개략도로 모듈의 제작방법을 설명하면 다음과 같다.

제1공정은 모듈제작에 사용되는 부품을 수용할 수 있고 전기잡음을 차단할 수 있는 금속케이스(1)를 제작한 후 내부를 전기적으로 조작할 수 있도록 단자를 삽입시킨다.

제2공정은 제1공정의 금속케이스(1)에 전치증폭회로가 내장된 하이브리드 기판(2)를 납땜(soldering)하고 외부의 단자와 납땜을 이용하여 연결시킨다.

제3공정은 수광소자인 포토다이오드(4)를 Au-patterning된 세라믹 서브마운트(3)위에 soldering(die bonding)한 후 포토다이오드의 +/- 단자를 세라믹 서브마운트와 와이어 본딩으로 연결한다.

제4공정은 제3공정에서 완성딘 세라믹 서브마운트를 전치증폭회로의 입력단자 앞쪽에 위치시킨 후 금속케이스에 솔더링(soldering)방법으로 고정시키고 서브마운트의 단자와 전치증폭기의 단자를 와이어본딩으로 연결시킨다.

제5공정은 광섬유(6) 끝에 아크방전을 이용하여 마이크로렌즈를 형성시킨 후 서브마이크로 움직일 수 있는 스테이지를 이용하여 섬유끝을 포토다이오드의 수광부분에 정확히 정렬한다.

제6공정은 정렬된 섬유끝을 땜납(solder)혹은 에폭시(5)를 이용하여 고정시킨다. 제6공정을 통해 모든 부품의 삽입이 끝났으므로 금속케이스의 뚜껑을 덮고 광섬유 프로텍팅(7)을 하는 제7공정으로 모듈을 완성시킨다.

이러한 모듈 제작 공정중 가장 어려운 부분이 제5공정과 제6공정이다.

왜냐하면 포토다이오드에 섬유끝을 정확히 정렬을 한 후 납땜(soldering) 혹은 에폭시접착을 하더라도 이납(solder)이나 에폭시가 굳으면서 수축을 하므로 정렬이 흐트러지기 때문이다.

또한 접착하는데 걸리는 시간이 길어 도중에 정렬이 흐트러질 확률도 비교적 높다. 이렇게 흐트러지는 정렬의 정도는 크게는 수 십 ㎛에 이르므로 일정하게 반복되는 수율을 얻을 수가 없게 되어 대량 생산시 가장 문제가 된다.

이러한 난제를 해결하기 위해서 새로이 도입된 방법이 레이저를 이용해서 각종 광학부품을 용접하는 경우 순간적으로 많은 에너지를 국부적으로 주입하여 용접하는 방법으로 정렬이 거의 흐트러지지 않도록 하는 장점은 있었으나, 모듈 크기에 대한 제약이 있었다.

왜냐하면, 통상적인 경우 전치증폭기가 내장될 수 있도록 제작된 금속 케이스의 크기가 크고 사각모양이어서 정밀한 광부품 접합용 레이저 용접기로는 이러헥 큰 사각케이스를 수평적이고 견고하게 잡을 수 없는 경우가 많으므로 레이저 접합법을 이용해서 금속케이스에 직접 부품을 용접하기가 곤란하였다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해소하기 위한 것으로 포토다이오드와 렌즈 그리고 광섬유만을 독립적으로 분리해서 작은 서브모듈을 하여 레이저 접합기를 사용하여도 제작모듈의 크기제한이나 전치증폭단이 없는 광통신용 고속 수광모듈 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 수광모듈 제작방법의 특징으로는 광통신 시스템에 사용되는 광통신용 수광모듈에 있어서, 세라믹 서브마운트에 포토다이오드(PD)를 납땜으로 다이본딩하여 원하는 부위에 금선을 연결하고 이 세라믹 서브마운트를 레이저 용접이 가능한 재잴의 PD 베이스 내부에 납땜으로 용접하는 제1공정과, 모듈용 금속 케이스내에 땜납을 이용 전치증폭기를 부착하고 외부단자핀을 테프론링을 이용하여 고정하는 제2공정과, 광섬유를 광섬유 페룰에 삽입하고 에폭시로 고정한 후 그 결합면 일단을 약 8。의 경사각을 갖도록 연마(상기 결합면의 일단을 8。의 경사로 연마하지 않은 경우 이 일단에서 4%의 빛이 반사되어 되돌아가게 되므로서 이로 인하여 광신호를 보내는 쪽의 장치에 영향을 주게 되므로 광통신에 나쁜 영향을 미 치게 되므로 이 일단을 8。 연마하여 반사후 되돌아 가는 신호를 방지하기 위한 것임). 한 다음 광섬유 페룰하우징에 그린로드렌즈, 스페이서, 상기 광섬유 페룰을 순차적으로 삽입하여 고정하는 제3공정과; 상기 PD베이스를 견고하게 고정하고 상기 페룰하우징을 어셈브리 하우징내에 삽입하여 동일축상에 정렬한 후, 상기 페룰하우징과 어셈브리 하우징을 홀더로 각각 잡은후 광섬유 끝에 빛을 조사하여 그 빛이 포토다이오드로 가장 많이 입사될때까지 미세한 정렬을 하는 제4고정과; 상기 어셈블리 하우징과 상기 광섬유 페룰하우징의 접촉부위를 3방향에서 동시에 레이저로 용접하고 같은 방법으로 상기 PD 베이스와 어셈블리 하우징의 접촉면을 용접하여 서브모듈을 형성하는 제5공정과; 상기 서브모율을 상기 모듈용 금속케이스에 볼트로 고정한 후 서브마은트와 전치증폭기를 와이어 본딩하고 뚜껑을 결합하는 제6공정을 포함한다.

본 발명의 방법 및 기술적인 구성과 작용효과를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 살명하면 다음과 같다.

도면에 나타낸 것과 같이 금으로된 패터닝이 외부와 절연되도록 제작된 ㄱ자형 세라믹 서브마운트(13)에 포토다이오드(14)를 납땜(solder)를 이용하여 다이본딩을 한다.

그리고 나서, 원하는 부위에 금선연결(Wire bonding)을 하고 이 서브마운트를 레이저 용접이 가능하도록 스테인레스 스틸로 제작된 후 금도금된 PD base(26)내부에 땜납을 이용하여 용접시킨다.

제작된 시각 케이스(11)는 다이본더(die bonder)위에 올려놓고 가열한 후 땜납(solder)을 골고루 녹인후에 전치증폭기가 내장된 하이브리드 기판(12)을 눌러 붙이고 테프론 링을 이용하여 외부단자용 핀(23)을 설치한다.

다음에는 광섬유(21)를 광섬유 페룰(fiber ferrule)(20)에 삽입한 후 에폭시로 고정시키고 반사를 방지하기 위해 약 8도로 갈아낸다. 그 다음 광섬유 페룰 하우징(fiber ferrulr housing)(17)에 그린로드 렌즈(GRIN lod lens)(18), 스페이서(spacer)(19)와 함께 광섬유 페룰에 고정된 광섬유를 순차적으로 삽입한후 에폭시로 고정시킨다.

세라믹 서브마운트가 삽입된 PD 베이스(base)는 레이저 접합기의 밑부분 홀더로 견고하게 잡는다.

광섬유 페룰하우징(17)은 어셈블리 하우징(16)내에 삽입된 채 특별히 두개의 부품을 잡을수 있도록 제작된 레이저 접합기의 윗부분 홀더중 하나로 잡는다.

어셈블리 하우징(16)은 레이저 접합기의 나머지 하나의 홀더로 잡은후 광섬유 끝쪽에서 빛을 넣어주어 이 입이 포토다이오드로 가장 많이 들어 갈때까지 미세한 정열을 한다.

정렬된 위치에서 레이저로 어셈블리 하우징(16)의 광섬유 페룰하우징(17)의 접촉부위를 첫번째로 셋방향(120。)에서 동시에 용접하고 PD 베이스(base)와 하우징의 접촉부위를 두번째로 세방향(120。)에서 동시에 용접한다.

이렇게 레이저 용접이 끝난 서브모듈을 용접부위를 보호하고 미관을 좋게하기 위해서 보호구(protector)(22)와 함께 볼트로 모듈용 금속케이스(11)에 고정시킨 후 세라믹 서브마운트의 금 도금된 패턴과 전치증폭기가 내장된 하이브리드 기판(12)사이를 금선연결(wire bonding)하고 뚜껑을 덮어 모듈을 완성한다.

이와같이 PD베이스(base)를 이용해서 PD 서브모듈을 제작하는 경우 레이저 용접기에 의해 발생디는 제작모듈에 대한 크기의 제한에서 벗어날 수 있을 뿐만아니라 그 자체로써 전치증폭단이 없는 수광모듈 완제품으로 사용될 수 있다.

또한 서브모듈과 본체를 나사로 고정시킨 관계로 손쉽게 분리해낼 수 있으므로 수광모듈 전체에 이상이 생겼을 경우 수리가 용이하고 부품교체가 수월하므로 기존모듈의 경우 모듈전체가 못쓰게 되는 것에 비해 수리비요을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 광통신 시스템에 사용되는 광통신용 수광모듈에 있어서, 세라믹 서브마운트에 포토다이오드(PD;14)를 납땜으로 다이본딩하여 원하는 부위에 금선을 연결하고 이 세라믹 서브마운트(13)를 레이저 용접이 가능한 재잴의 PD 베이스(26) 내부에 납땜으로 용접하는 제1공정과, 모듈용 금속 케이스(11)내에 땜납을 이용 전치증폭기를 내장하고 하이브리드 기판(12)를 부착하고 외부단자핀(23)을 테프론링을 이용하여 고정하는 제2공정과, 광섬유(21)를 광섬유 페룰(20)에 삽입하고 에폭시로 고정한 후 그 결합면 일단을 약 8°의 경사각을 갖도록 연마한 다음 광섬유 페룰하우징(17)에 그린로드렌즈(18), 스페이서(19), 상기 광섬유 페룰(20)을 순차적으로 삽입하여 고정하는 제3공정과; 상기 PD베이스(26)를 견고하게 고정하고 상기 페룰하우징(17)을 어셈브리 하우징(16)내에 삽입하여 동일축상에 정렬한 후, 상기 페룰하우징(17)과 어셈브리 하우징(16)을 홀더로 각각 잡은후 광섬유 끝에 빛을 조사하여 그 빛이 포토다이오드(14)로 가장 많이 입사될때까지 미세한 정렬을 하는 제4고정과; 상기 어셈블리 하우징(16)과 상기 광섬유 페룰하우징(17)의 접촉부위를 3방향에서 동시에 레이저로 용접하고 같은 방법으로 상기 PD 베이스(26)와 어셈블리 하우징(16)의 접촉면을 용접하여 서브모듈을 형성하는 제5공정과; 상기 서브모듈을 상기 모듈용 금속케이스(11)에 볼트로 고정한 후 서브마은트와 전치증폭기를 와이어 본딩하고 뚜껑을 결합하는 제6공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 고속 수광모듈 제작방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 서브마운트(13)은 전치증포기가 내장딘 하이브리드 기판(12)과 금선연결을 용이하게 하기 위해 ㄱ자 형태로 제작한 것을 특징으로 하는 광통신용 고속 수광모듈 제작방법.
3. 제1항 또는 제2에 있어서, 상기 세라믹 서브마운트(13)의 패터닝이 외부와 절연되도록 한 것을 특징으로 하는 광통신용 고속 수광모듈 제작방법.
4. 제1항에 있어서, 제6공정중 상기 PD베이스(26)위에 보호구(protector ; 22)를 씌워 광모듈 본체에 동시에 고정하는 것을 특징으로 하는 광통신용 고속 수광모듈 제작방법.