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KR20030094712A - 병렬 광접속 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

병렬 광접속 모듈 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20030094712A
KR20030094712A KR1020020031973A KR20020031973A KR20030094712A KR 20030094712 A KR20030094712 A KR 20030094712A KR 1020020031973 A KR1020020031973 A KR 1020020031973A KR 20020031973 A KR20020031973 A KR 20020031973A KR 20030094712 A KR20030094712 A KR 20030094712A
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Abstract

본 발명은 광섬유를 통해 광신호를 송신하거나 광섬유로부터 광신호를 수신하기 위한 병렬 광접속 모듈에 관하여 개시한다. 본 발명은, 광도파로를 이루는 코어의 종단에 반사면을 형성하여 광의 정확한 경로 변경 및 집속이 이루어지도록 하고, 실리콘 광학벤치를 이용하여 트렌치 속에 광원/광검출기를 매립하여 부착하고 실리콘 광학벤치 표면에는 광도파로를 수동 마크 정렬 후 부착하여 광원부/광검출부와 광도파로 간의 정렬오차가 최소화되도록 하고, 광도파로가 삽입된 페룰이 어뎁터에 고정되도록 하여 광도파로와 광원부/광검출부 간의 정렬오차가 최소화되도록 하여 광 신호가 전달되는 과정에서 결합 손실이 최소화되어 광 출력이 증대되며, 수동정렬에 의한 광결합이 용이하여 생산성이 뛰어나 저렴한 비용으로 광 연결을 이룰 수 있는 병렬 광접속 모듈을 제공한다.

Description

병렬 광접속 모듈 및 그 제조방법{Parallel optical interconnect module and method for manufacturing thereof}
본 발명은 광섬유를 통해 광신호를 송신하거나 광섬유로부터 광신호를 수신하기 위한 병렬 광접속 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유와의 결합시 정렬 오차로 인해 발생되는 결합 손실을 감소시킬 수 있도록 한 렌즈형 반사면을 갖는 광도파로를 구비하고, 광섬유와의 결합시 정렬 오차로 인해 발생되는 결합 손실을 감소시킬 수 있도록 실리콘 광학벤치를 구비하고 광결합용 광도파로의 고정을 용이하게 하는 페룰을 구비한 병렬 광접속용 광 송신/수신 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 저속의 시스템 등에서 회로기판과 회로기판, 칩(chip)과 칩 또는시스템 간의 연결은 전기적인 금속 케이블을 통해 이루어진다. 그러나, 대용량 병렬 컴퓨터로 구성되는 차세대 정보통신 시스템이나 1Tb/s급 이상의 ATM 스위칭 시스템 등에서와 같이 정보가 대용량화되고, 전송 속도가 향상됨에 따라 이러한 금속 케이블을 이용할 경우 스큐(skew), EMI(electromagnetic interference) 등과 같은 전기적인 문제가 발생되어 시스템의 동작 효율이 저하되고 시스템 집적화가 어려워진다.
그래서 근래에 들어 광 송신/수신 모듈을 이용하여 광 연결을 이루는 기술이 개발되었는데, 광 송신/수신 모듈 내부의 광 결합 방식으로는 45°의 경사각으로 위치된 반사경을 구비하는 리본 광섬유 다채널 광 콘넥터에 광수신 소자를 직접 결합시키는 방식, 45°의 경사각으로 위치된 반사경을 구비하는 폴리머(polymer) 광도파로에 광 송수신 소자를 결합시키고 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터에 연결시키는 방식, 광 송수신 소자를 폴리머 광도파로에 수직으로 결합시키고 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터에 연결시키는 방식, 플라스틱 팩키지에 고정된 광 송수신 소자를 다채널 광 콘넥터에 수직으로 결합시키는 방식 등이 이용된다. 이때, 광 송신 소자 즉, 광원으로는 대개 표면방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL) 어레이(Array)가 사용되며, 광 수신 소자 즉, 광검출기는 포토 다이오드(Photo Diode; PD) 어레이가 사용된다.
국내특허출원 제2000-7003642호(출원일: 2000년 4월 4일)에 기재된 "광 모듈"은 출사구를 통해 발진된 광이 광도파로에 의해 90°로 반사된 후 기판에 형성된 코어를 따라 광 콘넥터와 연결된 광섬유로 전달되도록 구성된다.
2000년 5월에 ECTC 2000에서 발표된 "병렬 광 접속 모듈(ParaBIT-1: 60-Gb/s-Throughput Parallel Optical Interconnect Module, 발표자: N. Usui)"은 평면의 반사경이 45°의 경사각으로 위치된 24채널 고분자 도파로막과 24-광섬유 BF 콘넥터가 접속된 구조를 가지며, 도파로막과 콘넥터는 수동으로 조립된다.
이와 같은 소개된 기술 중 45°의 경사각으로 위치된 반사경을 가지는 폴리머 광도파로에 광 송수신 소자를 결합시키고, 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터와 연결시키는 방식은 반사경 형성이 비교적 용이하고 광 커플러(Coupler), 광 스위치, WDM(Wavelength Division Multiplexing) 소자 등을 폴리머 광도파로에 내장시킬 수 있어 전체 모듈의 기능 확장을 이룰 수 있기 때문에 가장 효과적인 방법으로 평가되고 있다.
그러나, 차후 확장된 기능을 갖는 병렬 광접속용 광 송신/수신 모듈을 제작하기 위해 상기와 같은 광결합 기술을 이용할 경우 광 송수신 소자와 광섬유 간의 결합시 약간의 오정렬이 발생되어도 큰 결합손실이 발생되기 때문에 만족스러운 효율을 얻지 못한다. 따라서, 결합손실을 최소화시킬 수 있는 병렬 광접속용 광 송신/수신 모듈의 구조적인 개선이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광도파로를 이루는 코어의 종단에 반사면을 형성하여 광의 정확한 경로 변경 및 집중이 이루어지도록 하고, 광도파로가 삽입된 페룰이 어뎁터에 고정되도록 하여 광도파로와 광원부/광검출부 간의 정렬오차가 최소화되도록 하고, 실리콘 광학벤치를 구비하여 트렌치 속에 광원/광검출기를 매립하여 부착하고 실리콘 광학벤치 표면에는 광도파로를 수동 마크 정렬 후 부착하여 광원부/광검출부와 광도파로 간의 정렬오차가 최소가 되도록 함으로써 광 신호가 전달되는 광정에서 결합 손실이 최소화되어 광 출력을 증가시킬 수 있는 병렬 광접속 모듈을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 광원부/광검출부와 광도파로간의 정렬오차를 최소화할 수 있는 병렬 광접속 모듈 제조방법을 제공함에 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 광접속 모듈을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 병렬 광접속 모듈의 패키징 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 반사곡면을 갖는 광도파로의 구조 및 설계 변수를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a 및 도 4b는 광도파로의 또 다른 구조의 평면도 및 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 광도파로의 두께 및 표면방출 레이저의 높이에 따른 반사곡면의 곡률반경의 범위를 나타낸 그래프들이다.
도 6a 내지 도 6c는 반사곡면의 광도파로와 45도 반사평면 광도파로의 광결합효율을 비교하는 그래프들이다.
도 7a 내지 도 7c는 표면방출 레이저 및 포토 다이오드 어레이 칩의 수동 정렬 및 접착을 설명하기 위한 평면도 및 단면도들이다.
도 8은 도 7c에 도시된 실리콘 광학벤치를 제작하기 위한 공정 순서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 실리콘 광학벤치와 광도파로와의 수동정렬을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 10a 및 도 10b는 도 1a 및 도 1b에 도시된 페룰의 구조를 설명하기 위한 정면도 및 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 부호의 설명>
10: 기판20: 구동부/수신부
30: 광원부/광검출부40: 광도파로
50: 실리콘 광학벤치70: 페룰
80: 어뎁터
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 소정 영역에 트렌치를 형성하여 힛스프레더가 구비되고 전극패드 및 소정의 전기 전자 회로 패턴이 형성된 기판과, 상기 기판 상에 구비되며 트렌치가 형성된 실리콘 광학벤치와, 상기 실리콘 광학벤치에 형성된 상기 트렌치 내에 구비되며 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 상기 광신호를 외부로 방출하는 광원 및 외부로부터 상기 개구부를 통해 입사되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기를 포함하는 광원부/광검출부와, 상기 기판 상에 구비되며 상기 전극패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원부를 구동시키는 구동기 및 상기 광검출부로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 상기 전극패드를 통해 출력하는 수신기를 포함하는 구동부/수신부와, 하부 및 상부 클래드층 간에 코어가 형성되며 상기 코어의 종단에는 반사면이 형성된 광도파로와, 광섬유와 연결된 콘넥터와 접속되는 어뎁터, 및 상기 광도파로를 상기 어뎁터에 고정시키기 위한 페룰을 포함하되, 상기 개구부와 반사면이 대향되도록 상기 기판과 어뎁터가 결합된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈을 제공한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 하부 및 상부 클래드층 간에 코어가 형성되며 상기 코어의 종단에는 반사면이 형성된 광도파로를 준비하는 단계와, 실리콘 광학벤치 상에 트렌치를 정의하는 실리콘 질화막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 질화막 패턴을 식각마스크로 하여 상기 실리콘 광학벤치를 식각하여 트렌치를 형성하되 광원부/광검출부가 상기 트렌치 내에 깊이 방향으로 원하는 위치에 놓일 수 있도록 상기 트렌치의 여분폭 및 깊이를 제어하여 상기 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 실리콘 질화막 패턴을 제거하는 단계와, 상기 트렌치 내에 기저 금속층을 증착하고, 어닐링을 수행하는 단계와, 상기 트렌치 내에 솔더용 물질을 증착한 후 열을 가하여 상기 솔더용 물질을 리플로우시키는 단계와, 상기 트렌치 내에 수평 방향과 깊이 방향으로 자기정렬되도록 광원부/광검출부를 삽입하여 장착하는 단계, 및 상기 반사면과 상기 광원부/광검출부에 형성된 개구부가 대향되도록 상기 상부 클래드층 상에 형성된 정렬마크와 상기 실리콘 광학벤치 상에 형성된 정렬마크를 정밀정렬하여 상기 광도파로를 상기 실리콘 광학벤치 상에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈 제조방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 게재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
종래에는 850nm의 단파장 대역에서 사용 가능한 표면방출 레이저(VCSEL)를 광원으로 사용하였으나, 최근에는 1300nm 및 1550nm의 장파장 대역에 사용 가능한 표면방출 레이저가 개발됨에 따라 장거리용 단일 모드 표면방출 레이저 광 송수신 모듈의 구현이 가능해지고 있다. 그리고, 단일 모드 광도파로의 코어(Core) 크기도 다중 모드에 비해 상당히 작아지기 때문에 표면방출 레이저 또는 포토 다이오드(PD)와의 광 결합 및 정렬을 위한 새로운 기술 개발이 요구된다.
본 발명은 광섬유와의 결합을 용이하게 하며 결합손실을 최소화시키므로써 대용량, 고밀도화된 데이터를 고속으로 전송할 수 있도록 한 개선된 구조의 병렬 광접속용 광 송신/수신 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 병렬 광접속 모듈은, 입력되는 전기적 신호를 광신호로 변환하거나 수신되는 광신호를 전기적 신호로 변환시키기 위한 광원부/광검출부, 상기 전기적 신호를 광원부로 전달하거나 광검출부에서 변환된 전기신호를 증폭하기 위한 구동부/수신부, 광섬유와 연결된 콘넥터와 접속되는 광접속부, 상기 광접속부를 통해 전달되는 광 신호를 상기 광검출부로 전달하거나 상기 광원부로부터 방출되는 광 신호를 상기 광섬유로 전달하기 위한 광결합부를 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 광접속 모듈을 도시한 평면도 및 측면도이다. 도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 병렬 광접속 모듈의패키징 과정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 광접속 모듈은, 전극패드(11) 및 소정의 전기 전자회로 패턴(미도시)이 형성된 기판(10)과, 실리콘 광학벤치(Silicon Optical Bench; 50) 일부분에 트렌치(52)를 구비하여 이 트렌치(52) 속에 구비된 광원부/광검출부(30)와, 기판(10) 상에 구비되며 전극패드(11)를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 광원부(30)를 구동시키거나 광검출부(30)로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 전극패드(11)를 통해 출력하는 구동부/수신부(20)와, 광섬유와 연결된 콘넥터(미도시)와 접속되는 어뎁터(80)와, 하부 및 상부 클래드층(43, 41) 간에 코어(42)가 형성되며 종단의 코어(42)에는 반사면(44)이 형성된 광도파로(40)와, 광도파로(40)를 어뎁터(80)에 고정시키기 위한 페룰(70)을 포함하여 이루어지며, 개구부(34)와 반사면(44)이 대향되도록 기판(10)과 어뎁터(80)가 결합된다. 상기 실리콘 광학벤치(50)는 광원부/광검출부(30)의 크기가 고려되어 만들어진 트렌치 (52)속에 광원/광검출기가 매립되면서 자동적으로 수동정렬이 정밀하게 된다.
이하에서, 도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 광접속 모듈을 더욱 구체적으로 설명한다.
기판(10) 상에는 전극패드(11) 및 소정의 회로패턴(미도시)이 형성되어 있다. 상기 기판(10)으로는 임피던스(Impedence) 정합 뿐만 아니라 누화(Crosstalk) 또는 스큐(Skew)가 충분히 낮은 물질 예를 들어, FR-4, 세라믹 등으로 이루어진 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)을 이용한다. PCB 접지전극(12)은 PCB 위에 구성되어 전기신호를 접지시키기 위한 전극이다.
구동부/수신부(20) 및 광원부/광검출부(30)는 기판(10)에 어레이(Array) 형태로 형성되며, 구동부/수신부(20)는 솔더(Solder; 21)를 이용한 솔더링(Soldering)에 의해 PCB 접지전극(12) 상에 접착(Bonding)되고, 광원부/광검출부(30)는 솔더(Solder; 31)를 이용한 솔더링(Soldering)에 의해 실리콘 광학벤치(50) 내에 형성된 트렌치(52) 바닥면 상에 접착(Bonding)된다. 구동부/수신부(20)는 본딩 와이어(22)에 의해 전극패드(11)와 연결되고, 광원부/광검출부(30)는 본딩 와이어(32)에 의해 구동부/수신부(20)와 연결된다. 또한, 상기 광원부/광검출부(30)는 광 수신소자로 사용되는 포토 다이오드(PD)와 광원으로 사용되는 표면방출 레이저(VCSEL)를 포함하며, 상부에는 개구부(34)가 형성되어 광원으로부터 발생된 광이 외부로 방출되거나 외부로부터의 광이 광 수신소자로 입사된다. 즉, 광원부(30)는 광신호를 발생시켜 개구부(34)를 통해 외부로 광신호를 방출하며, 광검출부(30)는 외부로부터 개구부(34)를 통해 입사되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환한다. 구동부/수신부(20)는 전극패드(11)를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 광원부(30)를 구동시키거나 광검출부(30)로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 전극패드(11)를 통해 출력하는 역할을 한다.
기판(10)의 일부인 힛스프레더(heat spreader; 13)는 구동부/수신부(20) 및 광원부/광검출부(30)에서 발생되는 열을 방출시키는 기능을 한다. 실리콘 광학벤치 접지전극(33)은 실리콘 광학벤치(50) 위에 구성되어 광원부/광검출부(30)의 접지전극 패드(미도시)와 연결되어 인근 PCB 접지전극(12)과 와이어 본딩을 한다.광원부/광검출부(30)는 실리콘 광학벤치(50)의 트렌치(52) 내부에 장착되고, 실리콘 광학벤치(50)는 열전도성이 높은 접착제(51)에 의해 힛스프레더(13) 위에 부착되어 있다. 광도파로(40)와 광원부/광검출부(30)는 광도파로(40) 내부에 있는 도파로 정렬마크(47)과 실리콘 광학벤치(50) 표면에 있는 실리콘 광학벤치 정렬마크(53)와 정렬하여 부착된다.
도 3a는 반사곡면을 갖는 광도파로의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 4a 및 도 4b는 광도파로의 또 다른 구조의 평면도 및 단면도이다. 도 4b는 도 4a의 A1-A1' 선을 따라 절단한 경우의 단면도이다.
도 3a, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 광도파로(40)는 하부 클래드층(43)과 상부 클래드층(41) 간에 코어(42)가 형성된 형태를 이룬다. 코어(42)는 도 3a와 같이 균일한 모양을 갖는 경우와 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 다른 부분보다 점점 넓어지는 형태를 이루는 깔때기 모양으로 형성된 테이퍼부(45)를 갖는 경우로 나눌 수 있다. 그리고, 도 4a 및 도 4b와 같이 반사면(44) 끝부분에 모따기(chamfering)를 하여 광원(30), 즉 표면방출 레이저(30) 어레이 칩의 본딩 와이어와의 접촉을 충분히 방지할 수 있다. 코어(42)의 종단부에는 도 3b의 설계 파라미터를 기초로 하여 도 3a에 도시한 바와 같이 소정의 곡률 반경을 갖는 곡면으로 이루어진 반사면(44)이 형성된다. 즉, 코어(42)는 일정 범위의 파장을 갖는 광이 투과될 수 있는 예를 들어, 폴리머(PMMA; polymethyl methacrylate) 또는 에폭시(Epoxy) 계열의 물질로 형성되는데, 이 물질의 종단부를 소정의 곡률 반경을 갖도록 둥글게 가공하면 코어(42)로 집속되는 가공면의 반사율이 높아지는반사면(44)이 형성된다. 하부 및 상부 클래드층(43 및 41)은 폴리머(PMMA) 또는 UV 에폭시 계열의 물질로 형성된다. 상기 하부 및 상부 클래드층(43 및 41)과 코어(42)의 굴절률 및 크기는 접속될 광섬유의 사양을 고려하여 광결합 효율이 최대가 되도록 선택한다.
광원(30), 즉 표면방출 레이저(30)로부터 방출되는 광세기를 가우션(Gaussian) 분포로 가정하고, 이 표면방출 레이저(VCSEL) 광이 방사각(θVL) 만큼의 레이(ray)를 가지고 광도파로(40)의 클래드 영역을 지나 곡면의 반사면(44)에 도착하면 곡선에 대한 스넬(Snell)의 법칙을 적용하여 반사각 및 굴절각을 결정하고, 이 반사각은 다시 프레넬(Fresnel) 반사공식에 의해서 반사율을 적용한 후 광도파로(40)에 대한 코어(42) 크기 및 임계각을 고려하여 광도파로(40) 내를 전반사하면서 도파하는 레이(ray)들을 모두 적분하여 광결합 효율을 결정한다. 이에 대해 도 3b를 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 구조를 최적 설계하기 위한 설계 변수를 정의하기 위한 그래프이다.
도 3b를 참조하면, 광도파로(40)의 끝 부분이 곡면의 함수 구조를 이루고 이 함수는 광도파로(40) 맨 위 표면에 접선되는 함수이다. 이때, 광도파로(40)의 두께는 H이고, 코어(42)의 굴절률은 nco이며, 클래드층(41, 43)의 굴절률은 ncl이다. 광도파로(40)의 끝 부분은 반지름이 r인 곡면을 이루며, 이 원의 함수는 광도파로(40) 위 표면에서 시작된다. 광원부/광검출부(30)는 광도파로 하부클래드(43)의 바닥면과 h 만큼 떨어져 있으며, x0는 x축 방향으로 광원부/광검출부(30)의 개구부(aperture; 도 1a의 '34' 참조)의 중심 위치를, z0는 z축 방향으로 광원부/광검출부(30)의 개구부(34)의 중심 위치를 의미한다.
도 3b에서 광원(30), 즉 표면방출 레이저(30)로부터 방출된 광빔은 표면방출 레이저(30)의 방사각(θVL) 만큼 퍼지면서 자유공간에 전파되는데, 하부 클래드층(43) 바닥면에 도달되면 스넬(Snell)의 법칙에 의하여 방사각(θVL)은 하부 클래드 영역에서는 θCL로 전파각이 바뀌게 된다. 이는 다시 곡면의 반사면(44)을 만나면 프레넬(Fresnel) 반사공식에 적용되어 TE 편광모드 및 TM 편광모드에 따라 최하위 반사각 θL및 굴절각(미도시), 중심각 θ0및 굴절각(미도시), 최상위 반사각 θU및 굴절각(미도시)으로 분포한다.
표면방출 레이저(30)에서 방출된 광은 1차적으로 하부 클래드(43)에서 프레넬 손실(미고려) 만큼 반사 손실을 범한 후, 곡면의 반사면(44)에서 2차적으로 편광모드에 따른 프레넬 반사율 만큼 코어(42) 내부로 진입하여 도파하게 되며, 이때 코어(42) 내로 들어온 광에 대해서도 3차적으로 광도파로(40)의 임계각(critical angle)을 벗어나지 않는 광만 손실없이 끝까지 광도파로(40)를 도파하게 된다.
도 5a 및 도 5b는 광도파로의 두께 및 표면방출 레이저의 높이에 따른 반사곡면의 곡률반경의 범위를 나타낸 그래프들이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 설계조건은 nco=1.50788, ncl=1.49, h=10㎛,Δz=0㎛, Δx는 최적의 위치값(각 설계변수에 따라 다름)이다. 특히, 도 5a는 표면방출 레이저(30)의 방사각(θVL), 코어(42)의 크기(W), 광도파로(40)의 두께(H)를 파라미터로 하여 표면방출 레이저(30)의 높이(h)에 따라 곡면의 반사면(44)에서 광결합 효율이 거의 100% 되는 곡률반경의 범위를 폐곡선으로 표시하고 있다.
도 6a 내지 도 6c는 반사곡면의 광도파로와 45도 반사평면 광도파로의 광결합효율을 비교하는 그래프들이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 설계조건은 θVL=12°, nco=1.50788, ncl=1.49, W=42㎛, H=200㎛, r=320㎛, h=10㎛이다. 도 6a는 TE 및 TM 편광모드에 대해서 반사곡면(Curved Mirror; CM) 및 반사평면(Plane Mirror; PM)을 대상으로 표면방출 레이저의 높이(h)에 따라 광결합 효율(η)을 레이 트레이싱(Ray Tracing) 방법으로 시뮬레이션(simulation)한 결과이다. 반사곡면(CM)의 경우가 어떠한 표면방출 레이저의 높이(h)에도 광결합 효율(η) 측면에서 월등함을 알 수 있다. 도 6b 및 도 6c는 TE 및 TM 편광모드에 대해서 반사곡면(CM) 및 반사평면(PM)을 대상으로 각각 x축 방향(종축 방향) 및 z축 방향(수평 방향)의 표면방출 레이저의 중심위치의 변화에 따라 광결합 효율(η)을 레이 트레이싱 방법으로 시뮬레이션한 결과이다. 반사곡면(CM)의 경우가 역시 반사평면(PM)의 경우보다 광결합 효율(η) 측면에서 우수함을 보이고 있다.
도 7a 내지 도 7c는 표면방출 레이저(VCSEL) 및 포토 다이오드(PD) 어레이 칩의 수동정렬 및 접착을 설명하기 위한 평면도 및 단면도들이다. 도 7b는 도 7a의A2-A2' 선을 따라 절단한 경우의 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 실리콘 광학벤치(50)를 만들기 위해서 실리콘 광학벤치(50) 위에 실리콘 질화막(54)이 패터닝된 모습을 도시한 도면들이고, 도 7c는 도 7a의 다음 공정을 수행한 후 실리콘 광학벤치(50)에 형성된 트렌치(52) 내에 표면방출 레이저(30) 칩이 장착된 모습을 도시한 도면이다. 트렌치(52) 형성 후, 표면방출 레이저(30) 칩이 수평방향으로 원하는 위치에 놓일 수 있도록 트렌치(52) 형성전 식각창(56)의 가로폭(58) 및 세로폭(59)의 설계치를 적당히 맞추고, 표면방출 레이저(30)가 깊이 방향으로 원하는 위치에 놓일 수 있도록 트렌치 여분폭(61) 및 트렌치 깊이(62)를 형성한다. 따라서, 표면방출 레이저(30) 칩은 수평 방향과 깊이 방향으로의 정렬이 수동적으로 자기정렬(self alignment)되어 별도의 정렬을 필요로 하지 않는다.
도 8은 도 7c에 도시된 실리콘 광학벤치를 제작하기 위한 공정 순서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8을 참조하면, LPCVD 방법에 의해서 실리콘 광학벤치(50) 위에 실리콘 질화막을 증착한 후, 포토레지스트로 패터닝하고 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE)에 의해서 실리콘 질화막을 패터닝(54)하여 식각창(56)을 만든다. 이어서, 수산화칼륨(KOH)에 의해서 실리콘 광학벤치(50)를 습식 식각하여 트렌치(52)를 형성한 후, 인산 또는 BOE(Buffered Oxide Etch)에 의해서 실리콘 질화막 패턴(54)을 제거한다. 다음에, AZ9260 또는 AZ4903 등과 같은 초후막 포토레지스트를 도포한 후, 포토레지스트 패턴(63)을 형성한다. 이어서, 전자-빔(E-beam) 증착기를 이용하여 기저 금속층(Base Metal; 64)인 Ti/Ni/Au를 순차적으로 증착한 후, 포토레지스트 패턴(63)을 제거하고, 급속 열처리(Rapid Thermal Anealing)에 의해서 어닐링을 수행한다. 다음에, 다시 솔더용 초후막 포토레지스트 패턴(65)을 형성한 후, E-beam 증착기로 AuSn 등과 같은 솔더용 물질(solder; 66)를 증착한다. 이어서, 솔더용 초후막 포토레지스트 패턴(65)을 제거한 후, 열을 가하여 솔더용 물질(66)을 리플로우(reflow)시킨다. 다음에, 광원/광검출기(30) 칩을 실리콘 광학벤치(50)의 트렌치(52) 내에 삽입한 후 적당한 압력으로 광원/광검출기(30) 칩에 하중을 주면서 실리콘 광학벤치(50)에 열을 가하면 광원/광검출기(30) 칩이 자기정렬이 되면서 실리콘 광학벤치(50)의 트렌치(52) 바닥에 있는 솔더(31)에 접착된다.
도 9a 및 도 9b는 광도파로와 실리콘 광학벤치 내에 장착된 광원/광검출기 간 정렬 및 접착을 설명하기 위한 도면들이다. 도 9a 및 도 9b는 실리콘 광학벤치와 광도파로와의 수동정렬을 설명하기 위한 평면도로써 표면방출 레이저(VCSEL) 또는 포토 다이오드(PD) 어레이 칩을 곡면 또는 평면의 반사경을 가진 광도파로에 수동적으로 자기정렬에 의한 정밀정렬을 하는 모습을 보여주고 있다.
도 9a는 정렬 및 접착전의 모습을 보여주고 있으며, 광도파로(40)의 정렬마크(47)와 실리콘 광학벤치(50)의 정렬마크(53)을 이용하여 정렬 및 접착을 수행하면 광도파로(40)에 형성된 반사면(44), 예컨대 곡면 또는 평면반사경과 실리콘 광학벤치(50)의 트렌치(52) 내에 있는 광원/광검출기(30)의 개구부(34)간 정렬이 도 9b와 같이 이루어진다. 도 9a에 있는 광원/광검출기(30)의 전기신호는 양극(anode) 전극패드(35)와 음극(cathode) 전극패드(광원/광검출기의 바닥면; 미도시)의배선(36)과 연결된 실리콘 광학벤치(50) 표면에 있는 전극패드(33)로 공급 및 전달된다.
도 10a 및 도 10b는 도 1a 및 도 1b에 도시된 페룰의 구조를 설명하기 위한 정면도 및 단면도이다. 도 10b는 도 10a의 A3-A3' 선을 따라 절단한 경우의 단면도이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명의 페룰(70)은 도 10a에 도시된 바와 같이 중앙부에 광도파로(40)가 삽입될 수 있도록 도파로홀(waveguide hole; 71)이 형성되며, 도파로홀(71)의 양측부에는 어뎁터(80)와의 결합을 위한 가이드 핀(guide pin; 미도시)이 삽입되는 가이드홀(guide hole; 72)이 형성된다. 가이드 홀(72)은 다채널 광 콘넥터와의 접속을 위해 사용하는 가이드 핀이 삽입되는 구멍으로 국제전기표준회의(International Electrotechnical Commission; 이하 'IEC'라 함) 국제규격에 맞도록 형성한다.
또한, 도파로홀(71)의 상부에는 도 10b에 도시된 바와 같이 도파로홀(71)과 연결된 고정홀(73)이 형성되는데, 도파로홀(71)에 광도파로를 삽입한 후 고정홀(73)에 접착제(에폭시 계열의 물질)를 매립한 후 열 및 자외선(UV) 등으로 경화시켜 광도파로(40)가 페룰(70)에 완전히 고정되도록 한다.
상기 페룰(70)은 온도 안정성 및 정밀 성형을 이룰 수 있는 물질 예를 들어, 실리카(Silica)와 폴리머(Polymer)가 혼합된 물질을 이송성형(Transfer molding) 방법으로 성형하여 형성한다. 상기 페룰(70)의 외부 치수는 IEC 국제규격에 따라 호환성을 갖도록 하며, 내부 치수는 광도파로(40)가 삽입될 수 있는 크기를 갖도록한다.
상기와 같이 구성된 기판(10)과 어뎁터(80)는 도 2에서 보는 바와 같이 광원부/광검출부(30)의 개구부(34)와 상기 광도파로(40)의 반사면(44)이 대향되도록 직각으로 결합된다.
그러면 상기와 같이 구성된 병렬 광접속용 광 송신/수신 모듈을 이용한 광 연결 과정을 도 1a 및 도 1b를 다시 참조하여 설명한다.
광 송신용 모듈로 동작되는 경우, 전극패드(11)를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 구동부(20)는 광원부(30)를 구동시키며, 광원부(30)의 구동에 따라 발생된 광신호는 개구부(34)를 통해 광도파로(40)의 반사면(44)에 반사된 후 90°로 경로가 변경되고, 경로가 변경된 광신호는 코어(42)를 따라 어뎁터(80)에 연결된 광섬유로 전송된다. 이때, 반사면(44)에 반사된 광은 소정 거리에서 촛점이 맞추어져 집속되며, 집속된 광은 코어(42)를 통과하게 된다.
광 수신용 모듈로 동작되는 경우, 광섬유를 통해 전송된 광신호는 광도파로(40)의 코어(42)를 통해 반사면(44)에 반사된 후 경로가 변경되고, 경로가 변경된 광신호는 개구부(34)를 통해 광검출부(30)로 입사된다. 광검출부(30)는 입사된 광신호를 전기적 신호로 변환하며, 수신부(20)는 광검출부(30)로부터 공급된 전기적 신호를 증폭한 후 전극 패드(11)를 통해 출력한다. 반사면(44)에 반사된 광은 소정 거리에서 촛점이 맞추어져 집속되며, 집속된 광은 개구부(34)를 통해 광검출부(30)로 입사된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 광도파로를 이루는 코어의 종단에 곡면의 반사면이 형성되도록 하여 광 신호의 정확한 경로 변경 및 집속이 이루어지도록 한다. 따라서, 광 신호가 전달되는 과정에서 결합손실이 최소화되어 광 출력이 증대된다.
또한, 실리콘 광학벤치(Silicon Optical Bench; SiOB)는 표면방출 레이저(VCSEL) 및 포토 다이오드(PD) 어레이 칩을 실리콘 광학벤치의 트렌치 내에 매립하면서 자동적으로 위치가 정해지도록 하는 자기정렬 방식을 이용하기 때문에 표면방출 레이저(VCSEL)/포토 다이오드(PD)와 광도파로간 결합을 수동으로 정밀하게 정렬할 수 있어 생산성 향상을 이룰 수 있다.
또한, 광도파로와 광원부/광검출부 간의 정렬 및 광도파로와 어뎁터 간의 고정을 용이하고 정확하게 이루기 위해 광도파로를 페룰에 삽입시키고 페룰을 어뎁터에 고정시키므로써 광도파로와 광원부/광검출부 간의 정렬 오차 허용범위가 넓어져 능동 및 수동 정렬이 가능해지며 기존의 모듈보다 생산성이 향상되고 저렴한 비용으로 광 연결을 이룰 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (12)

  1. 소정 영역에 트렌치를 형성하여 힛스프레더가 구비되고, 전극패드 및 소정의 전자 회로 패턴이 형성된 기판;
    상기 기판 상에 구비되며, 트렌치가 형성된 실리콘 광학벤치;
    상기 실리콘 광학벤치에 형성된 상기 트렌치 내에 구비되며, 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 상기 광신호를 외부로 방출하는 광원 및 외부로부터 상기 개구부를 통해 입사되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기를 포함하는 광원부/광검출부;
    상기 기판 상에 구비되며, 상기 전극패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원부를 구동시키는 구동기 및 상기 광검출부로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 상기 전극패드를 통해 출력하는 수신기를 포함하는 구동부/수신부;
    하부 및 상부 클래드층 간에 코어가 형성되며 상기 코어의 종단에는 반사면이 형성된 광도파로;
    광섬유와 연결된 콘넥터와 접속되는 어뎁터; 및
    상기 광도파로를 상기 어뎁터에 고정시키기 위한 페룰을 포함하되, 상기 개구부와 반사면이 대향되도록 상기 기판과 어뎁터가 결합된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원은 표면방출 레이저 어레이를 포함하여 이루어진것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는 포토 다이오드 어레이를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광도파로 일측부의 반사면이 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광도파로의 곡면의 반사면 또는 평면의 반사면 끝의 일부는 모따기하여 형성된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하부 및 상부 클래드층은 폴리머 및 에폭시 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 코어는 폴리머 및 에폭시 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 코어는 균일한 모양 또는 일측부가 다른 일측부보다 점점 넓어지는 깔때기 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 페룰의 중앙부에는 상기 광도파로가 삽입되는 도파로홀이 형성되고, 상기 도파로홀의 양측부에는 상기 어뎁터와의 결합을 위한 가이드 핀이 삽입되는 가이드홀이 형성되며, 상기 도파로홀의 상부에는 상기 광도파로를 고정시키기 위한 고정홀이 형성된 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 고정홀에는 상기 광도파로를 고정시키기 위해 에폭시가 매립되는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 페룰은 실리카와 폴리머의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈.
  12. 하부 및 상부 클래드층 간에 코어가 형성되며 상기 코어의 종단에는 반사면이 형성된 광도파로를 준비하는 단계;
    실리콘 광학벤치 상에 트렌치를 정의하는 실리콘 질화막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 질화막 패턴을 식각마스크로 하여 상기 실리콘 광학벤치를 식각하여 트렌치를 형성하되, 광원부/광검출부가 상기 트렌치 내에 깊이 방향으로 원하는 위치에 놓일 수 있도록 상기 트렌치의 여분폭 및 깊이를 제어하여 상기 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 실리콘 질화막 패턴을 제거하는 단계;
    상기 트렌치 내에 기저 금속층을 증착하고, 어닐링을 수행하는 단계;
    상기 트렌치 내에 솔더용 물질을 증착한 후, 열을 가하여 상기 솔더용 물질을 리플로우시키는 단계;
    상기 트렌치 내에 수평 방향과 깊이 방향으로 자기정렬되도록 광원부/광검출부를 삽입하여 장착하는 단계; 및
    상기 반사면과 상기 광원부/광검출부에 형성된 개구부가 대향되도록 상기 상부 클래드층 상에 형성된 정렬마크와 상기 실리콘 광학벤치 상에 형성된 정렬마크를 정밀정렬하여 상기 광도파로를 상기 실리콘 광학벤치 상에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 광접속 모듈 제조방법.
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