KR100211939B1 - 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 광결합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용하여 빛을 전기신호로 변환하는 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른, 수광소자(1)와 광섬유(4) 간의 광결합 방법은, 광섬유를 이용한 광통신에 사용되는 것으로, 빛을 전기신호로 변환하는 수광소자(1)와 광섬유(4) 간의 광결합 방법에 있어서, 광섬유(4)를 경사진 브이홈이 상면에 구비된 광섬유 지지용 블록(8)과 함께 수광소자(1)의 수광면적(5)에 평행하게 횡방향(x-방향)으로 정렬하고, 광섬유(4)를 상기한 광섬유 지지용 블록(8)의 경사진 브이홈을 따라 브이홈의 경사방향으로 움직여 광소자(1)와 광섬유 코아(12)와의 높이(y-방향) 및 거리(z-방향)을 정렬하여 광섬유 고정용 뚜껑(7)을 덮어 광섬유(4)를 고정시킨 다음, 광섬유(4)가 고정된 상기한 광섬유 지지용 블럭(8)을 수광소자(1)에 근접 이동시켜 광섬유 지지용 블록(8)을 주기판 상에 고정시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 광섬유의 정렬 및 고정방법에 따르면, 광섬유가 경사진 브이홈에 의해 밀착되어 있어, 광섬유 고정용 뚜껑의 고정시의 에폭시의 경화과정 중 발생되는 상하변위를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 이러한 브이홈이 지지대 역할을 수행함으로 광부품의 정렬이 외부 변화에 대하여도 쉽게 변형되지 않으며, 조립공정이 용이하여 조립시간을 단축하여 생산성을 대폭적으로 높일 수 있어 신뢰성 및 경제적 측면에서도 우수한 효과를 지니고 있다.

Description

경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 광결합 방법

본 발명은 광섬유를 이용한 통신 방법에 사용되는 것으로, 특히 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용하여 빛을 전기신호로 변환하는 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 수광소자는 광반송파로부터 정보신호를 빼내기 위한 소자로, 전송거리나 전송용량 등 전송방식 전체의 특성을 결정하는 중요한 역할을 하고 있다. 한편, 고속 광통신에 사용되는 광섬유 구조는 하나의 모드만을 전송하는 단일 모드 형태로서, 빛을 집중시키는 코아(core)층과 빛을 가두는 작용을 하는 클래딩(clading)층으로 되어 있고, 그 주변을 플라스틱 재질의 피복층으로 덮여져 있다. 이때, 광섬유로는 광섬유의 끝단이 플랫(flat)한 것을 사용하거나, 전달된 빛이 광섬유 끝단에서 되돌아가는 것을 방지하기 위하여 끝단이 10도 정도로 경사진 광섬유(angled fiber)를 사용한다.

이와 같이 빛을 감지하는 활성영역(이하, '수광면적'이라 함)이 표면에 존재하는 수광소자와 광섬유간에 광정렬 및 고정을 하기 위하여는, 광섬유에서 나온 빛(광신호)을 수직방향으로 될 수 있는 한 수광면적에 많이 입력시켜 주기 위하여 수광소자와 광섬유 간의 정렬 및 고정방법이 매우 중요하다. 또한, 조립된 광부품의 정렬이 외부 변화에 대하여도 쉽게 변형하지 않도록 하여야 하며, 조립공정이 용이하여 조립시간을 단축시킬 수 있음은 물론, 생산성을 높일 수 있는 공정방법을 개발하여야 한다.

제1(a)도는 종래기술에 따른 수광소자와 광섬유간의 광결합 과정을 나타낸 측방향의 사시도이고, 제1(b)도는 종래기술에 따른 광섬유의 고정상태를 나타낸 정방향의 사시도로서, 제1(a)도 및 제1(b)도에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 광섬유 정렬 및 고정방법에서는, 수광소자(1)를 세라믹 블록(2)위에 다이본딩 및 와이어 본딩(3)에 의해 조립한 후 주기판에 에폭시나 솔더로 고정시켰다.

이때, 수광소자(1)와 광섬유(4)간의 광정렬 방법으로는, 원하는 파장의 빛을 광섬유(4)로 전달시키면서 수광소자(1)에 역방향의 전압을 가한 상태에서 수광면적(5)에 전달되는 빛의 양(광전류)를 측정하여 최대값을 얻을 때까지 정렬시키는 능동정렬 방식을 주로 사용하였다. 그후, 광섬유 끝면이 플랫하거나 경사진 광섬유(4)를 광섬유(4)의 피복을 벗긴 다음, 광섬유 지지용 브이홈 블록(6)위에 위치시키고, 광섬유 고정용 뚜껑(7)을 에폭시나 솔더로 미리 고정시키고, 수광소자(1)와 최적으로 정렬시킨 후, 주기판에 에폭시로 고정시킴으로써, 수광소자와 광섬유 간에 광결합을 수행하였다.

그러나, 상기한 종래기술에 따른 정렬 방법은, x축 방향이나 z축 방향으로는 정렬이 가능하지만, y축 방향으로는 직육면체 형태의 브이홈 블록(6)위에 미리 조립된 광섬유의 코아(12)의 위치가 그 밑면으로부터 결정되어져, 더 이상의 미세 정렬을 수행할 수 없다는 단점이 있었으며, 에폭시의 두께를 조절하여 높이를 맞추더라도, 에폭시가 경화되는 과정에서 발생하는 변위 때문에, 이상적인 광결합 효율을 얻을 수 없다는 한계를 지니고 있었다. 아울러, 상기한 광부품의 정렬이 외부 변화에 의해 쉽게 변형될 수 있는 위험성을 지니고 있을 뿐 아니라, 조립공정이 복잡하여 조립시간에 장시간이 소요된다는 문제점을 지니고 있었다.

결국, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 소광소자와 광섬유 간의 광정렬에 있어서 y-축 방향으로도 용이하게 미세 정렬이 가능하여 보다 많은 빛을 수광면적으로 입력시켜 줄 수 있으며, 광섬유 뚜껑 고정시 에폭시가 경화되는 과정에서 발생하는 상하 변위를최소화할 수 있을 뿐 아니라, 광부품의 정렬이 외부 변화에 대하여도 쉽게 변형되지 않으며, 조립공정이 용이하여 조립시간의 단축은 물론, 생산성을 높일 수 있는, 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법을 제공함에 있다.

제1(a)도는 종래기술에 따른 수광소자와 광섬유간의 광결합 과정을 나타낸 측방향의 사시도.

제1(b)도는 종래기술에 따른 광섬유의 고정상태를 나타낸 정방향의 사시도.

제2(a)도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 수광조사와 광섬유간의 광결합 과정을 나타낸 측방향의 사시도.

제2(b)도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 수광조사와 광섬유간의 광결합 상태를 나타낸 정방향의 사시도.

제2(c)도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 경사진 광섬유와 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 광결합 과정을 나타낸 측면도.

제3(a)도는 수광소자와 광섬유 간의 종방향 정렬시 광결합 분포를 나타낸 그래프.

제3(b)도는 수광소자와 광섬유 간의 횡방향 정렬시 광결합 분포를 나타낸 그래프.

제4(a)도 내지 제4(c)도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광소자와 광섬유간의 정렬 및 고정과정을 순차적으로 나타낸 순서도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 수광소자 2 : 수광소자 탑재용 세라믹 블록

3 : 와이어 본딩 4 : 광섬유

5 : 수광소자의 수광면적 6 : 광섬유 지지용 브이홈 블록

7 : 광섬유 고정용 뚜껑

8 : 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록

9 : 경사진 광섬유 끝면의 경사각(θ₂)

10 :경사진 브이홈 블럭의 경사각(θ₁)

11 : 전극용 패턴 12 : 광섬유의 코아층

13 : 광섬유의 클래딩층 14 : 에폭시 접합부위

상기한 목적을 달성하는, 본 발명에 따른, 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법은, 광섬유를 이용한 광통신에 사용되는 것으로, 빛을 전기신호로 변환하는 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법에 있어서, 광섬유를 경사진 브이홈이 상면에 구비된 광섬유 지지용 블록과 함께 수광소자의 수광면적에 평행하게 횡방향(x-방향)으로 정렬하고, 광섬유를 상기한 광섬유 지지용 블록의 경사진 브이홈을 따라 브이홈의 경사방향으로 움직여 광소자와 광섬유 코아와의 높이(y-방향) 및 거리(z-방향)을 정렬하여 광섬유 지지용 블럭을 수광소자에 근접 이동시켜 광섬유 지지용 블록을 주기판 상에 고정시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 광결합 방법을 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

제2(a)도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 수광조사와 광섬유간의 광결합 상태를 나타낸 정방향의 사시도이고, 제2(b)도는 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 수광소자와 광섬유 간의 광결합 상태를 나타낸 정방향 사시도이며, 제2(c)도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 경사진 광섬유와 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록을 이용한 광결합 과정을 나타낸 측면도이다.

상기한 바와 같이, 수광소자(1)는 광반송파로부터 정보신호를 빼내기 위한 소자로, 전송거리나 전송용량 등 전송방식 전체의 특성을 결정하는 중요한 역할을 하고 있다. 이와 같이 광통신에 사용되는 수광소자(1)는 광통신 시스템의 속도에 따라 다르지만 III-V 족 화합물 반도체 및 3원 화합물의 반도체 재질을 이용하여 제조한다. 일반적으로, 수광소자(1) 칩의 크기는 약 0.5x0.5이고 두께는 약 0.3정도이며, 빛을 감지하는 수광면적(5)은 원형으로 직경이 약 0.03∼0.05정도이다. 이러한 수광소자(1)는 양극 및 음극의 전극용 패턴(11)이 형성된 세라믹 블록(2)에 다이본딩된 후 와이어 본딩(3)에 의해 조립된다. 한편, 광통신에 사용되는 광섬유(4)는 하나의 모드만을 전송하는 단일 모드 형태로서, 빛을 집중시키는 직경이 0.01인 코아층(12)과 빛을 가두는 작용을 하는 직경이 0.125인 클래딩층(13)으로 이루어지고, 그 주변은 직경 0.9또는 1.8인 플라스틱 재질의 피복층으로 덮여져 있다. 이때, 광섬유(4)의 끝면은 플랫하거나, 전달된 빛이 광섬유(4) 끝단에서 되돌아가서 수 Gbps 급으로 동작되는 고속 광전송시스템의 성능을 저하시키는 것을 방지하기 위하여 그 끝면의 경사각(9)(θ₂)가 약 10도 정도로 경사진 광섬유(angled fiber)를 사용하는 경우도 있다.

제2(a)도 내지 제2(c)도에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는, θ₁만큼 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록(8)을 사용하는데, 이때 광섬유(4)의 피복을 제거한 후 광섬유 끝면이 플랫하거나, 그 끝면이 θ₂만큼의 경사각(9)으로 경사진 광섬유면이 상향으로 향하도록, 광섬유(4)를 경사진 브이홈 블록의 각도(θ₁)에 의하여 z축 방향으로 움직이면서 y축 방향의 미세 정렬효과를 동시에 얻을 수 있는 능동정렬이 가능한 구조로서, 최적의 정렬 상태에서 광섬유 고정용 뚜껑(7)에 에폭시를 사용하여 광섬유(4)를 견고하게 고정시켜, 궁극적으로 광섬유(4)에서 나온 빛(광신호)을 수광소자(1)의 수광면적(5)으로 될 수 있는 한 보다 많이 입려시켜 주기 위한 정렬 및 고정방법을 제공한다.

본 발명에서는, 우선적으로 수광소자(1)와 광섬유(4)간의 정렬조건을 확인하기 위한 실험으로, 1.3파장의 빛을 단면이 플랫한 광섬유(4)에 전달시켜서 광섬유(4)를 종축(z-)방향과 횡축(x- 또는 y-)방향으로 움직이면서, 수광소자(1)에서 검출되는 광전류를 측정하였으며, 그 결과를 제3(a)도 및 제3(b)도에 나타내었다. 이때, 사용된 수광소자(1)의 수광면적(5)은 0.05의 직경을 가진 형태이다.

제3(a)도는 수광소자(1)와 단일모드 광섬유(4) 간의 정렬시 광섬유(4)를 종축방향(즉, z-방향)으로 움직였을 때 측정된 광결합 효율을 보여준다. 측정 결과, 광섬유(4)의 위치가 횡축방향으로 잘 정렬되었을 때(즉, x,y=0), 광소자(1)와의 간격이 0.2정도 떨어져 있어도, 광결합 효율은 변동없이 최대값을 유지하는데, 이는 직경이 10인 코아(12)에서 나온 빛이 퍼져서 수광 직경인 50에 모두 전달시킬 수 있는 최대 간격을 의미한다. 또한, 1dB의 광결합 손실(20%)을 감안한 종축 방향의 정렬오차는 0.4정도로 여유있어 조립이 용이하다.

제3(b)도는 광섬유(4)가 광소자(1) 표면에서 100∼400떨어진 상태에서 광섬유(4)를 수광면적(5) 중심에서 횡축방향(즉, x,y-방향)으로 움직였을 때 측정된 광결합 효율을 보여준다. 측정 결과, 광섬유(4)가 100떨어졌을 때, 횡축방향(즉, x- 또는 y-방향)으로 20정도 이탈되더라도 광결합 효율은 변동없이 최대값을 유지하다가 그 이상 변화되면 광결합이 급격하게 떨어져서 1㏈의 광결합 손실(20%)을 감안한 종축 방향의 정렬오차는 30정도로, 종축 방향의 정렬오차에 비하여 10배 이상 매우 민감함을 알 수 있다.

이와 같이, 수광소자(1)와 광섬유(4) 간의 거리를 100이내로 유지하면서 횡축방향으로는 광축으로부터 ±20이내에서 정렬시키면, 100%의 광결합을 얻을 수 있다는 결론을 얻을 수 있어, 이러한 결과로부터 광섬유 지지용 V-홈 블록(8)의 최적 경사각도를 유추해 볼 수 있는데, 하기 식 1에 의하여 다양한 경사각에서 z-축 방향으로 이동했을 때 y-축 방향으로 이동된 거리를 유추해 볼 수 있으며, 그 대표적인 예를 하기 표 1에 정리하였다.

상기한 결과를 바탕으로 예견해 볼 때, 고속 통신용 수광소자(1)는 수광면적(5)을 30이하로 줄이는 경향이 있는데, 이와 같은 수광소자(1)의 광결합시에 브이홈 블록(8)의 경사도(10)가 약 30도 정도 이내로 된다면, 30의 종축방향으로 이동시 17의 횡방향의 효과를 얻게 되어, 횡방향으로의 미세 정렬이 가능하여 보다 많은 양의 광결합 효율을 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 아울러, 광섬유 끝단이 경사진 광섬유(4)를 사용할 때에는, 광섬유(4) 끝단의 경사면이 상향으로 향하도록 하여, 브이홈 블록(8)의 경사각도(θ₁)(10)를 (θ₂-θ₁) 만큼 상쇄시킴으로써, 브이홈 블록(8)의 경사각(10)으로 인한 빛의 손실을 최소화시킬 수 있다는 장점을 가진다.

제4(a)도 내지 제4(c)도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광소자와 광섬유간의 정렬 및 고정과정을 순차적으로 나타낸 순서도로서, 본 발명에 따른 광섬유의 정렬 및 고정을 위해서는, 제4(a)도에 도시된 바와 같이, 주기판 상의 세라믹 블록(2)에 장착된 수광소자(1)를 에폭시로 고정시킨 후, 광섬유(4)를 수광소자(1)로부터 수백정도 떨어진 상태에서, 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록(8)과 함께 x-축 방향의 정렬을 수행한다. 상기한 x-축 방향의 정렬이 끝난 후 y-축 방향으로 정렬을 수행하는데, 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록(8)은 주기판에 그대로 정렬된 상태에서 광섬유(4)의 코아(12) 위치(H)가 광소자(1)의 수광면적(5)과 일치하도록 광섬유(4)만을 움직여서 최적 정렬이 된 상태에서, 광섬유 고정용 뚜껑(7)을 덮어서 은(Ag) 함유 에폭시(Epo-Tek사의 H20E)로 150℃에서 5분간 경화시킨다.

그후, 제4(c)도에 도시된 바와 같이, 경사진 광섬유 지지용 브이홈 블록(8)에 고정된 광섬유(4)를 수광소자(1)로 근접 이동시켜서 간격이 수십정도 되었을 때, 브이홈 블록(8)을 주기판 위에 에폭시로 고정시킨다. 이때, 에폭시로 고정되는 결합부위(14)는 에폭시 경화시 발생되는 변위가 될 수 있는대로 정렬 허용도가 큰 z-축 방향으로만 발생되도록, 브이홈 블록(8)의 전후면(z-축 방향)에만 에폭시를 발라 고정시킨다.

종래의 에폭시를 사용한 광섬유 고정 방법에서는, 에폭시 경화과정에서 발생되는 광섬유이 위치 변화가 매우 크게 발생되는데, 본 발명에 따른 광섬유의 정렬 및 고정방법에 따르면, 광섬유가 경사진 브이홈에 의해 밀착되어 있어, 광섬유 고정용 뚜껑의 고정시의 에폭시의 경화과정 중 발생되는 상하변위를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 이러한 브이홈의 지지대 역할을 수행함으로 광부품의 정렬이 외부 변화에 대하여도 쉽게 변형되지 않으며, 조립공정이 용이하여 조립시간을 단축하여 생산성을 대폭적으로 높일 수 있어 신뢰성 및 경제적 측면에서도 우수한 효과를 지니고 있다.

Claims (3)

1. 광섬유를 이용한 광통신에 사용되는 것으로, 빛을 전기신호로 변환하는 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법에 있어서, 광섬유를 경사진 브이홈이 상면에 구비된 광섬유 지지용 블록과 함께 수광소자의 수광면적에 평행하게 횡방향(x-방향)으로 정렬하고, 광섬유를 상기한 광섬유 지지용 블록의 경사진 브이홈을 따라 브이홈의 경사방향으로 움직여 광소자와 광섬유 코아와의 높이(y-방향) 및 거리(z-방향)을 정렬하여 광섬유 고정용 뚜껑을 덮어 광섬유를 고정시킨 다음, 광섬유가 고정된 상기한 광섬유 지지용 블럭을 수광소자에 근접 이동시켜 광섬유 지지용 블록을 주기판 상에 고정시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기한 주기판 상에 광섬유 지지용 블록을 고정시킬 때, 에폭시 경화시 발생되는 변위가 될 수 있는대로 정렬 허용도가 큰 z-방향으로만 발생되도록, 상기한 광섬유 지지용 블록의 전후면에만 에폭시를 발라 경화시키는 것을 특징으로 하는, 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기한 광섬유로서 광섬유의 끝단이 소정의 경사각(θ₂)으로 경사진 광섬유를 사용할 때 브이홈 블록의 경사각도(θ₁)를 (θ₂-θ₁) 만큼 상쇄시킴으로써, 브이홈 블록의 경사각으로 인한 빛의 손실을 최소화시킬 수 있도록, 광섬유의 끝단의 경사면이 상향으로 향하도록 광섬유를 고정하는 것을 특징으로 하는, 수광소자와 광섬유 간의 광결합 방법.