KR100317397B1 - 자유공간 광연결 모듈 구조 - Google Patents
자유공간 광연결 모듈 구조 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 자유공간 광연결 장치의 송신 및 수신모듈의 하부기판으로 가공된 구리기판에 DLC(Diamond-Like Carbon)을 코팅한 기판을 사용하여 기존에 주로 사용되는 알루미나(alumina) 또는 다이아몬드 기판을 대체하므로써, 열방출 특성과 접지 특성이 뛰어난 자유공간 광연결 모듈 구조에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 광 소자를 형성하기 위한 제 1 구리기판과, 상기 제 1 구리기판에 형성된 표면방출 레이저 어레이와, 상기 제 1 구리기판에 형성되며 상기 표면방출 레이저 어레이를 구동하기 위한 레이저 어레이 구동회로와, 상기 표면방출 레이저 어레이 및 상기 레이저 구동회로를 상호 연결시키기 위한 제 1 연결배선과, 상기 레이저 어레이 구동회로의 외부입출력을 위한 제 2 연결배선으로 구성된 광 송신모듈; 광 소자를 형성하기 위한 제 2 구리기판과, 상기 제 2 구리기판에 형성되며 광 송신모듈의 상기 표면방출 레이저 어레이로부터 출력되는 광을 검출하기 위한 광 검출 어레이와, 상기 제 2 구리기판에 형성되며 상기 검출된 광을 수신하기 위한 광 수신회로와, 상기 광 검출 어레이 및 상기 광 수신회로를 상호 연결시키기 위한 제 3 연결배선과, 상기 광 수신회로의 외부입출력을 위한 제 4 연결배선으로 구성된 광 수신모듈을 포함한다.
Description
자유공간 광 연결모듈 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저가로 제작이 가능하며 우수한 열방출 특성을 갖는 자유공간 광연결 모듈의 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 광연결 방식은 그 응용분야에 따라 채널 부분에 광섬유 리본, 광도파로, 자유공간 등이 이용된다. 이 중에서 자유공간 광연결은 칩간 또는 보드간의 근거리 연결에 이용되는데, 이러한 광연결 모듈 제작에 소요되는 비용중 모듈의 패키징 비용이 큰 부분을 차지한다. 따라서 광연결 모듈의 제조 단가를 낮추기 위해서는 광 패키징에 소요되는 비용을 줄이는 것이 필수적이다.
한편, 상술한 광 패키징 과정에서의 광 정렬 방법으로는 능동 정렬 방법과 수동 정렬 방법이 있는데, 먼저, 레이저를 구동하면서 정렬시키는 능동 정렬 방법은 정밀한 광정렬을 수행할 수 있는 장점이 있지만, 패키징 모듈 크기가 상대적으로 크고, 광정렬에 많은 시간이 소요되며 이에 따른 부대 비용이 과다하게 소요되는 단점이 있다. 이와는 달리, 수동 정렬은 광소자를 구동시키지 않으면서 광정렬을 수행하는 방법으로서, 어셈블리 공정을 단순화시켜 공정속도를 향상시킬 수 있고, 그에 따라 모듈 가격을 절감할 수 있는 장점이 있지만, 정밀한 광정렬이 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 이러한 광정렬을 위해 현재 다양한 광학적 또는 기계적 방법들이 개발되고 있는데, 이중 기계적 방법으로는 각 조각을 정확히 맞추기 위해 정밀한 미세가공을 이용하거나 솔더 범프(solder bump)를 이용하여 솔더 범프 어레이들의 표면장력에 의해 정확한 위치로 정렬되도록 하는 방법이 있다. 반면에 광학적 방법을 이용한 정렬은 리소그래피 공정에서 포토마스크를 정렬하는 것과 유사한 방법으로서 정렬 마크를 이용하므로 정렬을 위한 값비싼 정밀한 스테이지(stage)가 필요하다.
상술한 두 방법을 비교하면, 기계적 정렬 방법은 그 정밀도가 정렬하고자 하는 각 소자의 정밀한 제조에 달려 있기 때문에 정밀한 정렬을 위해서 값비싼 광부품들이나 스테이지를 필요로하지 않는다. 반대로 광학적 정렬 방법은 정밀도가 정렬 장치의 광부품이나 스테이지에 의해 결정되므로 각 소자의 정밀한 제조를 요하지 않는 장점이 있다. 따라서, 광모듈의 제조 비용을 절감하기 위한 핵심 요건은 정밀성을 갖는 저가의 광축 정렬 기술이다.
한편, 광연결 모듈을 제작할 때 현재 각각의 광부품들과 회로칩들을 하이브리드(hybrid)로 결합하는 방식이 가격대 성능면에서 모놀리식(monolithic) 집적하는 것보다 이점이 있으므로 이 방법이 주로 사용된다. 제작된 광연결 모듈의 성능을 좌우하는 인자는 다양하지만, 특히 레이저 다이오드 광원 등은 열 발생이 성능에 큰 영향을 미친다. 현재 광소자로는 다이아몬드, 알루미나 등의 마운트(mount) 물질이 사용되고 이와는 별도로 열 방출 및 온도 안정화를 위한 TEC(ThermoElectric cooler) 등을 두고 있다.
자유공간 광연결 모듈을 하이브리드로 제작할 때 종래의 방법에서는 광소자칩을 기판에 접합시키고, 회로칩은 다른 기판에 접합시킨 후 두 소자간의 연결을 본딩와이어(bonding wire)로 연결하거나, 같은 기판에 두 칩을 접합시킨 후 본딩와이어(bonding wire)로 연결한다. 이러한 방식의 경우 각 칩의 높이가 달라 송신 모듈과 수신 모듈을 근접시켜 패키징할 때 이 본딩와이어가 방해가 된다. 또한, 송신모듈에서 나오는 빔을 모아주기 위해 마이크로렌즈를 이용하는 경우 이 본딩와이어 때문에 마이크로렌즈를 적당한 거리를 띄우고 고정시키기 위해 별도의 렌즈 받침대를 두어야만 한다.
그리고, 송신 및 수신모듈에 들어가는 소자들의 안정된 동작을 위해 충분한 접지 면적을 확보해야 하며, 이를 위해 기판상에 접지를 위한 충분한 공간을 확보해야 한다.
결과적으로, 자유공간 광연결 모듈을 제작할 때 고려해야할 가장 중요한 요소는 광정렬과 열방출 문제이다. 그리고, 광소자가 기존의 전자소자를 대체하거나 추가로 사용되어질 때 문제점은 성능보다는 가격이다. 따라서 광정렬과 열방출에 드는 비용을 낮추기 위해서는 이 두가지 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 자유공간 광연결 장치의 송신 및 수신모듈의 하부기판을 기존에 주로 사용되는 알루미나(alumina) 또는 다이아몬드 기판 대신 가공된 구리기판에 DLC(Diamond- Like Carbon)을 코팅한 기판을 사용하므로써, 열방출 특성과 접지 특성이 뛰어난 자유공간 광연결 모듈 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 자유공간 광연결 모듈 구조에 있어서, 광소자를 형성하기 위한 제 1 구리기판과, 상기 제 1 구리기판에 형성된 표면방출 레이저 어레이와, 상기 제 1 구리기판에 형성되며 상기 표면방출 레이저 어레이를 구동하기 위한 레이저 어레이 구동회로와, 상기 표면방출 레이저 어레이 및 상기 레이저 구동회로를 상호 연결시키기 위한 제 1 연결배선과, 상기 레이저 어레이 구동회로의 외부입출력을 위한 제 2 연결배선으로 구성된 광 송신모듈; 광소자를 형성하기 위한 제 2 구리기판과, 상기 제 2 구리기판에 형성되며 광 송신모듈의 상기 표면방출 레이저 어레이로부터 출력되는 광을 검출하기 위한 광 검출 어레이와, 상기 제 2 구리기판에 형성되며 상기 검출된 광을 수신하기 위한 광 수신회로와, 상기 광 검출 어레이 및 상기 광 수신회로를 상호 연결시키기 위한 제 3 연결배선과, 상기 광 수신회로의 외부입출력을 위한 제 4 연결배선으로 구성된 광 수신모듈을 포함하는 자유공간 광연결 모듈 구조를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자유공간 광연결 모듈에 대한 단면도,
도 2는 평판 금속박막을 이용하여 도 1에 도시된 광연결 모듈의 각 연결배선을 형성하는 과정을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 3은 와이어 본딩을 이용하여 각 연결배선을 형성한 광 송신모듈 또는 광 수신모듈을 도시한 도면,
도 4는 이차원 어레이용 광 송신모듈 또는 광 수신모듈의 구조를 도시한 도면,
도 5는 도 1에 도시된 광연결 모듈의 마이크로 렌즈 어레이를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11, 21 : 구리기판 12 : 표면방출 레이저 어레이
13 : 레이저 어레이 구동회로 14, 24 : 제 1 연결배선
15, 25 : 제 2 연결배선 22 : 광 검출 어레이
23 : 광 수신회로 26 : 마이크로 렌즈 어레이
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저, 본 발명의 핵심 기술요지는, 일반적으로 광부품의 열방출 문제를 해결하기 위해 고가의 다이아몬드 기판을 사용하거나 알루미나 기판을 사용하고, 여기에 부가적으로 TEC(thermoelectric cooler)를 사용하는 종래와는 달리, 구리기판에 절연막으로 DLC(Diamond-Like Carbon)를 코팅하여 이를 광 송수신 모듈의 기판으로 이용함으로써 구리의 뛰어난 열방출 특성을 이용할 수 있고 동시에 저가로 제작 가능하도록 하는 것이다.
또한, 광연결 모듈의 잡음 특성을 줄이기 위해 접지 영역을 충분히 확보하는 것이 중요한데, 이를 위하여 본 발명에서는 구리기판을 사용함으로써 전체 기판을 접지로 이용할 수 있도록 하며, 소자간 또는 외부입출력을 위한 연결배선을 와이어 본딩(wire bonding) 또는 금속증착을 이용하므로써, 패키징 및 광정렬에 용이하도록 하는 것이다. 그리고, 자유공간 광연결을 위해 광 송신 및 광 수신모듈을 수동정렬 방법으로 광정렬할 수 있도록 하여 광정렬에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있도록 하는 것이다.
한편, 본 발명과 관련하여, 일반적인 구리의 열전도율은 0.94 cal/cm-sec-℃로서 다이아몬드의 약 1/5이고 알루미나의 약 20배에 달한다. 따라서, 이러한 구리를 기판으로 활용할 경우에는 저가로 높은 열방출 효과를 얻을 수 있게 된다.
그리고, DLC는 이 구리기판에 뛰어난 접착성을 부여하며, 간단한 공정으로 코팅할 수 있으므로 구리기판 상부의 절연막으로 활용한다. 이 DLC 코팅의 열전도도 역시 약 0.9 cal/cm-sec-℃로 아주 우수한 특성을 갖는다. 따라서, 이 DLC를 코팅한 구리를 기판으로 활용하는 구조는 열방출 문제가 중요한 요인으로 작용하는 광 송수신모듈에 뛰어난 열 특성을 제공할 수 있게 된다.
또한, 광 송수신모듈에서 다른 중요한 전기적 특성 중의 하나는 접지가 얼마나 성공적으로 이루어지느냐하는 문제인데, 이 또한 본 발명에서 제안된 물질과 구도를 사용하므로써 효율적으로 해결할 수 있다. 그리고, 하부기판 물질인 구리 자체가 전도성 물질이므로 이 기판 전체를 접지로 활용 가능하다.
따라서, 본 발명에서는 다이아몬드에 비해서는 약 1/5 정도에 불과하지만 저가로 제작이 가능한 DLC 코팅된 구리 기판을 사용하므로써 구리의 높은 열전도 특성을 이용하여 아주 우수한 열방출 특성을 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 알루미나 등의 세라믹 기판의 낮은 가공성을 가공이 용이한 금속물질인 구리를 이용함으로써 송신/수신 모듈의 수동정렬을 위한 광정렬 기판으로 사용할 수 있고, 구리기판을 가공하여 표면을 평탄화시켜 송신모듈과 수신모듈을 근접시켜 패키징 하는데 용이하도록 하였으며, 이를 이용한 자유공간 광연결 모듈을 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자유공간 광연결 모듈 구조에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자유공간 광연결 모듈의 구조에 대한 단면도를 도시한 도면으로서, 구리기판(11), 표면방출 레이저 어레이(12), 레이저 어레이 구동회로(13), 제 1 연결배선(14), 제 2 연결배선(15)으로 구성된 광 송신모듈(10)과, 구리기판(21), 광 검출 어레이(22), 광 수신회로(23), 제 1 연결배선(24), 제 2 연결배선(25)으로 구성된 광 수신모듈(20) 및, 마이크로 렌즈 어레이(26)를 포함한다.
도 1에 도시된 광 송신모듈(10) 및 광 수신모듈(20)에 구비된 각각의 구리기판(11, 21)은 광 송신모듈(10) 및 광 수신모듈(20)을 하이브리드로 제작하기 위한 기판으로서, 통상의 구리 기판을 가공한 후 절연막으로 DLC(Damond-Like Carbon)를 코팅하여 제작한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 자유공간 광연결 모듈에서의 광 송수신모듈용 기판의 제조 과정을 설명하면, 통상의 구리기판에 홈을 가공하고, 절연을 위해 DLC를 코팅하는데, 이때 DLC 절연막은 접지가 될 부분을 제외한 나머지 부분에 대해서만 코팅을 한다. 광 송신모듈(10)에 표면방출 레이저 어레이(12)와 레이저 어레이 구동회로(13)를 실장하고, 광 수신모듈(20)에는 광 검출 어레이(22)와 광 수신회로(23)를 실장해서 표면이 평탄하게 되도록 한다.
그런 다음, 도 1에 도시된 광 송신모듈(10)의 표면방출 레이저 어레이(12)와 레이저 어레이 구동회로(13)간, 그리고 광 수신모듈(20)의 광 검출 어레이(22)와 광 수신회로(23)간의 각 제 1 연결배선(14, 24)을 형성하고, 또한 레이저 어레이 구동회로(13) 및 광 수신회로(23)를 외부 입출력을 위한 각각의 제 2 연결배선(15, 25)을 형성하는데, 이때 각각의 제 1 연결배선(14, 24)과 각각의 제 2 연결배선(15, 25)은 와이어 본딩(wire bonding) 또는 금속증착을 이용하여 형성한다.
도 2는 평판금속 박막을 이용하여 각각의 연결배선을 형성한 광 송신모듈(또는 수신모듈)의 구조를 도시한 도면으로서, 본 발명에 따른 광 송신모듈(10) 및 광 수신모듈(20)은 각각 그 구조가 동일하기 때문에 이하에서는 하나의 모듈만을 예로 하여 도시한다.
도 2를 참조하여 설명하면, 먼저 금속증착을 위해 각각의 구리기판(11, 21)에 홈을 가공하여 광소자들이 실장되었을 때 높이가 일정하도록 평탄화하고 절연막으로 DLC를 코팅한 각 구리기판(11, 21)에 각각 표면방출 레이저 어레이(12)와 레이저 어레이 구동회로(13) 및, 광 검출 어레이(22)와 광 수신회로(23)를 형성한후, 금속 증착으로 다시 제 1 연결배선(14, 24) 및 제 2 연결배선(15, 25)을 형성한다.
이와는 달리, 도 3은 와이어 본딩을 이용하여 제 1 연결배선(14, 24) 및 제 2 연결배선(15, 25)을 형성한 광 송신모듈 또는 광 수신모듈을 도시한 도면으로서, 도 3을 참조하여 와이어 본딩을 이용한 각 연결배선 형성 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 광 송신모듈(10) 또는 광 수신모듈(20)에서 절연막으로 DLC가 코팅된 가공된 구리기판(11, 21)에 외부입출력을 위한 각각의 제 2 연결배선(15, 25)을 증착한다. 그리고 표면방출 레이저 어레이(12)와 레이저 어레이 구동회로(13)간 또는 광 검출 어레이(22)와 광 수신회로(23)간을 연결하기 위한 각각의 제 1 연결배선(14, 24)을 와이어 본딩으로 형성한 다음, 레이저 어레이 구동회로(13)와 광 수신회로의 패드 부분을 각각의 제 2 연결배선(15, 25)의 패드 부분을 연결하기 위한 패드 연결배선(31)을 와이어 본딩으로 형성한다.
한편, 도 4는 이차원 어레이용 광 송신모듈 또는 광 수신모듈의 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, N×N 이차원 광원 또는 광검출기 어레이를 이용하는 구조로서 DLC 코팅된 가공된 구리기판(11, 21)에 광 송신모듈(10)의 경우 N×N 표면방출 레이저 어레이(12)와 1×M 레이저 어레이 구동회로(13)를 본딩하고, 광 수신모듈(20)의 경우 N×N 광 검출 어레이(22)와 1×M 광 수신회로(23)를 각각의 구리기판(11, 21)의 홈에 본딩한다. 그리고, 동도면에 도시된 각 연결배선(14, 24, 15,25)의 형성방법은 상술한 도 2 및 도 3에 도시한 금속박막을 이용한 방법이나 와이어 본딩을 이용하여 형성할 수 있다.
다른 한편, 도 1에 도시된 마이크로 렌즈 어레이(26)는 광 송신모듈(10)과 광 수신모듈(20)간의 효율적인 광 결합을 위해 사용되는데, 도 5는 도 1에 도시된 마이크로 렌즈 어레이(26)를 도시한 도면으로서, N 개의 마이크로 렌즈(25-1, 25-2, …, 25-n)로 구성된 1×N 마이크로 렌즈 어레이(26)의 구조를 도시한다. 이때, 마이크로 렌즈 어레이(26)의 피치 거리는 표면방출 레이저 어레이(12)의 피치와 동일하게 구성된다.
상술한 바와 같은 구성되는 각 광 송신모듈(10) 및 광 수신모듈(20)은 정밀한 정렬이 이루어져야만 상호간의 광 송수신이 가능하기 때문에, 광 송신모듈(10)과 광 수신모듈(20)을 정렬시키기 위한 과정이 반드시 필요한데, 광 송신모듈(10)과 광 수신모듈(20)의 수동정렬 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 광 송신모듈(10)에 표면방출 레이저 어레이(12)와 레이저 어레이 구동회로(13)를, 그리고 광 수신모듈(20)에 광 검출 어레이(22)와 광 수신회로(23)를 실장할 수 있도록 가공한 후 각 소자의 표면과 기판 윗면의 높이가 같도록 고정한 다음, 각 연결배선(14, 24, 15, 25)을 증착하는 과정에서 수동정렬을 위한 정렬마크를 동시에 형성한다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이(26)를 정렬하기 위해서는, 먼저 광 송신모듈(10)과 광 수신모듈(20)에 마이크로 렌즈 어레이(26)의 렌즈를 정렬시키기 위한 정렬마크를 연결배선 증착시 함께 형성한다. 그리고, 마이크로 렌즈어레이(26)는 광 송신모듈(10)에 정렬시킨 후 고정하여, 광 송신모듈(10)과 광 수신모듈(25)에 새겨진 정렬마크를 상호 정렬하므로써, 전체 모듈을 고정시키게 된다.
결과적으로, 본 발명에 따른 광연결 모듈 구조에서는, 자유공간 광연결 모듈을 구성하기 위해 가공된 구리기판에 DLC를 코팅한 기판(11, 21)을 사용하므로써, 열방출 특성과 접지 특성을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 광부품의 열방출 문제를 해결하기 위해 고가의 다이아몬드 기판을 사용하거나 알루미나 기판을 사용하고 TEC를 사용하는 종래와는 달리, 구리기판에 절연막으로 DLC 코팅을 하여 기판으로 이용함으로써 뛰어난 열방출 특성을 이용할 수 있는 효과가 있으며, 그 제조비용을 현저하게 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 광연결 모듈의 잡음 특성을 줄이기 위한 접지 영역을 충분히 확보할 수 있는 효과가 있으며, 소자간 또는 외부입출력을 위한 연결배선을 본딩 와이어(bonding wire) 또는 금속증착을 이용하므로써, 패키징 및 광정렬이 용이한 효과가 있다. 그리고, 부가적으로 자유공간 광연결을 위해 송신 및 수신 모듈을 수동정렬 방법으로 광정렬할 수 있도록 하므로써 광정렬에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 자유공간 광연결 모듈 구조에 있어서,광소자를 형성하기 위한 제 1 구리기판과, 상기 제 1 구리기판에 형성된 표면방출 레이저 어레이와, 상기 제 1 구리기판에 형성되며 상기 표면방출 레이저 어레이를 구동하기 위한 레이저 어레이 구동회로와, 상기 표면방출 레이저 어레이 및 상기 레이저 구동회로를 상호 연결시키기 위한 제 1 연결배선과, 상기 레이저 어레이 구동회로의 외부입출력을 위한 제 2 연결배선으로 구성된 광 송신모듈;광소자를 형성하기 위한 제 2 구리기판과, 상기 제 2 구리기판에 형성되며 광 송신모듈의 상기 표면방출 레이저 어레이로부터 출력되는 광을 검출하기 위한 광 검출 어레이와, 상기 제 2 구리기판에 형성되며 상기 검출된 광을 수신하기 위한 광 수신회로와, 상기 광 검출 어레이 및 상기 광 수신회로를 상호 연결시키기 위한 제 3 연결배선과, 상기 광 수신회로의 외부입출력을 위한 제 4 연결배선으로 구성된 광 수신모듈을 포함하는 자유공간 광연결 모듈 구조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 자유공간 광연결 모듈 구조는, 광결합 효율을 높이기 위해 상기 표면방출 레이저 어레이와 상기 광 검출 어레이 사이에 마이크로 렌즈 어레이를 배치한 것을 특징으로 하는 자유공간 광연결 모듈 구조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2, 제 3, 제 4 연결배선은 금속증착에의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자유공간 광연결 모듈 구조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 구리기판은 DLC(Diamond-Like Carbon) 절연막을 코팅하고 상기 각 광소자를 접합하며, 상기 DLC 절연막 일부분에 구멍을 형성하여 상기 구리기판을 접지수단으로 구성한 것을 특징으로 하는 자유공간 광연결 모듈 구조.
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