KR100437324B1 - 광어셈블리 - Google Patents

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KR100437324B1
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신지 츠지
류타 다카하시
마사토 시시쿠라
사토루 기쿠치
사토시 아오키
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닛뽕덴싱뎅와 가부시키가이샤
히다치도부 세미컨덕터 가부시키가이샤
히다치 덴센 가부시키 가이샤
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

광가입자 시스템, 국내(局內)교환시스템, 광인터커넥트시스템 등에 적용하는 저코스트 광모듈구성에 관한 것으로서, 발열이 큰 소자와 고임피던스의 광소자를 광도파로의 광축과 일치시키면서 동일한 광도파로 기판상에 저코스트로 실장할 수 있는 광어셈블리 구조를 제안하기 위해, 발열이 큰 반도체소자, 고임피던스의 광소자를 동일의 광도파로기판상에 광학적으로 저손실로 탑재할 수 있게 하기 위해 반도체기판의 볼록부상에 직접 또는 서브미크론 정도의 두께의 절연체층을 거쳐서 발열이 큰 소자를 접착시키는 한편, 고임피던스의 광소자는 반도체기판의 오목부상에 형성한 광도파로층을 광축이 일치하는 정도로 파내려가서 이 홈내에 탑재하고 각각의 광축높이를 독립으로 제어할 수 있고 또는 반도체기판의 전위를 전원전압 또는 접지전위로서 탑재되는 2개 이상의 소자에 있어서 순방향으로 바이어스되는 발열소자와 부유용량의 문제로 되는 역바이어스소자의 기판결정의 극성을 반전시키는 것으로 하였다.
이러한 것에 의해 발열이 큰 소자와 고임피던스의 광소자를 동일의 광도파로기판상에 광축을 일치시키면서 저코스트로 실장하는 것이 가능하게 된다.

Description

광어셈블리
본 발명은 광가입자 시스템, 국내(局內)교환시스템, 광인터커넥트시스템 등에 적용하는 저코스트 광모듈구성에 관한 것이다.
종래의 기술은 제5회 옵트 일렉트로닉스 컨퍼런스(1994년 7월)에 있어서 다부치 외(논문번호15B1-2), 야마다 외(논문번호15B1-3)에 의해 보고되고 있다. 또, 1995년 광섬유 커뮤니케이션 컨퍼런스에 있어서 야마다 외의 보고(논문번호PD12-2)가 있다.
종래기술의 광어셈블리구조를 도 1(A)에 도시한다. 도 1(B)는 I - I'단면도이다. 석영유리계와 광도파로(1)을 상면에 형성한 실리콘 기판(10)상에 모두 n형 기판의 반도체레이저(2), 도파로형 수광소자(3)을 탑재한 구조이다. 광도파로(1)은 실리콘기판(10)의 오목부에 석영유리로 이루어지는 하부클래드층(12)를 매립하고, 그 위에 석영유리로 이루어지는 조정용클래드층(13), 상기 하부클래드층에서 굴절률이 큰 광도파로코어(14)와 석영유리로 이루어지는 상부클래드층(15)가 형성되어 있다. 반도체레이저(2) 및 도파로형 수광소자(3)은 실리콘기판의 블목부(11)상의 유리를 선택적으로 에칭해서 형성한 소자탑재부(5)의 전극(729), (730)상에 광도파로(1)의 광입출력포트에 대향해서 고정되어 있다.
광도파로(1)과 광소자(2), (3)에는 저손실의 광결합이 요구되고 있고, 광도파로코어(14)의 광축위치와 탑재소자의 광축위치를 면내방향으로 일치시키기 위해 맞춤마스크를 사용한 정밀위치제어, 땜납의 표면장력을 이용한 셀프얼라인먼트 등의 방법이 저코스트실장방식으로서 제안되고 있다. 또, 위치어긋남의 영향을 적게 하기 위해 탑재하는 광소자의 스폿크기를 유리광도파로의 그것에 근접시키는 등의 연구가 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은 발열이 큰 소자와 고임피던스의 광소자를 광도파로의 광축과 일치시키면서 동일한 광도파로기판상에 저코스트로 실장할 수 있는 광어셈블리구조를 제안하는 것이다.
도 1(A), (B)는 종래의 광어셈블리구조를 도시한 도,
도 2(A), (B)는 본 발명의 제1, 제4의 실시예에 관한 구조를 도시한 도,
도 3은 제1의 실시예에 관한 광출력특성을 도시한 도,
도 4(A), (B)는 본 발명의 제2의 실시예에 관한 구조를 도시한 도,
도 5는 본 발명의 제2 전송보드로의 적용예를 도시한 도,
도 6(A), (B)는 본 발명의 제3의 실시예에 관한 구조를 도시한 도,
도 7(A), (B)는 본 발명의 제5의 실시예에 관한 구조를 도시한 도.
상기 목적을 달성하기 위해 반도체기판의 볼록부상에 직접 또는 서브미크론정도의 두께의 절연체층을 거쳐서 발열이 큰 소자를 접착시키는 것에 의해 저열저항의 탑재가 가능하게 된다. 이 탑재소자가 반도체레이저와 같은 광소자로 광도파로와의 광축을 일치시킬 필요가 있는 경우에는 볼록부상면과 코어층중심 위치간의 상대거리가 광소자의 결정두께와 전극, 땜납의 두께의 합과 일치하도록 제어해서 구성할 수 있다. 고임피던스의 광소자는 반도체기판의 오목부상에 형성한 광도파로층을 광축이 일치하는 정도로 파 내려가서 이 홈내에 탑재하면, 전도체인 실리콘기판의 전기적 영향이 거의 없는 상태에서의 탑재가 가능하게 된다.
또, 다른 방법으로서 외부회로와의 접속형태를 포함해서 등가적으로 고임피던스의 광소자의 부유용량을 저하하는 것도 가능하다. 즉, 반도체기판의 전위를 전원전압 또는 접지전위로서 탑재되는 2개 이상의 소자의 신호선을 반도체기판에 근접하지 않도록 하면 좋다. 이를 위해서는 순방향으로 바이어스되는 발열소자와 부유용량의 문제로 되는 역바이어스소자의 극성을 반전해서 탑재하는 구조로 하는 것에 의해 실현할 수 있다.
이상에 의해 발열이 큰 소자와 고임피던스의 광소자를 동일의 광도파로기판상에 광축을 일치시키면서 저코스트로 실장하는 것이 가능하게 된다.
<실시예 1>
본 발명의 실시예를 도 2(A)에 도시한다. 도 2(B)는 II -II '단면도이다. 상면에 볼록부를 갖는 실리콘기판(10)상에 전자빔증착법을 사용해서 석영유리로 이루어지는 하부클래드층(12)를 볼록부의 높이(20∼30㎛)보다 충분히 높게 형성시켰다.여기서, 실리콘은 볼록부(11)의 형상이 대칭으로 되도록 면방위(100)±5 °이하를 사용하였다. 그 후, 실리콘의 볼록부 상면이 완전히 노출될 때까지 하부클래드층을 연마하고, 실리콘 볼록부(11)과 하부클래드층(12)를 평활화하였다. 그 위에 티탄, 게르마늄 등을 첨가한 석영유리를 전자빔증착에 의해 형성하고, 패터닝해서 광도파로코어(14)를 형성하였다. 다음에, 무첨가의 석영유리를 전자빔증착하고, 상부클래드층(15)를 형성하였다. 그 후, 실리콘 볼록부 상면이 노출할 때까지 부분적으로 상부클래드층(15) 및 광도파로코어(14)를 불소계의 가스를 사용해서 드라이에칭하였다. 실리콘표면이 노출한 곳에서 정지하므로, 과잉하게 에칭해도 문제는 없다. 이 드라이에칭은 일부러 제2 소자탑재부(53)으로 되는 오목부의 깊이가 여기에 탑재하는 도파로형 수광소자(3)의 광축(31)과 광도파로 코어(14)의 광축이 일치하는 시점에서 에칭을 종료시켰다. 에칭속도는 매분 0.1∼1㎛정도로 제어할 수 있으므로, 시간관리로 재현성좋게 깊이제어가 가능하게 된다. 소자탑재부(53)의 표면에서 실리콘기판(10)까지의 두께를 10미크론 이상으로 했으므로, 도파로형 수광소자에 있어서 실리콘기판(10)을 거친 부유용량의 증가는 0.02pF 이하이다.
다음에, 제 1 광소자 탑재부(52)의 광도파로코어(14)의 광축위치와 반도체레이저(2)의 광축위치가 일치하고 있지 않으므로, 실리콘을 선택적으로 에칭해서 제2 탑재부(53)에 영향을 미치는 일 없이 제 1 광소자탑재부(52)의 높이만을 조정하였다. 이것에 의해 2개의 소자탑재부(52), (53)의 광축위치를 독립해서 조정할 수 있었다. 다음에, 소자 탑재부(52), (53)에 티탄, 백금, 금으로 이루어지는 전극층을 전자빔증착법에 의해 형성하고, 소자전극형상에 맞추어 패터닝하고, 전극(720),(721), (722), (730), (731), (732)를 형성해서 광도파로기판(100)을 얻었다. 본 실시예에 있어서는 광도파로(1)의 표면형상을 Y자형으로 해서 1단자를 광의 입출력포트, 분기후의 2단자를 소자탑재부(52)상의 반도체레이저(2), 소자탑재부(53)상의 도파로형 수광소자(3)에 접속하는 포트로 하였다. 또한, 소자탑재를 위한 인덱스패턴은 전극패턴과 동시에 형성하였다. 또, 탑재에 사용한 반도체레이저(2)의 결정기판(20) 및 도파로형 수광소자(3)의 결정기판(30)은 모두 n형의 InP결정이다.
다음에, 전극(720)상에 AuSn박막땜납(82)(두께 1∼6㎛)를 형성한 반도체레이저(2)를 적외선 투과법을 사용한 인덱스얼라인먼트법을 사용해서 탑재하였다. 반도체레이저(2)상에 새긴 인덱스패턴과 소자탑재부(52)의 실리콘상면에 새긴 인덱스패턴을 동시에 적외선으로 투과시키고, 이들을 적외선 TV카메라로 관측하는 것에 의해 패턴간의 상대적인 위치어긋남을 검지하여 위치맞춤하였다. 위치맞춤 후, 가열해서 땜납(82)를 용융시키고 반도체레이저(2)를 고정하였다. 다음에, 동일 방법으로 도파로형 수광소자(3)을 소자탑재부(53)에 고정하였다. 전극(720), (721) 사이 및 반도체레이저(2), 전극(722) 사이를 금와이어(9)로 접속해서 반도체레이저(2)의 전기적 접속을 취하였다. 또, 전극(730), (731) 사이 및 도파로형 수광소자(3), 전극(732)사이를 금와이어부로 접속해서 도파로형 수광소자(3)의 전기적 접속을 취하였다.
광어셈블리의 시작후, 입출력포트에 섬유를 접속해서 광출력특성, 감도특성을 평가하였다. 도 3에 3대분의 광출력특성을 도시한다. 반도체레이저(2)를 구동하고, 동작전류50mA로 섬유광출력 1mW가 얻어졌다. 탑재전의 광출력특성과 비교하는것에 의해 반도체레이저 (2)의 탑재후의 위치어긋남오차를 1㎛이내로 제어할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또, 수광감도는 0.31A/W로 충분한 감도특성이 얻어졌다. 도파로형 수광소자(3)의 위치어긋남오차도 1㎛이내였다. 또, 반도체레이저의 열저항은 ∼40℃/W로서 충분한 방열특성을 확보할 수 있는 것을 확인하였다. 수광소자의 용량은 실장분 포함해서 IpF 이하이었다.
<실시예 2>
본 발명의 실시예를 도 4(A)에 도시한다. 도 4(B)는 IV-IV'단면도이다. 상면에 볼록부를 갖는 실리콘기판(10)상에 전자빔증착법을 사용해서 석영유리로 이루어지는 하부클래드층(12)를 볼록부(11)의 높이(20∼30㎛)보다 충분히 높게 형성하였다. 여기서, 실리콘은 볼록부의 형상이 대칭으로 되도록 면방위(100)±5 °이하를 사용하였다. 그 후, 실리콘의 볼록부(11)의 상면이 완전히 노출될 때까지 하부클래드층을 연마하고, 실리콘 볼록부(11)과 하부클래드층(12)를 평활화하였다. 그 위에 석영유리로 이루어지는 조절용 클래드층(13)을 퇴적한 후, 티탄, 게르마늄 등을 첨가한 석영유리를 전자빔증착에 의해 형성하고 패터닝해서 광도파로코어(14)를 형성하였다. 다음에, 무첨가의 석영유리를 전자빔증착하고, 상부클래드층(15)를 형성하였다. 그 후, 실리콘볼록부(11)의 상면이 노출할 때까지 부분적으로 상면클래드층(15) 및 광도파로코어(14)를 불소계의 가스를 사용해서 드라이에칭하였다. 실리콘표면이 노출한 곳에서 정지하므로, 과잉하게 에칭해도 문제는 없다. 또한, 조정용 클래드층(13)은 광도파로 코어(14)의 광축위치와 반도체레이저(2) 및 도파로형 수광소자(3)의 광축위치(21), (31)을 일치시키기 위해 형성하였다.
다음에, 소자탑재부(52), (53)에 두께 0.5미크론이하의 실리콘산화막(16)을 형성한 후, 티탄, 백금, 금으로 이루어지는 전극층을 전자빔증착법에 의해 형성하고 소자전극형상에 맞추어 패터닝하여 광도파로기판을 얻었다. 또한, 소자탑재를 위한 인덱스패턴은 전극패턴과 동시에 형성하였다. 또한, 본 실시예에 있어서도 광도파로형 코어(14)의 표면형상을 Y자형으로 해서 1단자를 광의 입출력포트, 분기후의 2단자를 소자탑재부(52)상의 반도체레이저(2), 소자탑재부(53)상의 도파로형 수광소자(3)에 접속하는 포트로 하였다.
다음에, 전극표면에 AuSn박막땜납(82)(두께 1∼6㎛)를 형성한 반도체레이저(2)를 적외선 투과법을 사용한 인덱스얼라인먼트법을 사용해서 탑재하였다. 반도체레이저(2)상에 새긴 인덱스패턴과 소자탑재부(52)의 실리콘상면에 새긴 인덱스패턴을 동시에 적외선으로 투과시키고, 이들을 적외선 TV카메라로 관측하는 것에 의해 패턴사이의 상대적인 위치어긋남을 검지하여 위치맞춤하였다. 위치맞춤 후, 가열해서 땜납을 용융시키고 반도체레이저(2)를 고정하였다. 다음에, 동일방법으로 도파로형 수광소자(3)을 소자탑재부(53)에 고정하였다. 소자탑재후, 홈을 피복하도록 유리로 이루어지는 덮개(61)을 씌우고 수지(62)로 고정하였다. 이 덮개의 적용에 의해 섬유접속공정에서의 소자파손이 없어지고 안정한 광어셈블리시작이 가능하게 되었다.
본 실시예에서는 실시예1과 달리 반도체레이저(2)에 의해 n형의 InP결정, 도파로형 수광소자(3)에는 p형의 InP결정을 사용하였다. 이것에 의해 실리콘 기판을 전원전압으로 광통화해서 도파로형 수광소자의 신호선을 결정기판측에 배치할 수있어 부유용량의 증가분을 0.3pF이하로 억제할 수 있었다.
광어셈블리(100)의 시작후, 입출력포트에 섬유(104)를 유리블럭(103)을 사용해서 접속하고 광출력특성, 감도특성을 평가하여 실시예1과 동일 특성을 얻었다. 그래서, 도 5에 도시한 바와 같이 광어셈블리(100)을 레이저구동용IC(105), 프리엠프IC(106)과 함께 프린트기판(101)상에 실장하였다. 이것을 도 5에 도시한다. 시작보드를 2대 준비해서 대향시켜 전송특성을 평가하였다. 전송속도는 30Mb/s, 전송거리는 5Km로 한 결과, 부호에러률(10)의 -9승이하의 전송이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 3>
본 발명의 제3실시예를 도 6(A)에 도시한다. 도 6(B)는 VI-VI'단면도이다. 여기에서는 실시예2에 있어서 덮개를 닫는 대신에 소자(2) 및 (3)을 보호할 목적으로 홈부에 에폭시계 수지(63)을 매립한 구조로 하였다. 수지매립에 의해 소자특성은 거의 저하하지 않았다. 본 발명의 모듈11대를 온도85℃, 상대습도90%Rh의 고온가습로내에 방치해서 광출력특성, 광감도특성의 저하를 평가하였다. 2000시간의 시험경과후에는 어디에도 특성저하가 발견되지 않는다. 한편, 비교로서 수지매립이 없는 경우에는 200∼500시간 경과한 시점에서 수광소자(3)의 암전류가 급속히 증가하는 결과로 되어 수지매립의 효과가 확인되었다.
<실시예 4>
본 발명의 제4실시예에서는 실시예3에 있어서 광도파로를 석영유리에서 폴리이미드로 재료를 바꾼 구조로 하였다. 클래드층(12), (13), (15)에는 불소 치환 폴리이미드를 사용하고, 코어와의 굴절류차가 1%로 되도록 해서 광도파로를 형성하였다. 광도파로(1)에 유기재료를 사용했으므로, 스핀코팅에 의한 단시간에서의 막형성이 가능하게 되어 저 코스트가 한층 용이하였다. 또한, 매립하는 수지는 실시예3과 마찬가지로 에폭시수지를 사용하였다.
<실시예 5>
본 발명의 제5실시예를 도 7(A.)에 도시한다. 도 7(B)는 VII-VII'단면도이다. 도파로 어레이(110)에 도파로형 수광소자 어레이(3)이 광학적으로 접속하는 구성으로 하였다. 탑재에 사용한 광도파로기판의 시작프로세스는 실시예1과 동일하다. 본 실시예에서는 실리콘볼록부상에 형성한 소자탑재부(54)에 10채널의 프리엠프IC어레이(4)를, 실리콘 오목부의 유리면을 파 내려가서 형성한 소자탑재부(52)에 10채널의 도파로형 수광소자 어레이(3)을 탑재한 프리엠프IC(4)는 1Gb/s정도까지의 고속동작을 실행하므로, Si바이폴라 프로세스에 의해 시작하였다. 도파로형 수광소자 어레이(3)은 10채널의 어레이로 이루어지는 광도파로 코어(14)에 접속하는 구조로 하였다. 본 어셈블리에 10채널의 섬유를 조립하여 수광감도를 측정한 결과, 0.85±0.02A/W에서 채널간 편차가 작은 수광특성을 나타내었다. 또, 채널당의 매분200비트, 전송거리100m에서의 수신특성을 평가하였다. 각 채널모두 수십시간 이상 에러프리동작 하였다. 도파로형 수광소자의 적용에 의해 전기배선면내와 광의 입사면의 일치가 용이하므로, 간단한 모듈을 실현할 수 있었다.
본 발명에서는 광도파로(1)의 광축높이에 대한 반도체 수광소자(3) 및 반도체 발광소자(2)의 각각의 광축높이는 ±3미크론 이내로 조정되어 있다.
본 발명에 의하면, 발열이 큰 소자와 고임피던스의 광소자를 광도파로의 광축과 일치시키면서 동일한 광도파로기판상에 탑재 가능하게 된다. 이것에 의해 광도파로상에 여러가지의 광소자, 전기소자를 조립한 하이브리드 광회로를 저코스트로 실장할 수 있다. 이 때문에 각 가정까지 광섬유를 배선해서 멀티미디어 대응의 대용량의 통신이 가능하게 된다. 또, 장치간의 배선에 광섬유를 도입하는 것이 가능하게 되므로, 병렬연산처리의 대규모화가 용이하게 실현되는 등의 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 광신호의 송수신이 가능한 광어셈블리에 있어서,
    볼록부를 갖는 하나의 반도체기판;
    상기 반도체기판상에 형성된 제1 유전체층 및 제2 유전체층;
    상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층에 의해 협지되고, 또한 그의 굴절률이 상기 제1 및 제2 유전체층보다 큰 코어에 의해 구성된 광도파로;
    상기 반도체기판의 볼록부상에 배치된 반도체 레이저소자 및;
    상기 반도체기판에 마련된 오목부상에 있어서 상기 제1 유전체층을 파내려간 홈내에 배치된 수광소자를 포함하고,
    상기 광도파로의 표면형상은 Y자형상이고,
    분기한 상기 광도파로의 하나의 끝부에서 상기 반도체 레이저소자와 상기 광도파로의 광축은 일치하고, 분기한 상기 광도파로의 다른 끝부에서 상기 수광소자와 상기 광도파로의 광축은 일치하는 것을 특징으로 하는 광어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체기판 볼록부상에 절연막이 형성된 것을 특징으로 하는 광어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수광소자가 광도파로 구조를 갖고 있고, 배치된 광축 높이가 ±3미크론 이내에서 반도체기판상의 광도파로 광축높이와 일치한 것을 특징으로 하는 광어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체기판이 (100)±5° 면방위의 실리콘인 것을 특징으로 하는 광어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로를 구성하는 유전체가 실리콘의 산화물을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 광어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저소자가 광도파로 구조를 갖고, 그의 광축높이가 ±3미크론 이내에서 상기 반도체기판상의 광도파로 광축높이와 일치한 것을 특징으로 하는 광어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수광소자를 탑재한 홈이 덮개에 의해 덮여진 것을 특징으로 하는 광어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수광소자를 탑재한 홈 중, 광통과경로 부분이 수지에 의해 매립된 것을 특징으로 하는 광어셈블리.
  9. 광신호의 송수신이 가능한 광어셈블리를 사용한 광전송모듈로서,
    상기 광어셈블리는
    볼록부를 갖는 하나의 반도체기판;
    상기 반도체기판상에 형성된 제1 유전체층 및 제2 유전체층;
    상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층에 의해 협지되고, 또한 그의 굴절률이 상기 제1 및 제2 유전체층보다 큰 코어에 의해 구성된 광도파로;
    상기 반도체기판의 볼록부상에 배치된 반도체 레이저소자 및;
    상기 반도체기판에 마련된 오목부상에 있어서 상기 제1 유전체층을 파내려간 홈내에 배치된 수광소자를 포함하고,
    상기 광도파로의 표면형상은 Y자형상이고,
    분기한 상기 광도파로의 하나의 끝부에서 상기 반도체 레이저소자와 상기 광도파로의 광축은 일치하고, 분기한 상기 광도파로의 다른 끝부에서 상기 수광소자와 상기 광도파로의 광축은 일치하는 것을 특징으로 하는 광전송모듈.
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