KR100749528B1 - 광 접속 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광의 수직 접속을 위한 광 접속 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서 전극 패드와 소정의 회로 패턴이 형성된 기판, 상기 기판 상에 구비되며 광신호를 발생시켜 외부로 방출하는 광원부, 상기 광원부로부터 전송되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부, 상기 기판 상에 구비되며 상기 전극 패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원부와 상기 광검출부를 구동시키는 구동부 및 클래드층과 그 위에 적층되는 코어층을 포함하며 광원부측과 대향하는 상기 코어층의 단부에는 타원 형상의 반사 거울면을 형성하는 광 도파로를 포함하며, 광신호의 전반사를 일으키고, 광원부에서 광도파로로 수직 연결되는 광선의 전달손실을 완벽하게 방지할 수 있는 이점이 있다.
전반사, 반사 거울면, 타원형상, 광 도파로, 파티션 블록, 광 접속 모듈

Description

광 접속 모듈 및 그 제조 방법{Optical interconnection module and manufacturing method thereof}
도1은 종래의 병렬 광접속 모듈의 도파로의 측면도이다.
도2a는 본 발명에 따른 광도파로의 단부에 적용되는 반사 거울면을 이루는 타원의 반사특성도이고, 도2b는 전반사 조건을 만족하는 영역의 설명도이다.
도3과 같이 본 발명에 따른 광도파로의 단부에 적용되는 반사 거울면을 이루는 타원의 극좌표계도이다.
도4는 본 발명에 따른 광도파로의 단부에 적용되는 반사 거울면을 이루는 타원의 장축과 단축의 비에 따른 전반사영역의 길이를 설명하는 그래프이다.
도5는 본 발명에 따른 광도파로의 단부에 적용되는 반사 거울면에 타원 형상을 정렬시킨 설계도이다.
도6은 본 발명에 따른 타원형 반사 거울면을 갖는 광도파로에서 나타나는 광 반사를 설명하는 모식도이다.
도7은 본 발명에 따른 광 접속 모듈에서 수직 광 연결을 위한 광 도파로의 구조를 나타내는 모식도이다.
도8은 본 발명에 따른 광 접속 모듈의 개략 단면도이다.
도9는 상기 도8에 도시된 광 접속 모듈에 배치된 광 도파로의 상세도이다.
도10a 내지 도 10g는 본 발명에 따른 광 접속 모듈을 제작하기 위한 공정 순서를 설명하는 평면도들 및 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 인쇄회로기판 11, 31, 71, 81 : 전극 패드
20, 80 : 구동부 22, 23, 82, 83 : 본딩 와이어
24, 84 : 접지전극 30 : 광원부
32, 72 : 솔더 범프 40 : 광 도파로
41 : 광 도파로 기판 45 : 반사 거울면
46 : 파티션 블록 48 : VCSEL/PD 정렬마크
70 : 광 검출부 90 : 하우징
본 발명은 광의 수직 접속을 위한 광 접속 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광의 수직 접속을 하는 경우 광 도파로에서 결합손실을 최소화할 수 있는 타원형 반사 거울면 구조가 형성된 광 도파로를 포함하는 광 접속 모듈과 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 저속의 전자 시스템에서 회로 기판과 회로기판, 칩과 칩 또는 시스템간의 연결은 전기적인 금속 케이블을 통하여 이루어지나, 대용량 병렬 컴퓨터로 구성되는 차세대 정보통신 시스템이나 1Tb/s급 이상의 ATM 스위칭 시스템 등에 서와 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.
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 광 수신 소자를 직접 결합시키는 방식, 45°의 경사각으로 위치된 반사경을 구비하는 폴리머(polymer) 광도파로에 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 소자인 광원으로는 대개 표면방출 레이저(VCSEL:vertical cavity surface emitting laser) 어레이가 사용되며, 광 수신 소자 즉 검출기는 포토 다이오드(photo diode) 어레이가 사용된다.
상기 광원에서 광을 수직 연결하여 광 도파로에 결합하는 기술을 이용한 다양한 광모듈 또는 광 접속 모듈이 발표되었다.
그중에, 국내특허출원 제2000-73642호에 개시된 광 모듈은 출사구를 통해 발진된 광이 광도파로에 의해 90°로 반사된 후 기판에 형성된 코어를 따라 광 콘넥터와 연결된 광섬유로 전달되도록 구성된다.
한편, 한국 공개특허공보 제2003-94712에는 광섬유와의 결합시 정렬오차로 인해 발생되는 결합 손실을 감소시킬 수 있도록 한 렌즈형 반사면을 갖는 광도파로 를 구비하는 병렬 광접속용 광송신/수신 모듈에 대하여 개시되어 있다.
도1은 상기 한국공개특허공보 제2003-94712호에 개시된 반사곡면을 가지는 광 도파로의 구조도이다.
상기 도1을 참조하면, 상기 광 도파로의 코어(42)의 종단부는 소정의 곡률 반경을 가지는 곡면으로 이루어진 반사면(44)이 형성되어 있다.
상기 코어(42)는 일정 범위의 파장을 갖는 광이 투과될 수 있는 폴리머 또는 에폭시 계열의 물질로 형성되는데, 상기 물질의 종단부를 소정의 곡률 반경을 갖도록 둥글게 가공하여 코어(42)로 집속되는 가공면의 반사율이 높아지도록 하는 것으로 광 도파로(40)의 끝부분에서 원형의 곡면 반사면(44)을 형성하고 있다.
그러나, 종래에 발표된 45° 반사 거울면이나 상기 도1에 도시된 원형의 곡면 반사 거울면에 있어서, 상기 광원부(30)에서 입사되는 광선이 모두 전반사되지 않고 일부 광선이 광 도파로 외부로 빠져나가서 손실이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 원형의 곡면이라 하더라도 2차원적인 곡면에 의한 반사면으로 구성되어 있으므로 폭(광도파로의 좌우)방향에서는 광선이 반사된 후 광도파로를 벗어나게 되는 문제점도 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 광 도파로를 이루는 코어의 단부에 광신호의 전반사를 일으키고, 광원부에서 광도파로로 수직 연결되는 광선의 전달손실을 완벽하게 방지할 수 있도록 광 도파로의 단부를 타원 곡면 중의 전반사부분으로 반사 거울면을 형성하고, 상기 타원 곡면의 한 촛점에 광원부를 위치시키 고 상기 반사 거울면에 반사된 반사광의 진행 경로와 상기 타원 곡면의 다른 촛점과 평행하게 정렬된 광 도파로를 포함하는 광 접속 모듈을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 타원 곡면으로 이루어진 광 도파로를 정렬하여 이루어지는 광 접속 모듈의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 접속 모듈은, 전극 패드와 소정의 회로 패턴이 형성된 기판, 상기 기판 상에 구비되며 광신호를 발생시켜 외부로 방출하는 광원부, 상기 광원부로부터 전송되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부, 상기 기판 상에 구비되며 상기 전극 패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원부와 상기 광검출부를 구동시키는 구동부 및 클래드층과 그 위에 적층되는 코어층을 포함하며 광원부측과 대향하는 상기 코어층의 단부에는 타원 형상의 반사 거울면을 형성하는 광 도파로를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 광원부에서 광 송신 소자인 광원이 상기 타원형상의 반사 거울면에 입사되는 입사각은 다음식
Figure 112005055804797-pat00001
여기에서,
Figure 112005055804797-pat00002
,
PF는 타원상의 한점에서 초점F까지의 거리,
PF'는 타원상의 한점에서 초점F'까지의 거리,
FF'는 초점간의 거리,
에 의해 정해지는 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 광원부는 표면방출레이저(VCSEL) 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 광원부는 상기 반사 거울면을 형성하는 타원의 한 초점에 위치하고 상기 반사 거울면에서 전반사된 광속의 진행방향이 타원의 다른 초점과 평행하도록 상기 광 도파로가 정렬되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 타원형상의 반사 거울면으로 적용되는 타원의 전반사 영역의 길이(l)는 다음식
Figure 112005055804797-pat00003
여기서,
Figure 112005055804797-pat00004
는 타원의 중심 O와 임계각이 시작되는 점 Pc(x c , y c )을 잇는 선
Figure 112005055804797-pat00005
와 x축 사이의 각도,
a는 타원의 장축의 길이,
b는 타원의 단축의 길이,
로 정해지고, 상기
Figure 112005055804797-pat00006
의 값은 다음식
Figure 112005055804797-pat00007
여기서,
Figure 112005055804797-pat00008
,
Figure 112005055804797-pat00009
, 원점과 초점과의 거리
Figure 112005055804797-pat00010
, 원점과 점 P c (x c , y c ) 사이의 거리
Figure 112005055804797-pat00011
, 초점과 점 P c (x c , y c ) 사이의 거리,
에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 타원의 장축의 길이를 a, 타원의 단축의 길이를 b라 할때, 장축과 단축의 비 a/b가 약 2가 되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 타원 형상의 반사 거울면은 3차원 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 타원 형상의 반사 거울면의 양측 단부와 상기 광도파로의 측단부에 파티션 블록이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 타원 형상의 반사 거울면은 상기 광 검출부측과 대향하는 상기 광도파로의 코어층의 단부에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 광원부, 광 검출부, 구 동부 및 그 연결 배선을 보호하는 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 있어서, 상기 광 검출부는 포토 다이오드 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 광 접속 모듈의 제조방법은, 광 도파로 기판에 클래딩층, 상기 클래딩층 위에 코어층을 적층하고 상기 코어층의 양측 단부에 으로 파티션 블록을 형성하여 상기 파티션 블록과 상기 코어 층의 단부에 의해 만들어진 공간에 타원 형상의 반사 거울면을 형성하는 광 도파로를 준비하는 단계, 상기 광도파로 기판 상에 광원부와 상기 광 검출부를 연결하기 위한 전극 패드를 형성하고, 상기 전극 패드의 일단부에 솔더 범프를 준비하는 단계, 상기 광원부와 상기 광 검출부를 상기 솔더 범프와 연결하여 상기 광 도파로 기판 상에 실장하는 단계, 미리 가공된 인쇄회로기판의 소정 위치에 상기 광원부와 광 검출부가 실장된 광 도파로 기판를 결합시키는 단계 및 상기 인쇄회로기판 상에 형성된 접지전극 위에 구동부를 실장하여, 상기 광원부 및 상기 광 검출부와 각각 접속하고 외부 전기 접속을 위하여 상기 인쇄회로기판 상에 형성된 전극 패드에도 연결하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈의 제조 방법에 있어서, 상기 광 도파로와 이에 결합된 광원부, 광 검출부 및 그 연결 배선을 보호하기 위하여 하우징을 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광 접속 모듈의 제조 방법에 있어서, 상기 파티션 블록에 타원 형상의 반사 거울면이 형성된 광 도파로에는 상기 광 도파로의 기판 위 에 실장되는 광원부 또는 광 검출부를 정렬하기 위한 키 또는 마크가 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 도면에 도시된 실시예에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도2a는 본 발명의 광도파로의 단부에 적용되는 반사 거울면의 구조에 채용되는 타원의 반사특성도이고, 도2b는 전반사 조건을 만족하는 영역을 설명하기 위한 설명도이다.
도2a에서, 타원의 표면이 거울면이라면 한 초점 F'에서 나온 빛은 타원 표면에서 반사되어 모두 다른 초점 F로 모이는 특성을 갖는다.
타원의 표면이 거울면이 아니고 n1의 굴절률을 갖는 물질인 경우에도, 타원 내부의 굴절률 n1이 바깥쪽의 굴절률 n2보다 크며 (즉,
Figure 112005055804797-pat00012
), 그림 2에서처럼 전반사 조건을 만족하는 영역이 존재하게 된다.
장축과 단축의 길이가 각각 a, b인 도 2b의 타원에서 전반사 조건을 만족하는 영역을 계산할 수 있다.
삼각형 PFF'에서 삼각법칙을 이용하면 타원상의 한 점 P(x, y)에서의 입사각
Figure 112005055804797-pat00013
(또는
Figure 112005055804797-pat00014
∠FPF')는 다음 식과 같이 표현된다.
Figure 112005055804797-pat00015
(1)
즉,
Figure 112005055804797-pat00016
(2)
여기에서
Figure 112005055804797-pat00017
(3)
Figure 112005055804797-pat00018
(4)
Figure 112005055804797-pat00019
(5)
Figure 112005055804797-pat00020
(6)
전반사(total reflection) 조건을 만족하는 임계각(critical angle)
Figure 112005055804797-pat00021
는 다음 식과 같다.
Figure 112005055804797-pat00022
(단,
Figure 112005055804797-pat00023
) (7)
즉,
Figure 112005055804797-pat00024
(8)
결과적으로 입사각
Figure 112005055804797-pat00025
가 임계각
Figure 112005055804797-pat00026
보다 더 큰 조건, 즉,
Figure 112005055804797-pat00027
을 만족하는 타 원상의 임의의 점 P에서는 항상 전반사가 일어난다.
타원에서 이러한 전반사 조건을 만족하는 영역은 도 2b에서 굵은 선으로 표현된 것처럼 타원의 단축을 중심으로 양쪽 대칭적으로 존재한다. 초점 F'에서 출발한 광중에서 타원의 전반사 영역에 입사한 광(도 2b의 광선 I과 II의 경우)은 모두 전반사 되어 다른 초점 F에 모이게 된다.
그러나 전반사 영역을 벗어난 타원 표면에 입사된 광(도 2b의 III와 IV의 경우)은 타원 밖으로 빠져 나가게 된다.
식 (1)에서 식 (8)까지를 수식과,
Figure 112005055804797-pat00028
조건을 이용하여 타원에서의 전반사 영역을 계산하였다.
예를 들면, 장축의 길이 a를 100으로 할 때 장축과 단축의 비 a/b에 따른 입사각을 x축의 위치에 대하여 타원 내부의 굴절률 n1=1.5, 타원 외부의 굴절률은 n2=1로 하면 이 때의 임계각은
Figure 112005055804797-pat00029
=41.81°가 된다.
이때, 장축과 단축의 비 a/b가 너무 작으면, 타원의 모든 점에서 입사각이 임계각
Figure 112005055804797-pat00030
=41.81° 보다 작게 되어 전반사 조건을 만족하는 영역이 존재하지 않게 되고, 비 a/b가 증가하면 전반사 조건을 만족하는 x축의 범위가 증가한다.
하지만 비 a/b의 증가에 따라서 전반사 조건을 만족하는 x축의 범위가 증가하더라도 타원 상에서 전체 전반사 영역의 길이는 항상 증가하지는 않는다.
한편, 타원에서 전체 전반사 영역의 전체 길이는 도 3과 같이 극좌표계를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112005055804797-pat00031
(9)
여기에서
Figure 112005055804797-pat00032
는 원점 O와 전반사 영역의 임계각이 시작되는 점 Pc을 잇는 선
Figure 112005055804797-pat00033
와 x축 사이의 각도이고, r은 원점과 타원상의 한 점과의 거리이다. 전반사 영역이 좌우 대칭이기 때문에 식 (9)를 다음 식과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112005055804797-pat00034
(10)
여기에서
Figure 112005055804797-pat00035
는 간단히 해석적으로 구할 수 없으며, 다음의 과정을 통하여 계산하다. 먼저, 다음 식 (11)의 조건을 만족하는 타원상의 전반사가 시작되는 점
Figure 112005055804797-pat00036
를 수치해석적 방법을 이용하여 구한다.
Figure 112005055804797-pat00037
(11)
식 (11)로부터 계산된 전반사가 시작되는 점의 좌표
Figure 112005055804797-pat00038
와 식 (12)를 이용하여
Figure 112005055804797-pat00039
를 구할 수 있다.
Figure 112005055804797-pat00040
(12)
여기에서
Figure 112005055804797-pat00041
(13)
Figure 112005055804797-pat00042
(14)
Figure 112005055804797-pat00043
(15)
Figure 112005055804797-pat00044
(16)
도4는 식 (10)과 식 (12)를 이용하여 장축과 단축의 비 a/b에 따른 타원의 전체 둘레와 전반사 영역의 길이를 계산한 결과이다. 장축과 단축 비 a/b가 증가함에 따라서 단축 b가 작아지기 때문에 전체 타원의 둘레는 지속적으로 감소한다. 그러나 전반사 영역의 길이는 어느 시점까지 증가하다가 다시 감소하는 경향을 보인다. 이는 장축과 단축 비 a/b가 작은 영역에서는 비 a/b의 증가에 따라서 타원의 전체 둘레가 감소하지만 전반사 조건을 만족하는 x축의 길이의 증가량이 크기 때문에 전체 전반사 영역의 길이가 증가하게 된다. 하지만 비 a/b가 큰 영역에서는 타 원의 전체 둘레 감소량이 전반사 조건을 만족하는 x축의 길이의 증가량보다 크기 때문에 비 a/b의 증가에 따라서 전반사 영역의 길이가 감소하게 된다.
따라서, 도4에서 도시되는 바와 같이, 장축과 단축의 비 a/b가 대략 2가 될 때 가장 큰 범위의 전반사 영역을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이제, 수직 광연결을 위한 타원형 거울면을 갖는 광도파로를 상기의 조건을 이용하여 설계할 수 있다.
충분한 전반사 영역을 갖도록 장축과 단축의 비 a/b를 결정한 후, 도5와 같이 광도파로를 전반사 영역의 중앙에 맞게 정렬을 하고 광원을 초점 F'에 위치하게 설계한다.
이때 도5에서처럼 광도파로(40)와 전반사영역이 중앙(y축)에서 초점 F로 향하는 광선과 평행하게 정렬을 한다.
광도파로(40)의 폭에 맞게 타원의 전반사 영역을 선택하고 광도파로(40)가 x축에 평행하게 회전을 하면 도 6과 같은 타원형 거울면(45)을 갖는 광도파로(40)를 구현할 수 있다.
이렇게 설계된 타원형 거울면(45)은 광원(초점 F')에 위치한 광원으로부터 나오는 광선을 100% 반사하여 광도파로(40) 내부의 초점 F에 모이게 하고, 광도파로(40)를 따라서 진행하게 된다.
도7은 수직 광 연결을 위한 광 도파로의 구조를 나타내는 모식도이다.
도7에서, 상기 광도파로(40)는 기판 위에 형성된 클래드층(42) 위에 코어층(43)을 형성하여 이루어진다.
광원으로 사용되는 VCSEL에서 방출되는 광은 광도파로(40)의 코어층(43) 단부에 형성된 타원형 반사면(45)에 반사되고 광도파로(40)의 길이 방향으로 전달된다.
도7과 같은 간단한 광도파로(40) 구조를 이용하여 제안한 타원형 거울면의 결합효율 및 결합허용 오차를 계산하였다.
도7에서 hcore, hcladding, ncore, ncladding, nair은 각각 코어의 높이, 클래딩의 높이, 코어의 굴절률, 클래딩의 굴절률, 그리고 공기의 굴절률을 나타낸다. 결합효율 계산시 사용한 파라메타는 hcore=50μm hcladding=70μm, ncore=1.51, ncladding=1.49, nair=1이다. 그리고 VCSEL의 방사각은 15°를 사용하였고, 모의실험은 상용 툴인 LightTools 프로그램을 이용하여 수행하였다.
타원의 초점 F'에 위치 한 VCSEL을 기준으로 x, y, z의 세 방향으로 벗어난 정도 따른 결합효율을 계산하여 결합허용 오차를 구하였다.
실험결과, x축 방향의 정렬 오차에 따른 결합효율을 계산한 결과로 약 ±18μm의 정렬오차 범위 내에서 100%의 결합효율을 갖는 것 확인할 수 있다. 그리고 3dB 결합효율은 약 ±25μm 이상의 허용 오차를 갖는다.
또한, y축 방향의 정렬오차에 대한 결합효율을 계산한 결과는 약 45μm의 정렬오차 범위에서 100%의 결합효율 갖고, 3dB 결합효율은 170μm 이상의 허용 오차를 갖는다.
또한, z축 향의 정렬오차에 대한 결합효율을 계산한 결과에 의하면 -z축 방 향으로는 10μm 이상의 정렬오차 범위에서 100%의 결합효율을 갖지만, +z축 방향으로는 5μm정도의 범위에서만 100%의 결합효율을 갖는 것을 확인할 수 있다. 따라서 VCSEL과 타원형 거울면 사이의 광결합 시 +z축 방향의 정렬오차가 전체 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에, 특히 +z축 정렬에 주의를 해야만 한다.
상기와 같이 타원 곡면에서 전반사를 일으키는 영역을 취하여 광 접속 모듈을 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 광의 수직 연결을 위한 광 접속 모듈은 도8에 도시된 바와 같이, 전극 패드(11)와 소정의 회로 패턴이 형성된 인쇄회로 기판(10), 상기 인쇄회로 기판(10) 상에 구비되며 광신호를 발생시켜 광도파로(40)쪽으로 방출하는 광원부(30), 상기 광원부(30)에서 전송되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부(70), 상기 인쇄회로 기판(10) 상에 구비되며 상기 전극 패드(11)를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원부(30)와 상기 광검출부(70)를 구동시키는 구동부(20, 80), 및 클래드층(42)과 그 위에 적층되는 코어층(43)을 포함하며 광원부(30)측과 대향하는 상기 코어(43)층의 단부에는 타원 형상의 반사 거울면(45)을 형성하는 광 도파로(40)를 포함한다.
상기 광원부(30)는 광원으로 사용되는 표면방출 레이저를 포함하며, 광도파로(40)에 대향하여 광원부(30)로부터 발생된 광이 방출되어 광신호를 광 도파로(40)로 전달하게 된다.
또한, 상기 광원부(30)는 상기 반사 거울면(45)을 형성하는 타원의 한 초점에 위치하고 상기 반사 거울면(45)에서 전반사된 광속의 진행방향이 타원의 다른 초점과 평행하도록 상기 광 도파로(40)가 정렬된다.
상기 기판(10)에는 임피던스 정합뿐만 아니라 누화나 스큐가 낮은 물질인 FR-4, 세라믹으로 이루어진 인쇄회로기판을 이용하며, 상기 기판(10) 상에는 전극패드(11)와 회로패턴 등이 형성된다.
상기 구동부(20)는 기판(10) 상에 형성된 접지전극(24) 위에 접착된다.
또한, 상기 구동부(20)는 본딩 와이어(22)에 의하여 전극 패드(11)에 연결되고 또 다른 본딩 와이어(23)에 의하여 광원부(30)가 접촉하는 전극패드(31)에 연결된다.
상기 광원부(30)는 상기 광도파로의 기판(41) 위에 설치된 전극 패드(31)와 솔더링에 의한 솔더범프(32)에 의해 연결되어, 상기 구동부(20)로부터 상기 광원부(30)로 전기 신호가 전달되도록 한다.
상기 광도파로(40)의 다른 한쪽에는 광 검출부(70)로서 포토다이오드(PD) 어레이가 설치되어 있다.
상기 광 검출부(70)는 상기 광도파로 기판(41) 위에 설치된 전극패드(71)와 솔더펌프(72)에 의해 연결되고, 상기 광 검출부(80)에서 검출된 전기 신호는 상기 전극패드(71)와 본딩 와이어(82)로 연결되는 구동부(80)에서 증폭시켜 상기 구동부(80)와 본딩 와이어(83)로 연결되는 전극패드(81)를 거쳐서 다른 소자로 출력한다.
또한, 상기 광 접속 모듈은 상기 광 도파로 기판(41) 위에 접촉 형성된 광원부(30)와 광 검출부(70)와 구동부(20, 80) 및 그 연결 배선을 보호하기 위하여 하우징(90)을 추가로 배치한다.
미설명 도면 부호 46은 타원형 반사 거울면(45)의 양측에서 공간을 이루는 파티션 블록이다.
도9는 상기 도8에 도시된 본 발명에 따른 광 접속 모듈에 배치된 광 도파로(40)의 상세도이다.
상기 도9를 참조하면, 상기 광원부(30)에 대향하는 광 도파로(40)의 단부에는 타원형 반사 거울면(45)이 형성되어 있고, 상기 타원 형상의 반사 거울면(45)의 양측 단부와 상기 광도파로(40)의 측단부에 파티션 블록(46)이 더 형성되어 있음을 알 수 있다.
상기 파티션 블록(46)은 상기 광 도파로(40)의 단부에 점성을 가진 액상 물질을 응고시켜 상기 타원형 반사 거울면(45)을 형성시킬 때, 액상 물질의 유동을 제한하여 다양한 곡면과 완전한 3차원 곡면을 만들기 위한 것이다.
도9에서, 상기 위치 F'는 광원부(30)의 중심이 위치하여 광이 나오는 곳으로 타원형 반사 거울면(45)의 타원 곡선의 하나의 초점에 해당하는 것이다.
한편, 도9에 도시된 바와 같이, 상기 위치 F'에서 나온 광은 반사 거울면(45)에서 전반사를 일으키고 광 도파로(40) 내부에 존재하는 또 다른 초점 F를 향하여 광 도파로(40)의 길이 방향으로 진행하고, 상기 초점을 지나면서 다시 광 도파로(40)의 내벽에서 일부 반사가 일어나면서 최종적으로 광 도파로(40)의 또 다른 단부 방향으로 진행하게 된다.
이 때, 도8의 경우를 참조하면 상기 타원 형상의 반사 거울면(45)의 광원부(30) 측과 광 검출부(70)측에 대향하도록 상기 광 도파로(40)의 양 측단부에 형성 되어 있다.
여기서, 상기 광 검출부(70) 측에서 입사되는 과정은 상기 도9에서 점F를 통과하는 광 신호가 반사 거울면(45)에서 반사되어 점F'에 위치한 광 검출부(70)로 들어가는 것으로 생각할 수 있다.
즉, 상기 광원부(30)에서 방출된 광 신호는 상기 광원부(30) 측의 광 도파로(40) 단부에 형성된 반사 거울면(45)에서 1차 반사하고 광 도파로(40)의 내부면에서 일부 반사를 거쳐서 전송되는 광 신호는 도9에서 도시된 F점에 위치한 광 검출부(70)로 다다르게 되는 것이다.
여기서, 도9에 도시된 바와 같이 상기 타원 형상의 반사 거울면(45)은 3차원의 타원 형상 곡면으로 형성되어 있으므로 상기 반사 거울면(45)에서 반사하는 광선은 광 도파로의 폭 방향 뿐만 아니라 높이 방향에서도 전반사를 일으키면서 정확히 광 도파로(40)내의 초점으로 향하게 된다.
도10a 내지 도 10g는 본 발명에 따른 광 접속 모듈을 제작하기 위한 공정 순서를 설명하는 평면도들 및 단면도들이다.
도10a 내지 도10g를 참조하면, 본 발명에 따른 광 접속 모듈의 제조 방법에 있어서, 우선 광 도파로 기판(41)으로서 유리 기판(41) 위에 클래딩층을 적층하고 그 위에 광신호가 전달되는 통로가 되는 광 도파로를 제작한다.
이때, 상기 도파로(40) 양쪽 단부에 파티션 블록(46)을 형성한다.
상기 파티션 블록(46)과 광 도파로(40)의 단부에 의해 만들어진 공간에 폴리머로 타원 형상의 반사 거울면(45)을 형성시킨다.
도10a에 도시된 평면도는 이와 같이 형성된 광 도파로(40)의 이면을 도시한 것이다.
이때, 상기 파티션 블록(46)에 타원 형상의 반사 거울면(45)이 형성된 광 도파로(40)를 형성하는 경우, 상기 광 도파로(40)의 유리 기판(41) 위에 탑재되는 광원부 또는 광 검출부인 VCSEL 어레이 또는 포토다이오드(PD) 어레이를 정렬하기 위한 키 또는 마크를 함께 형성할 수 있다.
도10a의 평면도에서 도시된 도면 번호 48은 상기 유리 기판(40)의 이면에 형성되는 상기 VCSEL/PD 정렬 키를 나타내는 것이다.
다음으로, 도10b에 도시된 바와 같이 상기 광 도파로(40)의 유리 기판(41) 상에 광원부(30)와 광 검출부(70)인 VCSEL 어레이와 포토다이오드 어레이에 전기적 연결을 위한 전극 패드(31, 71))와 광원부(30)와 광 검출부(70)인 VCSEL 어레이와 포토다이오드 어레이를 상기 전극 패드(31, 71)에 각각 연결하고, 상기 유리 기판(41)에 배치하기 위한 솔더 범프(32, 72)를 준비한다.
다음으로, 도10c에 도시된 바와 같이, 상기 광원부(30)와 광 검출부(70)인 VCSEL 어레이와 포토다이오드 어레이를 상기 솔더 범프(32, 72) 위에 연결하여 실장한다.
계속하여, 도10d에 도시된 바와 같이 미리 가공된 인쇄회로기판(10)의 소정 위치에 상기 도10c에서 제작한 VCSEL 어레이와 포토다이오드 어레이가 실장된 광 도파로(40)를 결합시킨다.
도10e는 상기 VCSEL 어레이와 포토다이오드 어레이가 실장된 광 도파로(40) 가 전극패드(11, 81))와 접지전극(24, 84)이 형성된 인쇄회로기판(10)에 결합된 상태를 도시한다.
다음에, 도10f에 도시된 바와 같이, 상기 접지전극(24, 84)에 구동부(20, 80)을 연결시키고, 상기 구동부(20, 80)에 본딩 와이어(22, 83)를 통해서 전극패드(11, 81)를 연결하며, 다른 본딩 와이어(23, 82)에 의하여 상기 광원부(30)인 VCSEL 어레이와 상기 광 검출부(70)인 포토다이오드 어레이와 접속된다.
마지막으로, 도10g와 같이, 상기 광 도파로(40)와 이에 결합된 광원부(30), 광 검출부(70) 및 그 연결 회로 배선을 보호하기 위하여 하우징(90)을 덮는 공정을 거친다.
여기서, 상기 보호 하우징(90)은 회로 소자에 따라서는 생략될 수 있으며, 인쇄회로기판(10) 전체를 보호하는 다른 캡슐로 대체가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 광 접속 모듈 및 그 제조 방법 에 따르면, 광신호의 전반사를 일으키고, 광원부에서 광도파로로 수직 연결되는 광선의 전달손실을 완벽하게 방지할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (14)

  1. 전극 패드와 소정의 회로 패턴이 형성된 기판;
    상기 기판 상에 구비되며 광신호를 발생시켜 외부로 방출하는 광원부;
    상기 광원부로부터 전송되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부;
    상기 기판 상에 구비되며 상기 전극 패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원부와 상기 광검출부를 구동시키는 구동부; 및
    클래드층과 그 위에 적층되는 코어층을 포함하며 광원부측과 대향하는 상기 코어층의 단부에는 타원 형상의 3차원 곡면으로서 전반사영역으로 반사 거울면을 형성하는 광 도파로를 포함하는 광 접속 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부에서 광 송신 소자인 광원이 상기 타원형상의 반사 거울면에 입사되는 입사각은 다음식
    Figure 112005055804797-pat00045
    여기에서,
    Figure 112005055804797-pat00046
    ,
    PF는 타원상의 한점에서 초점F까지의 거리,
    PF'는 타원상의 한점에서 초점F'까지의 거리,
    FF'는 초점간의 거리,
    에 의해 정해지는 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는 표면방출레이저(VCSEL) 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는 상기 반사 거울면을 형성하는 타원의 한 초점에 위치하고 상기 반사 거울면에서 전반사된 광속의 진행방향이 타원의 다른 초점과 평행하도록 상기 광 도파로가 정렬되는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 타원형상의 반사 거울면으로 적용되는 타원의 전반사 영역의 길이(l)는 다음식
    Figure 112005055804797-pat00047
    여기서,
    Figure 112005055804797-pat00048
    는 타원의 중심 O와 임계각이 시작되는 점 Pc(x c , y c )을 잇는 선
    Figure 112005055804797-pat00049
    와 x축 사이의 각도,
    a는 타원의 장축의 길이,
    b는 타원의 단축의 길이,
    로 정해지고,
    상기
    Figure 112005055804797-pat00050
    의 값은 다음식
    Figure 112005055804797-pat00051
    여기서,
    Figure 112005055804797-pat00052
    ,
    Figure 112005055804797-pat00053
    , 원점과 초점과의 거리
    Figure 112005055804797-pat00054
    , 원점과 점 Pc(x c , y c ) 사이의 거리
    Figure 112005055804797-pat00055
    , 초점과 점 Pc(x c , y c ) 사이의 거리,
    에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 타원의 장축의 길이를 a, 타원의 단축의 길이를 b라 할때, 장축과 단축의 비 a/b가 약 2가 되는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 타원 형상의 반사 거울면의 양측 단부와 상기 광도파로의 측단부에 파티션 블록이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 타원 형상의 반사 거울면은 상기 광 검출부측과 대향하는 상기 광도파로의 코어층의 단부에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항, 제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원부, 광 검출부, 구동부 및 그 연결 배선을 보호하는 하우징을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출부는 포토 다이오드 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈.
  12. 광 도파로 기판에 클래딩층, 상기 클래딩층 위에 코어층을 적층하고 상기 코어층의 양측 단부에 파티션 블록을 형성하여 상기 파티션 블록과 상기 코어 층의 단부에 의해 만들어진 공간에 타원 형상의 3차원 곡면으로서 전반사 영역으로 반사 거울면을 형성하는 광 도파로를 준비하는 단계;
    상기 광도파로 기판 상에 광원부와 상기 광 검출부를 연결하기 위한 전극 패드를 형성하고, 상기 전극 패드의 일단부에 솔더 범프를 준비하는 단계;
    상기 광원부와 상기 광 검출부를 상기 솔더 범프와 연결하여 상기 광 도파로 기판 상에 실장하는 단계;
    미리 가공된 인쇄회로기판의 소정 위치에 상기 광원부와 광 검출부가 실장된 광 도파로 기판을 결합시키는 단계; 및
    상기 인쇄회로기판 상에 형성된 접지전극 위에 구동부를 실장하여, 상기 광원부 및 상기 광 검출부와 각각 접속하고 외부 전기 접속을 위하여 상기 인쇄회로기판 상에 형성된 전극 패드에도 연결하는 단계를 포함하는 광 접속 모듈의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 도파로와 이에 결합된 광원부, 광 검출부 및 그 연결 배선을 보호하기 위하여 하우징을 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 파티션 블록에 타원 형상의 반사 거울면이 형성된 광 도파로에는 상기 광 도파로의 기판 위에 실장되는 광원부 또는 광 검출부를 정렬하기 위한 키 또는 마크가 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 광 접속 모듈의 제조 방법.
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