KR100824922B1 - 열전소자를 내장한 티오 형 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전소자를 내장한 TO 형 레이저 다이오드에 관한 것으로, 스템(stem) 바닥면에 부착된 열전소자 위에 레이저 다이오드를 수평으로 부착하고 이 스템 바닥면에 대해 평행하게 수평으로 발산되는 레이저 빛을 거울(mirror)을 이용하여 반사시킴으로써 스템 바닥면에 대해 수직한 방향으로 레이저 빛의 전달 방향을 변경함으로써 레이저 빛을 TO형 레이저 다이오드 바깥으로 추출할 수 있도록 한 것으로, TO형 레이저 다이오드의 부품들을 배치함에 있어서 공간을 가장 효율적으로 사용하게 함으로써 TO-56 또는 TO-46형 정도의 작은 부피에서도 성공적으로 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절할 수 있으며, 작은 용량의 열전소자를 사용함으로써 열전소자 및 레이저 다이오드 칩 전체를 포함하는 시스템의 전력 소모량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, small form factor(SFF), 또는 small form factor pluggable(SFP) 등의 작은 용량의 광 트랜시버(transceiver)를 구성하기 용이하다.
레이저 다이오드, TO 형, 열전소자, 거울, 실리콘

Description

열전소자를 내장한 티오 형 레이저 다이오드 {TO type laser diode with a built-in thermo electric cooler}
도 1a 및 도 1b는 종래 TO-56형 레이저 다이오드 모듈의 개략도,
도 2a,2b,2c는 종래 열전소자를 내장한 TO 형 레이저 다이오드의 구성도,
도 3a,3b는 종래 또다른 열전소자를 내장한 TO 형 레이저 다이오드의 구성도,
도 4는 본 발명에 의한 열전소자를 내장한 TO 형 레이저 다이오드의 단면도,
도 5는 본 발명에 의한 열전소자를 내장한 TO 형 레이저 다이오드의 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
200 : 레이저 다이오드 칩 202 : 거울
204 : 써미스터 210 : 써브마운트
230 : TO 베이스 240 : m-PD
250,260,270,270': 전극 280 : 캡
290 : 윈도우 300 : 열전소자
본 발명은 냉각용 열전소자(Thermo electric cooler-열전소자)를 내장한 Transistor Outline type(이하, "TO 형"이라 약칭함) 레이저 다이오드에 관한 것으로, 레이저 다이오드 칩을 TO 베이스 바닥면과 평행하게 배치함으로써, 레이저 다이오드 칩의 빛의 방출 방향이 TO 베이스 바닥면에 수직한 방향으로 배치되는 기존의 레이저 다이오드 패키지에 비해, TO의 길이를 줄일 수 있고, 레이저 다이오드 칩과 열전소자 사이의 거리를 줄여 효과적으로 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절할 수 있도록 한 것으로, TO-56 정도의 작은 크기를 가지는 패키지에 열전소자를 용이하게 집적시킬 수 있도록 한 것이다.
현재 대량의 정보를 수송하는 방법으로써 광통신이 널리 사용되고 있다. 광통신은 국가간의 정보통신 뿐만 아니라, FTTH(fiber to the home), FTTP(fiber to the pole)등의 방식으로 가정에 집적 광 중계를 통한 대용량의 정보가 소통되는 상황에 있다. 이러한 대량 정보 유통을 위한 광통신은, 광통신에 사용되는 빛을 만드는 소자인 발광소자, 광신호를 전달하는 매체로인 광섬유와, 전달된 광신호를 전기신호로 바꾸어 주는 수광소자를 필수적으로 필요로 하게 된다. 이 중 광통신에 이용되는 빛을 만드는 발광소자로 반도체 소자 제조 기법을 사용하는 레이저 다이오드가 사용된다. 이 레이저 다이오드는 전기 신호를 빛(광) 신호로 바꾸어주는 소자이다.
레이저 다이오드는 그 동작 특성이 온도에 민감한 특성을 나타내게 된다. 일반적으로 레이저 다이오드의 동작 온도가 상승하게 되면 전자 및 정공의 에너지에 따른 분포 확률을 결정하는 페르미 디랙(Fermi-Dirac) 함수가 넓은 에너지대에 넓게 분포하게 되어 단위 에너지대에서의 전자/정공 밀도함수의 차의 함수로 주어지는 레이저의 이득이 줄어들게 되고, 또한 핫 캐리어 오버플로우(hot carrier overflow)가 증가하게 되며, 오제 재결합(Auger recombination)이 증가하게 된다. 이러한 현상은 레이저 다이오드의 내부 이득을 줄이고, 내부 손실을 크게 하며, 또한 전자의 주입효율을 떨어뜨리게 되어, 레이저 다이오드의 전류-출력 광파워의 특성이 저하되게 하는 요인이 된다.
현재 광통신 시스템이 설치되는 환경은 국제적으로 -40℃와 85℃에서 안정적으로 동작할 것을 요구한다. 반도체 레이저 다이오드의 일반적인 구조인 패브릿-패럿(Fabry-Perot)형 레이저 다이오드는 그 특성상 저온에서는 광전 변환 효율이 좋기 때문에 고온의 주변 환경에서의 레이저 다이오드의 동작이 문제가 된다. 광통신의 최저 손실영역인 1.3㎛ 대역과 1.55㎛ 대역의 파장을 갖는 InP계의 경우에 있어서 낮은 전도대 불연속성(conduction band discontinuity) 등은 이러한 파장대의 반도체 레이저 다이오드의 고온 특성을 악화시킨다. 1990년대 이전의 레이저 다이오드에서는 광통신용 반도체 레이저 다이오드의 고온 발광 특성이 좋지 않아 외부에서 반도체 레이저 다이오드 칩의 동작 온도를 강제로 낮추어주는 펠티어 효과를 이용하는 열전소자(Thermo-electric cooler;TEC)를 내장하는 패키지가 사용되었다. 열전소자를 내장한 대표적인 패키지 형태로써 버터플라이(butterfly)형 패키지를 들 수 있다.
열전소자를 포함하지 않는 기존의 TO-56형 레이저 다이오드가 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시되어 있다. 도 1a,1b에서 레이저 다이오드 칩(10)은 열전도성이 좋은 AlN(aluminum nitride) 기판(11) 위에 부착된 채 TO의 헤더(12)에 부착되게 된다. TO 베이스(13)의 재질은 일반적으로 Kovar를 사용하고 있으며, TO의 헤더(12)는 TO 베이스(13; 또는 'TO 스템'이라고 불리기도 함)와 일체형으로 제작되거나 또는 kovar보다 열 전도성이 좋은 구리(copper)로 만들어져 TO 베이스(13)에 브레이징(brazing) 된다.
또, 레이저 다이오드 칩(10)의 동작 상태를 감시하는 목적의 m-PD(14)는 레이저 다이오드 칩(10)에서 m-PD(14) 쪽으로 방출된 빛이 다시 레이저 다이오드 칩(10)쪽으로 반사되어 레이저 다이오드(10)의 안정적 동작을 방해하는 것을 막기 위해 TO 베이스(13)의 상면에서 7°정도 경사지게 부착된다. 레이저 다이오드 칩(10) 및 m-PD(14) 등과 전극(15,16,17)간의 전기적 연결은 본딩 와이어(15a,16a,17a)를 통해 이루어진다.
도면중 부호 20은 TO 베이스(13)를 관통하여 설치되는 전극(16,17)의 전기적인 절연을 위한 글라스 비드(glass bead)이다.
이와 같은 형태로 조립된 부분품의 전체를 도 1b에서와 같이 빛의 통과가 가능한 유리창(19)이 형성되어 있는 TO 캡(18; TO 뚜껑)을 덮음으로써 TO 형 패키지는 완성되게 되며, 레이저 다이오드(10) 및 m-PD(14) 등의 전자 소자는 외부와의 직접적인 접촉이 차단되어 보호된다.
한편, 도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같은 TO 형 레이저 다이오드 패키지에서 열전소자를 이용하여 레이저 다이오드 칩을 냉각시키는 여러 방법들이 연구되고 있다.
도 2a와 도 2b 및 2c에 도시된 대한민국 공개특허 제2004-0096569호는 기존 TO 형 패키지에서 TO 베이스에 융착되거나 또는 TO 베이스와 일체형으로 만들어진 금속 재질의 TO 헤더와 TO 베이스를 관통하는 금속 핀 전극대신 전기 배선이 도금된 세라믹 또는 AlN 등의 절연기판과 이 절연기판을 지지하는 금속판의 복층 구조의 부분 조립품(801a,801b)이 TO 베이스(700)를 관통하고 있으며, 이 복층의 부분 조립품(801a,801b)과 TO 베이스(700)의 사이를 글라스 비드로 밀봉시키는 구조를 보여준다.
대한민국 공개특허 제2004-0096569호의 구조에서는 TO-56 형과 달리 전기 배선이 기판에 도금된 형태로 제공되므로 TO-56형에 비해 소자들의 공간배치가 쉽고, 긴 와이어 본딩이 필요하지 않으므로 TO 패키지 내부에 가용할 수 있는 부피가 많아진다. 대한민국 공개특허 제2004-0096569호는 이러한 TO 캔 내부로 돌출된 복층의 부분 조립품 중 금속 판 위에 열전소자(900)를 부착하고 이 열전소자(900) 위에 전기 배선이 도금된 절연기판(902)을 부착한 후, 이 절연기판(902)에 레이저 다이오드 칩(1000) 등의 여러 가지 소자들을 집적하게 된다. 열전소자(900) 위에 있는 전기 배선이 도금된 절연기판(902)과 TO 베이스(700)를 관통하는 복층 기판 중의 절연 기판(802)은 물리적으로 단절되어 있으며, 이 2개의 절연 기판(902,802) 사이의 전기적 연결은 본딩 와이어(816)를 통해 이루어진다. 이러한 구조에서 레이저 다이오드 칩(1000)은 base(700)에 수직한 방향으로 빛의 방출이 이루어지게 된다.
도 3a 및 도 3b의 미국특허 제7,092,418호는 열전소자(114,116,118)와 레이저 다이오드 칩(106)을 부착하는 구조물(112,133,130,132)을 일체로 제작한 열전소자 (200)를 TO 베이스(102) 바닥에 부착 한 후, 레이저 다이오드 칩(106)을 구조물의 일 측면(130)에 부착하여 제작하는 레이저 다이오드 패키지를 도시하고 있다. 미국특허 제7,092,418호에서도 레이저 다이오드의 빛 방출방향은 base(102) 바닥면에 수직한 방향이다.
일반적으로 레이저 다이오드는 두께가 80~120um 정도이며, 폭이 좁고 (200~300um 정도), 길이가 긴(300~1200um) 형태로 제작된다. 대한민국 공개특허 ㅈ제2004-0096569호와 미국특허 제7,092,418호의 방식에 있어서는 레이저 다이오드 칩의 길이가 클 경우, 긴 칩을 수용하기 위해 레이저 다이오드 패키지의 길이(base에 수직한 방향)가 길어져야 하는 문제가 생긴다. 그러나 SFF(small form factor)또는 SFP(small form factor pluggable) 등의 소형 트랜시버(tranceiver)에 수용되기 위해서는 가능하면 짧은 길이의 TO 형 레이저 다이오드 패키지가 선호된다. 또한 레이저 다이오드 칩의 부착 위치에서 TEC 열전소자 사이의 거리는 레이저 다이오드 칩의 냉각 효율을 떨어트리는 효과를 가지므로, 레이저 다이오드 칩과 열전 소자 사이의 거리를 최소화하는 것이 열전소자의 구동 전력을 최소화하거나, 작은 용량의 열전소자를 사용할 수 있게 해준다.
본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 패키지의 내부 공간을 최대한으로 활용함으로써, TO 형 레이저 다이오드 패키지의 길이를 줄여주고, 이에 따라 레이저 다이오드 패키지를 SFF 또는 SFP 광 트랜시버 모듈에의 적용을 원활하게 하며, 또한 레이저 다이오드 칩을 최대한 열전소자에 가깝게 부착함으로써 열전소자의 필요 용량을 줄임으로써 전력 소비를 줄임과 동시에 작은 용량의 열전 소자를 사용할 수 있도록 하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 TO-56 또는 TO-46형 레이저 다이오드 패키지에서 TO 베이스의 바닥에 열전소자를 부착하고, 이 열전소자의 위쪽 바닥에 레이저 다이오드 칩을 눕혀 부착하며, 이 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 빛을 45°거울면을 이용하여 TO 베이스에 수직한 방향으로 꺾어 TO 패키지 외부로 방출하도록 한 열전소자를 내장한 TO 형 레이저 다이오드를 제공한다.
이하에서는 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 의한 열전소자가 내장된 TO 형 레이저 다이오드의 개략적인 구성을 도시한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명은 헤더가 없는 TO-형 레이저 다이오드의 TO 베이스(230)에 레이저 다이오드 칩(200)의 온도를 조절하기 위한 열전소자(300) 를 부착하고 열전소자(300)의 상부에 레이저 다이오드 칩(200)과 거울(202) 및 써미스터(204)를 지지하는 서브마운트(210)가 부착되고, 이 서브마운트(210) 위에 레이저 다이오드 칩(200)과 거울(202) 및 써미스터(204) 등이 부착되며, 레이저 다이오드 칩(200)의 후방에서 레이저 다이오드의 발광 상태를 감시하는 m-PD(240; monitor photo diode)를 지지하기 위한 지지대(242)가 부착되는 구조이다.
도 4에 도시된 실시 예에서, 상기 레이저 다이오드 칩(200)과 m-PD(240), 써미스터(204), 열전소자(300)에서 전극(250,260,270,270')으로의 전기적인 연결은 통상의 본딩 와이어(도시생략됨)에 의해 이루어질 수 있다.
도면 중 부호 310은 절연을 위한 글라스 비드이다.
도 5는 본 발명에 의한 열전소자가 내장된 TO 형 레이저 다이오드의 개략적인 구성을 도시한 사시도로서, 본 사시도에서는 도 4에 도시된 캡(280) 및 윈도우(290)는 도시를 생략하였다.
레이저 다이오드 칩(200)에서 방출되는 빛은 대략 10°~ 40°정도의 발산각을 가지고 방출되게 되며, 레이저 다이오드 칩(200)의 높이는 통상적으로 80~120um 정도의 높이를 갖고, m-PD(240)는 각각 500um 정도의 가로 세로 길이를 가지게 된다. 그러므로 레이저 다이오드 칩(200)에서 발산되는 빛을 m-PD(240)에서 효과적으로 추출하기 위해서는 m-PD(240)의 수광 부위가 레이저 다이오드 칩(200)의 방출 빛의 중심축에 일치하는 것이 좋다. 그러므로 m-PD(240)는 레이저 다이오드 칩(200)을 지지하는 서브마운트(210)와 별도로 열전소자(300) 위에 부착되어, 레이 저 다이오드 칩(200)의 서브마운트(210)의 높이를 조절함으로써 효과적으로 레이저 다이오드에서의 방출 빛의 세기를 감시할 수 있도록 한다.
레이저 다이오드 칩(200)에서 발생한 빛이 거울(202)면에 의해 반사되어 TO 바깥으로 추출될 때 거울(202)면이 가지는 TO 베이스(230) 바닥면과의 기울기 각도에 의해 TO 외부로 추출되는 빛의 각도가 결정된다. TO 형 레이저 다이오드를 이용하여 광섬유와 광 결합을 실시할 경우, 광섬유의 축과 레이저 광축이 가지는 각도에 따라 광 결합 효율이 변화하게 되는데, 보통의 경우 광축과 광섬유 축 사이의 각도가 3°이내가 적절하다.
통상의 경우에 광섬유가 TO 형 레이저 다이오드 패키지와 광 결합을 할 경우, 광섬유가 기구물의 의해 TO 베이스 바닥면에 수직하게 배치되므로 거울면이 stem 바닥면과 42~48°의 기울기를 가질때 TO 베이스(스템) 바닥면과 수평하게 배치되어 발생하는 레이저 빛이 추후 부착될 광섬유와 3°이내의 기울기를 가지고 광 결합을 하게 된다.
본 발명에서 상기 거울(202)의 제작방법에 대하여 설명하면, HCl 등의 습식 식각제에 (100)의 면방향을 가지는 실리콘을 일부분 노출시켜 실리콘의 일부분을 습식 식각하게 되면 부분적 습식 식각에 의해 만들어지는 면방향은 (111) 면이 된다. (100)면 방향에 대해 (111)면은 54.74도의 기울기를 가지게 된다. (100)과 유사한 면 방향을 가지는 실리콘 웨이퍼에서 습식 식각에 의해 나타나는 실리콘의 옆면은 항상 (111)면이 되며 이는 (100)면과 정확히 54.74°의 기울기를 가지게 된 다. 그러므로 실리콘 웨이퍼를 면 방향이 (100)에서 9.74°틀어지게 제작된 실리콘 웨이퍼를 이용하여 부분적 습식 식각을 수행하면 노출되는 옆면은 (111)면이므로 노출되는 (111)면이 웨이퍼의 바닥면과 45.00°및 64.48°의 경사를 가지는 경사면이 노출되게 된다. 이중 45°경사 부분을 잘라내면 45°거울면이 되며, 그 후, 경사면에 은(silver)이나 알루미늄을 포함하는 금속막을 반사막으로 코팅하면 거울이 완성된다.
본 발명에서 상기 써미스터(204)는 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에 한정되지 않으며, 이 써미스터(204)를 상기 서브마운트(210)와 별도의 서브마운트에 부착하거나 열전소자(300)에 직접 부착할 수도 있음은 물론이다.
본 발명에서 상기 서브마운트(210)는 열전도율이 좋은 실리콘, AlN, Al2O3 등의 소재로 제작될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드 칩을 TO 베이스 바닥면과 평행하게 배치함으로써, 레이저 다이오드 칩의 빛의 방출 방향이 TO 베이스 바닥면에 수직한 방향으로 배치되는 기존의 레이저 다이오드 패키지에 비해, TO의 길이가 줄어드는 효과가 생기게 되며, 또한 레이저 다이오드 칩과 열전소자 사이의 거리가 가까워지게 되는 것을, 본 발명은 TO형 레이저 다이오드의 부품들을 배치함에 있어서 공간을 가장 효율적으로 사용하게 함으로써 TO-56 또는 TO-46형 정도의 작은 부피 에서도 성공적으로 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절할 수 있으며, 작은 용량의 열전소자를 사용함으로써 열전소자 및 레이저 다이오드 칩 전체를 포함하는 시스템의 전력 소모량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, small form factor(SFF), 또는 small form factor pluggable(SFP) 등의 작은 용량의 광 트랜시버(transceiver)를 구성하기 용이하다. 또한 m-PD는 레이저 다이오드 칩의 서브마운트와는 별도의 지지대에서 경사지게 부착되게 됨으로써 레이저 다이오드 칩의 방출 빛의 중심축과 m-PD 수광부의 중심축이 일치하게 배치할 수 있다.

Claims (5)

  1. TO 형 레이저 다이오드의 TO 베이스(230)에 레이저 다이오드 칩(200)의 온도를 조절하기 위한 열전소자(300)가 부착되고, 이 열전소자(300)의 상부에 레이저 다이오드 칩(200)과 거울(202) 및 써미스터(204)를 지지하는 서브마운트(210)가 부착되며, 이 서브마운트(210) 위에 레이저 다이오드 칩(200)과 거울(202) 및 써미스터(204)가 부착되고, 상기 레이저 다이오드 칩(200)의 후방에서 레이저 다이오드(200)의 발광 상태를 감시하는 m-PD(240)를 지지하기 위한 지지대(242)가 부착된 것을 특징으로 하는 열전소자를 내장한 티오 형 레이저 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 거울(202)은 42°~ 48°의 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 열전소자를 내장한 티오 형 레이저 다이오드.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 거울(202)은 9.74°틸트된 실리콘 기판을 습식 식각하여 (111)면이 노출되게 하여 제작하고, 경사면에 은(silver)이나 알루미늄을 포함하는 금속막이 반사막으로 코팅된 것을 특징으로 하는 티오 형 레이저 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 써미스터(204)는 상기 서브마운트(210)와 별도의 서브마운트에 부착되거나 열전소자(300)에 직접 부착되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 내장한 티오형 레이저 다이오드.
  5. 삭제
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