KR101906592B1

KR101906592B1 - 광모듈

Info

Publication number: KR101906592B1
Application number: KR1020140167781A
Authority: KR
Inventors: 한영탁; 박상호; 백용순; 신장욱
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2018-10-12
Also published as: US20160154177A1; US9411097B2; KR20160064365A

Abstract

본 발명은 광모듈에 관한 것으로, 제1 깊이의 제1 단차면 및 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이의 제2 단차면을 갖는 광학대, 상기 제1 단차면의 상부에 위치하며, 적어도 하나 이상의 반도체 칩이 실장된 실리콘 캐리어, 상기 제2 단차면에 고정되어 상기 제1 단차면까지 연장되고, 상기 제1 단차면 상부에서 상기 실리콘 캐리어와 칩투칩 본딩(chip-to-chip bonding)되는 AWG 칩(Arrayed Waveguide Grating Chip), 상기 제1 단차면 및 상기 제2 단차면을 제외한 상기 광학대의 상부면에 위치하는 렌즈 및 상기 광학대, 상기 실리콘 캐리어, 상기 AWG 칩 및 상기 렌즈를 둘러싸는 금속 패키지를 포함하되, 상기 금속 패키지 일측면에는 상부 슬릿과 하부 슬릿을 포함하는 이중 슬릿이 형성되며, 상기 상부 슬릿을 통하여 DC 연성 인쇄회로 기판(Direct Current FPCB)이 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되어 상기 상부 슬릿 내측면에 형성된 지지대에 고정되고, 상기 하부 슬릿을 통하여 RF 연성 인쇄회로 기판(Radio Frequency FPCB)이 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되어 상기 실리콘 캐리어의 상부에 고정되며, 상기 이중 슬릿의 상기 상부 슬릿과 상기 하부 슬릿은 탄성형 에폭시(elastic epoxy)로 실링(sealing)되는 것을 특징으로 한다.

Description

광모듈{OPTICAL MODULE}

본 발명은 광모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고주파 신호 전달을 위한 저가의 초소형 광모듈에 관한 것이다.

광대역 모바일, 클라우딩 네트워크(clouding network), IPTV, 및 스마트폰 등 네트워크 기술의 발달에 따라 비디오 기반의 대용량 통신이 폭발적으로 증가하고 있다. 이에 맞추어 광모듈의 전송 속도 역시 급격하게 향상되었다. 이제는 나아가, 적은 비용으로 작은 크기의 고효율 광모듈을 구현할 수 있는 기술이 절실하게 필요하게 되었다.

일반적으로 단일 채널의 소형 미니 플랫(mini-flat)형 패키지의 경우, 고가의 세라믹 피드쓰루(ceramic feed-thrhough) 및 저가의 연성 인쇄회로 기판(Flexible Printed Circuit Board, FPCB)를 이용하여 DC(Direct Current) 및 고속 RF(Radio Frequency) 신호 배선을 구현한다. 4채널 이상의 다채널 광모듈의 경우, 핀(pin) 수가 단일 채널에 비하여 훨씬 많기 때문에 한 개의 연성 인쇄회로 기판을 이용하여 배선을 구현하게 되면, 광모듈의 메탈 패키지(metal package)의 폭보다 연성 인쇄회로 기판의 폭이 더 커지게 된다는 단점이 있다. 종래의 기술에 따르면, 이러한 단점을 해결하기 위하여 다층으로 구성된 세라믹 피드쓰루에 DC/RF 연성 인쇄회로 기판을 개별로 연결하여 초소형 광모듈을 구현하고 있다.

하지만, 다층 세라믹 피드쓰루는 제작하기가 어려워 매우 고가일 뿐 아니라, 세라믹 피드쓰루를 메탈 패키지에 밀봉(hermetic sealing) 되도록 용접(brazing)하는 공정은 수율이 낮아 광모듈의 가격을 낮추는데 한계가 있다.

또한, 종래의 기술에 의하면, 10Gbps 이상의 광송수신 모듈에서 고주파 신호를 전송 및 처리하기 위해 고가의 세라믹 서브 마운트(ceramic submount)를 사용하게 되며, 세라믹 서브 마운트와 연성 인쇄회로 기판에서는 CPW(CoPlanar Waveguide)형태의 전극을 사용한다. 이때, 고주파 신호를 반사없이 전송하기 위하여, 터미네이션 매칭 저항(termination matching resistor)을 세라믹 서브마운트 상에 박막 형태(thin-film type)로 집적하고, 공진에 의한 고주파 신호의 왜곡 현상을 방지하기 위하여, 상부 접지(ground) 및 하부 접지를 전기적으로 연결시켜 주는 ground via hole를 형성한다. 이러한 박막 형태의 매칭저항 및 ground via hole을 세라믹 서브마운트 상에 형성하는 공정은 매우 고가의 공정으로 패키지 부자재 가격의 상당한 부분을 차지하게 된다.

나아가, 세라믹 피드쓰루를 사용하는 경우, 광모듈 내부에서는 세라믹 서브마운트와 세라믹 피드쓰루 사이에 와이어 본딩을 하여 RF 신호를 전송하며, 광모듈 외부에서는 세라믹 피드쓰루에 연성 인쇄회로 기판을 납땜으로 연결하여 RF 신호를 전송하게 된다. 세라믹 피드쓰루 양쪽에서 서로 다른 결합 방법인 와이어 본딩 및 납땜이 이루어지는 경우, RF 신호 전송 시에 특성 임피던스(characteristic impedance) 부정합에 의한 반사가 커져 신호 왜곡이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 고주파 신호 전달을 위한 저가의 초소형 광모듈를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈은, 제1 깊이의 제1 단차면 및 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이의 제2 단차면을 갖는 광학대, 상기 제1 단차면의 상부에 위치하며, 적어도 하나 이상의 반도체 칩이 실장된 실리콘 캐리어, 상기 제2 단차면에 고정되어 상기 제1 단차면까지 연장되고, 상기 제1 단차면 상부에서 상기 실리콘 캐리어와 칩투칩 본딩(chip-to-chip bonding)되는 AWG 칩(Arrayed Waveguide Grating Chip), 상기 제1 단차면 및 상기 제2 단차면을 제외한 상기 광학대의 상부면에 위치하는 렌즈 및 상기 광학대, 상기 실리콘 캐리어, 상기 AWG 칩 및 상기 렌즈를 둘러싸는 금속 패키지를 포함하되, 상기 금속 패키지 일측면에는 상부 슬릿과 하부 슬릿을 포함하는 이중 슬릿이 형성되며, 상기 상부 슬릿을 통하여 DC 연성 인쇄회로 기판(Direct Current FPCB)이 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되어 상기 상부 슬릿 내측면에 형성된 지지대에 고정되고, 상기 하부 슬릿을 통하여 RF 연성 인쇄회로 기판(Radio Frequency FPCB)이 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되어 상기 실리콘 캐리어의 상부에 고정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광모듈은, 제1 깊이의 제1 단차면 및 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이의 제2 단차면을 갖는 광학대, 상기 제1 단차면의 상부에 위치하며, 적어도 하나 이상의 반도체 칩이 실장된 실리콘 캐리어, 상기 제2 단차면에 고정되어 상기 제1 단차면까지 연장되고, 상기 제1 단차면 상부에서 상기 실리콘 캐리어와 칩투칩 본딩되는 AWG 칩, 상기 제1 단차면 및 상기 제2 단차면을 제외한 상기 광학대의 상부면에 위치하는 렌즈 및 상기 광학대, 상기 실리콘 캐리어, 상기 AWG 칩 및 상기 렌즈를 둘러싸는 금속 패키지를 포함하되, 상기 금속 패키지 일측면에는 상부 슬릿과 하부 슬릿을 포함하는 이중 슬릿이 형성되며, 상기 상부 슬릿을 통하여 DC 연성 인쇄회로 기판이 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되어 상기 상부 슬릿 내측면에 형성된 제1 지지대에 고정되고, 상기 하부 슬릿을 통하여 제1 RF 연성 인쇄회로 기판이 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되어 상기 하부 슬릿 내측면에 형성된 제2 지지대에 고정되며, 상기 실리콘 캐리어 상부에 제2 RF 연성 인쇄회로 기판이 형성되어 제1 RF FPCB와 와이어 본딩으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 광모듈의 제작 비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한, 10Gbps이상, 특히, 25Gbps 고주파 신호의 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 고주파 공진모드 억제 효과를 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광모듈을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬릿을 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 도 1 및 도 2의 광모듈 내부의 평면 구조를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드이거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시 된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 광 모듈(100A)은 상부 슬릿(102)와 하부슬릿(104)로 구성되는 이중 슬릿, 열전 냉각기(Thermo-Electric Cooler, TEC, 106), 광학대(optical bench, 108), 실리콘 캐리어(110), AWG 칩(Arrayed Waveguide Grating Chip, 112), 렌즈(lens, 114), DC 연성 인쇄회로 기판(Direct Current FPCB, 120), RF 연성 인쇄회로 기판(Radio Frequency FPCB, 122), 광송수신용 반도체 칩(124) 및 금속 패키지(100)를 포함한다.

금속 패키지 (100) 내부에 열전 냉각기(TEC, 106)가 제공될 수 있다. 열전 냉각기(TEC, 106)는 지지판 및 지지 기둥에 의해 금속 패키지 (100) 내부에 제공될 수 있다. 지지판 및 지지 기둥은 하나 의 열전 소자 구조체일 수 있다. 열전 냉각기(TEC, 106)는 광 모듈(100A)의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위한 것으로, 광 모듈(100A)의 안정적인 구동을 보장할 수 있다.

열전 소자(106) 상부에 광학대(108)가 위치할 수 있다. 광학대(108)는 제1 깊이의 제1 단차면 및 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이의 제2 단차면을 가질 수 있다. 광학대(108)는 열 전도도(thermal conductivity) 및 전기 전도도(electrical conductivity)가 우수하고, 열 팽창(thermal expansion)이 적은 금속 재질을 사용할 수 있다. 광학대(108)는 금속 광학대(Metal Optical Bench, MOB) 또는 실리콘 광학대(Silicon Optical Bench, SiOB)일 수 있다. 금속 광학대는 동텅스텐(copper-tungsten, CuW), 구리, 코바(kovar), 알루미늄(Al) 합금, 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 금속 광학대의 표면에는 전기 전도도를 더욱 향상시키기 위한 금 도금(gold plating)층이 추가로 제공될 수 있다. 실리콘 광학대는 실리콘 기판 및 실리콘 기판 상에 제공된 금 도금층을 포함할 수 있다. 실리콘 기판은 열 전도도가 우수할 수 있으며, 그리고 금 도금층은 표면에서의 전기 전도도를 향상시킬 수 있으며 GND 층으로 사용될 수있다. 실리콘 기판상에 금을 증착할 수 있으며 상기 증착된 금속은 전기적인 GND로 사용될 수 있다. 광학대(108)는 열 전도 기능뿐 아니라 광축 정렬(optical axis alignment) 기능도 함께 수행할 수 있다.

광학대(108)의 제1 단차면의 상부에는 적어도 하나 이상의 반도체 칩이 실장된 실리콘 캐리어(110)가 위치할 수 있다. 이때, 실리콘 캐리어(110)에 실장되는 반도체 칩은 광송수신용 반도체 칩(DML, EML, R-PD), 커패시터(capacitor) 칩, 써미스터 (thermistor) 칩, 및 전자회로 부품(DML driver IC, 매칭회로부, TIA IC) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 광학대(108)의 제2 단차면의 상부에는 제1 단차면까지 연장되고, 제1 단차면 상부에서 실리콘 캐리어(110)와 칩투칩 본딩(chip-to-chip bonding)되는 AWG 칩(112)이 위치할 수 있다.

실리콘 캐리어(110) 및 AWG 칩(112)은 열전도성 접착제(118)를 이용하여 제1 단차면에 고정될 수 있다. 이때, 열 전도성 접착제는 열 응력(thermal stress)를 자체적으로 해소(release)할 수 있도록 탄성(elastic)을 가질 수 있다. 보다 구제척으로, 열 전도성 접착제는 열 전도성 에폭시 또는 열크림일 수 있다. 나아가, AWG 칩(112)은 열 전도도가 우수한 실버페이스트(siver paste)를 이용하여 제2 단차면에 고정될 수 있다. 이에 따라, AWG 칩은 주로 제2 단차면에 고정되며, 실리콘 캐리어는 주로 제1 단차면에 고정될 수 있다.

제1 단차면 및 제2 단차면을 제외한 광학대(108)의 상부면에는 렌즈(114)가 위치할 수 있다. 렌즈(114)는 bare chip 형태의 사각렌즈(square lens) 또는 tombstone 형태의 SUS(Steal Use Stainless)로 하우징된 렌즈일 수 있다. 렌즈(114)는 AWG 칩(112)에서 방출되는 광을 광섬유 페룰(132)과 정렬하거나 광섬유 페룰(132)을 통하여 AWG 칩(112)으로 입력되는 광을 상호 정렬하는 역할을 수행한다. 렌즈(114)는 에폭시를 이용하여 광학대(108)의 상부면에 부착될 수 있다.

렌즈(114)에 인접하는 금속 패키지(100)의 부위에는 광을 송신, 수신 또는 송/수신에 필요한 창(126)을 구비하고, 광섬유 페룰(ferrule, 132)과의 연결을 위한 경통 및 리셉터클(pipe and receptacle, 128)이 위치할 수 있다. 창(126)은 사파이어(sapphire)를 포함할 수 있다. 페룰(132)과 창(126)사이에는 아이솔레이터(isolator, 130)가 제공될 수 있다. 다만, 광 수신기의 경우에는 아이솔레이터(130)가 제공되지 않는다.

금속 패키지(100)는 위에서 설명한 광학대(108), 실리콘 캐리어(110), AWG 칩(112) 및 렌즈(114)를 둘러싸도록 제공될 수 있다.

금속 패키지(100)의 일측면에는 상부 슬릿(102)와 하부 슬릿(104) 을 포함하는 이중 슬릿이 형성되어, 각 슬릿을 통해 연성 인쇄회로 기판(120,122)이 금속 패키지(100)의 외부에서 내부로 연장될 수 있다. 도 3에 슬릿을 도시하고 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬릿을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, DC 연성 인쇄회로 기판(120)이 상부 슬릿(102)을 통과하여 금속 패키지(100)의 외부에서 내부로 연장되는 구조를 도시하고 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 상부 슬릿(102)을 통하여 DC 연성 인쇄회로 기판(Direct Current FPCB, 120)이 금속 패키지(100) 외부에서 내부로 연장되어 상부 슬릿(102) 내측면에 형성된 지지대(133)에 고정되고, 하부 슬릿(104)을 통하여 RF 연성 인쇄회로 기판(Radio Frequency FPCB, 122)이 금속 패키지(100) 외부에서 내부로 연장되어 실리콘 캐리어(110)의 상부에 고정될 수 있다. 이때, RF 연성 인쇄회로 기판(122)은 열 전도도가 우수한 실버페이스트(siver paste)를 이용하여 실리콘 캐리어(110)의 상부에 부착될 수 있다. 이에 따라, RF 연성 인쇄회로 기판(122)의 접지 선로와 광학대(108)가 전기적으로 연결되어 동일한 접지를 갖도록 형성될 수 있다.

DC 연성 인쇄회로 기판(120), RF 연성 인쇄회로 기판(122) 및 실리콘 캐리어(110)에는 본딩패드(bonding pad)가 형성될 수 있다. DC 연성 인쇄회로 기판(120) 및 RF 연성 인쇄회로 기판(122)에 형성된 본딩패드는 실리콘 캐리어(110)에 형성된 본팅패드와 와이어 본딩(wire bonding, 116)으로 연결될 수 있다.

지지대(133)는 CuW(copper tungsten)과 같은 금속류나 단단한 유전체 등의 재질일 수 있으며, 금속 패키지(100) 내부에 실버페이스트 및 에폭시로 부착될 수 있다. 또한, 지지대(133)는 경우에 따라서 납땜에 의하여 부착될 수도 있으며, 금속 패키지(100)와 한 몸체로 제작도 가능하다.

상부 슬릿(102)과 하부 슬릿(104)은 탄성형 에폭시(elastic epoxy)로 실링(sealing)될 수 있다. 탄성형 에폭시(elastic epoxy)로 실링하는 경우, semi-hermetic 실링이 가능하다.

본 발명에서는 기존의 패키지 구조와 달리 세라믹 피드쓰루를 사용하지 않아 전기적인 신호 연결 부분이 줄어들게 되어 고주파 신호전송에 유리하며, 연성 인쇄회로 기판에서 ground via hole을 용이하게 형성할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 연성 인쇄회로 기판에 형성되는 신호전극과 하부 ground 사이의 간격이 대략 50~76 um 정도로 매우 좁고, FPCB의 유전체로 낮은 유전율(2.5~4)를 갖는 폴리이미드 혹은 테프론 물질을 사용할 수 있기 때문에, 높은 유전율(5~9)과 두꺼운 기판(381~508um)을 사용하고 있는 기존의 세라믹 서브마운트에 비하여 고주파 공진(resonance) 및 고차모드(high-order mode)에 의한 신호 왜곡현상이 발생할 가능성이 매우 낮다는 장점이 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광모듈을 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 다른 실시예에 따른 광모듈(100B)은 RF 배선 구조를 제외하고는 도 1에 도시된 실시예에 따른 광모듈(100A)과 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 2를 참조하면, 금속 패키지(100)의 일측면에는 상부 슬릿(102)와 하부 슬릿(104)을 포함하는 이중 슬릿이 형성되어, 각 슬릿을 통해 연성 인쇄회로 기판(120,134)이 금속 패키지(100)의 외부에서 내부로 연장될 수 있다. 도 3에 슬릿을 도시하고 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 상부 슬릿(102)을 통하여 DC 연성 인쇄회로 기판(120)이 금속 패키지(100) 외부에서 내부로 연장되어 상부 슬릿(102) 내측면에 형성된 제1 지지대(133)에 고정된다. 또한, 하부 슬릿(104)을 통하여 제1 RF 연성 인쇄회로 기판(134)이 금속 패키지(100) 외부에서 내부로 연장되어 하부 슬릿(104) 내측면에 형성된 제2 지지대(138)에 고정되며, 실리콘 캐리어(110) 상부에 제2 RF 연성 인쇄회로 기판(136)이 형성되어 제1 RF 연성 인쇄회로 기판(134)과 와이어 본딩(116)으로 연결될 수 있다. 이때, 제2 RF 연성 인쇄회로 기판(136)은 열 전도도가 우수한 실버페이스트(siver paste)를 이용하여 실리콘 캐리어(110)의 상부에 부착될 수 있다. 이에 따라, RF 연성 인쇄회로 기판(136)의 접지 선로와 광학대(108)가 전기적으로 연결되어 동일한 접지를 갖도록 형성될 수 있다.

DC 연성 인쇄회로 기판(120), 제2 RF 연성 인쇄회로 기판(136), 및 실리콘 캐리어(110)에는 본딩패드가 형성되고, DC 연성 인쇄회로 기판(120) 및 제2 RF 연성 인쇄회로 기판(136)에 형성된 본딩패드는 실리콘 캐리어(110)에 형성된 본팅패드와 와이어 본딩(116)으로 연결될 수 있다.

제1 지지대(133) 및 제2 지지대(138)는 CuW(copper tungsten)과 같은 금속류나 단단한 유전체 등의 재질일 수 있으며, 금속 패키지(100) 내부에 실버페이스트 및 에폭시로 부착될 수 있다. 또한, 경우에 따라서 납땜에 의하여 부착될 수도 있으며, 금속 패키지(100)와 한 몸체로 제작도 가능하다.

다시 말해, 도 2에 도시된 다른 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 달리 RF 연성 인쇄회로 기판(122)을 제1 RF 연성 인쇄회로 기판(134)과 제2 RF 연성 인쇄회로 기판(136)으로 분리하고, 제1 및 제2 RF 연성 인쇄회로 기판(134, 136)을 와이어 본딩(116)으로 연결할 수 있다. 이러한 배선 구조를 통해, 외부에서 유입되는 열이 금속 패키지(100) 및 제1 RF 연성 인쇄회로 기판(134)을 따라서 실리콘 캐리어(110) 상부로 전달되는 것을 최소화할 수 있다는 장점을 갖는다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 도 1 및 도 2의 광모듈 내부의 평면 구조를 나타내는 도면이다. 도 4 내지 도 7을 참조하여 도 1 및 도 2의 실시예에 따른 광모듈(100A, 100B) 내부의 평면 구조를 설명한다.

먼저 도 4를 참조하면, AWG 칩과 실리콘 캐리어가 정렬 및 칩투칩 본딩되어 있다. 본 발명의 광모듈(100)이 광송신기(transmitter optical sub-assembly, TOSA)로 동작하는 경우, 광송수신용 반도체 칩(404)을 광원(source)로 사용하며 AWG 칩을 통해 광(light)이 출력된다. 광모듈(100)이 광수신기(receiver optical sub-assembly, ROSA)로 동작하는 경우, 광 송수신용 반도체 칩(404)을 R-PD(Receiver PhotoDiode)로 사용하며, AWG 칩을 통해 광(light)이 수신된다.

광송수신용 반도체 칩(404)에서, 광원(source)으로는 DML(Direct modulation laser) 또는 EML(Electro-absorption Modulator integrated Laser)을 포함하며, R-PD(Receiver PhotoDiode)로 광수신용 포토다이오드를 포함할 수 있다. 또한, 전자회로 부품(electronics, 406)은 DML driver IC, 매칭 회로(matching circuit), 혹은 TIA(TransImpedance Amplifier) IC 일 수 있다.

광송수신용 반도체 칩(404), 전자회로 부품(406)은 RF 연성 인쇄회로 기판(408)과 함께 실리콘 캐리어(110) 상부에 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 광모듈(100)이 광송신기(TOSA)로 동작하는 경우이다.

도 5를 참조하면, 광송수신용 반도체 칩은 DML 어레이 칩(Direct Modulation Laser array chip, 504)이고, 전자회로 부품은 DML 드라이버 IC(506)일 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 도 5에 도시되는 광송신기는 4채널 광송신기로, 실리콘 캐리어(110) 상부에는 4채널 DML 어레이 칩(504)이 적용될 수 있다. 실리콘 캐리어(110)의 상부에는 4채널 DML 어레이 칩(504)이 정밀하게 다이본딩(die-bonding)되고, 4채널 DML 드라이버 IC(506)가 4채널 DML 어레이 칩(504) 뒷단에 배치되며, RF 연성 인쇄회로 기판(508)이 실리콘 캐리어(110) 상부에 부착될 수 있다.

AWG 칩(112)의 입력단에는 Y-분기 도파로를 갖도록 형성하고, AWG 칩의 Y-분기 도파로가 끝나는 지점에 모니터링 포토다이오드(monitoring photodiode, M-PD)를 형성할 수 있다. 이는 DML 어레이 칩(504)에서 출력되는 광을 모니터링하기 위한 것으로, AWG 칩(112)의 입력단 4개의 개별 도파로에서 약 8 ~ 10%의 분기비를 갖도록 Y-분기 도파로를 배치한 후, AWG 칩(112)의 한 쪽 끝단에 모니터링 포토다이오드(M-PD)를 형성할 수 있다. AWG 칩(112)은 DML 어레이 칩(504) 및 DML 드라이버 IC(506)가 집적된 실리콘 캐리어(110)와 능동정렬 및 상호 칩투칩 본딩에 의하여 부착될 수 있다.

도 6은 본 발명의 광모듈(100)이 광송신기(TOSA)로 동작하는 경우이다.

도 6을 참조하면, 광송수신용 반도체 칩은 EML 어레이 칩(Electro-absorption Modulator integrated Laser array chip, 604)이고, 전자회로 부품은 매칭 회로(606)일 수 있다. 매칭 회로(606)는 저항으로 구성될 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 도 6에 도시되는 광송신기는 4채널 광송신기로, 실리콘 캐리어(110) 상부에는 4채널 EML 어레이 칩(604)이 적용될 수 있다. 실리콘 캐리어(110)의 상부에는 4채널 EML 어레이 칩(604)이 정밀하게 다이본딩(die-bonding)되고, 50-ohm 저항을 이용한 매칭 회로가 4채널 EML 어레이 칩(604) 뒷단에 배치되며, RF 연성 인쇄회로 기판(608)이 실리콘 캐리어(110) 상부에 부착될 수 있다.

도 5에 도시한 것과 달리, EML 어레이 칩(604)에는 모니터링 포토다이오드가 단일 집적되므로, AWG 칩에 별도의 Y-분기 도파로를 형성할 필요가 없다. AWG 칩(112)은 EML 어레이 칩(604) 및 매칭 회로(606)가 집적된 실리콘 캐리어(110)와 능동정렬 및 상호 칩투칩 본딩에 의하여 부착될 수 있다.

도 7은 본 발명의 광모듈(100)이 광수신기(ROSA)로 동작하는 경우이다.

도 7을 참조하면, 광송수신용 반도체 칩은 수신 포토다이오드(receiver photodiode, R-PD, 704)이고, 전자회로 부품은 TIA(transimpedance amplifier) IC(706) 일 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 도 7에 도시되는 광수신기는 4채널 광수신기로, 실리콘 캐리어(110) 상부에 개별(discrete) R-PD 칩 혹은 R-PD array 칩(704)이 정밀하게 본딩되며, 4채널 TIA IC(706)가 R-PD 칩(704) 뒷단에 배치되며, RF 연성 인쇄회로 기판(708)이 실리콘 캐리어(110) 상부에 부착될 수 있다.

도 4 내지 도 6과 달리, 광수신기이므로 광을 모니터링하기 모니터링 포토다이오드를 구비하지 않아도 무방하다. 또한, 광수신기는 발열소자가 아니므로 열전 냉각기(TEC) 또한 구비하지 않아도 무방하다. AWG 칩(112)은 EML 어레이 칩(704) 및 매칭 회로(706)가 집적된 실리콘 캐리어(110)와 능동정렬 및 상호 칩투칩 본딩에 의하여 부착될 수 있다.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100: 금속 패키지
100A, 100B: 광 모듈
102: 상부 슬릿
104: 하부 슬릿
106: 열전 냉각기(TEC: Thermo-Electric Cooler)
108: 광학대(optical bench)
110: 실리콘 캐리어
112: AWG 칩(Arrayed Waveguide Grating Chip)
114: 렌즈(lens)
116: 와이어 본딩
118: 열 전도성 접착제
120: DC 연성 인쇄회로 기판(Direct Current FPCB)
122: RF 연성 인쇄회로 기판(Radio Frequency FPCB)
124: 광송수신용 반도체 칩
126: 창
128: 경통 및 리셉터클(pipe and receptacle)
130: 아이솔레이터(isolator)
132: 광섬유 페룰(ferrule)
133: 지지대
134: 제1 RF 연성 인쇄회로 기판
136: 제2 RF 연성 인쇄회로 기판
138: 제2 지지대

Claims

제1 깊이의 제1 단차면 및 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이의 제2 단차면을 갖는 광학대;
상기 제1 단차면의 상부에 위치하며, 적어도 하나 이상의 반도체 칩이 실장된 실리콘 캐리어;
상기 제2 단차면에 고정되어 상기 제1 단차면까지 연장되고, 상기 제1 단차면 상부에서 상기 실리콘 캐리어와 칩투칩 본딩(chip-to-chip bonding)되는 AWG 칩(Arrayed Waveguide Grating Chip);
상기 제1 단차면 및 상기 제2 단차면을 제외한 상기 광학대의 상부면에 위치하는 렌즈; 및
상기 광학대, 상기 실리콘 캐리어, 상기 AWG 칩 및 상기 렌즈를 둘러싸는 금속 패키지를 포함하되,
상기 금속 패키지 일측면에는 상부 슬릿과 하부 슬릿을 포함하는 이중 슬릿이 형성되며,
DC 연성 인쇄회로 기판(Direct Current FPCB)이 상기 상부 슬릿을 통과하여 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되고, 상기 DC 연성 인쇄회로 기판은 상기 상부 슬릿 내측면에 형성된 지지대에 고정되고,
RF 연성 인쇄회로 기판(Radio Frequency FPCB)이 상기 하부 슬릿을 통과하여 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되고, 상기 RF 연성 인쇄회로 기판은 상기 실리콘 캐리어의 상부에 고정되는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제1항에 있어서,
상기 이중 슬릿의 상기 상부 슬릿과 상기 하부 슬릿은 탄성형 에폭시(elastic epoxy)로 실링(sealing)되는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 캐리어 및 상기 AWG 칩은 열전도성 접착제를 이용하여 상기 제1 단차면에 고정되는 것을 특징으로 하는 광모듈
제1항에 있어서,
상기 DC 연성 인쇄회로 기판, 상기 RF 연성 인쇄회로 기판 및 상기 실리콘 캐리어에 본딩패드(bonding pad)가 형성되고,
상기 DC 연성 인쇄회로 기판 및 상기 RF 연성 인쇄회로 기판에 형성된 본딩패드는 상기 실리콘 캐리어에 형성된 본팅패드와 와이어 본딩(wire bonding)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제1항에 있어서,
상기 금속 패키지 내부에 열전냉각기(thermo-electric cooler)를 더 포함하고,
상기 광학대는 상기 열전냉각기의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 캐리어에 실장된 상기 반도체 칩은,
광송수신용 반도체 칩, 커패시터 칩, 써미스터 칩, 및 전자회로 부품 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광모듈.
제6항에 있어서,
상기 광송수신용 반도체 칩은 DML 어레이 칩(Direct Modulation Laser array chip)이고,
상기 전자회로 부품은 DML 드라이버 IC이며,
상기 AWG 칩의 입력단에 Y-분기 도파로를 갖도록 형성하고, 상기 AWG 칩의 상기 Y-분기 도파로가 끝나는 지점에 모니터링 포토다이오드(monitoring photodiode, M-PD)를 형성하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제7항에 있어서,
상기 Y-분기 도파로는 8~10%의 분기비를 갖는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제6항에 있어서,
상기 광송수신용 반도체 칩은 EML 어레이 칩(Electro-absorption Modulator integrated Laser array chip)이고,
상기 전자회로 부품은 매칭 회로이며,
모니터링 포토다이오드를 상기 EML 어레이 칩에 단일 집적하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제6항에 있어서,
상기 광송수신용 반도체 칩은 수신 포토다이오드(receiver photodiode, R-PD)이고,
상기 전자회로 부품은 TIA(TransImpedance Amplifier) IC 인 것을 특징으로 하는 광모듈.
제1 깊이의 제1 단차면 및 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이의 제2 단차면을 갖는 광학대;
상기 제1 단차면의 상부에 위치하며, 적어도 하나 이상의 반도체 칩이 실장된 실리콘 캐리어;
상기 제2 단차면에 고정되어 상기 제1 단차면까지 연장되고, 상기 제1 단차면 상부에서 상기 실리콘 캐리어와 칩투칩 본딩되는 AWG 칩;
상기 제1 단차면 및 상기 제2 단차면을 제외한 상기 광학대의 상부면에 위치하는 렌즈; 및
상기 광학대, 상기 실리콘 캐리어, 상기 AWG 칩 및 상기 렌즈를 둘러싸는 금속 패키지를 포함하되,
상기 금속 패키지 일측면에는 상부 슬릿과 하부 슬릿을 포함하는 이중 슬릿이 형성되며,
상기 상부 슬릿을 통하여 DC 연성 인쇄회로 기판이 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되어 상기 상부 슬릿 내측면에 형성된 제1 지지대에 고정되고,
상기 하부 슬릿을 통하여 제1 RF 연성 인쇄회로 기판이 상기 금속 패키지 외부에서 내부로 연장되어 상기 하부 슬릿 내측면에 형성된 제2 지지대에 고정되며,
상기 실리콘 캐리어 상부에 제2 RF 연성 인쇄회로 기판이 형성되어 제1 RF FPCB와 와이어 본딩으로 연결되 는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제11항에 있어서,
상기 이중 슬릿의 상기 상부 슬릿과 상기 하부 슬릿은 탄성형 에폭시로 실링(sealing)되는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제11항에 있어서,
상기 실리콘 캐리어 및 상기 AWG 칩은 열전도성 접착제를 이용하여 상기 제1 단차면에 고정되는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제11항에 있어서,
상기 DC 연성 인쇄회로 기판, 상기 제2 RF 연성 인쇄회로 기판, 및 상기 실리콘 캐리어에 본딩패드가 형성되고,
상기 DC 연성 인쇄회로 기판 및 상기 제2 RF 연성 인쇄회로 기판에 형성된 본딩패드는 상기 실리콘 캐리어에 형성된 본팅패드와 와이어 본딩으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제11항에 있어서,
상기 금속 패키지 내부에 열전냉각기를 더 포함하고,
상기 광학대는 상기 열전냉각기의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제11항에 있어서,
상기 실리콘 캐리어에 실장된 상기 반도체 칩은,
광송수신용 반도체 칩, 커패시터 칩, 써미스터 칩, 및 전자회로 부품 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광모듈.
제16항에 있어서,
상기 광송수신용 반도체 칩은 DML 어레이 칩이고,
상기 전자회로 부품은 DML 드라이버 IC이며,
상기 AWG 칩의 입력단에 Y-분기 도파로를 갖도록 형성하고, 상기 AWG 칩의 상기 Y-분기 도파로가 끝나는 지점에 모니터링 포토다이오드를 형성하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제17항에 있어서,
상기 Y-분기 도파로는 8~10%의 분기비를 갖는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제16항에 있어서,
상기 광송수신용 반도체 칩은 EML 어레이 칩이고,
상기 전자회로 부품은 매칭 회로이며,
모니터링 포토다이오드를 상기 EML 어레이 칩에 단일 집적하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
제16항에 있어서,
상기 광송수신용 반도체 칩은 수신 포토다이오드이고,
상기 전자회로 부품은 TIA IC 인 것을 특징으로 하는 광모듈.