KR101978913B1 - 다채널 광 수신기 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다채널 광 수신기 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
이에 따른 본 발명은, 일측으로 수신된 광신호가 출력되는 타측에 기설정된 각도로 경사면이 형성되는 PLC 칩, 상기 PLC 칩 상에 본딩되고 유리 재질로 구성되는 PD 캐리어 및 상기 PD 캐리어 상에 본딩되고, 렌즈가 집적된 SI-PD를 포함하되, 상기 PLC 칩, 상기 PD 캐리어 및 상기 SI-PD는 적어도 하나의 정렬 마크에 의해 수동 정렬되어 본딩되는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

다채널 광 수신기 및 그의 제조 방법{Multi-channel Receiver Optical Sub-assembly and manufacture method thereof}
본 발명은 다채널 광 수신기 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
광대역 모바일, 클라우딩 네트워크, IPTV 및 스마트폰이 보급되면서 비디오 기반의 대용량 통신이 폭발적으로 증가하고 있다. 이에 따라 광모듈의 전송 속도가 급격하게 증가하고 있으며 동시에, 초소형 및 저가로 광수신기를 구현할 수 있는 기술이 절실하게 필요하게 되었다.
일반적으로 광 수신기에서 파장 다중화 필터가 집적된 AWG(Arrayed Waveguide Grating) PLC(Planar Lightwave Circuit) 칩을 사용하거나 다채널 직선 도파로가 형성된 PLC 칩을 사용하는 경우, PLC 칩 한쪽 끝단에 광 수신부를 구현하기 위하여 먼저 PLC 칩의 일단을 수직으로 폴리싱한다. 이후에, 렌즈가 집적되지 않은 SI-PD(Surface-Illuminated Photo Diode)를 PD(Photo Diode) 캐리어 상부에 정밀하게 플립칩본딩 한다.
따라서, PLC 칩에서 출력된 광신호를 SI-PD와 효과적으로 커플링하기 위해서는, 일단이 수직으로 폴리싱된 PLC 칩과 및 SI-PD가 집적된 PD 캐리어를 서로 마주보게 배치한 상태에서, 부피가 큰(bulky) 유리 렌즈(glass lens)를 PLC 칩과 SI-PD 사이에 삽입하여 PLC와 SI-PD를 수평으로 배치한 후, PLC 칩과 SI-PD 간 능동 정렬 및 벗 커플링(butt-coupling)을 수행하여야 한다.
25Gbps 이상 급 광 통신을 위한 SI-PD의 경우, 수광부 직경이 20um 내외로 매우 작기 때문에, SI-PD와 PLC 칩의 수동 정렬은 대단히 어렵다. 즉, SI-PD, 유리 렌즈, PLC 칩을 개별적으로 수동 정렬하는 경우, SI-PD의 좁은 수광부에 대해 10um 가량의 비정렬이 발생하면, SI-PD와 PLC 칩 간의 광 커플링 효율이 현저하게 저하된다. 따라서, PLC 및 SI-PD는 능동 정렬 되어야 한다.
그에 따라 PLC 및 SI-PD를 능동 정렬하는 경우, 광 커플링 효율 및 수율을 향상시키기 위하여, 상술한 바와 같이 SI-PD와 PLC 칩 사이에 렌즈가 배치된다. 이때, 종래 기술에 따른 광 수신부에 있어서는 크기가 큰 유리 렌즈를 사용해야 하기 때문에, 수신부의 길이가 길어진다. 또한, PLC, 렌즈, SI-PD를 개별적으로 배치한 후 능동 정렬 및 조립을 해야하기 때문에 공정이 복잡할 뿐만 아니라 시간이 많이 소요되어 광 수신기의 저가화를 어렵게 한다.
종래 기술에 따른 광 수신기에서, SI-PD는 PD 캐리어의 일측에 배치되고, SI-PD에서 출력되는 광 전류를 높은 전압으로 증폭하는 TIA 어레이는 PD 캐리어 상부에 배치된다. 따라서, SI-PD와 TIA 어레이 사이의 고주파 전송 선로는 90°로 꺾인 구조를 갖는다. 이때, 25Gbps 이상고속 신호가 90°로 꺾인 고주파 전송 선로를 통과하게 되면, 심한 임피던스 부정합이 발생할 뿐만 아니라, 고주파 신호가 방사(radiation)되어 광 수신기의 성능을 심각하게 저하시킨다.
결과적으로, 종래 기술에서는, 25Gbps 이상 급 광 수신기의 양산시에 고주파 특성 측면에서 수율 저하를 초래하기 때문에 광 수신기의 저가화를 매우 어렵게 한다. 특히, 40Gbps 이상 급 광 수신기에서는 고주파 특성 저하가 더 심각해지기 때문에, 종래 기술에서는 40Gbps 이상 급 광 수신기에 대하여 다른 구조를 적용해야 하며, 그에 따라 종래 기술에 따른 광 수신기의 구조를 고주파용 광수신기의 범용 구조로 사용할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 수동 정렬에 의하여 구현되는 다채널 광 수신기(ROSA; receiver optical sub-assembly) 및 그의 제조 방법을 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다채널 광 수신기는, 일측으로 수신된 광신호가 출력되는 타측에 기설정된 각도로 경사면이 형성되는 PLC 칩, 상기 PLC 칩 상에 본딩되고 유리 재질로 구성되는 PD 캐리어 및 상기 PD 캐리어 상에 본딩되고, 렌즈가 집적된 SI-PD를 포함하되, 상기 PLC 칩, 상기 PD 캐리어 및 상기 SI-PD는 적어도 하나의 정렬 마크에 의해 수동 정렬되어 본딩되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기의 제조 방법은, PLC 칩 상에서 광신호가 출력되는 일측에 기설정된 각도로 경사면을 형성하는 단계, 하단면에 렌즈가 집적된 SI-PD를 유리 재질의 PD 캐리어 상에 수동 정렬하여 본딩하는 단계 및 상기 PD 캐리어를 상기 PLC 칩 상에 수동 정렬하여 본딩하는 단계를 포함하되, 상기 PLC 칩, 상기 PD 캐리어 및 상기 SI-PD는 적어도 하나의 정렬 마크에 의해 수동 정렬되어 본딩되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다채널 광 수신기는, 수동 정렬에 의하여 광 수신기를 초소형 및 저가로 구현할 수 있도록 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기는, 종래 기술에서 따른 SI-PD, 렌즈, PLC 칩 간 능동 정렬에 의한 복잡하고 고가인 광 수신기 패키징 구조를 대체하여, 광 수신기 제작 비용을 절감할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기는, 종래 기술에서 사용하는 부피가 큰 유리 렌즈 대신 고굴절률을 갖는 SI-PD에 렌즈를 형성 및 단일 집적함으로써, 광 수신기를 소형으로 구현할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기는, 45°로 폴리싱된 PLC 칩 단면 및 유리 재질의PD 캐리어 상하부에 AR(Anti Reflection) 코팅을 적용하지 않고, 굴절률 정합 투명 에폭시만을 적용하여 광 반사에 의한 영향을 최소화하며 AR 코딩 공정 비용을 줄일 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기는, 종래 기술과는 달리 광 경로를 수직으로 배치하고 25Gbps 이상에서 동작하는 고주파 전송 선로를 수평으로 배치함으로써 임피던스 부정합을 최소화하고, 고주파 전송선로의 수직 배치시 발생하는 방사 손실(radiation loss)을 억제할 수 있어 종래 기술에 따른 고주파 특성 저하 문제를 해결할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따라, AWG PLC 칩을 이용한 다채널 광 수신기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따라, 다채널 직선 도파로 PLC 칩을 이용한 다채널 광 수신기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 광 수신기의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 광 수신기에 있어서 광 수신부의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 광 수신기에서 PD 캐리어의 상단면의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 따른 PD 캐리어의 상단면에 SI-PD 및 SLC가 본딩된 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 광 수신기에서 PLC 칩의 상단면에 PD 캐리어가 본딩된 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7을 확대하여 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 광 수신 구조에서 SI-PD가 집적된 PD 캐리어와 PLC 칩 간 광결합 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 다채널 광 수신기의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
본 명세서의 실시 예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명은 생략될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어 있다.”거나 “접속되어 있다.”라고 언급된 때에는, 해당 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있는 경우뿐만 아니라, 해당 구성 요소와 다른 구성 요소의 사이에 다른 구성 요소가 존재하는 경우도 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다," "포함할 수 있다." 등의 표현은 개시된 해당 기능, 동작, 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작, 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 　
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따라, AWG PLC 칩을 이용한 다채널 광 수신기의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따라, 다채널 직선 도파로 PLC 칩을 이용한 다채널 광 수신기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 다채널 광 수신기(200)는 PLC 칩(210)의 종류가 다른 것을 제외하고, 구체적인 구조가 본 발명의 제1 실시 예와 동일하므로, 이하에서는, 도 1의 실시 예를 들어 본 발명에 따른 다채널 광 수신기(100)의 구조를 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 다채널 광 수신기(100)는 PLC 칩(110), PD 캐리어(120) 및 SI-PD(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
PLC 칩(110)은 파장 다중화 필터가 집적된 AWG PLC 칩일 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에서는, PLC 칩(210)이 다채널 직선 도파로 PLC 칩일 수 있다.
PLC 칩(110) 상에는 다채널 광 도파로(111)가 형성될 수 있으며, 광 도파로의 재질은 실리카, 폴리머, 실리콘 등일 수 있다.
PLC 칩(110)의 일측은 광섬유와 커플링된다. 도 1에서와 같이 PLC 칩(110)이 AWG PLC 칩인 경우에는, 단일 채널 광섬유가 렌즈를 통하여 PLC 칩(110)과 커플링되거나, 단일 채널 광섬유 블록이 PLC 칩(110)과 피그테일링으로 커플링 될 수도 있다. 도 2에서와 같이 PLC 칩(110)이 다채널 직선 도파로 PLC 칩인 경우에는, 다채널 광섬유 블록이 PLC 칩(110)과 피그테일링으로 커플링될 수 있다.
광섬유로부터 PLC 칩(110)으로 입사되는 광신호는 광 도파로(111)를 따라 PLC 칩(110)의 타측으로 진행(travel/propagate)된다.
PLC 칩(110)의 타측은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, PLC 칩(110)의 하단면을 기준으로 기설정된 경사각(a)을 갖는 경사면(112)으로 구성된다. 본 발명의 다양한 실시 예에서, 경사각은 45°일 수 있으며, 경사면(112)은 연마(polishing) 또는 식각(etching) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 광 도파로(111)를 따라 PLC 칩(110)의 타측에 도달된 광신호는, 도 4에 도시된 바와 같이 경사면(112)에서 반사되어 진행 방향이 90° 꺾이게 된다. 그에 따라, PLC 칩(110)의 상단면을 따라 수평으로 진행하던 광 신호는 경사면(112)을 지나면서 수직으로 진행하게 된다.
일 실시 예에서, 경사면에는 금속 코팅층(113)이 형성될 수 있다. 금속 코팅층(113)은 Cr/Au, Cr/Ni/Au, Ti/Pt/Au 등으로 구성될 수 있다. 금속 코팅층(113)은 광신호의 반사 효율을 극대화시킴으로써, 경사면(112)에서 반사되는 광신호의 산란을 최소화하는 반사 미러로 동작한다.
상술한 PLC 칩(110)의 구조에 의하여, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기(100)는 종래 기술과 같이 90°로 꺾인 고주파 전송 선로를 이용하지 않고 광 경로를 변경시킴으로써, 고주파 특성을 저하하지 않으며, PLC 칩(100)과 이하에서 설명할 SI-PD(130) 간의 광 결합 손실을 최소화할 수 있다. 그에 따라, 본 발명에 따른 광 수신기는, 25Gbps 이상 급 광 수신기에 최적화된 고주파 특성을 가질 수 있다.
PLC 칩(110)의 상단면에는 PD 캐리어(120)가 본딩된다. 본 발명의 다양한 실시 예에서, PD 캐리어(120)는 광을 손실 없이 투과시킬 수 있는 평탄한 유리 재질로 형성될 수 있다. 구체적으로, PD 캐리어(120)는 광 투과성이 우수한 Quartz, sodalime glass, BK7 glass 등으로 형성될 수 있다. 다양한 실시 예에서, PD 캐리어(120)를 구성하는 유리 재질의 두께는 100~150um로 형성될 수 있다.
PD 캐리어(120)는 PLC 칩(110) 상단면에 수동 정렬 및 에폭시 본딩에 의하여 고정된다. 이때, PD 캐리어(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, PLC 칩(110)에서 경사면(112)이 형성된 영역의 상단면에 본딩될 수 있다. PLC 칩(110)의 상단면 및 PD 캐리어(120)에 적용되는 에폭시는 광 투과성이 우수하며, 광 도파로(111) 및 PD 캐리어(120)를 형성하는 유리 재질과 유사한 굴절률 정합 특성을 가져야 한다. 따라서, 에폭시는 굴절률 정합 에폭시로 명명될 수 있다.
다양한 실시 예에서, PD 캐리어(120)에 후술할 렌즈(131)가 집적된 SI-PD(130)가 먼저 본딩되고, SI-PD(130)가 본딩된 PD 캐리어(120)가 PLC 칩(110)과 본딩될 수 있다. PLC 칩(110) 및 PD 캐리어(120)의 수동 정렬 방법에 대하여 이하에서 구체적으로 설명한다.
PLC 칩(110)의 경사면(112)에서 반사되어 수직으로 출력되는 광신호는 광 도파로(111)의 클래드 층, PD 캐리어(120) 사이의 에폭시, PD 캐리어(120)를 거치면서 발산(diverge)된다.
일반적으로, PLC 칩(110)의 타측에 수직면을 형성하는 경우, 수평으로 전파된 광신호가 수직면에서 반사되어 광 도파로(111)로 커플링 및 피드백되는 문제점이 있다. 그러나 본 발명에 따른 다채널 광 수신기(100)에서는 광신호가 경사면(112)에서 반사되어 수직으로 진행하고, PD 캐리어(120)를 거치면서 발산되기 때문에, PD 캐리어(120) 상부 표면에서 반사되는 광신호가 광 도파로(111)로 역커플링(reverse coupling)되지 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기(100)에서는, PLC 칩(110) 및 PD 캐리어(120) 표면에 AR 코팅을 필요로 하지 않으며, 그에 따라 공정 비용이 절감된다.
PD 캐리어(120)의 상단면에는 SI-PD(130)가 본딩된다. 본 발명의 다양한 실시 예에서, SI-PD(130)는 PIN-PD(PIN Photo-Diode) 또는 아발란치 PD(AvalanchPhoto Diode; APD)일 수 있다. SI-PD(130)는 PD 캐리어(120) 상단면에 수동 정렬 및 플립칩 본딩에 의하여 고정된다. 일 실시 예에서, SI-PD(130)가 개별 칩(discrete) 타입인 경우, SI-PD(130)는 플립칩 본딩에 의하여 고정될 수 있으며, SI-PD(130)가 어레이 칩 타입인 경우, SI-PD(130)는 다이 본딩 및 플립칩 본딩에 의하여 고정될 수 있다. PD 캐리어(120) 및 렌즈(131)가 집적된 SI-PD(130)의 수동 정렬 방법에 대하여는 이하에서 구체적으로 설명한다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, SI-PD(130)의 하단면에는 도 4에 도시된 바와 같이 렌즈(131)가 집적된다. 상기 렌즈(131)는 PLC 칩(110)과 SI-PD(130)의 광 결합 효율에 중요한 역할을 수행한다. 따라서, 렌즈(131)는 SI-PD(130)에 정확하게 단일 집적되어야 한다.
본 발명에서, SI-PD(130)에 렌즈(131)가 단일 집적되는 경우, 렌즈(131)가 집적된 SI-PD(130)의 굴절률은 약 3.2 정도로 높기 때문에 작은 크기의 렌즈(131)를 형성할 수 있다. 또한, 작은 크기의 렌즈(131)는 반도체 공정 시 사용되는 포토마스크 정렬장치(photomask contact aligner)를 이용하여 약 1um 가량의 정밀도로 쉽게 배치될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 SI-PD(130) 제작 시에 포토마스크 정렬장치를 이용하여 렌즈(131)를 SI-PD(130)에 용이하게 수동 정렬하고 집적할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, SI-PD(130) 하단면에 집적되는 렌즈(131)의 표면에는 AR 코팅이 적용될 수 있다. AR 코팅은 다채널 광 수신기(100)에 있어서 광 반사에 의해 모듈 특성이 저하되는 것을 방지한다. AR 코팅 공정은 다채널 광 수신기(100) 제작에 있어서 일반적인(routine) 공정으로, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기(100) 제작에 있어서 렌즈(131) 표면의 AR 코팅에 의해 제작 비용이 증가하는 문제는 발생하지 않는다.
PD 캐리어(120)의 상단면에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, SI-PD(130)의 전원 노이즈를 제거하기 위해 SI-PD(130)와 인접하게 제1 SLC(Single Layer Capacitor)(140)가 추가로 본딩될 수 있다.
PLC 칩(110), PD 캐리어(120) 및 SI-PD(130)는 제1 금속 광학 벤치(Metal Optical Bench; MOB)(150) 상에 실장될 수 있다. 제1 금속 광학 벤치(150) 상에는 PLC 칩(110)의 경사면(112)에 인접하게 제2 금속 광학 벤치(160)가 실장될 수 있다. 이때, 제1 금속 광학 벤치(150)와 제2 금속 광학 벤치(160) 사이에는 둘 사이를 전기적으로 절연하기 위하여 비저항이 높은 (고저항) 서브마운트가 삽입될 수 있다.
본 발명에 따른 다채널 광 수신기(100)에서 제2 금속 광학 벤치(160)는 RF GND의 역할을 수행하고, 제1 금속 광학 벤치(150)는 메탈 하우징과 은 페이스트(silver paste)를 통하여 연결된다. 만약, 제2 금속 광학 벤치(160)와 제1금속 광학 벤치(150)가 전기적으로 연결되면, RF GND가 메탈 하우징과 연결되게 되므로, 다채널 광 수신기(100)를 다룰 때, SI-PD(130) 및 TIA 어레이(170)가 ESD(electro-static discharge)에 취약하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 다채널 광 수신기(100)에서 제1 금속 광학 벤치(150)와 제2 금속 광학 벤치(160)는 고저항 서브마운트에 의해 전기적으로 분리된다.
제2 금속 광학 벤치(160) 상에는 SI-PD(130)에서 출력되는 광 전류를 높은 전압(고주파 전압)으로 변환 및 증폭하는 TIA 어레이(170), TIA 어레이(170)에서 출력되는 고주파 전압을 다른 장치로 전송하는 RF-FPCB(180) 및 TIA 어레이(170)의 전원 노이즈를 제거하기 위한 제2 SLC(190)가 추가로 실장될 수 있다.
이때, SI-PD(130), TIA 어레이(170) 및 RF-FPCB(180)는 상호 평행하게 배치되도록 구성된다. 제1 금속 광학 벤치(150)는 제1 금속 광학 벤치(150) 상에 구비되는 SI-PD(130)가 제2 금속 광학 벤치(160) 상에 구비되는 TIA 어레이(170) 및 RF-FPCB(180)와 평행하게 배치될 수 있도록, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 금속 광학 벤치(160)가 실장되는 영역에 단차(151)를 포함하여 구성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 금속 광학 벤치(160)도 TIA 어레이(170) 및 RF-FPCB(180)가 평행하게 배치될 수 있도록, 도 4에 도시된 바와 같이 단차(161)를 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 8을 참조하여, PLC 칩(110), PD 캐리어(120) 및 SI-PD(130) 간 정렬 구조를 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 광 수신기에서 PD 캐리어의 상단면의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, PD 캐리어(120)는 상단면에 PLC 칩(110)과의 정렬을 위한 복수의 PDC 정렬 마크(121, 122, 123), SI-PD(130)와의 정렬을 위한 플립칩 본딩용 정렬 마크(124) 및 솔더(125)를 포함하여 구성된다. 솔더(125)는 AuSn, AgSn, SnPb 등으로 구성될 수 있다. 또한, 광신호가 PD 캐리어(120)를 투과하여 SI-PD(130)의 하단면에 집적된 렌즈(131)에 효과적으로 커플링 될 수 있도록, PD 캐리어(120) 상부에는 렌즈(131)와 동일한 형태의 개방된 메탈 패턴(126)이 형성된다.
정렬 마크는 PLC 칩(110)과 PD 캐리어(120)의 종방향 정렬을 위한 PDC 종방향 정렬 마크(121)를 포함할 수 있다. PDC 종방향 정렬 마크(121)는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일 실시 예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, PD 캐리어(120)의 좌우에 10um 패턴/간격으로 형성될 수 있다.
또한, 정렬 마크는 PLC 칩(110)에 형성된 광 도파로(111)와 PD 캐리어(120)의 횡방향 정렬을 위한 PDC 횡방향 정렬 마크(122)를 포함할 수 있다. PDC 횡방향 정렬 마크(122)는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일 실시 예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, PD 캐리어(120)의 네 곳에 10um 패턴/간격으로 형성될 수 있다.
추가로, 도 5에서는, PD 캐리어(120)의 좌우, 두 번째/세 번째 SI-PD(130) 사이 및 PDC 횡방향 정렬마크(122) 사이에 십자가 형태의 PDC 횡방향/종방향 정렬마크(123)가 형성된 예를 도시하였다. PDC 횡방향/종방향 정렬 마크(123)에 의하여 PD 캐리어(120)는 PLC 칩(110)과 더욱 정밀하게 정렬될 수 있다.
플립칩 본딩용 정렬 마크(124)는 SI-PD(130)가 배치되는 영역에 형성되며, SI-PD(130)의 바닥면에 형성되는 전극 패턴과 정렬되어, SI-PD(130)가 PD 캐리어(120) 상단면에 올바르게 본딩될 수 있도록 한다.
PD 캐리어(120)의 SI-PD(130)가 본딩되지 않는 나머지 상단면에는 넓은 GND 패턴이 형성되어 TIA 어레이(170), RF-FPCB(180), 제2 SLC(190) 및 GND와 상호 연결될 수 있다.
도 6은 도 5에 따른 PD 캐리어의 상단면에 SI-PD 및 SLC가 본딩된 구조를 나타낸 도면이다.
SI-PD(130)의 바닥면에는 PD 캐리어(120) 상단면에 형성된 플립칩 본딩용 정렬 마크(124)와 본딩되는 전극 패턴이 형성된다. SI-PD(130) 바닥면에 형성된 전극 패턴과 PD 캐리어(120)의 플립칩 본딩용 정렬 마크(124)는 약 2~3um의 정밀도로 수동 정렬된 후 플립칩 본딩된다. 2~3um의 비정렬은 SI-PD(130) 및 PLC 칩(110) 간의 광 커플링에 거의 영향을 미치지 않는다.
도 6에서는 네 개의 SI-PD(130)를 각각 플립칩 본딩하여 총 네 번의 플립칩 본딩을 적용한 예를 도시하였으나, 어레이 타입의 SI-PD를 이용하는 경우에는 플립칩 본딩 대신 수동 정렬에 의한 다이 본딩을 적용하거나 한 번의 플립칩 본딩을 적용하여 SI-PD(130)를 PD 캐리어(120)에 본딩할 수 있다.
PD 캐리어(120) 상단면 내에서 SI-PD(130)가 플립칩 본딩되지 않은 나머지 영역에는 PD 캐리어(120) GND가 형성되며, GND 상부에 SI-PD(130)의 전원 노이즈 제거를 위한 제1 SLC(140)가 은 페이스트로 부착될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 광 수신기에서 PLC 칩의 상단면에 PD 캐리어가 본딩된 구조를 나타낸 도면이다.
PLC 칩(110)의 상단면에는 PD 캐리어(120)와의 정렬을 위한 복수의 정렬 마크(114, 115)가 형성될 수 있다.
정렬 마크는 PD 캐리어(120)에 형성되는 PDC 종방향 정렬 마크(121)와 정렬되는 PLC 종방향 정렬 마크(114)를 포함할 수 있다. PLC 종방향 정렬 마크(114)는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일 실시 예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, PLC 칩(110) 상단면의 좌우에 10um 패턴/간격으로 형성될 수 있다. PLC 종방향 정렬 마크(114)는 PDC 종방향 정렬 마크(121)와 5um 정도의 정밀도로 정렬되며, 비정렬 여부를 확인할 수 있다.
PLC 칩(110) 상단에 구성된 다채널 광 도파로(111)는 10um 패턴/간격으로 형성된 PDC 횡방향 정렬 마크(122)와 상호 정렬되며, 5um의 정밀도로 정렬될 수 있다.
추가로, 도 8에서는, PDC 횡방향/종방향 정렬 마크(123)에 대응하는 위치에 십자가 형태의 PLC 횡방향/종방향 정렬 마크(115)가 형성된 예를 도시하였다. PLC 횡방향/종방향 정렬 마크(115)에 의하여 PD 캐리어(120)는 PLC 칩(110)과 더욱 정밀하게 정렬될 수 있다. PLC 횡방향/종방향 정렬 마크(115)와 PDC 횡방향/종방향 정렬 마크(123)는 5um 정도의 정밀도로 정렬되며, 비정렬 여부를 확인할 수 있다.
PLC 칩(110)과 PD 캐리어(120)는 상기한 정렬 마크를 이용하여 수동 정렬에 의해 10um 이하의 비정렬 범위로 본딩될 수 있으며, 굴절률 정합 투명 에폭시(index matching transparent epoxy)에 의하여 본딩될 수 있다.
도 7을 참조하면, TIA 어레이(170)는 SI-PD(130)와 100um 이내의 거리에 배치되어, 와이어 본딩의 길이를 최소화하며, TIA 어레이(170)의 상하면에 TIA 어레이(170)의 전원 노이즈 제거용 제2 SLC(190)가 배치된다.
도 9는 본 발명에 따른 광 수신 구조에서 SI-PD가 집적된 PD 캐리어와 PLC 칩 간 광결합 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9의 시뮬레이션에 있어서, SI-PD(130)의 수광부 직경은 24um, 렌즈(131)의 곡률 반경(radius of curvature)은 105um, 렌즈(131)의 유효 수광부 직경(effective receiving diameter)은 100um이며, SI-PD(130) 칩의 두께는 150um 이다. PLC 칩(110)의 광 도파로(111)는 실리카 재질로 굴절률 차이(refractive index contrast)는 2%-Δ, 광 도파로(111)의 폭 및 높이는 각각 14um 및 2.5um이다. PD 캐리어(120)의 굴절률은 1.457이며, PD 캐리어(120)와 PLC 칩(110)을 본딩할 때 사용하는 굴절률 정합 투명 에폭시의 굴절률은 1.465이다.
도 9에서는 PD 캐리어(120)의 두께가 각각 100um 및 120um인 경우에 대하여 시뮬레이션하였으며, 3D 빔 전송법(BPM; beam propagation method)으로 시뮬레이션하였다.
도 9에서와 같이, PD 캐리어(120)와 광 도파로(111) 사이의 비정렬이 +/- 18um만큼 발생한 경우, 광 결합 효율은 93%로 최대 광 결합 효율(97.5%) 대비 광 손실은 0.2dB에 불과하다.
한편, PLC 칩(110)과 PD 캐리어(120)를 서로 수동 정렬하는 경우 발생하는 비정렬은 대략 10~15um 정도임을 실험적으로 확인하였다. 즉, 0.2dB 허용오차가 +/-18um 정도이면 SI-PD(130)가 플립칩 본딩된 PD 캐리어(120)와 PLC 칩(110) 간의 수동 정렬이 충분히 가능함을 알 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 다채널 광 수신기의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에서는 먼저 PLC 칩(110)의 타측에 경사면(112)을 형성한다(1001). PLC 칩(110)의 상단면에는 AWG 또는 다채널 직선 광 도파로가 구비되며, 일단에서 입사된 광신호는 광 도파로를 따라 전송되어 타측에서 출력된다. 본 발명에서는, PLC(110)의 타측이 하단면을 기준으로 기설정된 경사각(구체적으로, 45°)을 갖도록 타측에 경사면(112)을 형성한다. 경사면(112)은 연마 또는 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명에서는 경사면(112) 상에 금속 코팅층(113)을 형성한다(1002). 금속 코팅층(113)은 Cr/Au, Cr/Ni/Au, Ti/Pt/Au 등으로 구성될 수 있다.
본 발명에서는 하단면에 렌즈가 집적된 SI-PD(130)를 준비한다(1003). 이때, 렌즈(131)는 포토마스크 정렬장치를 이용하여 SI-PD(130)의 하단면에 단일 집적되어 제작될 수 있다. 다양한 실시 예에서, 렌즈(131) 표면에 AR 코팅이 적용될 수 있다.
다음으로, 본 발명에서는 렌즈(131)가 집적된 SI-PD(130)를 PD 캐리어(120)의 상단면에 본딩한다(1004). 이때, SI-PD(130) 및 PD 캐리어(120)는 SI-PD(130) 및 PD 캐리어(120)에 형성된 복수의 정렬 마크를 이용하여 수동 정렬되며, 플립칩 본딩에 의하여 본딩된다.
추가로, 본 발명에서는 PD 캐리어(120)의 상단면에 SI-PD(130)의 전원 노이즈를 제거하기 위한 제1 SLC(140)를 본딩할 수 있다.
다음으로, 본 발명에서는 SI-PD(130)가 본딩된 PD 캐리어(120)를 PLC 칩(110)의 상단면에 본딩한다(1005). 이때, PLC 칩(110) 및 PD 캐리어(120)는 PLC 칩(110) 및 PD 캐리어(120)에 형성된 복수의 정렬 마크를 이용하여 수동 정렬되며, 에폭시에 의해 본딩된다.
다음으로, 본 발명에서는 PD 캐리어(120)가 본딩된 PLC 칩(110)을 제1 금속 광학 벤치(150) 상에 실장한다(1006).
다음으로, 본 발명에서는 제1 금속 광학 벤치(150)의 상에 제2 금속 광학 벤치(160)를 추가로 실장한다(1007). 이때, 제2 금속 광학 벤치(160)는 제1 금속 광학 벤치(150) 상에 PLC 칩(110)에 인접하게 실장될 수 있으며, 제1 금속 광학 벤치(150)와 제2 금속 광학 벤치(160) 사이에는 고저항 서브마운트가 삽입될 수 있다.
다음으로, 본 발명에서는 제2 금속 광학 벤치(160) 상에 TIA 어레이(170), RF-FPCB(180) 및 TIA 어레이(170)의 전원 노이즈 제거를 위한 제2 SLC(190)를 추가로 실장한다(1008). 이때, TIA 어레이(170) 및 RF-FPCB(180)는 SI-PD(130)와 평행하게 실장될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그리고 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 본 발명의 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 다채널 광 수신기 110: PLC 칩
111: 광 도파로 112: 경사면
113: 금속 코팅층 114, 115: 정렬 마크
120: PD 캐리어 121, 122, 123: 정렬 마크
124: 플립칩 본딩용 정렬 마크 125: 솔더
126: 메탈 패턴 130: SI-PD
131: 렌즈 140: 제1 SLC
150: 제1 금속 광학 벤치 151: 단차
160: 제2 금속 광학 벤치 161: 단차
170: TIA 어레이 180: RF-FPCB
190: 제2 SLC

Claims (19)

  1. 일측으로 수신된 광신호가 출력되는 타측에 기설정된 각도로 경사면이 형성되는 PLC 칩;
    상기 PLC 칩 상에 본딩되고 유리 재질로 구성되는 PD 캐리어; 및
    상기 PD 캐리어 상에 본딩되고, 렌즈가 집적된 SI-PD를 포함하되,
    상기 PLC 칩, 상기 PD 캐리어 및 상기 SI-PD는 적어도 하나의 정렬 마크에 의해 수동 정렬되어 본딩되되,
    상기 PLC 칩은:
    상기 PD 캐리어와의 종방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 종방향 정렬 마크;
    상기 PLC 칩 상에 구비되는 광 도파로와 상기 PD 캐리어의 횡방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 횡방향 정렬 마크; 및
    상기 PD 캐리어와의 종방향/횡방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 종방향/횡방향 정렬 마크를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PLC 칩은,
    AWG(Arrayed Waveguide Grating) PLC(Planar Lightwave Circuit) 칩 또는 다채널 직선 도파로가 형성된 PLC 칩인 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 PLC 칩은,
    상기 경사면에 형성되는 금속 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 코팅층은,
    Cr/AU, Cr/Ni/Au 및 Ti/Pt/Au 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 PD 캐리어는,
    Quartz, sodalime glass 및 BK7 glass 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PD 캐리어 상에 상기 SI-PD에 인접하게 실장되는 상기 SI-PD의 전원 노이즈 제거를 위한 제1 SLC(Single Layer Capacitor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 PLC 칩을 실장하는 제1 금속 광학 벤치;
    상기 경사면에 인접하게 상기 제1 금속 광학 벤치 상에 배치되는 제2 금속 광학 벤치;
    상기 SI-PD에 인접하게 상기 제2 금속 광학 벤치 상에 실장되는 TIA 어레이;
    상기 TIA 어레이에 인접하게 상기 제2 금속 광학 벤치 상에 실장되는 RF-FPCB; 및
    상기 제2 금속 광학 벤치 상에 실장되는 상기 TIA 어레이의 전원 노이즈 제거를 위한 제2 SLC를 더 포함하되,
    상기 SI-PD, 상기 TIA 어레이 및 상기 RF-FPCB는 상호 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 금속 광학 벤치 및 상기 제2 금속 광학 벤치를 상호 절연시키기 위해 상기 제1 금속 광학 벤치 및 상기 제2 금속 광학 벤치 사이에 형성되는 고저항 서브마운트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 PD 캐리어는,
    상기 PLC 칩과의 종방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 종방향 정렬 마크;
    상기 PLC 칩 상에 구비되는 광 도파로와의 횡방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 횡방향 정렬 마크;
    상기 PLC 칩과의 종방향/횡방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 종방향/횡방향 정렬 마크; 및
    상기 SI-PD와의 수동 정렬을 위한 플립칩 본딩용 정렬 마크를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 PD 캐리어는,
    상기 PLC 칩 상에 구비되는 광 도파로 및 상기 PD 캐리어를 구성하는 상기 유리 재질과 굴절률 정합 특성을 갖는 에폭시에 의해 상기 PLC 칩 상에 에폭시 본딩되는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 SI-PD는,
    개별 칩 타입인 경우, 상기 PD 캐리어 상에 플립칩 본딩되고, 어레이 칩 타입인 경우, 상기 PD 캐리어 상에 다이 본딩 및 플립칩 본딩되는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기.
  13. PLC 칩 상에서 광신호가 출력되는 일측에 기설정된 각도로 경사면을 형성하는 단계;
    하단면에 렌즈가 집적된 SI-PD를 유리 재질의 PD 캐리어 상에 수동 정렬하여 본딩하는 단계; 및
    상기 PD 캐리어를 상기 PLC 칩 상에 수동 정렬하여 본딩하는 단계를 포함하되,
    상기 PLC 칩, 상기 PD 캐리어 및 상기 SI-PD는 적어도 하나의 정렬 마크에 의해 수동 정렬되어 본딩되되,
    상기 PD 캐리어를 상기 PLC 칩 상에 수동 정렬하여 본딩하는 단계는:
    상기 PLC 칩과 상기 PD 캐리어의 종방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 종방향 정렬 마크, 상기 PLC 칩 상에 구비되는 광 도파로와 상기 PD 캐리어의 횡방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 횡방향 정렬 마크 및 상기 PLC 칩과 상기 PD 캐리어의 종방향/횡방향 수동 정렬을 위한 적어도 하나의 종방향/횡방향 정렬 마크를 이용하여 상기 PD 캐리어를 상기 PLC 칩 상에 수동 정렬하는 단계; 및
    상기 PLC 칩 상에 구비되는 광 도파로 및 상기 PD 캐리어를 구성하는 상기 유리 재질과 굴절률 정합 특성을 갖는 에폭시를 이용하여 상기 PLC 칩에 상기 PD 캐리어를 에폭시 본딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 경사면에 금속 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 PD 캐리어 상에 상기 SI-PD에 인접하게 상기 SI-PD의 전원 노이즈를 제거하기 위한 제1 SLC를 실장하는 단계는 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    제1 금속 광학 벤치 상에 상기 PLC 칩을 실장하는 단계;
    상기 제1 금속 광학 벤치 상에 상기 경사면에 인접하게 제2 금속 광학 벤치를 배치하는 단계;
    상기 제2 금속 광학 벤치 상에 상기 SI-PD에 인접하며 상기 SI-PD와 평행하게 TIA 어레이를 실장하는 단계;
    상기 제2 금속 광학 벤치 상에 상기 TIA 어레이에 인접하며 상기 TIA 어레이와 수평하게 RF-FPCB를 실장하는 단계; 및
    상기 제2 금속 광학 벤치 상에 상기 TIA 어레이의 전원 노이즈 제거를 위한 제2 SLC를 실장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 금속 광학 벤치를 배치하는 단계는,
    상기 제1 금속 광학 벤치 및 상기 제2 금속 광학 벤치를 상호 절연시키기 위해 상기 제1 금속 광학 벤치 및 상기 제2 금속 광학 벤치 사이에 고저항 서브마운트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 SI-PD를 유리 재질의 PD 캐리어 상에 수동 정렬하여 본딩하는 단계는,
    상기 SI-PD와의 수동 정렬을 위한 본딩용 정렬 마크를 이용하여 상기 SI-PD를 상기 PD 캐리어 상에 수동 정렬하는 단계; 및
    상기 SI-PD가 개별 칩 타입인 경우, 상기 SI-PD를 상기 PD 캐리어 상에 플립칩 본딩하고, 상기 SI-PD가 어레이 칩 타입인 경우, 상기 SI-PD를 상기 PD 캐리어 상에 다이 본딩 및 플립칩 본딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신기의 제조 방법.
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