KR20000034841A - 광통신 모듈의 초고주파 입력장치 - Google Patents

광통신 모듈의 초고주파 입력장치 Download PDF

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KR20000034841A
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이상호
정지채
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윤종용
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Abstract

본 발명은 초고속(2.5Gbps, 10Gbps) 광통신 모듈에 있어서 모듈의 성능을 좌우하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치를 기재한다. 본 발명에 따른 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치는, 십자 형태의 마이크로스트립 라인에 각각 인던턴스 성분 및 캐패시턴스 성분을 갖도록 일정한 크기로 형성하고, EML과 박막 저항기 혹은 칩형 저항기를 본딩 와이어로 연결하며, 여기에 발생되는 인덕턴스 값을 본딩 와이어의 길이를 이용하여 적절하게 조절함으로써, 10Gbps 모듈에서 3dB 밴드폭은 13 GHz를 보이고, 고주파 복귀 손실은 10GHz에서 기존의 4dB에서 14dB로 향상된다.

Description

광통신 모듈의 초고주파 입력 장치{RF input unit ofahigh speed optical module}
본 발명은 초고속(2.5Gbps, 10Gbps) 광통신 모듈에 있어서 모듈의 성능을 좌우하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치에 관한 것이다.
초고속 광통신의 핵심 부품인 2.5/10Gbps 모듈의 경우 모듈의 중요한 파라미터(Parameter)인 3dB 밴드폭(Bandwidth)과 고주파 복귀 손실(RF return loss) 등의 특성 개선을 위하여 기존에 사용되던 마이크로스트립 라인(Microstrip line)의 형태를 바꾸어 그 성능을 대폭 개선하였다.
도 1a는 종래의 광통신 모듈의 고주파 입력 장치의 평면적 구성도이고, 도 1b는 도 1a의 고주파 입력 장치의 등가 회로도이다. 도시된 바와 같이, 초고속 광통신 모듈의 고주파 입력 장치는 마이크로웨이브용 기판(6) 상에 형성된 일정폭의 마이크로스트립 라인 패턴(5)이 구비되고, 박막 저항기(8) 및 EML 서브마운트(10) 상에 레이저 다이오드(9a)와 변조기(9b)로 구성된 전자흡수 변조 레이저(EML; electroabsorption modulated laser) 칩(9)이 탑재되며, 마이크로스트립 라인 패턴(5)은 박막 저항기(8) 및 전자흡수 변조 레이저(EML) 칩(9)과 각각 본딩 와이어(7)로 연결되어 있다. 여기에 사용된 본딩 와이어(bonding wire)는 보통 1mm의 두께를 갖는 Au 와이어를 사용하며 그 길이는 발생되는 인덕턴스 성분을 최소화하기 위하여 가능한 짧게하여 주고 있다. 45~55Ω 값을 갖는 박막(thin film) 혹은 칩 저항기(chip resistor)(8)는 EML 칩(9)과 연결되어 임피던스 매칭이 되도록 구성되어 있다.
도 1b에서 부재번호 1은 모듈내부에 사용된 본딩 와이어(Bonding wire)에 의한 인덕턴스(inductance) 성분을 나타내며, 부재번호 2는 2.5Gbps 혹은 10Gbps 전자흡수 변조 레이저(electroabsorption modulated laser; EML)를 나타내며, 부재번호 3은 고속 모듈의 임피던스 매칭(impedance matching)을 위하여 사용한 45~55Ω의 값을 갖는 박막 저항기(thin film resistor) 혹은 칩 저항기(chip resistor)를 각각 나타내고 있다.
여기에 사용되는 마이크로스트립 라인(microstrip line)(5)은 단순히 특성 임피던스(characteristic impedance)가 50Ω 저항과 매칭이 되도록 형성된 금속 라인 형태로 되어 있다. 이와 같이 제작된 마이크로스트립 라인(5)의 경우는 EML chip(9) 및 다른 부품에 형성되는 용량(capacitance) 성분 및 본딩 와이어(7) 등에 의하여 유발되는 모듈 특성 저하의 문제점을 해결할 수 없어, 도 2에 도시된 바와 같이, 8GHz의 3dB 밴드폭(bandwidth)(｜S21｜) 및 대략 11dB의 고주파 복귀 손실(RF return loss)(｜S11｜)을 보이고 있어 고속 전송에 문제가 되고 있다. 즉, 현재 15dB이상으로 되어있는 사양에 못미치고 있어 10Gbps 동작에 문제가 있다. 또한 45~55Ω의 저항에서 DC와 AC 전력이 동시에 소모되고 있어서 열이 많이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 핵심 부품인 마이크로스트립 라인의 형태를 바꾸어 줌으로써 3dB 주파수 대역폭을 향상시키고, 임피던스 매칭과 관련된 고주파 복귀 손실을 향상시킨 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a는 종래의 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치의 평면적 구성도이고,
도 1b는 도 1a의 초고주파 입력 장치의 등가 회로도이며,
도 2는 도 1a의 초고주파 입력 장치의 응답 특성을 나타내는 그래프이며,
도 3a는 본 발명에 따른 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치의 평면적 구성도이며,
도 3b는 도 2a의 초고주파 입력 장치에서 마이크로웨이브용 기판의 사시도이며,
도 3c는 도 3a의 초고주파 입력 장치의 등가 회로도이며,
도 4는 도 3a의 초고주파 입력 장치의 응답 특성을 나타내는 그래프이며,
도 5a는 본 발명에 따른 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치의 실시예의 회로도이며,
그리고 도 5b는 도 5a의 실시예에 의한 응답 특성을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
5. 마이크로스트립 라인 패턴 6. 마이크로웨이브용 기판
7. 본딩 와이어
8. 박막 저항기(혹은 칩 저항기(chip resistor))
9a. 레이저 다이오드 9b. 변조기
9. 전자흡수 변조 레이저(EML; electroabsorption modulated laser) 칩
10. EML 서브마운트 18, 19, 20. 마이크로스트립 라인 패턴
18. 임피던스 매칭 영역 19. 캐패시턴스 영역
20. 인덕턴스 영역 21. 마이크로웨이브용 기판
22. 제2본딩 와이어 23. 제2박막 저항기(혹은 칩 저항기)
24a. 레이저 다이오드 24b. 변조기
24. 전자흡수 변조 레이저 칩 25. EML 서브마운트
26. 제3본딩 와이어 27. 제1박막 저항기
28. 캐패시터 29. 제1본딩 와이어
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치는, 외부 회로와 접속되어 임피던스 매칭을 이루는 임피던스 매칭영역, 소정의 캐패시턴스 성분을 발생시키는 캐패시턴스 영역 및 소정의 인덕턴스 성분을 발생시키는 인덕턴스 영역이 결합된 마이크로스트립 라인 패턴; 상기 마이크로스트립 라인 패턴의 인덕턴스 영역과 접속된 전자흡수 변조 레이저; 및 상기 마이크로스트립 라인 패턴과 전자흡수 변조 레이저의 접속점 및 접지점 사이에 접속된 임피던스 매칭용 제1박막 저항기;를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1저항기는 40~60Ω의 저항값을 가지며, 상기 제1저항기 및 상기 전자흡수 변조 레이저와 마이크로스트립 라인 패턴의 접속 절점 사이에 2nH 미만의 인덕턴스 값을 갖는 본딩 와이어가 더 구비되고, 상기 인덕턴스 영역 및 상기 캐패시턴스 영역은 상기 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값이 각각 0.01~1nH와 0.01~0.2pF의 범위에서 결정되도록 제작된 후 접속되는 전자흡수 변조 레이저의 특성에 따라 상기 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값이 조절될 수 있도록 형성된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 광통신 모듈의 성능 향상을 위하여 상기 변조기와 직렬로 접속된 제2박막 저항기를 더 구비하고, 이 제2박막 저항기와 상기 전자흡수 변조 레이저 사이에 2nH 미만의 인덕턴스 값을 갖는 본딩 와이어를 더 구비하며, 상기 제1박막 저항기와 접지점 사이에 서로 병렬로 접속된 200pF 과 0.1μF의 두 캐패시터를 더 구비한 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치를 상세하게 설명한다.
도 3a는 본 발명에 따른 초고속 광통신 모듈의 고주파 입력 장치의 평면적 구성도이며, 도 3b는 도 2a의 고주파 입력 장치에서 마이크로웨이브용 기판의 사시도이며, 도 3c는 도 2a의 고주파 입력 장치의 등가 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초고속 광통신 모듈의 고주파 입력 장치는 기본적으로 마이크로웨이브용 기판(21) 상에 형성된 마이크로스트립 라인 패턴(18, 19, 20)과 EML 서브마운트(25) 상에 탑재되며 레이저 다이오드(24a)와 변조기(24b)로 구성된 전자흡수 변조 레이저 칩(24) 및 임피던스 매칭용의 제1박막 저항기(27)를 구비한다. 특히, 마이크로스트립 라인 패턴(18, 19, 20)은 외부 회로와의 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭 영역(18)과 소정값의 캐패시턴스 값을 얻기 위한 캐패시턴스 영역(19) 및 소정값의 인덕턴스 값을 얻기 위한 인덕턴스 영역(20)을 갖는다. 캐패시턴스 영역(19)과 인덕턴스 영역(20)의 패턴은 조립후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 적당한 캐패시턴스 값 및 인덕턴스 값의 조정을 위하여 그 폭과 길이가 트리밍(trimming)될 수 있도록 제작된다. 여기서 캐패시턴스 영역(19)은 그 면적에 비례하여 캐패시턴스 값이 결정되므로 그 모양은 어떻든 무관하나 설계상 사각형 내지 다각형으로 제작하는 것이 용이하다. 또한, 본 발명의 초고속 광통신 모듈의 고주파 입력 장치에는 성능 향상을 위하여 마이크로스트립 라인 패턴(18, 19, 20)과 전자흡수 변조 레이저 칩(24) 사이에 직렬로 제2박막 저항기(혹은 칩 저항기)(23)가 더 구비되기도 한다. 즉, 도 3a에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 라인 패턴(18, 19, 20)과 전자흡수 변조 레이저 칩(24) 사이에 직렬로 제2박막 저항기(23)가 구비되기도 한다. 또한, 제1박막 저항기(27)와 접지점 사이에 상대적으로 크고 작은 용량을 갖는 두 개의 캐패시터(28)가 구비된다.
마이크로스트립 라인 패턴의 인덕턴스 영역(20)은 제2박막 저항기(23)의 일측 단자와 제1본딩 와이어(29)로 연결되고, 제2박막 저항기(23)의 타측 단자는 전자흡수 변조 레이저 칩(24)과 제2본딩 와이어(22)로 연결된다. 또한, 제2박막 저항기(23)의 일측 단자는 제1박막 저항기(27)의 일측 단자와 제3본딩 와이어(26)로 연결된다. 여기서, 사용되는 본딩 와이어(bonding wire)는 보통 1mm의 두께를 갖는 Au 와이어를 사용하며 그 길이는 발생되는 인덕턴스 성분을 최소화하기 위하여 가능한 짧게하여 준다.
도 3c의 제2박막 저항기(23)는 대략 3~15Ω의 작은 저항값을 가지거나 접속된 EML??(24)의 특성에 따라 필요없는 경우도 있다. 즉, EML 변조기(24b)의 내부 직렬 저항값이 클 경우에는 제2박막 저항기(23)가 필요없게 된다. 또한, 도 3c의 제1박막 저항기(27)는 10Gbps 모듈의 임피던스 매칭을 위하여 LD 서브마운트(25)에 박막(thin film) 형태로 형성되어 있거나, 칩 저항기(chip resistor) 형태로 되어 있는 40~60Ω 사이의 값을 갖고 있는 저항체로서, 제2박막 저항기(23)가 필요없는 경우 2.5Gbps 혹은 10Gbps EML의 변조기(modulator)와 제3본딩 와이어(26)로 연결된다. 마이크로스트립 라인 패턴의 인덕턴스 영역(도 3a의 20, 도 3c의 11)은 EML chip(24) 내부에 발생되는 용량(capacitance) 성분을 보상하기 위하여 형성된다. 마이크로스트립 라인 패턴의 인덕턴스 영역(20)은 인덕턴스 성분으로 2nH 이하의 값을 가지도록 형성된다. 마이크로스트립 라인 패턴(18,19, 20)의 재질은 duriod 혹은 알루미나 및 이와 동등한 마이크로웨이브(microwave) 대역에서 좋은 유전체적 특성을 갖는 물질을 사용한다.
도 3c는 도 3a의 고주파 입력 장치의 등가 회로도로서, 부재번호 11은 도 3a에서 마이크로 스트립 라인 패턴의 인덕턴스 영역(20)과 제1본딩 와이어(29)의 합성 인덕턴스 성분을 나타내고, 부재번호 19는 도 3a에서 마이크로스트립 라인 패턴의 캐패시턴스 영역(19)의 캐패시턴스 성분을 나타낸다. 또한, 부재번호 26은 도 3a의 제3본딩 와이어(26)의 인덕턴스 성분을 표시한 것이고, 부재번호 23은 도 3a의 제2박막 저항기(혹은 칩형 저항기)(23)를 나타내며, 부재번호 22는 도 3a의 변조기(24a)와 제2박막 저항기(혹은 칩형 저항기)(23)를 적절한 길이로 연결하는 제2본딩 와이어(22)의 인덕턴스를 표시한 것으로 이는 무시될 수 있는 정도의 값이다(따라서 등가회로에서 생략될 수 있다).
특히, 마이크로스트립 라인 패턴의 인덕턴스 영역(20)과 제1본딩 와이어(29)의 합성 인덕턴스(11) 및 변조기(24b) 자체의 직렬 저항값에 의하여 2.5Gbps나 10Gbps 광통신 모듈의 변조 특성이 좌우되며, 복귀 손실(return loss) 향상을 위하여 제2박막 저항기(칩 저항기)(23)를 변조기(24b)와 직렬로 연결하여 사용하기도 한다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이 전자흡수 변조 레이저의 변조기(24b)의 내부 직렬 저항값이 클 경우에는 생략될 수 있다.
이와 같은 구성의 초고주파 입력 장치는 2.5Gbps 이상의 고속 광통신 모듈의 성능을 향상시키기 위한 것으로, 핵심 부품인 마이크로스트립 라인 패턴(18, 19, 20)의 형태를 바꾸어 줌으로써 3dB 주파수 대역폭을 기존의 마이크로스트립 라인이나 동일 평면 도파로(coplanae waveguide)를 채용한 모듈에 비하여 60% 이상 향상시키며, 또한 임피던스 매칭에 관련된 고주파 복귀 손실(RF return loss) 역시 기존 10Gbps EML 모듈의 6dB(8 GHz 까지의 범위에서)에서 16dB로 향상시킨다. 즉, 2.5Gbps 혹은 10Gbps EML 모듈 동작시 기존 모듈에서는 사용되지 않았던 마이크로스트립 라인 패턴(18, 19, 20)에 형성된 인덕턴스 성분(11)이 EML ??(24)의 내부 캐패시턴스를 상쇄시키는 역할을 함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 3dB 밴드폭을 13GHz 까지 향상시키고, 또한 동일 평면상의 스트립 라인에 대략 0.2pF 미만의 캐패시턴스(19)를 형성하고, 제2박막 저항기(23)를 직렬로 연결하여 도 4에 도시된 바와 같이 공진 피크(resonance peak)의 위치를 변화시켜줌으로써 전기적 복귀 손실(electrical return loss)을 8 GHz 까지에서 기존 모듈의 6dB에서 16dB로 향상시킨다.
또한, 도 5a에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 라인 패턴(도 3a에서 18, 19, 20)이 인덕턴스(11'), 캐패시턴스(19') 성분을 갖도록, 도 3a에 도시된 바와 같이 십자 형태의 일정한 크기로 형성하고, 인덕턴스(26')가 대략 1.2nH의 값을 갖는 제3본딩 와이어(26)로서 EML(24)과 40~60Ω의 제1박막 저항기(혹은 칩형 저항기)(27)를 연결하되, 여기에서 발생되는 인덕턴스 값을 제3본딩 와이어(26)의 길이를 이용하여 적절하게 조절함으로써, 도 5b에 도시된 바와 같은 결과를 얻는다. 도 5b에 있어서, 3dB 밴드폭은 13GHz를 보이고, 고주파 복귀 손실(RF return Loss)의 경우는 10GHz에서 기존의 4dB로부터 14dB를 얻어 종래의 10Gbps 모듈(4dB; 도 2참조)에 비하여 매우 우수한 결과를 보이고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초고주파 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치는, 십자 형태의 마이크로스트립 라인에 각각 인던턴스 성분 및 캐패시턴스 성분을 갖도록 일정한 크기로 형성하고, EML과 박막 저항기 혹은 칩형 저항기를 본딩 와이어로 연결하여, 3dB 밴드폭은 13 GHz를 보이고, 고주파 복귀 손실은 10GHz에서 기존의 4dB로부터 14dB로 증가한다. 이는 종래의 10Gbps 모듈에 비하여 매우 우수한 결과를 보여주는 것이다. 구체적으로는 다음과 같은 특성을 갖는다.
첫째, 마이크로스트립 라인에 형성된 인덕턴스 성분이 EML 칩 내부의 캐패시턴스 성분을 제거하여 주므로 3dB bandwidth 가 60%이상 향상되어, 기존 10Gbps EML모듈의 7~8GHz에서의 전송특성을 획기적으로 개선할 수 있다.
둘째, 마이크로스트립 라인에 형성된 0.2pF 미만의 캐패시턴스와 다른 성분에 의하여 공진 피크의 위치를 이동시키므로 기존 10Gbps EML 모듈의 고주파 복귀 손실(RF return loss)은 8 GHz 까지 6dB에서 16dB로 향상된다.
셋째, 200pF와 0.1pF의 캐패시터를 사용하여 DC 전력 소모를 줄임으로써, 모듈 신뢰성 향상 및 시스템 전체 소비전력을 감소시킨다.

Claims (8)

  1. 외부 회로와 접속되어 임피던스 매칭을 이루는 임피던스 매칭영역, 소정의 캐패시턴스 성분을 발생시키는 캐패시턴스 영역 및 소정의 인덕턴스 성분을 발생시키는 인덕턴스 영역이 결합된 마이크로스트립 라인 패턴;
    상기 마이크로스트립 라인 패턴의 인덕턴스 영역과 접속된 전자흡수 변조 레이저; 및
    상기 마이크로스트립 라인 패턴과 전자흡수 변조 레이저의 접속점 및 접지점 사이에 접속된 임피던스 매칭용 제1박막 저항기;를
    구비한 것을 특징으로 하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1저항기는 40~60Ω의 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1저항기 및 상기 전자흡수 변조 레이저와 마이크로스트립 라인 패턴의 접속 절점 사이에 2nH 미만의 인덕턴스 값을 갖는 본딩 와이어가 더 구비된 것을 특징으로 하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인덕턴스 영역 및 상기 캐패시턴스 영역은 상기 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값이 각각 0.01~1nH와 0.01~0.2pF의 범위에서 결정되도록 제작된 후 접속되는 전자흡수 변조 레이저의 특성에 따라 상기 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값이 조절될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광통신 모듈의 성능 향상을 위하여 상기 변조기와 직렬로 접속된 제2박막 저항기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2박막 저항기와 상기 전자흡수 변조 레이저 사이에 2nH 미만의 인덕턴스 값을 갖는 본딩 와이어를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1박막 저항기와 접지점 사이에 서로 병렬로 접속된 200pF 과 0.1μF의 두 캐패시터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 라인 패턴이 동일 평면상의 도파로로 대체된 것을 특징으로 하는 광통신 모듈의 초고주파 입력 장치.
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