KR101001277B1 - 파장 분할 다중화 광 모듈 - Google Patents

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이현삼
박형열
김필기
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Abstract

본 발명은 단일한 광섬유부터 출력되는 서로 다른 파장의 광 신호를 분리하여 각각의 채널에 맞는 수광 소자로 전달하고 서로 다른 파장의 발광 소자로부터 나오는 다수의 광 신호를 하나로 통합하여 광섬유로 전달하는 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing) 광 모듈에 관한 것으로, 높은 광결합 효율을 가지며, 단순 결합에 의해 매우 정밀하게 광 정렬되며, 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있는 양방향 전송 광 모듈에 관한 것이다.
광 모듈, 광 수신 모듈, 광 송신 모듈, 광 송수신 모듈, 파장 분할 다중화, 콜리메이트 렌즈, 굴절

Description

파장 분할 다중화 광 모듈{Wavelength Division Multiplexing Optical Module}
본 발명은 단일한 광섬유부터 출력되는 서로 다른 파장의 광 신호를 분리하여 각각의 채널에 맞는 수광 소자로 전달하고 서로 다른 파장의 발광 소자로부터 나오는 다수의 광 신호를 하나로 통합하여 광섬유로 전달하는 파장 분할 다중화 광 모듈에 관한 것이다.
광통신으로 주고 받는 고속 대용량의 데이터 전송의 필요성이 점점 커짐에 따라 파장 간 상호 간섭성이 없는 광의 성질을 이용하여 서로 다른 여러 파장에 각각 독립된 정보를 실어 이를 모아 한 개의 광섬유로 보내는 파장분할 다중화 기술이 각광을 받고 있다.
파장 분할 다중화 기술의 일반적인 사용 예는 광 케이블로부터 전달되는 여러 파장의 광 신호를 개개의 파장으로 분리하여 각각의 채널에 맞는 광 케이블로 입력시키거나 다수 채널의 광 케이블로부터 전해오는 서로 다른 여러 파장의 광 신호를 하나로 통합하여 단일 광 케이블로 보내는 것이다.
그러나 파장이 서로 다른 여러 발광 소자로부터 나오는 광 신호를 하나로 통합하여 단일 광 케이블로 결합하여 전송하거나 광 케이블로부터 전송되는 여러 파장의 광 신호를 분할하여 각각의 파장에 맞는 광 수신기로 결합 시키는 기술은 그리 많지 않다.
도 1에 도시한 양방향 광 송수신 모듈(10)은 파장 분할 다중화 기술의 가장 단순한 형태이다. 도 1에 도시한 바와 같이 통상적인 양방향 광 송수신 모듈(10)은 송신부(11)와 수신부(12)를 직각으로 위치시키고, 그 사이에 광학 필터(13)를 45˚로 위치시켜 파장을 선택적으로 투과 또는 반사시켜 서로 다른 파장의 광 신호를 분리 및 통합하여 단일 광 케이블(14)로 전송하는 구조이다.
또한 도 2에 도시한 바와 같이, 콜리메이트 렌즈(21)를 이용하여 광원(22)에서 발산하는 광을 평행광을 만들어 주면 송신부(22)와 광케이블(24) 또는 광케이블과 수신부(23) 사이의 거리가 멀어져도 광이 거의 퍼지지 않아 광 결합 세기가 약해지지 않기 때문 채널의 확장이 가능하다.
보다 많은 양의 데이터를 효과적으로 전송하기 위해서는 보다 많은 파장을 이용하여야 하고 따라서 채널간 파장 간격이 작아야 한다. 그러나 상기 양방향 송수신 모듈은 필터(25) 입사각이 45˚로 각도가 상대적으로 크기 때문에 광의 S편광 성분과 P편광 성분이 파장에 따른 투과 특성의 차이가 커지게 되어 투과 대역과 반사 대역 사이의 파장 간격이 넓은 단점이 있다. 따라서 도 1 내지 도 2에 도시한 종래의 구조는 채널간 파장 간격이 좁은 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexer)와 같은 다수의 채널을 포함하는 파장분할다중화 광 송수신 모듈로는 한계가 있다.
채널간 파장 간격이 좁은 여러 채널을 전송할 수 있는 기술로는 '지그재그(zigzag)'광 경로를 이용한 파장 분할 다중화 기술이 제안된 바 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 콜리메이트 렌즈(32)) 및 반사경(33)을 이용하여광 케이블(31)에서 출력된 광을 반사면(35)과 다수개의 밴드 패스 필터(Band pass filter, 36)로 이루어진 광 블록(Optical block, 34)에 입사시키면, 광 밴드 패스 필터(35)에 입사될 때 필터의 투과 파장 대역에 있는 광은 필터를 투과하고 해당 대역 이외의 광은 다시 반사되어 지그재그로 광 경로가 형성되는 기술이다. 이러한 지그재그 광경로를 따라 파장이 분할 또는 합쳐지게 된다. 이때 지그재그 광 경로로 진행하는 광 신호의 필터 입사각이 작기 때문에 파장 간격이 좁고 따라서 많은 채널을 수용할 수 있다.
그러나, 이러한 구조는 도 4에 도시한 바와 같이 지그재그 광 경로를 만드는 광 블록의 두께 치수의 변화 의해 광 경로가 기준 경로에서 민감하게 변하는 문제가 있다. 특히 광 블록의 두께 치수에 오차(△T)가 있다면 지그재그 경로가 먼 쪽일수록 오차가 누적 되어 기준 광 경로에서 △L 만큼 많이 벗어나서 적절한 광 정렬이 어렵게 된다.
또한 지그재그 블록과 광결합 블록을 조립할 때 발생하는 조립오차에 의해 실제 광 입사 경로가 기준 입사경로로부터 틀어진다면 이때 역시 광이 멀리까지 진행할수록 오차가 누적되어 기준 광 경로를 벗어나 광 결합효율이 떨어지는 문제점이 있다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 높은 광결합 효율을 가져 파장 분할시의 광손실을 최소화하며, 광송수신 모듈을 구성하는 광학 부품들의 조립에 의한 오차를 획기적으로 감소시키며, 매우 정밀하고 용이하게 광정렬되며, 그 구조가 간단하고, 제작공정이 단순하고, 대량 생산 가능하며, 제조비용이 낮은광수신모듈, 광송신모듈 및 광송수신모듈을 포함하는 광모듈을 제공하는 것이며, 특히, 파장간격이 20nm 수준의 좁은 밴드 경우에도 효과적으로 송신파장과 수신파장을 분할할 수 있는 양방향 전송 광송수신 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명은 단일한 광섬유를 이용한 광모듈을 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 광모듈은 파장분할 광수신모듈, 파장분할 광송신모듈 또는 양방향 전송 파장분할 광송수신모듈을 의미한다.
상세하게, 본 발명에 따른 광모듈은 단일한 광섬유를 이용한 파장분할 광수신 모듈로, 광섬유, 입력 콜리메이트 렌즈, 광학 필터, 굴절부, 출력 콜리메이트 렌즈 및 수광소자인 광소자;를 포함하여 구성된다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 광모듈은 광섬유로부터 출력되는 다파장 광을 평행광으로 만드는 입력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의한 상기 평행광의 진행 방향에 대해 소정의 각도로 틸트(tilt)되어, 상기 평행광의 진행 방향으로 소정의 거리로 서로 이격 배치되며, 파장별로 광을 반사 및 투과시키는 둘 이상의 광학 필터; 상기 광학 필터 각각에 대응하여 구비되며, 상기 광학 필터에서 반사된 반사광의 진행방향이 상기 평행광의 진행방향과 수직이 되도록 굴절시키는 굴절부; 상기 굴절부 각각에 대응하여 구비되며, 상기 굴절부에 의해 굴절된 반사광을 집광하는 출력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 및 상기 출력 콜리메이트 렌즈 각각에 대응하여 구비되며, 상기 출력 콜리메이트 렌즈에 의해 집광된 광을 입력받는 수광소자;를 포함하여 구성되는 특징이 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 광모듈은 단일한 광섬유를 이용한 파장분할 광송신 모듈로, 광섬유, 입력 콜리메이트 렌즈, 광학 필터, 굴절부, 출력 콜리메이트 렌즈 및 발광소자인 광소자;를 포함하여 구성된다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 광모듈은 서로 다른 파장의 송신광을 생성하는 둘 이상의 발광 소자; 상기 발광소자 각각에 대응하여 상기 발광 소자의 상부에 구비되며 상기 발광 소자로부터 출력되는 광을 평행광으로 만드는 출력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 상기 출력 콜리메이트 렌즈 각각에 대응하여 구비되며 상기 평행광을 입력받아 소정의 각도로 광학 필터에 출력하는 굴절부; 상기 굴절부 각각에 대응하여 구비되며, 상기 굴절부에서 굴절된 광을 입력받아, 대응하는 굴절부에서 굴절된 광은 반사시키고 그 외 영역의 파장은 투과시키는 광학 필터; 상기 광학 필터에서 반사된 광을 집광하는 입력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 및 상기 입력 콜리메이트 렌즈에서 집광된 광을 입력받는 광섬유;를 포함하며, 상기 광학 필터는 상기 광섬유와 상기 입력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수평방향으로 소정 거리 서로 이격 배치되며, 상기 굴절부는 상기 발광소자와 상기 출력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수직방향으로 진행하는 상기 평행광을 입력받아 상기 광학필터에 의해 수평방향으로 반사되도록 상기 광학필터에 입력시키며, 상기 광학 필터에 의해 수평 방향으로 반사 및 투과되어 통합된 광은 단일한 상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의해 단일한 상기 광섬유로 입력되는 특징이 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 광모듈은 단일한 광섬유를 이용한 파장분할 광송수신 모듈로, 광섬유, 입력 콜리메이트 렌즈, 광학 필터, 굴절부, 출력 콜리메이트 렌즈 및 수광소자 또는 발광소자인 광소자;를 포함하여 구성된다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 광모듈은 광섬유로부터 출력되는 다파장 광을 평행광으로 만드는 입력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의한 상기 평행광의 진행 방향에 대해 소정의 각도로 틸트(tilt)되어, 상기 평행광의 진행 방향으로 소정의 거리로 서로 이격 배치되며, 파장별로 광을 반사 및 투과시키는 둘 이상의 광학 필터; 상기 광학 필터 각각에 대응하여 구비되며, 상기 광학 필터에서 반사된 반사광의 진행방향이 상기 평행광의 진행방향과 수직이 되도록 굴절시키는 굴절부; 상기 굴절부 각각에 대응하여 구비되며, 상기 굴절부에 의해 굴절된 반사광을 집광하는 출력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 및 상기 출력 콜리메이트 렌즈 각각에 대응하여 구비되며, 상기 출력 콜리메이트 렌즈에 의해 집광된 광을 입력받는 수광소자와 상기 출력 콜리메이트 렌즈, 상기 굴절부, 상기 광학 필터 및 상기 입력 콜리메이트 렌즈의 광경로를 통해 상기 광섬유로 입력되는 송신광을 생성하는 발광 소자를 포함하는 둘 이상의 광소자;를 포함하여 구성되는 특징이 있다.
이때, 본 발명에 따른 광모듈이 수신모듈인 경우, 단일한 상기 광소자는 단일한 수광 소자를 의미하며, 본 발명에 따른 광모듈이 송신모듈인 경우, 단일한 상기 광소자는 단일한 발광 소자를 의미하며, 본 발명에 따른 광모듈이 광송수신모듈인 경우, 상기 둘 이상의 광소자는 적어도 하나의 수광 소자 및 적어도 하나의 발광 소자를 의미한다.
본 발명에 따른 광모듈 중, 광수신모듈 또는 광송수신모듈을 기준으로, 상기 굴절부는 적어도 제1굴절면과 제2굴절면을 갖는 다각 형상이며, 상기 제1굴절면은 상기 광섬유와 상기 입력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수평방향과 평행한 면이며, 상기 반사광은 상기 제1굴절면으로 입사되어 공기와 굴절부간 스넬의 법칙에 따라 굴절하고 상기 제1굴절면에서 굴절된 반사광은 상기 제2굴절면에서 굴절부와 공기간의 스넬의 법칙에 따라 재 굴절하여 상기 평행광의 진행방향과 수직이 되도록 상기 굴절부로부터 출력되는 특징이 있다.
본 발명에 따른 광모듈 중, 광송신모듈을 기준으로, 상기 굴절부는 적어도 제1굴절면과 제2굴절면을 갖는 다각 형상이며, 상기 제1굴절면은 상기 광섬유와 상기 입력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수평방향과 평행한 면이며, 상기 출력 콜리메이트 렌즈로부터 출력된 평행광(송신평행광)은 상기 제2굴절면으로 입사되어 공기와 굴절부간 스넬의 법칙에 따라 굴절하고, 상기 제2굴절면에서 굴절된 평행광(송신평행광)은 상기 제1굴절면에서 굴절부와 공기간의 스넬의 법칙에 따라 재 굴절하여 상기 광학필터에 의해 상기 광섬유와 상기 입력 콜리메이트 렌즈간의 연 장방향인 수평방향으로 반사되도록 상기 광학필터에 입력시키는 특징이 있다.
상기 광학 필터는 상기 광학 필터는 상기 광학 필터의 수직축과 상기 평행광의 진행 방향간의 각도가 10 내지 25˚가 되도록 틸트된 특징이 있다.
상기 광소자는 단일한 투명 광학 플라스틱 사출체인 광소자 블록에 내장되며, 상기 출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면은 상기 광소자 블록의 곡률진 돌출 표면인 특징이 있다.
상기 광학 필터는 단일한 투명 광학 플라스틱 사출체인 광결합 블록에 형성된 필터 거치대에 광학 접착제로 부착된 특징이 있으며, 상기 광학 필터의 틸트 각도는 상기 필터 거치대의 경사에 의해 제어되는 특징이 있다. 상세하게, 상기 필터 거치대는 상기 평행광의 진행 방향에 대해 10 내지 25˚로 경사진 경사면을 갖는 특징이 있다.
상기 굴절부는 상기 광결합 블록과 일체인 특징이 있으며, 상기 광결합 블록은 상기 광섬유와 결합하는 페룰을 고정하는 리셉터클을 포함하며, 상기 입력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면은 상기 리셉터클과 소정 거리 이격되어 상기 광섬유와 상기 입력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수평방향에 대해 수직으로 곡률진 광결합 블록의 돌출 표면인 특징이 있다.
상기 광소자 블록은 가이드 홀을 포함하고, 상기 광결합 블록은 가이드 핀을 포함하며, 상기 광소자 블록과 상기 광결합 블록은 상기 가이드 홀과 상기 가이드 핀의 결합에 의해 조립되어 광 정렬되는 특징이 있다. 또한, 상기 가이드 홀과 상기 가이드 핀의 결합에 의해 상기 광결합 블록의 하부가 상기 광소자 블록에 의해 밀폐되는 특징이 있다.
상기 광모듈은 단일한 투명 광학 플라스틱 사출체인 덮개 블록을 포함하며, 상기 덮개 블록은 가이드 핀을 포함하고, 상기 광결합 블록은 가이드 홀을 포함하며, 상기 덮개 블록의 가이드 핀과 상기 광결합 블록의 가이드 홀이 결합하여 상기 덮개 블록과 상기 광결합 블록이 조립되어 상기 덮개 블록에 의해 상기 광결합 블록 상부가 밀폐되는 특징이 있다.
본 발명에 따른 광모듈은 광섬유에서 출력되는 광이 평행광으로 변화된 후 곧바로 다수개의 광학 필터에 순차적으로 입력되어 파장의 분할이 수행되고, 분할된 파장이 굴절부에 의해 광학 필터에 입력되는 평행광과 수직인 방향으로 굴절되어 수광소자에 입력되는 수평(광섬유)-수직(수광소자)의 안정적 광경로를 가지며, 상기 수광소자에 대응하는 위치에 형성된 발광소자에서 출력된 송신광이 상기 굴절부에 의해 상기 광학 필터로 입력되고, 상기 광학 필터에서 반사되어 상기 광섬유로 입력되는 수직(발광소자)-수평(광섬유)의 안정적 광경로를 가져, 제조 오차에 따른 광 결합 효율의 저하가 방지되며 광모듈의 소형화, 고 집적화가 가능한 장점이 있다.
본 발명에 따른 광모듈은 광소자의 구성을 달리하여 용이하게 광송신모듈, 광수신모듈 또는 광송수신모듈을 선택적으로 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 광모듈은 광소자가 내부에 함입된 투명 광학 플라스틱 재질 의 광소자블록 구성에 의해 광소자가 외부 공기에 노출되지 않고 광학 플라스틱 내부에 밀봉된 구조를 가져, 광소자의 오염 및 산화에 따른 열화를 방지한다.
이와 함께, 상기 광소자블록 표면에 출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면이 형성되어 있고 광소자블록 내부에 광소자가 합임되어 있으므로, 출력콜리메이트 렌즈 및 광소자가 일체형 구조를 가져 콜리메이트 렌즈의 부착, 광소자의 부착등의 조립시 발생하는 조립 오차를 방지할 수 있다.
이와 함께, 상기 광소자블록이 사출 성형체인 구성에 의해 제조 공차를 최소화할 수 있으며, 상술한 본 발명의 특징에 따른 안정적 광경로 구성에 의해 제조 공차에 따른 광 결합 효율의 저하 또한 최소화 할 수 있으며, 물리적 충격에도 매우 강한 장점이 있다.
본 발명에 따른 광모듈은 상기 광섬유를 물리적으로 정확한 위치에 고정시키는 리셉터클, 다수개의 광학 필터 각각이 위치하는 필터 거치대 및 굴절부가 투명 광학 플라스틱 재질의 광결합 블록에 형성된 일체형 구조를 가져, 상기 리셉터클에 상기 광섬유(의 페롤)를 고정시키고, 광학용 접착제를 이용하여 필터 거치대에 광학 필터를 부착시키는 단순 결합에 의해 수광되는 광의 분할 및 송신되는 광의 결합이 수행되며, 이에 의해 광학 요소들의 조립 및 부착에 의한 오차를 방지할 수 있으며, 상기 리셉터클에 의해 광섬유(코어)의 위치가 엄밀하게 제어되고, 상기 필터 거치대에 의해 광학 필터의 위치 및 틸트 각도가 엄밀하게 제어됨에 따라 높은 광결합 효율을 갖는 장점이 있다.
이와 함께, 상기 광결합 블록이 사출 성형체인 구성에 의해 제조 공차를 최 소화할 수 있으며, 상술한 본 발명의 특징에 따른 안정적 광경로 구성에 의해 제조 공차에 따른 광 결합 효율의 저하 또한 최소화 할 수 있으며, 물리적 충격에도 매우 강한 장점이 있다.
본 발명에 따른 광모듈은 서로 결합하는 투명 광학 플라스틱 사출체를 포함하여 구성되며, 상세하게, 상기 광결합 블록의 상부를 밀폐하는 덮개 블록, 상기 광결합 블록 및 상기 광결합 블록의 하부를 밀폐하는 상기 광소자 블록의 블록간 단순한 기계적 결합에 의해 광섬유, 입력 콜리메이트 렌즈, 광학필터, 굴절부, 출력 콜리메이트 렌즈 및 광소자가 정확하게 광정렬되는 장점이 있으며, 높은 광결합 효율을 가지며 매우 정밀하게 광 정렬되는 광송수신 모듈을 저렴한 가격으로 단시간에 대량 생산 할 수 있으며, 생산성(yield)을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광모듈을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명에 따른 광모듈의 일 구성도로, 상세하게 도 5(a)는 본 발명에 따른 광수신모듈, 도 5(b)는 본 발명에 따른 광송신모듈, 도 5(c)는 본 발명에 따른 광송수신모듈의 일 구성도이다.
도 5(a)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 광수신 모듈은 단일한 광섬유(1)로부터 출력되는 다파장의 발산광(수신광)을 입력 콜리메이트 렌즈(111)를 이용하여 평행광(수신평행광)으로 만들고, 상기 입력 콜리메이트 렌즈(111)에 의한 상기 평행광을 다수개의 광학 필터(200)가 순차적으로 입력받아, 파장별로 광을 반사 및 투과시키며, 상기 광학 필터(200)에서 반사된 반사광은 굴절부(113)에 의해 상기 평행광의 진행방향과 수직이 되도록 굴절되며 출력 콜리메이트 렌즈(121)를 통해 집광되어 수광소자(122)에 입력된다.
상기 도 5(a)는 광섬유(1)에서 출력되는 다파장의 광을 분할하는 경우를 기준으로 도시한 도면이나, 도 5(b)에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 광모듈이 광송신 모듈인 경우, 서로 다른 파장의 송신광을 발생하는 하나 이상의 발광소자(123)에서 출력된 광은 상술한 출력 콜리메이트 렌즈(121), 굴절부(113), 광학 필터(200) 및 입력 콜리메이트 렌즈(111)의 경로를 통해 통합되어 상기 광섬유(1)로 입력된다.
상세하게, 도 5(b)에 도시한 바와 같이 발광소자(123)에서 발생한 송신 발산 광(송신광)은 상기 출력 콜리메이트 렌즈(121)에 의해 평행광(송신평행광)으로 만들어져 상기 굴절부(113)로 입력되고, 상기 굴절부(113)에 의해 상기 광학 필 터(200)의 반사 경로의 역방향으로 상기 광학 필터(200)에 입사된다.
상기 광학 필터(200)에 입사된 평행광은 상기 평행광(송신평행광)의 진행방향과 수직인 방향으로 반사되며, 상기 광학 필터(200)에서 반사된 평행광들이 상기 입력 콜리메이트 렌즈(111)에 의해 집광되어 상기 단일한 광섬유(1)로 입력된다.
도 5(c)는 본 발명에 따른 광모듈이 수광소자 및 발광소자를 포함하여 구성된 광송수신모듈인 경우를 도시한 것으로, 수광소자를 기준으로 상술한 도 5(a)의 광의 분할 및 발광소자를 기준으로 상술한 도 5(b)의 광의 통합이 동시에 수행된다.
상세하게, 본 발명에 따른 광송수신모듈은 적어도 하나 이상의 수광소자(122) 및 적어도 하나 이상의 발광소자(123)로 구성되며, 입력 콜리메이트 렌즈(111), 광학 필터(200), 굴절부(113), 출력 콜리메이트 렌즈(121)에 의해 서로 다른 파장의 광들이 분할 및 통합되어 단일한 광섬유를 통해 입출력된다.
본 발명은 단일한 광섬유를 통해 광의 입력, 출력 또는 입/출력이 수행되므로, 단일한 상기 입력 콜리메이트 렌즈를 포함하며, 수광소자 또는 발광소자인 광소자의 수(N>1인 자연수)에 대응하는 출력 콜리메이트 렌즈(N개), 출력 콜리메이트 렌즈의 수에 대응하는 광학 필터(N개)를 포함한다.
하나 이상의 발광 소자에서 생성되는 서로 다른 파장의 송신광은 발광 소자 각각에 대응하는 상기 출력 콜리메이트 렌즈(121), 굴절부(113), 광학 필터(200) 및 상기 단일한 입력 콜리메이트 렌즈(111)에 의해 하나로 통합되어 단일한 광섬유로 입력되며, 단일한 광섬유(1)로부터 출력되는 서로 다른 파장의 수신광은 상기 단일한 입력 콜리메이트 렌즈(111), 수광 소자 각각에 대응하는 광학 필터(200), 굴절부(113) 및 출력 콜리메이트 렌즈(121)에 의해 수광 소자 별로 분할되어 각각의 수광 소자(122)에 입력된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광모듈은 광섬유에서 출력되는 광이 평행광으로 변화된 후 곧바로 다수개의 광학 필터에 순차적으로 입력되어 파장의 분할이 수행되고, 분할된 파장이 굴절부에 의해 광학 필터에 입력되는 평행광과 수직인 방향으로 굴절되어 수광소자에 입력되는 수평(광섬유)-수직(수광소자)의 안정적 광경로를 가지며, 상기 수광소자에 대응하는 위치에 형성된 발광소자에서 출력된 송신광이 상기 굴절부에 의해 상기 광학 필터로 입력되고, 상기 광학 필터에서 반사되어 상기 광섬유로 입력되는 수직(발광소자)-수평(광섬유)의 안정적 광경로를 가져, 제조 오차에 따른 광 결합 효율의 저하가 방지되며 광모듈의 소형화, 고 집적화가 가능한 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 광송수신모듈을 기준으로 본 발명에 따른 광모듈을 상술하며, 광섬유로부터 출력되는 수신광의 광 분할을 기준으로 본 발명을 상술한다.
상술하는 광송수신모듈에서 광소자가 모두 수광소자인 경우 본 발명에 따른 광수신모듈의 일예가 되며, 광소자가 모두 발광소자인 경우 본 발명에 따른 광송신모듈의 일예가 됨은 자명한 사실이며, 광의 분할 및 광의 통합이 모두 발생하는 광송수신모듈을 기준으로 기재되는 본 발명의 기술적 사상이 광수신모듈 및 광송신모듈에서도 유지됨은 자명하다.
또한, 광송수신모듈에서 수광소자 및 발광소자를 모두 광소자로 통칭하며, 수신광의 광 분할을 기준으로 본 발명의 기술적 사상을 상술하나, 본 발명의 광학 구성(입/출력 콜리메이트 렌즈, 굴절부, 광학 필터)에서 광 분할에 대해 역방향으로 광이 처리되고 진행되어 송신광의 광 통합이 수행됨은 자명한 사실이다. 하기의 도면에서 점선은 광의 진행을 의미한다.
도 6은 광 신호의 경로가 정밀하게 제어되며, 광 손실을 방지하며, 광 결합 효율을 높일 수 있으며, 제조 오차 및 조립 오차를 최소화 할 수 있는 본 발명에 따른 광 모듈의 예를 도시한 것이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광모듈은 광소자 블록(120), 광결합 블록(110) 및 덮개 블록(130)의 구성을 포함한다. 광소자 블록(120), 광결합 블록(110) 및 덮개 블록(130)은 각각 투명한 광학 플라스틱 재질로 사출 성형된 일체의 성형체이다.
의도적인 광학 구성들을 제외하고 광이 공기 중으로 진행하도록 형성된 캐비티(cavity), 입/출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면, 필터 거치대를 포함하는 복잡한 형상을 정밀하게 구현해야 하고 또한 광이 상기 콜리메이트 렌즈나 굴절부를 투과하여 진행할 때 광 손실이 없어야 하기 때문이다.
광결합 블록(110), 광소자 블록(120) 및 덮개 블록(130) 각각의 광학 플라스틱 재료의 예로 굴절률이 1.49~1.58인 PMMA(Poly-methylmethacrylate), PC(Polycarbonate) 또는 최근 주목받고 있는 COC(Cyclic olefin copolymer)등을 들 수 있으나, 본 발명이 상기 광학 플라스틱 재료에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 광소자 블록(120)은 상기 광소자 블록(120) 내부에 둘 이상의 광소 자(124)가 함입되어 있으며, 상기 출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면(121')이 상기 광소자 블록(120)의 표면에 일체로 형성된 구조이다.
이때, 상술한 바와 같이, 상기 둘 이상의 광소자(124)가 모두 수광소자인 경우 본 발명에 따른 광수신모듈의 일 예가 되며, 모두 발광소자인 경우 본 발명에 따른 광송신모듈의 일 예가 되며, 수광소자와 발광소자인 경우 본 발명에 따른 광송수신모듈의 일 예가 된다.
상기 광소자 블록(120)의 표면에 곡률진 돌출면으로 형성된 출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면(121') 하부에 상기 광소자(124)가 위치한다. 상기 소정거리 서로 이격되어 형성된 둘 이상의 렌즈면(121') 각각에 대응하도록 상기 광소자(124)가 위치하며, 상기 광소자(124)는 상기 렌즈면(121')의 초점면에 위치하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 수평(광섬유)-수직(수광소자)의 안정적 광경로에 의해, 상기 출력 콜리메이트 렌즈 및 상기 광소자(124)는 특정 각도로 틸트되지 않아도 높은 광결합 효율을 갖게 된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 소정거리 서로 이격되어 형성된 둘 이상의 출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면(121')이 광소자 블록(120)에 일체형으로 형성된다.
광소자 블록(120)의 일 변형 예로, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 광소자 블록(120) 표면에 형성된 렌즈면(출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면) 영역과 광소자블록 가장자리 영역에 단차(H)를 형성하여 상기 단차를 형성하여 블록간 결합등을 포함하는 핸들링(handling)으로부터 상기 렌즈면을 보호하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 광소자 블록(120)에서 광이 수광되는 방향의 표면 일 영역에 요부 홈이 형성되며, 상기 요부 홈에 소정 거리로 서로 이격된 출력 콜리메이트 렌즈면(121')이 형성된다.
도 6 내지 도 7에 도시한 바와 같이 상기 광결합 블록(110)은 상기 광섬유를 물리적으로 정확한 위치에 고정시키는 리셉터클(114), 상세하게 광섬유 케이블의 페롤을 물리적으로 고정시켜 수신광의 출력 위치를 정확하게 제어하는 리셉터클(114), 상기 광섬유에서 출력되는 발산 광을 평행광으로 만드는 입력 콜리메이트 렌즈(111), 상기 광학 필터(200)가 부착되는 필터 거치대(112), 상기 광학 필터(200)에서 반사되는 파장의 광(반사광)을 입력받아 상기 입력 콜리메이트 렌즈(111)에 의한 평행광의 진행 방향을 기준으로 수직 방향으로 광을 굴절시키는 굴절부(113)가 일체로 형성된 구조이다.
상기 리셉터클(114)은 바람직하게 광섬유 케이블의 페롤과 물리적으로 결합 체결되어 페롤을 고정시키는 부착 홈 형상이며, 상기 입력 콜리메이트 렌즈(111)의 렌즈면(111')은 상기 리셉터클(114)과 소정 거리 이격되어 상기 리셉터클(114)에 의해 고정된 상기 광섬유에서 출력되는 다파장 광의 진행방향에 대해 수직으로 곡률진 광결합 블록의 돌출 표면(111')이다.
도 6에 도시한 바와 같이 상기 입력 콜리메이트 렌즈(111)는 상기 광결합 블록(110)을 형성하는 물질로 구성되며, 상기 리셉터클(114) 후단에 리셉터클(114)과 소정 거리 이격된 렌즈면(111')을 갖는 광결합 블록(110)의 일 영역이 입력 콜리메이트 렌즈가 된다.
리셉터클(114)에 의해 정확한 위치에 고정된 광섬유에서 출력되는 수신광은 상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의해 평행광이 된다. 상기 광결합 블록(110)은 상기 입력 콜리메이트 렌즈 후단에 상기 평행광의 진행 방향, 즉 본 발명의 수평(광섬유)-수직(수광소자)의 안정적 광경로에 따른 수평 방향의 캐비티(cavity)가 형성되어 상기 평행광이 의도적인 광학 요소 이외에는 공기중 진행되도록 하며, 상기 평행광의 진행방향으로 광학 필터가 소정의 거리로 서로 이격 배치될 수 있도록 필터 거치대(112)가 형성된다.
도 6 내지 도 7에는 소정 각도로 기울어진 두 면을 갖는 톱니(saw)형 필터 거치대(112)의 일 예를 도시한 것이나, 광학 필터(200)를 부착 위치의 오차 없이 용이하게 부착할 수 있는 거치대면 어떤 형상이든 무방하다.
광학 접착제를 이용하여 상기 필터 거치대 각각에 파장별로 광을 투과 및 반사시키는 광학 필터(200)가 부착됨으로써 상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의한 평행광이 수평 방향으로 공기중을 진행하며 다수개의 광학 필터(200)에 순차적으로 입력된다.
상기 굴절부(113)는 상기 광학 필터(200)에 의해 반사된 광(반사광)을 입력받아 상기 반사광을 상기 평행광의 진행 방향에 대해 수직이 되도록 굴절시키며, 이에 따라 상기 광학 필터(200) 각각에 대응하도록 상기 광학 필터(200)의 하부에 형성된다.
상기 굴절부(113)는 적어도 제1굴절면과 제2굴절면을 갖는 다각 형상이며, 제1굴절면은 상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의한 상기 평행광의 진행 방향과 평행한 면이며, 상기 반사광은 상기 제1굴절면으로 입사되어 공기와 굴절부간 스넬의 법칙에 따라 굴절하고 상기 제1굴절면에서 굴절된 반사광은 상기 제2굴절면에서 굴절부와 공기간의 스넬의 법칙에 따라 재 굴절하여 상기 평행광의 진행방향과 수직이 되도록 상기 굴절부(113)로부터 출력된다.
상술한 바와 같이 상기 광결합 블록(110)은 상기 리셉터클(114), 상기 입력 콜리메이트 렌즈(111), 상기 캐비티, 상기 필터 거치대(112) 및 상기 제1굴절면과 제2굴절면이 형성되는 상기 굴절부(113)가 일체로 형성된다.
상기 광결합 블록(110) 상부에는 덮개 블록(130)이 위치하여 상기 광결합 블록(110)의 상부를 밀폐시킨다.
본 발명에 따른 광모듈은 광학 필터(200)가 부착된 광결합 블록(110), 상기 광결합 블록(110) 하부에 위치하며 광결합 블록(110)의 하부를 밀폐하는 광소자 블록(120), 상기 광결합 블록(110) 상부에 위치하며 광결합 블록(110)의 상부를 밀폐하는 덮개 블록(130)을 포함하여 구성되며, 상기 광소자 블록(120), 상기 광결합 블록(110) 및 상기 덮개 블록(130)이 물리적으로 결합함에 따라 모듈 전체의 광 정렬 및 광 결합이 이루어진다.
도 6을 기반으로 수신광의 분할 측면에서 본 발명의 광 송수신 모듈을 보다 상세히 기술한다.
여러 파장의 광 신호들은 광섬유를 통해 광학 필터(200)가 부착된 광결합 블록(110)로 전달된다. 이때 광섬유와 광결합 블록(110)의 파장 분할을 위한 광학 필터(200)와의 결합은 광결합 블록의 리셉터클(114)을 통해 이루어 진다. 보다 상세 하게, 상기 리셉터클(114)은 정밀한 광 커넥터 페룰의 외경의 위치를 잡아주어 광 신호가 전송되는 광섬유(실질적으로는 광케이블의 광섬유 코어)의 위치를 맞추어 광 손실을 억제하는 광 어댑터와 동일한 방식으로 리셉터클(114)을 통해 정확하게 결합하도록 한다.
상기 리셉터클(114)에 의해 고정된 광 케이블의 광 섬유 코어 끝에서 나온 광 신호는 도 6에 점선으로 표시한 광 경로로 일정한 각도를 가지고 발산한다. 발산하는 광은 광결합 블록(110)의 입력 콜리메이트 렌즈면(111')을 통과하면서 평행광으로 바뀌어 진행하게 된다. 평행광은 진행하는 거리에 대하여 거의 광이 분산되지 않기 때문에 광 손실이 거의 없이 비교적 먼 거리를 전송할 수 있다.
입력 콜리메이트 렌즈(111)를 통과하면서 평행광으로 진행하는 여러 파장의 광 신호는 파장별로 투과 및 반사가 발생하는 광학 필터(200)를 지나가게 된다.
통상적으로, 광학 필터는 일정한 두께의 유리 기판에 다층의 얇은 박막을 코팅하여 만들어진다. 박막의 물질 또는 박막들의 두께를 조절하여 파장에 따른 반사와 투과의 양을 조절하게 된다.
많은 양의 데이터를 전송하기 위해서 투과와 반사의 파장의 간격이 좁게 하여 많은 파장의 광을 사용할 수 있어야 한다. 통상적으로 저밀도 파장 분할 다중화(CWDM; Coarse Wavelength Division Multiplexing) 시스템에서 사용하는 파장 간격은 20nm이다. 따라서 본 발명의 광학 필터도 이 정도 특성에 맞게 설계 및 제작되어야 한다.
도 8은 입사각이 각각 20도(도 8(b)), 45도(도 8(a))인 필터의 S편광과 P편 광 성분의 투과율을 나타내 도면이다.
광학 필터의 입사각이 커지면 광에 포함되어 있는 S편광 성분과 P편광 성분의 파장에 따른 투과 특성의 차이가 커지게 되어 투과 대역과 반사 대역 사이의 파장 간격을 좁게 광학 필터를 코팅하는 것이 어렵다.
양방향 송수신 모듈에서 일반적으로 사용하는 입사각이 45˚인 광학 필터의 경우 CWDM에서와 같이 파장 간격을 20nm 정도로 필터링하는 것이 불가능하다. 따라서 파장 간격이 CWDM과 같이 20nm 정도로 좁은 광학 필터의 제작이 현실적으로 가능 하려면 입사각이 20도 이하 정도로 작아야 한다.
상기 광학 필터를 광결합 블록에 오차 없이 용이하게 부착하기 위해서 광 결합 블록에 필터 거치대를 구현한다. 상기 광결합 블록(110)의 필터 거치대(112)의 경사에 의해 상기 광학 필터(200)의 틸트 각도가 제어되어, 엄밀하고 정확하게 광학 필터의 위치 및 입사각을 제어할 수 있다.
도 9는 상기 광결합 블록(110)의 광학 필터(200) 및 굴절부(113)에서 수행되는 파장에 따른 광 경로 제어를 도시한 도면이다.
광학 필터(200)에서 반사된 광은 광결합 블록(110)의 굴절부(113)의 1차 굴절 면(113A)에 입사한 후 광결합 블록 재질을 지나서 다시 2차 굴절 면(113B)을 통과하여 진행하게 된다. 이 때 1차 굴절 면(113A)과 2 차 굴절 면(113B)을 투과하는 광은 굴절 현상으로 말미암아 광의 진행 경로의 방향이 바뀌게 된다.
광 경로의 굴절은 우리가 잘 알고 있는 스넬(Snell)의 법칙을 따른다. 굴절 률이 n1, n2로 서로 다른 두 매질을 지나가는 광은 최단시간으로 이동할 수 있는 경로를 취한다는 페르마의 원리에 의해 광의 굴절(진행) 경로가 결정된다. 이 때 굴절률 n1 및 n2와 입사각 θ1 및 굴절각 θ2에 관한 스넬의 법칙은 다음과 같다.
n1 sinθ1 = n2 sinθ2
도 9에 도시한 바와 같이 광학 필터(200)에서 반사된 광은 공기 중에서 굴절률 n의 광결합 블록(110)의 1차 굴절 면(113A)으로 각도 β로 입사된다. 이 때 스넬의 법칙에 의해 γ의 각도로 광 경로는 굴절된다.
γ = sin-1(1/n sin β )
또한 도 9에 도시한 바와 같이 굴절률 n의 광결합 블록(110) 내를 진행하는 광은 2차 굴절 면(113B)에서 공기 중으로 δ의 각도로 나오는 광은 스넬의 법칙에 의해 각도 ε로 광 경로가 굴절된다.
ε = sin-1(n sin δ)
상술한 스넬의 법칙을 기반으로, 광결합 블록(110)의 1차 굴절 면(113A)과 2차 굴절 면(113B)간의 각도는 상기 광섬유에서 발산하여 평행광으로 진행하는 방향과 광결합 블록(110)의 2차 굴절 면(113B)을 통과해 나오는 광 경로 사이의 각도를 90˚로 만드는 각도이다.
이는 광결합 블록(110)을 통해 분할된 N개의 광 경로의 방향이 광 섬유의 접속 방향과 모두 동일한 수직방향이 되도록 하여 포토다이오드와 같은 수광 소 자(122) 및 표면 방출 레이저 다이오드(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)와 같은 발광소자(123)를 동일 수평 평면상에 위치할 수 있도록 하여 안정적 구조를 갖게 하기 위함이다.
광학 필터(200)의 특성에 맞는 특정 파장은 반사되어 1차 굴절면(113A), 2차 굴절 면(113B)을 지나면서 경로가 바뀌어 광소자(124)로 들어가게 되고 나머지 파장 대역의 광 신호는 광학 필터(200)를 투과하여 지나가게 된다.
광학 필터(200)에서 반사되지 않고 투과되는 광 신호는 광학 필터(200)를 투과해 공기 중으로 진행하게 된다.
본 발명에 따른 광송수신 모듈은 상기 도 9로 도시한 광학 필터(200) 및 굴절부(113)를 포함하는 광경로 제어부가 상기 광 섬유에서 발산하여 평행광으로 진행하는 방향으로 순차적으로 형성된 구조이다.
파장에 따른 광경로 제어부 뒤에 다시 광경로 제어부가 형성되어 앞선 광학 필터에서 반사되지 않고 투과된 파장 대역 중 일부를 반사하는 광학 필터를 놓게 되면 전술한 반사 굴절 및 투과의 방법에 의해 동일하게 선택된 파장의 광 신호만 분리되고 나머지는 투과하게 된다. 이런 방법으로 파장에 따른 광 경로 제어부를 N개까지 확장할 수 있고 이를 통해 광섬유를 통해 입력된 N개의 파장을 분리할 수 있다.
광결합 블록(110)의 2차 굴절면(113B)을 투과한 광은 공기중 진행하여 광소자 블록(120)의 출력 콜리메이트 렌즈 면(121')을 통과하면서 평행광에서 초점 광으로 바뀌어 한 점으로 초점이 맺히게 된다.
광이 한 점으로 모이는 초점 영역에 포토다이오드를 포함한 수광 소자를 위치시켜 광 섬유에서부터 출발한 광 신호는 광-전 변환을 하여 전기적 신호로 바뀌게 된다.
상술한 바와 같이 레이저 다이오드를 포함한 발광 소자가 상기 수광 소자의 위치에 형성되는 경우, 전술한 광 경로에 정확히 역순으로 진행한다.
상세하게, 소정의 전기 신호로 동작되는 표면 방출 레이저 다이오드(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)를 포함하는 발광 소자에서 발산해 나오는 광 신호는 광소자 블록(120)의 출력 콜리메이트 렌즈 면(121')을 통과해 나오면서 평행광으로 바뀐다.
광소자 블록(120)의 출력 콜리메이트 렌즈 면(121')을 통과하면서 평행광(502)으로 변환된 광은 광결합 블록(110)의 2차 굴절면(113B) 및 1차 굴절면(113A)을 통과하면서 상기한 굴절 원리에 의해 경로가 바뀌어 광결합 블록(110)의 광학 필터(200)로 입사해 들어가게 되고 광학 필터(200)에서 다시 반사하여 광 섬유 방향으로 진행하게 된다. 다수의 광 경로 제어부로 이루어진 광결합 블록(110)의 광학 필터(200)에서 반사된 파장이 다른 다수의 광 신호들은 하나로 합쳐져 광섬유 쪽으로 진행하게 된다.
광섬유 방향으로 진행하는 다파장의 광 신호는 광결합 블록(110)에 있는 입력 콜리메이트 렌즈 면(111')을 지나면서 평행광에서 초점광으로 변하게 되고 한 점으로 모아진 다중 광 신호는 광섬유의 코어로 입력되어 전송되게 된다.
전술한 바와 같이 광섬유로부터 수광 소자로 입력되는 광 신호의 경로와 발 광 소자로부터 광섬유로 입력되는 광 신호의 경로가 동일하기 때문에 본 발명은 광소자가 발광 소자만으로 이루어진 경우 광송신모듈로 구현되며, 광 소자가 수광 소자만으로 이루어진 경우 광송신모듈로 구현되며, 광 소자가 하나 이상의 수광소자 및 하나 이상의 발광 소자인 경우 광송수신모듈로 구현된다.
도 10은 광결합 블록(110)의 부분 단면 사시도로, 도 10에 도시한 바와 같이 광결합 블록(110)은 일체형으로 사출된 광결합 블록의 필터 거치대(112)에 광학 필터(200)를 위치시키고 열 또는 자외선 경화 접착제를 이용하여 부착한다.
상기 열 또는 자외선 경화 접착제는 열 또는 자외선 경화 관능기를 갖는 에폭시계를 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 도 10에서 상기 필터 거치대(112)에 부착되는 광학 필터(200) 이외의 상기 리셉터클(114), 입력 콜리메이트 렌즈(111), 필터 거치대(112) 및 굴절부(113)는 일체의 사출체이다.
도 11은 광소자 블록(120)의 일 사시도이며, 도 12는 광소자 블록(120)의 단면도이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광소자 블록(120)은 상기 광소자 블록(120) 내부에 하나 이상의 수광소자 및 하나 이상의 발광소자를 포함하는 둘 이상의 광소자가 함입되어 있으며, 상기 광소자 블록(120)에서 광이 수광되는 방향의 표면 일 영역에 요부 홈(125)이 형성된 것이 바람직하며, 상기 요부 홈(125)에 소정 거리로 서로 이격된 곡률진 돌출면이 형성되어 출력 콜리메이트 렌즈면(121')을 이룬다.
상기 광학필터(200)에 의해 반사되고 상기 굴절부(113)에 의해 굴절된 광은 상기 출력 콜리메이트 렌즈면(121')을 통과하며 초점광으로 변하고, 광소자(발광소자, 124)에서 발생하는 발산광은 상기 출력 콜리메이트 렌즈면(121')을 통과하며 평행광을 변한다. 상기 광소자 블록(120) 표면에 상기 출력 콜리메이트 렌즈면(121')이 형성됨으로써, 출력 콜리메이트 렌즈는 상기 광소자 블록(120)에 일체로 구비되게 된다. 상기 출력 콜리메이트 렌즈는 상기 광소자 블록(120)을 형성하는 물질로 구성되며, 상기 광소자(124)와 상기 출력 콜리메이트 렌즈면(121') 사이의 광소자 블록(110) 일 영역이 출력 콜리메이트 렌즈가 된다.
이때, 서로 다른 굴절률을 갖는 두 물질(공기와 광학 플리스틱 물질)간 곡률진 경계면에 의해 광이 초점광 또는 평행광으로 변화되므로, 상기 입력 콜리메이트 렌즈 및 출력 콜리메이트 렌즈를 상술함에 있어, 상기 입력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면(111')과 상기 출력 콜리메이트의 렌즈면(121')이 규정됨에 따라, 입력 콜리메이트 렌즈 및 출력 출리메이트 렌즈가 기 규정됨은 자명하다.
도 12는 광소자 블록(120)의 일 단면도로, 도 12에 도시한 바와 같이 패턴화 되어 있는 리드프레임(126) 패드에 발광 소자(124) 또는 수광 소자(124)가 전기적으로 접속한 상태로 상기 광소자 블록 내부에 함입될 수 있으며, 광소자에서 발생한 전기적 신호를 증폭시키는 증폭기가 같이 함입되어 있을 수 있다.
일 예로, 상기 광소자를 포함한 전자 소자들은 다이 접착(Die Attach)을 하고 광 소자와 리드프레임 리드 사이 또는 광 소자와 전자 소자 사이를 와이어 본딩으로 연결한 후 광학 투명 플라스틱 사출체를 이용하여 소자를 에워싸는 사출 성형 을 통해 제조될 수 있다. 이때, 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 리드프레임(126)은 외부 회로와 전기적으로 연결되는 외부연결단자(127)와 접속된 것이 바람직하다.
도 13은 상기 광소자 블록(120), 광결합 블록(110) 및 덮개 블록(130)의 물리적 조립에 의한 광 정렬 및 결합을 도시한 도면으로, 상기 광소자 블록(120), 광결합 블록(110) 및 덮개 블록(130) 간의 가이드 홀과 가이드 핀간의 결합에 의해 블록간 체결 및 밀봉되는 구조이다.
도 13의 일 예와 같이 상기 광소자 블록(120)은 가이드 홀(128)을 일체로 포함하고, 상기 광결합 블록(110)은 가이드 핀(116)을 일체로 포함하여, 상기 광소자 블록(120)과 상기 광결합 블록(110)은 상기 가이드 홀(128)과 상기 가이드 핀(116)의 결합에 의해 조립되어 상기 광소자 블록(120)의 출력 콜리메이트 렌즈면과 상기 광결합 블록(110)의 광학 필터(200) 및 굴절부(113)를 포함하는 광경로 제어부가 광 정렬되며, 상기 광결합 블록(110)의 하부가 밀폐된다.
또한, 단일한 투명 광학 플라스틱 사출체인 덮개 블록(130)은 가이드 핀(131)을 일체로 포함하고, 상기 광결합 블록(110)은 가이드 홀(115)을 일체로 포함하여, 상기 덮개 블록(130)의 가이드 핀(131)과 상기 광결합 블록(110)의 가이드 홀(115)이 결합하여 상기 덮개 블록(130)과 상기 광결합 블록(110)이 조립되어 상기 덮개 블록(130)에 의해 상기 광결합 블록(110) 상부가 밀폐된다.
가이드 핀과 가이드 홀의 체결시, 각 블록별로 일체형으로 사출된 가이드 핀 또는 가이드 홀의 결합시 결합 면에 소정의 접착제를 도포하여 접합시킬 수 있음은 물론이다.
도 5 내지 도 13을 기반으로 상술한 본 발명에 따른 광모듈은 광소자가 내부에 함입된 투명 광학 플라스틱 재질의 광소자 블록 구성에 의해 광소자가 외부 공기에 노출되지 않고 광학 플라스틱 내부에 밀봉된 구조를 가져, 광소자의 오염 및 산화에 따른 열화를 방지한다.
이와 함께, 상기 광소자블록 표면에 출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면이 형성되어 있고 광소자블록 내부에 렌즈면 각각에 대응하여 렌즈면의 초점에 광소자가 합임되어 있으므로, 출력콜리메이트 렌즈 및 광소자가 일체형 구조를 가져 콜리메이트 렌즈의 부착, 광소자의 부착등의 조립시 발생하는 조립 오차를 방지할 수 있다.
이와 함께, 상기 광소자블록이 사출 성형체인 구성에 의해 제조 공차를 최소화할 수 있으며, 상술한 본 발명의 특징에 따른 안정적 광경로 구성에 의해 제조 공차에 따른 광 결합 효율의 저하 또한 최소화 할 수 있으며, 물리적 충격에도 매우 강한 장점이 있다.
본 발명에 따른 광모듈은 상기 광섬유를 물리적으로 정확한 위치에 고정시키는 리셉터클, 다수개의 광학 필터 각각이 위치하는 필터 거치대 및 굴절부가 투명 광학 플라스틱 재질의 광결합 블록에 형성된 일체형 구조를 가져, 상기 리셉터클에 상기 광섬유(의 페롤)를 고정시키고, 광학용 접착제를 이용하여 필터 거치대에 광학 필터를 부착시키는 단순 결합에 의해 수광되는 광의 분할 및 송신되는 광의 결합이 수행되며, 이에 의해 광학 요소들의 조립 및 부착에 의한 오차를 방지할 수 있으며, 상기 리셉터클에 의해 광섬유(코어)의 위치가 엄밀하게 제어되고, 상기 필터 거치대에 의해 광학 필터의 위치 및 틸트 각도가 엄밀하게 제어됨에 따라 높은 광결합 효율을 갖는 장점이 있다.
이와 함께, 상기 광결합 블록이 사출 성형체인 구성에 의해 제조 공차를 최소화할 수 있으며, 상술한 본 발명의 특징에 따른 안정적 광경로 구성에 의해 제조 공차에 따른 광 결합 효율의 저하 또한 최소화 할 수 있으며, 물리적 충격에도 매우 강한 장점이 있다.
본 발명에 따른 광모듈은 단일한 투명 광학 플라스틱 사출체이며, 상기 광결합 블록의 상부를 밀폐하는 덮개 블록, 상기 광결합 블록 및 상기 광결합 블록의 하부를 밀폐하는 상기 광소자 블록의 블록간 단순한 기계적 결합에 의해 광섬유, 입력 콜리메이트 렌즈, 광학필터, 굴절부, 출력 콜리메이트 렌즈 및 광소자가 정확하게 광정렬되는 장점이 있으며, 높은 광결합 효율을 가지며 매우 정밀하게 광 정렬되는 광송수신 모듈을 저렴한 가격으로 단시간에 대량 생산 할 수 있으며, 생산성(yield)을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있 는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래의 광모듈의 일 예이며,
도 2는 종래의 광모듈의 다른 예이며,
도 3은 종래의 광모듈의 또 다른 예이며,
도 4는 종래의 광모듈에서 제조 오차에 따른 광경로 오차를 도시한 일 예이며,
도 5는 본 발명에 따른 파장분할 광모듈의 구성도를 도시한 일 예이며, 상세하게 도 5(a)는 본 발명에 따른 광수신모듈, 도 5(b)는 본 발명에 따른 광송신모듈, 도 5(c)는 본 발명에 따른 광송수신모듈의 일 구성도이며,
도 6은 본 발명에 따른 광모듈의 구성을 도시한 다른 예이며,
도 7은 본 발명에 따른 광모듈의 구성을 도시한 또 다른 예이며,
도 8은 입사각이 각각 20도(도 8(b)), 45도(도 8(a))인 광학 필터의 S편광과 P편광 성분의 투과율을 나타내 도시한 도면이며,
도 9는 본 발명에 따른 광모듈에서 광결합 블록에서 광학 필터 및 굴절부에서 수행되는 파장에 따른 광 경로 제어를 도시한 일 예이며,
도 10은 본 발명에 따른 광모듈에서 광결합 블록의 부분 단면 사시도의 일 예이며,
도 11은 본 발명에 따른 광모듈에서 광소자 블록의 일 사시도이며,
도 12는 본 발명에 따른 광모듈에서 광소자 블록의 일 단면도이며,
도 13은 본 발명에 따른 광모듈에서 광소자 블록, 광결합 블록 및 덮개 블록 의 물리적 조립에 의한 광 정렬 및 결합을 도시한 일 예이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 광섬유 111: 입력 콜리메이트 렌즈
111': 입력 콜리메이트 렌즈면 200 :　광학 필터
113: 굴절부 113A: 1차 굴절 면
113B: 2차 굴절 면 121': 출력 콜리메이트 렌즈면
122: 수광소자 123: 발광소자
124: 광소자 120: 광소자 블록
110: 광결합 블록 130: 덮개 블록
114: 리셉터클 112: 필터 거치대
125: 요부 홈 128: 광소자 가이드홀
115: 광결합 가이드홀 116: 광결합 가이드핀
131: 덮개 가이드핀

Claims (12)

  1. 단일한 광섬유를 이용한 파장분할 광모듈로,
    광섬유, 입력 콜리메이트 렌즈, 광학 필터, 굴절부, 출력 콜리메이트 렌즈 및 수광소자인 광소자를 포함하여 구성되어,
    광섬유로부터 출력되는 다파장 광을 평행광으로 만드는 입력 콜리메이트 렌즈(collimate len);
    상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의한 상기 평행광의 진행 방향에 대해 소정의 각도로 틸트(tilt)되어, 상기 평행광의 진행 방향으로 소정의 거리로 서로 이격 배치되며, 파장별로 광을 반사 및 투과시키는 둘 이상의 광학 필터;
    상기 광학 필터 각각에 대응하여 구비되며, 상기 광학 필터에서 반사된 반사광의 진행방향이 상기 평행광의 진행방향과 수직이 되도록 굴절시키는 굴절부;
    상기 굴절부 각각에 대응하여 구비되며, 상기 굴절부에 의해 굴절된 반사광을 집광하는 출력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 및
    상기 출력 콜리메이트 렌즈 각각에 대응하여 구비되며, 상기 출력 콜리메이트 렌즈에 의해 집광된 광을 입력받는 수광소자;
    를 포함하는 파장분할 광모듈.
  2. 단일한 광섬유를 이용한 파장분할 광모듈로,
    광섬유, 입력 콜리메이트 렌즈, 광학 필터, 굴절부, 출력 콜리메이트 렌즈 및 발광소자인 광소자를 포함하여 구성되어,
    서로 다른 파장의 송신광을 생성하는 둘 이상의 발광 소자;
    상기 발광소자 각각에 대응하여 상기 발광 소자의 상부에 구비되며 상기 발광 소자로부터 출력되는 광을 평행광으로 만드는 출력 콜리메이트 렌즈(collimate len);
    상기 출력 콜리메이트 렌즈 각각에 대응하여 구비되며 상기 평행광을 입력받아 소정의 각도로 광학 필터에 출력하는 굴절부;
    상기 굴절부 각각에 대응하여 구비되며, 상기 굴절부에서 굴절된 광을 입력받아, 대응하는 굴절부에서 굴절된 광은 반사시키고 그 외 영역의 파장은 투과시키는 광학 필터;
    상기 광학 필터에서 반사된 광을 집광하는 입력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 및
    상기 입력 콜리메이트 렌즈에서 집광된 광을 입력받는 광섬유;
    를 포함하며,
    상기 광학 필터는 상기 광섬유와 상기 입력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수평방향으로 소정 거리 서로 이격 배치되며, 상기 굴절부는 상기 발광소자와 상기 출력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수직방향으로 진행하는 상기 평행광을 입력받아 상기 광학필터에 의해 수평방향으로 반사되도록 상기 광학필터에 입력시키며, 상기 광학 필터에 의해 수평 방향으로 반사 및 투과되어 통합된 광은 단일한 상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의해 단일한 상기 광섬유로 입력되는 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  3. 단일한 광섬유를 이용한 파장분할 광모듈로,
    광섬유, 입력 콜리메이트 렌즈, 광학 필터, 굴절부, 출력 콜리메이트 렌즈, 수광소자인 광소자 및 발광소자인 광소자를 포함하여 구성되어,
    광섬유로부터 출력되는 다파장 광을 평행광으로 만드는 입력 콜리메이트 렌즈(collimate len);
    상기 입력 콜리메이트 렌즈에 의한 상기 평행광의 진행 방향에 대해 소정의 각도로 틸트(tilt)되어, 상기 평행광의 진행 방향으로 소정의 거리로 서로 이격 배치되며, 파장별로 광을 반사 및 투과시키는 둘 이상의 광학 필터;
    상기 광학 필터 각각에 대응하여 구비되며, 상기 광학 필터에서 반사된 반사광의 진행방향이 상기 평행광의 진행방향과 수직이 되도록 굴절시키는 굴절부;
    상기 굴절부 각각에 대응하여 구비되며, 상기 굴절부에 의해 굴절된 반사광을 집광하는 출력 콜리메이트 렌즈(collimate len); 및
    상기 출력 콜리메이트 렌즈 각각에 대응하여 구비되며, 상기 출력 콜리메이트 렌즈에 의해 집광된 광을 입력받는 수광소자와 상기 출력 콜리메이트 렌즈, 상기 굴절부, 상기 광학 필터 및 상기 입력 콜리메이트 렌즈의 광경로를 통해 상기 광섬유로 입력되는 송신광을 생성하는 발광 소자를 포함하는 둘 이상의 광소자;를 포함하여 구성된 파장분할 광모듈.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 굴절부는 적어도 제1굴절면과 제2굴절면을 갖는 다각 형상이며, 상기 제1굴절면은 상기 광섬유와 상기 입력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수평방향과 평행한 면이며, 상기 반사광은 상기 제1굴절면으로 입사되어 공기와 굴절부간 스넬의 법칙에 따라 굴절하고 상기 제1굴절면에서 굴절된 반사광은 상기 제2굴절면에서 굴절부와 공기간의 스넬의 법칙에 따라 재 굴절하여 상기 평행광의 진행방향과 수직이 되도록 상기 굴절부로부터 출력되는 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  5. 제 1항 내지 제 3항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 필터는 상기 광학 필터의 수직축과 상기 평행광의 진행 방향간의 각도가 10 내지 25˚가 되도록 틸트된 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  6. 제 1항 내지 제 3항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 광소자는 단일한 투명 광학 플라스틱 사출체인 광소자 블록에 내장되며, 상기 출력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면은 상기 광소자 블록의 곡률진 돌출 표면인 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광학 필터는 단일한 투명 광학 플라스틱 사출체인 광결합 블록에 형성된 필터 거치대에 광학 접착제로 부착된 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광학 필터의 틸트 각도는 상기 필터 거치대의 경사에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 굴절부는 상기 광결합 블록과 일체인 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 광결합 블록은 상기 광섬유와 결합하는 페룰을 고정하는 리셉터클을 포함하며, 상기 입력 콜리메이트 렌즈의 렌즈면은 상기 리셉터클과 소정 거리 이격되어 상기 광섬유와 상기 입력 콜리메이트 렌즈간의 연장방향인 수평방향에 대해 수직으로 곡률진 광결합 블록의 돌출 표면인 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 광소자 블록은 가이드 홀을 포함하고, 상기 광결합 블록은 가이드 핀을 포함하며, 상기 광소자 블록과 상기 광결합 블록은 상기 가이드 홀과 상기 가이드 핀의 결합에 의해 조립되어 광 정렬되며 상기 광결합 블록 하부가 밀폐되는 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 광모듈은 단일한 투명 광학 플라스틱 사출체인 덮개 블록을 포함하며, 상기 덮개 블록은 가이드 핀을 포함하고, 상기 광결합 블록은 가이드 홀을 포함하며, 상기 덮개 블록의 가이드 핀과 상기 광결합 블록의 가이드 홀이 결합하여 상기 덮개 블록과 상기 광결합 블록이 조립되어 상기 덮개 블록에 의해 상기 광결합 블록 상부가 밀폐되는 것을 특징으로 하는 파장분할 광모듈.
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