KR101227182B1 - 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오목면을 갖는 렌즈면에 WDM 또는 TAP 기능을 하는 박막을 코팅하고, 그 렌즈면에 입력단으로부터 입력된 광의 소정 파장 또는 소정 량의 광이 반사되고, 그 오목면을 투과한 나머지 광은 볼록면을 거쳐 평행광 또는 집속광 형태로 투과시킴으로써 GRIN 렌즈와 필터를 사용하지 않으면서 구조를 단순화하고 특성의 저하 없이 저가격화를 이룰 수 있는 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은, 코팅된 오목(concave) 렌즈가 내장된 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에 있어서, 입력부인 광섬유에 입사된 광신호가 WDM 또는 TAP 기능으로 코팅된 오목렌즈면에서 반사된 광신호는 출력부인 광섬유에 집속되고, 통과된 광신호는 볼록렌즈면에서 평행광 또는 집속광으로 변환되어 출력부인 광섬유에 집속되는 것을 특징으로 한다.

Description

코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈{OPTICAL MODULE USING LENZ HAVING COATED CONCAVE PLANE}
본 발명은 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오목면을 갖는 렌즈면에 WDM 또는 TAP 기능을 하는 박막을 코팅하고, 그 렌즈면에 입력단으로부터 입력된 광의 소정 파장 또는 소정 량의 광이 반사되고, 그 오목면을 투과한 나머지 광은 볼록면을 거쳐 평행광 또는 집속광 형태로 투과시킴으로써 GRIN 렌즈와 필터를 사용하지 않으면서 구조를 단순화하고 특성의 저하 없이 저가격화를 이룰 수 있는 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에 관한 것이다.
21세기 정보사회에서 국가의 경쟁력 향상은 광통신 인프라의 확충과 일반대중의 쉬운 접근 및 활용이 가능할 때 비로소 가능하다. 지금까지 광통신 기술의 발전은 통신 네트워크 확장성과 수요변화 대처에 대한 서비스를 예비하는 능력을 폭넓게 수용할 수 있도록 변화하였고, 이러한 추세에 맞추어 광통신 시스템은 고속화, 파장다중화(Wavelength Division Multiplex: WDM), 집적화되고 있으며 다양한 분야에서의 기술발전이 요구되고 있다.
따라서 전송신호의 대용량와 초고속화를 만족시킬 수 있는 광통신 (optical communication)용 소자에 대한 기술이 빠르게 발전하고 있으며, 특히 광경로를 제어하는 광통신 소자에 관한 기술은 WDM coupler, 복합 광아이솔레이터(Hybrid isolator)나 탭 포토다이오드(TAP PD)에 사용되는 핵심 기술로서 수요가 많다.
이중에서도 여러 파장을 결합해서 하나의 광이버로 전송하는 WDM coupler 기술은 파장을 결합(add) 하고 분리(drop) 하는데 핵심 기술로서 도 1은 기존의 일반적인 WDM coupler의 구조를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면 일반적인 WDM coupler는 입력단(21)으로부터 l1, l2, --- lk, --- ln의 파장이 들어오고 입력된 광신호는 평행광으로 변환되어 WDM 필터(27) 에서 lk 파장은 투과되고 나머지 l1, l2,--- ln 파장은 반사되어 반사된 광은 다시 입력단(21) 측 GRIN 렌즈(26, Graded Index lens)를 거쳐서 반사단(22) 광파이버로 집속되고 나머지 투과된 lk 광은 출력단(30) 측의 GRIN 렌즈(28)를 거쳐서 최종적으로 출력단(30)의 광화이버로 집속되는 구조를 갖는다. 종래에는 대부분 입력단(21), 반사단(22), 출력단(30) 3개의 광화이버에 동시에 집속하기 위해서 특히 입력단(21)과 반사단(22)간에 광결합을 하기 위해서는 필연적으로 입력단(21) 측 GRIN 렌즈(26)를 통한 평행광하에서 WDM 필터(27) 의 각도를 조절하는 방식을 사용하였다. 이러한 구조에서는 고가의 GRIN 렌즈(26)(28) 가 2개 사용되고 또한 글래스 캐필러리(23, glass capillary)와 GRIN 렌즈(26)를 정렬하기 위해서 고정밀도의 글래스 튜브(24, glass tube)가 사용되며 그 외측에 메탈 튜브(25)로 감싸여진 구조를 갖는다. 출력단(30) 측에서는 GRIN 렌즈가 글래스 튜브(29)에 의해 정렬된다.
상기와 같이 GRIN 렌즈를 사용한 WDM coupler는 작은 결합손실을 가능하게 하는 구조를 가지고 있으며 또한 생산성에 있어서도 높은 안정성을 가지고 있으나, GRIN 렌즈와 같은 고정밀도의 부품이 사용되고 또한 각 공정이 정렬과정과 에폭시(epoxy) 접합공정을 거치기 때문에 소자의 제조공정이 어렵고 저가격화가 어려운 단점을 갖는다.
본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 오목면을 갖는 렌즈면에 WDM 또는 TAP 기능을 하는 박막을 코팅하고, 그 렌즈면에 입력단으로부터 입력된 광의 소정 파장 또는 소정 량의 광이 반사되고, 그 오목면을 투과한 나머지 광은 볼록면을 거쳐 평행광 또는 집속광 형태로 투과시킴으로써 GRIN 렌즈와 필터를 사용하지 않으면서 구조를 단순화하고 특성의 저하 없이 저가격화를 이룰 수 있는 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은, 코팅된 오목(concave) 렌즈가 내장된 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에 있어서, 입력부인 광섬유에 입사된 광신호가 WDM 또는 TAP 기능으로 코팅된 오목렌즈면에서 반사된 광신호는 출력부인 광섬유에 집속되고, 통과된 광신호는 볼록렌즈면에서 평행광 또는 집속광으로 변환되어 출력부인 광섬유에 집속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은, 3 core capillary tube를 사용하여 입력 광섬유(input fiber)와 출력 광섬유(out fiber)의 각도를 조절하여 광결합 효율을 최대화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은, align and laser welding 장비를 사용하여 dual core fiber와 single core fiber를 코팅된 렌즈와 고정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은, 입력 광신호로 l1, l2,...lk,...ln 중 적어도 하나 이상을 반사하고 나머지는 투과하는 WDM 필터의 코팅된 렌즈를 사용하여 WDM coupler를 구성하는데 이용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은, 렌즈와 SCF 중간에 optical isolator를 장착하여 WDM hybrid isolator를 구성하는데 이용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은, 입력광신호에 대해서 1 ~ 99%중 임의의 광만을 투과하고 나머지는 반사하는 TAP 필터를 코팅된 렌즈를 사용한 TAP PD를 구성하는데 이용되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은 오목면을 갖는 렌즈면에 WDM 또는 TAP 기능을 하는 박막을 코팅하고, 그 렌즈면에 입력단으로부터 입력된 광의 소정 파장 또는 소정 량의 광이 반사되고, 그 오목면을 투과한 나머지 광은 볼록면을 거쳐 평행광 또는 집속광 형태로 투과시킴으로써 GRIN 렌즈와 필터를 사용하지 않으면서 구조를 단순화하고 특성의 저하 없이 저가격화를 이룰 수 있는 장점을 갖는다.
특히, 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은 기존의 GRIN 렌즈와 WDM 필터를 사용하는 구조의 광소자보다 간단한 구조를 가지며 제조공정이 단순화될 뿐만 아니라 광결합효율 최대화, 광손실 최소화, 부품수의 감소, 광소자 특성 유지, 제조비용의 절감할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은 기존의 GRIN 렌즈와 WDM 필터를 사용하는 구조의 광소자에 이용되는 기존 epoxy 공정을 레이저 접합(laser welding)으로 대체함으로써 소자의 장기 신뢰성을 확보할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 기존의 GRIN 렌즈 및 WDM 필터를 이용한 dual fiber collimator와 이를 이용한 WDM coupler의 구조를 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈의 광학계 구조를 도시한 개념도
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈의 focusing beam의 광학계 구조를 도시한 개념도
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈의 collimating beam의 광학계 구조를 도시한 개념도
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에서 입력단 광화이버 대비 반사단 광화이버가 경사를 이루는 dual core fiber의 구조를 도시한 개념도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈을 이용한 (a)WDM coupler, (b)hybrid isolator 및 (c)TAP PD의 일예를 도시한 구조도
본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은 필터층이 오목면에 코팅(coating)된 렌즈를 사용하여 입력단에서 출사된 광을 분리 또는 감소시킨 후 반사된 광은 반사단으로 집속시키고 투과된 광은 출력단으로 집속시키는 광부품으로서, WDM coupler, Hybrid isolator, TAP PD 등의 광소자의 제작에 이용되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈의 광학계 구조를 도시한 개념도이고, 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈의 focusing beam의 광학계 구조를 도시한 개념도이며, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈의 collimating beam의 광학계 구조를 도시한 개념도이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에서 입력단 광화이버 대비 반사단 광화이버가 경사를 이루는 dual core fiber의 구조를 도시한 개념도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈을 이용한 (a)WDM coupler, (b)hybrid isolator 및 (c)TAP PD의 일예를 도시한 구조도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은 오목면(2, concave plane)에 필터층이 코팅된 렌즈(1)를 사용한 것을 특징으로 한다. 상기 렌즈(1)는 요철 렌즈(Meniscus lens)로서 일측의 오목면(2, concave plane)과 반대측의 볼록면(3, convex plane) 으로 구성된다. 상기 렌즈(1)의 오목면(2)은 구(sphere) 또는 타원(ellipse)의 형상으로 표면에 WDM 또는 TAP 필터가 박막 증착되어 있고, 볼록면(3)은 비구면(aspheric) 형상으로 AR 코팅(Anti-reflection coating)이 되는 것이 바람직하다.
상기 렌즈(1)의 오목면(2)이 장축 a, 단축 b를 가지는 타원의 경우 초점 F(c,0)에서 입사된 광은 오목면(2)에서 반사되어 초점 F(-c,0)에 집속되도록 오목면(2)의 형상 및 입사단(7)과 반사단(8)의 배치가 설계된다. 그리고, 도 2는 렌즈(1)의 볼록면(3)이 오목면(2)을 과한 광이 집광되어 출력단(6)에 집속되도록 설계된 실시예를 도시한 것이다. 오목면(2)의 초점 F(c,0)와 F(-c,0)의 거리 즉 입력단(7)과 반사단(8)의 거리가 장축 a의 거리에 비해 매우 작을 경우에는 타원은 구(sphere)의 형상으로 설계하더라도 결합효율에 큰 영향을 미치지 않는다.
입력단(7)을 통해 입사된 광은 렌즈(1)의 오목면(2)에 코팅된 박막 필터에 따라 특정광 또는 특정광의 일부분이 반사되어 반사단(8)으로 집속된다. 코팅된 박막 필터를 투과한 광은 렌즈(1)의 볼록면(3)에 형성된 비구면 렌즈를 통해서 집속되어 출력단(6)의 광화이버(Optical Fiber)에 입력된다. 상기 렌즈(1)의 볼록면(3)은 반사손실을 최소화하기 위해서 AR 코팅되는 것이 바람직하다.
도 도 2 및 도 3a를 참조하면, 오목면(2)에 입사되는 광의 중심선(4)은 수직선에 대해 θ0의 각도를 이루고 오목면(2)의 필터에 의해 반사되는 광의 중심선(5)이 수직선에 대해 이루는 각도는 θ0로 입사되는 광의 각도와 동일하게 되도록 오목면(2)은 구형 또는 두개의 초점이 있는 타원형의 구조를 지닌다. 광화이버의 끝단은 반사손실(return loss)을 60dB 이상 만족하기 위해서 6도 ~ 8도의 경사각(θ3)으로 경사된 구조를 가지게 되는데 이 경사각(θ3) 때문에 입사단(7)의 광화이버에서 출력되는 광은 광화이버의 굴절률에 따라 다음의 수학식1을 만족하는 특정한 각도를 갖게 된다. 이러한 성질을 이용하여 입력단(7) 광화이버의 각도를 θ1으로 기울일 경우 입력단(7) 광파이버에서 출력되는 광은 θ4를 만족하는 방사각을 갖게 된다.
[수학식 1]
no * sinθ0 = n1 * sinθ1
단, no, n1: 공기, 광화이버 재질의 굴절률, θ0, θ1: 공기, 광화이버 입사각
한편, 필터가 코팅된 오목면(2)에서 반사된 광은 θ0의 각도를 이루면서 반사단(8)으로 입사되는데, 이때 광결합효율을 최대화하기 위해서 반사단(8)의 광화이버를 θ2만큼 기울이며, 이는 다음의 수학식2를 만족하게 된다.
[수학식 2]
θ2 = θ1 + 2θ0
한편, 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈의 focusing beam의 광학계 구조를 도시한 개념도로서, 도 3a에 도시된 광학계는 필터가 코팅된 오목면(2)을 갖는 렌즈(1), DCF(dual core fiber) 및 SCF(Single core fiber)로 focusing beam의 광학계로 구성된 것이다. 렌즈(1)와 DCF의 거리를 L1으로 하고, 렌즈(1)와 SCF의 거리를 L2로 하고, 방사각 θ4를 갖는 single mode fiber 를 사용해서 입력단(7)와 출력단(6)의 중심선에 대해서 q0 의 각도로 입사포트에서 출력되고, 반사되면서 반사포트로 입력되는 구조이다. 렌즈를 투과한 광은 출력포트에 입사된다.
도 3b에서는 도 2와 같은 구조를 가지면서 단지 볼록면(convex plane)(3) 의 형상을 평행광을 이루는 구조로 설계하여 출력포트로 출력되는 광을 평행광으로 만드는 구조이다. 이러한 광학구조는 광스위치(optical switch)와 광감쇄기(optical attenuator) 등 평행광을 요구하는 광모듈에 사용될 수 있다.
도 4에서는 광결합효율을 높이기 위해서 입사포트에 대해 일정한 각도를 가지는 출력포트의 구조를 나타내었다. 일반적인 dual core fiber는 광화이버가 2-hole glass capillary에 평행하게 2개 들어가는 구조이지만 반사포트의 광화이버를 기울이기 위해서는 광화이버가 3개 들어갈 수 있는 3-hole glass capillary(9)를 사용해서 입력포트의 광화이버(7)를 고정하고 반사포트의 광화이버(8)는 2θ2 의 각도를 이루게 에폭시(epoxy)를 사용하여 고정한다. 이때 반사포트의 기울임 각도는 3-hole glass capillary의 길이(L) 와 내부 직사각형의 길이에 따라서 결정된다. 입사포트와 반사포트의 단면(10)은 θ3의 각도로 flat angle polishing되고 이 단면에는 반사손실(return loss)를 최대화 하고 삽입손실(insertion loss)를 최소화하기 위해서 AR 코팅 처리한다. 입력포트의 광화이버(7) 의 중심선에 대해서 θ0 의 각도로 입사된 광은 오목면(concave plane)(2)의 코팅에서 반사되어 반사포트의 광화이버(8)의 중심선에 대해서 동일하게 θ0의 각도로 입사하게 되므로 광결합효율을 최대화할 수 있다.
도 5의 (a)는 본 발명을 이용하여 WDM 필터가 coating된 렌즈구조를 사용한 WDM-coupler의 구조도이다. 입력광포트(8)로 l1, l2 --- lk, --- ln 의 파장이 들어오고 입력된 광신호는 WDM 필터(2) 에서 lk 파장은 투과되고 나머지 l1, l2,--- ln 파장은 반사되어 반사된 광은 반사포트(7)의 광화이버로 집속되고 나머지 투과된 lk 광은 출력포트(16) 로 출력포트로 집속되는 구조를 갖는다. WDM 필터(2)는 e-beam evaporator를 사용해서 렌즈(1)의 오목면(concave plane)에 증착하였고, 반대면 볼록면(convex plane)(3)에는 AR coating을 증착하였다. WDM 필터가 코팅된 렌즈(1)는 stainless steel 304 재질의 경통(14)에 레이져 웰더로 3-point 대칭이 되도록 용접하고, 입력포트와 반사포트가 내장된 dual core fiber(11) 는 θ0 각도를 이루도록 제작된 glass capillary holder(12)를 사용하여 epoxy로 결합한다. 또한 반사포트의 single core fiber(16)도 DCF(11)와 마찬가지로 θ0의 각도를 갖도록 SCF holder(17) 을 제작한다. 이렇게 제작된 dual core fiber(11)는 레이져용접기를 사용하여 입력포트(8)에 l1의 광을 Po 의 광파워로 입력시키면서 반사포트(7)에 출력되는 Pr의 광출력 값이 최대가 되도록 광정렬(optical alignment)이 이루어져 이 지점에서 spacer(13)부와 DCF 경통(12) 및 렌즈경통(14) 부분을 용접한다. 이후 출력포트의 SCF(16)도 마찬가지로 입력포트(8)에 lk의 광을 Po 광파워로 입력시키면서 출력포트(16)에 출력되는 Pt의 광출력 값이 최대로 되도록 정렬한 후 레이져 용접하여 고정한다. 광정렬은 DCF, SCF를 각각 코팅된 렌즈에 대해서 x, y, z 축 이동 및 z 축 회전을 수행한다. GRIN 렌즈를 사용하는 종래의 WDM coupler의 경우 입력포트와 반사포트간의 광결합을 하기 위해서 WDM filter의 각도를 조절하면서 광정렬한 후에 WDM filter를 GRIN 렌즈에 고정하는 방법을 사용하고 이때 접합공정으로 epoxy를 사용하는데 epoxy는 고온, 고습에 쉽게 변형되어 결국 장기신뢰성을 유지하기 어려운 단점이 있다. 또한 WDM coupler의 중요한 특성인 WDL(wavelength dependant loss)는 입사광의 WDM filter의 입사각(angle of incident beam)에 기인하는 것으로 본 발명의 오목면(concave plane)에 코팅된 필터는 근본적으로 AOI 가 0이므로 WDL을 해결할 수 있다. 본 발명과 같이 WDM 필터가 렌즈에 직접 증착되고 고정방식으로 epoxy를 사용하는 대신 레이져용접을 함으로서 공정의 단순화 및 소자의 고온, 고습특성을 만족하는 장기신뢰성을 향상시킬 수 있고, WDM 필터의 WDL(wavelength dependant loss)의 특성을 만족할 수 있다.
도 5의 (b)는 도 5의 (a) 의 구조를 가지면서 렌즈(2)와 출력단(16) 사이에 광아이소레이터(18) 를 삽입함으로서 hybrid in-line isolator의 기능을 나타내는 구조도이다. 광아이소레이터를 위치함으로서 WDM filter가 코팅된 렌즈를 통해서 출력된 lk 광신호는 출력포트로 입사되고 반대로 출력포트에서 반사되어 나오는 광신호는 입력포트(11)로 되돌아 갈 수 없는 기능을 가진다.
도 5의 (c)는 도 5의 (a)의 WDM coating 대신 특정 파장의 광에 대해서 일정량의 광만을 투과하고 나머지 광은 반사시키는 기능을 하는 TAP filter(2)를 렌즈의 오목면(concave plane)에 코팅하고 출력포트에 광화이버대신 mini photo diode(20)를 사용한 power monitoring용 TAP PD의 구조도를 나타내었다. Dual core fiber와 렌즈의 용접은 도 5의 (a)와 동일하게 수행하였고, 모니터링용 포토다이오드의 결합효율은 수광소자의 active area가 80 micron정도로 크기 때문에 광정렬대신 포토다이오드와 렌즈경통사이에 기구물을 사용해서 결합하는 방식으로 제작하였다.
이상에서와 같이 기존 GRIN 렌즈와 filter 를 사용하지 않고 오목면(concave plane) 에 WDM 또는 TAP 필터가 코팅되고 볼록면(convex plane)에서 집속광을 만드는 역할을 하는 렌즈를 사용하고 입력포트에 대해서 일정각도로 경사된 반사포트를 가지는 dual core fiber 를 사용함으로써 WDM coupler, Hybrid isolator, TAP PD를 제작할 수 있게 된다.
도 5의 (a)에 도시된 WDM coupler는 구체적으로 다음과 같이 제작된다. 렌즈의 L1은 5mm, 렌즈 내경은 1.8mm, 외경은 2.8mm, 높이 1.6mm, L2 는 6mm로 하였다. 오목면(concave plane)은 1550nm 대역이 투과되고 1310nm 파장대역이 반사되는 WDM 필터를 코팅하였고 볼록면(convex plane)에는 1550nm 파장대역의 AR coating을 하였다. Dual core fiber capillary는 외경 1.8mm, 길이 5mm, capillary size 0.378 x 0.127mm의 glass tube를 사용하였고 두 광화이버간의 피치 P 는 0.125mm이고 반사포트 광화이버는 입사포트 광화이버 대비 0.43도 경사지고 입력포트와 반사포트의 광화이버는 8도(θ3) 경사지게 연마되었고 이 단면(10)은 1310 ~ 1550nm 대역의 AR coating을 하였다. Dual core fiber의 경통은 dual core fiber가 2.94도(θ1) 기울이게 제작하여 렌즈의 오목면(concave plane)에 0.71도(θ0)의 각도로 광이 입사되고 출사되게 하였다. Corning社 SMF-28 fiber의 방사각(θ4) 은 5.4도이고 렌즈의 유효경(effective beam diameter)은 1.4mm이다. 제작된 WDM coupler의 외경은 3.8mm로 하였고 총 길이는 28mm이다. Single core fiber는 마찬가지로 외경 1.8mm, 길이 5mm, 8도 polishing 후 단면을 AR coating하였고, 경사도는 2.94도로 하였다.
조립순서는 WDM 필터가 코팅된 렌즈를 렌즈경통에 레이져웰더로 3 point 용접한 후 입력포트의 광량대비 반사포트에 출력되는 광량을 최대로 하도록 dual core fiber를 코팅된 렌즈에 정렬한 후 레이져로 6-point 용접하였다. 이때 post welding shift는 기존 LD와 광화이버를 용접할 경우와 유사한 경향을 보였다.
입력포트에 1310nm 광을 0dBm 입사하고 최대 광결합효율이 나오도록 정렬할 경우 반사포트에서 0.5dB의 삽입손실(insertion loss)가 발생하였다. 입력포트에 1550nm 광을 0dB 입사하고 정렬할 경우 출력포트에 0.4dB의 삽입손실이 발생하였다. 반사손실(return loss)는 60dB 이상으로 기존 GRIN 렌즈를 사용한 경우와 비교해서 유사한 특성을 나타내는 WDM-coupler를 제작할 수 있었다.
도 5의 (b)에 도시된 hybrid isolator는 구체적으로 다음과 같이 제작된다. 도 5의 (a)와 동일한 규격의 렌즈와 렌즈경통, dual core fiber와 single core fiber를 사용하였고, 단지 렌즈코팅의 경우 1550nm 파장대역은 투과되고 1490nm 파장대역은 반사되는 필터를 코팅하였고 isolation 30dB의 single stage isolator를 사용하였다. Isolator와 렌즈경통의 결합은 레이져웰더를 사용하여 3-point 용접하였고 기존 GRIN 렌즈를 사용한 소자와 동일한 특성을 얻었다.
도 5의 (c)에 도시된 TAP PD는 구체적으로 다음과 같이 제작된다. 도 5의 (a)와 동일한 규격의 렌즈와 렌즈경통, dual core fiber를 사용하였고, 단지 1550nm 파장대역에서 이하는 2% 투과되고 나머지는 반사되는 필터가 코팅된 렌즈를 사용하였다. 수신부의 포토다이오드는 직경 1.9mm의 mini PIN PD with flat window cap을 사용하였고 조립시 single core fiber를 정렬하는 대신 PD의 responsitivity를 모니터링하면서 responsivity가 최대가 되는 지점으로 정렬한 후 용접하였다. 반사포트의 삽입손실(insertion loss)는 0.5dB, responsitivity 는 0.95로 기존 TAP PD와 유사한 측정결과를 얻었다. 단지 기존 mini TAP PD의 외경이 3.2mm 이고 길이가 20mm 이하인 반면 본 발명에 의한 소자의 외경이 3.8mm, 길이 26mm로 향후 소형화하는 것이 필요하다.
이상의 도 5의 (a) 내지 (c)에 도시된 실시예로부터 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈이 기존 GRIN 렌즈를 사용한 소자와 동일한 특성을 얻을 수 있는 것이 확인되었고 원재료를 절감하고 제조공정을 단순화함으로서 저가격화를 이루고 에폭시(epoxy)를 사용하지 않고 레이져 용접을 함으로써 고온고습 환경 등 장기신뢰성이 우수한 것을 장점으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 기존의 GRIN 렌즈를 사용하지 않고 본 발명에 따른 WDM filter 또는 TAP 필터가 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈을 사용하여 WDM coupler, Hybrid isolator 및 TAP PD 를 제조할 수 있으며, 이 들은 기존 광모듈과 비교하여 삽입손실(insertion loss), 반사손실(return loss) 등 특성의 저하는 없으면서 저가격으로 제조할 있다. 표 1, 표 2, 표 3은 본 발명에 따른 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈과 기존 GRIN 렌즈를 사용한 소자와의 사용원재료별, 제조공정별과 성능을 비교한 것이다. 표 1은 사용 원재료를 비교 정리한 것이고, 표 2는 제조공정을 비교 정리한 표이며, 표 3은 성능을 비교 정리한 것이다.
기존 WDM coupler 본 발명 WDM coupler 비고
dual core fiber dual core fiber (2nd fiber tilt) demerit
single core fiber single core fiber same
GRIN lens 2ea meniscus lens 1ea merit
glass capillary 2ea none merit
metal housing metal housing same
WDM filter WDM filter coating on lens demerit
기존 WDM coupler 본 발명 WDM coupler 비고
Fixing of DCF to GRIN lens Fixing of DCF to coated lens same
Fixing of WDM filter to GRIN lens none merit
Fixing of SCF to DCF Fixing of SCF to DCF same
기존 WDM coupler 본 발명 WDM coupler 비고
Insertion loss < 0.4dB same
Return loss > 60dB same
PDL, WDL < 0.2dB same
dimension Dia. < 4.0mm, length < 30mm merit
앞에서 설명되고 도면에 도시된 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
1 렌즈(coated meniscus lens)
2 오목면(concave plane)
3 볼록면(convex plane)
4 입사광
5 반사광
6 출력단
7 입사단
8 반사단
9 글래스 캐필러리(dual core capillary)
10 폴리싱 면(polished plane)
11 dual core fiber(DCF)
12 DCF housing
13 DCF ring
14 lens housing
15 SCF ring
16 single core fiber(SCF)
17 SCF housing
18 optical isolator
19 photodiode
21 입력단
22 반사단
23 글래스 캐필러리(dual core capillary)
24 글래스 튜브(glass tube)
25 메탈 튜브(metal tube)
26 GRIN 렌즈
27 WDM 필터
28 GRIN 렌즈
29 글래스 튜브(glass tube)
30 single core fiber(SCF) 출력단

Claims (6)

  1. 코팅된 오목(concave) 렌즈가 내장된 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈에 있어서,
    상기 오목 렌즈의 오목면에는 특정 파장의 광에 대해서 일정량의 광만을 투과하고 나머지 광은 반사시키는 기능을 하는 WDM 필터 또는 TAP 필터가 코팅되고,
    입력부인 광섬유에 입사된 광신호 중에서 상기 오목면에서 반사된 광신호는 출력부인 광섬유에 집속되고, 상기 오목면을 통과한 광신호는 볼록면에서 평행광 또는 집속광으로 변환되어 출력부인 광섬유에 집속되는 것을 특징으로 하는 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    입력 광섬유(input fiber)와 출력 광섬유(out fiber)의 각도를 각각 θ1와 θ2라 하고, 상기 입력 광섬유(input fiber)에서 출사되어 상기 오목면에서 상기 출력 광섬유(out fiber)로 반사되는 반사광의 반사각을 θ0라 할 때,
    3-core capillary tube를 사용하여 θ2 = θ1 + 2θ0의 관계를 만족하도록 입력 광섬유(input fiber)와 출력 광섬유(out fiber)의 각도를 조절하여 광결합 효율을 최대화하는 것을 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    align and laser welding 장비를 사용하여 dual core fiber와 single core fiber를 코팅된 렌즈와 고정하는 것을 특징으로 하는 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    입력 광신호로 l1, l2,....lk,....ln 중 적어도 하나 이상을 반사하고 나머지는 투과하는 WDM 필터가 코팅된 렌즈를 사용하여 WDM coupler를 구성하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    렌즈와 SCF 중간에 optical isolator를 장착하여 WDM hybrid isolator를 구성하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    입력광신호에 대해서 1 ~ 99%중 임의의 광만을 투과하고 나머지는 반사하는 TAP 필터가 코팅된 렌즈를 사용한 TAP PD를 구성하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 코팅된 오목면을 갖는 렌즈를 이용한 광모듈.
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