KR102116151B1 - 광 섬유의 입력/출력 결합을 위해 구조화된 반사면을 구비하는 결합 디바이스 - Google Patents

광 섬유의 입력/출력 결합을 위해 구조화된 반사면을 구비하는 결합 디바이스 Download PDF

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Abstract

광 신호를 보내기 위한 광 섬유의 입력단/출력단을 광 수신기 및/또는 송신기에 물리적 및 광학적으로 결합하기 위한 결합 디바이스. 결합 디바이스는, 반사에 의해 광 섬유의 입력단/출력단에/입력단/출력단으로부터 광을 조향하는 광 소자로서 기능하는 구조화된 반사면, 및 광 섬유의 단부가 구조화된 반사면에 대해 정의된 거리에서 그와 정렬되는 방식으로 광 섬유를 확실하게 수용하는 광 섬유 유지 그루브를 포함한다. 구조화된 반사면 및 섬유 유지 구조의 개방 구조는 정밀 스탬핑 등의 대량 생산 공정에 적합하다. 결합 디바이스는, 구조화된 반사면이 송신기의 광원에 또는 수신기의 검출기에 정렬된 상태로, 광 송신기 및/또는 수신기에 부착될 수 있고, 액티브 광 케이블에 채택될 수 있다.

Description

광 섬유의 입력/출력 결합을 위해 구조화된 반사면을 구비하는 결합 디바이스{COUPLING DEVICE HAVING A STRUCTURED REFELCTIVE SURFACE FOR COUPLING INPUT/OUTPUT OF AN OPTICAL FIBER}
본 출원은 2012년 3월 5일 출원된 미국 가특허 출원 61/606,885호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 명세서에 모두 개시되는 것처럼 참조로 통합된다. 이하 기재되는 모든 공보는 본 명세서에 모두 개시되는 것처럼 참조로 통합된다.
본 발명은 광 섬유 신호 송신에 관한 것으로, 특히 광 신호를 보내기 위해 광 섬유를 물리적으로 및 광학적으로 결합하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
현대의 데이터 송신을 위한 대역폭 요건들이 증가하면서(예를 들어, 고화질 비디오 데이터 등), 데이터 통신에 있어서 광 섬유 신호 송신이 아주 흔하게 되었다. 광 신호들은, 광 섬유의 네트워크 및 관련 커넥터들과 스위치들을 통해서, 광 섬유를 통해 송신된다. 광 섬유는 주어진 물리적 사이즈/공간에 대해 구리 배선에 비하여 상당히 더 높은 대역폭 데이터 송신 능력과 더 낮은 신호 손실을 보여준다.
광 섬유 신호 송신에서, 광 신호와 전기 신호의 전환은 광 섬유의 종단 너머에서 발생한다. 구체적으로, 광 섬유의 출력단에서, 광 섬유로부터의 광은, 변환 수신기에 의해 검출되어, 이후 다운스트림의 데이터 처리를 위한 전기 신호로 전환된다(즉, 광-전기 전환(optical-to-electrical conversion)). 광 섬유의 입력단에서, 전기 신호는 변환 송신기에 의해 광 섬유에 입력될 광으로 전환된다(즉, 전기-광 전환(electrical-to-optical conversion)).
광 섬유의 입력/출력을 송신기/수신기에 결합하기 위해, 렌즈 등의 광 소자들은, 광원(예를 들어, 레이저 등)으로부터의 광을 시준하고 및/또는 광 섬유의 입력단에 집중시키고, 광 섬유로부터의 광을 시준하고 및/또는 광 다이오드 검출기에 집중시킬 필요가 있다. 수용가능한 신호 레벨을 달성하기 위해서는, 광 섬유가 송신기 및 수신기에 높은 허용오차로 정밀하게 정렬되어서, 광 섬유가 송신기 및 수신기에 대하여 지원되는 광 소자들에 정밀하게 정렬되어야 한다. 과거에, 요구되는 광학적 정렬을 달성하기 위해 필요한 내부 광 소자들 및 구조물들을 고려할 때, 송신기 및 수신기에는 광 섬유를 종단하는 커넥터들을 사용하여 광 섬유가 결합되는 접속 포트를 구비하는 결합 구조가 제공된다. 광 섬유가 불안정한 것을 고려할 때, 송신기 및 수신기 구조에 대한 물리적 접속 중 및 그 후에 조심히 취급되어야 한다. 송신기 및 수신기와 접속 포트를 구비하는 관련 구조는 따라서 일반적으로 부피가 크고, 상당한 공간을 차지하므로, 소형 전자 디바이스에 사용하기에는 적합하지 않게 된다. 지금까지는, 광 섬유와 송신기 및 수신기에 대한 결합 구조가, 일반적으로 상당히 비싸고, 주어진 포트 수에 비해 사이즈가 크다.
위에 기재된 기존 광 섬유 데이터 송신의 단점들은 다-채널 섬유 송신에서 악화된다. 송신기 및 수신기에 대한 광 섬유의 접속 및 광 정렬이 집합되어야 하고, 컴포넌트들은 초미세한 정밀도로 제조되어야 한다. 마치 이러한 정밀도 레벨을 갖는 부분들이 충분히 도전적이지 않은 것처럼, 경제적으로 생성되어야 할 부분들에 대해서, 충분히 자동화되고 고속인 공정으로 되어야 한다.
감소된 비용으로 제조가능성, 사용의 용이성, 기능성 및 신뢰성을 개선하는, 광 섬유의 입력/출력을 물리적 및 광학적으로 결합하기 위한 개선된 구조가 필요하다.
본 발명은 광 신호를 보내기 위해 광 섬유의 입력단/출력단을 물리적 및 광학적으로 결합하기 위한 결합 디바이스를 제공한다. 이러한 디바이스는 광 섬유를 광 수신기 및/또는 송신기에 물리적 및 광학적으로 결합하기 위해 구현될 수 있고, 이는 감소된 비용으로 제조가능성, 사용의 용이성 및 신뢰성을 개선하여, 종래 기술 구조의 다수의 단점들을 극복한다.
본 발명에 따르면, 결합 디바이스는, 반사(입사광의 굴절 및 회절을 포함할 수도 있음)에 의해 광 섬유의 입력단/출력단에/입력단/출력단으로부터 광을 조향하는 광 소자로서 기능하는 구조화된 표면을 포함한다. 결합 디바이스는 또한 광 섬유 유지 구조를 포함하고, 이는 광 섬유를 구조화된 반사면에 대해 안전하고 정확하게 정렬한다. 일 실시예에서, 섬유 유지 구조는, 광 섬유의 단부가 구조화된 반사면에 대해 정의된 거리에서 그와 정렬되는 방식으로 광 섬유를 확실하게 수용하는 적어도 하나의 그루브(또는 하나 이상의 그루브)를 포함한다. 구조화된 반사면의 위치 및 방향은 섬유 유지 구조에 관하여 고정된다. 일 실시예에서, 섬유 유지 구조 및 구조화된 반사면은 결합 디바이스의 동일(예를 들어, 모놀리식 등) 구조 상에 정의된다. 대안적인 실시예에서, 섬유 유지 구조 및 구조화된 반사면은, 함께 결합되어 결합 디바이스를 형성하는 별개의 구조들 상에 정의된다.
구조화된 반사면은 평평하게, 오목하게 또는 볼록하게 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 구조화된 반사면은 경면 마감된 매끈한 표면을 갖는다. 아니면, 반사성인 질감이 있는 표면일 수 있다. 구조화된 반사면은, 균일한 표면 특성, 또는 평탄도 및/또는 질감도가 변화하거나 매끈한 표면과 질감이 있는 표면의 다양한 영역들의 조합이 구조화된 반사면을 구성하는 등의 변화하는 표면 특성을 가질 수 있다. 구조화된 반사면은, 미러, 초점 렌즈, 발산 렌즈, 회절 격자 또는 이들의 조합 등 등가의 광 소자 중 적어도 하나에 대응하는 표면 윤곽 및/또는 광 특성을 가질 수 있다. 구조화된 반사면은 상이한 등가 광 소자에 대응하는 둘 이상의 영역을 가질 수 있다(예를 들어, 발산하는 환형 영역에 의해 중심의 초점 영역이 둘러싸이는 등). 일 실시예에서, 구조화된 반사면은 표면을 통해 광을 송신하지 않는 불투명한 재료 상에 정의된다.
본 발명의 일 양상에서, 구조화된 반사면 및 섬유 유지 구조는 개방 구조에 의해 정의되며, 이는 비용이 저렴하고 처리율이 높은 공정인 스탬핑(stamping) 등의 대량 생산 공정에 적합하다. 일 실시예에서, 구조화된 반사면 및 섬유 유지 그루브는 금속 재료를 스탬핑하여 형성된다. 일 실시예에서, 금속 재료는, 강성이 높은 것(예를 들어, 스테인레스 스틸 등), 화학적 안정성이 높은 것(예를 들어, 티타늄 등), 고온 안정성이 높은 것(니켈 합금), 열 팽창이 낮은 것(예를 들어, 인바(Invar) 등) 또는 다른 재료에 열 팽창을 일치시키는 것(예를 들어, 유리와 일치하는 코바(Kovar) 등)으로 선택될 수 있다. 대안적으로, 이러한 재료는 단단한 플라스틱 또는 기타 단단한 중합체 재료일 수 있다.
일 실시예에서, 결합 디바이스는, 구조화된 반사면이 송신기의 광원(예를 들어, 레이저 등)에 또는 수신기의 검출기(예를 들어, 포토 다이오드 등)에 정렬된 상태로, 광 송신기 및/또는 수신기에 부착될 수 있다. 송신기/수신기는 결합 디바이스에 기밀 밀봉될 수 있다. 송신기/수신기에는 외부 회로에 전기적으로 결합하기 위한 도전성 접촉 패드가 제공될 수 있다. 고정형 구조화된 반사면 및 섬유 유지 구조가 동일 결합 디바이스에서 정밀하게 정의되면, 송신기의 광원 또는 수신기의 광 검출기를 결합 디바이스의 구조화된 반사면에 정렬하는 것에 의해서, 광원/검출기는 광 섬유의 입력단/출력단에 정밀하게 정렬될 것이다. 일 실시예에서, 송신기/수신기를 결합 디바이스에 정밀하게 정렬하는 방법은, 송신기/수신기 및 결합 디바이스에 제공되는 상보형 정렬 마크를 중첩시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 광 섬유는 액티브 광 케이블(active optical cable, AOC)로서 조직되며, 이는 전기-광 전환을 위해 광 섬유의 한 쪽 단말에 송신기를 갖고, 광-전기 전환을 위해 광 섬유의 다른 쪽 단말에 수신기를 갖는 공지된 케이블이다.
본 발명에 따른 결합 디바이스는 종래 기술의 다수의 결점들을 극복하며, 이는 낮은 환경 민감도와 함께 사용의 편의성 및 고 신뢰성을 제공하며, 저비용으로 제조될 수 있다. 본 발명의 결합 디바이스는, 단일 또는 다수 광섬유, 광 입력, 광 출력 또는 양자 모두(쌍방향 데이터 통신용)를 지원하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 사용 모드 뿐만 아니라 본질 및 이점들을 보다 잘 이해하기 위해서, 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하여야 한다. 이하 도면에서, 동일 참조 번호는 도면 전반에 걸쳐 동일하거나 또는 유사한 부분을 지정한다.
도 1은, 본 발명의 결합 디바이스가 구현되는, 광 섬유를 통한 데이터 송신의 구성의 개략도이다.
도 2는 광 섬유의 입력단에서의 광 조사 패턴을 도시하는 개략도이다.
도 3은 광 섬유의 출력단에서의 광 조사 패턴을 도시하는 개략도이다.
도 4는 입력단 및 출력단에서의 구조화된 반사면 상에 조사의 풋프린트를 도시하는 개략도이다.
도 5는 매끈한 평탄면을 갖는 구형 펀치로 평탄 미러를 형성하는 것을 도시하는 개략도이다.
도 6은 결합 디바이스에 그루브 및 구조화된 표면 윤곽을 스탬핑하는 펀치 지오메트리의 사시도이다.
도 7a는 광 섬유의 종축을 따른 단면도이고, 도 7b는 그 사시 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 송신기/수신기 모듈의 사시도이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기의 사시도이며; 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액티브 광 케이블(AOC)의 사시도이다.
도 10a는 정렬 마크를 갖는 결합 디바이스의 다른 실시예이고; 도 10b는 송신기/수신기의 다른 실시예이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 조립체 스탠드 및 정렬을 포함하는 조립 공정을 개략적으로 도시한다.
이하 도면을 참조하여 다양한 실시예들을 참조해서 본 발명이 설명된다. 본 발명이 본 발명의 목적을 달성하기 위한 최상의 모드에 관하여 설명되지만, 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고도 이들 교시사항의 관점에서 변경이 이루어질 수 있다는 점이 당업자들에게는 이해될 것이다.
본 발명은 광 신호를 보내기 위해 광 섬유의 입력단/출력단을 물리적 및 광학적으로 결합하기 위한 결합 디바이스를 제공한다. 이러한 디바이스는 광 섬유를 광 수신기 및/또는 송신기에 물리적 및 광학적으로 결합하도록 구현될 수 있고, 이는 감소된 비용으로 제조가능성, 사용의 용이성 및 신뢰성을 개선하여, 종래 기술 구조의 다수의 단점들을 극복한다. 본 발명에 따르면, 결합 디바이스는 반사(입사광의 굴절 및 회절을 포함할 수도 있음)에 의해 광 섬유의 입력단/출력단에/입력단/출력단으로부터 광을 조향하는 광 소자로서 기능하는 구조화된 표면을 포함한다.
도 1은, 본 발명의 결합 디바이스가 구현되는, 광 섬유를 통해 정보를 송신하기 위한 데이터 링크의 구성을 개략적으로 도시한다. 편의상, 도 1에는 본 발명을 설명하기 위한 일부 기본 엘리먼트들만 포함된다.
도 1에서, 광 섬유(10)의 단말부(보호 버퍼 및 재킷층(11)이 없이 피복이 벗겨진 노출부인 입력단(17) 및 출력단(19))는 구조화된 반사면(12 및 14)을 향한다. 광원(예를 들어, VCSEL - Vertical Cavity Surface-Emmitting Laser 등의 레이저 등)을 구비하는 송신기(16)는 전기 신호를 광 신호로 전환한다. 송신기의 시준된 광 출력은 본 발명에 따른 결합 디바이스의 구조화된 반사면(12)에 조향되고, 이 반사면은 광 섬유(10)의 입력단(17)에 광을 집중시킨다. 광 신호는, 광섬유(10)를 통해 송신되고, 본 발명에 따른 다른 결합 디바이스의 구조화된 반사면(14)에 출력되고, 이 반사면은 수신기(18)의 광 검출기(예를 들어, PIN 포토 다이오드 등)에 출력 광을 집중시킨다. 수신기는 광 신호를 전기 신호로 전환한다. 송신기(16)로 입력되는 전기 신호를 적절히 변조하는 것에 의해서, 데이터는, 광 섬유(10)를 통한 광 신호를 통해 송신되어, 수신기(18)에서 입력 데이터에 대응하는 전기 신호로 복원된다.
도시된 실시예에서, 광 섬유는, NA(numerical aperture)가 0.2 +/- 0.015인, 50/125 집속형 광섬유(graded index optical fiber)일 수 있다. 구조화된 반사면(12 및 14)은, 리본 케이블에서 2개의 광 섬유 사이의 표준 피치를 일치시키기 위해 개구 폭이 250 ㎛를 초과하지 않는 오목 미러로서 구성된다. 오목 미러의 광 축은 광 섬유(10)의 축과 정렬된다. 광 섬유의 단부(17 및 19)(평평하거나 또는 각처리-연마처리된(angled-polished) 단부면)는 각각의 구조화된 반사면(12 및 14)로부터 약 0.245 ㎜의 유효 거리(광 축을 따라)에 있다. 송신기(16)의 광원 및 수신기(18)의 광 검출기는 각각의 구조화된 반사면(12 및 14)으로부터 약 0.1㎜의 유효 거리(광 축을 따라)에 있다. 광원은, 파장이 850㎚이고, 광 출력 파워가 6㎽이며, 빔 발산이 20도 내지 30도인 VCSEL일 수 있다. 광 검출기는 액티브 영역이 약 70㎛ 직경인 PIN 포토 다이오드일 수 있다.
도 2 및 3은 각각 광 섬유(10)의 입력과 출력에서의 광 출력을 더욱 개략적으로 도시한다.
도 4는 구조화된 반사면(12 및 14) 상에 조사의 풋프린트를 개략적으로 도시한다. 이들 반사면에 의해 정의되는 오목 미러는 동일한 형상을 가질 수 있지만, 2개의 미러 모두 사이즈는 출력/수신기단에서 미러 상에 보다 큰 스폿 사이즈에 의해 설정된다. 도시된 실시예에서, 미러는 170㎛일 수 있고, 입력/송신기(Tx) 단에서의 스폿 사이즈는 64㎛이며, 출력/수신기(Rx) 단에서의 스폿 사이즈는 108㎛이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 구조화된 반사면은 금속 재료를 정밀 스탬핑하여 형성될 수 있다. 도 5는 연마된 평면을 갖는 구형 펀치로 평탄 미러를 형성하는 것을 개략적으로 도시한다. 정밀 스탬핑 공정 및 장치는 미국 특허 제7,343,770호에 개시되어 있고, 이는 본 발명의 양수인에게 통상적으로 양수되었다. 이 특허는 본 명세서에 완전히 개시되는 것처럼 참조로 완전히 통합된다. 그곳에 개시되는 공정 및 스탬핑 장치는 본 발명의 결합 디바이스의 특징들(이하 개시되는 구조화된 반사면 및 광 섬유 유지 구조를 포함함)을 정밀하게 스탬핑하는데 채택될 수 있다. 스탬핑 공정 및 시스템은 허용오차가 적어도 1000㎚인 부분을 생산할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 양상에서, 결합 디바이스는 광 섬유 유지 구조를 포함하고, 이는 광 섬유(10)를 구조화된 반사면(13)에 대하여 안전하고 정확하게 정렬한다. 본 발명의 또 다른 양상에서, 구조화된 반사면 및 섬유 유지 구조는 개방 구조에 의해 정의되고, 이는 비용이 저렴하고 처리율이 높은 공정인 스탬핑(stamping) 등의 대량 생산 공정에 적합하다. 도 7a는 광 섬유(10)의 종축을 따라 취한 단면도이다. 도 7b는 광 섬유(10)의 종축을 따라 취한 사시 단면도이다. 도시된 실시예에서, 섬유 유지 구조는, 광 섬유(10)의 단부가 구조화된 반사면(13)에 대해 정의된 거리에서 그와 정렬되는 방식으로 광 섬유를 확실하게 수용하는 그루브(22)를 포함한다. 구조화된 반사면(13)의 위치 및 방향은 섬유 유지 구조에 대해 고정된다. 도시된 실시예에서, 섬유 유지 구조 및 구조화된 반사면은 결합 디바이스의 동일한(예를 들어, 모놀리식 등) 베이스(26) 상에 정의된다. 대안적인 실시예에서(도시되지 않음), 섬유 유지 구조 및 구조화된 반사면은, 함께 결합되어 결합 디바이스를 형성하는 별개의 구조들 상에 정의된다. 그루브(22)는 광 섬유(10)의 단부면(15)과의 사이의 공간을 정의하는 구획(24)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 이 구획(24)은 그루브(22)의 나머지 구획들과 폭은 유사하지만 바닥은 더 얕다. 구획(24)은 광 섬유(10)의 단부면(15)의 일부(단부)와 서로 맞대는 멈춤을 제공하는 쇼울더(shoulder)(27)를 정의한다. 따라서, 광 축을 따르는 거리(예를 들어, 245 ㎛ 등)가 단부면(15)과 구조화된 반사면(13) 사이에서 정의된다. 도시된 실시예에서, 광 섬유는 그루브(22)에 완전히 수용되고, 광 섬유의 외부면(22)이 베이스(26)의 상부면(29)과 수평을 이룬다. 광 섬유가 직경이 125㎛이고, VCSEL 광원(30)이 구조화된 반사면(13)으로부터 100㎛의 유효 거리에 있으면(예를 들어, 광 축을 따라 VCSEL(30)의 평면으로부터), 베이스(26)의 상부면(29)으로부터 VCSEL의 평평한 면의 거리는 약 37.5㎛일 것이다.
그루브(22)는, 예를 들어 기계적인 맞춤 또는 죔쇠 맞춤(또는 압입 맞춤)에 의해서, 섬유(10)를 클램핑하여 섬유(보호 버퍼 및 재킷층이 없이 피복이 벗겨진 노출부)를 안전하게 유지하도록 구조화된다. 죔쇠 맞춤은, 섬유가 제자리에 클램핑되고, 그 결과 섬유의 위치 및 방향이 그루브(22)의 위치 및 종축에 의해 설정되는 것을 보장한다. 도시된 실시예에서, 그루브(22)는 노출된 광 섬유(10)(즉, 버퍼 및 보호층이 없이, 피복이 벗겨짐)를 파묻듯이 수용하는 U-자형 단면을 갖는다. 그루브(22)의 측벽들은 실질적으로 평행하며, 그루브의 개구는 측벽들 사이의 평행 간격보다 다소 좁아서(즉, 단면이 다소 C-자형임), 섬유(10)를 위한 추가적인 기계적 또는 죔쇠 맞춤을 제공하게 된다. 개방된 그루브 구조의 보다 상세한 것은, 2012년 4월 5일 출원된 동시 계류중인 미국 특허출원 13/440,970호에서 발견될 수 있고, 이는 본 명세서에 참조로 모두 통합된다. 그루브(22)를 갖는 베이스(26)는 사실상, 광 섬유(10)를, 정밀한 위치에, 구조화된 반사면과 정렬하여, 지지하는 1조각 개방된 페룰(open ferrule)이다. 구조화된 반사면(13)의 위치는 그루브(22) 및 쇼울더(27)에 대해 고정되고, 따라서 광 섬유(10)의 단부면에 대하여 고정된다. 구조화된 반사면(13)은, 이동 부분 상에 지지되지 않고, 이동 부분을 포함하지 않는다.
일 실시예에서, 결합 디바이스의 베이스(26)는 금속 재료로 형성된다. 일 실시예에서, 금속 재료는, 강성이 높은 것(예를 들어, 스테인레스 스틸 등), 화학적 안정성이 높은 것(예를 들어, 티타늄 등), 고온 안정성이 높은 것(니켈 합금), 열 팽창이 낮은 것(예를 들어, 인바(Invar) 등) 또는 다른 재료에 열 팽창을 일치시키는 것(예를 들어, 유리와 일치하는 코바(Kovar) 등)으로 선택될 수 있다. 반사율을 위해서, 베이스(26)는 보다 높은 광 반사율을 제공하는 알루미늄 또는 구리 등의 재료로 형성될 수 있다. 금, 은, 니켈, 알루미늄 등의 재료를 본체(26)에 도금하여 반사율이 달성될 수도 있다. 대안적으로, 이러한 재료는 단단한 플라스틱 또는 단단한 중합체 재료일 수 있다. 구조화된 반사면 및 섬유 유지 구조를 갖는 결합 디바이스의 상술된 개방 구조는 비용이 저렴하고 처리율이 높은 공정인 스탬핑 등의 대량 생산 공정에 적합하다. 정밀 스탬핑 공정 및 장치는 미국 특허 제7,343,770호에 개시되어 있고, 이는 본 발명의 양수인에게 통상적으로 양수되었다. 이 특허는 본 명세서에 완전히 개시되는 것처럼 참조로 완전히 통합된다. 그곳에 개시되는 공정 및 스탬핑 장치는 본 발명의 페룰들을 정밀하게 스탬핑하는데 채택될 수 있다.
도 6은 베이스(26)에 그루브(22) 및 구조화된 반사면(13)을 스탬핑하도록 구성되는 펀치(200)를 도시한다. 펀치(200)는 구조화된 반사면 및 그루브와 본질적으로 반대인 볼록 표면 윤곽을 갖는다. 펀치(200)의 표면 윤곽은 스탬프될 특징들에 따른다.
도 8a는 광 결합 디바이스(39)에 부착되는 송신기/수신기(38)를 포함하는 통합형 송신기/수신기 모듈(40)의 실시예를 도시하며, 결합 디바이스의 구조화된 반사면은 송신기/수신기의 광원/검출기에 정렬된다. 도 8b는 송신기/수신기(38)의 실시예를 도시한다. 송신기/수신기(38)는 광원/검출기(52)(예를 들어, VCSEL/포토다이오드 등) 및 관련 제어 회로(예를 들어, IC 칩 등)가 장착되는 회로 보드(51)를 지지하는 베이스(150)를 포함한다. 송신기/수신기(38)의 외주에 접합면(53)이 정의된다.
도 8c는 결합 디바이스(39)의 내부 개방 구조를 도시하며, 이는 위에 논의된 결합 디바이스의 개방 구조와 매우 유사하다. 본질적으로, 결합 디바이스(39)는, 위에 논의된 도 6 및 7의 실시예에서 베이스(26)에 정의되는 그루브(22) 및 구조화된 반사면(13)과 유사하게 그루브(42) 및 구조화된 반사면(43)이 내부에 정의되는 베이스(46)를 구비한다. 본 실시예에서, 그루브(22)의 구획(44)이 더 넓지만, 그럼에도 불구하고, 섬유(10)의 단부면을 정밀하게 위치시키도록 쇼울더(47)를 정의하는 깊이를 갖는다. 보호층(11)을 갖는 섬유의 보다 두꺼운 부분을 수용하기 위해 보다 넓은 그루브(34)가 베이스(46)에 제공된다. 그루브(34)에서 보호층(11)을 고정하기 위해 에폭시가 사용될 수 있다.
본 실시예에서, 베이스(46)는, 구조화된 반사면(43) 및 그루브가 위치되는 캐비티(36)를 정의하는 상승된 측벽(37)을 갖는다. 캐비티(36)는 회로 보드(51)에 장착되는 IC 칩의 높이를 수용하기 위한 공간을 제공한다. 측벽(37)의 높이는, 송신기/수신기(38)의 광원/검출기와 결합 디바이스(39)의 구조화된 반사면(43) 사이의 거리를 정의한다. 도 7a를 또한 참조하여, 광 섬유가 직경이 125㎛이고, VCSEL의 평평한 출력면이 구조화된 반사면(43)으로부터 종축을 따라 100㎛에 있으면, 측벽(37)의 높이는 캐비티(36)의 표면(도 7a의 베이스(26)의 상부면(29)에 대응함)으로부터 VCSEL의 평평한 출력면의 거리를 약 37.5㎛로 정의한다.
이해할 수 있듯이, 모듈(40)에서, 고정형 구조화된 반사면 및 섬유 유지 구조가 동일 결합 디바이스에서 정밀하게 정의되면, 송신기의 광원 또는 수신기의 광 검출기를 결합 디바이스의 구조화된 반사면에 정렬하는 것에 의해서, 광원/검출기는 광 섬유의 입력단/출력단에 정밀하게 정렬될 것이다.
다른 관점에서, 송신기/수신기와 결합 디바이스의 상술된 조합은, 구조화된 반사면, 및 구조화된 반사면에 광 섬유를 정렬하는 통합 결합 구조를 포함하는 통합형 송신기/수신기 모듈로 인식될 수 있다.
결합 디바이스(39)는 앞서 논의된 바와 같이 가단성 금속 재료로부터 스탬프될 수 있다. 측벽(37)의 상부면(33)은 송신기/수신기(38)에 부착하기 위한 접합 영역을 제공한다. 송신기/수신기(38)는 접착제, 에폭시, 땜납 또는 용접에 의해 결합 디바이스(39)에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 송신기/수신기(38)는, 예를 들어, 레이저 용접, 납땜 또는 블레이징(blazing) 등에 의해, 결합 디바이스(39)에 기밀 밀봉될 수 있다. 송신기/수신기(38) 및 결합 디바이스는 조립 전에 별도로 제조되어 테스트될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에서, 광 섬유는 액티브 광 케이블(AOC)로서 구성되는데, 이는 광 섬유의 한 쪽 단말에 전기-광 전환을 위한 송신기를 구비하고, 광 섬유의 다른 쪽 단말에 광-전 전환을 위한 수신기를 구비하는 것으로 당업계에 공지된 케이블이다. 도 9는 본 발명에 따라 송신기/수신기 모듈(50)을 채택하는 AOC(48)의 일 실시예를 도시한다. (도 9에는 AOC의 한 쪽 단부만이 도시되고; 나머지 단부는 구조가 유사하며, 한 쪽 단부는 레이저 또는 광원을 구비하는 송신기 모듈이고, 다른 쪽 단부는 광 검출기를 구비하는 수신기 모듈이다.) 모듈(50)의 구조는, 송신기/수신기(39)의 외측에 전기 접촉 패드(49)가 제공된다는 점을 제외하고는, 도 8의 앞선 실시예에서의 모듈(40)의 구조와 유사하다. 전기 접촉 패드(49)는 모듈(50) 내부의 제어 회로(54)에 대한 외부 전기 액세스를 제공한다.
도 1의 개략도 또한 참조하면, AOC(48)는 본질적으로 도 1에 도시된 구성요소들을 포함한다. AOC(48)는, 광 섬유(노출된 섬유(10) 및 보호층), 송신기(16)와 구조화된 반사면 및 섬유(10)의 단부(17)를 지지하는 상술된 섬유 유지 구조를 구비하는 결합 디바이스의 조합에 대응하는 송신기 모듈(50), 수신기(18)와 구조화된 반사면(14) 및 섬유(10)의 단부(19)를 지지하는 상술된 섬유 유지 구조를 구비하는 결합 디바이스의 조합에 대응하는 수신기 모듈(50)을 포함한다.
도 10 및 11은 조립 공정의 일 실시예를 도시하는 것으로, 송신기/수신기 및 결합 디바이스에 제공되는 상보형 정렬 마크를 중첩하여 송신기/수신기를 결합 디바이스에 정밀하게 정렬하는 것을 포함한다. 도 10a는, 결합 디바이스의 상승된 측벽을 생략한 것을 제외하고는, 도 8c와 유사한 결합 디바이스(46')의 다른 실시예이다. 광학 결합(39')의 베이스(46')의 상부면에 정렬 마크가 제공된다. 베이스(46')는 그루브에 유지된 광 섬유(10)를 구조화된 반사면(43')에 대하여 정밀하게 정렬한다. 정렬 마크는 구조화된 반사면(43') 주변에 L자-구성으로 배치된 3개의 도트(64)(이는 그루브 및 구조화된 반사면을 형성하는 스탬핑 공정에 의해 생성되는 딤플(dimple)들일 수 있음)를 포함하고; 이에 의해 2개의 축/방향에서 공간 정렬을 제공한다. 정렬 도트(64)는 송신기/수신기의 광원/검출기의 특정 특징들에 대응하도록 이격된다. 예를 들어, 도 11b는 VCSEL(70)의 사각 상부면(72)의 상면도를 나타낸다. VCSEL(70)은 사각 상부면(72)의 한 쪽 구석에 보다 가깝게 오프셋된 출력 영역(71)을 가진다. 따라서, 구조화된 반사면(43')의 양측에 인접하는 상부면(66)에 3개의 도트(64)를 배치함으로써, 또한 이들 도트(64)가 VCSEL(70)의 사각 상부면(72)의 구석에 대응하여 이격되므로, VCSEL(70)의 사각 상부면(72)의 구석에 도트(64)를 정렬하여, 출력 영역(71)이 구조화된 반사면(43')에 정렬될 수 있다. 이와 유사하게, 상술된 바와 유사한 방식으로 결합 디바이스의 상부면에 유사한 정렬 마크를 제공함으로써, 수신기의 포토 다이오드를 결합 디바이스에 정의되는 구조화된 반사면에 정렬한다. 도 8c를 다시 참조하면, 구조화된 반사면(43) 주변의 캐비티의 저부에 유사한 정렬 마크(도트(64))가 제공된다.
도 10b는 송신기(38')의 다른 실시예를 도시한다. 베이스(150')는 광 섬유(10)의 보호층(11)의 여분 두께를 수용하는 그루브 릴리프(79)를 갖는 상승된 측벽을 구비한다. VCSEL(70)은 회로 보드(51')에 장착된다.
도 11a는 상술된 정렬 마크를 채택하는 정렬 시스템을 포함하는 조립 스탠트(80)를 개략적으로 도시한다. 조립 스탠드(80)는 정렬 스테이지(82)를 지지하는 베이스(81)를 포함한다(예를 들어, X-Y 수평면 및 면 외의 직교 Z-축에서의 X-Y 이동, 및 Z-축에 대한 회전 등). 조립 스탠트(80)는, 또한, 픽-앤-플레이스(pick-and-place) 헤드를 갖는 회전 암(83)을 포함하며, 이는 정렬 스테이지(82) 위 쪽으로 암을 흔들기 위해 베어링(84)에 대하여 회전하도록 지지된다. 결합 디바이스(39')(또는 도 8 및 9의 결합 디바이스(39))는 수평면의 정렬 도트(64)에 의해 정렬 스테이지(82)에 지지된다. 송신기/수신기(38')(또는 도 8 및 9의 송신기/수신기(38))는 회전 암(83)의 픽-앤-플레이스 헤드에 의해 지지된다. 도 11a에 도시된 바와 같이 수직 위치에 있는 회전 암(83)에 의해, VCSEL(70)의 사각 상부면(72)이 수직면에 있다. VCSEL(70)의 사각 상부면(72)의 평면에 직교하는 축은 정렬 도트(64)의 평면에 직교하는 축에 직교한다. 카메라(86) 및 빔 스플리터(85)의 사용은 VCSEL(70)의 사각 상부면 및 정렬 도트(64) 양자 모두의 동시 촬영을 허용한다. 정렬 스테이지(82)를 구동함으로써, 정렬 도트(64)의 이미지가 도 11b에 도시된 바와 같은 사각 상부면(72)의 이미지와 정렬될 수 있다. 그리고, 회전 암(83)이 흔들려서 도 11c에 도시된 바와 같이 결합 디바이스(39')의 위에 송신기(38')를 배치한다. 송신기(38') 및 결합 디바이스(39')는, 예를 들어, 레이저 용접, 레이저 보조 납땜, 또는 적외선 납땜 등에 의해 결합된다.
본 발명에 따른 결합 디바이스는 종래 기술의 다수의 결점들을 극복하며, 이는 낮은 환경 민감도와 함께 사용의 편의성 및 고 신뢰성을 제공하며, 저비용으로 제조될 수 있다. 본 발명의 결합 디바이스는, 단일 또는 다수 광섬유, 광 입력, 광 출력 또는 양자 모두(쌍방향 데이터 통신용)를 지원하도록 구성될 수 있다.
위 실시예들은 단일 광 섬유에 대한 결합 디바이스를 참조하여 설명되었지만, 결합 디바이스에 병렬 그루브들을 제공하여 상술된 결합 디바이스 구조들을 다수 광 섬유에 대해 개조하는 것도 본 발명의 범위 및 사상 내의 것이다.
상술된 모든 실시예들에 대해, 다른 관점에서, 송신기/수신기 및 결합 디바이스의 조합은, 하나 이상의 광원/검출기를 포함하는 통합형 송신기/수신기, 하나 이상의 구조화된 반사면을 포함하고 하나 이상의 광 섬유들을 구조화된 반사면에 정렬하는 통합 결합 구조일 수도 있다.
상술된 모든 실시예에서, 구조화된 반사면은 평평하게, 오목하게 또는 볼록하게, 또는 이러한 것의 조합인 복합형 반사 표면으로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 구조화된 반사면은 매끈한 (연마된) 경면을 갖는다. 아니면, 반사성인 질감이 있는 표면일 수 있다. 구조화된 반사면은, 균일한 표면 특성, 또는 평탄도 및/또는 질감도가 표면에 걸쳐 변화하거나 매끈한 표면과 질감이 있는 표면의 다양한 영역들의 조합이 구조화된 반사면을 구성하는 등의 변화하는 표면 특성을 가질 수 있다. 구조화된 반사면은, 미러, 초점 렌즈, 발산 렌즈, 회절 격자 또는 이들의 조합 등 등가의 광 소자 중 적어도 하나에 대응하는 표면 윤곽 및/또는 광 특성을 가질 수 있다. 구조화된 반사면은 상이한 등가 광 소자에 대응하는 하나 이상의 영역을 정의하는 혼합물 형상을 가질 수 있다(예를 들어, 발산하는 환형 영역에 의해 중심의 초점 영역이 둘러싸이는 등). 일 실시예에서, 구조화된 반사면은 표면을 통해 광을 송신하지 않는 불투명한 재료 상에 정의된다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 특정하게 도시되고 설명되었지만, 당업자들에게는 본 발명의 사상, 범위 및 교시를 벗어나지 않고도 형태 및 상세에 있어 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 점이 이해될 것이다. 따라서, 개시된 발명은 단지 예시적인 것으로서 고려되어야 하고, 첨부 특허청구범위에서 특정되는 범위에서만 한정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 광 신호를 보내는 결합 디바이스로서,
    가단성(malleable) 금속 재료를 스탬핑(stamping)함으로써, 구조화된 반사면 및 광 섬유 유지 구조가 일체로 정의되어 있는, 상기 가단성 금속 재료로 구성된 베이스를 포함하고,
    광 섬유의 단부면이 상기 광 섬유의 축을 따라 상기 구조화된 반사면으로부터 미리 정해진 거리에 배치되고, 상기 광 섬유 유지 구조는 광 경로를 따라 상기 구조화된 반사면에 대하여 상기 광 섬유를 정확하게 정렬하여, 상기 광 섬유로부터의 출력 광이 상기 구조화된 반사면에 의해 상기 결합 디바이스 외부로 반사되거나 또는 상기 결합 디바이스 외부로부터 상기 구조화된 반사면에 입사하는 입력 광이 상기 광 섬유 쪽으로 반사될 수 있고,
    상기 광 섬유 유지 구조는 상기 베이스에 제공되는 그루브(groove)를 포함하고, 상기 그루브는 상기 구조화된 반사면에 대하여 정렬되어 있고,
    상기 구조화된 반사면은 곡면 프로파일 및 경면 마감된 표면을 포함하는 결합 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 광 섬유의 단부면의 일부와 서로 맞대어 상기 광섬유의 단부면과 상기 구조화된 반사면 사이에 상기 미리 정해진 거리를 정의할 수 있는 멈춤(stop)을 정의하는 쇼울더(shoulder)를 포함하는 결합 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그루브는 개방 그루브인 결합 디바이스.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 곡면 프로파일은 오목한 결합 디바이스.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합 디바이스는 광 수신기 또는 광 송신기에 상기 광 섬유를 물리적 및 광학적으로 결합하는 결합 디바이스.
  7. 송신기/수신기 모듈로서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 결합 디바이스,
    상기 구조화된 반사면에 대하여 지지되는 광원 및 광 검출기 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 광원은 상기 구조화된 반사면에 의해 반사될 상기 입력 광을 생성하고, 상기 광 검출기는 상기 구조화된 반사면에 의해 반사된 상기 출력 광을 수신하는 송신기/수신기 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광원은 송신기의 일부이고, 상기 광 검출기는 수신기의 일부인 송신기/수신기 모듈.
  9. 액티브 광 케이블로서,
    적어도 하나의 광 섬유를 구비하는 광 섬유 케이블;
    상기 광 섬유의 제1 단부에 물리적 및 광학적으로 결합된, 제7항에 기재된 송신기 모듈; 및
    상기 광 섬유의 제2 단부에 물리적 및 광학적으로 결합된, 제7항에 기재된 수신기 모듈을 포함하는 액티브 광 케이블.
  10. 광 신호를 보내는 결합 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    가단성 금속 재료로 구성되고, 구조화된 반사면 및 광 섬유 유지 구조를 갖는 베이스를, 상기 가단성 금속 재료를 스탬핑하여 상기 베이스 상에 상기 구조화된 반사면 및 상기 광 섬유 유지 구조를 일체로 정의함으로써 형성하는 단계를 포함하고,
    광 섬유의 단부면이 상기 광 섬유의 축을 따라 상기 구조화된 반사면으로부터 미리 정해진 거리에 배치되고, 상기 광 섬유 유지 구조는 상기 구조화된 반사면에 대하여 상기 광 섬유를 정확하게 정렬하여, 상기 광 섬유로부터의 출력 광이 상기 구조화된 반사면에 의해 상기 결합 디바이스 외부로 반사되거나 또는 상기 결합 디바이스 외부로부터 상기 구조화된 반사면에 입사하는 입력 광이 상기 광 섬유 쪽으로 반사될 수 있고, 상기 광 섬유 유지 구조는 상기 베이스에 제공되는 그루브를 포함하는 구조로서 형성되고, 상기 그루브는 상기 구조화된 반사면에 대하여 정렬되고,
    상기 구조화된 반사면은 곡면 프로파일 및 경면 마감된 표면을 포함하도록 형성되는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 광 섬유의 단부면의 일부와 서로 맞대어 상기 광섬유의 단부면과 상기 구조화된 반사면 사이에 상기 미리 정해진 거리를 정의할 수 있는 멈춤을 정의하는 쇼울더를 포함하는 그루브로서 형성되는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 그루브는 개방 그루브로서 형성되는 방법.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 곡면 프로파일은 오목한 방법.
  15. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합 디바이스는 광 수신기 또는 광 송신기에 상기 광 섬유를 물리적 및 광학적으로 결합하는 방법.
  16. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가단성 금속 재료를 스탬핑하는 것은 적어도 1000nm의 허용오차로 상기 베이스 상에 상기 구조화된 반사면 및 상기 광 섬유 유지 구조를 일체로 정의하는 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
KR1020147027760A 2012-03-05 2013-03-05 광 섬유의 입력/출력 결합을 위해 구조화된 반사면을 구비하는 결합 디바이스 KR102116151B1 (ko)

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