KR100322134B1 - 광원과 광섬유의 정렬 장치 및 이를 구비하는 광원 모듈 - Google Patents

광원과 광섬유의 정렬 장치 및 이를 구비하는 광원 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광원과 광섬유의 정렬 장치 및 이를 구비한 광원 모듈에 관한 것으로, 광원과 광섬유를 정렬하는 장치는 기판에 장착되는 광원, 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 광섬유, 광섬유를 지지하는 홀더, 기판에 장착되고 광섬유가 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가 조절된 홀더와 결합하여 홀더를 고정하는 고정부를 구비하는 광원과 광섬유의 정렬 장치에 있어서, 고정부는 홀더가 삽입될 만큼의 거리로 서로 이격되어 기판에 고정되는 베이스부; 일체형 구조를 가지며, 양단이 베이스부와 일체로 연결되고, 삽입된 홀더를 지지하는 지지부; 지지부 양측의 소정 위치에서 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및 돌출부의 종단에 위치하고 돌출부와 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로한다.
본 발명에 의하면, 광섬유를 지지하는 홀더와 홀더를 고정하는 고정부를 용접할 때 발생하는 열변형을 줄이도록 고정부의 구조를 변형함으로써 허용 정렬 오차 범위이내에서 광섬유와 광원을 정렬할 수 있다.

Description

광원과 광섬유의 정렬 장치 및 이를 구비하는 광원 모듈{Apparatus for aligning optical source with optical fiber and optical source module comprising it}
본 발명은 광섬유와 광원을 정렬하는 장치 및 이를 구비하는 광원 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 광원과 광섬유가 정렬되어있는 광원 모듈은 광을 송수신하는 모든 광 부품에 적용할 수 있으며, 특히 높은 광결합을 요구하는 펌프 레이저 다이오드(Laser Diode, 이하 LD라 약함) 모듈, 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier) 모듈, 2.5Gbit 송수신 모듈, 155Mbit 송수신 모듈에서 사용될 수 있다.
도 1a는 종래의 광원과 광섬유를 정렬하는 장치를 도시한 것이다. 도 1a에 따른 정렬 장치는 기판(100)에 장착된 LD(102), 기판(100)에 LD(102)와 정렬되어 장착된 포토 다이오드(104), LD(102)에 정렬되는 광섬유(106), 광섬유(106)가 삽입되는 광 페룰(ferrule, 108) 그리고 광 페룰(108)을 고정하는 새들(saddle, 110)을 구비한다. 참조번호 112는 용접점들이고, 104는 포토 다이오드(Photo Diode)이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 장치를 AA' 위치에서 절단한 단면도이다.
LD와 광섬유간의 정렬은 다음과 같이 이루어진다. 먼저, LD(102)를 기판(100)에 장착하고, 광섬유(106)와 광 페룰(108)을 납땜으로 고정한다. 또한 새들(110)도 기판(100)에 고정된다. 정렬을 위해서, 외부 드라이버(미도시)가 LD(102)에 전류를 가하면 광이 출사된다. 광섬유(106)가 출사된 광을 최대로 수광하도록 광 페룰(108)의 위치가 조절된다. 최대 수광 위치가 결정되면, 그 위치에서 새들(110)과 광 페룰(108)을 용접한다. 이 때, 용접에 의한 변형은 정렬 오차 범위내에 있어야한다.
이를 광섬유증폭기 등에 적용할 때, LD(102)에서 출사되는 광을 모니터링하기위해 PD(104)를 장착하여 LD(102)에서 발생하는 광의 세기를 측정하고 이를 피드백으로 드라이버에 보내어 LD(102)의 출력을 제어한다.
상술한 광섬유(106)가 LD(102)로부터 높은 광결합 효율을 얻도록하기 위해서 광섬유(106) 종단에 LD의 원장패턴(Far Field Pattern)과 같은 형태의 렌즈 형상을 가공하여 6축 정렬하기도한다. 이 경우, 정렬 오차 범위가 가장 작은 축의 오차 범위를 0.2μm이내로 유지하여야하는 어려움이 있다.
그러나, 이러한 정렬 장치는 용접에 따른 열 팽창 및 수축에 의한 문제점이 있다. 좀 더 자세히 설명하자면, 새들의 바닥면의 용접은 변형에 영향을 미치지않지만 새들 중간 부위에 페룰과 용접되는 부분은 용접 변형에 많은 영향을 주게된다.
도 2a는 광 페룰과 새들을 확대하여 도시한 것이다. 206은 광섬유, 208은 광 페룰, 210은 새들 그리고 212는 용접점이다. 도시된 바에 따르면, 상하방향의 축 (y축)이 정렬 오차 범위가 가장 작으며 약 0.2μm이내이다. 정렬 후, 용접점(212)에 용접을 하게되면, 용접 시 발생되는 열이 새들의 수직 아래방향(220)으로 변형을 일으킨다. 이 양은 y축으로 약 10~20μm의 열변형을 가져오게되므로, 광결합 효율에 치명적인 영향을 주게된다. 도 2b에 도시된 바와 같은 구조의 새들(230)인 경우에도 y축 방향의 열변형(231)이 5~10μm 정도 발생하게 되어 역시 정렬 오차 범위를 초과한다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 용접시 y축의 열변형을 감소시키기위해서 새들에 광섬유의 길이방향으로 돌출부를 구비하고, 상기 돌출부를 페룰과 용접하여 y축으로의 열전달을 차단하는 광원과 광섬유의 정렬 장치 및 이를 구비한 광원 모듈을 제공하는데 있다.
도 1a는 종래의 광원과 광섬유를 정렬하는 장치를 도시한 것이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 장치를 AA' 위치에서 절단한 단면도이다.
도 2a는 도 1a의 광 페룰과 새들을 확대하여 도시한 것이다.
도 2b는 도 2a의 다른 예를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명에 따른 광원과 광섬유의 정렬장치에 대한 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 정렬장치에 대한 측면도이다.
도 3c는 도 3b에 도시된 장치를 BB'위치에서 절단한 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 대한 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 대한 측면도이다.
도 4c는 도 4b에 도시된 장치를 CC'위치에서 절단한 단면도이다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 기판에 장착되는 광원, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 광섬유, 상기 광섬유를 지지하는 홀더, 상기 기판에 장착되고 상기 광섬유가 상기 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가 조절된 홀더와 결합하여 상기 홀더를 고정하는 고정부를 구비하는 광원과 광섬유의 정렬 장치에 있어서, 상기 고정부는 상기 홀더가 삽입될 만큼의 거리로 서로 이격되어 상기 기판에 고정되는 베이스부; 일체형 구조를 가지며, 양단이 상기 베이스부와 일체로 연결되고, 삽입된 홀더를 지지하는 지지부; 상기 지지부 양측의 소정 위치에서 상기 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및 상기 돌출부의 종단에 위치하고 상기 돌출부와 상기 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 기판에 장착되는 광원, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 광섬유, 상기 광섬유를 지지하는 홀더, 상기 기판에 장착되고 상기 광섬유가 상기 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가 조절된 홀더와 결합하여 상기 홀더를 고정하는 고정부를 구비하는 광원과 광섬유의 정렬 장치에 있어서, 상기 고정부는 일체형 구조이고, 상기 기판에 고정되는 베이스부; 양단이 상기 베이스부와 일체로 연결되고, 상기 홀더가 삽입될 만큼의 거리로 서로 이격되어 위치하는 지지부; 상기 지지부 양측의 소정 위치에서상기 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및 상기 돌출부의 종단에 위치하고 상기 돌출부와 상기 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 상자, 상기 상자 내부에 장착되는 광원과 광섬유의 정렬 장치, 상기 상자 내부의 온도를 감지하는 온도 센서 및 상기 감지된 온도에 따라 상기 상자 내부 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하는 광원 모듈에 있어서, 상기 정렬 장치는 기판에 장착되는 광원, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 광섬유, 상기 광섬유를 지지하는 홀더, 상기 기판에 장착되고 상기 광섬유가 상기 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가 조절된 홀더와 결합하여 상기 홀더를 고정하는 고정부를 구비하고, 상기 고정부는 상기 홀더가 삽입될 만큼의 거리로 서로 이격되어 상기 기판에 고정되는 베이스부; 일체형 구조를 가지며, 양단이 상기 베이스부와 일체로 연결되고, 삽입된 홀더를 지지하는 지지부; 상기 지지부 양측의 소정 위치에서 상기 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및 상기 돌출부의 종단에 위치하고 상기 돌출부와 상기 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 상자, 상기 상자 내부에 장착되는 광원과 광섬유의 정렬 장치, 상기 상자 내부의 온도를 감지하는 온도 센서 및 상기 감지된 온도에 따라 상기 상자 내부 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하는 광원 모듈에 있어서, 상기 정렬 장치는 기판에 장착되는 광원, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 광섬유, 상기 광섬유를 지지하는 홀더, 상기 기판에 장착되고 상기 광섬유가 상기 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가조절된 홀더와 결합하여 상기 홀더를 고정하는 고정부를 구비하고, 상기 고정부는 일체형 구조이고, 상기 기판에 고정되는 베이스부; 양단이 상기 베이스부와 일체로 연결되고, 상기 홀더가 삽입될 만큼의 거리로 서로 이격되어 위치하는 지지부; 상기 지지부 양측의 소정 위치에서 상기 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및 상기 돌출부의 종단에 위치하고 상기 돌출부와 상기 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 3a는 본 발명에 따른 광원과 광섬유의 정렬장치에 대한 사시도이다. 도 3a에 따른 정렬장치는 기판(미도시)에 장착된 광원(미도시), 광섬유(306)를 지지하는 홀더(308) 및 홀더(308)를 고정하는 고정부(310)를 포함한다. 참조번호 320은 집게이다.
홀더(308)는 광 페룰이 적절하다.
고정부(310)는 기판에 고정되는 베이스부(311), 홀더(308)를 지지하는 지지부(312), 돌출부(313) 및 홀더(308)와 결합되는 제1 및 제2결합부(314, 315)를 구비하며, 그 모양과 크기는 열변형 해석, 가공 편리성 또는 기구적 강도 등에 따라 결정된다. 베이스부(311)는 홀더(308)가 삽입될만큼 서로 이격되어있다. 지지부(312)는 일체형의 구조를 가지며, 그 양단은 서로 이격된 베이스부(311)와 일체로 연결된다.
도 3b는 도 3a의 정렬장치에 대한 측면도이고, 도 3c는 도 3b에 도시된 장치를 BB'위치에서 절단한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 장치에서 광원과 광섬유의 정렬방법을 설명하기로 한다. 광원으로서 LD(미도시)는 기판에 납땜으로 고정된다. 광섬유(306)와 홀더(308)도 납땜으로 고정된다. 광섬유(306)는 광결합 효율을 높이기위해 종단이 렌즈 형태로 가공될 수 있다. 광섬유(306)가 LD에서 출사되는 광을 최대로 수광하도록 집게(320)로 홀더(308)의 한 쪽 끝을 잡아서 정렬한 후 베이스부(311)를 기판에 고정한다. 고정 방법은 레이저 용접 또는 브레이징이 적절하다. 베이스부(311)의 고정시 발생하는 흔들림을 보상하기위해 다시 집게(320)로 홀더(308)의 위치를 조절한 다음, 홀더(308)와 제1결합부(314)를 결합한다. 결합 방법은 레이저 용접 또는 브레이징이 적절하다. 홀더(308)와 결합부(314)를 결합할 때, 레이저 용접에 의한 열변형은 z축으로 일어나게되므로 y축 방향으로의 열전달은 차단된다. 홀더(308)와 제1결합부(314)를 결합한 다음, 집게(320)로 다시 홀더(308)를 미세조정하여 재정렬한다. 재정렬된 상태에서 홀더(308)와 제2결합부(315)를 결합한다. 제1결합부(314)에서 광섬유(306)의 입력단까지의 거리를 a라 하고, 제1결합부(314)에서 제2결합부(315)까지의 거리를 b라 하면, 축소원리(a/b)에 따라 제2결합부(315)의 용접 후 광섬유의 변형을 정렬오차 범위 이내로 줄일 수 있다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 대한 사시도이다. 도 4b는 도 4a에 대한 측면도이며, 도 4c는 도 4b에 도시된 장치를 CC'위치에서 절단한 단면도이다.
도 4a에 따른 정렬 장치는 기판(미도시)에 장착된 광원(미도시), 광섬유(406)를 지지하는 홀더(408) 및 홀더(408)를 고정하는 고정부(410)를 포함한다.
홀더(408)는 광 페룰이 적절하다.
고정부(410)는 기판에 고정되는 베이스부(411), 홀더(408)를 지지하는 지지부(412), 돌출부(413) 및 홀더(408)와 결합되는 제1 및 제2결합부(414, 415)를 구비하며, 그 모양과 크기는 열변형 해석, 가공 편리성 또는 기구적 강도 등에 따라 결정된다. 베이스부(411)는 일체형의 구조를 갖는다. 지지부(412)는 양단이 베이스부(411)와 일체로 연결되며, 홀더(408)가 삽입될만큼 이격되어있다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 정렬장치에서 광원과 광섬유(406)간의 정렬방법은 도 3a 내지 도 3c에 도시된 정렬장치의 정렬방법과 동일하다.
도 5a는 상술한 광원과 광섬유 정렬장치를 구비한 광원 모듈에 대한 평면도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 장치에 대한 측면도이다.
도 5a 및 도 5b에 따른 광원 모듈은 기판(500), LD(502), LD(502)에서 출사된 광의 세기를 검출하도록 광신호를 전기신호로 변환하는 PD(504), LD(502)와 정렬되는 광섬유(506), 광섬유(506)를 고정하는 홀더(508), 홀더(508)를 고정하는 고정부(510), 기판(500)의 하부에 모듈 내부의 온도를 일정하게 유지하는 온도 조절부로서 열전 냉각기(Thermoelectric cooler, 515), 온도 센서로서 서미스터(Thermister, 520), 상자(524), 상자(524)에 덮여지는 덮개(526) 그리고 상자(524)를 통과하는 광섬유(506)를 보호하는 윈도우 페룰(Window Ferrule, 522)을 포함한다. 질소(N2)를 포함하는 가스로 상자(524)의 내부를 충진할 수 있다.
이 때, 2.5Gbit 송수신 모듈 또는 155Mbit 송수신 모듈의 경우는 정렬 오차 범위를 크게하기 위하여 LD(502)와 광섬유(506) 사이에 볼 렌즈(Ball Lens)를 더구비할 수 있다. 또한 반도체 광 증폭기 모듈의 경우는 직접 결합(direct coupling)을 위해 PD(504) 대신에 광섬유를 더 구비할 수 있다.
LD(502)와 광섬유(506)의 정렬 방법은 상술한 도 3a 내지 도 4c에서 설명된 바와 동일하다. 각 구성요소간 용접시 발생하는 온도 변화에 따른 변형을 최소로 하고, LD(502)의 성능을 안정하게 유지하기 위해 서미스터(520)는 모듈 내부의 온도를 감지한다. 서미스터(520)는 감지한 온도를 열전 냉각기(515)로 출력하고, 열전 냉각기(515)는 감지된 온도에 따라 모듈 내부의 온도를 조절한다. 온도에 의한 변형을 더 작게하기 위해서는 각 구성요소는 선팽창계수가 작은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 용접을 고려하여 용접에 의해 고정되는 기판, 고정부 또는 페룰은 동일한 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 니켈(Ni), 코바(KOVAR), 철-니켈(Fe-Ni) 합금, 또는 SUS304L 등의 재료가 적절하다.
본 발명에 의하면, 광섬유를 지지하는 홀더와 홀더를 고정하는 고정부를 용접할 때 발생하는 열변형을 줄이도록 고정부의 구조를 변형함으로써 허용 정렬 오차 범위이내에서 광섬유와 광원을 정렬할 수 있고, 따라서 광결합 효율을 높일 수 있다. 광결합 효율이 높아짐에 따라 동일 성능의 광원에서 보다 높은 출력의 광원 모듈을 만들 수 있으므로 가격을 절감할 수 있다. 또한 온도 변화에 대하여 y축 방향으로의 선팽창을 차단함으로써 온도 신뢰성에서 약 80% 이상의 성능 향상을 얻을 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판에 장착되는 광원;
    상기 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 광섬유;
    상기 광섬유가 상기 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가 조절되어 상기 광섬유를 지지하는 홀더;
    상기 기판에 장착되고 상기 홀더를 고정하는 고정부를 포함하고,
    상기 고정부는
    상기 홀더가 삽입될 만큼의 거리로 서로 이격되어 상기 기판에 고정되는 베이스부;
    일체형 구조를 가지며, 양단이 상기 베이스부와 일체로 연결되고, 삽입된 홀더를 지지하는 지지부;
    상기 지지부 양측의 소정 위치에서 상기 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및
    상기 돌출부의 종단에 위치하고 상기 돌출부와 상기 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로하는 광원과 광섬유를 정렬하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합부는
    레이저 용접 또는 브레이징에 의해 결합됨을 특징으로하는 광원과 광섬유를 정렬하는 장치.
  3. 기판;
    상기 기판에 장착되는 광원;
    상기 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 광섬유;
    상기 광섬유가 상기 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가 조절되어 상기 광섬유를 지지하는 홀더; 및
    상기 기판에 장착되고 상기 홀더를 고정하는 고정부를 포함하고,
    상기 고정부는
    일체형 구조이고, 상기 기판에 고정되는 베이스부;
    양단이 상기 베이스부와 일체로 연결되고, 상기 홀더가 삽입될 만큼의 거리로 서로 이격되어 위치하는 지지부;
    상기 지지부 양측의 소정 위치에서 상기 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및
    상기 돌출부의 종단에 위치하고 상기 돌출부와 상기 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로하는 광원과 광섬유를 정렬하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 결합부는
    레이저 용접 또는 브레이징에 의해 결합됨을 특징으로하는 광원과 광섬유를 정렬하는 장치.
  5. 상자;
    상기 상자 내부의 온도를 감지하는 센서;
    상기 감지된 온도에 따라 상기 상자 내부 온도를 조절하는 온도 조절부; 및
    상기 상자 내부에 장착되고, 광원과 광섬유를 정렬하는 정렬장치를 포함하고, 상기 정렬장치는
    기판;
    상기 기판에 장착되는 상기 광원;
    상기 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 상기 광섬유;
    상기 광섬유가 상기 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가 조절되어 상기 광섬유를 지지하는 홀더; 및
    상기 기판에 장착되고 상기 홀더를 고정하는 고정부를 포함하며,
    상기 고정부는
    일체형 구조이고, 상기 기판에 고정되는 베이스부;
    양단이 상기 베이스부와 일체로 연결되고, 상기 홀더가 삽입될 만큼의 거리로 서로 이격되어 위치하는 지지부;
    상기 지지부 양측의 소정 위치에서 상기 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및
    상기 돌출부의 종단에 위치하고 상기 돌출부와 상기 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로하는 광원 모듈.
  6. 상자;
    상기 상자 내부의 온도를 감지하는 온도 센서;
    상기 감지된 온도에 따라 상기 상자 내부 온도를 조절하는 온도 조절부; 및
    상기 상자 내부에 장착되고, 광원과 광섬유를 정렬하는 정렬장치를 포함하고, 상기 정렬장치는
    기판;
    상기 기판에 장착되는 상기 광원;
    상기 광원에서 출사된 광을 수광하도록 정렬되는 상기 광섬유;
    상기 광섬유가 상기 광원에서 출사된 광을 최대로 수광하도록 그 위치가 조절되어 상기 광섬유를 지지하는 홀더; 및
    상기 기판에 장착되고 상기 홀더를 고정하는 고정부를 포함하며,
    상기 고정부는
    일체형 구조이고, 상기 기판에 고정되는 베이스부;
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    상기 지지부 양측의 소정 위치에서 상기 광섬유의 길이방향으로 양방향으로 돌출된 돌출부; 및
    상기 돌출부의 종단에 위치하고 상기 돌출부와 상기 홀더를 결합하는 결합부를 포함함을 특징으로하는 광원 모듈.
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