KR100365795B1

KR100365795B1 - 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치

Info

Publication number: KR100365795B1
Application number: KR1020000044531A
Authority: KR
Inventors: 문기태; 박기수; 권오달; 양영수; 강대현
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2002-12-26
Also published as: JP2002055262A; EP1186923A2; EP1186923A3; US6565266B2; KR20020011183A; US20020015566A1; JP3447277B2; EP1186923B1

Abstract

본 발명은 기판과, 상기 기판에 설치된 광원과, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하는 광섬유와, 상기 광섬유를 지지하는 광섬유 페룰과, 상기 기판에 장착되어 상기 광섬유 페룰을 고정시키는 새들을 구비한 광원 모듈에 있어서, 상기 새들은 광섬유 페룰이 삽입되도록 상호 이격된 한 쌍의 베이스와; 상기 베이스의 내측단에서 각각 상향으로 연장 형성한 서브 리브와; 상기 서브 리브의 중앙에서 상향으로 각각 연장 형성한 센터 리브와; 상기 센터 리브에서 광섬유 페룰의 길이 방향으로 각각 돌출 형성하며 단부에 상기 광섬유 페룰과의 접합부를 가진 아암과; 상기 센터 리브와 아암이 만나는 부분에서 각각 연장하며 상향으로 갈수록 좁아지는 형상의 보강부와; 상기 각 보강부 사이를 연결하도록 형성한 루프를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치를 제공한다.

Description

광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치{ALIGNING DEVICE OF OPTICAL SOURCE AND OPTICAL FIBER IN OPTICAL SOURCE MODULE}

본 발명은 광원 모듈(optical source module)에 관한 것으로서, 특히 광원과 광섬유간을 정렬 및 고정시키는 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 광원 모듈은 광을 송수신하는 모든 광 부품에 적용되며, 특히 높은 광결합을 요구하는 펌프 레이저 다이오드 모듈(Pump Laser Diode Module), 반도체 광 증폭기 모듈(Semiconductor Optical Amplifier Module), 2.5Gbit 송수신 모듈 및 155Mbit 송수신 모듈 등에 사용된다.

도 1a는 일반적인 광원 모듈의 평면 구성도이며, 도 1b는 일반적인 광원 모듈의 측면 구성도이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 일반적인 광원 모듈(100)은 하우징(110), 기판(120), 레이저 다이오드(130), 포토 다이오드(Photo diode, 140), 광섬유(150), 광 페룰(Optical ferrule, 160), 새들(Saddle, 170), 온도 조절 수단인 열전 냉각기(Thermoelectric cooler, 180), 온도 감지 수단인 서미스터(Thermister, 190) 및 윈도우 페룰(Window ferrule, 162)을 포함하여 구성한다.

상기와 같은 구성을 가진 광원 모듈(100)에 있어서, 레이저 다이오드(130)와 광섬유(150)간의 정렬은 다음과 같은 순서에 의해 이루어진다. 즉, 상기 레이저 다이오드(130)를 기판(120)에 장착하고, 광섬유(150)와 광 페룰(160)을 납땜으로 고정시킨 후, 상기 새들(170)의 하단을 기판(120)에 고정시킨다. 이어, 상기 레이저 다이오드(130)에 전류를 공급하여 광이 출사되면, 광 페룰(160)의 위치를 조정해가며 최대 수광 위치를 결정한다. 상기 최대 수광 위치가 결정되면 새들(170)과 광 페룰(160)을 용접한다. 이때, 용접에 의한 변형은 정렬 오차 범위 이내에 있도록 한다.

한편, 상기 광섬유가 레이저 다이오드와 높은 광결합 효율을 가지도록 하기 위해 광섬유 단부에 레이저 다이오드의 원장 패턴과 같은 형태의 렌즈 형상을 가공하여 6축 정밀 정렬을 하기도 한다. 이때에는 정렬 오차 범위가 가장 작은 축의 오차 범위를 0.2 ㎛ 이내로 유지해야 한다.

도 2a는 종래 기술의 일실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치를 나타낸 측면 도이며, 도 2b는 도 2a의 정면도이고, 도 3은 도 2a의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도이며, 도 4는 종래 기술의 제2실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도이다.

도 2a 내지 도 4에 도시된 바와 같이 종래 기술의 일실시예 및 제2실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 새들(170, 270)은 각각 용접 부분(s)에 가해진 열로 인해 y축 방향, 즉 수직 방향으로 5 내지 20 ㎛ 정도의 열 변형이 발생하게 된다. 즉, 상기 새들(170, 270)과 광 페룰(160)간의 용접을 위해 상기 용접 부분(s)에 열이 가해지면, 도시된 화살표 방향으로 열이 전도되면서 광섬유(150)를 포함한 광 페룰(160)이 수직 하향으로 변위를 가지게 된다. 이와 같은 광 페룰(160)의 수직 변위는 광원과 광섬유간의 결합 효율을 떨어뜨려 결국 광원 모듈의 신뢰성을 저하시킨다.

도 5a는 종래 기술의 제3실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과새들을 확대한 측면도이며, 도 5b는 도 5a의 B-B` 위치의 단면도이고, 도 6a는 종래 기술의 제4실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도이며, 도 6b는 도 6a의 A-A` 위치의 단면도이고, 도 7은 종래 기술의 제3 및 제4실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 열변형 특성을 나타낸 그래프로서, 가로축은 시간, 세로축은 열변형 정도를 각각 나타내고 있다.

도 5a 내지 도 6b에 도시된 바와 같이 종래 기술의 제3실시예 및 제4실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 새들(370, 470)은 종래 기술의 일실시예 및 제2실시예의 새들과는 달리 베이스(371, 471)와 이격되게 형성한 아암(372, 473)을 구비한다. 따라서, 상기 새들(370, 470)은 용접 부분(s)에 열이 가해지더라도 도 7에 도시된 바와 같이 y축 방향으로의 열 변형이 0.4 ㎛ 로 비교적 작은 값을 가진다.

그러나, 상기 열 변형값 역시 수직 방향으로의 변형 허용치인 0.2 ㎛에는 못 미치는 값이므로, 상기 광 페룰(160)을 그리퍼(Gripper)를 이용하여 이동시킴으로써 재정렬 과정을 거쳐야 제작 공정상의 불편함과 광원 모듈의 장기 신뢰성 확보를 위해 잔류 응력을 추가로 고려해야 하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 광섬유 페룰과 새들간의 용접으로 인한 열변형 및 잔류 응력을 최소화하기 위한 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 광원과 광섬유간의 1차 정렬후 재정렬 과정을 거치지않고도 높은 결합 효율을 유지할 수 있는 광원 모듈의 재정렬 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판과, 상기 기판에 설치된 광원과, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하는 광섬유와, 상기 광섬유를 지지하는 광섬유 페룰과, 상기 기판에 장착되어 상기 광섬유 페룰을 고정시키는 새들을 구비한 광원 모듈에 있어서, 상기 새들은 광섬유 페룰이 삽입되도록 상호 이격된 한 쌍의 베이스와; 상기 베이스의 내측단에서 각각 상향으로 연장 형성한 서브 리브와; 상기 서브 리브의 중앙에서 상향으로 각각 연장 형성한 센터 리브와; 상기 센터 리브에서 광섬유 페룰의 길이 방향으로 각각 돌출 형성하며 단부에 상기 광섬유 페룰과의 접합부를 가진 아암과; 상기 센터 리브와 아암이 만나는 부분에서 각각 연장하며 상향으로 갈수록 좁아지는 형상의 보강부와; 상기 각 보강부 사이를 연결하도록 형성한 루프를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 기판과, 상기 기판에 설치된 광원과, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하는 광섬유와, 상기 광섬유를 지지하는 광섬유 페룰과, 상기 기판에 장착되어 상기 광섬유 페룰을 고정시키는 새들을 구비한 광원 모듈에 있어서, 상기 새들은 판 모양의 베이스와; 상기 베이스의 상면에서 광섬유 페룰이 삽입될 수 있도록 상호 이격되어 상향으로 연장 형성한 한 쌍의 서브 리브와; 상기 서브 리브의 중앙에서 상향으로 각각 연장 형성한 센터 리브와; 상기 센터 리브에서 광섬유 페룰의 길이 방향으로 각각 돌출 형성하며 단부에 상기 광섬유 페룰과의 접합부를 가진 아암과; 상기 센터 리브와 아암이 만나는 부분에서 각각 연장하며 상향으로 갈수록 좁아지는 형상의 보강부를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치를 제공한다.

도 1a는 일반적인 광원 모듈의 평면 구성도,

도 1b는 일반적인 광원 모듈의 측면 구성도,

도 2a는 종래 기술의 일실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치를 나타낸 측면 도,

도 2b는 도 2a의 정면도,

도 3은 도 2a의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도,

도 4는 종래 기술의 제2실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도,

도 5a는 종래 기술의 제3실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도,

도 5b는 도 5a의 B-B` 위치의 단면도,

도 6a는 종래 기술의 제4실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도,

도 6b는 도 6a의 A-A` 위치의 단면도,

도 7은 종래 기술의 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 열변형 특성을 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들의 사시도,

도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도,

도 10은 도 9의 B-B` 위치의 단면도,

도 11은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들의 사시도,

도 12는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도,

도 13은 도 12의 C-C` 위치의 단면도,

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 열변형 특성을 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

500, 600 : 새들 510, 610 : 베이스

520, 620 : 서브 리브 530, 630 : 센터 리브

540, 640 : 아암 550, 650 : 보강부

560 : 루프

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들의 사시도이고, 도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도이며, 도 10은 도 9의 B-B` 위치의 단면도이다.

도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시에에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 새들(500)은, 광섬유 페룰(160)이 삽입되도록 상호 이격된 한 쌍의 베이스(510)와, 상기 베이스(510)의 내측단에서 각각 상향으로 연장 형성한 서브 리브(520)와, 상기 서브 리브(520)의 중앙에서 상향으로 각각 연장 형성한 센터 리브(530)와, 상기 센터 리브(530)에서 광섬유 페룰(160)의 길이 방향으로 각각 돌출 형성하며 단부에 상기 광섬유 페룰(160)과의 접합부(s)를 가진 아암(540)과, 상기 센터 리브(530)와 아암(540)이 만나는 부분에서 각각 연장하며상향으로 갈수록 좁아지는 형상의 보강부(550)와, 상기 각 보강부(550) 사이를 연결하도록 형성한 루프(560)를 포함하여 구성한다.

본 발명의 일실시예에 따른 새들(500)에 대한 설치 과정을 살펴보면, 먼저 상기 새들(500)의 베이스(510)를 도시되지 않은 기판에 고정시킨 후, 상기 레이저 다이오드에 전류를 공급하여 광섬유 페룰(160)의 위치를 조정하면서 최대 수광 위치를 결정한다. 상기 최대 수광 위치가 결정되면 상기 새들(500)과 광섬유 페룰(160)을 접합시키기 위해 아암(540)의 단부에 형성한 접합부(s)에 레이저 용접을 행한다.

이때, 상기 아암(540)의 접합부(s)에 가해진 열은 아암(540)을 통해 보강부(550), 센터 리브(530), 루프(560) 등으로 전달되며, 상기 아암(540)과 서브 리브(520) 사이의 간격(c) 및 보강부(550)로 인해 베이스(510) 쪽, 즉 수직 하향으로의 열전달 및 잔류 응력이 최소화된다.

한편, 상기 새들(500)의 세부 설계 수치인 광섬유 끝단(150)과 아암(540) 단부와의 거리(a), 일측 아암 단부와 타측 아암 단부와의 거리(b), 아암(540)과 서브 리브(520)간의 간격(c) 및 보강부(550)의 폭(d)은 광원 모듈 부품의 열변형 해석, 가공성, 기구적 강도를 고려하여 결정할 수 있으며, 가공에 용이하도록 상기 아암(540)과 서브 리브(520)가 만나는 위치의 형상을 테이퍼 혹은 라운드로 형성할 수 있다.

또한, 상기 새들(500)은 용접 및 용접 후의 변형을 고려하여, 기판 및 광섬유 페룰과 동일한 재질을 사용하고, 선팽창 계수가 낮은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 니켈(Ni), 코바(KOVAR), 철-니켈 합금(Fe-Ni Alloy) 및 서스304L(SUS304L) 등을 예로 들 수 있다.

도 11은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들의 사시도이고, 도 12는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 광 페룰과 새들을 확대한 측면도이며, 도 13은 도 12의 C-C` 위치의 단면도이다.

도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 새들(600)은, 판 모양의 베이스(610)와, 상기 베이스(610)의 상면에서 광섬유 페룰(160)이 삽입될 수 있도록 상호 이격되어 상향으로 연장 형성한 한 쌍의 서브 리브(620)와, 상기 서브 리브(620)의 중앙에서 상향으로 각각 연장 형성한 센터 리브(630)와, 상기 센터 리브(630)에서 광섬유 페룰(160)의 길이 방향으로 각각 돌출 형성하며 단부에 상기 광섬유 페룰(160)과의 접합부(s)를 가진 아암(640)과, 상기 센터 리브(630)와 아암(640)이 만나는 부분에서 각각 연장하며 상향으로 갈수록 좁아지는 형상의 보강부(650)를 포함하여 구성한다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치의 새들(600)은 본 발명의 일실시예에 따른 새들(도 8의 500)과는 달리, 센터 리브와 센터 리브간을 연결하는 루프(도 8의 560)가 없는 대신 베이스(610)가 일체로 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 새들(600)의 설치 과정을 살펴보면, 먼저 새들(600)의 베이스(610)를 도시되지 않은 기판에 고정시킨 후, 상기 레이저 다이오드에 전류를 공급하여 광섬유 페룰(160)의 위치를 조정하면서 최대 수광 위치를 결정한다. 상기 최대 수광 위치가 결정되면 상기 새들(600)과 광섬유 페룰(160)을 접합시키기 위해 아암(640)의 단부에 형성한 접합부(s)에 레이저 용접을 행한다. 이때, 상기 아암(640)의 접합부(s)에 가해진 열은 아암(640)을 통해 보강부(650) 및 센터 리브(630) 등으로 전달되며, 상기 아암(640)과 서브 리브 (620) 사이의 간격(c) 및 보강부(650)로 인해 베이스(610) 쪽, 즉 수직 하향으로의 열전달 및 잔류 응력이 최소화된다.

한편, 상기 새들의 세부 설계 수치인 광섬유 끝단과 아암 단부와의 거리(a), 일측 아암 단부와 타측 아암 단부와의 거리(b), 아암과 서브 리브간의 간격(c) 및 보강부의 폭(d)은 광원 모듈 부품의 열변형 해석, 가공성, 기구적 강도를 고려하여 결정할 수 있으며, 가공에 용이하도록 상기 아암과 서브 리브가 만나는 위치의 형상을 테이퍼 혹은 라운드로 할 수 있다.

상기 새들은 일실시예와 마찬가지로 용접 및 용접 후의 변형을 고려하여 기판 및 광섬유 페룰과 동일한 재질을 사용하고, 선팽창 계수가 낮은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 니켈(Ni), 코바(KOVAR), 철-니켈 합금(Fe-Ni Alloy) 및 서스304L(SUS304L) 등을 예로 들 수 있다.

도 14는 본 발명의 바람직한 일실시예 및 다른 실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치를 모델링하여 그 열변형 특성을 나타낸 그래프로서, 가로축은 시간, 세로축은 열 변형량을 각각 나타내고 있다.

도 14를 통해 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예 및 다른실시예에 따른 광원-광섬유 정렬 장치는 용접되는 부분의 열 변형량이 종래의 0.4 ㎛에서 0.02 ㎛로 대폭 감소된다. 즉, 본 발명의 광원-광섬유 정렬 장치는 광원 모듈의 궁극적인 허용 오차인 0.2 ㎛ 이내로 정렬 정밀도를 유지할 수 있으므로, 광원과 광섬유간의 결합 효율을 95 % 이상으로 유지할 수 있고, 이로인해 동일 성능의 광원 대비 고출력의 광원 모듈을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치는 광섬유 페룰과 새들간의 용접으로 인해 발생하는 열변형 및 잔류 응력을 최소화함으로써 광원과 광섬유간의 높은 결합 효율을 유지하고 광원 모듈의 장기적인 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims

기판과, 상기 기판에 설치된 광원과, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하는 광섬유와, 상기 광섬유를 지지하는 광섬유 페룰과, 상기 기판에 장착되어 상기 광섬유 페룰을 고정시키는 새들을 구비한 광원 모듈에 있어서,

상기 새들은 광섬유 페룰이 삽입되도록 상호 이격된 한 쌍의 베이스와;

상기 베이스의 내측단에서 각각 상향으로 연장 형성한 서브 리브와;

상기 서브 리브의 중앙에서 상향으로 각각 연장 형성한 센터 리브와;

상기 센터 리브에서 광섬유 페룰의 길이 방향으로 각각 돌출 형성하며 단부에 상기 광섬유 페룰과의 접합부를 가진 아암과;

상기 센터 리브와 아암이 만나는 부분에서 각각 연장하며 상향으로 갈수록 좁아지는 형상의 보강부와;

상기 각 보강부 사이를 연결하도록 형성한 루프를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치.
제 1항에 있어서,

상기 새들은 기판 및 광섬유 페룰과 동일한 재질로 구성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치.
제 1항에 있어서,

상기 센터 리브의 양측단을 안쪽으로 라운드지게 형성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치.
기판과, 상기 기판에 설치된 광원과, 상기 광원에서 출사된 광을 수광하는 광섬유와, 상기 광섬유를 지지하는 광섬유 페룰과, 상기 기판에 장착되어 상기 광섬유 페룰을 고정시키는 새들을 구비한 광원 모듈에 있어서,

상기 새들은 판 모양의 베이스와;

상기 베이스의 상면에서 광섬유 페룰이 삽입될 수 있도록 상호 이격되어 상향으로 연장 형성한 한 쌍의 서브 리브와;

상기 서브 리브의 중앙에서 상향으로 각각 연장 형성한 센터 리브와;

상기 센터 리브에서 광섬유 페룰의 길이 방향으로 각각 돌출 형성하며 단부에 상기 광섬유 페룰과의 접합부를 가진 아암과;

상기 센터 리브와 아암이 만나는 부분에서 각각 연장하며 상향으로 갈수록 좁아지는 형상의 보강부를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치.
제 4항에 있어서,

상기 새들은 기판 및 광섬유 페룰과 동일한 재질로 구성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치.
제 4항에 있어서,

상기 센터 리브의 양측단을 안쪽으로 라운드지게 형성함을 특징으로 하는 광원 모듈의 광원-광섬유 정렬 장치.