KR100872743B1

KR100872743B1 - 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법

Info

Publication number: KR100872743B1
Application number: KR1020070081287A
Authority: KR
Inventors: 김성근; 최영석
Original assignee: 호서대학교 산학협력단
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2008-12-08

Abstract

본 발명은 광섬유와 광도파로의 접속을 위해 광섬유를 정렬하기 위한 최적점을 추적하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 광섬유가 놓여진 모터스테이지를 광도파로 쪽으로 이동시키고, 모터스테이지의 Z축 값을 기 설정된 값으로 고정하며, 광섬유에 레이저 빔을 조사하여 광도파로 출력단에서의 광량을 검출한다. 그리고, XY 평면의 각 위치에서의 광량 데이터를 저장하고 있는 광량 데이터베이스를 이용하여 광섬유의 현재 위치에서 광량 최고 위치까지의 거리와 방향각을 산출하고, 산출한 거리와 방향각을 통해 광량 최고 위치를 찾아낸다.

이에 따라, 광섬유를 광도파로에 정렬하는 최적 위치를 좀 더 빨리 찾아낼 수 있게 된다.

광 결합

Description

광 정렬을 위한 최적점 추적 방법{OPTIMAL POINT TRACKING METHOD FOR OPTICAL ARRANGEMENT}

본 발명은 광 정렬을 위한 최적적 추적 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 XY 평면의 각 위치에 대한 광량 데이터를 저장하고 있는 광량 데이터베이스를 이용하여 광 정렬을 위한 최적 위치를 단시간에 찾을 수 있는 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법에 관한 것이다.

사회가 고도의 정보화 사회로 변화함에 따라 광섬유를 기반으로 하는 광통신은 각광을 받으며 개발되고 있다. 이에 따라, 광통신은 광섬유와 광도파로 간의 효율적인 광학적 접속이 가장 중요한 이슈가 되었다.

광섬유와 광도파 간의 접속, 즉, 광섬유와 광도파로의 광결합(fiber-to-waveguide optical coupling)에서의 문제는 삽입손실(insertion loss)을 줄이는 문제와 부착문제로 나누어진다.

상기의 삽입손실은 입력단 광섬유 끝에서 나온 빛이 광도파로를 통과하여 출력단 광섬유 끝으로 나오기까지의 모든 손실을 의미한다. 그래서 삽입손실을 광섬유간 삽입손실(fiber-to-fiber insertion loss)라고 부르기도 하는데, 종류에 따라 광섬유 모드와 광도파로 모드 사이의 불일치로 인한 손실, 도파로를 지나면서 얻는 도파로 전송 손실, 광섬유와 광도파로 사이의 굴절률 차이로 인한 프레스넬 반사 손실(Fresnel reflection loss) 및 광섬유와 광도파로를 정렬하면서 생기는 손실로 구분된다. 특히, 상기 삽입손실의 종류 중에서 광섬유와 광도파로를 정렬하면서 생기는 손실이 가장 큰 비중을 차지하고 있다.

한편, 광섬유와 광도파로를 정렬하는 방법은 능동정렬방법, 수동정렬방법 및 자동정렬방법이 있다.

능동정렬방법은 반도체 레이저 칩에서 발사되는 빔이 광섬유로 광결합되는 정도를 확인하면서 정렬하는 방법이고, 수동정렬방법은 사용자가 직접 확인하면서수동으로 광섬유와 광도파로를 정렬하는 방법이다. 그리고, 자동정렬방법은 상기의 능동정렬방법과 같이 레이저 빔이 광섬유로 광결합하는 정도를 확인하는 것은 같지만 이 과정을 사람이 하는 것이 아니라 자동화된 기계로 하는 방법으로 생산단가를 줄이고 높은 효율을 얻기 위해 근래에 많이 사용하고 있는 방법이다.

그러나, 능동정렬방법은 시간이 많이 소요되는 단점이 있고, 수동정렬방법은 능동정렬방법에 비해서 정렬시간을 단축하고, 가격을 저렴화할 수 있는 장점이 있으나 광결합 효율이 좋지 못한 문제점이 있다.

또한, 자동정렬방법은 상기 능동정렬방법과 수동정렬방법에 비해 생산단가를 줄이고 높은 효율을 얻을 수 있지만 아직도 광소자 부품의 대량 생산을 위해 좀더 높은 효율과, 시간 단축을 요하고 있는 실정에 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 광섬유와 광도파로를 최고의 광결합 효율로 결합할 수 있도록 하고, 결합을 위해 광섬유를 정렬하는 시간을 줄일 수 있는 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법을 제공하는 데 있다.

이에 따라, 본 발명의 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법은, 광섬유가 모터스테이지에 고정될 경우에, 정렬제어장치가 상기 광섬유가 놓여진 모터스테이지를 광도파로 쪽으로 이동시키고, 상기 모터스테이지의 Z축 값을 기 결정된 값으로 고정하는 단계; 레이저 빔을 상기 광섬유의 일측에 주사하여 상기 광도파로 출력단에서의 광량을 검출하는 단계; XY 평면의 각 위치에서의 광량 데이터를 저장하고 있는 광량 데이터베이스에서 상기에서 검출한 광량 데이터와 동일한 광량 데이터를 검색 하고, 상기 광량 데이터베이스에서 검색된 광량 데이터의 위치를 이용하여 상기 광섬유의 현재 위치에서 광량 최대 위치까지의 거리 R을 산출하는 단계; 상기 산출한 거리 R을 이용하여 상기 광섬유의 현재 위치를 기준으로 상기 광량 최대 위치까지의 방향각을 산출하는 단계; 및 상기에서 산출한 거리 R과 방향각을 통해 상기 광량 최대 위치를 산출하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기에서 방향각을 산출하는 단계는 상기에서 산출된 거리 R보다 작은 거리 r을 설정하고, 상기 광섬유의 현재 위치에서 상기 설정한 r을 반지름으로 원을 그리면서 광량을 검출하는 단계 및 상기 검출한 광량 데이터 중에서 광량이 최대인 광량 데이터를 찾아내고, 그 찾아낸 광량 데이터의 위치를 추출하며, 상기 광섬유의 현재 위치에서 상기 추출된 위치까지의 X축과 Y축 값의 위치 변화 값으로 방향각을 산출하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방향각은 [수학식 1]로 계산하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

여기서, "x"는 상기 X축의 위치 변화 값이고, "y"는 상기 Y축의 위치 변화 값이다.

본 발명의 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법에 따르면, XY 평면의 각 위치에서의 광량 데이터를 저장하고 있는 광량 데이터베이스를 이용하여 광섬유의 현재 위치에서 광결합 효율이 최고인 광량 최고 위치까지의 거리와 방향을 산출하고, 산출한 거리와 방향을 통해 광량 최고 위치를 찾아낸다.

이에 따라, 기존에 적용하던 힐클라임 정렬 알고리즘에 비해 간단하고, 단시간에 효율적으로 광섬유 정렬을 위한 광량 최고 위치를 찾아낼 수 있게 된다. 이로 인해, 충돌 발생률도 거의 없앨 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 하겠다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광 정렬 시스템을 간단하게 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 광 정렬 시스템은 레이저 빔을 출력하는 광원부(110)와, X축, Y축 및 Z축의 광축을 제어하는 정렬제어장치(120)와, 광섬유와 광도파로 간의 정렬 상태를 확인하기 위한 CCD 카메라(130)와, 상기 광원부(110)로부터 조사된 광원의 초점을 확인하기 위한 적외선 카메라(140) 및 상기 CCD 카메라(130)를 통한 광섬유와 광도파로 간의 정렬 상태를 육안으로 볼 수 있는 모니터(150)를 포함하여 구성된다.

정렬제어장치(120)는 광섬유가 놓여지는 입광측 모터스테이지(121) 및 수광측 모터스테이지(123), 광도파로부(122) 및 상기 입광측 모터스테이지(121)를 포함한다. 상기 정렬제어장치(120)는 상기 입광측 모터스테이지(121) 및 수광측 모터스테이지(123)의 축 이송을 제어하고, 레이저 빔이 입광될 경우에 광량을 검출하며, 레이저 빔이 광섬유로 광결합하는 정도를 체크한다.

상기와 같이 구성되는 정렬제어장치(120)의 동작을 간단히 살펴보면, 광섬유가 입광측 모터스테이지(121) 또는 수광측 모터스테이지(123)에 고정될 경우에, 상기 광섬유가 놓여진 입광측 모터스테이지(121) 또는 수광측 모터스테이지(123)를 광도파로 쪽으로 이동시킨다.

그리고, 정렬제어장치(120)는 힐클라임 정렬 알고리즘을 이용하여 광결합을 위한 최적 정렬 위치의 X값, Y값, Z값을 찾아내고, 그에 따라 상기 광섬유가 놓여진 입광측 모터스테이지(121) 또는 수광측 모터스테이지(123)의 축 이송을 제어하여 상기에서 찾아낸 X값, Y값, Z값의 위치로 광섬유를 정렬하여 광섬유와 광도파로가 결합될 수 있도록 한다.

여기서, 상기 힐클라임 정렬 알고리즘에 대해 상세히 살펴보기로 하겠다.

먼저, X축 상에서 기 설정된 시작점 A부터 끝점 B까지 기 설정된 이동 간격으로 이동하면서 이동시마다 광량을 검출하고, 그 검출된 광량 데이터 중에서 최고 광량 데이터를 가지는 위치 L1을 찾아낸다(과정 1).

그리고, 상기에서 찾아낸 위치 L1부터 Y축 방향으로 정해진 끝점 위치까지 기 설정된 이동 간격으로 이동하면서 이동시마다 광량을 검출하고, 그 검출된 광량 데이터 중에서 최고 광량 데이터를 가지는 위치 L2를 찾아낸다(과정 2).

그리고, 상기 위치 L2부터 Z축 방향으로 Z축의 정해진 끝점 위치까지 설정된 이동 간격으로 움직이면서 상기 과정 1과 과정 2를 반복하여 최고 광량 데이터를 가지는 위치의 X값, Y값, Z값을 찾아낸다. 상기 X값, Y값, Z값을 가지는 위치가 광 섬유와 광도파로을 결합하기 위한 최적 정렬 위치가 된다.

그러나, 광섬유가 놓여진 입광측 또는 수광측 모터스테이지(121, 123)를 상기와 같이 힐클라임 정렬 알고리즘을 통해 이동시켜 상기 광섬유와 광도파로을 정렬하면, 종종 광섬유와 광도파로의 충돌이 일어난다. 이는, 광섬유가 놓여진 모터 스테이지의 X축, Y축, Z축과 광도파로의 X축, Y축, Z축, 각각의 pitch, yaw, roll은 평행하지 않기 때문이다. 즉, 광섬유를 광도파로에 정렬시켜 결합시킬 경우에 정렬로 인한 접속 손실은 수평 수직 어긋남과 중심 축이 서로 어긋난 각도에 따라 나타난다.

결국, 상기와 같은 힐클라임 정렬 방식으로 광섬유와 광도파로을 정렬하는 것은 시간이 오래 걸리며 매우 복잡하고, 이에 따라 종종 충돌이 발생하는 문제점이 있다.

도 2a는 본 발명에 적용되는 광량 데이터베이스를 생성하기 위해 빔을 일정 간격으로 등분하는 예를 보여주는 도면이고, 도 2b는 도 2a를 통해 생성된 광량 데이터베이스의 일부분을 보여주는 도면이고, 도 2c는 Z축의 각 지점에서의 광량 데이터베이스를 그래프로 보여주는 도면이다.

광량 데이터베이스는 광섬유와 광섬유 간의 정렬에서 광결합 효율 실험을 통해 광량 데이터를 분석하고, 통계낸 결과이다.

좀더 상세히 설명하면, 광섬유의 Z축을 Z1으로 고정한 상태에서, 광섬유로 빔을 조사하여 출력단의 광량을 검출하는데, 출력단으로 출력된 빔을 XY 평면을 기준으로, 예를 들어 도 1a에 도시된 바와 같이, 복수 개로 등분하여 각 위치에서의 광량을 검출한다. 상기의 과정을 여러 번 반복하여 각 위치에서의 광량 데이터를 평균값으로 산출하여 Z1에서의 XY 평면의 각 위치에서의 광량 데이터를 저장하는 광량 데이터베이스를 생성한다. 여기서, 빔과 광섬유가 100% 일치되었을 경우를 최고 광량으로 보고, 각 위치에서의 광량을 검출함이 바람직하다.

예를 들어 설명하면, XY 평면을 기준으로 최적 정렬 위치(빔과 광섬유가 100% 일치)인 최고 광량 위치에서부터 광량이 0이 되는 지점까지의 거리를 X1에서 X2까지, Y1에서 Y2까지 X축과 Y축을 각각 24등분할 경우, X축과 Y축 각각 25개의 위치가 생성된다. 이에 따라, X축은 X1, X1+(X2-X1)/24, X1+2(X2-X1)/24,...,X2 의 총 25개의 위치에서 광량을 검출하고, 마찬가지로 Y축도 Y1, Y1+(Y2-Y1)/24, Y1+2(Y2-Y1)/24,...,Y2의 총 25개의 위치에서 광량을 검출한다. 상기에서 검출된 광량 데이터들로, 예를 들어 도 2b에 도시된 바와 같이, 광량 데이터베이스를 생성한다.

그에 따라, Z축의 각 지점에서의 광량 데이터베이스를 생성할 수 있다. 예를 들어, Z축을 일정 간격으로 등분하고, 그 등분된 Z축의 위치에 따라 XY 평면 각 위치에서의 광량을 검출한다. 상기와 같이 Z축의 위치를 변화시키며 XY 평면 각 위치에서의 광량을 검출하는 과정을 여러 번 반복하여 Z축 위치에 따른 XY 평면에서의 광량 데이터를 평균값으로 산출하여 통계를 낸다. 좀더 상세히 설명하면, 예를 들어 Z축에서 빔과 광섬유가 가장 근접하게 위치한 지점을 Z1으로 하고, Z축을 Z1에 서 Z2까지 일정 간격으로 24등분할 경우, Z축은 25개의 위치가 생성된다. 이에 따라, Z축은 Z1, Z1+(Z2-Z1)/24, Z1+2(Z2-Z1)/24,...,Z2 의 총 25개의 위치에서 광량을 검출한다. 이에 따라, Z축의 각 지점에서의 광량 데이터베이스를 생성하고, 도 2c에 도시된 바와 같이, 그래프로 나타낼 수 있게 된다.

결국, 상기와 같이 Z축의 각 지점에서의 XY 평면상의 광량 데이터베이스를 이용하여 본 발명의 광 정렬을 위한 최적점을 추적할 수 있게 되는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법을 보여주는 흐름도이고, 도 4는 본 발명에 따른 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법에 따라 최적점의 추적을 일 예로 보여주는 도면이다. 본 발명의 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법을 도 4를 참조하여 설명하기로 하겠다.

광섬유를 광 정렬 장치의 모터스테이지에 고정할 경우에(S300), 정렬제어장치(120)가 상기 광섬유가 놓여진 모터스테이지를 광도파로 쪽으로 이동시키고, 상기 모터스테이지의 Z축을 기 결정된 값(예를 들어, Z1)으로 고정한다(S302).

그리고, 광원부(110)가 상기 광섬유의 일측에 레이저 빔을 주사하면(S304), 상기 정렬제어장치(120)가 상기 광도파로 출력단에서의 광량을 검출하고(S306), XY 평면의 각 위치에서의 광량 데이터를 저장하고 있는 2차원 광량 데이터베이스에서 상기에서 검출한 광량 데이터와 동일한 광량 데이터를 검색한다(S308). 상기 광량 데이터베이스는 Z축의 값이 Z1인 XY 평면의 각 위치에서의 광량 데이터를 저장하고 있으며, Z축의 각 지점에서의 광량 데이터베이스를 포함함이 바람직하다.

정렬제어장치(120)는 상기 2차원 광량 데이터베이스에서 검색된 광량 데이터의 위치를 이용하여 상기 광섬유의 현재 위치A에서 광량 최고 위치B까지의 거리 R을 산출한다(S310).

그리고, 상기에서 산출된 거리 R보다 작은 임의의 거리 r을 설정하고(S312), 상기 설정한 거리 r을 반지름으로 원을 그리며 각 위치에서의 광량을 검출한다(S314). 그에 따라, 검출된 광량 데이터들 중에서 최대 광량 데이터를 찾아내고, 그 찾아낸 최대 광량 데이터의 위치C를 산출한다(S316).

그리고, 정렬제어장치(120)는 광섬유의 현재 위치A를 기준으로 상기 광섬유의 위치A에서 광량 최고 위치B로의 방향각을 산출한다(S318). 상기 방향각 산출을 좀 더 상세히 설명하면, 상기 광섬유의 현재 위치A에서 상기 광량 최고 위치B로의 방향각과 상기 광섬유의 현재 위치A에서 상기 위치C로의 방향각은 같으므로 상기 광섬유의 현재 위치A에서 상기 위치C까지의 X축과 Y축 값의 위치 변화 값을 하기의 식에 대입하여 현재 위치A에서 광량 최고 위치B로의 방향각을 산출한다.

그에 따라, 상기 정렬제어장치(120)는 산출된 방향각과 거리R을 이용하여 XY 평면에서의 광량 최고 위치B를 찾아낸다(S320).

결국, 상기의 식에서 산출된 방향각과 상기 거리 R로 Z축이 Z1인 XY 평면 상에서 광량 최고 위치를 알 수 있게 된다.

이를 통해 광섬유를 도파관에 최적 정렬하여 광결합할 수 있게 된다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 용이하게 알 수 있다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광 정렬 시스템을 간단하게 보여주는 도면,

도 2a는 본 발명에 적용되는 광량 데이터베이스를 생성하기 위해 빔을 일정 간격으로 등분하는 예를 보여주는 도면,

도 2b는 도 2a를 통해 생성된 광량 데이터베이스의 일부분을 보여주는 도면,

도 2c는 Z축의 각 지점에서의 광량 데이터베이스를 그래프로 보여주는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법을 보여주는 흐름도, 및

도 4는 본 발명에 따른 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법에 따라 최적점의 추적을 일 예로 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명

120 : 정렬제어장치

Claims

광섬유가 모터스테이지에 고정될 경우에, 정렬제어장치가 상기 광섬유가 놓여진 모터스테이지를 광도파로 쪽으로 이동시키고, 상기 모터스테이지의 Z축 값을 기 결정된 값으로 고정하는 단계;

레이저 빔을 상기 광섬유의 일측에 주사하여 상기 광도파로 출력단에서의 광량을 검출하는 단계;

XY 평면의 각 위치에서의 광량 데이터를 저장하고 있는 광량 데이터베이스에서 상기에서 검출한 광량 데이터와 동일한 광량 데이터를 검색하고, 상기 광량 데이터베이스에서 검색된 광량 데이터의 위치를 이용하여 상기 광섬유의 현재 위치에서 광량 최대 위치까지의 거리 R을 산출하는 단계;

상기 산출한 거리 R을 이용하여 상기 광섬유의 현재 위치를 기준으로 상기 광량 최대 위치까지의 방향각을 산출하는 단계; 및

상기에서 산출한 거리 R과 방향각을 통해 상기 광량 최대 위치를 산출하는 단계;를 포함하여 이루어지는 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법.
제 1항에 있어서,

상기 방향각을 산출하는 단계는,

상기 산출된 거리 R보다 작은 거리 r을 설정하고, 상기 광섬유의 현재 위치에서 상기 설정한 r을 반지름으로 원을 그리면서 광량을 검출하는 단계; 및

상기 검출한 광량 데이터 중에서 광량이 최대인 광량 데이터를 찾아내고, 그 찾아낸 광량 데이터의 위치를 추출하며, 상기 광섬유의 현재 위치에서 상기 추출된 위치까지의 X축과 Y축 값의 위치 변화 값으로 방향각을 산출하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법.
제 2항에 있어서, 상기 방향각은

[수학식 1]로 계산하는 것을 특징으로 하는 광 정렬을 위한 최적점 추적 방법.

[수학식 1]

여기서, "x"는 상기 X축의 위치 변화 값이고, "y"는 상기 Y축의 위치 변화 값이다.