KR101047121B1 - 다채널 광 송신장치, 및 수신장치의 능동 정렬방법 - Google Patents

다채널 광 송신장치, 및 수신장치의 능동 정렬방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)이 적용되는 광송수신 시스템, 및 LAN-WDM이 적용되는 광 송수신 시스템에서 TOSA(Transmitter Optical Sub Assembly), ROSA(Receiver Optical Sub Assembly)의 패키징을 용이하게 하고, 패키징된 TOSA, ROSA 신뢰성을 향상시키며, 패키징, 및 신뢰성에 대한 재현성을 높이는 다채널 광 송신장치, 및 수신장치의 능동 정렬방법을 개시한다.
CWDM, LAN-WDM, TOSA, ROSA

Description

다채널 광 송신장치, 및 수신장치의 능동 정렬방법{Active align Method for multi-channel optical transmitter and receiver}
본 발명은 다채널 광 송수신장치의 능동 정렬방법에 대한 것으로, 특히 CWDM, LAN-WDM 방식의 시스템에 적용되는 TOSA, 및 ROSA의 크기를 소형화하고, 신뢰성, 경제성, 및 재현성을 증가시키는 다채널 광 송수신장치의 능동 정렬방법에 대한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[국가 과제명: 100Gbps급 이더넷 및 광전송기술 개발]
네트워크를 통해 전송되는 데이터의 량이 증가함에 따라 단일 채널을 이용하는 광전송 시스템을 파장 분할 다중화(WDM : Wavelength Division Multiplexing)방식이 대체하고 있다. 파장 분할 다중화 방식은 여러 파장대의 데이터를 멀티플렉싱(multiplexing)하여 하나의 광섬유를 통해 송수신하는 데이터 송신, 및 데이터 수신 방식을 의미한다.
현재, 40G, 및 100G급 이더넷의 경우, CWDM(Coarse WDM)과 LAN(Local Area Network)-WDM 방식을 이용한 PMD(Physical Medium Dependent) sublayer에 대해 표준화가 진행중에 있다. CWDM 방식은 DWDM 방식에 비해 하나의 광섬유를 통과하는 데이터 채널의 수를 줄인 것이 특징이다. 가입자망에 가까운 메트로(metro) 접속망에서 코어망 만큼의 트래픽이 요구되지 않는 곳에서, CWDM 방식에 따른 광 네트워크 시스템은 데이터 채널 사이의 폭이 좁고 구현이 어려우며, 가격이 비싼 DWDM 방식의 광 네트워크 시스템을 대신하여 널리 사용되고 있다.
CWDM 방식에서, 다중화 가능한 파장 수는 DWM에 비해 적고, 각 데이터 채널 사이의 갭(gap)은 DWDM 보다 커서, 구현의 난이도와 설계, 및 생산 비용이 저감되는 장점이 있다.
따라서, CWDM 방식의 광 네트워크 시스템에서는 저가의 uncooled 광원을 주로 사용하며, LAN-WDM에서는 EML(Electroabsorption Modulated Laser)이 사용되고있다.
IEEE 802.3ba 40GBASE-LR4 Ethernet 표준에 따르면, CWDM 방식은 4개의 파장(1271nm, 1291nm, 1311nm, 1331nm)을 사용하고 채널당 속도는 10.3125Gb/s이고, 20nm의 채널 간격을 가진다.
또한, IEEE 802.3ba 100GBASE-LR4 Ethernet 표준에 따르면 LAN-WDM 방식은 4개의 파장(1295nm, 1300nm, 1305nm, 1310nm)을 사용하고 채널당 속도는 25.78125Gb/s이며, 5nm의 채널 간격을 가진다.
CWDM 방식과 LAN-WDM 방식은 데이터 채널들 각각을 다중화하여 하나의 광섬유로 전송하기 위한 TOSA(Transmitter Optical Sub Assembly), 및 다중화된 광신호 를 개별 광신호로 역 다중화하기 위한 ROSA(Receiver Optical Sub Array)를 필요로한다. TOSA는 4개의 서로 다른 파장을 갖는 광원을 구비하며, 이들 광원에 의해 출력되는 데이터 채널을 하나로 멀티플렉싱(multiplexing)하여 광섬유로 제공하여 야하므로, 광섬유 광 결합 장치, 광 다중화기, 및 광신호 생성장치를 필요로 한다.
여기서, 광신호 생성장치는 데이터 채널들의 전기신호를 광신호로 변환하고, 광 다중화기는 광신호 생성장치에서 생성된 광신호를 하나로 멀티플렉싱하며, 광섬유 광 결합장치는 광섬유와 물리적으로 연결되어 멀티플렉싱된 광신호를 송신하는데 이용된다.
광섬유 광 결합장치, 광 다중화기, 및 광신호 생성장치는 광신호 생성장치에서 생성된 광의 손실을 최소화하기 위해 수동, 또는 능동 정렬을 수행한다. 수동정렬은 광섬유 광 결합장치, 광 다중화기, 및 광신호 생성장치가 미리 정해진 위치에 고정되도록 하는 기판에 정렬하는 방식이며, 능동 정렬은 광신호의 강약과 빔 패턴을 고려하여 별도의 정렬장비, 레이저 웰딩장비, 또는 수작업에 의해 광섬유 광결합장치, 광 다중화기, 및 광신호 생성장치간 거리와 광신호의 광 파워가 최대인 위치를 판단하고, 빔 패턴을 일치시키는 정렬 방식이다.
수동 정렬방식은 광섬유 광 결합장치, 광 다중화기, 및 광신호 생성장치의 정렬과 패키징이 단순한 대신 정확도와 신뢰도가 떨어지고, 능동 정렬 방식은 각각의 구성 요소들 사이의 광 파워나 빔 패턴을 일일이 조정해야 하므로 시간과 비용이 커지는 단점이 있다.
CWDM 및 LAN-WDM 시스템을 위한 TOSA 및 ROSA를 구현하기 위한 여러 방법들이 고려 되고 있다. 미국 특허(US 7184621, 이하, 제1인용문헌이라 한다.)는 beam splitter를 사용하여 광다중화 기능을 수행하는 방식을 제안한 바 있다. 제1인용문헌(US 7184621)은 4개의 광원, 3개의 beam splitter, isolator, collimator 등으로 구성되며, 각 광원이 beam splitter의 위치에 따라 분산 배치되도록 하고 있다.
그러나, 인용문헌에 따른 TOSA는 소형화가 어렵고, 광 정렬에 따른 패키징 비용이 상승하는 단점을 가지고 있다.
다른 인용문헌으로써 미국 특허(US 7218806, 이하, 제2인용문헌이라 한다)는 PLC(Planar Lightwave Circuit) 형태의 플랫폼에 광 도파로 및 박막 필터를 이용한 광송수신 장치를 언급하고 있다. 제2인용문헌에 언급된 기술은 TOSA, 및 ROSA를 소형화 하는데는 적용할 수 있으나, 광원 및 광검출 소자와 광 도파로의 광정렬 패 키징에 따른 비용 상승 및 제품 재현성이 떨어지며, 신뢰성을 고려한 양산성 측면에서는 불리한 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은 CWDM, LAN-WDM 시스템에서 적용되는 TOSA, 및 ROSA의 광 패키징을 용이하게 하며, TOSA, 및 ROSA의 양산성, 신뢰성, 및 재현성을 증가시키는 다채널 광 송신장치, 및 다채널 광 수신장치의 능동 정렬방법을 제공함에 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 광신호 생성장치의 광 출력과 광 다중화 장치에서 출력되는 복수의 파장 별 광 출력을 참조하여 상기 광신호 생성장치와 상기 광 다중화 장치를 능동 정렬하는 단계, 및 상기 광 다중화 장치의 광 출력과 광섬유 광 결합장치에서 출력되는 광 출력을 참조하여 상기 광 다중화 장치와 상기 광섬유 광 결합장치를 능동 정렬하는 단계에 의해 달성된다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 광섬유 광 결합장치로 인가되는 광 출력과 역 다중화 장치의 광 출력을 참조하여 상기 광섬유 광 결합장치와 상기 역 다중화 장치를 능동 정렬하는 단계, 및 능동 정렬된 상기 역 다중화 장치의 광 출력과 광-전기 변환장치에서 출력되는 신호의 출력을 참조하여 상기 역 다중화 장치와 상기 광-전기 변환장치를 능동 정렬하는 단계에 의해 달성된다.
본 발명은 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)이 적용되는 광 송수신 시스템, 및 LAN-WDM이 적용되는 광 송수신 시스템에서 TOSA(Transmitter Optical Sub Assembly), ROSA(Receiver Optical Sub Assembly)의 패키징을 용이하 게 하고, 패키징된 TOSA, ROSA 신뢰성을 향상시키며, 패키징, 및 신뢰성에 대한 재현성을 높일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 TOSA의 개략적인 구조를 도시한다.
도시된 TOSA(Transmitter Optical Sub Assembly)는 CWDM, 또는 LAN-DWM 방식의 광 송신장치에 적용되는 것으로서, 광섬유 광 결합장치(120), 광 다중화 장치(110), 및 다채널 광신호 생성장치(120)로 구성된다.
다채널 광신호 생성장치(100)는 4개의 서로 다른 파장(λ1, λ2, λ3, 및 λ4)을 생성하는 레이저 다이오드를 구비하며, 전기 신호에 대응하는 광신호를 생성하고, 이를 광 다중화 장치(110)로 제공한다. 이를 위해, 다채널 광신호 생성장치(100)는 4개의 레이저 광원, 레이저 구동증폭기, 및 전원과 제어라인을 내장한다. 여기서, 다채널 광신호 생성장치(100)는 전체 소모 전력랑을 고려하여 구동 증폭기를 내장하거나, 또는 내장하지 않을 수 있다.
광 다중화 장치(110)는 다채널 광신호 생성장치(100)에서 생성되는 4가지 파장을 갖는 광신호를 하나의 광신호로 멀티플렉싱(multiplexing)한다. 여기서, 4가지 파장(λ1, λ2, λ3, 및 λ4)은 40Gb/sec BASE-LR4, 광 전송 기준일 때, 1271nm, 1291nm, 1311nm, 1331nm의 파장으로 형성될 수 있으며, 100Gb/s BASE-LR4 광 전송 기준일 때는 1295nm, 1300nm, 1311nm, 1331nm의 파장으로 형성될 수 있다.
광섬유 광 결합장치(120)는 렌즈와 금속 페룰(metal ferrule)로 구성되며, 지하, 또는 지상에 위치하는 외부의 광섬유와 체결되어 광 다중화 장치(110)에서 멀티플렉싱된 광신호를 광섬유로 전송한다. 광섬유 광 결합장치(120)는 LC receptacle 또는 SC receptacle 방식에 따라 외부 광섬유와 체결되거나, pig-tailing 방식에 따라 외부 광섬유와 체결될 수 있다.
여기서, 광섬유 광 결합장치(120)와 광 다중화 장치(110)가 이웃하는 영역과, 광 다중화 장치(110)와 다채널 광신호 생성장치(120)가 이웃하는 영역은 금속으로 형성되며, 금속으로 형성된 영역은 추후 레이저 웰딩(laser welding)되어 광섬유 광 결합장치(120), 광 다중화 장치(110), 및 다채널 광신호 생성장치(120)가 하나로 결합된다.
도 2 ∼ 도 5는 도 1에 도시된 TOSA의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸다.
먼저, 도 2를 참조하면, 레이저 웰딩 장치, 또는 TOSA나 ROSA를 정렬하기 위한 장치(이하, 레이저 웰딩 장치나 별도의 장치는 정렬 장치라 한다)를 이용하여 다채널 광신호 생성장치(100)와 광 다중화 장치(110)를 3축 능동 정렬한다. 여기서 3축은 x축, y축, 및 z축을 나타낸다.
정렬 장치는 다채널 광신호 생성장치(100)에 인가되는 전기적 신호(electrical signal)를 입력(in)으로 하여 생성되는 4개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4)에 대응하는 광 출력의 합과, 광 다중화 장치(110)에서 멀티플렉싱되어 출력되는 광 출력(out)을 참조하여 능동 정렬의 성공 여부를 판단한다.
여기서, 다채널 광신호 생성장치(100)의 A영역과 광 다중화 장치(110)의 B 영역은 금속으로 형성된다. 금속으로 형성된 영역은 정렬장치(레이저 웰딩장치)에 의해 레이저 웰딩되어 다채널 광신호 생성장치(100)와 광 다중화 장치(110)를 하나로 결합할 수 있도록 한다.
다음으로, 도 3을 참조하면 다채널 광신호 생성장치(100)와 광 다중화 장치(110)가 3축 능동 정렬된 후, 레이저 웰딩 처리된 일 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 다채널 광신호 생성장치(100)와 광 다중화 장치(110)는 참조부호 101과 참조부호 102의 두 부분이 레이저 웰딩되어 하나로 견고히 결합된다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 다채널 광 생성장치(100)와 광 다중화 장치(110)가 하나로 체결된 후, 정렬 장치는 광 다중화 장치(110)에서 출력되는 광출력과 다채널 광신호 생성장치(100)의 광 출력을 참조하여 광 다중화 장치(110)와 다채널 광 생성장치(100)의 정렬 여부를 판단한다. 정렬 장치는 광 다중화 장치(110)에서 출력되는 광 출력과 광섬유 광 결합장치(120)에서 출력되는 광 출력이 가장 근접할 때, 광 다중화 장치(110)와 광섬유 광 결합장치(120)가 정렬된 것으로판단한다.
본 발명은, 광섬유 광 결합장치(120)와 광 다중화 장치(110)를 대응시켜 능동 정렬을 수행한다.
광 다중화 장치(110)와 다채널 광 생성장치(100)를 레이저 웰딩하여 하나로 형성하고, 다채널 광 생성장치(100)와 하나로 형성된 광 다중화 장치(110)의 광 출력을 광섬유 광 결합장치의 출력과 비교함으로써 광섬유 광 결합장치(120), 광 다중화 장치(110), 및 다채널 광 생성장치(100) 전체에 대한 3축 능동 정렬을 수행한다.
마지막으로, 도 5는 광섬유 광 결합장치(120), 광 다중화 장치(110), 및 다채널 광신호 생성장치(100)가 모두 결합한 형태의 일 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 다채널 광신호 생성장치(100)와 광 다중화 장치(110)의 금속 영역은 레이저 웰딩되어 견고히 결합되고, 광 다중화 장치(110)와 광섬유 광결합장치(120)가 이웃하는 영역도 레이저 웰딩되어 결합함으로써 CWDM, 또는 LAN-WDM에 적용되는 TOSA를 구성한다. 본 발명에서 TOSA를 형성할 때, 본 발명에 따른 TOSA는 구성하는 각 부품(100, 110, 120)을 하나씩 적층하여 능동 정렬을 수행하고, 능동 정렬을 수행 후, 레이저 웰딩하여 형성된다.
각 부품(100, 110, 120)이 이웃하는 부품과 적층될 때마다 적층된 부품에서 출력되는 광 출력의 크기와 새로 적층 할 부품에서 출력되는 광 출력을 비교하여 능동 정렬을 수행한다. 이때, 광 다중화 장치(110)와 다채널 광신호 생성장치(100)는 회전 시켜 정렬할 수 있다.
도 6은 ROSA의 구조에 대한 개념도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, ROSA는 광섬유 광 결합장치(200), 역 다중화 장치(210), 및 광-전기 변환장치(220)로 구성되며, ROSA를 구성하는 광섬유 광 결합장치(200), 역 다중화 장치(210), 및 광-전기 변환장치(220)는 각각 도 1을 통해 설명된 TOSA 의 광섬유 광 결합장치(120), 광 다중화 장치(110), 및 다채널 광신호 생성장치(100)와 유사한 형태를 갖는다.
ROSA의 기능은 외부 광섬유로 광신호를 전송하는 TOSA의 기능에 대해 역기능을 갖는다. ROSA는 외부 광섬유로부터 전송되는 광신호를 수신하고(광섬유 광 결합장치(200)), 다중화된 광신호를 역 다중화한 후(역 다중화 장치(210)), 전기적인 신호로 변환한다(광-전기 변환장치(220)).
도 7 ∼ 도 8는 ROSA의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸다.
먼저, 도 7을 참조하면 ROSA는 광섬유 광 결합장치(200)와 역 다중화 장치(210)에 대해 3축 능동 정렬을 수행한다. 이때, 정렬 장치는 광섬유 광 결합장치로 인가되는 4가지의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4), 또는 4가지 파장과 유사한 테스트 광신호의 광 출력을 역 다중화 장치(210)에서 출력되는 광신호의 광 출력과 비교한다. 정렬 장치는 광섬유 광 결합장치(200)에 인가되는 광신호의 광 출력과 역다중화 장치(210)에서 출력되는 광신호의 출력이 유사할 때(또는 미리 정해진 값을 가질 때), 능동 정렬이 성공한 것으로 판단한다. 이후, 광섬유 광 결합장치(200)와 역 다중화 장치(210)는 레이저 웰딩되어 결합된다.
다음으로, 도 8은 광섬유 광 결합장치(200)와 역 다중화 장치(210)가 레이저 웰딩된 후, 광-전기 변환장치(220)와 능동정렬하는 과정을 나타낸다.
광섬유 광 결합장치(200)와 역 다중화 장치(210)가 능동 정렬된 후, 레이저 웰딩되면, 정렬 장치는 레이저 웰딩 된 역 다중화 장치(210)에서 출력되는 광신호의 광 출력과 광-전기 변환장치(220)에서 출력되는 전기 신호의 크기를 비교한다.
이때, 정렬장치는 역 다중화 장치(210)에서 출력되는 광 출력의 크기와 광-전기 변환장치(220)에서 출력되는 전기신호의 크기에 대해 정의되는 비교 테이블을 가질 수 있다. 즉, 역 다중화 장치(210)에서 출력되는 광신호의 광 출력값에 적합한 전기신호의 크기에 대해 정의되는 비교 테이블을 이용하여 웰딩 된 역 다중화 장치(210)와 광-전기 변환장치(220)의 능동 정렬 여부를 판단할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 TOSA의 개략적인 구조를 나타내는 도면,
도 2 ∼ 도 5는 도 1에 도시된 TOSA의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6은 ROSA의 구조에 대한 개념도, 그리고
도 7 ∼ 도 8는 ROSA의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸다.

Claims (8)

  1. 광신호 생성장치의 복수의 파장별 광출력의 합인 제1 광출력과 광 다중화 장치에서 출력되는 광출력인 제2 광출력을 비교하여 상기 제1 광출력과 상기 제2 광출력간의 차이가 최소가 되도록 상기 광신호 생성장치와 상기 광 다중화 장치를 능동 정렬하는 단계; 및
    상기 제2 광출력과 광섬유 광 결합장치에서 출력되는 제3 광출력을 비교하여 상기 제2 광출력과 상기 제3 광출력간의 차이가 최소가 되도록 상기 광 다중화 장치와 상기 광섬유 광 결합장치를 능동 정렬하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 송신장치의 능동정렬방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 다중화 장치를 능동 정렬하는 단계는,
    상기 광신호 생성장치와 상기 광 다중화 장치가 능동 정렬된 후, 상기 광신호 생성장치와 상기 광 다중화 장치가 이웃하는 영역을 레이저 웰딩하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 송신장치의 능동정렬방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 광 결합장치를 능동 정렬하는 단계는,
    상기 광 다중화 장치와 상기 광섬유 광 결합장치가 능동 정렬된 후, 상기 광섬유 광 결합장치와 상기 광 다중화 장치가 이웃하는 영역을 레이저 웰딩 처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 송신장치의 능동정렬방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 광 결합장치, 상기 광 다중화기, 및 상기 광신호 생성장치는,
    CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)이 적용되는 광 전송 시스템, 및 LAN-WDM이 적용되는 광 전송 시스템 중 어느 하나에 적용되는 것을 특징으로 하는 다채널 광 송신장치의 능동정렬방법.
  5. 광섬유 광 결합장치로 인가되는 제4 광출력과 역 다중화 장치의 제5 광출력을 비교하여 상기 제4 광출력과 상기 제5 광출력간의 차이가 최소가 되도록 상기 광섬유 광 결합장치와 상기 역 다중화 장치를 능동 정렬하는 단계; 및
    능동 정렬된 상기 역 다중화 장치의 상기 제5 광 출력과 광-전기 변환장치에서 출력되는 제6 출력을 비교하여 상기 제5 광출력과 상기 제6 출력간의 차이가 최소가 되도록 상기 역 다중화 장치와 상기 광-전기 변환장치를 능동 정렬하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신장치의 능동 정렬방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제5 광출력은,
    상기 역 다중화 장치에서 출력되는 복수의 파장 별 광신호에 대한 광 출력합인 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신장치의 능동 정렬방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광-전기 변환 장치에 대해 능동 정렬하는 단계는,
    상기 복수의 파장 별 광신호에 대한 광 출력의 합, 및 상기 광-전기 변환장치에서 출력되는 전기신호에 대한 비교 테이블을 참조하여 능동 정렬의 성공 여부를 판단하는 단계인 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신장치의 능동 정렬방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 광섬유 광 결합장치, 상기 역 다중화 장치, 및 상기 광-전기 변환장치는,
    CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)이 적용되는 광 전송 시스템, 및 LAN-WDM이 적용되는 광 전송 시스템 중 어느 하나에 적용되는 것을 특징으로 하는 다채널 광 수신장치의 능동 정렬방법.
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