KR101176950B1 - 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치 및 부품의 수동 정렬방법 - Google Patents

부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치 및 부품의 수동 정렬방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치는, 기판(110); 상기 기판(110)에 실장 되어 발광 또는 수광하는 광소자부(111); 상기 광소자부(111)와 광 통신을 구현하기 위한 광섬유(133); 및 광의 집광, 광 경로 변경 및 상기 광섬유(133)를 고정, 정렬하기 위한 렌즈광섬유연결부(120)를 구비하되, 상기 기판(110) 상에 배치되어 상기 광소자부(111) 및 상기 렌즈 광섬유 연결부(120)를 수동으로 정렬하기 위한 정렬기준부(115)를 더 포함하는 기술을 제공한다.
본 발명에 따른 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치는 다채널 광 정렬을 수동으로 간단하게 하여 정렬오차를 최소화시키고, 광 모듈의 구조를 소형화, 단순화 및 사용되는 부품의 수를 최소화하여 광 모듈 가격이 저렴한 장점이 있다.

Description

부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치 및 부품의 수동 정렬방법{OPTICAL TRANSMITTER, OPTICAL RECEIVER FOR PASSIVE ALIGNMENT OF PARTS AND METHOD FOR PASSIVE ALIGNMENT OF PARTS}
본 발명은 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 상에 배치된 정렬기준부를 사용하여 광소자부와 렌즈 광섬유 연결부를 수동으로 정렬하는 광 송수신 장치에 관한 것이다.
장거리 통신에 널리 사용 중인 광 섬유(optical fiber) 기반 신호 전송방법은 광대역 및 전자기 간섭(Electromagnetic Interference, EMI)에 무관한 동작 등의 장점으로 인해 고속, 고밀도의 데이터 전송이 요구되는 고화질 디지털 비디오 디스플레이 장치를 비롯한 대용량 디지털 미디어 전송에 널리 적용되고 있다.
하지만, 종래의 광섬유 기반 신호 전송 방법은 발광소자와 광섬유의 결합 또는 광섬유에서 방사되는 광(light)과 수광소자의 결합을 하기 위한 광 송수신 장치가 고가(high cost)일 뿐 아니라, 이를 이용하여 광 정렬(optical alignment)을 수행하기가 어려운 단점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 광 모듈의 구조를 소형화, 단순화및 사용되는 부품의 수를 최소화하여 광 모듈 가격을 저렴하게 하고, 다채널 광 정렬을 수동으로 간단하게 할 수 있는 광 송수신 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 광 모듈을 이용한 다채널의 발광소자, 수광소자, 렌즈, 광섬유 정렬을 하는데 있어서 정렬오차를 최소화 할 수 있는 광 송수신 장치의 부품을 수동으로 정렬하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치는, 기판(110); 상기 기판(110)에 실장 되어 발광 또는 수광하는 광소자부(111); 상기 광소자부(111)와 광 통신을 구현하기 위한 광섬유(133); 및 광의 집광, 광 경로 변경 및 상기 광섬유(133)를 고정, 정렬하기 위한 렌즈광섬유연결부(120)를 구비하되, 상기 기판(110) 상에 배치되어 상기 광소자부(111) 및 상기 렌즈 광섬유 연결부(120)를 수동으로 정렬하기 위한 정렬기준부(115)를 더 포함하는 기술을 제공한다.
또한 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 부품의 수동 정렬방법은, (a) 기판 구멍(114)에 정렬기준부(115)의 연결기둥(115b)을 결합하는 단계; (b) 상기 정렬기준부(115)에 서로 대향되어 배치된 정렬구멍(115a)을 기준으로 발광소자(111a) 및 수광소자(111b)를 일정 간격으로 나란히 정렬하는 단계; (c) 상기 정렬구멍(115a)을 기준으로 렌즈광섬유연결부(120)를 정렬하는 단계; 및 (d) 상기 렌즈광섬유연결부(120)를 구성하는 프리즘의 표면(122b)을 광 정렬점으로 하여 광섬유(133)를 정렬하는 단계를 포함하는 기술을 제공한다.
본 발명은 다채널 광 정렬을 수동으로 간단하게 하여 정렬오차를 최소화시키고, 광 모듈의 구조를 소형화, 단순화 및 사용되는 부품의 수를 최소화하여 광 모듈 가격이 저렴한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 광 송수신 장치의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 렌즈부의 구성 및 광 송신 장치에 있어서 광 경로를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 렌즈부의 구성 중 초점렌즈를 발광소자와 가까이 배치한 경우를 도시한 것이다.
도 3b는 본 발명의 렌즈부의 구성 중 초점렌즈를 발광소자와 먼 곳에 배치한 경우를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 수신부 렌즈부의 구성 및 광 수신 장치에 있어서 광 경로를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 렌즈광섬유연결부의 구성을 상세히 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 광섬유 핀의 구성을 상세히 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 정렬기준부의 구성을 상세히 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 정렬기준부를 이용한 발광소자 및 수광소자의 정렬 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 금속 케이스와 케이스 고정핀의 분해 및 결합 시 상태를 도시한 것이다.
도 10a는 기판에 발광소자 및 수광소자의 정렬 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 10b는 본 발명의 렌즈광섬유연결부와 광섬유가 결합된 상태를 도시한 것이다.
도 10c는 본 발명의 광섬유를 고정시키기 위해 광섬유 핀이 광섬유에 결합된 모듈을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예로서 정렬기준부를 사용하지 않고, 기판의 구멍 기준으로 부품을 정렬하는 방법을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 광 송수신 장치의 구성을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 광 송수신 장치(100)는 기판(110), 발광소자(111a)와 수광소자(111b)를 포함하는 광소자부(111), 구동회로(112), 광소자부와 구동회로를 포함하는 광-전기 변환부(113), 기판 구멍(114), 정렬기준부(115), 렌즈 광섬유 연결부(120), 광섬유 핀(131), 광섬유(133), 케이스 고정핀(141) 및 금속 케이스(143)를 포함한다.
기판(110) 상에는 구동회로(112)가 설치되며, 광소자부(111)는 기판(110)의 상부에 실장 된다.
기판 구멍(114)은 정렬기준부(115)의 2개의 연결기둥(115b)과 끼워 연결하기 위한 2개의 구멍(hole)을 갖는다.
광섬유(133)는 하나 또는 다수의 광섬유가 일체형으로 된 다채널 리본 광섬유(Multi-channel ribbon fiber)를 사용한다.
렌즈 광섬유 연결부(120)는 초점렌즈(123)와 프리즘(122)을 포함하는 렌즈부(125) 및 광섬유 커넥터(121)를 구비하고, 이들은 일체된 단일구조를 형성한다.
도 2는 본 발명의 렌즈부의 구성 및 광 송신 장치에 있어서 광 경로를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 송신부 렌즈부(125)는 발광소자(111a), 초점렌즈(123),프리즘(122) 및 송신부 광섬유(133a)를 포함한다.
송신부 렌즈부(125)는 광송신 장치 또는 광수신 장치 모두 사용될 수 있으며, 초점렌즈(123)는 하나 또는 복수 개 사용할 수 있다.
발광소자(111a)에서 방사되는 빛(122c)은 초점렌즈(123)를 통과하여 집광 되는데, 집광되는 도중에 송신부 프리즘 반사면(122a)에서 전반사되어 송신부 광선(122c)의 광경로가 변경되어 송신부 광섬유(133a)에 결합된다.
송신부 광섬유(133a)는 프리즘의 표면(122b)에 밀착되도록 정렬되어 광섬유 정렬을 위해 추가적인 구조물이 없어도 되는 장점이 있다. 또한 송신부 광섬유(133a)와 프리즘의 표면(122b) 사이에 굴절률이 비슷한 에폭시 접착제를 사용하여 고정시키면 공기층이 없어 광섬유의 정렬이 간단하고, 반사면에서 발생하는 반사손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
송신부 렌즈부(125)의 크기는 초점렌즈(123)를 발광소자(111a)가 방사하는 방향으로 프리즘(122)의 하면에 설치하여 광이 가이드 될 때의 크기를 줄임으로 감소시킬 수 있다.
한편, 송신부 광섬유(133a)에 입사되는 광(122c)은 NA(numerical aperture) 이하의 각도로 입사해야 송신부 광섬유(133a)에 결합 될 수 있다. 따라서 송신부 광섬유(133a)로 입사되는 광(122c)의 진행 각도가 작아야 송신부 광섬유(133a)에 결합하는 광 결합 효율이 좋아진다.
따라서 송신부 광섬유(133a)에서의 광 결합 효율을 좋게 하기 위해 초점렌즈(123)가 발광소자(111a)와 가까운 곳에 설치하는데, 이는 송신부 광섬유(133a)로 입사되는 광(122c)의 각도를 작게 할 수 있기 때문이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 렌즈부의 구성 중 초점렌즈를 발광소자와 가까이 배치한 경우와 먼 곳에 배치한 경우를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 다른 조건을 동일하게 하고, 초점렌즈(123)가 발광소자(111a)와 가까운 곳에 있을 때와 먼 곳에 있을 때를 비교하면, 진행하는 광의 최대 지름은 1.5배 정도 감소하였고(d1<d2), 최대 각도는 2.5배 정도 줄어들음을(θ1 < θ2 ) 확인하였다.
이를 통해 초점렌즈(123)가 발광소자(111a)와 가까운 곳, 즉 광소자부(111)에서 발송된 광(light)을 1차적으로 직접 수광 되는 위치에 배치될 때가 먼 곳, 즉 광소자부(111)에서 발송된 광(light)이 프리즘을 통과한 후 2차적으로 수광 되는 위치에 배치될 때보다 송신부 광섬유(133a)에 결합하는 광 결합 효율면에서 유리함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 수신부 렌즈부의 구성 및 광 수신 장치에 있어서 광 경로를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 수신부 렌즈부(125')는 수광소자(111b), 초점렌즈(123'),프리즘(122') 및 수신부 광섬유(133b)를 포함한다.
수신부 광섬유(133b)로 전달된 광(122c')은 방사되어 프리즘(122')을 진행하고 수신부 프리즘 반사면(122a')에서 전반사되어 광경로가 변경되고, 초점렌즈(123')를 통과하고, 집광되어 수광소자(111')에 결합된다.
수신부 광섬유(133b)는 프리즘의 표면(122b')에 밀착되도록 정렬되어 광섬유 정렬 시 추가적인 구조물이 없어도 되는 장점이 있다. 또한 수신부 광섬유(133b)와 프리즘의 표면(122b') 사이에 굴절률이 비슷한 에폭시 접착제를 사용하여 고정시키면 공기층이 없어 광섬유의 정렬이 간단하고, 반사면에서 발생하는 반사손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 렌즈광섬유연결부의 구성을 상세히 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 렌즈광섬유연결부(120)는 광을 집광하고 가이드하기 위한 초점 렌즈(123)와 광의 진행 방향을 변경하는 프리즘(122) 및 광섬유(133)를 고정하고 정렬하는 광섬유 커넥터(121)가 단일 구조로 형성되어 있어 부품의 수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
렌즈광섬유연결부(120)의 정렬 기둥(127)은 정렬기준부(115)와 수동 결합하여 발광소자(111a) 및 수광소자(111b)와 광섬유(133)의 광 정렬(optical alignment)을 구현한다.
도 6은 본 발명의 광섬유 핀의 구성을 상세히 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 광섬유 핀(131)은 V 모양의 홈(132)을 구비하여 광섬유(133)를 정확한 위치에 고정시킨다.
본 발명의 경우 광섬유 핀(131)의 형상은 V 모양의 홈(132)을 사용하였지만, 이에 한정하지 아니하고 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 당연하다.
도 7은 본 발명의 정렬기준부의 구성을 상세히 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 정렬기준부(115)는 원형의 홈의 모양을 갖고 있는 정렬구멍(115a) 및 기판 구멍(114)과 서로 연결하기 위한 연결기둥(115b)을 구비한다.
정렬기준부(115)는 몸통을 기준으로 상부면과 하부면이 절곡되어 'ㄷ'자 형상을 형성하며, 상부면에 정렬 기준점으로 사용되는 2개의 정렬구멍(115a), 하부면에 2개의 연결기둥(115b)이 배치된다.
도 8은 본 발명의 정렬기준부를 이용한 발광소자 및 수광소자의 정렬 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도7 및 도8을 참조하면, 본 발명에 따른 부품 정렬방법은 우선 연결기둥(115b)을 기판의 구멍(114)에 고정한 후 정렬기준부(115)의 2개의 정렬구멍(115a)을 기준으로 발광소자(111a)와 수광소자(111b)가 나란히 정렬되도록 수동 정렬한다.
그런 다음 정렬기준부(115)의 2개의 정렬구멍(115a)과 렌즈 광섬유 연결부(120)의 정렬 기둥(127)을 수동 결합한 후 렌즈부(125)와 발광소자(111a) 및 수광소자(111b)가 나란히 정렬되도록 광 정렬한다.
이로써 본 발명은 발광소자(111a) 및 수광소자(111b) 정렬을 위한 별도의 구조물이나 수단 없이 원하는 위치에 손쉽게 광소자를 놓을 수 있는 된다.
도 9는 본 발명의 금속 케이스와 케이스 고정핀의 분해 및 결합 시 상태를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 금속 케이스(143)는 발광소자(111a),수광소자(111b) 및 구동회로를 감싸서 외부의 환경에 영향을 받지 않도록 하며, 광섬유 핀(131)을 눌러주어 광섬유를 단단하게 고정 시킨다.
케이스 고정핀(141)은 표면실장방법(Surface Mount Technology, SMT)으로 기판(110)에 결합되어 기판(110)과 금속 케이스(143)를 단단하게 결합시킨다.
이하 본 발명에 의한 광 송수신 장치의 부품 들을 수동 정렬하는 일련의 방법을 요약 정리한다.
제 1단계는 기판의 구멍(114)에 정렬기준부(115)의 연결기둥(115b)을 결합한다.
제 2단계는 정렬기준부(115)의 2개의 정렬구멍(115a)을 기준으로 발광소자(111a)와 수광소자(111b)를 일정한 간격으로 나란히 정렬한다.
제 3단계는 정렬기준부(115)의 서로 대향하여 배치된 2개의 정렬구멍(115a)을 기준으로 렌즈 광섬유 연결부(120)를 정렬한다.
제 4단계는 렌즈 광섬유 연결부(120)를 구성하는 프리즘의 표면(122b)을 광 정렬점으로 하여 광섬유(133)를 정렬한다.
제 5단계는 광섬유 핀(131)으로 광섬유(133)를 고정한 후 금속 케이스(143)를 덮어 케이스 고정핀(141)과 결합시킨다.
이하 도 10a~ 도 10c를 참조하여 상기 제 1단계 ~ 제 4단계의 구현 방법을 설명한다.
도 10a는 기판에 발광소자 및 수광소자의 정렬 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 10a를 참조하면, 2개의 기판 구멍(114)과 정렬기준부(115)의 2개의 연결기둥(115b)이 결합되어 있어 정렬기준부(115)와 기판(110)이 결합된 상태를 나타낸다. 이 때 기판(110)에 결합된 정렬기준부(115)의 2개의 정렬구멍(115a)의 중심을 연결하는 선을 기준으로 일정간격으로 발광소자(111a)와 수광소자(111b)를 정렬하기 때문에 정렬기준부(115)의 결합에서 발생할 수 있는 오차는 무시할 수 있다.
도 10b는 본 발명의 렌즈광섬유연결부와 광섬유가 결합된 상태를 도시한 것이다.
정렬기준부(115)의 2개의 원형의 정렬구멍(115a) 각각을 기준으로 렌즈 광섬유 연결부(120)를 정렬한다.
이때 정렬기준부(115)의 정렬구멍(115a)은 발광소자(111a)와 수광소자(111b)의 정렬점으로 사용되는 동시에 렌즈 광섬유 연결부(120)의 정렬점으로 사용된다.
또한 본 발명은 렌즈 광섬유 연결부(120)에 광섬유(133)를 광섬유 핀(131)을 눌러 수동으로 결합함으로 초점 렌즈(123)와 광 정렬을 구현한다.
도 10c는 본 발명의 광섬유를 고정시키기 위해 광섬유 핀이 광섬유에 결합된 모듈을 도시한 것이다.
도 10(c)을 참조하면, 광섬유 핀(131)을 수동으로 결합하여 광섬유(133)의 위치를 고정시킨 상태를 나타낸 것이다.
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앞에서 설명한 본 발명의 광 송수신 장치가 포함하는 주요 구성부품은 사출 성형으로 제작될 수 있으며, 부품 중 초점렌즈(123)와 프리즘(122)은 광을 투과해야 하므로 투명한 재질로 사출성형(injection molding) 한다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
110 : 기판
111a : 발광소자 111b : 수광소자 111 : 광소자부
113 : 광-전기 변환부 114 : 기판 구멍
115 : 정렬기준부
120 : 렌즈 광섬유 연결부
125 : 렌즈부 123 : 초점렌즈 122 : 프리즘
121 : 광섬유 커넥터
131 : 광섬유 핀 133 : 광섬유
141 : 케이스 고정핀 143 : 금속 케이스

Claims (10)

  1. 기판(110);
    상기 기판(110)에 실장 되어 발광 또는 수광하는 광소자부(111);
    상기 광소자부(111)와 광 통신을 구현하기 위한 광섬유(133); 및
    광의 집광, 광 경로 변경 및 상기 광섬유(133)를 고정, 정렬하기 위한 렌즈광섬유연결부(120)를 구비하되,
    상기 기판(110) 상에 배치되어 상기 광소자부(111) 및 상기 렌즈 광섬유 연결부(120)를 수동으로 정렬하기 위한 정렬기준부(115)를 더 포함하고,
    상기 정렬기준부(115)는,
    상부면, 몸통 및 하부면이 절곡되어 'ㄷ'자 형상을 이루며,
    상기 상부면 및 상기 하부면 각각에 정렬 기준점으로 사용되는 정렬구멍(115a) 및
    상기 기판(110) 상에 형성된 기판구멍(114)에 끼워 서로 연결하기 위한 연결기둥(115b)을 구비하는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 정렬기준부(115)는,
    사출성형으로 구현되는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광소자부(111)는,
    복수 개의 발광소자(111a) 및 복수 개의 수광소자(111b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 광섬유(133)는,
    하나 또는 다수의 광섬유가 일체형으로 된 다채널 리본 광섬유(Multi-channel ribbon fiber)를 사용하는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈광섬유연결부(120)는,
    광(light)을 집광하고, 가이드 하는 초점 렌즈(123);
    상기 광(light)의 진행 방향을 변경하는 프리즘(122); 및
    상기 광섬유(133)를 고정하고 정렬하는 광섬유 커넥터(121)를 단일 구조물로 구비하고,
    상기 초점 렌즈(123), 상기 프리즘(122) 및 상기 광섬유 커넥터(121)는 투명한 물질을 사용하고, 사출 성형으로 제작되는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 초점 렌즈(123)는,
    상기 광소자부(111)에서 발송된 광(light)이 1차적으로 직접 수광 되는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유(133)를 고정하기 위한 광섬유 핀(131)을 더 포함하되,
    상기 광섬유 핀(131)은 상기 렌즈광섬유연결부(120)의 일측 단에 연결되는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광소자부(111)를 외부 환경으로부터 보호하며, 상기 렌즈광섬유연결부(120)를 고정하기 위한 금속 케이스(143)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬을 구현하는 광 송수신 장치.
  9. (a) 기판 구멍(114)에 정렬기준부(115)의 연결기둥(115b)을 결합하는 단계;
    (b) 상기 정렬기준부(115)에 서로 대향되어 배치된 정렬구멍(115a)을 기준으로 발광소자(111a) 및 수광소자(111b)를 일정 간격으로 나란히 정렬하는 단계;
    (c) 상기 정렬구멍(115a)을 기준으로 렌즈광섬유연결부(120)를 정렬하는 단계;
    (d) 상기 렌즈광섬유연결부(120)를 구성하는 프리즘의 표면(122b)을 광 정렬점으로 하여 광섬유(133)를 정렬하는 단계; 및
    (e) 광섬유 핀(131)으로 상기 광섬유(133)를 고정한 후, 금속 케이스(143)를 덮어 케이스 고정핀(141)과 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 발광소자(111a) 및 상기 수광소자(111b)는,
    표면 실장 기술(Surface Mount Technology, SMT)에 의해 기판(110)과 평행하게 실장 되는 것을 특징으로 하는 부품의 수동 정렬방법.
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