KR101254321B1 - 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기 - Google Patents

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박경수
권윤구
김승준
허영운
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Abstract

본 발명은 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 온도 특성에 맞는 PTC 히터를 사용함으로써 자체 발열을 용이하게 제어하는 광송수신기에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 광송수신기에 구성된 언쿨드 레이저 다이오드의 주위 온도에 따라 자체 저항이 변경되어 발열량을 조절하는 PTC 소재의 히터를 TO CAN에 적용하여 별도의 제어 장치 없이 또는 최소한의 제어 회로를 이용하여 기존의 광모듈의 사용가능한 온도 범위를 확장시키면서 소비전력을 크게 절감하는 것이 가능하다.

Description

온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기{Optical Transceiver for controlling self heating according to temperature changes}
본 발명은 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 온도 특성에 맞는 PTC 히터를 사용함으로써 자체 발열을 용이하게 제어하는 광송수신기에 대한 것이다.
광송수신기는 광중계기와 같은 광통신시스템에서 영상, 음성, 데이터 등의 전기신호를 광(光)신호로 변환하거나 역으로 광신호를 전기신호로 변환하여 시스템사이의 통신이 가능하도록 하는 핵심장치이다.
초창기 무선 이동통신용 광중계기에 사용된 광송수신기는 1310nm와 1550nm의 파장을 갖는 LD(Laser Diode)를 사용한 기본적인 형태가 주로 사용되었다. 그러나 최근에는 광중계망의 고도화와 보다 효율적인 운용을 위해 1310nm와 1550nm외에 1490nm, 1510nm, 1530nm, 1570nm와 같은 다수의 CWDM(Coarse WDM) LD를 사용하는 구조로 변화하고 있다.
다수의 CWDM LD의 사용은 근접한 파장을 갖는 LD 사이의 간섭을 줄이기 위해 보다 정밀한 CWDM파장 필터를 필요로 한다.
하지만 CWDM 필터의 사용은 몇 가지 문제를 초래할 수 있다. 대표적인 예가 장비의 운용온도 내에서 LD의 광신호가 필터링 되어 시스템의 성능을 저하시키거나 최악의 경우 동작을 멈추게 할 수도 있다는 것이다.
기존의 광송수신기에 사용되는 일반적인 레이저 다이오드는 주위 환경의 온도가 변화함에 따라 파장이 변하는 문제로 파장 사용영역에 많은 제약을 가진다. 특히, 저밀도파장다중화(CWDM: Coarse Wavelength Division Multiplex) 광모듈의 경우, 온도범위가 -40 ~ +85℃(보통, 0 ~ +70℃의 온도범위가 됨)에서 일반적인 언쿨드 레이저 다이오드를 사용하면 레이저(LD: Laser Diode)가 온도 변화에 따라 파장이 약 0.1nm/℃로 변화하므로 파장 채널간 간섭이 발생할 수 있다.
이런 간섭 영향을 받지 않기 위해서 각 파장 채널별 기준이 되는 중심파장에 최대 +/-6.5nm의 파장 변화를 허용하기 어렵다. 이는 레이저 사용에도 제한적이기 때문에 대량 생산이 어려워 제품 가격이 높아지는 단점이 있다.
이러한 문제점은 TEC(Temperature Electric Cooler)를 이용한 쿨드 레이저다이오드(Cooled Laser Diode)로 해결할 수 있다. 이러한 TEC를 이용한 방식의 예로서는, 한국공개특허번호 제10-2006-011760호를 들 수 있다.
그러나, 이 경우 온도를 제어하기 위한 회로 추가, TEC 원자재 비용, 조립의 난이도 상승 등으로 저밀도 파장다중화(CWDM) 광모듈에 적용한다면 장비가격의 상승으로 상용화가 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 일반적인 히터를 사용한다면 히터를 제어하기 위해 온도를 감지하고 이를 제어하기 위한 제어 회로가 추가로 요구되므로 회로가 복잡해지고 이 회로를 위한 PCB 층이 더 추가되므로 조립의 난이도가 상승하고 공간을 많이 차지하는 문제가 발생하였다.
본 발명은 위에서 제기된 종래 기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 온도를 제어하기 위한 제어 회로를 추가하지 않고서도 온도 제어가 가능한 광송수신기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 별도의 제어 장치 없이 또는 최소한의 제어 회로를 이용하여 기존의 광모듈의 사용가능한 온도 범위를 확장시키면서 소비전력을 크게 절감하는 광송수신기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 일실시예는 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기를 제공한다. 이 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기는, 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드와 결합되는 스템 바디; 상기 스템 바디와 결합되어 자체 발열하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터; 및 상기 레이저 다이오드를 구동하는 레이저 구동부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 PTC 히터는 BaTiO3 재질로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 스템 바디와 PTC 히터의 결합은, 상기 PTC 히터에 다수의 홀을 형성시켜고 상기 홀에 삽입되는 리드 핀을 이용하여 결합하는 방식, 상기 스템 바디 표면상에 접착제를 이용하여 결합하는 방식 및 상기 레이저 다이오드 반대편에 접착제를 이용하여 결합하는 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 PTC 히터의 두께는 0.2 내지 1.00mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편으로, 본 발명의 다른 일실시예에는, 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드와 결합되는 스템 바디; 상기 스템 바디와 결합되어 자체 발열하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터; 상기 PTC 히터를 제어하는 제어 회로부; 및 상기 레이저 다이오드를 구동하는 레이저 구동부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 제어 회로부는, 상기 PTC 히터의 온도를 감지하는 써미스터; 상기 써미스터에 의해 온 또는 오프하여 상기 PTC 히터에 전원을 제공하는 스위칭부; 및 제공되는 전원의 세기를 조절하는 저항을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광송수신기에 구성된 언쿨드 레이저 다이오드의 주위 온도에 따라 자체 저항이 변경되어 발열량을 조절하는 PTC 소재의 히터를 TO CAN에 적용하여 별도의 제어 장치 없이 또는 최소한의 제어 회로를 이용하여 기존의 광모듈의 사용가능한 온도 범위를 확장시키면서 소비전력을 크게 절감하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 제어장치의 제거 혹은 단순화로 기존 제품 과 대비하여 온도에 따라 저항값이 변화하는 PTC 소재의 히터를 사용함으로써 CWDM 광송수신기의 사용가능한 온도범위를 -40 ~ 85℃까지 확장시키면서도 조립성을 향상시키고 제품의 부피를 최소화할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제어회로가 없는 PTC 히터를 이용한 광송수신기의 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 제어 회로가 구비되는 PTC 히터를 이용한 광송수신기의 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 PTC 히터가 TO CAN 방식의 광송수신기에서 스템 바디에 조립되는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 종래기술을 대비하여 파장 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 PTC 히터가 일반적인 TO 패키지 방식의 광송수신기에서 스템 바디에 조립되는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 PTC 히터가 미러를 사용하는 TO 패키지 방식의 광송수신기에서 스템 바디에 조립되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주위 온도 변화에 따른 PTC 히터의 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 주위 온도 변화에 따른 광송수신기의 온도 변화를 종래 기술과 대비하여 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제어회로가 없는 PTC 히터를 이용한 광송수신기의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 이 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기(100)는, 레이저 다이오드(미도시); 상기 레이저 다이오드와 결합되는 스템 바디(미도시); 상기 스템 바디와 결합되어 자체 발열하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터(130); 및 상기 레이저 다이오드를 구동하는 레이저 구동부(140) 등을 포함하여 구성된다.
광송수신기(100)는 대량의 정보를 수송하는 방법으로써 광통신을 위한 장치이다. 광통신은 국가간의 정보통신뿐만 아니라, FTTH(fiber to the home), FTTP(fiber to the pole) 등의 방식으로 가정에 집적 광 중계를 통한 대용량의 정보가 소통되는 상황에 있다. 이러한 대량 정보 유통을 위한 광통신은, 광통신에 사용되는 빛을 만드는 소자인 발광소자와 광신호를 전달하는 매체로인 광섬유 및 전달된 광신호를 전기신호로 바꾸어 주는 수광소자를 필수적으로 필요로 하게 된다.
이 중 광통신에 이용되는 빛을 만드는 발광소자로 반도체 소자 제조 기법을 사용하는 레이저 다이오드(LD: Laser Diod)가 사용된다. 이 레이저 다이오드는 전기 신호를 빛(광) 신호로 바꾸어주는 소자이다.
레이저 다이오드는 그 동작 특성이 온도에 민감한 특성을 나타내게 된다. 일반적으로 레이저 다이오드의 동작온도가 상승하게 되면 전자 및 정공의 에너지에 따른 분포 확률을 결정하는 페르미 디랙(Fermi-Dirac) 함수가 넓은 에너지대에 넓게 분포하게 되어 단위 에너지대에서의 전자/정공 밀도함수의 차의 함수로 주어지는 레이저의 이득이 줄어들게 되고, 또한 핫 캐리어 오버플로우(hot carrier overflow)가 증가하게 되며, 오제 재결합(Auger recombination)이 증가하게 된다.
이러한 현상은 레이저 다이오드의 내부 이득을 줄이고, 내부 손실을 크게 하며, 또한 전자의 주입효율을 떨어뜨리게 되어, 레이저 다이오드의 전류-출력 광파워의 특성이 저하되게 하는 요인이 된다.
현재 광통신 시스템이 설치되는 환경은 국제적으로 -40℃와 85℃에서 안정적으로 동작할 것을 요구한다.
특히, 레이저 다이오드의 온도를 매우 좁은 범위에서 조절하는 것이 요구되는 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing), LAN(Local Area Network)-WDM 용 레이저 다이오드는 실온 약 25℃에서 최적으로 동작하게 된다. 그러므로 레이저 다이오드의 동작 환경 온도를 일정한 온도로 유지해야할 필요가 있다.
따라서, PTC 히터(130)는 온도가 일정 온도 이하로 내려가면 저항값이 작아져 적정온도로 발열하고 일정 온도 이상이 되었을 경우 저항값이 급격하게 상승하여 발열을 멈추게 되므로 저온에서만 발열이 가능하다. 이러한 발열 현상으로 인해 레이저 다이오드(미도시)에 열이 가해지게 되면 레이저 다이오드의 온도가 상승하게 된다.
따라서, 주위 온도가 하강한 만큼을 PTC 히터(130)가 발열하여 온도를 보상해 줌으로써 레이저 다이오드의 온도에 따른 파장 변화를 억제할 수 있다. 결국, 채널간 파장 간섭이 발생하지 않아 광송수신기의 온도범위를 확장시킬 수 있다. 이를 위해, PTC 히터(130)는 BaTiO3 재질로 구성되며, PTC 히터(130)의 두께는 0.2 내지 1.00mm가 된다.
도 1을 계속 참조하여 설명하면, 도 1에 도시된 광송수신기(100)는 앞서 설명한 구성 이외에도, TOSA(Transmitter Optical Sub Assembly)(110), ROSA(Receiver Optical Sub Assembly)(120), POST AMP(150) 및 I/O(Input/Output) 포트(160) 등이 구비된다.
POST AMP(150)는 후치 증폭기로서, 광신호를 증폭하는 기능을 수행한다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 제어 회로(210)가 구비되는 PTC 히터를 이용한 광송수신기(100)의 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 광송수신기(100)는, 레이저 다이오드(미도시); 상기 레이저 다이오드와 결합되는 스템 바디(미도시); 상기 스템 바디와 결합되어 자체 발열하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터(130); 상기 PTC 히터(130)를 제어하는 제어 회로부(210); 및 상기 레이저 다이오드를 구동하는 레이저 구동부(140) 등을 포함하여 구성된다.
도 2에 도시된 광송수신기(100)는 도 1과 달리, PTC 히터(130)를 제어하기 위한 제어 회로부(210)가 더 구성된다. 이 제어 회로부(210)는, 상기 PTC 히터(130)의 온도를 감지하는 써미스터(213); 상기 써미스터(213)에 의해 온 또는 오프하여 상기 PTC 히터(130)에 전원을 제공하는 스위칭부(211); 및 저항(215) 등을 포함하여 구성된다.
따라서, 온도가 일정 온도 이하로 내려가면 저항(215)의 저항값이 작아져 적정온도로 발열하고 일정 온도 이상이 되었을 경우 저항값이 급격하게 상승하여 발열을 멈추게 된다. 즉, 제어 회로부(210)는, 저온에서만 발열을 수행하게 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 PTC 히터가 TO CAN 방식의 광송수신기(100)에서 스템 바디(310)에 조립되는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 레이저 다이오드(300)와 결합된 스템 바디(310) 상에 형성된 리드 핀(320)에 PTC 히터(130)가 결합된다. 물론, 이를 위해 PTC 히터(130)는 4개의 홀이 형성된 원형 형상이 된다. 부연하면, 도 3에서 상기 스템 바디(310)와 PTC 히터(130)의 결합은, 상기 PTC 히터(130)에 다수의 홀을 형성시켜고 상기 홀에 삽입되는 리드 핀(320)을 이용하여 결합하는 방식이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 종래기술을 대비하여 파장 변화를 보여주는 그래프이다. 도 4를 참조하면, PTC 히터(130)를 사용할 경우와 일반적인 경우의 온도 변화에 따른 파장 변화를 보여주는 그래프이다. 위쪽 그래프(400)는 일반적인 DFB-LD(Distributed Feed Back type - Laser Diode: 분포 귀환형 레이저 다이오드)를 사용한 경우이고, 아래쪽 그래프(410)가 PTC 히터(130)를 이용한 DFB-LD를 사용한 경우이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 PTC 히터가 일반적인 TO 패키지 방식의 광송수신기에서 스템 바디에 조립되는 도면이다. 도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 광송수신기는 일반적인 TO 패키지 방식이다. 이러한 패키지 방식의 광송수신기에는 포토 다이오드(520) 및 레이저 다이오드 칩(530)이 구성되며, 포토 다이오드(520)는 수광 수단이 되고, 레이저 다이오드 칩(530)는 발광 수단이 된다.
도 5의 경우, 스템 바디(310)의 레이저 다이오드칩(530)의 반대편에 PTC 히터(130)가 접착제에 의해 부착된다. 이때, PTC 히터(130)의 모양은 정사각형 또는 직사각형이 될 수 있다. 도 5는 상기 레이저 다이오드 반대편에 접착제를 이용하여 결합하는 방식을 보여준다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 PTC 히터가 미러(600)를 사용하는 TO 패키지 방식의 광송수신기에서 스템 바디에 조립되는 도면이다. 도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 광송수신기는 TO 패키지 방식으로 미러(600)가 사용된 방식이다. 물론, 도 6에 도시된 광송수신기에도 포토 다이오드(520) 및 레이저 다이오드 칩(530)이 구성된다.
도 6의 경우, 스템 바디(310)의 바로 표면상에 PTC 히터(130)가 접착제에 의해 부착된다. 즉, 도 6은 상기 스템 바디 표면상에 접착제를 이용하여 결합하는 방식을 보여준다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주위 온도 변화에 따른 PTC 히터의 온도 변화를 보여주는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 주위온도가 저온에서는 발열온도가 높고, 상온에서는 발열온도가 낮아지며, 고온에서는 발열하지 않게 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 주위 온도 변화에 ◎따른 광송수신기의 온도 변화를 종래 기술과 대비하여 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 광송수신기의 내부온도가 PTC 히터를 사용한 경우(800)와 PTC 히터를 사용하지 않은 경우(810)에 따라 분포되는 그래프를 보여준다. 부연하면, PTC 히터를 사용한 경우(800)가 PTC 히터를 사용하지 않은 경우(810)보다 기울기가 더 완만하다. 부연하면, 내부온도의 변화율이 심하지 않게 된다.
100,200: 광송수신기 110: TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly)
120: ROSA(Receiver Optical Sub-Assembly)
130: PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터
140: 레이저 구동부 150: POST AMP
160: I/O 포트 210: 제어 회로부
211: 스위칭부 213: 써미스터
215: 저항 520: 포토 다이오드
530: 레이저 다이오드칩 600: 미러

Claims (6)

  1. 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드와 결합되는 스템 바디;
    상기 스템 바디와 결합되어 자체 발열하며, 두께가 0.2 내지 1.00mm 인 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터; 및
    상기 레이저 다이오드를 구동하는 레이저 구동부;
    를 포함하여 구성하되,
    상기 스템 바디와 상기 PTC 히터의 결합은
    상기 PTC 히터에 다수의 홀을 형성시키고 상기 홀에 삽입되는 리드 핀을 이용하여 결합하는 방식,
    상기 스템 바디 표면상에 접착제를 이용하여 결합하는 방식, 또는
    상기 레이저 다이오드 반대편에 접착제를 이용하여 결합하는 방식 중 선택되는 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기.
  2. 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드와 결합되는 스템 바디;
    상기 스템 바디와 결합되어 자체 발열하며, 두께가 0.2 내지 1.00mm 인 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터;
    상기 PTC 히터를 제어하는 제어 회로부; 및
    상기 레이저 다이오드를 구동하는 레이저 구동부;
    를 포함하여 구성하되,
    상기 스템 바디와 상기 PTC 히터의 결합은
    상기 PTC 히터에 다수의 홀을 형성시키고 상기 홀에 삽입되는 리드 핀을 이용하여 결합하는 방식,
    상기 스템 바디 표면상에 접착제를 이용하여 결합하는 방식, 또는
    상기 레이저 다이오드 반대편에 접착제를 이용하여 결합하는 방식 중 선택되는 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 PTC 히터는 BaTiO3 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 회로부는,
    상기 PTC 히터의 온도를 감지하는 써미스터;
    상기 써미스터에 의해 온 또는 오프하여 상기 PTC 히터에 전원을 제공하는 스위칭부; 및
    제공되는 전원의 세기를 조절하는 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도에 따라 자체 발열을 제어하는 광송수신기.
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