KR101507376B1 - 빔 확장형 광섬유 연결장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 연결장치에 관한 것으로 특히 광섬유 연결시 렌즈를 이용하여 확장된 빔의 형태로 광신호를 전달하는 비접촉식 빔 확장형 광섬유 연결장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 빔 확장형 광섬유 연결 장치는 제1 광섬유에서 출력된 광신호를 평행광으로 바꾸는 적어도 두 개의 렌즈로 구성된 제1 복합렌즈, 상기 제1 복합렌즈에서 출력된 광신호를 집광하여 제2 광섬유로 전달하는 적어도 두 개의 렌즈로 구성된 제2 복합렌즈를 포함한다.

Description

빔 확장형 광섬유 연결장치{Expanded beam interconnects based on compound-lens}

본 발명은 광섬유 연결장치에 관한 것으로 특히 광섬유 연결시 렌즈를 이용하여 비접촉방식으로 광신호를 전달하는 비접촉식 광섬유 연결장치에 관한 것이다.

일반적으로 초고속으로 대용량의 정보를 장거리 전송하기 위해 유리 또는 플라스틱 재질로 이루어진 광섬유를 이용한 광통신이 활용되고 있다. 또한 최근 기존 금속 도선을 기반으로 하는 다양한 기기 사이의 인터페이스 및 기기 내부의 데이터 통신에도 대역폭, 경량화 및 소형화 등의 장점으로 인하여 광섬유 기반의 신호 전송 방법이 도입되고 있다. 이처럼 광섬유 기반의 통신 응용 분야가 확대됨에 따라 광섬유 간의 연결을 위한 광커넥터 또한 다양한 환경에서 높은 신뢰성 및 간편한 조작성이 요구되고 있다.

현재 일반적인 광커넥터는 광섬유를 내장하는 플러그부와 이것을 연결하는 어댑터부로 구성되며, 두 개의 광섬유 코어가 초정밀 상태로 정렬되어 연결되는 접촉 방식으로 이루어진다. 하지만 이러한 접촉 방식의 광커넥터는 반복하여 접속하거나 끊는 경우 또는 광커넥터 내부를 청소한 후 다시 연결하는 경우 매우 작은 미세 먼지나 오물에 의해 코어의 접촉이 방해되며, 이로 인해 신호 전달이 어려워진다는 단점이 있다. 또한 접촉 방식의 광커넥터는 커넥터 양단간 매우 정밀한 정렬이 요구되기 때문에 실외와 같은 설치 환경이 변화무쌍한 경우에서는 사용하기 어려운 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하여 다양한 환경에서도 높은 신뢰성이 확보되는 비접촉방식의 빔 확장형 광 광커넥터가 개발되고 있다. 빔 확장형 광커넥터는 광섬유로부터 출력되는 광신호를 렌즈를 통해 평행빔으로 성형하여 출력하는 송신부와 평행빔을 집광하여 광 신호를 광섬유에 커플링시키는 수신부로 이루어져 있다.

한국등록특허 제1137229호(발명의 명칭: 비접촉식 광섬유 연결장치)는 몸체를 직선으로 관통하는 관통공이 형성되고, 그 관통공에 제1광섬유가 삽입된 제1페룰, 상기 제1페룰의 선단에서 이격되어 구비되는 제1렌즈, 몸체를 직선으로 관통하는 관통공이 형성되고, 그 관통공에 제2광섬유가 삽입된 제2페룰, 상기 제2페룰의 선단에서 이격되어 구비되며, 상기 제1렌즈와 마주보면서 서로 이격되어 위치하는 제2렌즈로 구성되며, 상기 제1광섬유 또는 제2광섬유의 전방부는 선단으로 갈수록 외경이 커지는 확산부를 가지는 것을 특징으로 하는 비접촉식 광섬유 연결장치를 제안하고 있다.

위와 같은 기존 비접촉방식의 빔 확장형 광섬유 연결장치의 경우 확장된 크기의 평행빔을 통해 신호가 전송되기 때문에 두 렌즈간의 허용 정렬 오차가 크기 때문에 반복적인 연결이 용이하며, 미세 먼지나 스크래치 등 거친 환경에서도 높은 신뢰성을 확보할 수 있다는 장점을 갖는다. 하지만, 제작시 광섬유의 코어가 렌즈의 초점 위치에 매우 정밀하게 정렬되어야 하는 어려움이 있다. 또한 일반적으로 렌즈의 색수차로 인해 광 파장별 초점의 위치가 변화하기 때문에 다양한 파장에 응용되기 어려운 한계점을 갖는다.

한국등록특허 제1137229호 미국등록특허 제6,012,852호 미국등록특허 제7,7757725호 미국등록특허 제7,722,261호 미국등록특허 제7,104,701호 국제공개특허 제2011/014264호 국제공개특허 제2007/119036호 유럽등록특허 제2,270,561호

본 발명은 종래의 상술한 문제점을 해결하기 위해 광섬유의 코어가 렌즈의 초점 위치에 효율적으로 정렬되어 광신호를 전달할 수 있는 빔 확장형 광섬유 연결장치를 제안함에 있다.

본 발명은 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위해 광섬유 간 비접촉식 광결합하는 경우 높은 광결합 효율, 큰 공차를 제공하며, 색수차를 완화하여 넓은 파장대역에서 응용될 수 있는 빔 확장형 광섬유 연결장치를 제안함에 있다.

이를 위해 본 발명의 빔 확장형 광섬유 연결 장치는 제1 광섬유에서 출력된 광신호를 평행광으로 바꾸는 적어도 두 개의 렌즈로 구성된 제1 다중렌즈, 상기 제1 다중렌즈에서 출력된 광신호를 집광하여 제2 광섬유로 전달하는 적어도 두 개의 렌즈로 구성된 제2 다중렌즈를 포함한다.

본 발명에 따른 빔 확장형 광섬유 연결 장치는 제1 광섬유로부터 출력되는 광을 평행광으로 바꾸기 위한 제1 주렌즈와 평행광을 집광하여 제2 광섬유로 전달하는 제2 주렌즈의 적어도 일측에 설정된 굴절률과 곡률을 갖는 보조렌즈를 형성함으로써 광커넥터의 광결합 효율을 향상시키며, 제작시 렌즈와 광섬유간 큰 정렬 공차를 확보할 수 있게 된다.

또한 본 발명의 빔 확장형 광섬유 연결 장치는 보조렌즈가 결합된 제1 주렌즈가 제1 광섬유의 광축에 배치되고 광섬유의 종단과 닿았을 때 최적의 광 정렬이 되는 보조렌즈를 주렌즈에 결합함으로써 각 구성품의 수동 정렬시 렌즈와 광섬유의 거리를 고려하지 않아도 된다는 장점이 있다.

부가하여 본 발명의 빔 확장형 광섬유 연결 장치는 보조렌즈를 접착제로 형성함으로써 구성품을 단단하게 고정시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결 장치의 구성을 도시한 도면이다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결 장치의 구성을 도시한 도면이다. 이하 도 1을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결 장치의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 1에 의하면, 빔 확장형 광섬유 연결장치는 광신호를 출력하는 제1 광섬유, 제1 주렌즈, 제2 주렌즈, 제1 보조렌즈 내지 제4 보조렌즈, 제2 광섬유를 포함한다. 일실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결장치에서 제 1주렌즈, 제2 주렌즈는 구형렌즈로 구성된다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 빔 확장형 광섬유 연결장치에 포함될 수 있다.

이하에서는 먼저 제1 보조렌즈 내지 제4 보조렌즈가 포함되지 않고, 제1 주렌즈와 제2 주렌즈만 포함된 빔 확장형 광섬유 연결장치에 대해 알아보기로 한다.

제1 주렌즈는 제1 광섬유에서 출력되는 광신호를 평행광으로 만들기 위해 제1 광섬유의 광축으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치되어야 한다. 이격 거리와 제1 주렌즈로부터 출광되는 광신호의 폭은 제1 주렌즈의 직경과 굴절률에 의해 결정된다. 또한 제1 주렌즈에서 출광된 광신호를 집광하여 제2 광섬유의 코어에 전달하기 위해서는 제2 주렌즈가 제2 광섬유와 일정 거리 이격된 위치에 배치되어야 한다. 이와 같이 제1 주렌즈로부터 출광된 광신호를 평행광으로 만들기 위해 이격 거리에 제한이 있으며, 이격 거리에 따라 광결합 효율이 달라질 수 있다. 따라서 렌즈의 직경 및 굴절률에 의해 광섬유와 렌즈, 렌즈와 렌즈 사이의 이격 거리가 제한되기 때문에 렌즈를 최적에 위치에 배치하는데 어려움이 있다. 또한 광 파장별로 렌즈의 굴절률이 달라 초점 위치가 변화하여 최적의 이격 거리가 달라지기 때문에 여러 파장에서 응용되기 어렵다.

이하에서는 도 1을 이용하여 본 발명에서 제안하는 빔 확장형 광섬유 연결장치에 대해 알아보기로 한다. 제1 광섬유(111)에서 출력되는 광신호를 평행광으로 바꾸는 렌즈를 제1 복합렌즈라(141)하며, 제1 복합렌즈로부터 입력받은 광신호를 집광하는 렌즈를 제2 복합렌즈(142)라 한다.

제1 광섬유(111)는 내부에 광신호가 전달될 수 있는 코어를 형성하고 있다. 이하에서는 제1 광섬유(111)에서 출광되는 광신호를 제1 광신호(a)라 한다. 제1 주렌즈(121)는 제1 광섬유(111)의 광축으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치된다. 제1 주렌즈(121)는 제1 굴절률과 제1 곡률을 갖는 구형렌즈로 구성된다.

본 발명은 제1 주렌즈(121)의 전단에 제1 보조렌즈(131), 후단에 제2 보조렌즈(133)가 형성된 빔 확장형 광섬유 연결장치를 제안한다. 제1 보조렌즈(131)는 제2 굴절률과 제2 곡률을 가지며, 제2 보조렌즈(133)는 제3 굴절률과 제3 곡률을 갖는다.

제1 보조렌즈(131)와 제2 보조렌즈(133)는 제1 주렌즈(121)와 밀착되도록 배치되는 것이 바람직하지만, 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.

이와 같이 제1 주렌즈(121) 양단에 제1 보조렌즈(131)와 제2 보조렌즈(133)가 배치되는 경우, 제2 보조렌즈(133)로부터 출광되는 광신호를 평행광으로 만들기 위해 제1 광섬유(111)로부터 일정 거리 이격된 위치에 상기 렌즈들이 배치된다. 이 때 이격 거리와 제2 보조렌즈(133)에서 출광되는 광신호의 폭은 제1 주렌즈(121)의 직경과 굴절률, 제1 보조렌즈(131)의 굴절률과 두께 및 단면의 곡률, 제2 보조렌즈(133)의 굴절률과 두께 및 단면의 곡률에 의해 결정된다. 따라서 제1 주렌즈(121)의 직경과 굴절률을 고정시킨 상태에서 제1 보조렌즈(131), 제2 보조렌즈(133)의 형상 및 굴절률을 조절함으로써 커넥터의 기구 설계에 부합하도록 이격 거리를 가변시킬 수 있다. 즉, 제1 광섬유(111)와 제2 광섬유(112)의 이격 거리가 상이한 경우에도 동일한 제1 주렌즈(121)를 사용한 상태에서 상이한 형상 또는 굴절률을 갖는 제1 보조렌즈(131) 또는 제2 보조렌즈(133)를 사용하여 제1 광섬유(111)와 제2 광섬유(112) 사이에 상이한 이격 거리를 갖는 광 섬유를 광결합 할 수 있다.

또한, 주 렌즈와 상이한 굴절률을 갖는 보조렌즈를 이용함으로써, 주 렌즈의 굴절률 및 곡률, 보조렌즈의 곡률 및 굴절률를 적절히 조절하여 파장에 따른 초점 변화(색수차)를 최소화 하여 넓은 파장대역에서 단일 제품으로 응용이 가능하다.

또한 도 1은 제1 보조렌즈(131)와 제2 보조렌즈(133)의 곡률이 제1 주렌즈(121)의 곡률보다 작은 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상술한 바와 같이 제1 보조렌즈(131)와 제2 보조렌즈(133)의 곡률은 제1 주렌즈(121)의 곡률보다 크거나 작도록 설계될 수 있다.

또한, 이격 거리가 '0'이 되도록 보조렌즈를 설계한 후 광섬유와 렌즈를 배치함에 있어 이격 거리를 고려하지 않고 광섬유와 렌즈를 밀착되도록 배치할 수 있다. 물론 이 경우 제2 보조렌즈(133)에서 출광되는 광신호(b)는 평행광이 된다. 이외에도 보조렌즈의 곡률, 두께 및 굴절률을 조절하며 제2 보조렌즈에서 출광되는 광신호의 워킹 디스턴스(Walking Distance)를 길게 조절하여 제1 광섬유 측에 배치되는 렌즈와 제2 광섬유 측에 배치되는 렌즈 사이의 거리를 넓힐 수 있으며, 광신호의 폭을 조절할 수 있다.

제2 광섬유(112)는 내부에 광신호가 전달될 수 있는 코어를 형성하고 있다. 제2 주렌즈(122)는 제2 광섬유(112)의 광축으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치된다. 제2 주렌즈(122)는 제1 굴절률과 제1 직경을 갖는 구형렌즈로 구성된다.

본 발명은 제2 주렌즈의 전단에 제3 보조렌즈(132), 후단에 제4 보조렌즈(134)가 형성된 빔 확장형 광섬유 연결장치를 제안한다. 제3 보조렌즈(132)는 제2 굴절률과 제2 직경을 가지며, 제4 보조렌즈(134)는 제3 굴절률과 제3 직경을 갖는다. 즉, 제3 보조렌즈(132)는 제1 보조렌즈(131)와 동일한 형상과 굴절률을 갖는 렌즈이며, 제4 보조렌즈(134)는 제2 보조렌즈(133)와 동일한 형상과 굴절률을 갖는 렌즈이다. 이하에서는 제4 보조렌즈로 입광되는 광신호를 제2 광신호(b)라 하며, 제3 보조렌즈(132)로부터 출광되는 광신호를 제3 광신호(c)라 한다.

제3 보조렌즈(132)와 제4 보조렌즈(134)는 제2 주렌즈(122)와 밀착되도록 배치되는 것이 바람직하지만, 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.

또한 광신호 전송 효율은 부품의 정렬 오차, 렌즈의 수차에 의해 광신호의 전송 효율이 낮아지나 보조렌즈의 두께, 곡률, 굴절률을 최적화하여 높일 수 있다.

또한 도 1은 주렌즈의 전단에 하나의 보조렌즈가 형성된 경우에 대해 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 주렌즈의 전단에 적어도 두 개의 보조렌즈를 형성할 수 있으며, 주렌즈의 후단 역시 적어도 두 개의 보조렌즈를 형성할 수 있다. 물론 이 경우 형성되는 보조렌즈의 굴절률, 두께, 곡률 중 어느 하나는 상이하도록 형성하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결장치의 구성을 도시한 도면이다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결장치의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 2에 의하면, 빔 확장형 광섬유 연결장치는 광신호를 출력하는 제1 광섬유, 제1 주렌즈, 제2 주렌즈, 제1 보조렌즈, 제2 보조렌즈, 제2 광섬유를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 빔 확장형 광섬유 연결장치에 포함될 수 있다.

도 2는 도 1과 달리 제1 주렌즈(121) 전단에 제1 보조렌즈(131)가 배치되며, 제2 주렌즈 전단에 제2 보조렌즈(132)가 배치된다. 제1 보조렌즈(131)와 제2 보조렌즈(132)는 일측이 평면 형태(곡률이 무한대)로 구성됨을 알 수 있다. 물론 보조렌즈의 두께 또는 굴절률을 조절하여 광섬유와 주렌즈 사이의 이격 거리를 조절할 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결장치의 구성을 도시한 도면이다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결장치의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 3에 의하면, 빔 확장형 광섬유 연결장치는 광신호를 출력하는 제1 광섬유, 제1 주렌즈, 제2 주렌즈, 제1 보조렌즈, 제2 보조렌즈, 제2 광섬유를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 빔 확장형 광섬유 연결장치에 포함될 수 있다.

도 3은 도 2와 동일하게 제1 주렌즈(121) 전단에 제1 보조렌즈(131)가 배치되며, 제2 주렌즈(122) 전단에 제2 보조렌즈(132)가 배치된다. 다만, 제1 보조렌즈(131)와 제2 보조렌즈(132)는 일측이 평면 형태로 구성되는 것이 아니라 일정한 곡률을 갖도록 설계된다. 물론 보조렌즈의 두께 또는 굴절률을 조절하여 광섬유와 주렌즈 사이의 이격 거리를 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결장치의 구성을 도시한 도면이다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 빔 확장형 광섬유 연결장치의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 4에 의하면, 빔 확장형 광섬유 연결장치는 광신호를 출력하는 제1 광섬유, 제1 주렌즈, 제2 주렌즈, 제1 보조렌즈, 제2 보조렌즈, 제2 광섬유를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 빔 확장형 광섬유 연결장치에 포함될 수 있다.

도 4는 도 2와 동일하게 제1 주렌즈(121) 전단에 제1 보조렌즈(131)가 배치되며, 제2 주렌즈(122) 전단에 제2 보조렌즈(132)가 배치된다. 다만, 제1 보조렌즈(131)와 제2 보조렌즈(132)는 제1 주렌즈(121) 또는 제2 주렌즈(122)와 밀착되도록 배치되는 것이 아니라, 제1 광섬유(111) 또는 제2 광섬유(112)와 밀착되도록 배치된다. 즉, 제1 보조렌즈(131)는 제1 광섬유(111)와 밀착되며, 제2 보조렌즈(132)는 제2 광섬유(112)와 밀착되도록 배치되므로 제1 보조렌즈(131)와 제2 보조렌즈(132)는 일측이 평면 형태로 설계된다.

물론 보조렌즈를 투명한 재질을 갖는 접착제로 형성할 수 있다. 이 경우 보조렌즈는 주렌즈와 광섬유를 단단히 고정시키는 역할을 동시에 수행할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

111: 제1 광섬유 112: 제2 광섬유
121: 제1 주렌즈 122: 제2 주렌즈
131 내지 134: 보조렌즈
141: 제1 복합렌즈 142: 제2 복합렌즈

Claims (8)

1. 제1 광섬유에서 출력된 광신호를 평행광으로 바꾸는 적어도 두 개의 렌즈로 구성된 제1 복합렌즈;
   상기 제1 복합렌즈에서 출력된 광신호를 집광하여 제2 광섬유로 전달하는 적어도 두 개의 렌즈로 구성된 제2 복합렌즈를 포함하며,
   상기 제1 복합렌즈는,
   설정된 곡률을 갖는 구형렌즈로 구성된 제1 주렌즈;
   상기 제1 주렌즈의 전단 또는 후단 중 적어도 어느 하나에 위치하며, 곡률, 두께 또는 굴절률 중 적어도 어느 하나가 상기 제1 주렌즈의 곡률, 두께 또는 굴절률가 상이한 제1 보조렌즈로 구성되며,
   상기 제1 보조렌즈의 일측면의 형상은 구형상을 가지며,
   상기 제1 보조렌즈는 광축을 중심으로 상기 광축 방향으로 절단한 단면의 형상은 모두 동일함을 특징으로 하는 빔 확장형 광섬유 연결장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 제2 복합렌즈는,
   설정된 곡률을 갖는 구형렌즈로 구성된 제2 주렌즈;
   상기 제2 주렌즈의 전단 또는 후단 중 적어도 어느 하나에 위치하며, 곡률, 두께 또는 굴절률 중 적어도 어느 하나가 상기 제2 주렌즈의 곡률, 두께 또는 굴절률가 상이한 제2 보조렌즈로 구성되며,
   상기 제2 보조렌즈의 일측면의 형상은 구형상을 가지며,
   상기 제2 보조렌즈는 광축을 중심으로 상기 광축 방향으로 절단한 단면의 형상은 모두 동일함을 특징으로 하는 빔 확장형 광섬유 연결장치.
   
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복합렌즈를 구성하는 제1 주렌즈와 제1 보조렌즈, 상기 제2 복합렌즈를 구성하는 제2 주렌즈와 제2 보조렌즈는 이격되어 있음을 특징으로 하는 빔 확장형 광섬유 연결 장치
   
6. 제 1항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복합렌즈를 구성하는 제1 보조렌즈 또는 상기 제2 복합렌즈를 구성하는 제2 보조렌즈의 일측의 곡률은 무한대임을 특징으로 하는 빔 확장형 광섬유 연결 장치.
   
7. 제 1항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복합렌즈를 구성하는 제1 보조렌즈 또는 상기 제2 복합렌즈를 구성하는 제2 보조렌즈가 광섬유의 단면에 형성되는 것을 특징으로 하는 빔 확장형 광섬유 연결 장치.
   
8. 제 1항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복합렌즈를 구성하는 제1 보조렌즈 또는 상기 제2 복합렌즈를 구성하는 제2 보조렌즈가 접착 물질로 구성됨을 특징으로 하는 빔 확장형 광섬유 연결 장치.

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