KR101626785B1 - 수신 광 경로 확장 렌즈형 반사기를 포함하는 양 방향 광 서브어셈블리 - Google Patents

수신 광 경로 확장 렌즈형 반사기를 포함하는 양 방향 광 서브어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CWDM 광 전송 시스템에서 사용되는 양 방향 광 서브어셈블리의 송신 및 수신 파장의 간격을 20nm 까지 줄일 수 있는 방안으로서, 렌즈형 반사 미러를 갖는 구조를 제안하며, 렌즈형 반사 미러를 이용하여 수신 광의 경로를 최대한 길게 할 수 있는 장치를 모색하고, 최대한 조립성 및 양산성을 확보할 수 있는 방법을 제안하는 것이다.
또한, 본 발명의 양 방향 광 서브어셈블리는, 스터브 이후의 상기 광 경로 상에 배치되는 WDM 필터, 및 렌즈형 전반사 미러, 그리고 대역 통과 필터(band pass filter)형의 CWDM 필터를 포함한다. 이 경우 스터브에서 방출된 수신 광 신호는 WDM 필터에서 반사되어 렌즈형의 반사기가 1차 렌즈의 역할을 수행하여 다시 전체 광이 퍼지지 않고 재 집속되어 0o 필터를 통과하기 때문에 전체 광 경로가 길이지는 특성이 있다.

Description

수신 광 경로 확장 렌즈형 반사기를 포함하는 양 방향 광 서브어셈블리 {Bidirectional optical sub-assembly having lens-type reflecter for extending receiving light path}
본 발명은 광 전송망에 있어서, 특히 양 방향 광 모듈이 적용된 광 전송망에서 송신 및 수신 광 파장이 인접한 경우에 광을 분리하는 광 서브어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LD 칩을 내장한 티오-캔(TO-can)과, PD 칩을 내장한 티오-캔(TO-can)이 T 타입 하우징에 직각 방향으로 연결되고, 하우징 내부에 원하는 파장을 반사 혹은 투과시키는 파장분할 다중화 필터가 설치되어 양 방향 통신이 가능한 양 방향 광 서브어셈블리의 광 경로에 WDM 필터(Wavelength division multiplexer filter)와 렌즈 특성을 갖는 미러(lensed mirror)를 동시에 설치함으로써, 20nm 정도의 파장 간격을 갖는 송/수신 파장을 분리할 수 있는 양 방향 광 서브어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로, 인터넷(Internet)의 급속한 확산으로 영상 및 화상 중심의 서비스가 급증하면서 광 전송망의 고속화에 대한 요구 또한 커지고 있다. 현재 영상 서비스는 인터넷 트래픽(traffic)의 약 40%를 차지하고 있고, 2014년에는 전체의 90% 이상을 차지할 것으로 예상된다.
특히 높은 대역폭을 요구하는 고화질 텔레비전(HDTV), 3D 텔레비전(3D TV), 주문형 비디오(VOD: Video On Demand), 실시간 비디오(Real-time video) 등을 수용하기 위해서는 가까운 미래에 각 가입자에게 1 Gbps 이상의 대역폭을 제공하면서 높은 서비스 품질(Qos: Quality of Service)을 보장할 수 있어야 한다.
이러한 요구에 힘입어 대용량의 신호를 낮은 비용으로 전송하기 위해서는 광 전송망에서 다양한 종류의 CWDM 파장의 광원을 사용하여야 하기 때문에 전체 광 전송망에는 전체 18개의 CWDM 파장의 광 신호가 전달되고 있다. 그러나 이와 같은 광 전송망에 사용되는 양 방향 통신용 광 모듈에 사용되는 서브어셈블리는 송신 광 신호와 수신 광 신호를 분리하는 45o WDM 필터(filter)의 한계 때문에 60nm 정도의 파장 간격을 유지하는 경우에만 송/수신 특성에 한계 없이 구현할 수 있다.
도 1에 일반적으로 사용되는 양 방향 광 서브어셈블리(100) 구조를 나타내고 있다. 도 1을 참조하면, 송신 광 신호(107)의 경우, LD 칩(109)에서 방출된 광 신호는 비구면 렌즈(108)에 의해 집속되어 45o WDM 필터(106)를 통과하여 광파이버를 내장한 스터버(101)에 커플링(coupling) 된다. 수신 광 신호(104)의 경우, 스터버(101)에서 방출된 광 신호는 45o WDM 필터(106)에서 반사되어 0o 필터(102)에서 수신 파장만 필터링 된 후에 PD 티오-캔(TO can)의 볼 렌즈(105)에 집속되어 전기 신호로 변환된다.
이와 같은 구성의 양 방향 광 서브어셈블리(100)에서 사용되는 45o WDM 필터(106)가 투과하는 파장 대역의 송신 광 신호(107)와 반사하는 파장 대역의 수신 광 신호(104)에서 20dB 이상의 격리(isolation) 특성을 유지하는 것이 필요한데, 이와 같은 특성 갖기 위해서는 송신 및 수신 대역의 광 파장이 최소 40nm 이상 유지되어야 하고, 양산성을 확보하기 위해서는 60nm 정도의 파장 차이가 유지되어야 한다.
그러나 종래 기술에 의한 양 방향 광 서브어셈블리(100)에 의하면, 수신 광이 스터브(101)의 광파이버와 충분한 공간을 가지고 분리되지 않고, 상기 수신 광 경로가 짧아 60nm 정도의 파장 간격을 갖는 송/수신 파장을 분리할 수 없는 한계가 있다.
등록특허 제1295177호
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 CWDM 광 전송 시스템에서 사용되는 양 방향 광 서브어셈블리의 송신 및 수신 파장의 간격을 20nm 까지 줄일 수 있는 방법으로써 렌즈형 반사 미러를 갖는 구조를 제안하여, 렌즈형 반사 미러를 이용하여 수신 광 신호의 광 경로를 최대한 길게 할 수 있는 방안을 모색하고, 최대한 조립성 및 양산성을 확보할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 양 방향 서브어셈블리는, 45o WDM 필터를 사이에 두고, 상기 45o WDM 필터에 의하여 투과되는 송신 광 결합계와, 상기 45o WDM 필터에 의하여 반사되는 수신 광 결합계를 포함하는 양 방향 광 서브어셈블리에 있어서, 상기 수신 광 결합계는, 상기 45o WDM 필터에서 반사된 수신 광을 재 반사 및 집속하는 볼록 렌즈형 반사기, 및 재 반사 및 집속 상기 수신 광을 재 집속하여 투과하는 0o CWDM 필터를 포함하여 구성된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 렌즈형 반사 미러를 이용할 경우의 양 방향 광 서브어셈블리는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 광 경로 상에서 렌즈형 반사기를 채택함으로써, 실질적으로 기존의 광 서브어셈블리에서 문제가 되는 수광부의 짧은 광 경로 때문에 문제가 되는 조립성의 문제와 부품간의 간섭으로 인한 결합 효율의 제약을 제거할 수 있기 때문에 기존의 송/수신 파장 간격이 좁은 제품의 경우에 발생하는 양산성의 문제가 해결될 수 있다.
둘째, 렌즈형 반사기가 2차 렌즈의 역할을 하기 때문에, 전체 수신 광 신호의 광 경로를 길게 설계하여 반사형 렌즈의 초점거리를 적절히 조절함으로써 PD 칩을 내장한 티오-캔 앞단의 0o CWDM 필터에 대한 수신 광의 입사각(AOI)을 실질적으로 0o에 맞도록 입사시킬 수 있으므로 콘(cone) 형태의 수신 광이 입사될 경우에 비하여 우수한 파장 특성을 얻을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 양 방향 광 서브어셈블리의 배치도.
도 2는 본 발명에 의한 반사형 미러를 이용한 양 방향 광 서브어셈블리의 배치도.
도 3은 본 발명에 의한 볼록 렌즈형 반사기를 장착한 양 방향 광 서브어셈블리의 배치도.
도 4는 본 발명에 의한 오목 렌즈형 반사기를 장착한 양 방향 광 서브어셈블리의 배치도.
도 5는 본 발명에 의한 콜리메이팅(collimating) 렌즈형 반사기를 장착한 양 방향 광 서브어셈블리의 배치도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 기본 원리를 다시 한 번 설명하고, 여러 가지 실시 예를 소개하기로 한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 양 방향 광 서브어셈블리는, 스터브 이후의 수신 광 경로 상에 배치되는 WDM 필터 및 렌즈형 전반사 미러, 그리고 수신부의 파장을 결정하는 대역 통과 필터(band pass filter)형의 CWDM 필터를 포함할 수 있다. 이 경우 스터브에서 방출된 수신 광 신호는 WDM 필터에서 반사되어 2차 렌즈의 역할을 수행하는 렌즈형 반사기에 의하여 다시 재 집속되어 0o 필터를 통과하기 때문에 전체 광 경로가 길어지게 만드는 특성을 이용한 것이다. 전체 광 경로가 길어지기 때문에 PD 칩을 내장한 티오-캔(TO-can)의 공간에 대한 제약이 매우 적어진다. 또한 렌즈형 반사기의 초점거리에 파이버를 위치시킨다면, 0o 필터를 통과하는 광 신호의 입사각(AOI)을 0o로 만들 수 있기 때문에 더욱 우수한 CWDM 필터의 특성을 얻을 수 있다. 1차 렌즈에 의한 광 집속이 이루어진 후에 2차 렌즈의 집속으로 광 신호를 PD 칩 상에 집속하기 때문에 수신감도 또한 향상시킬 수 있으며, 공간적으로 제약이 없기 때문에 송신 광의 결합 구조를 자유롭게 설계할 수 있다.
이에 본 발명은, 파장 간격이 매우 좁은 경우의 송/수신 광을 분리하는 기능을 개선하기 위하여, 송/수신 파장을 분리하는 WDM 필터의 입사각(AOI)을 작게 하고, 양 방향 광 서브어셈블리에 추가적인 광 반사 부품이 추가되는 구조를 제안하게 된다.
<제1실시예>
도 2를 참조하면, 본 발명의 양 방향 서브어셈블리(200)는, 송신 광(P)을 생성하는 LD 칩(210), 송신 광(P)을 집속하는 비구면 렌즈(220), 송신 광(P)이 커플링 되는 광파이버 스터버(230), 송신 광(P)을 투과하거나 수신 광(R)을 반사하는 45o WDM 필터(240), 고반사률(high reflection)로 코팅된 반사면을 구비하여 45o WDM 필터(240)에서 반사된 수신 광(R)의 경로를 확장시키는 반사기(250), 반사기(250)에서 반사된 수신 광(R)의 파장을 결정하는 협대역의 투과 특성의 0o CWDM 필터(260), 0o CWDM 필터(260)를 투과한 수신 광(R)을 재재 집속하는 볼 렌즈(270), 및 볼 렌즈(270)에서 재 집속된 상기 수신 광(R)이 광전 변환되는 PD 칩(280)을 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 양 방향 서브어셈블리 구조에서 WDM 필터(240)의 입사각(Angle of Incident)을 10o 정도로 낮게 설계하여 송/수신 광 신호의 파장 간격이 좁은 경우에도 원하는 송/수신 파장 대역의 격리(isolation) 특성을 얻을 수 있다.
수신 광(R) 신호의 반사면을 가지는 반사기(250)를 사용하는 경우, WDM 필터(240)에서 반사된 수신 광(R) 신호가 다시 반사면에서 반사되어 PD 칩(280)을 내장한 티오-캔(TO-can)으로 입사되기 때문에 전체적으로 수신 광(R) 경로가 길어지기는 하나, WDM 필터(240)와 반사기(250)를 스터브(230) 단면에 최대한 밀착하여 조립하여야 하기 때문에, 공간적으로 협소하여 조립이 곤란할 수 있고 반사기(250)의 경계 부분이 송신 광(P) 신호의 광 경로와 매우 근접하게 되므로 광 결합 효율성을 저하시켜 제작 수율에 영향을 미칠 우려가 있기 때문에 광 결합 효율성을 더 개선하기 위하여 아래와 같은 렌즈형 반사기 구조를 제안한다.
<제2실시예>
도 3을 참조하면, 본 발명의 양 방향 서브어셈블리(300)는, 송신 광(P)을 생성하는 LD 칩(310), LD 칩(310)의 전방에 설치되어 송신 광(P)을 집속하는 비구면 렌즈(320), 송신 광(P)이 커플링 되는 광파이버 스터버(330), 비구면 렌즈(320)에서 집속된 송신 광(P)을 투과시키고 스터버(330)에서 방출되는 수신 광(R)을 반사시키는 45o WDM 필터(340), 45o WDM 필터(340)에서 반사된 수신 광(R)을 재 집속하여 반사하는 볼록 렌즈형 반사기(350), 반사기(350)에서 반사된 수신 광(R)의 파장을 결정하는 협대역의 투과 특성의 0o CWDM 필터(360), 0o CWDM 필터(360)를 투과한 수신 광(R)을 재재 집속하는 볼 렌즈(370), 및 볼 렌즈(370)에서 재재 집속된 상기 수신 광이 광전 변환되는 PD 칩(380)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 볼록 렌즈형 반사기(350)는, 전면에 수신 광을 집속하는 볼록 렌즈를 구비하고, 배면에 전 파장 영역에서 반사 특성을 가지는 반사면을 가지는 미러를 포함할 수 있다.
광원 LD 칩(310)에서 출력된 송신 광(P) 신호는 45o WDM 필터(340)를 통하여 광파이버의 스터브(330)로 입사된다. 이 경우, 송신 광(P) 파장의 경우에는 공간적으로 배치된 기타 기구물이 차단되는 경우만 없으면, 무반사 코팅면(AR coating)을 통하여 전달되므로 거의 반사 없이 광파이버의 스터브(330)에 입사된다. 광파이버의 스터브(330)에서 방출된 수신 광(R) 신호는 45o WDM 필터(340)에서 반사되어 볼록 렌즈형 반사기(350)에 의해 재 집속된다. 재 집속된 수신 광(R) 신호는 특정 대역에서 투과 특성을 갖는 0o CWDM 필터(360)를 지나 PD 칩(310)을 내장한 티오-캔(TO-can) 상의 볼 렌즈(370)에서 재재 집속되어 전기신호로 변환된다. 이 경우에 렌즈형 반사기(350)의 초점거리에 광파이버를 위치시키면 콜리메이팅(collimating) 광 신호를 얻을 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 양 방향 서브어셈블리(300)에 의하면, LD 칩(310)에서 출사되는 송신 광(P) 경로 상에 45o WDM 필터(106)를 설치하여 송신 광 결합계를 형성하고, 수신 광(R) 경로로서 45o WDM 필터(106)에서 반사된 수신 광(R)이 렌즈형 반사기(350)에서 반사되어 수신 광(R)의 파장을 결정하는 협대역의 투과 특성을 갖는 0o CWDM 필터(360)를 통하여 PD 칩(380)으로 연결되는 수신 광 결합계를 구성 배치할 수 있다.
따라서 이와 같은 구성에 의하면, 렌즈형 반사기(350)에서 반사 및 재 집속되는 과정에서 전체 수신 광(R)의 광 경로를 확장할 수 있다. 이처럼 광 경로가 확장되면, 공간적으로 부품 배치가 용이하여 조립성이 우수하므로 제작 수율과 양산성이 개선될 수 있다.
<제3실시예>
도 4를 참조하면, 본 발명의 양 방향 서브어셈블리(400)는, 송신 광(P)을 생성하는 LD 칩(410), 송신 광(P)을 집속하는 비구면 렌즈(420), 송신 광(P)이 커플링 되는 광파이버 스터버(430), 송신 광(P)은 투과시키고, 수신 광(R)은 반사시키는 45o WDM 필터(440), 상기 반사된 수신 광(R)을 재 집속하여 반사하는 오목 렌즈형 반사기(450), 상기 반사된 수신 광(R)의 파장을 결정하는 협대역의 투과 특성의 0o CWDM 필터(460), 상기 투과한 수신 광(R)을 재재 집속하는 볼 렌즈(470), 및 상기 재재 집속된 상기 수신 광(R)이 광전 변환되는 PD 칩(480)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 오목 렌즈형 반사기(450)는, 전면에 수신 광을 집속하는 오목 렌즈를 구비하고, 배면에 전 파장 영역에서 반사 특성을 가지는 반사면을 가지는 미러를 구비할 수 있다. 혹은 전면에 반사면을 구비하여 수신 광을 반사시키는 오목 미러를 구비할 수 있다.
이와 같은 오목 렌즈형 반사기(450)는, 스터버(430)가 일 측에 설치되고, LD 칩(410)이 스터버(430)의 반대 측에 설치되며, 스터버(430)와 LD 칩(410)의 직각 방향으로 PD 칩(480)이 설치되며, 오목 렌즈형 반사기(450)는 PD 칩(480)의 반대 측에 설치됨으로써, 상기 수신 광(R) 경로가 확장되는 효과가 있다.
<제4실시예>
본 발명의 양 방향 서브어셈블리(500)는, LD 칩(510)에서 출사되는 송신 광(P) 경로 상에 45o WDM 필터(540)를 설치하여 송신 광 결합계를 형성하고, 수신 광(R) 경로로써 45o WDM 필터(540)에서 반사된 수신 광(R)이 렌즈형 반사기(550)에서 반사되어 그 사이에 협대역의 투과 특성을 갖는 0o CWDM 필터(560)를 배치하여 광전 변환하는 PD 칩(580)의 광 결합계를 구성한다.
특히 렌즈형 반사기(550)의 초점에 0o CWDM 필터(560)를 배치하여, 수신 광(R)을 콜리메이팅(collimating) 빔 형태로 만들어 이상적으로 0o의 입사각(AOI)을 갖는 0o CWDM 필터(560)를 통과하도록 하여 사용된 BPF의 특성을 최대한으로 활용하여 수신부의 특성인 수신 감도를 최대로 얻을 수 있도록 할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 광 모듈 부품 중에 핵심이 되고, 광 모듈의 기본 부품인 TO(transistor outline) 패키지를 이용하여 조립되는 양 방향 광 서브어셈블리(bidirectional optical sub-assembly)의 구조를 개선하여 양 방향 송수신이 가능한 파장의 간격을 20nm 정도로 낮추어 CWDM 전 파장의 레이저 다이오드를 이용하여 양 방향 광 서브어셈블리를 제작할 수 있는 방안으로써 렌즈형 반사기를 이용하여 구성하는 것을 기술적 사상으로 하고 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
200, 300, 400, 500: 양 방향 서브어셈블리
210, 310, 410, 510: LD 칩
240, 340, 440, 540: 45o WDM 필터
250, 350, 450, 550: 반사기
260, 360, 460, 560: 0o CWDM 필터
280, 380, 480, 580: PD 칩

Claims (10)

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  4. 송신 광을 생성하는 LD 칩;
    상기 LD 칩의 전방에 설치되어 상기 송신 광을 집속하는 비구면 렌즈;
    상기 송신 광이 커플링 되는 광파이버 스터버;
    상기 비구면 렌즈에서 집속된 송신 광을 투과시키고, 상기 스터버에서 방출되는 수신 광을 반사시키는 45o WDM 필터;
    상기 45o WDM 필터에서 반사된 상기 수신 광을 재 집속하는 볼록 렌즈형 반사기;
    재 집속된 상기 수신 광의 파장을 결정하는 협대역의 투과 특성의 0o CWDM 필터;
    상기 0o CWDM 필터를 투과한 상기 수신 광을 재재 집속하는 볼 렌즈; 및
    재재 집속된 상기 수신 광을 광전 변환하는 PD 칩을 포함하고,
    상기 볼록 렌즈형 반사기는,
    전면에 상기 수신 광을 집속하는 볼록 렌즈; 및
    배면에 전 파장 영역에서 반사 특성을 가지는 반사면을 가지는 미러를 포함하고,
    상기 볼록 렌즈형 반사기는, 상기 스터버에서 광 신호가 방출되는 위치가 볼록 렌즈의 초점에 위치되도록 하여, 상기 볼록 렌즈형 반사기에서 재 집속된 상기 수신 광이 콜리메이팅(collmating) 형태로 상기 0o CWDM 필터를 통과하여 구성됨을 특징으로 하는 양 방향 서브어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 볼록 렌즈형 반사기는, 상기 스터버가 일 측에 설치되고, 상기 LD 칩이 상기 스터버의 반대 측에 설치되며, 상기 스터버와 상기 LD 칩의 직각 방향으로 상기 PD 칩이 설치되며, 상기 볼록 렌즈형 반사기는 상기 PD 칩의 반대 측에 설치됨으로써, 상기 수신 광 경로가 확장되는 것을 특징으로 하는 양 방향 서브어셈블리.
  6. 삭제
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  9. 송신 광 경로의 일 측에 광파이버 스터브가 설치되고, 상기 스터브의 반대 측에 LD 칩이 설치되며, 상기 스터브와 상기 LD 칩 사이에 직각 방향으로 PD 칩이 설치됨으로써, 광 신호를 전기 신호로 혹은 그 반대로 변경하는 양 방향 광 서브어셈블리에 있어서,
    상기 LD 칩과 상기 스터브의 상기 송신 광 경로 상에 설치되는 45o WDM 필터;
    상기 45o WDM 필터와 상기 PD 칩의 수신 광 경로 상에 설치되되, 상기 PD 칩의 반대 측에 설치되는 오목 렌즈형 반사기; 및
    상기 수신 광 경로 상의 상기 PD 칩 전방에 설치되는 0o CWDM 필터를 포함하고,
    상기 오목 렌즈형 반사기는 전면에 광을 집속하는 오목 렌즈를 구비하고, 배면에 전 파장 영역에서 반사 특성을 가지는 반사면을 가지는 미러를 구비하며,
    상기 오목 렌즈형 반사기는, 상기 스터브에서 광 신호가 방출되는 위치가 오목 렌즈의 초점에 위치되도록 하여, 상기 오목 렌즈형 반사기에서 재 집속된 상기 수신 광이 콜리메이팅(collmating) 형태로 상기 0o CWDM 필터를 통과하여 구성됨을 특징으로 하는 양 방향 서브어셈블리.
  10. 삭제
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