KR101723135B1 - 양방향 광송수신 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 광학적 인터페이스를 포함하는 홀더와, 송신신호를 출력하는 발광소자 및 제1광학렌즈를 포함하는 광송신부와, 수신신호를 수신하는 광수신부와, 상기 홀더와 광송신부 사이에 배치되어, 상기 송신신호는 투과하고 상기 수신신호는 반사하는 제1광학필터, 및 상기 홀더와 제1광학필터 사이에 배치되는 제2광학렌즈를 포함하는 광송수신 모듈을 개시한다.

Description

양방향 광송수신 모듈{Bi-directional optical module}

본 발명은 광통신에 사용되는 광송수신 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 광송수신 모듈은 각종 광통신 기능을 하나의 패키지 내에 수용하여 광섬유와 연결이 가능하도록 모듈화한 것을 말한다. 최근에는 전력 소비가 적고 장거리에 활용 가능한 레이저 다이오드를 광원으로 이용한 광송신기와, 포토 다이오드를 이용하여 광통신을 하는 광수신기를 하나로 모듈화한 양방향 광모듈이 주로 사용되고 있다.

종래 광송수신 광모듈은 광송신기, 광수신기, 스플리터(Splitter), 스터브를 포함한다. 광송신기에서 출력된 송신신호는 스플리터를 통과하여 스터브로 입사된다. 스터브에서 출력된 수신신호는 스플리터에 의해 반사되어 광수신기로 입사된다.

포트의 밀도를 높이기 위해, 하나의 SFP 케이스에는 2개의 광송수신 모듈이 배치된다. 그러나, 종래 광송수신 모듈은 광수신부에 집광렌즈가 배치되므로 상대적으로 크기가 커지는 문제가 있다. 따라서, 하나의 SFP 케이스에 2개의 모듈이 배치될 수 없는 문제가 있다.

미국공개특허 2009-0269067에서는 소형화가 가능한 광송수신 모듈을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 구성은 송신부와 수신부가 하나의 헤더에 배치되므로 정렬(Align)이 어렵고, 데이터 처리량을 늘리기 위해 고속(10Gbps 이상) 동작을 하는 소자를 제작할 경우 전기적 크로스토크(Electrical Crosstalk)가 발생하는 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예는, 광송신부와 광수신부가 분리된 종래 광송수신 모듈 구조이면서도 소형화가 가능한 광송수신 모듈을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈은, 광학적 인터페이스를 포함하는 홀더; 송신신호를 출력하는 발광소자, 및 제1광학렌즈를 포함하는 광송신부; 수신신호를 수신하는 광수신부; 상기 홀더와 광송신부 사이에 배치되어, 상기 송신신호는 투과하고 상기 수신신호는 반사하는 제1광학필터; 및 상기 홀더와 제1광학필터 사이에 배치되는 제2광학렌즈를 포함한다.

상기 제2광학렌즈의 배율은 상기 제1광학렌즈의 배율보다 작을 수 있다.

상기 홀더는 상기 제2광학렌즈가 배치되는 수용부를 포함한다.

상기 제2광학렌즈를 상기 홀더의 수용부가 고정하는 체결부재를 포함할 수 있다.

상기 제2광학렌즈는 볼 형상일 수 있다.

상기 제2광학렌즈의 굴절율은 1.4 내지 1.6이고, 직경은 0.8mm 내지 1.2mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광송수신 모듈의 소형화가 가능해져 하나의 SFP 케이스가 2개의 모듈이 배치될 수 있다.

또한, 광송신부와 광수신부가 분리되어 광 정렬이 용이하고, 고속 동작시에도 크로스토크가 개선된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈의 개략적인 구성을 도시한 도면이고,
도 2는 종래 광송수신 모듈의 개략적인 구성을 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈이 SFP 케이스에 배치된 상태를 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈에서 송신신호와 수신신호의 흐름을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 종래 광송수신 모듈에서 송신신호와 수신신호의 흐름을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 제2광학부재와 스터브 사이의 거리 변화에 따른 제2광학부재와 수광소자의 거리 변화를 설명하기 위한 그래프이고,
도 7은 제2광학부재와 스터브 사이의 거리에 따른 광 결합 효율을 설명하기 위한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 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.

본 발명에서 사용한 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 발명에서, "포함한다" 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.

또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 종래 광송수신 모듈의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈이 SFP 케이스에 배치된 상태를 보여주는 도면이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 광송수신 모듈은 케이스(100)와, 광학적 인터페이스를 포함하는 홀더(310)와, 송신신호를 출력하는 광송신부(200)와, 수신신호를 수신하는 광수신부(400)와, 제1광학필터(510)와, 제2광학필터(530), 및 제2광학렌즈(540)를 포함한다.

광송수신 모듈은 SFP(Small Form Factor Pluggable) 타입일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 MSA 규약(Multiple Source Agreement)을 만족하는 다양한 타입의 광모듈일 수도 있다.

케이스(100)는 홀더(310), 광송신부(200), 및 광수신부(400)가 삽입되는 복수 개의 삽입홀이 형성된다. 홀더(310)에 삽입된 스터브(320, stub)와 광송신부(200)는 케이스(100) 내에서 서로 마주보도록 배치되며, 광수신부(400)는 홀더(310)가 삽입된 방향과 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제1광학필터(510)의 특성에 따라 광송신부(200)는 홀더(310)가 삽입된 방향과 수직한 방향으로 배치될 수도 있다.

리셉터클(400)은 케이스(100)의 일측에 배치된다. 리셉터클(400)은 광학적 인터페이스를 구비한 홀더(310)를 포함한다. 구체적으로 스터브(320)의 광섬유는 외부의 광커넥터와 광학적으로 연결되어 송신신호를 외부로 전송하거나 외부로부터 수신된 수신신호를 출력할 수 있다. 홀더(310)의 타측에는 광커넥터가 결합하는 커넥터 하우징(330)이 마련될 수 있다. 광학적 인터페이스는 스터브와 커넥터 하우징 중 적어도 어느 하나를 포함하는 개념일 수 있다.

광송신부(200)는 스터브(320)를 통해 외부로 송신신호를 전송한다. 송신신호는 광섬유에서 출력되는 수신신호의 파장과 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 송신신호와 수신신호의 파장 간격은 광송수신 모듈이 장착되는 광통신 시스템에 따라 조정될 수 있다.

광송신부(200)는 광원(210), 헤더(220), 및 광원에서 방출되는 광을 집광하는 제1광학렌즈(230)를 포함한다. 광송신부(200)는 일반적인 티오 캔(TO CAN)의 구조가 모두 적용될 수 있다. 또한, 송신신호의 파장을 안정화하는 온도 조절부(TEC)가 더 포함될 수 있다.

광수신부(400)는 스터브(320)에서 출력된 수신신호를 전기적 신호로 변환한다. 광수신부(400)는 포토 다이오드(Photo Diode)와 같은 수광소자(410)와, 기판(420), 및 커버(430)를 포함한다. 커버(430)는 평평한 윈도우(flat window, 440)를 고정한다. 따라서, 기존에 렌즈 타입의 윈도우에 비해 전체적인 모듈의 높이(광수신부의 기판에서 몸체의 반대편 끝단까지의 거리, H1)를 낮게 설계할 수 있다.

아이솔레이터(520)는 광섬유 또는 광모듈 내에 구비된 광부품에 의해 반사되어 수신되는 광신호를 차단한다. 외부로부터 정상적으로 수신된 수신신호는 송신신호와 다른 파장을 가지기 때문에 제1광학필터(510)에 의해 반사되어 광수신부(400)로 전달된다. 하지만, 송신신호는 광섬유나 기타 광부품에 의해 반사될 수 있고, 반사된 송신신호는 다시 광송신부(200)로 전달될 수 있다. 따라서, 아이솔레이터(520)는 광섬유 또는 광부품에 의해 반사된 광신호를 차단하여 반사노이즈를 제거할 수 있다.

제1광학필터(510)는 광필터(Optical Filter)로서, 홀더(310)에 장착되어 광송신부(200)와 스터브(320) 사이에 배치될 수 있다. 제1광학필터(510)는 특정한 파장의 광신호만 통과시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1광학필터(510)는 송신신호는 통과시키고, 수신신호는 반사할 수 있다.

제2광학필터(530)는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)로서, 제1광학필터(510)에 의해 반사된 광 중에서 수신신호의 파장대역만을 통과시킨다. 제2광학필터(530)를 통과한 수신신호는 수광소자(410)에 의해 전기 신호로 변환된다.

제2광학렌즈(540)는 홀더(310)와 제1광학필터(510) 사이에 배치된다. 홀더(310)는 제2광학렌즈(540)가 배치될 수 있는 수용부(311)가 형성되고, 제2광학렌즈(540)는 체결부재(541)에 고정된 상태에서 수용부(311)에 삽입될 수 있다. 체결부재(541)는 내부가 빈 원통형상을 가질 수 있다. 제2광학렌즈(541)는 볼(ball) 렌즈일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1과 도 2를 비교하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈의 높이(H1)는 종래 광송수신 모듈의 높이(H2)보다 낮게 설계될 수 있음을 알 수 있다.

종래 광송수신 모듈은 광수신부(10)에 렌즈 타입의 광학렌즈(14)가 배치될 수 있는 배치공간을 필요로 한다. 또한, 광학렌즈(14)와 수광소자(11)의 사이에 집광될 수 있는 간격이 필요하다. 이에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈은 광학렌즈의 배치공간, 및 광학렌즈와 수광소자 사이의 간격이 불필요하므로 그만큼 높이를 낮출 수 있다.

본 발명에 따른 광송수신 모듈은 높이를 6mm이하로 낮출 수 있다. 규격화된 SFP 케이스(10)의 폭(H3)은 13mm이므로 도 3과 같이 2개의 광송수신 모듈(20)이 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광송수신 모듈에서 송신신호와 수신신호의 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 종래 광송수신 모듈에서 송신신호와 수신신호의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참고하면, 발광소자(210)에서 방출된 송신신호는 제1광학렌즈(230)와, 제1광학필터(510), 및 제2광학렌즈(540)를 통과하여 스터브(320)의 광섬유에 입사한다. 따라서, 송신신호는 제1광학렌즈(230)에 의해 1차 집광된 후, 다시 제2광학렌즈(540)에 의해 2차 집광되어 스터브(320)의 광섬유에 광결합된다.

또한, 수신신호는 제2광학렌즈(540)에 의해 집광된 후, 제1광학필터(510)에 의해 반사되어 수광소자(410)에 수신된다. 이에 비해, 도 5를 참고하면, 종래 광송수신 모듈의 렌즈부(14)는 수신신호만을 집광하여 수광소자(11)에 입사시킨다.

도 4를 참고하면, 송신신호의 관점에서, 제2광학렌즈(540)의 배율이 너무 높으면 광결합 효율에 문제가 있으므로, 광 결합 효율을 높이기 위해서 제2광학렌즈(540)의 렌즈 배율(M)은 1.5배 내지 3.0배로 조절하는 것이 바람직하다. 렌즈 방정식은 볼록 렌즈를 기준으로 1/a + 1/b = 1/f로 표현할 수 있다. 이때, a는 물체와 렌즈와의 거리이고, b는 렌즈와 상이 생기는 거리이고, f는 초점거리이다. 렌즈 배율(M)은 b/a로 정의할 수 있다.

그러나, 수신신호의 관점에서, 렌즈의 배율을 너무 낮게 조절하는 경우 광수신부(400)과 제2광학필터(530) 사이에 간섭이 생기는 문제가 있다.

따라서, 송신신호와 수신신호의 광 결합 효율을 모두 적정하게 유지하기 위해서 제2광학렌즈(540)의 렌즈 배율은 2.0 내지 3.0인 것이 바람직하다.

제2광학렌즈(540)의 배율은 제1광학렌즈(230)의 배율보다 작게 설계될 수 있다.

도 6은 제2광학부재와 스터브 사이의 거리 변화에 따른 제2광학부재와 수광소자의 거리 변화를 설명하기 위한 그래프이고, 도 7은 제2광학부재와 스터브 사이의 거리에 따른 광 결합 효율을 설명하기 위한 그래프이다.

도 6을 참고하면, 제1실험값과, 제2실험값, 및 제3실험값 중에서 제1실험값의 의 기울기가 가장 완만하여 L1의 변화에 따른 L2의 변화량이 가장 작음을 알 수 있다. 여기서, L1은 스터브(320)의 끝단에서 제2광학렌즈(540)의 표면까지의 최단거리이고, L2는 제2광학렌즈(540)의 표면에서 수광소자(410)까지의 최단거리이다.

제1실험값은 1310nm의 파장대에서 굴절율이 약 1.517이고 직경이 1.0mm인 볼 렌즈를 이용하여 측정한 값이다. 제2실험값은 굴절율이 1.804이고 직경이 1.0mm인 볼 렌즈를 이용하여 측정한 값이다. 제3실험값은 굴절율이 1.804이고 직경이 0.75mm인 볼 렌즈를 이용하여 측정한 값이다.

폭이 13mm인 SFP 케이스에 장착되기 위해서 L2는 약 1.8mm 내지 2.2mm를 만족해야 한다. 그러나, 제2실험값과 제3실험값은 L1의 미세한 변화에 의해 L2의 변화폭이 심한 문제가 있다. 따라서, 광송수신 모듈 제작시 미세한 공차에 의해서도 L2를 만족하지 못하는 문제가 있다. 또한, L1변화에 따른 L2의 변화가 커지면 트래킹 에러(Tracking Error)가 발생할 위험이 있다.

도 6을 참고하면, 제2실험값과 제3실험값은 효율이 35%미만인데 반해 제1실험값은 효율이 50%에 근접하여 광 결합 효율이 가장 높음을 알 수 있다. 이때, 광 결합 효율은 제2광학렌즈를 통과한 광 중에서 광섬유로 입사되는 광의 비율로 정의할 수 있다.

도 5와 도 6을 참고하면, 제1실험값이 L2의 변화폭이 낮고, 광 결합 효율도 높음을 알 수 있다. 따라서, 제2광학렌즈의 굴절율이 1.4 내지 1.6이고, 직경이 0.8mm 내지 1.2mm인 경우, L2의 변화폭이 낮아 크로스토크를 억제할 수 있는 동시에 광 결합 효율도 높일 수 있음을 알 수 있다.

100: 케이스
200: 광송신부
300: 리셉터클
400: 광수신부
410: 수광소자
450: 제2광학필터
510: 제1광학필터

Claims (8)

1. 광학적 인터페이스를 포함하는 홀더;
   송신신호를 출력하는 발광소자, 및 제1광학렌즈를 포함하는 광송신부;
   수신신호를 수신하는 광수신부; 및
   상기 홀더와 광송신부 사이에 배치되어, 상기 송신신호는 투과하고 상기 수신신호는 반사하는 제1광학필터를 포함하고,
   상기 홀더는 상기 제1광학필터와 마주보는 제2광학렌즈를 포함하고,
   상기 제1광학렌즈와 제2광학렌즈는 볼 렌즈이고,
   상기 제1광학렌즈와 상기 송신신호의 진행 방향으로 상기 제2광학렌즈와 마주보는 광송수신 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 홀더는 상기 제2광학렌즈가 배치되는 수용부를 포함하는 광송수신 모듈.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2광학렌즈를 상기 홀더의 수용부가 고정하는 체결부재를 포함하는 광송수신 모듈.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2광학렌즈의 굴절율은 1.4 내지 1.6인 광송수신 모듈.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2광학렌즈의 직경은 0.8mm 내지 1.2mm인 광송수신 모듈.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2광학렌즈의 배율은 상기 제1광학렌즈의 배율보다 작은 광송수신 모듈.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1광학필터와 상기 광수신부 사이에 배치되는 제2광학필터를 포함하는 광송수신 모듈.
   

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