KR101753246B1 - 광 모듈 및 광 모듈의 동작온도 제어방법 - Google Patents

광 모듈 및 광 모듈의 동작온도 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 광 모듈은 광 신호를 송신하는 레이저 다이오드, 레이저 다이오드의 동작온도를 측정하는 온도센서, 동작온도를 변화시키는 열전냉각부 및 동작온도와 기설정된 목표온도의 차이값에 기초하여 열전냉각부를 제어하되, 동작온도에 따라 목표온도를 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

광 모듈 및 광 모듈의 동작온도 제어방법{OPTICAL MODULE AND METHOD FOR CONTROLLIING OPERATION TEMPERATURE OF THE OPTICAL MODULE}
본 발명은 광 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 모듈 및 광 모듈의 동작온도를 제어하는 방법에 관한 것이다.
최근 정보화 산업의 급속한 발전과 더불어 광통신망을 통한 정보 전송의 비중이 증가하고 있으며, 광통신망은 점차로 고속, 대용량화되고 있다. 따라서, 광 통신에서 필수적인 부품인 광 모듈의 고속화와 대용량화가 요구되고 있다.
이러한 광 모듈은 기본적으로 광 신호를 송신하는 레이저 다이오드와 광 신호를 수신하는 포토다이오드와 같은 광 소자를 포함하며, 이에 대한 패키지로 티오-캔(TO-CAN) 구조가 널리 채용되고 있다.
한편, 파장분할 다중방식을 사용한 WDM-PON(Wavelength Division Multiplexing Passive　Optical　Network) 기술은 하나의 광섬유를 이용하여 서로 다른 파장의　광　신호를 묶어서 보낼 수 있는 통신 기술이다.
파장분할 다중방식을 이용하는 경우, 온도 변화에 따른 파장 천이로 인해 오동작이 발생할 수 있어, 기존의 시분할 다중방식 및 주파수 분할방식에 비해 광모듈의 온도안정성이 매우 중요하다. 따라서, 이러한 방식을 이용하는 광 모듈에는 레이저 다이오드의 동작온도를 일정수준으로 조절하는 열전냉각기 (Thermo-electric cooler, TEC)가 구비되고 있다.
하지만, 이러한 광 모듈에서 외부 환경의 온도가 크게 변화하여 동작온도가 매우 높아지거나 낮아지는 경우, 레이저 다이오드의 동작온도를 목표온도로 조절하기까지 전력 소모가 많다는 문제점이 있다.
본 발명은 레이저 다이오드의 동작온도를 조절하기 위해 소모되는 전력을 감소시킬 수 있는 광 모듈 및 광 모듈의 동작온도 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 신호를 송신하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드의 동작온도를 측정하는 온도센서; 상기 동작온도를 변화시키는 열전냉각부; 및 상기 동작온도와 기설정된 목표온도의 차이값에 기초하여 상기 열전냉각부를 제어하되, 상기 동작온도에 따라 상기 목표온도를 조절하는 제어부를 포함하는 광 모듈이 제공된다.
상기 제어부는 상기 목표온도를 조절하여 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값을 감소시킬 수 있다.
상기 목표온도의 조절량은 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값에 비례할 수 있다.
상기 목표온도는 상기 광 신호의 파장이 중심파장을 기준으로 한계파장을 초과하지 않는 범위 내에서 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광 신호를 송신하는 레이저 다이오드의 동작온도를 입력받는 단계; 상기 동작온도를 기설정된 목표온도와 비교하는 단계; 상기 비교 결과에 따라 상기 목표온도를 조절하는 단계; 및 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값에 대응되는 제어전류를 열전냉각부에 인가하여 상기 동작온도를 조절하는 단계를 포함하는 광 모듈의 동작온도 제어방법이 제공된다.
상기 목표온도를 조절하는 단계는, 상기 목표온도를 증가 또는 감소시켜 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목표온도의 증가량 또는 감소량은 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값에 비례할 수 있다.
상기 목표온도는 상기 광 신호의 파장이 중심파장을 기준으로 한계파장을 초과하지 않는 범위 내에서 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전냉각부에 인가되는 제어전류를 적절한 수준으로 조절할 수 있어, 레이저 다이오드의 동작온도를 조절하기 위해 소모되는 전력을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 동작온도를 제어하기 위한 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 동작온도 제어방법의 동작을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 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 출원에서 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 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 동작온도를 제어하기 위한 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 구조를 개략적으로 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈은 스템(100), 히트싱크(101), 서브마운트(102), 레이저 다이오드(110), 포토 다이오드(111), 온도센서(120), 열전냉각부(140) 및 복수의 리드(103)를 포함하여 티오-캔(TO-CAN) 구조로 구성될 수 있다.
스템(100)은 복수의 리드(103)가 관통되는 복수의 홀을 구비하며, 스템(100)의 상면에는 열전냉각부(140)가 배치된다. 이때, 복수의 리드(103)는 레이저 다이오드(110)의 캐소드 및 RF 단자에 연결되는 리드, 포토 다이오드(111)의 애노드에 연결되는 리드 및 레이저 다이오드(110)의 애노드와 포토 다이오드(111)의 캐소드에 공통으로 연결되는 리드를 포함할 수 있다.
히트싱크(101)는 열전냉각부(140)의 상부에 배치되고, ‘ㄴ’자 형태의 서로 수직한 두 개의 면을 구비한다. 두 개의 면에는 서브마운트(102)가 각각 배치되고, 각각의 서브마운트(102)에는 레이저 다이오드(110) 및 포토 다이오드(111)가 각각 장착된다.
서브마운트(102)는 세라믹 기판으로 이루어질 수 있고, 스템(100)과 전기적으로 절연되어, 여러 가지 전기적 패턴이 형성될 수 있다. 이때, 세라믹 기판은 AlN, SiC, Al2O3 등의 재질로 이루어질 수 있다. 특히, 다른 세라믹 재질에 비해 열전도도가 우수하여 레이저 다이오드(110)와 같은 발열 소자에 적합한 AlN이 세라믹 재질로 사용될 수 있다. 한편, 히트싱크(101)의 일측에는 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 측정하기 위한 온도센서(120)가 배치될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 동작온도를 제어하기 위한 장치는 레이저 다이오드(110), 온도센서(120), 제어부(130) 및 열전냉각부(140)를 포함한다.
먼저, 레이저 다이오드(110)는 히트싱크(101)에 결합된 서브마운트(102)에 장착되며, 리드를 통해 공급되는 직류 전류와 RF 신호에 따라 광 신호를 방사한다.
한편, 포토 다이오드(111)는 레이저 다이오드(110)로부터 방사된 광 신호를 검출한다. 포토 다이오드(111)에 의해 검출된 광 신호는 레이저 다이오드(110)의 동작상태 판단 및 레이저 다이오드(110)의 자동 출력 조절에 이용될 수 있다.
온도센서(120)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 측정하여 제어부(130)로 전달한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 온도센서(120)는 히트싱크(101)의 일측에 배치될 수 있으나, 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 측정할 수 있는 기타 다양한 위치에 배치될 수도 있다. 또한, 온도센서(120)는 써미스터(Thermistor), 적외선 센서 등 온도를 측정할 수 있는 다양한 소자 또는 모듈로 이루어질 수 있다.
열전냉각부(140)는 펠티에(peltier) 효과에 의한 흡열 및 발열 동작을 실시하여 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 변화시킨다. 구체적으로, 열전냉각부(140)는 인가되는 제어전류의 방향에 따라 흡열 및 발열 동작을 실시하여 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 변화시킬 수 있다. 즉, 열전냉각부(140)의 발열 동작에 의해 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 상승할 수 있고, 열전냉각부(140)의 흡열 동작에 의해 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 하강할 수 있다.
제어부(130)는 온도센서(120)로부터 입력되는 레이저 다이오드(110)의 동작온도와 기설정된 목표온도에 따라 열전냉각부(140)에 인가되는 제어전류의 크기와 방향을 제어하여 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 조절한다.
이때, 제어부(130)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도에 따라 제어전류의 방향을 결정한다. 즉, 제어부(130)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 목표온도보다 높은 경우에는 열전냉각부(140)의 흡열 동작에 의해 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 하강하도록 제어전류의 방향을 결정할 수 있다. 반대로, 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 목표온도보다 낮은 경우에는 열전냉각부(140)의 발열 동작에 의해 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 상승하도록 제어전류의 방향을 반대로 바꿀 수 있다.
또한, 제어부(130)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도와 목표온도의 차이값에 따라 제어전류의 크기를 조절한다. 구체적으로, 제어부(130)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도와 목표온도의 차이값이 커질수록 제어전류의 크기를 증가시킨다. 하지만, 제어전류의 크기가 증가할수록 열전냉각부(140)에서의 전력 소모가 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 제어부(130)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도에 따라 목표온도를 조절하는 것을 특징으로 한다. 이때, 제어부(130)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도와 목표온도의 차이값이 감소하도록 목표온도를 조절할 수 있다.
즉, 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 목표온도보다 높은 온도로 상승하는 경우, 제어부(130)는 목표온도를 상승시켜 동작온도와의 차이값을 감소시킬 수 있다. 반대로, 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 목표온도보다 낮은 온도로 하강하는 경우, 제어부(130)는 목표온도를 하강시켜 동작온도와의 차이값을 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 제어부(130)가 레이저 다이오드(110)의 동작온도와 목표온도 간의 차이값을 감소시키면, 열전냉각부(140)에 인가되는 제어전류의 크기를 감소시킬 수 있기 때문에, 전력 소모가 줄어든다.
본 발명의 일 실시예에서, 목표온도 조절량(?TS)은 아래의 수학식 1과 같이 레이저 다이오드(110)의 동작온도와 목표온도의 차이값에 비례할 수 있다.
Figure 112013116574158-pat00001
여기서, TL은 레이저 다이오드(110)의 동작온도를, TS는 목표온도를 나타내며, k는 비례상수를 나타낸다. 이때, k1은 0과 1 사이의 값으로 선택될 수 있다.
예를 들어, 목표온도가 25℃로 설정되고, k가 0.5로 선택된 경우, 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 65℃로 상승하면, 목표온도는 20℃ 상승하여, 45℃로 조절될 수 있다. 만약, 같은 조건에서 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 85℃로 상승하면, 목표온도는 30℃ 상승하여, 55℃로 조절될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 목표온도의 조절범위는 레이저 다이오드(110)로부터 방사되는 광 신호의 파장이 중심파장을 기준으로 한계파장을 초과하지 않도록 하는 범위 내로 제한될 수 있다.
즉, 목표온도의 조절에 의해 변화되는 광 신호의 파장(λ)은 아래의 수학식 2와 같이 중심파장을 기준으로 한계파장 범위 내로 제한될 수 있다. 즉, 목표온도의 조절범위는 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013116574158-pat00002
여기서, λc는 파장분할 다중방식(CWDM)에 의한 중심파장을 나타내고, λm은 한계파장을 나타낸다.
Figure 112013116574158-pat00003
여기서, λc는 파장분할 다중방식(CWDM)에 의한 중심파장을 나타내고, λm은 한계파장을 나타내고, kt는 파장값과 온도값의 변환에 대한 비례상수를 나타낸다.
한계파장은 광 신호의 파장 천이에 의해 오동작이 발생하지 않는 범위를 의미하며, 설계자의 의도 및 광 모듈의 사양에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 한계파장은 6.5nm로 선택될 수 있다. 또한, 파장분할 다중방식(CWDM)에 의한 중심파장은 상온에서의 광 신호의 파장으로 선택될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈의 동작온도 제어방법의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 제어부(130)는 온도센서(120)로부터 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 입력받는다(S200).
이어서, 제어부(130)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 기설정된 목표온도와 비교하고(S210), 그 비교 결과에 따라 목표온도를 조절하여 동작온도와의 차이값을 감소시킨다(S220).
즉, 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 목표온도보다 높은 온도로 상승하는 경우, 제어부(130)는 목표온도를 상승시켜 동작온도와의 차이값을 감소시킬 수 있다. 반대로, 레이저 다이오드(110)의 동작온도가 목표온도보다 낮은 온도로 하강하는 경우, 제어부(130)는 목표온도를 하강시켜 동작온도와의 차이값을 감소시킬 수 있다.
이때, 목표온도 조절량(?TS)은 전술한 수학식 1과 같이 레이저 다이오드(110)의 동작온도와 목표온도의 차이값에 비례할 수 있다. 또한, 목표온도의 조절범위는 레이저 다이오드(110)로부터 방사되는 광 신호의 파장이 중심파장을 기준으로 한계파장을 초과하지 않도록 하는 범위 내로 제한될 수 있다.
이후, 제어부(130)는 감소된 차이값에 따라 열전냉각부(140)를 제어한다(S230). 즉, 제어부(130)는 레이저 다이오드(110)의 동작온도와 조절된 목표온도의 차이값에 대응되는 제어전류를 열전냉각부(140)에 인가하여 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 조절한다.
이와 같은 동작에 의하면, 열전냉각부(140)에 인가되는 제어전류의 크기를 감소시킬 수 있기 때문에, 레이저 다이오드(110)의 동작온도를 조절하기 위해 소모되는 전력을 줄일 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 스템 101 : 히트싱크
102 : 서브마운트 103 : 리드
110 : 레이저 다이오드 111 : 포토 다이오드
120 : 온도센서 130 : 제어부
140 : 열전냉각부

Claims (8)

  1. 광 신호를 송신하는 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드의 동작온도를 측정하는 온도센서;
    상기 동작온도를 변화시키는 열전냉각부; 및
    상기 동작온도와 기설정된 목표온도의 차이값에 기초하여 상기 열전냉각부를 제어하되, 상기 동작온도에 따라 상기 목표온도를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 동작온도가 상기 목표온도보다 높아지면 상기 목표온도를 상승시키고, 상기 동작온도가 목표온도보다 낮아지면 상기 목표온도를 하강시켜 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값을 감소시키고,
    상기 목표온도는 상기 광 신호의 파장이 중심파장을 기준으로 한계파장을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되고,
    상기 목표온도의 조절량은 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값에 비례하는 광 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 광 신호를 송신하는 레이저 다이오드의 동작온도를 입력받는 단계;
    상기 동작온도를 기설정된 목표온도와 비교하는 단계;
    상기 비교 결과에 따라 상기 목표온도를 조절하는 단계; 및
    상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값에 대응되는 제어전류를 열전냉각부에 인가하여 상기 동작온도를 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 목표온도를 조절하는 단계는 상기 동작온도가 상기 목표온도보다 높아지면 상기 목표온도를 상승시키고, 상기 동작온도가 목표온도보다 낮아지면 상기 목표온도를 하강시켜 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값을 감소시키고,
    상기 목표온도는 상기 광 신호의 파장이 중심파장을 기준으로 한계파장을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되고,
    상기 목표온도의 증가량 또는 감소량은 상기 동작온도와 상기 목표온도의 차이값에 비례하는 광 모듈의 동작온도 제어방법.
  6. 삭제
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