KR102031914B1 - 레이저 모듈 - Google Patents

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Abstract

레이저 모듈은 고출력 및 광송신 서브 어셈블리 및 방열 수단을 포함한다. 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는 전기 신호에 의해 빛을 발생하고, 발생한 빛을 광섬유를 통해 전달한다. 방열 수단은 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 접촉하여 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출한다.

Description

레이저 모듈 {LASER MODULE}
본 발명은 레이저 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 방열 수단이 부착된 레이저 모듈에 관한 것이다.
레이저 다이오드는 편광, 간섭성 및 직진성 등 레이저 고유의 특성으로 인해 다양한 방면에서 사용 가능성이 높은 장치이다. 레이저 다이오드는 레이저 LCD 백라이트 유닛(backlight unit; BLU), 3D 프로젝터, 3D 영상기, 대화면 2D/3D 홈씨어터 및 홀로그래피 영상 등에 사용될 수 있는 광원이다. 디스플레이 분야 이외에도 의료 산업, 반도체/전자 산업, 자동차/조선 산업 및 국방 산업에도 파급 효과가 있다. 이를 위해 레이저 다이오드 중에서도 출력이 높은 고출력 레이저 다이오드에 관한 연구과 활발히 진행 중이다. 이러한 고출력 레이저 다이오드 분야에서 단일 광원 칩의 특성 최적화는 많이 구현되어 있지만, 집적화에 따른 전기적/광학적 상호 간섭에 의한 특성 변화와 축열에 의한 성능 저하를 최소화하기 위한 방열 구조의 설계는 용이하지가 않다. 특히 어레이 광원 칩과 광섬유 사이의 결합효율을 높이고 반사 문제 등을 최소화하기 위한 최적의 구도 설계가 필요하다. 특히 1W 이상의 출력이 가능한 반도체 레이저를 이용한 thermal 패키지에 대한 연구는 아직 초기 단계이다.
본 발명의 목적은 1W 이상의 출력으로 동작하는 레이저 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈은 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(Transmitter Optical Sub-assembly; TOSA) 및 방열 수단을 포함한다. 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는 전기 신호에 의해 빛을 발생하고, 발생한 빛을 광섬유를 통해 전달한다. 상기 방열 수단은 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 접촉하여 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하도록 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는 티오 캔(Transistor Outline can; TO-CAN) 광 모듈, 광섬유 및 외부 하우징을 포함할 수 있다. 상기 티오 캔 광 모듈은 전기 신호에 의해 빛을 발생시킬 수 있다. 상기 광섬유는 상기 티오 캔 광 모듈로부터 발생된 빛을 전달한다. 상기 외부 하우징은 상기 티오 캔 광 모듈 및 상기 광섬유의 일단을 수용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 티오 캔 광 모듈은, 전기 신호를 입력받는 전극, 상기 전극으로부터 입력되는 전기 신호에 기초하여 빛을 발생시키는 레이저 다이오드, 상기 레이저 다이오드를 고정하는 서브 마운트, 상기 서브 마운트를 고정하는 고정 블록, 상기 고정 블록 및 상기 전극을 수용하는 플랫폼, 상기 플랫폼의 일면에서 상기 레이저 다이오드, 상기 서브 마운트 및 상기 고정 블록을 덮도록 구성되는 티오-캔 원통 블록 및 상기 티오-캔 원통 블록의 상면에 위치하여 상기 레이저 다이오드로부터 발생되는 빛을 통과시키는 집적 렌즈를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열 수단은 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 히트 싱크(heat sink)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 히트 싱크는 제 1 히트 싱크 블록, 제 2 히트 싱크 블록 및 적어도 하나의 고정 나사를 포함할 수 있다. 상기 제 1 히트 싱크 블록은 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 일면을 덮을 수 있다. 상기 제 2 히트 싱크 블록은 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 타면을 덮을 수 있다. 상기 적어도 하나의 고정 나사는 상기 제 1 히트 싱크 블록 및 상기 제 2 히트 싱크 블록을 밀착시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열 수단은 상기 히트 싱크에 부착되어 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하는 열전 냉각 소자(Thermal Electric Cooler; TEC), 칠러(chiller) 및 방열판 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 다이오드는 청색 레이저 다이오드(Blue LD)일 수있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 모듈은 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들 및 방열 수단을 포함한다. 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들 각각은 전기 신호에 의해 빛을 발생하고, 발생한 빛을 광섬유를 통해 전달한다. 상기 방열 수단은 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 접촉하여 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들로부터 발생하는 열을 방출하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는 티오 캔 광 모듈, 광섬유, 외부 하우징을 각각 포함한다. 상기 티오 캔 광 모듈은 전기 신호에 의해 빛을 발생시킬 수 있다. 상기 광섬유는 상기 티오 캔 광 모듈로부터 발생된 빛을 전달할 수 있다. 상기 외부 하우징은 상기 티오 캔 광 모듈 및 상기 광섬유의 일단을 수용할 수 있다. 레이저 모듈은 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 포함되는 상기 광섬유들을 하나로 결합하도록 연결되는 결합 광섬유를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방열 수단은 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 적어도 일부를 각각 수용하도록 형성되는 복수의 히트 싱크를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 히트 싱크 각각은 제 1 히트 싱크 블록, 제 2 히트 싱크 블록 및 적어도 하나의 고정 나사를 포함할 수 있다. 상기 제 1 히트 싱크 블록은 대응하는 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 일면을 덮는다. 상기 제 2 히트 싱크 블록은 대응하는 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 타면을 덮는다. 상기 적어도 하나의 고정 나사는 상기 제 1 히트 싱크 블록 및 상기 제 2 히트 싱크 블록에 결합되어 상기 제 1 히트 싱크 블록 및 상기 제 2 히트 싱크 블록을 밀착시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들은 어레이 형태로 배치될 수 있다. 상기 방열 수단은 어레이 형태로 배치된 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 적어도 일부를 수용하도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 히트 싱크는 제 1 히트 싱크 블록, 제 2 히트 싱크 블록 및 적어도 하나의 고정 나사를 포함할 수 있다. 상기 제 1 히트 싱크 블록은 어레이 형태로 배치된 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들의 각 일면을 덮는다. 상기 제 2 하트 싱크 블록은 어레이 형태로 배치된 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들의 각 타면을 덮는다. 상기 적어도 하나의 고정 나사는 상기 제 1 히트 싱크 블록 및 상기 제 2 히트 싱크 블록을 밀착시킬 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 레이저 모듈은 광출력 제어 회로, 전류전압 제어 회로, 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들, 온도 제어 회로 및 방열 수단을 포함한다. 상기 광출력 제어 회로는 광출력 제어 신호를 출력한다. 상기 전류전압 제어 회로는 상기 광출력 제어 회로로부터 출력되는 광출력 제어 신호에 기초하여 전류 및 전압을 출력한다. 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리 각각은 상기 전류전압 제어 회로로부터 출력되는 전류 및 전압에 기초하여 빛을 발생하고, 발생한 빛을 광섬유를 통해 전달한다. 상기 온도 제어 회로는 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 온도를 감지하여 온도 제어 신호를 출력한다. 상기 방열 수단은 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 접촉하고, 상기 온도 제어 신호에 기초하여 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들은 어레이 형태로 배치될 수 있다. 상기 방열 수단은 상기 어레이 형태로 배치된 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 적어도 일부를 수용하도록 형성되는 히트 싱크를 포함할 수 있다. 상기 방열 수단은 상기 히트 싱크에 부착되어 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하는 열전 냉각 소자(Thermal Electric Cooler; TEC) 및 칠러(chiller) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 모듈은 복잡한 패키지 과정을 거치지 않고 티오 캔 광 모듈을 이용하여 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(TOSA)를 제작하므로, 양산성이 개선된다. 또한 방열 수단에 의해 레이저 다이오드의 열을 원활히 방출하므로 1W 이상의 고출력에서도 동작 가능하며, 신뢰성을 향상시킬 수 있는 광원 제작이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(Transmitter Optical Sub-assembly; TOSA)의 외관을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 포함된 티오 캔(Transistor Outline can; TO-CAN ) 광 모듈의 외관을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 티오 캔 광 모듈의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 5은 히트 싱크(heat sink)가 부착된 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 외관을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 외관을 측면에서 바라본 도면이다.
도 7은 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리가 어레이 구조로 배치된 레이저 모듈의 제 1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리가 어레이 구조로 배치된 레이저 모듈의 제 2 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9는 열전 냉각 소자(Thermal Electric Cooler) 및 방열판을 포함하는 레이저 모듈을 나타내는 도면이다.
도 10은 열전 냉각 소자 및 칠러(chiller)를 포함하는 레이저 모듈을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제어 회로들을 포함하는 레이저 모듈을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 방열 수단을 구비한 레이저 모듈의 광출력 특성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(Transmitter Optical Sub-assembly; TOSA)의 외관을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(100)는 리드 라인(101), 플랫폼(103), 외부 하우징(105), 고정 덮개(107), 및 광섬유(109)를 포함한다. 도 1의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(100)는 티오 캔(Transistor Outline can; TO-CAN) 광 모듈을 포함하며, 전기 신호에 의해 빛을 발생하고, 발생한 빛을 광섬유(109)를 통해 전달하도록 구성된다. 또한, 외부 하우징(105)으로 인해 티오 캔 광 모듈의 일부인 리드 라인(101) 및 플랫폼(103)이 도시되어 있다.
리드 라인(101)은 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 전극으로서, 외부로부터 입력되는 전류 및 전압을 인가받는다. 도시된 세 리드 라인(101)의 극성은 각각 양(+), 음(-) 및 접지(ground)일 수 있다. 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 전극 역할을 하는 리드 라인(101)은 실시예에 따라 리드 핀 구조를 채택할 수도 있다. 플랫폼(103)은 티오 캔 광 모듈의 각 구성 요소를 수용할 수 있다. 또한 플랫폼(103)은 원통형의 외부 하우징(105)과 결합하여 티오 캔 광 모듈의 내부 구성 부품들을 보호할 수 있다. 플랫폼(103)은 원반 모양을 가질 수 있다. 외부 하우징(105)은 플랫폼(103)과 결합하며, 고정 덮개(107)와 결합하여 광섬유(109)의 한쪽 끝을 수용하도록 구성될 수 있다. 고정 덮개(107)는 광섬유(109)의 적어도 일부를 감싸며 외부 하우징(105)과 결합할 수 있다. 도 1 에 도시되지는 않았으나, 고정 덮개(107) 내에는 페룰(Ferrule)이 존재하여, 광섬유(109)를 페롤내부에 삽입하여 고정할 수 있게 하며, 티오 캔 모듈로부터 발생하는 빛을 수용하도록 할 수 있다.
도 2는 도 1의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 내부 구조를 나타내는 도면이다. 도 2에서 도시의 편의를 위해 외부 하우징(105)은 점선으로 도시되었다. 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(100)는 티오 캔 광 모듈을 포함하며, 상기 티오 캔 광 모듈은 리드 라인(101), 플랫폼(103), 원통 블록(111) 및 집적 렌즈(117)를 포함한다. 원통 블록(111)에 의해, 집적 렌즈(117)는 그 일부만이 도 2에 도시되었다. 또한, 도시되어 있지는 않으나, 상기 티오 캔 광 모듈은 레이저 다이오드, 서브 마운트 및 고정 블록을 포함할 수 있다. 상기 티오 캔 광 모듈의 구체적인 구성에 대하여는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
도 2를 참조하면, 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(100)는 상기 티오 캔 광 모듈과, 외부 하우징(105), 고정 덮개(107), 광섬유(109), 내부 하우징(113) 및 페룰(ferrule; 115)을 포함한다. 외부 하우징(105)은 상술한 바와 같이 플랫폼(103)과 결합하며, 고정 덮개(107)와 결합하여 광섬유(109)의 한쪽 끝을 수용하도록 구성될 수 있다.
빛을 전달하는 광섬유의 정렬(alignment)을 위해 사용되는 부품인 페룰(115)은 외부 하우징(105)의 내측과 외측에 걸쳐서 구비될 수 있다. 티오 캔 광 모듈을 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(100)에 포함하여 제적함으로써, 페룰(115)을 통한 광섬유의 능동 정렬이 용이할 수 있다. 또한 티오 캔 광 모듈을 포함하는 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(100)를 이용하여 레이저 모듈을 제적하는 경우, 단일 칩을 이용한 버터플라이 모듈 제작보다 그 제작 과정이 단순하고 간편하여 양산성 및 신뢰성에서 우수한 장점이 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 페룰(115)은 내부 하우징(113) 및 고정 덮개(107) 내부에 위치하여 광섬유(109)의 일단을 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 외부 하우징(105), 내부 하우징(113) 및 페룰(115)에 의해 광섬유(109)의 정렬된 위치가 고정되므로, 광섬유(109)는 티오 캔 광 모듈의 집적 렌즈(117)로부터 나오는 빛을 안정적으로 전달할 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 포함된 티오 캔(TO-CAN) 광 모듈의 외관을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 티오 캔 광 모듈(200)은 리드 라인(101), 플랫폼(103), 원통 블록(111) 및 집적 렌즈(117)를 포함하며, 비록 도시되지는 않았으나 고정 블록, 서브 마운트 및 레이저 다이오드를 더 포함한다. 도 3에서 상기 고정 블록, 서브 마운트 및 레이저 다이오드는 원통 블록(111) 내부에 수용되어 도시되지 않았으며, 이들의 자세한 구성은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
도 4는 도 3의 티오 캔 광 모듈의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 티오 캔 광 모듈(200)은 리드 라인(101), 플랫폼(103), 원통 블록(111), 고정 블록(119), 서브 마운트(121, 레이저 다이오드(123) 및 집적 렌즈(117)를 포함한다. 도 4에서 원통 블록(111)은 점선으로 도시되었다. 도 4에는 도시되지 않았으나, 리드 라인(101)으로부터의 배선들이 원통 블록(111) 내의 레이저 다이오드(123), 서브 마운트(121) 및 고정 블록(119) 등에 연결될 수 있다. 고정 블록(119)은 플랫폼(103)에 고정되고 서브 마운트(121)를 고정한다. 고정 블록(121)에 고정된 서브 마운트(121) 상에는 레이저 다이오드(123)가 고정된다. 레이저 다이오드(123)로부터 발생되는 빛은 집적 렌즈(117)를 통해 집광되어 티오 캔 광 모듈(200) 외부의 광섬유로 전달된다. 이러한 티오 캔 광 모듈은 제작 단가가 낮아서 다양한 분야의 광원 모듈로 사용되고 있다. 본 발명에서는 티오 캔 광 모듈(200)을 이용하여 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(100)를 제작하므로, 양산성 및 신뢰성에서 우수한 장점이 있다.
도 5은 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 히트 싱크(heat sink)가 부착된 레이저 모듈의 외관을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 모듈(300)은 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(300)에 히트 싱크(301)가 부착되어 구성되며, 히트 싱크(301)에는 제 1 내지 제 4 고정 나사들(303a, 303b, 303c, 303d)이 결합된다. 히트 싱크(301)는 블록 형태로 외부 하우징의 외측에 구비되며, 레이저 다이오드로부터 발생하는 열을 모듈 외부로 방출하도록 하는 방열 작용을 한다. 히트 싱크(301)는 방열 수단의 일 예로서 도 5에 도시되었으며, 상기 외부 하우징은 히트 싱크(301) 내부에 존재하므로 도 5에는 도시되지 않았다. 상기 히트 싱크(201)는 열 전도성이 우수한 물질이 사용되며, 일 예로 구리가 사용될 수 있다.
고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 외부 하우징의 외측에 구비되는 히트 싱크(301)는 두 개의 히트 싱크 블록이 결합되는 형태로 설치될 수 있다. 예를 들어, 빈 상자 형태의 히트 싱크 블록 두 개가 서로 결합되어 외부 하우징을 감싸도록 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 두 개의 히트 싱크 블록을 결합하기 위하여 제 1 내지 제 4 고정 나사들(303a, 303b, 303c, 303d)이 사용될 수 있다. 도 5의 실시예에서는 두 개의 히트 싱크 블록을 결합하기 위해 네 개의 고정 나사들이 사용되었으나, 실시예에 따라 고정 나사들의 개수는 조절 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 상기 히트 싱크 블록을 결합하는 고정 나사들의 작용에 대하여는 도 6을 참조하여 후술한다.
도 6은 도 5의 레이저 모듈의 외관을 측면에서 바라본 도면이다.
도 6을 참조하면, 레이저 모듈(300)의 히트 싱크는 제 1 히트 싱크 블록(301a) 및 제 2 히트 싱크 블록(301b)을 포함한다. 도시의 편의를 위해, 제 1 내지 제 4 고정 나사들(303a, 303b, 303c, 303d) 중 제3 및 제4 고정 나사들(303c, 303d)만이 도시되었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 히트 싱크 블록(301a) 및 제 2 히트 싱크 블록(301b)는 고정 나사들에 의해 결합되며, 상기 고정 나사들에 의해 서로 밀착될 수 있다. 고정 나사들과의 결합을 위해, 제 1 히트 싱크 블록(301) 및 제 2 히트 싱크 블록(301b)은 고정 나사가 통과하기 위한 구멍 및 홈 등이 형성될 수 있다. 위와 같은 방법으로, 제 1 및 제 2 히트 싱크 블록(301a, 301b)은 하나의 히트 싱크(301)를 형성하며, 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 외부 하우징(105)와 접촉하여 레이저 다이오드로부터 발생되는 열을 외부로 빠져나가도록 유도할 수 있다.
고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 외부 하우징(105)으로부터의 방열을 더욱 원활히 하도록 하기 위해, 제 1 및 제 2 히트 싱크 블록(301a, 301b)는 본딩 재료를 통해 외부 하우징(105)과 접촉할 수 있다. 예를 들어, 열 전도성이 우수한 Au/Sn 솔더 또는 실버 엑폭시 등을 통해 외부 하우징(105)과 제 1 및 제 2 히트 싱크 블록(301a, 301b)이 본딩될 수 있다. 이 경우 상기 고정 나사들(303a, 303b, 303c, 303d)이 결합됨으로써 본딩시 발생하는 틈이 줄어들 수 있다. 본 발명에 따른 레이저 모듈(300)은 히트 싱크(301)와 같은 방열 수단을 구비함으로써 방열 작용이 원활히 일어나므로 보다 높은 고출력의 동작이 가능하다. 따라서 레이저 모듈의 효율성 및 신뢰성이 개선될 수 있다.
도 7은 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리가 어레이 구조로 배치된 레이저 모듈의 제 1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈(400)은 제 1 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(300a), 제 1 히트 싱크(350a), 제 2 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(300b), 제 2 히트 싱크(350b) 및 결합 광섬유(403)를 포함한다.
제 1 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(300a)는 내부의 티오 캔 광 모듈과, 외부 하우징, 고정 덮개(360a), 제 1 광섬유(401a), 내부 하우징 및 페룰을 포함할 수 있다. 상기 티오 캔 광 모듈은 제 1 리드 라인(351a), 플랫폼, 원통 블록 및 집적 렌즈 등을 포함한다. 티오 캔 광 모듈의 일부, 외부 하우징 등은 제 1 히트 싱크(350a)의 내부에 있어 도시되지 않았다. 또한, 제 1 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(300a) 및 내부의 티오 캔 광 모듈의 구조는 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 바와 동일하므로 반복 설명은 생략하도록 한다.
마찬가지로, 제 2 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(300b)는 내부의 티오 캔 광 모듈과, 외부 하우징, 고정 덮개(360b), 제 2 광섬유(401b), 내부 하우징 및 페룰을 포함할 수 있다. 상기 티오 캔 광 모듈은 제 2 리드 라인(351b), 플랫폼, 원통 블록 및 집적 렌즈 등을 포함한다. 티오 캔 광 모듈의 일부, 외부 하우징 등은 제 2 히트 싱크(350b)의 내부에 있어 도시되지 않았다. 또한, 제 2 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(300b) 및 내부의 티오 캔 광 모듈의 구조는 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 바와 동일하므로 반복 설명은 생략하도록 한다.
결합 광섬유(403)는 제 1 광섬유(401a) 및 제 2 광섬유(401b)와 결합되어, 제 1 광섬유(401a) 및 제 2 광섬유(401b)로부터 전달되는 빛을 합치는 역할을 한다. 따라서, 출력이 제한되는 두 개의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들(300a, 300b)로부터의 빛이 더해지므로 보다 높은 출력의 빛을 전달할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 레이저 모듈(400)은 각각의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들(300a, 300b)에 개별적인 히트 싱크들(350a, 350b)이 부착되므로, 방열이 원활하여 보다 높은 출력의 레이저 다이오드가 사용 가능하다. 이렇듯, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈(400)은 방열 수단에 의해 높은 출력의 개별 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들(300a, 300b)이 사용되고, 결합 광섬유(403)를 통해 개별 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들(300a, 300b)로부터의 빛을 합하여 전달하므로, 높은 출력의 고출력 및 광송신이 가능하다. 예를 들어, 각각의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들이 1W 이상의 출력을 갖는 고출력 및 광송신을 수행하는 경우, 결합 광섬유(403)를 통해 도 7의 레이저 모듈은 2W 이상의 출력을 갖는 고출력 및 광송신이 가능하다. 또한 이러한 고출력 및 광송신 모듈을 여러 개 결합하여 수십 W이상의 출력을 가지는 고출력 및 광송신 모듈 제작이 가능하다.
도 8은 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리가 어레이 구조로 배치된 레이저 모듈의 제 2 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 레이저 모듈(500)은 제 1 내지 제 4 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들, 어레이형 히트 싱크(510) 및 결합 광섬유(503)를 포함한다. 제 1 내지 제 4 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들의 각 구성요소들 중 제 1 내지 제 4 리드 라인들(511, 512, 513, 514), 제 1 내지 제 4 고정 덮개들(520a, 520b, 520c, 520d) 및 제 1 내지 제 4 광섬유들(501a, 501b, 501c, 501d)이 도 8에 도시되어 있다. 이러한 구조는 어레이의 개수를 늘려서 수십W이상의 고출력 및 광송신 모듈 제작이 가능하다.
도 7의 레이저 모듈(400)에는 각각의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들이 두개 또는 그 이상 포함될 수 있으며, 도 8의 레이저 모듈(500)은 두 개 또는 그 이상의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들을 포함한다. 또한, 도 7의 레이저 모듈(400)에는 각각의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들에 개별적으로 히트 싱크들이 부착된 반면, 도 8의 레이저 모듈(500)은 네 개의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들이 어레이 형태로 배치되고, 하나의 어레이 형 히트 싱크(510)가 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들에 부착된다. 도 7의 레이저 모듈(400)과 유사하게, 결합 광섬유(503)는 제 1 내지 제 4 광섬유들(501a, 501b, 501c, 501d)을 결합하여 각각의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들로부터 전달된 빛을 합하게 된다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈(500)은 방열 수단에 의해 어레이 형태로 배치된 높은 출력을 갖는 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들이 사용되고, 결합 광섬유(503)를 통해 개별 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들로부터의 빛을 합하여 전달하므로, 높은 출력의 고출력 및 광송신이 가능하다.
도 9는 열전 냉각 소자(Thermal Electric Cooler; TEC) 및 방열판을 포함하는 레이저 모듈을 나타내는 도면이다. 도 9에서는 레이저 모듈의 측면이 도시되었다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈(600)은 고출력 및 광송신 및 서브 어셈블리, 히트 싱크(605), 열전 냉각 소자(610) 및 방열판(620)을 포함한다. 도 9에서 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는 대부분이 히트 싱크(605) 내에 수용되므로 리드 라인(601) 및 광섬유(603)의 일부만 도시되었다.
열전 냉각 소자(610)는 히트 싱크(605)로부터 방출되는 빛을 흡수하여 냉각하므로 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 방열을 더욱 원활히 할 수 있다. 또한, 방열판(620)은 열전 냉각 소자(610)로부터 발생되는 빛을 방출하므로, 전체적으로 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 방열을 촉진하여 고출력 레이저 다이오드 동작이 가능하도록 할 수 있다.
도 10은 열전 냉각 소자 및 칠러(chiller)를 포함하는 레이저 모듈을 나타내는 도면이다. 도 10에서는 레이저 모듈의 측면이 도시되었다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈(700)은 고출력 및 광송신 서브 어셈블리, 히트 싱크(705), 열전 냉각 소자(710) 및 칠러(chiller; 720)를 포함한다. 도 10에서 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는 대부분이 히트 싱크(705) 내에 수용되므로 리드 라인(701) 및 광섬유(703)의 일부만 도시되었다.
열전 냉각 소자(710)는 히트 싱크(705)로부터 방출되는 빛을 흡수하여 냉각하므로 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 방열을 더욱 원활히 할 수 있다. 또한, 냉각수를 통해 냉각 기능을 수행하는 칠러(720)은 열전 냉각 소자(710)로부터 발생되는 빛을 방출하므로, 전체적으로 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 방열을 촉진하여 고출력 레이저 다이오드 동작이 가능하도록 할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제어 회로들을 포함하는 레이저 모듈을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈(800)은 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리, 열전 냉각 소자(803), 방열판, 전류전압 제어 회로(810), 광출력 제어 회로(830) 및 온도 제어 회로(850)를 포함한다. 도 11에는 네 개의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들이 포함되는 것으로 도시되었으며, 어레이 형 히트 싱크(801) 내부에 수용되는 형태로 도시되었다. 레이저 모듈(800)은 또한 상기 네 개 또는 그 이상의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들로부터 발생한 빛을 전달하는 제 1 내지 제 4 광섬유들(807a, 807b, 807c, 807d)들 결합하는 결합 광섬유(808)를 포함한다.
광출력 제어 회로(830)는 레이저 모듈(800)의 광출력을 제어하는 광출력 제어 신호를 생성한다. 광출력 제어 회로(830)는 도시되지 않은 외부로부터의 제어 신호에 기초하여 동작할 수 있다. 또한 광출력 제어 회로(830)는 광출력의 변화 등에 대한 피드백을 입력으로 받아 광출력 제어 신호 생성에 반영할 수 있다. 전류전압 제어 회로(810)는 광출력 제어 회로(830)로부터 생성되는 광출력 제어 신호에 기초하여 전류 및 전압을 출력할 수 있다. 상기 전류전압 제어 회로(810)로부터 출력된 전류 및 전압은 고출력 및 광송신 서브 어셈블리 내의 티오 캔 광 모듈로 인가된다. 온도 제어 회로(850)는 열전 냉각 소자(803)와 연결되어 레이저 모듈의 온도를 제어한다. 일 실시예에서, 온도 제어 회로(850)는 온도 센서를 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 방열 수단을 구비한 레이저 모듈의 광출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 제 1 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(제 1 TOSA) 및 제 2 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(제 2 TOSA)의 인가 전류 및 출력 전력 그래프가 도시되어 있다. 도 12에서 인가 전압은 3V 내지 5V 사이에서 변화한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 1400mA까지의 전류를 인가하였을 때, 출력 전력은 제 1 TOSA의 경우 1W까지, 제 2 TOSA의 경우 1.1W까지 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈은 히트 싱크를 포함한 방열 수단을 구비하므로 단일 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 경우에도 광출력을 1W 이상까지 안정적으로 생성할 수 있으며, 기존의 열화 특징을 개선할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 고출력 및 광송신 서브 어셈블리 101: 리드라인
103: 플랫폼 105: 외부 하우징
109: 광섬유 111: 원통 블록
113: 내부 하우징 115: 페룰
117: 집적 렌즈 119: 고정 블록
200: 티오 캔 광 모듈 121: 서브 마운트
123: 레이저 다이오드 301: 히트 싱크
400: 레이저 모듈 401a: 제 1 광섬유
401b: 제 2 광섬유 403: 결합 광섬유
510: 어레이형 히트 싱크 610: 열전 냉각 소자
620: 방열판 720: 칠러

Claims (19)

  1. 전기 신호에 의해 빛을 발생하고, 발생한 빛을 광섬유를 통해 전달하는 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(Transmitter Optical Sub-assembly; TOSA); 및
    상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 접촉하여 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하도록 구성된 방열 수단을 포함하되,
    상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는:
    외부 하우징;
    상기 전기 신호를 인가받는 적어도 하나의 리드 라인; 및
    상기 광섬유가 내부에 배치되는 고정 부재를 포함하고,
    상기 방열 수단은 상기 외부 하우징을 감싸도록 제공되고, 상기 외부 하우징, 상기 적어도 하나의 리드 라인, 상기 고정 부재, 및 상기 광섬유는 상기 방열 수단 내에 제공되는 레이저 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는,
    전기 신호에 의해 빛을 발생시키는 티오 캔(Transistor Outline can; TO-CAN) 광 모듈을 포함하고,
    상기 광섬유는 상기 티오 캔 광 모듈로부터 발생된 빛을 전달하고, 상기 외부 하우징은 상기 티오 캔 광 모듈 및 상기 광섬유의 일단을 수용하는, 레이저 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 티오 캔 광 모듈은,
    전기 신호를 입력받는 전극;
    상기 전극으로부터 입력되는 전기 신호에 기초하여 빛을 발생시키는 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드를 고정하는 서브 마운트;
    상기 서브 마운트를 고정하는 고정 블록;
    상기 고정 블록 및 상기 전극을 수용하는 플랫폼;
    상기 플랫폼의 일면에서 상기 레이저 다이오드, 상기 서브 마운트 및 상기 고정 블록을 덮도록 구성되는 티오-캔 원통 블록; 및
    상기 티오-캔 원통 블록의 상면에 위치하여 상기 레이저 다이오드로부터 발생되는 빛을 통과시키는 집적 렌즈를 포함하는, 레이저 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 수단은 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 히트 싱크(heat sink)를 포함하는, 레이저 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는,
    상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 일면을 덮는 제 1 히트 싱크 블록;
    상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 타면을 덮는 제 2 히트 싱크 블록; 및
    상기 제 1 히트 싱크 블록 및 상기 제 2 히트 싱크 블록에 결합되어 상기 제 1 히트 싱크 블록 및 제 2 히트 싱크 블록을 밀착시키는 적어도 하나의 고정 나사를 포함하는, 레이저 모듈.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 방열 수단은, 상기 히트 싱크에 부착되어 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하는 열전 냉각 소자(Thermal Electric Cooler; TEC), 칠러(chiller) 및 방열판 중 적어도 하나를 더 포함하는, 레이저 모듈.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는 청색 레이저 다이오드(Blue LD)인 것을 특징으로 하는, 레이저 모듈.
  8. 삭제
  9. 전기 신호에 의해 빛을 발생하고, 발생한 빛을 광섬유를 통해 전달하는 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(Transmitter Optical Sub-assembly; TOSA)들; 및
    상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 접촉하여 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들로부터 발생하는 열을 방출하도록 구성된 방열 수단을 포함하되,
    상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는 각각:
    외부 하우징;
    상기 전기 신호를 인가받는 적어도 하나의 리드 라인; 및
    상기 광섬유가 내부에 배치되는 고정 부재를 포함하고,
    상기 방열 수단은 상기 외부 하우징을 감싸도록 제공되고, 상기 외부 하우징, 상기 적어도 하나의 리드 라인, 상기 고정 부재, 및 상기 광섬유는 상기 방열 수단 내에 제공되는 레이저 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는,
    전기 신호에 의해 빛을 발생시키는 티오 캔(TO-CAN) 광 모듈을 포함하고,
    상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 포함되는 상기 광섬유들을 하나로 결합하도록 연결되는 결합 광섬유를 더 포함하는, 레이저 모듈.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 방열 수단은 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 적어도 일부를 각각 수용하도록 형성되는 복수의 히트 싱크를 포함하는, 레이저 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 히트 싱크 각각은,
    대응하는 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 일면을 덮는 제 1 히트 싱크 블록;
    대응하는 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 타면을 덮는 제 2 히트 싱크 블록; 및
    상기 제 1 히트 싱크 블록 및 상기 제 2 히트 싱크 블록에 결합되어 상기 제 1 히트 싱크 블록 및 상기 제 2 히트 싱크 블록을 밀착시키는 적어도 하나의 고정 나사를 포함하는, 레이저 모듈.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들은 어레이 형태로 배치되고,
    상기 방열 수단은 어레이 형태로 배치된 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 적어도 일부를 수용하도록 형성되는 히트 싱크를 포함하는, 레이저 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는,
    어레이 형태로 배치된 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들의 각 일면을 덮는 제 1 히트 싱크 블록;
    어레이 형태로 배치된 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들의 각 타면을 덮는 제 2 히트 싱크 블록; 및
    상기 제 1 히트 싱크 블록 및 상기 제 2 히트 싱크 블록을 밀착시키는 적어도 하나의 고정 나사를 포함하는, 레이저 모듈.
  15. 제 11 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 방열 수단은, 상기 히트 싱크에 부착되어 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하는 열전 냉각 소자(Thermal Electric Cooler; TEC), 칠러 및 방열판 중 적어도 하나를 더 포함하는, 레이저 모듈.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 티오 캔 광 모듈은 청색 레이저 다이오드(Blue LD)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 모듈.
  17. 삭제
  18. 광출력 제어 신호를 출력하는 광출력 제어 회로;
    상기 광출력 제어 회로로부터 출력되는 광출력 제어 신호에 기초하여 전류 및 전압을 출력하는 전류전압 제어 회로;
    상기 전류전압 제어 회로로부터 출력되는 전류 및 전압에 기초하여 빛을 발생하고, 발생한 빛을 광섬유를 통해 전달하는 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리(Transmitter Optical Sub-assembly; TOSA)들;
    상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 온도를 감지하여 온도 제어 신호를 출력하는 온도 제어 회로; 및
    상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리에 접촉하고, 상기 온도 제어 신호에 기초하여 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하도록 구성된 방열 수단을 포함하되,
    상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리는:
    외부 하우징;
    상기 전류전압 제어 회로로부터 출력되는 상기 전류 및 전압을 인가 받는 적어도 하나의 리드 라인; 및
    상기 광섬유가 내부에 배치되는 고정 부재를 포함하고,
    상기 방열 수단은 상기 외부 하우징을 감싸도록 제공되고, 상기 외부 하우징, 상기 적어도 하나의 리드 라인, 상기 고정 부재, 및 상기 광섬유는 상기 방열 수단 내에 제공되는 레이저 모듈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리들은 어레이 형태로 배치되고,
    상기 방열 수단은 상기 어레이 형태로 배치된 상기 복수의 고출력 및 광송신 서브 어셈블리의 적어도 일부를 수용하도록 형성되는 히트 싱크를 포함하며,
    상기 방열 수단은 상기 히트 싱크에 부착되어 상기 온도 제어 신호에 기초하여 상기 고출력 및 광송신 서브 어셈블리로부터 발생하는 열을 방출하는 열전 냉각 소자(Thermal Electric Cooler; TEC) 및 칠러(chiller) 중 적어도 하나를 더 포함하는, 레이저 모듈.
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