KR102531850B1 - 양측 비구면 형상의 마이크로 렌즈 - Google Patents

양측 비구면 형상의 마이크로 렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양측면에 비구면 형상의 렌즈층이 마련되고, 작동 거리(WD)를 0.160±0.05mm로 최소화시켜 광통신 모듈의 소형화 및 집적화가 가능하며, 제1 렌즈층의 근축 반경(R1)/제2 렌즈층의 근축 반경(R2)의 값이 1.8 내지 3.5로 이루어져, 콜리메이팅 성능이 우수한 양측 비구면 형상의 마이크로 렌즈에 관한 것이다.

Description

양측 비구면 형상의 마이크로 렌즈{Micro lenses with both sides aspherical surfaces}
본 발명은 마이크로 렌즈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양측면에 비구면 형상의 렌즈층이 마련되고, 작동 거리(WD)를 0.160±0.05mm로 최소화시켜 광통신 모듈의 소형화 및 집적화가 가능하며, 제1 렌즈층의 곡률 반경(R1)/제2 렌즈층의 곡률 반경(R2)의 값이 1.8 내지 3.5로 이루어져, 콜리메이팅 성능이 우수한 양측 비구면 형상의 마이크로 렌즈에 관한 것이다.
일반적으로 광통신 모듈은 전송 용량을 높이기 위하여 서로 다른 파장의 광신호를 파장분할 다중화(WDM : Wavelength Division Multiplexing)하여 하나의 광섬유를 통하여 보내는 방식이 많이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 마이크로 렌즈가 적용된 광통신 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 광통신 모듈(10)은 광원(11), 콜리메이팅 렌즈로 기능하는 다수개의 마이크로 렌즈(12), 상기 마이크로 렌즈들을 통해 입사되는 빔의 특정 파장만을 선택적으로 투과되게 하는 필터(13), 상기 필터(13)를 통해 입사되는 서로 다른 파장의 빔(λ1, λ2, λ3, λ4)이 반사되어 서로 합쳐지게 하는 광학 블록(14), 합쳐진 다파장의 빔을 수광하여 파이버(16)로 포커싱되게 하는 포커싱 렌즈로 기능하는 마이크로 렌즈(15)를 포함하여 이루어진다.
한편, 도 2는 마이크로 렌즈(12)의 빔 발산각을 설명하기 위한 도면으로, 도 2를 참조하면, 빔 발산각은 광축과 평행하는 선(L1)과 빔의 확산선(L2)이 이루는 각도(θ2)를 의미한다.
종래의 광통신 모듈(10)에서는 제1 파장(λ1)의 빔 경로는 약 80mm이고, 제 4파장(λ4)의 광경로는 약 200mm이며, 광 손실을 줄이고 높은 성능을 구현하기 위해서는 콜리메이션 빔의 발산각이 작아야 한다.
보다 구체적으로, 빔 발산각이 1mrad 이상으로 설계된 렌즈의 모듈 시뮬레이션 결과, 빔 경로가 140mm 이상이 될 경우, 광신호의 손실이 발생하여 성능이 60%이하로 급격하게 저하되는 것으로 확인되었으며, 빔 경로가 200mm에서도 90% 이상의 성능을 발휘하기 위해서는 빔 발산각 1mrad 이하인 마이크로 렌즈의 개발이 필요한 실정이다.
또한, 광통신 산업이 발달하면서, 광통신 모듈의 소형화 및 집적화를 위해서는 마이크로 렌즈와 광원간의 거리인 작동거리(WD)를 최소화시키면서, 빔 발산각이 1mrad 이하를 만족하는 마이크로 렌즈의 개발이 필요하다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 측면에 비구면 형상의 렌즈층이 마련되고, 작동 거리(WD)를 최소화시켜 광통신 모듈의 소형화 및 집적화가 가능하며, 빔 발산각은 1mrad 이하로, 콜리메이팅 성능이 우수한 양측 비구면 형상의 마이크로 렌즈를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일측면에 비구면 형상의 제1 렌즈층이 마련되고, 타측면에 비구면 형상의 제2 렌즈층이 마련된 양측면 비구면 형상의 마이크로 렌즈로서, 작동 거리(WD)는 0.160±0.05mm이고, 아래의 식 1을 만족하여, 빔 발산각이 1mrad 미만인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 제공한다. [식 1] R1/R2 = 1.8 내지 3.5, 여기서, R1은 제1 렌즈층의 곡률 반경이고, R2는 제2 렌즈층의 곡률 반경을 의미한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 굴절률(Nd)이 1.60 내지 1.86이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 1290nm 내지 1610nm의 파장대에서 이용된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 목표물의 개구수(NAO)가 0.50 이하이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 두께가 0.680mm 내지 0.720mm이며, 빔 직경(BD)는 0.50mm이하이다.
또한, 본 발명은 광원; 콜리메이팅 렌즈로 기능하는 상기 마이크로 렌즈; 상기 마이크로 렌즈들을 통해 입사되는 빔의 특정 파장만을 선택적으로 투과되게 하는 필터; 상기 필터를 통해 입사되는 서로 다른 파장의 빔이 반사되어 서로 합쳐지게 하는 광학 블록; 합쳐진 다파장의 빔을 수광하여 파이버로 포커싱 되게 하는 포커싱 렌즈로 기능하는 마이크로 렌즈;를 포함하는 광통신 모듈을 더 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 양측 비구면 형상의 마이크로 렌즈에 의하면, 양측면에 비구면 형상의 렌즈층이 마련되고, 작동 거리(WD)를 0.160±0.05mm로 최소화시켜 광통신 모듈의 소형화 및 집적화가 가능하며, 제1 렌즈층의 곡률 반경(R1)/제2 렌즈층의 곡률 반경(R2)의 값이 1.8 내지 3.5이고, 굴절률(Nd)은 1.60 내지 1.86이며, 1290nm 내지 1610nm의 파장대에서 이용가능하며, 빔 발산각이 1mrad 이하로, 빔 경로가 200mm일 경우에도, 90% 이상의 콜리메이팅 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 마이크로 렌즈가 적용된 광통신 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 마이크로 렌즈의 빔 발산각을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 굴절률 및 곡률반경 비율에 따른 콜리메이팅 성능(빔 발산각)을 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 굴절률에 따른 콜리메이팅 성능(빔 발산각)을 분석한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 파장에 따른 콜리메이팅 성능(빔 발산각)을 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 파장에 따른 콜리메이팅 성능(빔 발산각)을 분석한 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈(100)는 콜리메이팅 렌즈 또는 포커싱 렌즈로 기능하는 마이크로 렌즈로, 일측면에는 비구면 형상의 제1 렌즈층(110)이 마련되고, 타측에는 비구면 형상의 제2 렌즈층(120)이 마련된 양측면 비구면 형상으로 구비된다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(100)의 작동거리(WD)는 0.160±0.05mm를 만족한다.
이는 작동거리를 최소화시킴으로써, 빔의 직경이 작아지게 되며, 광통신 모듈의 소형화 및 직접화가 가능하게 한다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(100)는 상기 제1 렌즈층(110)의 곡률 반경(R1)/ 상기 제2 렌즈층(120)의 곡률 반경(R2)의 값이 1.8 내지 3.5인 것이 바람직하다.
즉, 아래의 식 1을 만족하도록 설계된다.
[식 1] R1/R2 = 1.8 내지 3.5, 여기서, R1은 제1 렌즈층의 곡률 반경이고, R2는 제2 렌즈층의 곡률 반경을 의미한다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(100)는 굴절률(Nd)이 1.60 내지 1.86인 것이 바람직하다.
이는 R1/R2의 값이 1.8 내지 3.5이고, 굴절률(Nd)이 1.60 내지 1.86로 마련됨으로써, 빔 발산각이 1mrad 이하로 형성되어, 빔 경로가 200mm일 경우에도 90% 이상의 콜리메이팅 성능을 발휘할 수 있는 이점을 지니게 한다.
이때, 상기 마이크로 렌즈(100)는 1290nm 내지 1610nm의 파장대에서 이용될 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(100)는 목표물의 개구수(NAO)는 0.50이하이고, 두께(D)는 0.680mm 내지 0.720mm이며, 빔 직경(BD)는 0.50mm이하로 마련된다.
여기서, 상기 목표물의 개구수(NAO)는 sinθ로 산출되는데, 여기서, θ는 광축과 평행하는 선과 광원(LD)의 확산선이 이루는 각도를 의미한다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 굴절률 및 곡률반경 비율에 따른 콜리메이팅 성능(빔 발산각)을 분석한 결과이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 작동거리(WD)를 0.160mm로 고정시키고, 굴절률이 1.51633 내지 1.864인 다양한 소재들(K-BK7(SUMITA), K-VC78(SUMITA), K-VC82(SUMITA), K-LAFK50(SUMITA), K-VC89(SUMITA), L-TIH53(OHARA), K-VC90(SUMITA), L-LAH83(OHARA))로 마이크로 렌즈를 제작하여, 빔의 발산각을 확인한 결과, 굴절률이 1.60 내지 1.86일 경우, 빔의 발산각이 1mrad미만인 것으로 확인되었다.
또한, R1/R2의 값이 2.04 내지 3.45일 경우, 빔의 발산각이 1mrad미만인 것으로 확인되었다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 파장에 따른 콜리메이팅 성능(빔 발산각)을 분석한 결과이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 작동거리(WD)를 0.160mm로 고정시키고, 굴절률이 1.51633 내지 1.864인 다양한 소재들(K-BK7(SUMITA), K-VC78(SUMITA), K-VC82(SUMITA), K-LAFK50(SUMITA), K-VC89(SUMITA), L-TIH53(OHARA), K-VC90(SUMITA), L-LAH83(OHARA))로 마이크로 렌즈를 제작하였으며, 빔의 파장에 따른 발산각을 확인한 결과, 광통신 모듈이 적용되는 1290nm 내지 1610nm의 파장대에서 빔의 발산각이 1mrad미만으로 형성되는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈(100)를 포함하는 광통신 모듈로 제공될 수 있다.
상기 광통신 모듈은 다수개의 광원, 다수개의 제1 마이크로 렌즈(콜리메이팅 렌즈), 필터, 광학 블록 및 제2 마이크로 렌즈(포커싱 렌즈)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 광원들은 서로 다른 파장의 빔을 발생시키는 역할을 하며, 상기 제1 마이크로 렌즈들은 상기 광원들으로 부터 발생된 빔을 콜리메이팅 시키는 콜리메이팅 렌즈로 기능하며, 상기 필터는 상기 제1 마이크로 렌즈를 통해 입사되는 빔의 특정 파장만을 선택적으로 투과되게 한다.
또한, 상기 광학 블록은 상기 필터를 통해 입사되는 서로 다른 파장의 빔이 반사되어 서로 합쳐지게 하며, 상기 제2 마이크로 렌즈는 상기 광학 블록을 통해 합쳐진 다파장의 빔을 수광하여 파이버로 포커싱되게 하는 포커싱 렌즈로 기능한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 양측면 비구면 형상의 마이크로 렌즈(100)는 양측면에 비구면 형상의 렌즈층이 마련되고, 작동 거리(WD)를 0.160±0.05mm로 최소화시켜 광통신 모듈의 소형화 및 집적화가 가능하며, 제1 렌즈층의 곡률 반경(R1)/제2 렌즈층의 곡률 반경(R2)의 값이 1.8 내지 3.5이고, 굴절률(Nd)은 1.60 내지 1.86이며, 1290nm 내지 1610nm의 파장대에서 이용가능하며, 빔 발산각이 1mrad 이하로, 빔 경로가 200mm일 경우에도, 90% 이상의 콜리메이팅 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (6)

  1. 일측면에 비구면 형상의 제1 렌즈층이 마련되고, 타측면에 비구면 형상의 제2 렌즈층이 마련된 양측면 비구면 형상의 마이크로 렌즈로서,
    작동 거리(WD)는 0.160±0.05mm이고, 아래의 식 1을 만족하여, 빔 발산각이 1mrad 미만이며, 1290nm 내지 1610nm의 파장대에서 이용되고, 두께가 0.680mm 내지 0.720mm이며, 빔 직경(BD)는 0.50mm이하인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈.
    [식 1] R1/R2 = 1.8 내지 3.5, 여기서, R1은 제1 렌즈층의 곡률 반경이고, R2는 제2 렌즈층의 곡률 반경을 의미한다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는 굴절률(Nd)이 1.60 내지 1.86인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는 목표물의 개구수(NAO)가 0.50 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈.
  5. 삭제
  6. 광원;
    콜리메이팅 렌즈로 기능하는 제 1항, 제 2항 및 제 4항 중 어느 한 항의 마이크로 렌즈;
    상기 마이크로 렌즈를 통해 입사되는 빔의 특정 파장만을 선택적으로 투과되게 하는 필터;
    상기 필터를 통해 입사되는 서로 다른 파장의 빔이 반사되어 서로 합쳐지게 하는 광학 블록;
    합쳐진 다파장의 빔을 수광하여 파이버로 포커싱 되게 하는 포커싱 렌즈로 기능하는 마이크로 렌즈;를 포함하는 광통신 모듈.
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