KR102667731B1 - Vcsel 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈 - Google Patents

Vcsel 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈 Download PDF

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Abstract

VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈은, 다수의 VCSEL(12), 적어도 하나의 광 다이오드(13), 제1 포커싱 렌즈 어레이(14) 또는 제1 광학계(14), 및 제1 인쇄회로기판(11)을 포함하는 송신단, 및 다수의 광 다이오드(22), 적어도 하나의 VCSEL(23), 제2 포커싱 렌즈 어레이(24) 또는 제2 광학계(14), 및 제2 인쇄회로기판(21)을 포함하는 수신단을 포함하고, 근거리 및 중거리 자유공간 (무선) 고속 광통신 신호의 송수신을 실현할 수 있고, 단일 채널의 송수신 속도를 10Gbps 이상으로 할 수 있다. 이는 근거리 및 중거리의 고선명 멀티미디어 인터페이스(HDMI) 장치에서의 자유공간 고속신호 전송 기능을 실현하는데 사용될 수 있고, 자유공간 연결, 높은 전송속도, 낮은 비용, 작은 면적, 조립의 용이성 및 대량생산 등의 특징을 구비하여, 넓은 시장성을 갖추고 있다.

Description

VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈
본 발명은 광통신, 레이저 또는 디스플레이 장치에 관한 것으로, 특히 VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈에 관한 것이다.
광통신에서, 대부분의 광 트랜시버의 송신단 및 수신단은 모두 단일모드 섬유, 다중모드 섬유 및 폴리머(polymer) 섬유 등의 광섬유로 연결된다. 광섬유가 손실이 적고, 외부 환경의 간섭을 적게 받으며, 전송방향을 언제든지 변경할 수 있는 등의 정점이 있어 광통신 연결에 상당히 적합하다. 그러나, 자유공간 광신호 전송 방안이 사람들로 하여금 점점 더 많은 관심을 받으며 채택되고 있고, 앞으로 많은 근거리 및 중거리 분야에서 광섬유 전송이 대체될 전망이다. 그 주요 적용 분야로 고선명 초대화면 4K 및 8K 텔레비전, VR 및 AR 등 다양한 미디어 장치가 포함된다.
본 발명은 현존하는 기술과 대비하여, 생산비용이 낮고, 면적이 작으며, 전송속도가 높고, HDMI 장치에서의 근거리 및 중거리 자유공간 고속통신 전송을 실현하는 VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈(free space active optical transceiver component)은, 다수의 VCSEL, 적어도 하나의 광 다이오드(photodiode), 제1 포커싱 렌즈 어레이(focusing lens array) 및 제1 인쇄회로기판을 포함하고, 상기 다수의 VCSEL 및 상기 광 다이오드는 상기 제1 인쇄회로기판에 어레이 형태로 배치되고, 상기 제1 포커싱 렌즈 어레이는 상기 다수의 VCSEL 및 상기 광 다이오드와 일대일 대응되어, 방출된 신호광을 시준하거나 수신된 신호광을 집속하는, 송신단; 다수의 포토 다이오드, 적어도 하나의 VCSEL, 제2 포커싱 렌즈 어레이 및 제2 인쇄회로기판을 포함하고, 상기 다수의 광 다이오드 및 상기 VCSEL은 제2 인쇄회로기판에 어레이 형태로 배치되고, 상기 제2 포커싱 렌즈 어레이는 상기 다수의 광 다이오드 및 상기 VCSEL과 일대일 대응되어, 수신된 신호광을 집속하거나 방출된 신호광을 시준하는, 수신단;을 포함하고, 상기 송신단의 다수의 VCSEL이 방출한 신호광이 대응되는 제1 포커싱 렌즈 어레이로 입사되는 때에, 시준 신호광으로 시준된 후, 상기 수신단의 제2 포커싱 렌즈 어레이에 입력되고, 계속하여 상기 제2 포커싱 렌즈 어레이에 의해 상기 수신단의 다수의 광 다이오드 중 대응되는 광 다이오드로 집속되고 입력되고, 상기 수신단의 VCSEL이 회귀 신호광을 방출하고, 회귀 신호광이 역으로 상기 제2 포커싱 렌즈 어레이에 입력되고 시준되어 상기 제1 포커싱 렌즈 어레이에 전송된 후, 상기 제1 포커싱 렌즈 어레이에 의해 상기 송신단의 광 다이오드에 집속되고 입력된다.
나아가, 상기 송신단의 다수의 VCSEL 및 적어도 하나의 광 다이오드는 상기 제1 인쇄회로기판에 병렬 배치되고, 상기 수신단의 다수의 광 다이오드 및 적어도 하나의 VCSEL은 상기 제2 인쇄회로기판에 병렬 배치된다.
나아가, 상기 송신단은 3~14개의 VCSEL 및 적어도 하나의 광 다이오드를 구비하고, 상기 수신단은 3~14개의 광 다이오드 및 적어도 하나의 VCSEL을 구비한다.
나아가, 상기 제1 포커싱 렌즈 어레이 및 제2 포커싱 렌즈 어레이의 구조가 동일하고, 각각 직각 삼각 프리즘(prism) 및 다수의 제1 비구면 렌즈를 포함하고, 상기 직각 삼각 프리즘의 하나의 직각면은 입사면이고, 다른 하나의 직각면은 출사면이고, 나머지 면은 반사면이고, 상기 다수의 비구면 렌즈는 직각면 중 하나에 병렬 배치되어 상기 송신단이 전송한 시준 광 신호를 수신하거나 상기 송신단의 VCSEL이 방출한 광 신호를 시준하고, 상기 직각 삼각 프리즘의 다른 하나의 직각면은 상기 송신단의 다수의 VCSEL, 적어도 하나의 광 다이오드에 대응되거나 상기 수신단의 다수의 광 다이오드, 적어도 하나의 VCSEL에 대응된다.
바람직하게는, 상기 직각 삼각 프리즘의 다른 하나의 직각면에는 상기 송신단의 다수의 VCSEL, 적어도 하나의 광 다이오드 또는 상기 수신단의 다수의 광 다이오드, 적어도 하나의 VCSEL에 대응하여 다수의 제2 비구면 렌즈가 구비된다.
본 발명의 일 실시예로, 제1 Z-블록형 프리즘 및 제2 Z-블록형 프리즘이 더 포함되고, 상기 제1 Z-블록형 프리즘은 다수의 입사면 및 하나의 출사단을 구비하고, 상기 다수의 입사면에는 각각 서로 상이한 동작 파장(operating wavelength)의 WDM 필터(Wavelength Division Multiplexing filter)가 구비되는데, 각각, 제1 포커싱 렌즈 어레이에 대응되고, 송신단의 다수의 VCSEL 및 광 다이오드에 일대일 대응되며, 서로 다른 VCSEL이 방출한 신호광이 수신되어 상기 제1 Z-블록형 프리즘으로 입력된 후, 상기 출사단에서 수신단으로 출사되고, 상기 제1 Z-블록형 프리즘의 출사단이 구비되는 단면의 대응되는 영역에 증투막이 구비되고, 그 남은 영역에 고반사막이 구비되며, 상기 제1 Z-블록형 프리즘의 입사면 중 하나는 상기 송신단의 광 다이오드에 대응되고, 상기 수신단에서 회귀 신호광이 수신된 후, 상기 입사면을 역으로 통과하여 대응되는 제1 포커싱 렌즈 어레이로 입사되고; 상기 제2 Z-블록형 프리즘은 다수의 출사면 및 하나의 입사단을 구비하고, 상기 제2 Z-블록형 프리즘의 다수의 출사면 각각에도 서로 다른 동작 파장의 WDM 필터가 구비되는데, 각각, 제2 포커싱 렌즈 어레이에 대응되고, 상기 수신단의 다수의 광 다이오드 및 VCSEL에 일대일 대응되며, 상기 제2 Z-블록형 프리즘의 입사단은 상기 제1 Z-블록형 프리즘이 방출한 신호광을 수신하여 상기 신호광을 상기 다수의 출사면으로부터 대응되는 제2 포커싱 렌즈 어레이로 입력시키고; 상기 제2 Z-블록형 프리즘의 입사단이 구비되는 단면의 대응되는 영역에 증투막이 구비되고, 남은 영역에 고반사막이 구비되고, 상기 제2 Z-블록형 프리즘의 출사면 중 하나는 상기 수신단의 VCSEL에 대응되고 상기 VCSEL이 방출한 회귀 신호광을 수신하여 상기 출사면을 역으로 통과시키고, 계속하여 상기 제2 Z-블록형 프리즘의 입사단으로부터 역으로 출력시킨다.
본 발명의 다른 실시예로, 대역 통과 필터 어레이(band pass filter array)가 더 포함되고, 상기 대역 통과 필터 어레이는 수신단에 구비되고, 상기 대역 통과 필터 어레이는 서로 다른 동작 파장의 필터를 구비하고 제2 포커싱 렌즈 어레이와 대응되며 송신단이 방출한 신호광을 서로 다른 파장으로 분할하고 상기 제2 포커싱 렌즈 어레이에 의해 상기 수신단에 위치하는 서로 다른 광 다이오드로 대응되어 입사되고, 상기 수신단의 VCSEL이 방출한 회귀 신호광은 상기 대역 통과 필터 어레이를 역으로 통과하여 상기 송신단의 광 다이오드로 전송된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈은, 다수의 VCSEL, 적어도 하나의 광 다이오드, 제1 광학계 및 제1 인쇄회로기판을 포함하고, 상기 다수의 VCSEL 및 상기 광 다이오드는 상기 제1 인쇄회로기판에 어레이 형태로 배치되고, 상기 제1 광학계의 입사단은 상기 다수의 VCSEL 및 상기 광 다이오드와 대응되고, 방출된 신호광을 시준하거나 수신된 신호광을 집속하는, 송신단; 다수의 광 다이오드, 적어도 하나의 VCSEL, 제2 광학계 및 제2 인쇄회로기판을 포함하고, 상기 다수의 광 다이오드 및 상기 VCSEL은 제2 인쇄회로기판에 어레이 형태로 배치되고, 상기 제2 광학계의 입사단은 상기 제1 광학계의 출사단이 전송한 광 신호를 수신하고, 상기 제2 광학계의 출사단은 상기 다수의 광 다이오드 및 상기 VCSEL과 대응되고 수신된 신호광을 집속하거나 방출된 신호광을 시준하는, 수신단;을 포함하고, 상기 송신단의 다수의 VCSEL이 방출한 신호광이 상기 제1 광학계의 입사단에서 상기 제1 광학계로 진입하여 시준 신호광으로 시준된 후, 상기 제1 광학계의 출사단을 통해 상기 제2 광학계의 입사단에 굴절되어 입력되어 상기 제2 광학계에 진입하고, 상기 제2 광학계의 출사단에 의해 시준 신호광을 상기 수신단의 대응되는 다수의 광 다이오드로 대응하여 집속되고 입력되며, 상기 수신단의 VCSEL이 회귀 신호광을 방출하고, 회귀 신호광이 역으로 상기 제2 광학계에 입력되어 시준된 후, 상기 제2 광학계의 출사단에 의해 굴절되어 상기 제1 광학계로 역으로 입력되고, 그 후 상기 제1 광학계에 의해 상기 송신단의 광 다이오드에 집속되고 입력된다.
나아가, 상기 제1 광학계 및 상기 제2 광학계의 구조가 동일하고, 각각, 직각 삼각 프리즘 및 시준 렌즈를 포함하고, 상기 시준 렌즈의 하나의 단면은 평면이고 상기 직각 삼각 프리즘의 하나의 직각면과 서로 접하고, 상기 시준 렌즈의 다른 하나의 단면은 곡면이고, 상기 직각 삼각 프리즘의 남은 면은 반사면이고, 상기 직각 삼각 프리즘의 다른 하나의 직각면은 상기 송신단의 다수의 VCSEL, 적어도 하나의 광 다이오드에 대응되거나 상기 수신단의 다수의 광 다이오드, 적어도 하나의 VCSEL에 대응된다.
나아가, 상기 수신단은 스페이서 시트(spacer sheet)를 더 포함하고, 상기 스페이서 시트는 상기 제2 인쇄회로기판 및 상기 제2 광학계 사이에 구비되고, 상기 스페이서 시트에는 투광홀 어레이가 구비되고 상기 투광홀 어레이의 관통홀(through-hole)은 상기 수신단의 다수의 광 다이오드, 적어도 하나의 VCSEL과 일대일 대응된다.
본 발명의 실시예에 따른 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL) 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈에 의하면, 근거리 및 중거리 자유공간 (무선) 고속 광통신 신호의 송수신을 실현할 수 있고, 단일 채널의 송수신 속도가 10Gbps 이상에 도달할 수 있다. 이는 근거리 및 중거리의 고선명 멀티미디어 인터페이스(HDMI) 장치에서의 자유공간 고속신호 전송 기능을 실현하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈에 의하면, 자유공간 연결, 높은 전송속도, 낮은 비용, 작은 면적, 조립의 용이성 및 대량생산 등의 특징을 구비하여, 넓은 시장성을 갖추고 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신단의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수신단의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 포커싱 렌즈의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 제1 포커싱 렌즈의 입체 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 포커싱 렌즈의 다른 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 제1 포커싱 렌즈의 입체 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신단 및 수신단의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 송신단 및 수신단의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 광학계의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 A-A에서의 단면 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 도 9의 제2 광학계의 입체 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스페이서 시트의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하에서는 도면 및 구체적인 실시예를 통해 본 발명에 대해 더 자세히 설명한다.
제1 실시예
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈은, 송신단 및 수신단을 포함한다.
송신단은 다수의 VCSEL(12), 적어도 하나의 광 다이오드(13), 제1 포커싱 렌즈 어레이(14) 및 제1 인쇄회로기판(11)을 포함한다. 다수의 VCSEL(12) 및 광 다이오드(13)는 제1 인쇄회로기판(11)에 어레이 형태로 배치된다. 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)는 다수의 VCSEL(12) 및 광 다이오드(13)와 일대일 대응되어, 방출된 신호광을 시준하거나 수신된 신호광을 집속한다.
수신단은 다수의 포토 다이오드(22), 적어도 하나의 VCSEL(23), 제2 포커싱 렌즈 어레이(24) 및 제2 인쇄회로기판(21)을 포함한다. 다수의 광 다이오드(22) 및 VCSEL(23)은 제2 인쇄회로기판(21)에 어레이 형태로 배치된다. 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)는 다수의 광 다이오드(22) 및 VCSEL(23)과 일대일 대응되어, 수신된 신호광을 집속하거나 방출된 신호광을 시준한다.
송신단의 다수의 VCSEL(12)이 방출한 신호광은 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)에 대응되는 때에, 시준 신호광으로 시준된 후, 수신단의 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)에 입력된다. 계속하여 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)에 의해 수신단의 대응되는 다수의 광 다이오드(22)로 대응하여 집속 및 입력된다. 수신단의 VCSEL(23)이 회귀 신호광을 방출하고, 회귀 신호광이 역으로 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)에 입력되고 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)에 시준된 후, 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)에 의해 송신단의 광 다이오드(13)로 집속되고 입력된다.
본 발명의 실시예는 따른 VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈은, 제1 Z-블록형 프리즘(31) 및 제2 Z-블록형 프리즘(32)을 더 포함할 수 있다. 제1 Z-블록형 프리즘(31)은 다수의 입사면 및 하나의 출사단을 구비한다. 각각의 다수의 입사면에는 서로 다른 동작 파장의 WDM 필터(311)가 구비되는데, 각각, 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)에 대응되고 송신단의 다수의 VCSEL(12) 및 광 다이오드(11)에 일대일 대응된다. WDM 필터(311)로 서로 다른 VCSEL(12)이 방출한 신호광이 수신되어 제1 Z-블록형 프리즘(31)으로 입력된 후, 출사단에서 수신단으로 출사된다. 제1 Z-블록형 프리즘(31)의 출사단이 구비되는 단면의 대응되는 영역에는 증투막(312)이 구비되고, 그 남은 영역에 고반사막(313)이 구비된다. 제1 Z-블록형 프리즘(31)의 입사면 중 하나는 송신단의 광 다이오드(13)에 대응되고 제1 Z-블록형 프리즘(31)에서 수신단의 회귀 신호광이 수신된 후, 입사면을 역으로 통과하여 대응되는 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)로 입사된다. 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)에 의해 회귀 신호광은 송신단의 광 다이오드(13)로 집속되고 입력된다. 제2 Z-블록형 프리즘(32)은 다수의 출사면 및 하나의 입사단을 구비한다. 제2 Z-블록형 프리즘(32)의 다수의 출사면에도 서로 다른 동작 파장의 WDM 필터(321)가 구비되는데, 각각, 제2 포커싱 렌즈 어레이(14)에 대응되고, 수신단의 다수의 광 다이오드(22) 및 VCSEL(23)에 일대일 대응된다. 제2 Z-블록형 프리즘(32)의 입사단은 제1 Z-블록형 프리즘(31)이 출사한 신호광을 수신하여 신호광을 그 다수의 출사면으로부터 대응되는 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)로 입력한다. 그리고, 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)는 신호광을 수신단의 다수의 광 다이오드(22)로 대응하여 입력한다. 제2 Z-블록형 프리즘(32)의 입사단이 구비되는 단면의 대응되는 영역에 증투막(322)이 구비되고, 그 남은 영역에 고반사막(323)이 구비된다. 제2 Z-블록형 프리즘(32)의 출사면 중 하나는 수신단의 VCSEL(23)에 대응되고, VCSEL(23)이 방출한 회귀 신호광을 수신하여 출사면을 역으로 통과시킨다. 계속하여 제2 Z-블록형 프리즘(23)의 입사단으로부터 역으로 출력되어 송신단으로 전송된다.
바람직하게는, 송신단에 대응하여 설치된 제1 Z-블록형 프리즘(14) 및 수신단에 대응하여 설치된 제2 Z-블록형 프리즘(24)의 두께는 각각 0.5~20mm이고, 송신단의 VCSEL(12) 또는 수신단의 광 다이오드(PD, 22)와 6°~ 45°의 각도로 경사지게 구비된다.
제1 Z-블록형 프리즘(31) 및 제2 Z-블록형 프리즘(32)은 광학 모듈의 송신단에서의 광 결합(MUX) 기능 및 수신단에서의 분광(DEMUX) 기능을 위해 구비된다.
송신단이 방출하는 것이 시준광이기에, 광섬유 등 도파관을 통해 전송하지 않아도 되어, 자유공간에서 근거리 및 중거리 전송 후, 수신단에 진입하여, 고속 신호의 자유공간과의 상호 연결을 실현한다.
또한, 출력단 및 입력단은 각각 하우징을 통해 패키징될 수 있고, 대응하여 설치된 제1 Z-블록형 프리즘(31) 및 제2 Z-블록형 프리즘(32)도 입력단 및 출력단의 내부에 패키징된다.
나아가, 송신단의 다수의 VCSEL(12) 및 적어도 하나의 광 다이오드(13)은 제1 인쇄회로기판(11)에 병렬 배치되고, 수신단의 다수의 광 다이오드(22) 및 적어도 하나의 VCSEL(23)은 제2 인쇄회로기판(21)에 병렬 배치된다. 제1 인쇄회로기판(11) 및 제2 인쇄회로기판(21)에는, 각각, VCSEL 및 광 다이오드를 구동하기 위한 대응되는 구동회로, 수신기 집적회로 및 마이크로 컨트롤러가 집적된다. VCSEL 및 광 다이오드는 패치 방식으로 제1 인쇄회로기판(11) 및 제2 인쇄회로기판(21)에 실장된다. 제1 인쇄회로기판(11) 및 제2 인쇄회로기판(21)에 구동회로, 수신기 집적 회로 및 마이크로 컨트롤러가 집적되는 기술은 공지된 것으로, 더 자세한 사항은 기술하지 아니한다.
나아가, 송신단은 3~14개의 VCSEL(12) 및 적어도 하나의 광 다이오드(13)를 구비한다. 다수의 VCSEL(12, 23)은 다수의 서로 다른 파장의 광 신호를 생성하기 위해 구비되는데, 파장의 범위는 600nm~1400nm이고, 파장의 채널 간격은 20~100nm이다. 이때, VCSEL(12, 23)의 일반적인 동작 파장은 825nm，850nm，910nm，940nm，970nm 및 1000nm이다. PD(광 다이오드, 13, 22)는 VCSEL이 방출한 광 신호를 수신하기 위해 구비된다. 수신단은 3~14개의 광 다이오드(22) 및 적어도 하나의 VCSEL(23)을 구비한다. 바람직하게는, 수신단 또는 발신단의 인접한 VCSEL 사이 또는 인접한 PD 사이 또는 VCSEL 및 광 다이오드 사이의 배치 간격은 0.25~5mm이다.
본 발명의 실시예에 따른 포커싱 렌즈 어레이와 관련하여, 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 포커싱 렌즈 어레이(14) 및 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)의 구조는 동일하다. 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)는 직각 삼각 프리즘(prism) 및 다수의 제1 비구면 렌즈(141)를 포함한다. 직각 삼각 프리즘의 하나의 직각면은 입사면이고, 다른 하나의 직각면은 출사면이고, 나머지 면은 반사면이다. 다수의 비구면 렌즈(141)는 직각면 중 하나에 병렬 배치되고 송신단이 전송한 시준 광 신호를 수신하거나 송신단의 VCSEL(12)이 방출한 광 신호를 시준한다. 직각 삼각 프리즘의 다른 하나의 직각면은 송신단의 다수의 VCSEL(12), 적어도 하나의 광 다이오드(11)에, 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)의 직각 삼각 프리즘의 다른 하나의 직각면은 수신단의 다수의 광 다이오드(22), 적어도 하나의 VCSEL(23)에 대응된다.
도 3 및 도 4가 도시하고 있는 포커싱 렌즈 어레이에 대한 다른 실시예로, 도 5 및 도 6을 참조하면, 바람직하게는, 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)의 직각 삼각 프리즘의 다른 하나의 직각면에는 송신단의 다수의 VCSEL(12), 적어도 하나의 광 다이오드(11)에 대응하여 다수의 제2 비구면 렌즈(142)가 구비된다. 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)의 직각 삼각 프리즘의 다른 하나의 직각면에는 수신단의 다수의 광 다이오드(22), 적어도 하나의 VCSEL(23)에 대응하여 다수의 제2 비구면 렌즈가 구비된다.
이상에서, 제1 포커싱 렌즈 어레이(14) 및 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)의 두 가지 구조에 한해 기술되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 송신단의 제1 포커싱 렌즈 어레이(14) 및 수신단의 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)는 각각, 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로 이루어진 어레이일 수도 있다.
나아가, 바람직하게는, 송신단의 제1 포커싱 렌즈 어레이(14) 및 수신단의 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)는 각각, 가공, 사출, 몰딩(molding) 또는 포토리소그래피(photo-lithography)를 통해 일체로 성형된 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈이다. 렌즈의 표면은 용도에 따라 광학적 증투막이 선택적으로 도포(코팅)될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 송신단에 대한 도면에서, 송신단이 동작 파장이 동일한 5개의 VCSEL(12)로 구성된 어레이를 구비하는 것으로 도시된다. 각각의 VCSEL 사이의 간격은 0.25mm이고, 방출된 레이저(파장 λ±10nm)가 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)로 진입하여 형성된 시준 광학계에서, VCSEL 어레이로부터 이격된 시준 광학계의 위치는 렌즈의 초점면이 된다. 이때, 각 VCSEL의 발광점은 렌즈의 초점면에 대칭적으로 위치하도록 설정되고, 서로 다른 시야(field of view)에서 VCSEL이 방출한 빔(beam)이 시준되고, 주축과 다른 각도로 출사된다. 최대 시야각이 너무 클 수 없는 점을 감안할 때, 실제 설계에서는 VCSEL 사이의 간격은 가능한 작게 하고, 시준 광학 렌즈의 초점 거리는 가능한 크게 한다. 수신단에서 전송된 시준 빔(파장 λ±10nm)은, 회귀 레이저 신호로서, 시준 광학계의 렌즈를 통과하여, 렌즈의 초점면에 위치한 광 다이오드(13)에 집속되어, 회귀 신호가 수집되고 수신된다.
본 발명의 실시예에 따른 수신단에 대한 도면에서, 수신단에 파장이 서로 다른 5개의 레이저 신호(파장은 각각, λ2±10nm，λ3±10nm，λ4±10nm，λ5±10nm，λ26±10nm)가 포함되는 것으로 도시된다. 레이저 신호가 송신단으로부터 수신단의 제2 Z-블록형 프리즘(32)으로 입사된 후, 전술된 바와 같이, 제2 Z-블록형 프리즘(32)의 기능이 제1 Z-블록형 프리즘(31)의 기능과 상반되므로, 파장 역다중화(DEMUX) 기능이 실현될 수 있다. 제1 Z-블록형 프리즘(31)이 송신단의 5개의 VCSEL(12)이 방출한 신호광을 수신한 후, 제1 Z-블록형 프리즘(31)에서 리턴되어 다중 파장 복합광으로 형성되고, 제2 Z-블록형 프리즘(32)의 입사단에 의해 수신되며, 최종적으로, 제2 Z-블록형 프리즘(32) 내에서 리턴된 후, 5개의 파장으로 형성된 하나의 시준 빔이 서로 다른 5개의 파장의 시준 빔으로 역다중화되어, 제2 Z-블록형 프리즘(32)을 통과한 후, 5개의 PD에 집속되어, 신호 수신이 완료된다. 이때, 하나의 VCSEL(파장 λ1±10nm)은, 회귀 레이저 신호로서, 시준 광학 어레이(여기서, 제2 Z-블록형 프리즘(32)의 역방향이 시준 광학 어레이이다) 및 제2 Z-블록형 프리즘(32)을 통과한다. 그 후, 시준광으로 자유공간에서 전송되어, 최종적으로 송신단에서 회귀 신호로 수신된다.
본 실시예에서, VCSEL/PD, 포커싱 렌즈 어레이(한 방향으로 입력되는 신호광은 시준하고, 다른 방향으로 입력되는 신호광은 집속), Z-블록 사이에 유리 또는 플라스틱의 전이 부재를 구비하여, 실시간 정합 또는 사전 정합을 실현할 수 있다. 또한, 좌외선 또는 열경화 접착제를 사용하여 PCB에 접착 및 조립되어, 각각 송신단 모듈 및 수신단 모듈을 형성함으로써, 조립 과정이 자동화되고, 낮은 비용으로, 대량생산이 용이하다.
제2 실시예
도 7을 참조하면, 도 7의 실시예는 본 발명의 제1 실시예와 대부분 동일하나, 제1 실시예의 제1 Z-블록형 프리즘 및 제2 Z-블록형 프리즘을 대신하여 대역 통과 필터 어레이(31)를 포함한다. 대역 통과 필터 어레이(31)는 수신단에 구비된다. 대역 통과 필터 어레이(31)에는 서로 다른 동작 파장의 필터(32)가 구비되고, 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)에 대응된다. 송신단의 제1 인쇄회로기판(11)의 다수의 VCSEL(12)이 방출한 서로 다른 동작 파장의 신호광은, 제1 포커싱 렌즈 어레이(14)를 통해 시준된 후 대응되는 대역 통과 필터 어레이(31)의 대응되는 필터(32)로 입력된다. 필터(32)에 의해 그 동작 파장에 상응하는 신호광이 통과된다(대역 통과 필터는 요구되는 모든 파장의 광 신호를 통과시키고, 불필요한 광 신호를 차단한다). 대역 통과 필터 어레이(31)를 통해 송신단이 출력한 신호광이 서로 다른 파장으로 분할되어, 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)를 통해 수신단의 제2 인쇄회로기판(21)에 위치하는 서로 다른 광 다이오드(22)로 대응하여 입사된다. 수신단의 VCSEL(23)은 광 다이오드(22)에서 송신단의 신호광을 수신한 후, 회귀 신호광을 출력한다. 회귀 신호광은 대역 통과 필터 어레이(31)를 역으로 통과한 후, 송신단의 광 다이오드(13)로 전송된다. 신호 대 잡음비에 대한 요구가 높지 않은 경우, 본 발명의 실시예에 따른 대역 통과 필터 어레이(31)는 구비되지 않을 수 있다. 즉, 수신단 및 송신단이 직접 대응되어, 송신단의 다수의 VCSEL(12)이 방출하는 서로 다른 파장의 신호광이 직접 수신단의 대응되는 다수의 광 다이오드(12)로 수신될 수 있다.
송신단의 다수의 VCSEL(12)은 다수의 동일한 파장의 광 신호를 생성하기 위해 구비된다. 그 파장의 범위가 600nm~1400nm인 때에는, 수신단에 대역 통과 필터 어레이를 구비하지 않을 수 있다.
송신단이 방출하는 것이 시준광이기에, 광섬유 등 도파관을 통해 전송하지 않아도 된다. 이에, 자유공간에서 근거리 및 중거리 전송 후, 광반의 크기 및 형상의 변화가 작아, 손실이 크지 않은 상태로 수신단에 진입할 수 있어, 고속 신호의 자유공간과의 상호 연결을 실현한다.
바람직하게는, 수신단 또는 송신단의 인접한 VCSEL 사이, 인접한 PD 사이 또는 VCSEL 및 PD 사이의 배치 간격이 0.5~5mm이다. 그런데, 수신단 및 송신단의 VCSEL 및 광 다이오드(PD)의 배열이 도면에 도시된 단일 행 또는 단일 열의 형태로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 수신단 및 송신단의 VCSEL 및 광 다이오드는, 다중 행 및 다중 열의 NХM 매트릭스 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 이때, 대역 통과 필터 어레이(31)의 필터(32)의 배열은 이에 대응된다.
바람직하게는, 수신단의 대역 통과 필터(32)는 각각의 두께가 0.2~3mm이고, 그 기판의 재질은 광학유리, 크리스탈, Si 또는 플라스틱일 수 있다. 또한, 한 면에는 광학 대역 통과 필터 막이 구비되고, 다른 한 면에는 증투막이 구비될 수 있다.
나아가, 바람직하게는, 수신단의 대역 통과 필터(32)는 접착제를 이용하여 긴 형상의 유리 기판에 접착될 수 있다. 이때, 접착제의 굴절률은 유리 기판에 대응되도록 하고, 유리 기판의 비접착면에 증투막을 도포하여 삽입 손실을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 구체적인 동작 흐름은 다음과 같다. 송신단으로부터 출사한 시준 빔은 5개의 서로 다른 파장의 레이저를 포함하고(파장은 각각, λ2±10nm，λ3±10nm，λ4±10nm，λ5±10nm，λ26±10nm), 송신단 방향에서 대역 통과 필터 어레이(31)로 입사된다. 대역 통과 필터 어레이는 요구되는 채널의 파장의 광 신호를 통과시키고 다른 파장의 광 신호는 차단하여, 인접 채널 간섭 및 전체적 간섭 현상을 줄이고, 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다. 대역 통과 필터 어레이(31)를 통과한 시준광은 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)로 입사되고, 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)를 지나 광학 포커싱 어레이의 초점면에 구비되는 PD(즉, 수신단의 다수의 광 다이오드(22))에 집속된다. 수신단의 하나의 VCSEL(23)은 파장이 λ1±10nm인 레이저를 방출하는데, 회귀 레이저 신호로서, 시준 광학 어레이(여기서, 제2 포커싱 렌즈 어레이(24)의 역방향이 시준 광학 어레이이다) 및 대역 통과 필터 어레이(31)를 통과한다. 그 후, 시준광으로 자유공간에서 전송되고, 최종적으로 송신단에서 회귀 신호로 수신된다.
제3 실시예
도 8 내지 도 12 중 하나를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 모듈은 송신단 및 수신단을 포함한다. 송신단은 다수의 VCSEL(12), 적어도 하나의 광 다이오드(13), 제1 광학계(14) 및 제1 인쇄회로기판(11)을 포함한다. 다수의 VCSEL(12) 및 광 다이오드(13)는 제1 인쇄회로기판(11)에 어레이 형태로 배치된다. 제1 광학계(14)의 입사단은 다수의 VCSEL(12) 및 광 다이오드(13)와 대응되어, 수신된 신호광을 시준하거나 집속한다.
수신단은 다수의 포토 다이오드(22), 적어도 하나의 VCSEL(23), 제2 광학계(25) 및 제2 인쇄회로기판(21)을 포함한다. 다수의 광 다이오드(22) 및 VCSEL(23)은 제2 인쇄회로기판(21)에 어레이 형태로 배치된다. 제2 광학계(25)의 입사단은 제1 광학계(14)의 출사단이 전송한 신호광을 수신한다. 제2 광학계(25)의 출사단은 다수의 광 다이오드(22) 및 VCSEL(23)과 대응되어, 수신된 신호광을 시준하거나 집속한다.
제1 인쇄회로기판(11) 및 제2 인쇄회로기판(21)에 구동회로, 수신기 집적 회로 및 마이크로 컨트롤러가 집적되는 기술은 공지된 것으로, 더 자세한 사항은 기술하지 아니한다.
송신단의 다수의 VCSEL(12)이 방출한 신호광은 제1 광학계(14)의 입사단을 통해 제1 광학계(14)로 진입하여 시준 신호광으로 시준된다. 그 후, 제1 광학계(14)의 출사단에서 굴절되고 제2 광학계(25)의 입사단으로 입력되어 제2 광학계(25)에 진입한다. 제2 광학계(25)의 출사단을 통해 시준 신호광이 수신단의 대응되는 다수의 광 다이오드(22)로 대응하여 집적 및 입력된다. 수신단의 VCSEL(23)은 회귀 신호광을 방출한다. 회귀 신호광은 제2 광학계(24)에 역으로 입력되어 시준된 후, 제2 광학계(25)의 출사단에서 굴절되어 제1 광학계(14)에 역으로 입력된다. 그 후, 제1 광학계(14)에 의해 송신단의 광 다이오드(13)에 집속되고 입력된다.
이때, 제1 광학계(14) 및 제2 광학계(25)의 구조는 동일하고, 각각, 직각 삼각 프리즘 및 시준 렌즈를 포함한다. 도 9 내지 도 11을 참조하면, 제2 광학계(25)의 구조가 도시된다. 시준 렌즈의 하나의 단면은 평면으로 직각 삼각 프리즘(26)의 하나의 직각면과 서로 접한다. 시준 렌즈의 다른 하나의 단면은 곡면이다. 직각 삼각 프리즘(26)의 남은 면은 반사면이다. 직각 삼각 프리즘(26)의 다른 하나의 직각면은 수신단의 다수의 광 다이오드(22), 적어도 하나의 VCSEL(23)에 대응된다. 제1 광학계(14)의 직각 삼각 프리즘은 송신단의 다수의 VCSEL(12), 적어도 하나의 광 다이오드(11)에 대응된다. 제1 광학계 및 제2 광학계는 서로 다른 시야의 시준광에 대해 집속할 수 있는데, 각각, 초점면의 시야 위치가 서로 다른 PD(광 다이오드)에 집속한다. 또한, 제1 광학계 및 제2 광학계는 역으로 초점면에서 VCSEL이 방출한 발산광을 시준하는 것을 실현한다.
또한, 수신단은 스페이서 시트(24)를 더 포함한다. 스페이서 시트(24)는 제2 인쇄회로기판(21) 및 제2 광학계(25)의 사이에 위치한다. 스페이서 시트(24)에는 투광홀 어레이(241)가 구비되고, 투광홀 어레이(241)의 관통홀은 수신단의 다수의 광 다이오드(22), 적어도 하나의 VCSEL(23)에 일대일 대응된다. 스페이서 시트(24)의 투광홀 어레이(241)는 다른 시야의 광 신호를 차단하고, 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 수신단의 스페이서 시트(24)의 두께는 각각 0.1~1mm이고, 그 기판의 재질은 광학 유리, 크리스탈 또는 Si일 수 있다. 투광홀 어레이(241)의 작은 홀이 관통홀인 경우, 기판은 VCSEL의 파장을 투과시키지 않는 물질로 형성될 수 있다. 관통홀은 기계적 가공 또는 포토리소그래피를 통해 형성될 수 있다. 작은 홀 어레이는 패턴으로 형성될 수도 있는데, 이때 기판은 VCSEL 파장에 대한 고투과 물질로 구비될 수 있다. 작은 홀 패턴의 작은 홀 내에 증투막이 도포되고, 홀 외부에 흡수막 또는 차단막이 도포된다. 작은 홀 패턴 및 막(필름)의 도포는 광학 마스킹(masking) 및 코팅을 통해 형성될 수 있다. 각각의 작은 홀의 직경은 0.01~0.25mm이고, 배열 간격은 0.25~0.5mm이다.
그밖에, 본 발명의 실시예에 따른 송신단의 다수의 VCSEL(12)은 다수의 동일한 파장의 광 신호를 생성하기 위해 구비된다. 파장의 범위는 600nm~1400nm이고, 수신단의 다수의 광 다이오드(PD, 22)는 VCSEL이 방출한 광 신호를 수신하기 위해 구비된다.
송신단의 제1 광학계는 수신단의 제2 광학계와 광학적 켤레 관계를 형성하여, 송신단 및 수신단의 점대점의 일대일 대응되는 광 신호의 송수신을 실현할 수 있다.
송신단이 방출하는 것이 시준광이기에, 광섬유 등 도파관을 통해 전송하지 않아도 된다. 따라서, 자유공간에서 근거리 및 중거리 전송 후, 광반의 크기 및 형상의 변화가 작아, 손실이 크지 않은 상태로 수신단에 진입할 수 있어, 고속 신호의 자유공간과의 상호 연결을 실현한다. 또한, 송신단 및 수신단은 각각 하나로 패키징될 수 있다.
바람직하게는, 송신단은 3~14개의 VCSEL 및 적어도 하나의 PD를 구비한다. 수신단은 3~14개의 PD 및 적어도 하나의 VCSEL을 구비한다.
나아가, 바람직하게는, 수신단 또는 송신단의 인접한 VCSEL 사이, 인접한 PD 사이 또는 VCSEL 및 광 다이오드 사이의 간격은 0.25~0.5mm이다.
본 실시예에 대한 도면에서 도시되는 송신단은 6채널 송신단으로, 5개의 VCSEL(12) 및 1개의 광 다이오드(13)를 포함하고, 수신단은 6채널 수신단으로, 5개의 광 다이오드(22) 및 1개의 VCSEL(23)을 포함한다. 그런데, 수신단 및 송신단의 VCSEL 및 광 다이오드(PD)의 배열이 도시된 바와 같은 단일 행 또는 단일 열의 형태로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 수신단 및 송신단의 VCSEL 및 광 다이오드는, 다중 행 및 다중 열의 NxM 매트릭스 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 이때, 투광홀 어레이(241)의 작은 홀의 배열도 이에 대응된다.
그 구체적인 동작 흐름은 다음과 같다. 송신단은 동일한 파장을 갖는 5개의 VCSEL(12)로 형성된 어레이를 포함하는데, 각각의 VCSEL(12) 사이의 간격은 0.25mm이다. 방출된 레이저 신호(파장 λ10nm)는 제1 광학계(14)로 입사된다. VCSEL 어레이로부터 이격된 제1 광학계의 위치가 렌즈의 초점면으로 된다. 이때, 각 VCSEL(12)의 발광점은 렌즈의 초점면에 대칭적으로 위치하도록 구비된다. 서로 다른 시야에서 VCSEL(12)이 방출한 빔이 시준되고, 주축과 다른 각도로 출사된다. 최대 시야각이 너무 클 수 없는 점을 감안할 때, 실제 설계에서는 VCSEL 사이의 간격은 가능한 작게 하고, 시준 광학 렌즈의 초점 거리는 가능한 크게 한다. 수신단에서 전송된 시준 빔(파장 λ10nm)은, 회귀 레이저 신호로서, 시준 광학계의 렌즈를 통과한 후, 렌즈의 초점면에 위치한 PD에 집속되어, 회귀 신호가 수집되고 수신된다.
이상은 본 발명의 바람직한 구현예에 대한 예시일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상에 근거하여, 본 발명의 원리 및 사상을 벗어나지 않는 전제 하에, 본 발명의 특허출원 범위에 따른 균등한 변경, 수정, 대체 및 변형은 모두 본 발명의 보호범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 송신단 및 수신단을 포함하는 VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템으로서,
    상기 송신단은:
    송신단 인쇄회로기판;
    복수의 송신단 VCSEL 및 송신단 광다이오드를 포함하는 송신단 어레이;
    상기 송신단 어레이의 맞은편에 입사 직각면, 경사 반사면, 출사 직각면, 및 송신단 시준 렌즈들을 포함하는 송신단 포커싱 렌즈 어레이로서, 각각의 송신단 시준 렌즈는 복수의 송신단 VCSEL 또는 송신단 광다이오드 중 하나에 대응하고, 각각의 송신단 시준 렌즈는 송신단 포커싱 렌즈 어레이의 출사 직각면의 맞은편에 평면부와, 곡면부를 갖고; 및
    상기 송신단 포커싱 렌즈 어레이의 곡면부의 맞은편에 입사단을 갖는 송신단 광학 시스템; 을 포함하고,
    상기 송신단 광학 시스템은, 상기 입사단을 통해 복수의 송신단 VCSEL에 의해 방출된 신호광을 수신하고, 수신된 신호광을 시준하고, 출사단을 통해 시준된 신호광을 굴절시키도록 구성되고,
    상기 수신단은:
    수신단 인쇄회로기판;
    복수의 수신단 광다이오드 및 피드백 신호광을 송신하도록 구성된 수신단 VCSEL을 포함하는 수신단 어레이;
    상기 수신단 어레이의 맞은편에 출사 직각면, 경사 반사면, 입사 직각면, 및 복수의 수신단 시준 렌즈를 포함하는 수신단 포커싱 렌즈 어레이로서, 상기 복수의 수신단 시준 렌즈 각각은 상기 복수의 수신단 광다이오드 또는 수신단 VCSEL 중 하나에 대응하고, 상기 복수의 수신단 시준 렌즈 각각은 상기 수신단 포커싱 렌즈 어레이의 입사 직각면의 맞은편에 평면부와, 곡면부를 갖고; 및
    상기 송신단 광학 시스템과 동일한 구조를 갖는 수신단 광학 시스템; 을 포함하고,
    상기 수신단 광학 시스템은 상기 수신단 포커싱 렌즈 어레이의 맞은편에 출사단과, 입사단을 포함하고,
    상기 수신단 광학 시스템은, 상기 송신단 광학 시스템의 출사단을 통해 송신된 시준된 신호광을 상기 수신단 광학 시스템의 입사단을 통해 수신하고, 상기 시준된 신호광을 출사단을 통하여 상기 복수의 수신단 광다이오드에 집속 및 입력하고, 상기 출사단을 통해 회귀 신호광을 수신하고, 상기 회귀 신호광을 시준하고, 상기 출사단을 통해 회귀 신호광을 굴절시키고, 상기 회귀 신호광을 상기 송신단 광학 시스템의 출사단을 통해 상기 송신단 광학 시스템으로 역으로 입력하도록 구성되고,
    상기 송신단 광학 시스템은 상기 회귀 신호광을 집속하고 상기 송신단 포커싱 렌즈를 통해 상기 회귀 신호광을 상기 송신단 광다이오드에 입력하도록 구성되는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신단 광학 시스템은 송신단 Z-블록형 프리즘을 포함하고,
    상기 수신단 광학 시스템은 수신단 Z-블록형 프리즘을 포함하는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신단 Z-블록형 프리즘은 상기 송신단 포커싱 렌즈 어레이의 맞은편에 복수의 입사면을 포함하고,
    상기 복수의 입사면 각각은 송신단 WDM 필터(Wavelength Division Multiplexing filter)를 구비하고, 상기 송신단 WDM 필터는 서로 상이한 동작 파장(working wavelength)을 갖고,
    상기 복수의 입사면은, 상기 송신단 광다이오드에 대응하는 제1 입사면 및
    상기 복수의 송신단 VCSEL에 대응하는 나머지 입사면들을 포함하고,
    상기 제1 입사면은 상기 회귀 신호광을 상기 제1 입사면을 통해 상기 송신단 광다이오드로 역으로 통과시키도록 구성된 송신단 WDM 필터를 갖고,
    상기 나머지 입사면들 각각은 대응하는 송신단 VCSEL에 의해 방출된 신호광을 수신하고 상기 신호광을 상기 송신단 Z-블록형 프리즘으로 입력하도록 구성된 송신단 WDM 필터를 갖는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신단 Z-블록형 프리즘은:
    상기 신호광이 상기 수신단에 방출되는 상기 출사단이 구비되는 대응 영역에 증투막; 및
    상기 출사단의 나머지 영역에 고반사막; 을 포함하는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 수신단 Z-블록형 프리즘은 각각 수신단 WDM 필터를 구비한 복수의 입사면을 포함하고,
    상기 각각의 수신단 WDM 필터는 서로 상이한 동작 파장을 갖고,
    상기 복수의 입사면은, 상기 수신단 VCSEL에 대응하는 제1 입사면 및 상기 복수의 수신단 광다이오드에 대응하는 나머지 입사면들을 포함하고,
    상기 제1 입사면은 상기 회귀 신호광을 상기 제1 입사면을 통해 상기 수신단 VCSEL로부터 역으로 수신하도록 구성된 수신단 WDM 필터를 갖고,
    상기 나머지 입사면들 각각은 상기 송신단 Z-블록형 프리즘에 의해 방출된 신호광을 수신하고, 상기 신호광을 대응하는 입사면을 통해 상기 수신단 포커싱 렌즈 어레이 내로 방출하도록 구성된 수신단 WDM 필터를 갖는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 수신단 Z-블록형 프리즘은:
    상기 신호광이 송신단으로부터 수신된 상기 입사단의 대응 영역에 증투막; 및
    상기 입사단의 나머지 영역에 고반사막; 을 포함하는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신단 포커싱 렌즈 어레이의 맞은편의 수신단에 배열된 대역 통과 필터 어레이를 더 포함하고,
    상기 대역 통과 필터 어레이는 서로 상이한 동작 파장을 갖는 필터들을 구비하고, 상기 수신단으로부터 출력된 신호광을 서로 다른 파장으로 분할하도록 구성되고,
    상기 필터들은:
    전송을 위해 상기 수신단 VCSEL에 의해 방출된 상기 회귀 신호광을 상기 송신단 광다이오드로 통과시키도록 구성된 제1 필터; 및
    상기 수신단 광다이오드 각각에 대응하는 나머지 필터들; 을 포함하고,
    상기 나머지 필터들은 분할된 신호광을 상기 수신단 포커싱 렌즈 어레이를 통해 대응하는 수신단 광다이오드로 통과시키도록 구성되는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 송신단 VCSEL 및 송신단 광다이오드는 상기 송신단 인쇄회로기판 상에 평행하게 배열되고,
    상기 복수의 수신단 광다이오드 및 수신단 VCSEL은 상기 수신단 인쇄회로기판 상에 평행하게 배열되는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 송신단 VCSEL은 3개 내지 14개의 송신단 VCSEL을 포함하고,
    상기 복수의 수신단 광다이오드는 3개 내지 14개의 수신단 광다이오드를 포함하는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신단 포커싱 렌즈 어레이 및 수신단 포커싱 렌즈 어레이는 동일한 구조를 갖는, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신단 포커싱 렌즈 어레이 및 수신단 포커싱 렌즈 어레이의 시준 렌즈들의 곡면부들은 비구면인, VCSEL 기반 자유공간 능동 광 트랜시버 시스템.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6675701B1 (ja) * 2019-11-13 2020-04-01 先端フォトニクス株式会社 光学部品及びアイソレータ
CN112505713B (zh) * 2020-11-27 2024-08-23 Oppo（重庆）智能科技有限公司 距离测量装置及方法、计算机可读介质和电子设备
US11870491B2 (en) * 2021-01-20 2024-01-09 Fluke Corporation Method and apparatus for measurement of mode delay in optical fibers
CN113423260B (zh) * 2021-05-27 2022-11-18 深圳市极致兴通科技有限公司 一种能够降低接收端光回损的cob器件
WO2024156612A1 (de) * 2023-01-23 2024-08-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Linsenmodul, optisch-kabelloser transceiver und optisch-kabelloses system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160025932A1 (en) * 2014-07-23 2016-01-28 Sifotonics Technologies Co., Ltd. Integrated Lens-Array-On-Substrate For Optical Coupling System And Fabrication Method Thereof
US20160327746A1 (en) * 2014-01-25 2016-11-10 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Bidirectional optical multiplexing employing a high contrast grating
CN107102405A (zh) * 2016-02-19 2017-08-29 深圳新飞通光电子技术有限公司 一种带光束调整器的光发射组件、光接收组件及光模块
CN206725818U (zh) * 2017-04-28 2017-12-08 武汉华工正源光子技术有限公司 用于cxp光模块的光学组件

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6563976B1 (en) 2000-05-09 2003-05-13 Blaze Network Products, Inc. Cost-effective wavelength division multiplexer and demultiplexer
CN101873169B (zh) 2010-05-14 2013-01-23 北京大学 一种无线光通信中的接收系统及其信号接收方法
CN202351467U (zh) * 2011-12-22 2012-07-25 福州高意通讯有限公司 一种多路并行的光耦合器
US20140084148A1 (en) * 2012-09-27 2014-03-27 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Optical-quality cover for use with an optical coupling system, and an optical communications module that incorporates the optical-quality cover
US8824519B1 (en) 2013-03-01 2014-09-02 Princeton Optronics Inc. VCSEL pumped fiber optic gain systems
EA201600542A1 (ru) * 2014-01-10 2017-03-31 Палмер Лэбс, Ллк Система связи с расходящимся лучом
US9456201B2 (en) * 2014-02-10 2016-09-27 Microsoft Technology Licensing, Llc VCSEL array for a depth camera
CN108768516A (zh) * 2018-07-02 2018-11-06 北京卫星信息工程研究所 波长快速可调谐的空间激光通信终端
CN108873128B (zh) 2018-09-05 2024-02-23 四川新易盛通信技术有限公司 棱镜、棱镜作为光束调整器的使用方法、棱镜组及光组件

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160327746A1 (en) * 2014-01-25 2016-11-10 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Bidirectional optical multiplexing employing a high contrast grating
US20160025932A1 (en) * 2014-07-23 2016-01-28 Sifotonics Technologies Co., Ltd. Integrated Lens-Array-On-Substrate For Optical Coupling System And Fabrication Method Thereof
CN107102405A (zh) * 2016-02-19 2017-08-29 深圳新飞通光电子技术有限公司 一种带光束调整器的光发射组件、光接收组件及光模块
CN206725818U (zh) * 2017-04-28 2017-12-08 武汉华工正源光子技术有限公司 用于cxp光模块的光学组件

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