KR20030013075A - 광 송수신 모듈 - Google Patents

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KR20030013075A
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Abstract

본 발명은 광섬유를 통해 광신호를 송신하거나 광섬유로부터 광신호를 수신하기 위한 광 송수신 모듈에 관한 것으로, 광도파로를 이루는 코어의 테이퍼부 종단에 곡면의 반사면을 형성하여 광의 정확한 경로 변경 및 집속이 이루어지도록 하고, 광도파로가 삽입된 페룰이 어뎁터에 고정되도록 하여 광도파로와 광원부/광검출부 간의 정렬오차가 최소화되도록 하므로써 광 신호가 전달되는 과정에서 결합 손실이 최소화되어 광 출력이 증대되며, 수동정렬에 의한 광결합시 정렬오차 허용범위가 비교적 넓어 생산성이 뛰어난 장점이 있어 저렴한 비용으로 광 연결을 이룰 수 있도록 한다.

Description

광 송수신 모듈{Module for transmitting and receiving an optic signal}
본 발명은 광섬유를 통해 광신호를 송신하거나 광섬유로부터 광신호를 수신하기 위한 광 송수신 모듈에 관한 것으로, 특히, 광섬유와의 결합시 정렬 오차로 인해 발생되는 결합 손실을 감소시킬 수 있도록 한 렌즈형 도파로를 구비한 광 송수신 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 저속의 시스템 등에서 회로기판(Board)과 회로기판, 칩(Chip)과 칩 또는 시스템 간의 연결은 전기적인 금속 케이블을 통해 이루어진다.
그러나 대용량의 병렬 컴퓨터로 구성되는 차세대 정보통신 시스템, 1Td/s 급의 ATM 스위칭 시스템 등에서와 같이 정보의 대용량화 및 전송 속도의 향상에 따라 이러한 금속 케이블을 이용할 경우 스큐(skew), EMI(electromagnetic interference) 등과 같은 전기적인 문제가 발생되어 시스템의 동작 효율이 저하되고 시스템 집적화가 어려워진다.
그래서 근래에 들어 광 송수신 모듈을 이용하여 광 연결을 이루는 기술이 개발되었는데, 광 송수신 모듈 내부의 광 결합 방식으로는 45°의 경사각으로 위치된 반사경을 구비하는 리본 광섬유 다채널 광콘넥터에 광 송수신 소자를 직접 결합시키는 방식, 45°의 경사각으로 위치된 반사경을 구비하는 폴리머(polymer) 광도파로에 광 송수신 소자를 결합시키고 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터에 연결시키는 방식, 광 송수신 소자를 폴리머 광도파로에 수직으로 결합시키고 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터에 연결시키는 방식, 플라스틱 팩키지에 고정된 광 송수신 소자를 다채널 광 콘넥터에 수직으로 결합시키는 방식 등이 이용된다. 이때, 광 송수신 소자 즉, 광원으로는 대개 표면방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)가 사용되며, 광 수신 소자로는 포토 다이오드(Photo Diode; PD)가 사용된다.
미국특허공보 제5631988호(1997. 5. 20)에 기재된 "병렬 광 접속기"는 홀더에 고정된 다채널 광섬유가 광전소자 어레이(광원 또는 광 검출기)에 수직으로 결합된 구조를 가지며, 광섬유 콘넥터는 보드에 기계적으로 부착되거나 탈착된다.
일본특허출원 제2000-7003642호(2000. 4. 4)에 기재된 "광 모듈"은 출사구를 통해 발진된 광이 도파로에 의해 90°로 반사된 후 기판에 형성된 코어를 따라 광 콘넥터와 연결된 광섬유로 전달되도록 구성된다.
2000년 5월 게재지(ECTC 2000)에 발표된 "병렬 광 접속 모듈"은 평면의 반사경이 45°의 경사각으로 위치된 24채널 고분자 도파로막과 24-광섬유 BF 콘넥터가 접속된 구조를 가지며, 도파로막과 콘넥터는 수동으로 조립된다.
이와 같은 소개된 기술 중 45°의 경사각으로 위치된 반사경을 가지는 폴리머 광도파로에 광 송수신 소자를 결합시키고 폴리머 광도파로를 다채널 광 콘넥터와 연결시키는 방식은 반사경 형성이 비교적 용이하고 광 커플러(Coupler), 광 스위치, WDM(Wavelength Division Multiplexing) 소자 등을 폴리머 광도파로에 내장시킬 수 있어 전체 모듈의 기능 확장을 이룰 수 있기 때문에 가장 효과적인 방법으로 평가되고 있다.
그러나 차후 확장된 기능을 갖는 광 송수신 모듈을 제작하기 위해 상기와 같은 광결합 기술을 이용할 경우 광 송수신 소자와 광섬유 간의 결합시 약간의 오정렬이 발생되어도 큰 결합손실이 발생되기 때문에 만족스러운 효율을 얻지 못할 것으로 예상된다. 따라서 결합손실을 최소화시킬 수 있는 광 송수신 모듈의 구조적인 개선이 절실히 요구되는 실정이다.
따라서 본 발명은 광도파로를 이루는 코어의 테이퍼부 종단에 반사면을 곡면으로 형성하여 광의 정확한 경로 변경 및 집중이 이루어지도록 하고, 광도파로가 삽입된 페룰이 어뎁터에 고정되도록 하여 광도파로와 광원부/광검출부 간의 정렬오차가 최소화되도록 하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 광 송수신 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극패드 및 소정의 회로패턴이 형성된 기판과, 기판 상에 구비되며 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 외부로 방출하는 광원부 및 외부로부터 개구부를 통해 입사되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부와, 기판 상에 구비되며 전극패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 광원부를 구동시키는 구동부 및 광검출부로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 전극패드를 통해 출력하는 수신부와, 광섬유와 연결된 콘넥터와 접속되는 어뎁터와, 하부 및 상부 클래드층 간에 코어가 형성되며 코어의 일부분에는 테이퍼부가 형성되고 테이퍼부 종단의 코어에는 반사면이 형성된 광도파로와, 광도파로를 어뎁터에 고정시키기 위한 페룰을 포함하여 이루어지며, 개구부와 반사면이 대향되도록 기판과 어뎁터가 결합된 것을 특징으로 한다.
상기 테이퍼부는 일측부가 다른 일측부보다 점점 넓어지는 깔때기 모양으로 형성되고, 상기 반사면은 45°의 경사각을 이루는 곡면으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 페룰의 중앙부에는 광도파로가 삽입되는 도파로홀이 형성되고, 도파로홀의 양측부에는 어뎁터와의 결합을 위한 가이드핀이 삽입되는 가이드홀이 형성되며, 도파로홀의 상부에는 광도파로를 고정시키기 위한 고정홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 송수신 모듈의 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 광원부/광검출부의 상세도.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 광도파로의 구조를 설명하기 위한 평면도 및 단면도.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 광도파로 제작 과정을 설명하기 위한 단면도.
도 5a 및 도 5b는 도 1에 도시된 페룰의 구조를 설명하기 위한 정면도 및 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판11: 전극패드
20: 구동부/수신부 21 및 31: 솔더
22 및 32: 본딩 와이어30: 광원부/광검출부
33: 개구부40: 광도파로
41: 상부 클래드층42: 코어
43: 하부 클래드층44: 반사면
45: 테이퍼부50: 페룰
51: 도파로홀52: 가이드홀
53: 고정홀60: 어뎁터
종래에는 850nm의 단파장 대역에서 사용 가능한 VCSEL을 광원으로 사용하였으나, 최근에는 1300nm 및 1550nm의 장파장 대역에 사용 가능한 VCSEL이 개발됨에 따라 장거리용 단일 모드 VCSEL 광 송수신 모듈의 구현이 가능해졌다. 그리고 단일 모드 광도파로의 코어(Core) 크기도 다중 모드에 비해 상당히 작아지기 때문에 표면방출 레이저(VCSEL) 또는 포토 다이오드(PD)와의 광 결합 및 정렬을 위한 새로운 기술 개발이 요구된다.
본 발명은 광섬유와의 결합을 용이하게 하며 결합손실을 최소화시키므로써 대용량, 고밀도화된 데이터를 고속으로 전송할 수 있도록 한 개선된 구조의 광 송수신 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 광 송수신 모듈은 크게 광섬유와 연결된 콘넥터와 접속되는 광접속부, 입력되는 전기적 신호를 광신호로 변환하거나 수신되는 광신호를 전기적 신호로 변환시키기 위한 광원부 및 광검출부, 상기 광접속부를 통해 전달되는 광 신호를 상기 광검출부로 전달하거나 상기 광원부로부터 방출되는 광 신호를 상기 광섬유로 전달하기 위한 광결합부로 이루어진다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 송수신 모듈의 구성도로서, 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전극패드(11) 및 소정의 회로패턴(도시 안됨)이 형성된 기판(10) 상에 솔더(Solder; 21 및 31)을 이용한 솔더링(Soldering)에 의해 구동부/수신부(20) 및 광원부/검출부(30)가 각각 접착(Bonding)된다.
상기 구동부/수신부(20) 및 광원부/검출부(30)는 상기 기판(10)에 어레이(Array) 형태로 형성되며, 구동부/수신부(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 본딩 와이어(22)에 의해 전극패드(11)와 연결되고, 광원부/검출부(30)는 본딩와이어(32)에 의해 구동부/수신부(20)와 연결된다. 또한, 상기 광원부/검출부(30)는 광 수신소자로 사용되는 포토 다이오드(PD)와 광원으로 사용되는 표면방출 레이저(VCSEL)를 포함하며, 상부에는 개구부(33)가 형성되어 광원으로부터 발생된 광이 외부로 방출되거나 외부로부터의 광이 광 수신소자로 입사된다.
따라서 상기 기판(10)으로는 임피던스(Impedence) 정합 뿐만 아니라 누화(Crosstalk) 또는 스큐(Skew)가 충분히 낮은 물질 예를 들어, FR-4, 세라믹 등으로 이루어진 인쇄회로기판(PCB)을 이용한다.
한편, 광섬유와 연결된 콘넥터(100)와 접속되는 어뎁터(60)에는 광도파로(40)를 고정시키기 위한 페룰(Ferrule; 50)이 접속되는데, 광도파로(40) 및 페룰(50)의 구조를 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 광도파로(40)는 도 3a에 도시된 바와 같이 하부 클래드층(43)과 상부 클래드층(41) 간에 코어(42)가 형성된 형태를 이룬다. 코어(42)의 일부는 다른 부분보다 점점 넓어지는 형태를 이루어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 깔때기 모양으로 형성된 테이퍼부(45)를 가지며, 테이퍼부(45)를 이루는 코어(42)의 종단부에는 소정의 반사율을 갖는 곡면으로 이루어진 반사면(44)이 형성된다. 즉, 코어(42)는 일정 범위의 파장을 갖는 광이 투과될 수 있는 예를 들어, 폴리머(PMMA) 또는 에폭시(Epoxy) 계열의 물질로 형성되는데, 이 물질의 종단부를 소정의 각도 예를 들어, 45°로 둥글게 가공하면 가공면의 반사율이 높아지는 반사면이 형성된다.
도 3b는 도 3a의 A1 - A2 부분을 절취한 상태의 단면도로서, 도 3b에 도시된바와 같이 상기 하부 및 상부 클래드층(41 및 43) 간에는 다수의 코어(42)가 어레이 형태로 형성된다.
도 4a 내지 도 4d는 상기 광도파로(40)를 제작하는 과정을 도시하는데, 도 4a는 하부 클래드층(41)을 형성한 상태의 단면도로서, 상기 코어(42) 및 테이퍼부(45)가 형성될 수 있도록 하부 클래드층(41)의 일부분이 식각된다. 이때, 사진 식각 공정 외에 사출 성형(Injection molding), 핫 엠보싱(Hot embossing) 등의 방법을 이용하여 도 4a와 같이 하부 클래드층(41)을 형성할 수 있다.
도 4b는 하부 클래드층(41) 상에 코어(42)가 형성된 상태의 단면도로서, 이때, 상기 코어(42)는 도 3b에 도시된 바와 같이 어레이 형태로 형성되며, 코어(42)의 상부면은 평탄하게 형성된다.
도 4c는 코어(42) 상에 상부 클래드층(43)을 형성한 상태의 단면도이고, 도 4d는 코어(42)와 하부 클래드층(41)의 일측 종단부 즉, 테이퍼부(45)의 종단부를 가공하여 코어(42)의 종단에 곡면으로 이루어진 반사면(44)이 형성되도록 한 상태의 단면도이다.
상기 하부 및 상부 클래드층(41 및 43)은 폴리머(PMMA) 또는 UV 에폭시 계열의 물질로 형성되고, 상기 코어(42)는 폴리머(PMMA) 또는 에폭시 계열의 물질로 형성된다. 상기 하부 및 상부 클래드층(41 및 43)과 코어(42)의 굴절률 및 크기는 접속될 광섬유의 사양을 고려하여 광결합 효율이 최대가 되도록 선택한다.
본 발명의 페룰(50)은 도 5a에 도시된 바와 같이 중앙부에 광도파로가 삽입될 수 있도록 도파로홀(51)이 형성되며, 도파로홀(51)의 양측부에는 어뎁터와의 결합을 위한 가이드 핀(도시 안됨)이 삽입되는 가이드홀(52)이 형성된다. 가이드 홀(52)은 다채널 광콘넥터와의 접속을 위해 사용하는 가이드 핀이 삽입되는 구멍으로 IEC 국제규격에 맞도록 형성한다.
또한, 도파로홀(52)의 상부에는 도 5b에 도시된 바와 같이 도파로홀(52)과 연결된 고정홀(53)이 형성되는데, 도파로홀(51)에 광도파로를 삽입한 후 고정홀(53)에 접착제(에폭시 계열의 물질)를 매립한 후 열 및 자외선(UV) 등으로 경화시켜 광도파로가 페룰(50)에 완전히 고정되도록 한다.
상기 페룰(50)은 온도 안정성 및 정밀 성형을 이룰 수 있는 물질 예를 들어, 실리카(Silica)와 폴리머(Polymer)가 혼합된 물질을 이송성형(Transfer molding) 방법으로 성형하여 형성한다. 상기 페룰(50)의 외부 치수는 IEC 국제규격에 따라 호환성을 갖도록 하며, 내부 치수는 광도파로가 삽입될 수 있는 크기를 갖도록 한다.
상기와 같이 구성된 기판(10)과 어뎁터(60)는 상기 광원부/검출부(30)의 개구부(33)와 상기 광도파로(40)의 반사면(44)이 대향되도록 직각으로 결합된다.
그러면 상기와 같이 구성된 광 송수신 모듈을 이용한 광 연결 과정을 도 1을 재 참조하여 설명하기로 한다.
광 송신용 모듈로 동작되는 경우, 전극패드(11)를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 구동부(20)는 광원부(30)를 구동시키며, 광원부(30)의 구동에 따라 발생된 광신호는 개구부(33)를 통해 광도파로(40)의 반사면(44)에 반사된 후 90°로 경로가 변경되고, 경로가 변경된 광신호는 코어를 따라 어뎁터(60)에 연결된 광섬유로 전송된다. 이때, 반사면(44)에 반사된 광은 소정 거리에서 촛점이 맞추어져 집속되며, 집속된 광은 코어를 통과하게 된다.
광 수신용 모듈로 동작되는 경우, 광섬유를 통해 전송된 광신호는 광도파로(40)의 코어를 통해 상기 반사면(44)에 반사된 후 경로가 변경되고, 경로가 변경된 광신호는 개구부(33)를 통해 광검출부(30)로 입사된다. 광검출부(30)는 입사된 광신호를 전기적 신호로 변환하며, 수신부(20)는 광검출부(30)로부터 공급된 전기적 신호를 증폭한 후 전극 패드(11)를 통해 출력한다. 반사면(44)에 반사된 광은 소정 거리에서 촛점이 맞추어져 집속되며, 집속된 광은 개구부(33)를 통해 광검출부(30)로 입사된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 광도파로를 이루는 코어에 테이퍼부를 형성하고, 테이퍼부의 종단에 곡면의 반사면이 형성되도록 하여 광 신호의 정확한 경로 변경 및 집속이 이루어지도록 한다. 따라서 광 신호가 전달되는 과정에서 결합손실이 최소화되어 광 출력이 증대된다.
또한, 광도파로와 광원부/광검출부 간의 정렬 및 광도파로와 어뎁터 간의 고정을 용이하고 정확하게 이루기 위해 광도파로를 페룰에 삽입시키고 페룰을 어뎁터에 고정시키므로써 광도파로와 광원부/광검출부 간의 정렬 오차 허용범위가 넓어져 능동 및 수동 정렬이 가능해지며 기존의 모듈보다 생산성이 향상되고 저렴한 비용으로 광 연결을 이룰 수 있다.

Claims (12)

  1. 전극패드가 형성된 기판과,
    상기 기판 상에 구비되며 광신호를 발생시켜 개구부를 통해 외부로 방출하는 광원부 및 외부로부터 상기 개구부를 통해 입사되는 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부와,
    상기 기판 상에 구비되며 상기 전극패드를 통해 공급되는 전기적 신호에 따라 상기 광원부를 구동시키는 구동부 및 상기 광검출부로부터 공급된 전기적 신호를 증폭시켜 상기 전극패드를 통해 출력하는 수신부와,
    광섬유와 연결된 콘넥터와 접속되는 어뎁터와,
    하부 및 상부 클래드층 간에 코어가 형성되며 상기 코어의 일부에는 테이퍼부가 형성되고 상기 테이퍼부 종단의 코어에는 반사면이 곡면으로 형성된 광도파로와,
    상기 광도파로를 상기 어뎁터에 고정시키기 위한 페룰을 포함하여 이루어지며, 상기 개구부와 반사면이 대향되도록 상기 기판과 어뎁터가 결합된 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는 표면방출 레이저(VCSEL) 어레이를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출부는 포토 다이오드 어레이를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 및 상부 클래드층은 폴리머 및 에폭시 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 폴리머 및 에폭시 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이퍼부는 일측부가 다른 일측부보다 점점 넓어지는 깔때기 모양으로형성된 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어, 테이퍼부 및 상·하부 클래드는 사진 식각 공정, 사출 성형 및 핫 엠보싱 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사면은 45°의 경사각을 이루는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사면은 연마 공정, 사진 식각 공정, 사출 성형 및 핫 엠보싱 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 페룰의 중앙부에는 상기 광도파로가 삽입되는 도파로홀이 형성되고, 상기 도파로홀의 양측부에는 상기 어뎁터와의 결합을 위한 가이드 핀이 삽입되는 가이드홀이 형성되며, 상기 도파로홀의 상부에는 상기 광도파로를 고정시키기 위한 고정홀이 형성된 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 고정홀에는 상기 광도파로를 고정시키기 위해 에폭시가 매립되는 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 페룰은 실리카와 폴리머의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 송수신 모듈.
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