KR20030089105A

KR20030089105A - 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기

Info

Publication number: KR20030089105A
Application number: KR1020020027145A
Authority: KR
Inventors: 임승찬
Original assignee: (주)옵토웨이
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-21

Abstract

본 발명은 이중 파장 수직 캐비티 면발광 레이저(VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser)쌍을 사용하므로써 그 구조가 간단하고, 광 도파로와 플라스틱 사출 성형물을 사용하여 생산 공정에서수동 정렬하므로써 대량생산에 적합한 수동정렬방식 양방향 광 송수신기에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 양방향 광 송수신기에 있어서, 전기 신호의 입출력을 수행하는 구동회로 기판과; 광신호를 전기 신호로 전환시키고 전기 신호를 광 신호로 전환시키는 광전 모듈과; 광 도파로가 장착되어 있고 광 커넥터의 리셉터클 역할을 수행하는 도파로 모듈을 구비하여, 통신채널의 양측에 설치되는 광 송수신기가 파장이 서로 다른 수직 캐비티 면발광 레이저를 사용하고, 광 도파로가 광학 부품 사이의 자유공간 광 경로를 줄여 주어 생산 공정에서 상기 광전 모듈과 도파로 모듈이 수동 정렬되도록 구성된 것으로서, 구조와 조립방법이 간단한 양방향 광 송수신기를 대량으로 생산할 수 있게 하므로써, 저렴한 예산으로 각 가정이나 빌딩 내의 각 사무실까지의 데이터 통신 속도를 100Mbps 급으로 향상시켜서 인터넷이 한층 발전할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

수동정렬 방식 양방향 광 송수신기{Passive-aligned bidirectional optical transceivers}

본 발명은 양방향 광 송수신기에 관한 것으로, 특히 이중 파장 수직 캐비티 면발광 레이저(VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser)쌍을 사용하므로써 그 구조가 간단하고, 광 도파로와 플라스틱 사출 성형물을 사용하여 생산 공정에서수동 정렬하므로써 대량생산에 적합한 수동정렬방식 양방향 광 송수신기에 관한 것이다.

최근에 와서, 각종 영상물과 음악 등 넓은 대역폭을 필요로 하는 콘텐츠(Contents)에 대한 요구가 급증하고 한 가정 내에서 보유하고 있는 개인용 컴퓨터(PC)가 2대 이상으로 증가함에 따라, 각 가정이나 빌딩 내의 각 사무실까지 기존의 전화선이나 동축 케이블 대신 광파이버를 사용하므로써 인터넷의 종단 통신 속도를 이더넷 표준인 100Mbps로 높이고자 하는 시도가 확산되고 있는 추세에 있다.

이 경우 파이버 비용 절감을 위해서는 한 가닥의 파이버로 양방향 통신을 할 수 있는 양방향(bidirectional) 광 송수신기를 사용하는 것이 합리적이다.

종래의 양방향 광 송수신기는 도1에 도시한 바와 같은 구조로서, 수직 캐비티 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser: 이하 VCSEL 이라 약칭함) 또는 제1 TO(Transistor Outline) 캔(90)의 내부에 장착된 레이저 다이오드(LD)(81)에 구동전류가 유입되면 발생되는 광 신호(파장 λ1)가 대략 10°~40° 정도의 퍼짐각을 갖게되므로 수㎜ 이격되어 있는 페럴(ferrule)부재(82)의 중심에 형성된 직경이 대략 50㎛∼62.5㎛ 정도인 코어 영역에 빔(beam)을 집속시키기 위하여 제1 볼 렌즈(83)를 구비하고 있다. 제1 볼 렌즈(83)를 통과한 빔의 절반은 하프 미러(84)의 표면에서 반사되므로써 손실되어 버리고, 나머지 절반은 페럴부재(82)의 코어에 집속된 후 광 커넥터를 통하여 광 케이블에 커플링된다.

상기와는 반대로, 상대측 광 송수신기로부터 전달된 광 신호(파장 λ2)가 순차적으로 광 커넥터, 페럴부재(82), 하프 미러(84), 필터(85), 제2 볼 렌즈(86), 광 검출기(87), 전치증폭기(88)를 통하여 수신된다. 이때 하프 미러(84)에서는 수신빔의 절반이 레이저 다이오드(81)측으로 투과되어 손실되고, 나머지 절반이 광검출기(87)측으로 반사된다.

이 때 필터(85)의 역할은 인접한 광검출기(87)로부터 새 들어오는 광 신호(파장 λ1)는 차단하고, 상대측 광송수신기로부터 수신되는 광 신호(파장 λ2)만을 투과시켜 수신감도를 향상시키도록 하였다.

레이저 다이오드(LD)(81)에서 발생된 광신호를 페럴부재(82)내의 코어에 집속시키고 수신된 신호를 페럴부재(82)로부터의 광검출기(87)의 홀(직경이 수십∼200㎛)에 집속시키는 과정에서 많은 시간(5분 정도)이 소요된다. 또한 제1, 제2 TO 캔(90,91)의 미세한 각도변화로 인하여 빔이 페럴부재(82)내의 코어 또는 광검출기의 홀(Aperture)로부터 벗어날 수 있으므로 제1, 제2 TO 캔(90,91)을 광모듈 하우징(92)에 용접하는 공정을 필요로 한다.

상기한 TO는 Transistor Outline의 약자로서, 트랜지스터 칩을 패키징하기 위한 표준 중 하나이며, 실린더 형상의 금속하우징을 사용하는 패키징 표준인데 그 직경과 높이에 따라 TO66, TO56, TO46, TO41, TO39, TO38, TO18, TO5, TO3 등으로 분류된다.

능동정렬의 경우에는 TO 캔(90)의 크기와 45°경사 배치된 하프 미러(84) 때문에 레이저 다이오드(81) 또는 렌즈(83)로부터 페럴코어까지의 거리가 수 ㎜가 된다.이 거리를 도2와 같이 3㎜라고 가정하면 정렬각이 0.5°틀어졌을 때 페럴코어에 입사되는 빔은 25㎛ 벗어나게 됨에 따라 예로서 50㎛ 코어를 사용하는 경우에는60% 이상의 광 손실을 초래하게 된다.

도1과 같이 능동정렬 조립방식에 의한 종래의 양방향 광 송수신기는 모서리 발광 레이저(Edge Emitting Laser)가 사용되므로 고온에서 성능 저하가 극심하고, 모니터 포토다이오드를 사용한 피드백 제어가 요구되며 재료비가 비쌀 뿐만 아니라 타원형 빔을 원형으로 만들기 위해 렌즈 광학계의 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다. 또한 종래의 양방향 광 송수신기에서는 통신 채널의 한쪽에 VCSEL를 사용하였더라도 반대쪽에는 Non-VCSEL을 사용하므로써 VCSEL의 장점을 극대화시키지 못할 뿐만 아니라 능동 정렬 공정이 5분 이상 소요되므로 시장에서 대량 수요가 있더라도 이를 충족시킬 수가 없었다. 그리고 TO 캔을 광 모듈의 하우징에 고정시키기 위하여 접착제를 사용하는 경우, 모듈의 온도가 변하게 되면 접착제와 주변 금속과의 온도 팽창 계수 차이로 인하여 TO 캔이 미세하게 이동하여 이에 따라 초점이 이동하므로 접착제를 사용하는 대신 레이저로 국부 용접을 하는 공정이 필수적이기 때문에 대량 생산하기에 부적합하고 고가의 조립 설비를 필요로 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 이중 파장 VCSEL 쌍을 사용하기 때문에 구조가 간단하면서 온도 변화에 따른 성능 변화가 적고, 조립 공정이 간단하므로 대량 생산에 적합하며 고가의 조립 설비를 필요로 하지 않는 수동정렬방식 양방향 광 송수신기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 양방향 광 송수신기에 있어서, 전기 신호의 입출력을 수행하는 구동회로 기판과; 광신호를 전기 신호로 전환시키고, 전기 신호를 광 신호로 전환시키는 광전 모듈과; 광 도파로가 장착되어 있고 광 커넥터의 리셉터클 역할을 수행하는 도파로 모듈을 구비하여, 통신채널의 양측에 설치되는 광 송수신기가 파장이 서로 다른 수직 캐비티 면발광 레이저(VCSEL)를 사용하고, 광 도파로가 광학 부품 사이의 자유공간 광 경로를 줄여 주어 생산 공정에서 상기 광전 모듈과 도파로 모듈이 수동 정렬되도록 구성됨을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 양방향 광 송수신기의 개략 구조도.

도 2는 종래의 능동정렬 방식에서 정렬이 0.5°틀어진 경우의 동작설명을 위한도면.

도 3은 본 발명에 따른 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기를 사용한 통신 채널 구성예시도.

도 4는 본 발명에 따른 광 송수신기의 외관 구성예시도.

도 5는 본 발명에 따른 광 송수신기의 조립 공정 순서를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따른 광 송수신기 내부의 신호 흐름도를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 따른 광전 모듈을 투시도 형태로 나타낸 도면.

도 8은 본 발명에서 VCSEL, 광 검출기, 전치증폭기, 캐패시터를 광전(OE) 하우징에 와이어 본딩하기 위한 배선도와 리드프레임의 핀 배치를 나타낸 도면.

도 9는 본 발명에서 광전(OE) 하우징과 도파로 하우징이 정렬용 키와 정렬용 홀의 결합에 의해 조립되는 상태를 나타낸 도면.

도 10은 본 발명에 따른 광 도파로의 구조를 나타낸 도면.

도 11은 본 발명에 따른 광 도파로의 장착방법을 나타낸 도면.

도12는 본 발명에 따른 수동정렬 방식에서 정렬이 0.5°틀어진 경우의 동작설명을 위한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 제1 구동회로 기판 11 : 제1 VCSEL 구동회로

12: 제1 후치증폭기 20 : 제1 광전(OE)모듈

21 : 제1 VCSEL 22 : 제1 광 검출기

23 : 제1 전치증폭기 24 : 제1 필터

25 : 캐패시터 26 : 리드프레임

27: 제1광전(OE) 하우징 30 : 제1 도파로 모듈

31 : 광 도파로 32 : 도파로 하우징

33: 제1 리셉터클 40 : 단심 광케이블

41 : 제1 페럴(ferrule)부재 42 : 제2 페럴(ferrule)부재

43: 제2 리셉터클 50 : 제2 도파로 모듈

60 : 제2 광전(OE) 모듈 61 : 제2 VCSEL

62 : 제2 광 검출기 63 :제2 전치증폭기

64 : 제2 필터 70 : 제2구동회로 기판

71 : 제2 VCSEL 구동회로 72 : 제2 후치증폭기

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시 예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기를 사용한 통신 채널 구성 예시도를 나타낸 것으로서, 도시한 바와 같이 좌측과 우측에 있는 한 쌍의 광 송수신기가 단심 광케이블(40)을 통하여 연결되어 있다. 이와 같이 구성된 통신 채널을 통하여 점선으로 표시된 화살표 방향으로 양방향 통신이 가능하다.

한편, 도 3의 좌측에 도시된 광 송수신기는 전기 신호의 입출력을 수행하는 제1구동회로 기판(10)과; 광신호를 전기 신호로 전환시키고, 전기 신호를 광 신호로 전환시키는 제1 광전 모듈(20); 광 도파로가 장착되어 있고 광 커넥터의 리셉터클 역할을 수행하는 제1 도파로 모듈(30)로 구성된다.

또한, 도 3의 우측에 도시된 광 송수신기는 전기 신호의 입출력을 수행하는 제2 구동회로 기판(70)과; 광신호를 전기 신호로 전환시키고, 전기 신호를 광 신호로 전환시키는 제2 광전 모듈(60)과; 광 도파로가 장착되어 있고 광 커넥터의 리셉터클 역할을 수행하는 제2 도파로 모듈(50)로 구성된다.

도 4는 본 발명에 따른 광 송수신기의 외관 구성예시도를 나타낸 것으로서, 도 2의 좌측 광 송수신기와 우측 광 송수신기의 물리적인 형상과 내부 구조는 동일하나, 사용되는 VCSEL의 파장과 필터의 통과 및 차단 특성은 서로 다르다.

도 5는 본 발명에 따른 광 송수신기의 조립 공정 순서를 나타낸 도면으로서, VCSEL/광검출기 등 장착 및 와이어 본딩 공정(a)과, 필터 장착 및 고정 공정(b)과, 광도파로 장착 및 고정 공정(c)과, 광전 모듈과 도파로 모듈 조립 공정(d)과, 구동회로 기판에 납땜하는 공정(e)으로 이루어진다.

도 6은 본 발명에 따른 광 송수신기 내부의 신호 흐름도를 나타낸 도면으로서, 제1구동회로 기판(10)에는 외부에서 가해지는 디지털 전압 신호를 입력받아 전압에 비례하는 전류로 변환하는 제1 VCSEL 구동회로(11)와, 광 검출 신호를 최종적으로 증폭하여 디지털 전압 신호로 변환하는 제1 후치증폭기(12)가 장착되어 있다.

본 실시 예에서는 외부와의 인터페이스를 위해 핀 형태는 1 ×9 표준을 사용하였고, 디지털 전압신호로는 PECL(Positive Emitter Coupled Logic) 신호 방식을 사용하였다. PECL 신호 방식은 차동 전압을 사용하므로 잡음에 강하고, 전압 스윙 폭이 1V 이내이기 때문에 수 Gbps의 고속 구동이 가능하므로 광통신 분야에서는 널리 사용되고 있다.

광 송수신기 주변에 방해전파 강도가 심할 경우에는 제1구동 회로 기판(10)에 금속으로 제작된 차폐(shield)판을 씌울 필요가 있으나, 대부분의 경우에는 본 실시 예에서와 같이 차폐판을 사용하지 않아도 무방하다.

제1 광전 모듈(20)에는 제1 VCSEL 구동회로(11)로부터 전류를 공급받아 발광하는 제1 VCSEL(21)와, 상대측 광 송수신기로부터 수신된 광신호를 전류로 변환시키는 제1 광 검출기(22)와, 미세한 전류를 전압으로 변환하는 동시에 저잡음 증폭을 수행하는 제1 전치증폭기(23)와, 근접하여 형성된 제1 VCSEL(21)로부터 새들어 오는 빛을 차단하는 제1 필터(24)와, 광 검출기(22)의 고주파 잡음을 줄여주는 제1 캐패시터(25) 등이 제1 광전 하우징(27)에 장착된다. 또한 제1 광전 하우징(27)을 사출할 때에는 제1 리드프레임(26)을 삽입한 상태에서 사출을 실시한다.

도 7은 이와 같이하여 조립된 제1 광전 모듈(20)을 투시도 형태로 나타낸 도면으로서, 제1 VCSEL(21), 제1 광 검출기(22) 및 제1 전치증폭기(23)는 베어다이(bare-die) 형태의 IC이며, 제1 캐패시터(25)는 칩(chip) 형태이다. 이들 부품의 장착이 용이하도록 제1 광전 하우징(27)에는 오목한 베드(bed)와 간막이가 구비되어 있다. 이들 부품을 제1 리드프레임(26)에 고정시키기 위하여 실버 에폭시를 사용한다. 또한 이들 부품끼리의 전기적 연결을 위하여 자동 와이어 본딩 머쉰을 사용하면 대량생산이 가능하다.

도 8은 제1 VCSEL(21), 제1 광 검출기(22), 제1 전치증폭기(23), 제1 캐패시터(25)를 제1 광전 하우징(27)에 와이어 본딩할 때 본 실시 예에서 사용한 배선도와 제1 리드프레임(26)과의 핀 배치를 나타낸 도면으로서, 광 송신부와 광 수신부는 전기 배선상으로 완전히 분리해야만이 송신부의 잡음이 수신부에 영향을 주지 않는다.뿐만 아니라, 제1 전치증폭기(23)의 수신감도는 -35dBm 정도이므로 광검출기(22)에 수 ㎂의 미세전류가 흐르더라도 반응할 정도로 예민하므로 평균 수 mA인 제1 VCSEL(21) 전류에 의해 방출된 전자파가 전치증폭기의 수신 성능에 영향을 주지 않도록 제1 리드프레임(26)을 설계하여야 한다. 이 경우 제1 캐패시터(25)의 용량 값은 통상적으로 수백 ㎊~ 1 ㎋이 사용된다.

광 송수신기에 통상적으로 사용되는 FP(Fabry-Perot) 레이저 또는 DFB(Distributed FeedBack) 레이저의 문턱전류는 10mA 이상이고, 동작 전류도 수십 mA이다. 반면에 VCSEL의 경우에는 문턱전류가 적고, 동작 전류도 10 mA 정도이다. 소모 전류가 적으므로 온도 상승으로 인한 성능 저하가 적고 따라서 FP 레이저나 DFB 레이저와 같이 모니터 PD(photodiode)를 사용하여 피드백 제어를 할 필요는 없다. 또한, VCSEL은 원형 빔을 발생시키는 반면에 FP 레이저나 DFB 레이저와 같이 모서리(edge)에서 발광하는 소자는 타원 빔을 발생시키므로 이를 원형 빔으로 변환하기 위한 렌즈설계가 요구된다. 즉, VCSEL을 사용하면 구동 회로와 광학계의 구성이 간단해지고 소모전력을 줄일 수 있으며 원가도 절감할 수 있다.

최근에는 이러한 VCSEL의 장점 때문에 VCSEL을 사용한 복합형(duplex type) 광송수신기 제품이 출시되고 있다. 또한 양방향(bidirectional) 광 송수신기의 일측은 기존대로 FP 레이저(1310nm 파장대역), DFB 레이저(1310nm 또는 1550nm 파장대역)를 사용하고 반대측에는 850nm VCSEL을 사용하는 방법이 시도되고 있다. 그러나 본 실시 예에서는 통신 채널의 일측에는 780nm∼820nm VCSEL(21)을 적용하고, 다른측에는 850nm∼860nm VCSEL(61)을 적용하므로써 VCSEL의 장점을 최대한 활용하였다. 이경우에 필터가 780nm∼820nm와 850nm∼860nm 사이에서 급격한 롤 오프(roll-off)를 가져야 하므로 필터 설계 및 제작에 유의해야 한다.

도 5에 도시된 제1 도파로 모듈(30)은 입,출력 광의 가교 역할을 수행하는 제1광 도파로(31)와; 단심 광케이블(40)의 제1 페럴부재(41)에 대한 리셉터클 역할을 하면서 제1 광 도파로(31)를 장착할 수 있는 구조로 플라스틱 사출 성형된 제1 도파로 하우징(32)으로 구성된다.

도 1의 종래의 능동정렬 방식에서는 레이저 다이오드(LD)(81)로부터 페럴부재(82)까지의 거리와 페럴부재(82)로부터 광 검출기(87)까지의 거리가 멀어서 TO 캔(90,91)의 지향 각도가 미세하게 변하더라도 초점이 어긋나기 때문에 정렬하는데 5분 이상 소요된다. 반면에 본 발명에서와 같이 제1 광 도파로(31)를 사용하면 제1 VCSEL(21)과 제2 페럴부재(42), 제2 페럴부재(42)와 제1 광 검출기(22)사이의 자유공간 광 경로가 대폭적으로 줄어들기 때문에 제1 VCSEL(21)과 제1 광 검출기(22)의 지향각 미세변화에 둔감해진다. 따라서 멀티모드 파이버를 사용하는 경우에는 금속 하우징 대신 플라스틱 하우징을 사용하여 별도의 정렬과정을 거치지 않고도 정렬오차가 허용범위(보통 10~20㎛) 이내에 들게 된다. 즉, 도 9에 나타낸 바와 같이 OE 하우징(27)에 형성된 정렬 키(281,282)와 도파로 하우징(32)에 형성된 정렬용 홀(331,332)의 결합에 의해 정렬된다. 또한 종래의 능동정렬 방식에서는 빔을 모아주기 위한 볼 렌즈(83,86)가 필요하여 그에 따른 광학계의 구조가 복잡한 반면 본 발명에서는 광 도파로(31)가 빔의 발산을 억제해주기 때문에 별도의 렌즈가 필요 없게 된다.

도 10은 본 발명에 따른 광 도파로(31)의 구조를 나타낸 도면으로서, 본 실시 예에서는 포토리소그래피(photolithography)기법을 통하여 제작하였다. 즉, 재질이 유리(glass) 또는 실리콘(silicon)인 기판(310) 위에 크롬(Cr) 마스크와 폴리머를 사용하여 하측크래딩(undercladding)(313), 코어(core)(314), 상측크래딩(uppercladding)(315), 정렬 키(311,312) 등의 패턴을 형성하였다. 폴리머의 경화를 위하여는 자외선을 사용하였다. 상측크래딩(315)은 생략하여도 무방하며, 하측크래딩(313)은 기판(310)과 코어(314), 정렬 키(311,312) 사이의 접착성을 좋게 해준다. 그리고 코어(314)의 평균 직경은 사용하고자 하는 멀티모드 파이버의 직경과 일치시키며, 코어(314)의 굴절율이 하측크래딩(313)의 굴절율과 상측크래딩(315)의 굴절율보다 커야 빔 손실이 적은 도파 작용이 이루어지게 된다.

본 실시 예에서는 제1 VCSEL(21)로부터 광 커넥터 방향의 제1 광 도파로(31) 경로는 구부리고, 광 커넥터로부터 제1 VCSEL(21)방향의 경로는 직선화하였다. 곡선부분의 곡률반경이 작을수록 광 손실이 커져서 통신거리를 단축시킨다. 또한 곡선부분의 곡률반경이 작을수록 고차모드가 많이 발생하여 분산(dispersion)이 심해지므로 통신거리 ×대역폭을 감소시킨다. 따라서 곡선부분 설계시에 유의하여야 한다.

도 11은 본 발명에 따른 광 도파로(31)의 장착방법을 나타낸 도면으로서, 코어면이 아래로 향하도록 하여 광 도파로(31)의 정렬 키(311,312)를 도파로 하우징(32)에 형성된 정렬 홈(321,322)에 맞추므로써 장착시킨다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 광 송수신기의 동작을 도 2 내지 도11을 참조하여 설명한다.

도 3의 좌측에 도시된 광 송수신기로부터 우측에 도시된 광 송수신기로 통신을 하는 경우에는, PECL 형태의 디지털 입력 신호가 1 ×9핀을 통하여 구동회로 기판(10)에 인가되면 제1 VCSEL 구동회로(11)에서는 이를 디지털 신호에 따라 변조된 전류로 변환하여 제1 VCSEL(21)을 구동한다. 디지털 논리 하이(High) 레벨 발광량과 로우(Low)레벨 발광량의 비(Extinction Ratio)가 10dB이상이 되도록 제1 VCSEL 구동회로(11)를 조절하는 것이 바람직하다. 그 이유는 발광량의 비가 낮으면 광 검출기(PD)에 따라 수신감도가 저하되는 경우가 발생하기 때문이다. 한편, 발광량의 비가 너무 높으면 하이(High) 레벨에서 로우(Low) 레벨로 강하될 때 꼬리(tail)가 길어져서 고속 동작에 지장을 줄 수 있으나, 본 발명의 주된 응용분야인 멀티모드 파이버를 사용한 100Mbps급 통신에서는 전혀 문제가 되지 않는다. 본 발명의 실시 예에서는 하이(High) 레벨에서 0dBm이 발광되도록 제1 VCSEL 구동회로(11)를 조절하였다.

제1 VCSEL(21)에서 발생된 780nm∼820nm 파장의 광 신호가 제1 광 도파로(31)를 거치고 나면 제1 페럴부재(41)에서는 약 -10dBm 정도가 되는데 손실의 절반 이상이 제1 광 도파로(31)의 구부러진 곳(bend)에서 발생한다. 780nm∼820nm 파장대역에서 멀티모드 파이버의 손실은 3dB/km 정도이므로 3km 파이버를 진행하고 나면 제2 페럴부재(42)에서의 광 파워 레벨은 -19dBm이 된다. 우측에 도시된 광 송수신기의 제2 광 도파로(51)와 제2 필터(64)를 통과하게 되면 -22dBm인데 광수신기의 수신감도는 -32dBm정도이므로 비트 에러율(Bit Error Rate)이 10^-9정도의 통신품질로 3km 통신을 구현할 수가 있다.

멀티모드 파이버에서는 분산(dispersion)으로 인하여 광 파워 예산만으로 계산한 통신거리보다 훨씬 짧아질 수 있으므로 광 도파로 설계시에 고차모드 발생을 억제하는데 유의하여야 한다.

또한 제1 VCSEL(21)에서 발생된 780nm∼820nm 광 신호중 제1 광 도파로(31)의 제1 리셉터클(32)측의 경계면에서 -15dB가 반사하여 제1 필터(24)에는 -25dBm정도가 도달한다. 수신감도가 -32dBm인 수신기가 우측 광 송수신기로부터 전송된 850nm∼860nm 파장의 광신호만을 통과시키고 바로 옆의 제1 VCSEL(21)로부터 새들어온 -25dBm의 780nm∼820nm 광신호를 차단시키기 위하여 최소한 7dB 이상의 차단 특성을 가져야 한다. 약간의 여유를 둔다면 필터의 차단율을 10dB이상으로 설계하는 것이 바람직하다. 제1 광 도파로(31)의 구부러진 부분(bend)에서 발생하는 고차모드는 10°~ 30°정도의 커다란 각도로 제1 필터(24)에 입사되므로 필터 설계시에는 발생한 최고차 모드에 대하여도 차단율 10dB를 유지하도록 유의하여야 한다.

통신 방향이 도 3의 우측에 도시된 광 송수신기로부터 좌측에 도시된 광 송수신기일 경우에도 상기와 동일한 방법으로 설명할 수 있다. 다만 다른 점은 제1 VCSEL(21)의 출력파장이 780nm∼820nm인데 반하여, 제2 VCSEL(61)의 출력파장은 850nm∼860nm이다. 또한 제1 필터(24)는 850nm∼860nm를 통과시키고 780nm∼820nm를 차단하는 반면 제2 필터(64)는 780nm∼820nm를 통과시키고 850nm∼860nm를 차단하도록 설계되어야 한다.

도12는 본 발명에 따른 수동정렬 방식에서 정렬이 0.5°틀어진 경우의 동작설명을 위한 도면으로서, VCSEL 칩과 광도파로 사이를 가깝게 접근시킬수가 있는데, 예를들어 그 사이거리를 300㎛로 정하였다면 도12와 같이 정렬각이 0.5°틀어졌을 경우 광도파로에 입사되는 빔은 2.5㎛ 밖에 안 벗어나므로 광 파워 손실이 거의 없다. 즉 종래의 능동 정렬방식은 매우 정밀한 정렬 과정을 필요로 하며, 정렬 후에도 정렬이 틀어지지 않도록 TO캔을 레이저로 국부 용접을 하는 공정이 필수적이기 때문에 대량 생산하기에 부적합하고 고가의 조립 설비를 필요로 하는 문제점이 있지만, 본 발명에 따른 수동 정렬방식은 정렬 오차에 민감하지 않기 때문에 조립할 때 광전 모듈과 도파로 모듈이 저절로 정렬이 되는 이점이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 구조와 조립방법이 간단한 양방향 광송수신기를 대량으로 생산할 수 있게 하므로써, 저렴한 예산으로 각 가정이나 빌딩 내의 각 사무실까지의 데이터 통신 속도를 100Mbps 급으로 향상시켜서 인터넷 접속을 위한 네티즌들에게 사용상의 편리성을 한층 더 발전시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Claims

양방향 광 송수신기에 있어서,

전기 신호의 입출력을 수행하는 구동회로 기판과;

광신호를 전기 신호로 전환시키고, 전기 신호를 광 신호로 전환시키는 광전 모듈과; 광 도파로가 장착되어 있고 광 커넥터의 리셉터클 역할을 수행하는 도파로 모듈을 구비하여, 통신채널의 양측에 설치되는 광 송수신기가 파장이 서로 다른 수직 캐비티 면발광 레이저를 사용하고, 광 도파로가 광학 부품 사이의 자유공간 광 경로를 줄여 주어 생산 공정에서 상기 광전 모듈과 도파로 모듈이 수동 정렬되도록 구성됨을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.
제1항에 있어서,

상기 구동회로 기판에는 외부에서 가해지는 디지털 전압 신호를 입력받아 전압에 비례하는 전류로 변환하는 VCSEL 구동회로와, 광 검출 신호를 최종적으로 증폭하여 디지털 전압 신호로 변환하는 후치증폭기가 장착되어 구성됨을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.
제1항에 있어서,

외부와의 인터페이스를 위해 핀 형태는 1 ×9 표준을 사용하고, 디지털 전압신호로는 PECL 신호 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.
제1항에 있어서,

상기 광전 모듈에는 VCSEL 구동회로로부터 전류를 공급받아 발광하는 VCSEL와, 상대측 광 송수신기로부터 수신된 광신호를 전류로 변환시키는 광 검출기와, 미세한 전류를 전압으로 변환하는 동시에 저잡음 증폭을 수행하는 전치증폭기와, 근접하여 형성된 상기 VCSEL로부터 새들어 오는 빛을 차단하는 필터와, 상기 광 검출기의 고주파 잡음을 줄여주는 캐패시터 등이 광전 하우징에 장착되어 구성됨을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.
제4항에 있어서,

상기 광전 하우징을 사출할 때에는 리드프레임을 삽입한 상태에서 사출을 실시하는 것을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.
제1항 또는 제4항에 있어서,

통신채널의 일측에는 출력파장이 780nm∼820nm인 VCSEL을 적용하고, 다른측에는 출력파장이 850nm∼860nm인 VCSEL을 적용하는 것을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.
제1항 또는 제4항에 있어서,

통신채널의 일측에 형성된 필터는 상기 VCSEL에서 발생된 780nm∼860nm 광 신호중 780∼820nm 광신호는 차단하고, 850nm∼860nm 광신호는 통과시키는 것을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.
제1항 또는 제4항에 있어서,

통신채널의 다른측에 형성된 필터는 상기 VCSEL에서 발생된 780nm∼860nm 광 신호중 850nm∼860nm 광신호는 차단하고, 780nm∼820nm 광신호는 통과시키는 것을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.
제1항에 있어서,

일측과 다른측에 설치되는 한 쌍의 광 송수신기가 단심 케이블을 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 수동정렬 방식 양방향 광 송수신기.