KR20040078180A - 레이저 송수신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상호 통신하도록 대향하게 정렬된 각각의 레이저 송수신기의 수신기와 송신기가 공통의 광학적 공유영역을 지니도록 일체형 광학시스템을 이룸으로써, 송수신기 상호간의 빔의 초점을 맞추기가 용이하고 정확하여를 제공한다. 각각의 레이저 송수신기는 전송채널에 배치되는 레이저 데이터 전송기와, 대응하는 상대의 레이저빔 송수신기로부터 전송되는 레이저를 수신하기 위해 수신채널에 배치되는 광수신기와, 전송기와 수신기에 대한 공통의 렌즈들을 구비하는 편광 빔 분할기와, 수신기 및 송신기에 공통으로 적용되며 상기 편광 빔분할기로부터 입사된 빔을 대응하는 레이저 송수신기로 송신하며, 상기 대응하는 송수신기로부터 송신되는 레이저를 수신하기 위한 렌즈 조립체로서, 요철렌즈(meniscus)와, 평철렌즈(plano-convex lens)로 구성되는 렌즈 조립체로 구성된다.

Description

레이저 송수신기{A laser transceiver}

본 발명은 레이저 송수신기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 송신기와 수신기가 상호 공통의 광학적 공유영역을 지니게 하여 상호간의 초점을 용이하고 정확하게 맞출 수 있도록 일체형 광학시스템으로 구현될 수 있는 레이저 송수신기에관한 것이다.

일반적으로, 레이저 또는 레이저빔은 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다. 이 같은 레이저 이용분야에 있어서, 레이저빔이 극극초단파로서 전파간섭현상이 없고, 통화품질이 우수하며, 장비 및 비용이 저렴하다는 장점으로 인해 최근 통신분야에 적극적으로 적용되고 있다. 이 같은 레이저 통신은 하나의 레이저 전송기를 이용하여 레이저빔에 신호를 저장하여 대응하는 다른 하나의 레이저 전송기에 송신하고 또한 이를 수신함으로써, 상호간 음성, 영상 또는 데이터를 송수신하는 방식으로 통신을 행할 수 있다.

이와 같은 통신에 있어서, 정확한 통신을 이루려면, 2개의 레이저 상호간 레이저빔을 정확히 송수신할 수 있도록 상호 정확한 정렬, 즉, 얼라인먼트를 정확히 이루어야 한다. 이와 같은 레이저 전송기의 얼라인먼트는 다양한 방식으로 행해지고 있다.

또한, 레이저 송수신기를 광학적으로 연결하는 방식이 다양하게 공지되어 있다. 예컨대, 카르손 등에 허여된 미국특허 제6,285,476호에는 공통의 송수신 광학시스템을 지니는 레이저 통신 시스템 및 그 방법이 개시되어 있는 바, 그 시스템에 의하면, 입출력 레이저 방사의 분리가 중크롬산 거울로 만들어지며, 이는 2개의 송수신기 유닛에 적용 가능한 바, 이는 레이저들의 다른 파장으로 인해 가능하다.

또한, 제임스 등에 허여된 미국 특허 제5,517,016호에는 채널분리의 신뢰성을 증대시키기 위해 스펙트럼 빔 분할기가 내장되고 감광기의 전방에서 협대역 필터를 구비하는 시스템이 개시되어 있다.

그러나, 이와 같은 파장 분리 방법의 주요 단점은 송수신기가 동일하게 만들어져서는 안되며, 그들 각각이 한 쌍, 즉, 광학 시스템내에서 다른 광학 요소들을 갖는 또 다른 송수신기를 지녀야 한다는 점이다. 또한, 2개의 통신 유닛들에 있는 동일한 광학요소들은 다른 파장을 이루도록 만들어져야 하므로, 제공된 송수신기는 어떤 다른 유닛으로 교체될 수 없는 문제점이 있다.

한편, 라이스에 허여된 미국특허 제5,347,387호에는 후술되는 본 발명의 구체적 기술분야에 속하는 레이저 송수신기용 광학시스템이 개시되어 있다. 이 특허에 있어서, 시스템으로 입력되는 수신된 광에너지는 초기에 포물선형 거울로부터 빔 확장거울로 확삭된다. 빔확장기로부터 반사된 광은 광배플 및 감속플레이트를 통과하여 빔편광을 회전시킨다. 이후, 재조준된 빔은 편광 빔 분할기를 통해 다중 송신되어 유용한 광다이오드 검출기상에 다시 이미지 된다. 전송 경로에 있어서, 반도체 레이저 방출은, 입방체 빔 분할기를 통해 다중 송신되어 송수신기로 전송되기 전에 원하는 빔 발산방식으로 원형화되어 조준된다.

그러나, 이와 같은 공지된 시스템은 쌍으로된 2개의 송수신기 유닛들의 각각 다른 조절을 필요로 하는 것이며, 이는 그 쌍으로부터 적어도 하나의 송수신기에서 빔확장기로부터의 후방 편광으로 인해 수신기 채널에 대한 전송된 방사의 누출가능성이 있다는 것이다.

이에 본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 송신기와 수신기가 상호 공통의 광학적 공유영역을 지니게 하여 상호간의초점을 용이하고 정확하게 맞출 수 있어 일체형 광학시스템을 이룰 수 있는 레이저 송수신기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상호간 송수신을 이루는 송수신기가 동일하게 구성될 수 있으며, 다른 송수신 유닛과 용이하게 교체될 수 있는 레이저 송수신기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 하나의 쌍으로 된 2개의 송수신기 유닛들을 공통으로 조절할 수 있으며, 수신기 채널에 대해 전송된 방사의 누출이 방지되는 레이저 송수신기를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 송수신기를 보여주는 사시도.

도 2a 내지 2c는 다양한 형태의 편광 빔분할기를 보여주는 구성도.

도 3은 2개의 송수신기를 이용하여 일체형 광학시스템을 형성하여 통신연결을 확립한 상태에서 출입 레이저광의 편광의 변형을 보여주는 예시도.

도 4는 후방산란의 존재시 편광 빔분할기의 작용을 보여주는 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 레이저 송수신기 110: 광수신기

120: 광송신기 130: 편광 빔분할기

140: 렌즈조립체 142: 요철렌즈

144: 평철렌즈

이 같은 목적들은 상호 대향하도록 설치되어 레이저빔을 송수신하여 상호 통신을 이룰 수 있는 레이저 송수신기에 있어서, 각각의 레이저 송수신기는 전송채널에 배치되는 레이저 데이터 전송기와, 대응하는 상대의 레이저빔 송수신기로부터 전송되는 레이저를 수신하기 위해 수신경로에 배치되는 광수신기와, 상기 전송기와 광수신기에 대한 공통의 렌즈들을 구비하는 편광빔 분할기와, 상기 수신기 및 송신기에 공통으로 적용되며 상기 빔분할기로부터 입사된 빔을 대응하는 레이저 송수신기로 송신하며, 상기 대응하는 송수신기로부터 송신되는 레이저를 수신하기 위한 렌즈 조립체로서, 요철렌즈(meniscus)와, 평철렌즈(plano-convex lens)로 구성되는 렌즈 조립체를 포함하며; 상기 편광 빔 분할기는 출력 레이저광을 입사광으로부터 분리하고, 2개의 광학적 채널상에서 일정한 광축을 갖는 공통의 광학적 경로를 분할하며, 상기 수신채널과 송신채널의 2개의 광학적 축은 그들의 공통축과 함께 수직방향에 대해 일정각도로 상기 공통의 광학적 축 둘레에서 회전하는 주평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기에 의해 달성될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 바람직한 실시예를 구현하는데 따른 기본적인 이론에 대해 개략적으로 설명하면, 본 발명에 따른 레이저 송수신기용 일체형 광학시스템은 반도체 레이저 다이오드가 통상의 방사능을 방출하는 레이저 통신장치에 적용될 수 있으며, 이들 방사선중 적어도 99%가 선형으로 편광되며, 그 편광상태는 대기를 통해 전달되는 동안 현저하게 영향을 받지 않는다는 이론에 근거를 두고 있다.

이와 같은 원리를 근거를 하여 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 송수신기용 일체형 광학시스템은 기본적으로 레이저 송수신기 즉, 광학 송수신기(10)를 포함한다. 그 광학 송수신기(10)는 수신기 채널에 배치되는 집중 광 다이오드(avalanche photo-diode : PAD)(110)와, 전송기 채널에 배치되는 대물렌즈와 같은 빔 조절렌즈(122)를 갖는 레이저 다이오드(120)와, 하나의 광경로에서 수신기 채널과 송신기 채널과, 수신기 및 송신기에 대한 공통의 대물렌즈들을 함께 겸비하는 편광빔 분할기(130)로 이루어진다.

광학 송수신기(10)는 또한, 수신기 및 송신기 모두에 대한 렌즈 조립체(140)를 포함한다. 렌즈 조립체(140)는 요철렌즈(meniscus)(142)와, 평철렌즈(plano-convex lens)(144)로 구성된다. 각각의 렌즈(142;144)는 더 높은 수치적 구경을 달성하는데 달성하기 위해 사용된다. 입사하는 레이저 방사선으로부터 수직에 대해45°로 또한 315°로 편광되는 출력 레이저 방사선을 선택하기 위해, 빔분할기는 전송기 채널과 함께 대물렌즈의 공통축에 대해 45°의 각도로 회전된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 송신기 본체에 접속된 좌표시스템에 있어서, 315°로 편광된 광은 수신기 채널에 수신되며, 45°로 편광된 광은 전송기에 의해 방출된다.

도 2a 내지 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 송수신기용 일체형 광학시스템의 편광 빔분할기(130)는, 특정 유전체 코팅재로 피복된 경사표면에 투사된 레이저 방사선이, 편광 작용에 의해, 전체적으로 반사되거나 그 표면을 통해 입사할 수 있도록 구성될 수 있다. 입사 및 반사하거나 굴절된 레이저빔은 함께 빔분할기의 주요 평면(principle surface)을 형성한다. 편광이 빔분할기의 주요 평면에 평행하다면(소위 p-편광이라 칭함) 그 방사선은 반사 없이 통과할 것이며, 입사방사선이 빔 분할기의 주요 평면에 수직하게 편광된다면(소위 s-편광이라 칭함) 전체적으로 반사된다. 예컨대, 빔 분할기(130)는 입방체형 빔 분할기(cube beam splitter)(도 2a), 평판형 편광기(plate polarizer)(도 2b) 및 편광 프리즘(polarizing prizm)(도 2c).

이하, 본 발명에 따른 2개의 레이저 송수신기를 일체형 광학시스템으로 설치하여 그 작동 및 그 사용방법을 도 3 및 도 4를 참조로하여 상세히 설명한다.

먼저, 일측의 작업자 또는 사용자는 신호 또는 레이저의 송수신을 위해 하나의 레이저 송수신기(10)를 정렬하고, 타측의 작업자 또는 사용자는 일측에 정렬된 레이저 송수신기와의 신호 또는 레이저의 송수신을 위해 그 일측에 정렬된 하나의 레이저 송수신기에 대칭적으로 다른 하나의 송수신기(10)를 정렬한다. 각각의 송수신기(10;10')는 상호간에 대해 공통의 수직축을 중심으로 하여 180°로 회전될 수 있도록 정렬되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 2개의 레이저 송수신기(10;10')가 상호 대칭적으로 정렬된 상태에서 일측의 하나의 레이저 송수신기(10)가 레이저빔을 송신하면 타측의 다른 하나의 레이저 송수신기(10')가 레이저빔을 수신하고, 역으로 타측의 다른 하나의 레이저 송수신기(10')가 레이저빔을 송신하면 일측의 하나의 레이저 송수신기(10)가 레이저빔을 수신하는 방식으로 두 개의 레이저 송수신기 상호간의 송수신이 이루어지는 것이다.

보다 상세히 설명하면, 예컨대 제1측의 하나의 레이저 송수신기(10)의 전송기(120)에서 발사된 레이저빔은 편광 빔 분할기(122)에 의해 소정의 각도로 반사되어 요철렌즈(142)를 통해 렌즈 조립체(140)로 입사된다. 렌즈조립체(140)로 인사된 레이저빔은 다시 그 렌즈 조립체로(140)의 평철렌즈(144)를 통해 다른 하나의 레이저 송수신기(10')로 송신된다.

즉, 하나의 레이저 송수신기(10)로부터 발사된 레이저빔은 다른 하나의 레이저 송수신기(10')의 렌즈조립체(140')의 평철렌즈(144')를 통해 입사하여 요철렌즈(142')를 통해 편광 분할기(130')로 입사된다. 이와 같이, 편광분할기(130')로 입사된 레이저빔은 그것을 통과하여 광수신기(110')로 입사된다. 물론, 이와 같이 입사된 레이저빔 또는 광은 그 광수신기(110')에 연결된 도시되지 않은 빔 처리장치 또는 컨트롤러에 의해 처리 또는 변환되어 원하는 수신정보를 제공받을 수 있는 것이다.

특히, 이 같은 레이저빔의 송수신에 있어서, 송신측 레이저 송수신기(10)의광전송기(120)가 수직축에 대해 45°범위내에서 회전할 수 있는 바, 예컨대 광전송기(120)가 수직축에 대해 45°회전된 상태에서 레이저빔이 송출되면, 그 레이저 송수신기(10)의 편광 빔 분할기(130), 렌즈 조립체(140), 수신측 레이저 송수신기(10')의 렌즈 조립체(140'), 편광 빔 분할기(130')를 통해 광수신기(110')에 입사되는 레이저 빔은 예컨대, 315°로 편광되어 나타나거나 수신되는 것이다.

물론, 타측의 레이저 송수신기(10')가 레이저 빔을 송출하고 일측의 레이저 송수신기(10)가 레이저 빔을 수신하는 경우에는 전술된 것의 역으로 레이저빔이 수신되거나 나타나게 되는 것이다.

이에 따라, 상호 대칭하는 각각의 레이저 송수신기간의 레이저빔의 송수신은 충분하고 안정적인 송수신 자유도를 지니며, 특히 각각의 레이저 송수신기의 송신기와 수신기가 광학적으로 공통의 공유영역을 지님으로써 레이저 송수신기 상호간의 초점을 보다 용이하고 정확하게 맞출 수 있는 것이다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 예컨대 짙은 안개(F)에 의해 역반사되는 광은 편광영역에서 어떠한 변화 없이 수신기 채널에 영향을 주지 않는 바, 이 것은 광수신기(110(110'))에 대해 허용되는 315°의 편광각에 대해 직교하는 45°의 편광각으로 방사선을 방출하기 때문이다.

결국, 전술된 바와 같은 레이저 다이오드, 광수신기 및 편광 빔 분할기의 특정 정렬로 인해, 2개의 동일한 장치들은 동일한 정렬 및 조절 과정을 거친 후에는 광학적 설정시 편광 회전 요소들의 사용하지 않고도 복합적인 통신을 수행할 수 있는 것이다. 이 같은 작용모드는 하나의 전송기에 의해 방출된 레이저광의 편광평면에 대한 45°의 경사도 및 수신기의 허용 편광에 대해 315°의 경사도로 인해 달성되는 것이다.

한편, 이 같은 작용모드는 각각의 레이저 송수신기에 대한 광수신기의 축 둘레에서 레이저 다이오드 및 빔-분할기의 적절한 회전에 의해 달성된다. 또한, 각각의 레이저 송수신기에 제공된 장치들의 모든 부품들은 전송된 편광에 대해 동일한 45°의 경사도를 지녀야 하는 것으로 나타났다.

이와 같은 45°의 경사도는 중요한 조건인 바, 이는 전송기가 수직축에 대해 회전할 때 90°의 편차각을 지니기 때문이다. 레이저 송수신기의 레이저 송수신 링크를 확립하기 위해 동일한 기하학적 유닛이 제작되고 그 같은 유닛의 한 쌍이 일정한 거리로 상호 정대향하게 정렬되면, 레이저빔을 방출하는 송신기에 대응하는 수신기가 레이저빔의 수신을 허용함과 동시에 정확하게, 전송된 레이저빔의 편광이 나타나게 되는 것이다.

결과적으로, 본 발명에 따른 레이저 송수신기용 일체형 광학시스템에 의하면, 상호 통신하도록 대향하게 정렬된 각각의 레이저 송수신기의 수신기와 송신기가 공통의 광학적 공유영역을 지님으로서, 상호간의 빔의 초점을 맞추기가 용이하고 정확하여 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

그리고, 상호간 송수신을 이루는 레이저 송수신기가 동일하게 구성될 수 있으며, 다른 송수신 유닛과 용이하게 교체될 수 있어 적용성 및 작업성이 향상되는 장점이 있다.

또한, 쌍으로된 2개의 송수신기 유닛들을 공통으로 조절할 수 있으며, 수신기 채널에 대해 전송된 방사의 누출이 방지되어 제품성이 향상되는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 상호 대향하도록 설치되어 레이저빔을 송수신하여 상호 통신을 이룰 수 있는 레이저 송수신기에 있어서, 각각의 레이저 송수신기는

   전송경로에 배치되는 레이저 데이터 전송기와,

   대응하는 상대의 레이저빔 송수신기로부터 전송되는 레이저를 수신하기 위해 수신경로에 배치되는 광수신기와,

   상기 전송기와 광수신기에 대한 공통의 렌즈들을 구비하는 편광 빔 분할기와,

   상기 수신기 및 송신기에 공통으로 적용되며 상기 편광 빔분할기로부터 입사된 빔을 대응하는 레이저 송수신기로 송신하며, 상기 대응하는 송수신기로부터 송신되는 레이저를 수신하기 위한 렌즈 조립체로서, 요철렌즈(meniscus)와, 평철렌즈(plano-convex lens)로 구성되는 렌즈 조립체를 포함하며;

   상기 편광 빔 분할기는 출력 레이저광을 입사광으로부터 분리하고, 2개의 광학적 채널상에서 일정한 광축을 갖는 공통의 광학적 경로를 분할하며, 상기 수신채널과 송신채널의 2개의 광학적 축은 그들의 공통축과 함께 수직방향에 대해 일정각도로 상기 공통의 광학적 축 둘레에서 회전하는 주평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 빔분할기의 주평면은 상기 수직한 공통축에 대해 45°범위에서 회전하는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 빔 분할기의 주평면은 상기 수직한 공통축에 대해 315°범위에서 회전하는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 빔분할기는 입방체형 빔 분할기(cube beamsplitter)로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 빔분할기는 평판형 편광기(plate polarizer)로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기.
6. 제 1항에 있어서, 상기 빔분할기는 평판형 편광 프리즘(polarizing prism)로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기.