KR20050103033A - 자유공간 광연결 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 자유공간 광연결 장치는, 송신용 기판과, 상기 송신용 기판 상에 집적되며 복수의 광선들을 출력하기 위한 복수의 광원들과, 상기 광선들을 집속하기 위한 복수의 제1 렌즈들을 갖는 송신부와; 수신용 기판과, 기설정된 투과 파장들을 갖는 복수의 필터들과, 상기 필터들을 통과한 광선들을 집속하기 위한 복수의 제2 렌즈들과, 상기 수신용 기판 상에 집적되며 상기 제2 렌즈들에 의해 집속된 광선들을 검출하기 위한 복수의 광검출기들을 갖는 수신부를 포함한다.

Description

자유공간 광연결 장치{FREE SPACE OPTICAL INTERCONNECT APPARATUS}
본 발명은 광연결 장치에 관한 것으로서, 특히 다채널을 위한 자유공간 광연결 장치에 관한 것이다.
다채널 자유공간 광연결(multi-channel free space optical interconnection)에서는 각 채널에서 신호를 연결(signal link for each channel)하는 광선(optical beam)이 점-대-점(point-to-point)으로 정확히 정렬(alignment)되어야 한다. 예로서, 수신 윈도우(photodetector window)의 직경이 수십 ㎛인 경우에 광선이 해당 면적 안에 들어가도록 정렬해야 한다. 정확한 정렬이 이뤄지지 못한 경우에, 어느 한 광원에서 출사된 광선이 기설정된 광검출기에만 입사되지 못하고 이웃한 다른 광검출기에 입사되는 경우가 발생할 수 있다. 이처럼 광선의 점-대-점 정렬을 위해서는 송신부(transmitter)와 수신부(receiver)의 위치를 정확히 조절해서 설치해야 하는 어려움이 있다.
H. Toshiyoshi, M. Kobayashi, D. Miyauchi, H. Fujita, J. Podlecki, 및 Y. Arakawa에 의해 1999년에 J. of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 1, pp. 19-25에 발표된 논문(명칭: Design and Analysis of Micromechanical Tunable Interferometers for WDM Free-Space Optical Interconnection)은 파장 가변 광원(wavelength tunable light source)과, 파장 가변 포토다이오드(wavelength tunable photodiode)와, 미세역학 페브리-페롯 간섭계(micromechanical Fabry-Perot interferometer) 등을 이용하고, WDM(wavelength division multiplexing) 파장의 선택으로 채널간 스위칭 기능을 부여하여 1×N, N×N, N×1의 다양한 연결을 할 수 있도록 한다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 다채널 자유공간 광연결 장치에서 스위칭 기능을 수행하기 위해 사용한 파장 가변 광원, 파장 가변 포토다이오드, 미세역학 페브리-페롯 간섭계 등의 소자들은 복잡한 구조를 갖는 고가의 소자이므로, 상기 다채널 자유공간 광연결 장치의 제작비가 높다는 문제점이 있다. 또한, 상기 다채널 자유공간 광연결 장치는 광선 정렬 보정 수단을 갖지 못하므로, 정렬 허용도가 매우 작다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 경제적이면서 간단한 구조를 갖고, 정렬 허용도가 큰 다채널 자유공간 광연결 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 자유공간 광연결 장치는, 송신용 기판과, 상기 송신용 기판 상에 집적되며 복수의 광선들을 출력하기 위한 복수의 광원들과, 상기 광선들을 집속하기 위한 복수의 제1 렌즈들을 갖는 송신부와; 수신용 기판과, 기설정된 투과 파장들을 갖는 복수의 필터들과, 상기 필터들을 통과한 광선들을 집속하기 위한 복수의 제2 렌즈들과, 상기 수신용 기판 상에 집적되며 상기 제2 렌즈들에 의해 집속된 광선들을 검출하기 위한 복수의 광검출기들을 갖는 수신부를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다채널 자유공간 광연결 장치를 나타내는 도면이다. 상기 장치(100)는 송신부(transmitter: Tx, 102)와 수신부(receiver: Rx, 104)를 포함한다.
상기 송신부(102)는 송신용 기판(transmitter substrate, 110)과, 제1 및 제2 광원들(112,116)과, 렌즈부(120)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 광원들(112,116)은 상기 송신용 기판(110) 상에 집적되고, 상기 송신용 기판(110)은 상기 제1 및 제2 광원들(112,116)에 전압을 인가하기 위한 회로(미도시)를 가지며, 상기 회로는 상기 제1 및 제2 광원들(112,116)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제1 광원(112)은 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 광선(114)을 출사하고, 상기 제2 광원(116)은 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 광선(118)을 출사한다. 상기 제1 및 제2 광원들(112,116)은 표면 방출 레이저들(surface emitting laser)을 포함할 수 있다.
상기 렌즈부(120)는 상기 송신용 기판(110)과 이격되어 설치되며, 몸체(122)와 상기 몸체(122)에 구비된 제1 및 제2 렌즈들(124,126)을 포함한다. 상기 제1 렌즈(124)는 상기 제1 광원(112)과 광학적으로 정렬되고, 상기 제2 렌즈(126)는 상기 제2 광원(116)과 광학적으로 정렬된다. 상기 제1 렌즈(124)는 상기 제1 광원(112)에서 출사된 제1 광선(114)을 집속하고, 상기 제2 렌즈(126)는 상기 제2 광원(126)에서 출사된 제2 광선(118)을 집속한다. 상기 제1 및 제2 렌즈들(124,126)은 볼록 렌즈들(convex lenses)이며, 상기 렌즈부(120)는 예를 들어 플라스틱 몰딩(plastic molding) 등의 공정을 통해 일체형으로 제작될 수 있다.
상기 수신부(104)는 수신용 기판(receiver substrate, 150)과, 제1 및 제2 광검출기들(photodetectors, 152,154)과, 제3 및 제4 렌즈들(140,145)과, 제1 및 제2 필터들(filters, 130,135)을 포함한다.
상기 제1 필터(130)는 상기 제3 렌즈(140)와 광학적으로 정렬되고, 상기 수신용 기판(150)과 이격되어 설치된다. 상기 제2 필터(135)는 상기 제4 렌즈(145)와 광학적으로 정렬되고, 상기 수신용 기판(150)과 이격되어 설치된다. 상기 제1 필터(130)는 제1 파장의 광을 투과시키고, 나머지 파장의 광은 차단한다. 상기 제2 필터(135)는 제2 파장의 광을 투과시키고, 나머지 파장의 광은 차단한다. 따라서, 상기 제1 필터(130)는 입사된 제2 광선(118)을 차단하고, 상기 제2 필터(135)는 입사된 제1 광선(114)을 차단한다. 상기 제1 및 제2 필터들(130,135)은 페브리-페롯 필터들을 포함할 수 있다.
상기 제3 렌즈(140)는 상기 수신용 기판(150)에 대향된 상기 제1 필터(130)의 일면에 부착되고, 상기 제4 렌즈(145)는 상기 수신용 기판(150)에 대향된 상기 제2 필터(135)의 일면에 부착된다. 상기 제3 렌즈(140)는 상기 제1 필터(130)를 투과한 제1 광선(114)을 집속하고, 상기 제4 렌즈(145)는 상기 제2 필터(135)를 투과한 제2 광선(118)을 집속한다. 상기 제1 및 제2 렌즈들(140,145)은 볼록 렌즈들이다.
상기 제1 및 제2 광검출기들(152,154)은 상기 수신용 기판(150) 상에 집적되고, 상기 수신용 기판(150)은 상기 제1 및 제2 광검출기들(152,154)에 전압을 인가하기 위한 회로를 가지며, 상기 회로는 상기 제1 및 제2 광검출기들(152,154)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제1 광검출기(152)는 상기 제1 광선(114)을 제1 전기 신호로 검출하고, 상기 제2 광검출기(152)는 상기 제2 광선(118)을 제2 전기 신호로 검출한다. 상기 제1 및 제2 광검출기들(152,154)은 포토다이오드들을 포함할 수 있다.
이후, 상기 제1 전기 신호는 제1 채널로 전송되고, 상기 제2 전기 신호는 제2 채널로 전송된다.
상기 장치(100)에서는, 상기 송신부(102)와 수신부(104)의 정확한 정렬이 이뤄지지 못한 경우에, 예를 들어 상기 제2 광원(116)에서 출사된 제2 광선(118)(상기 제2 광검출기(154)에 입사하도록 설정된)이 상기 제1 광검출기(152)를 향하더라도 상기 제1 필터(130)가 상기 제2 광선(118)을 차단하게 된다. 따라서, 상기 장치(100)는 광선의 정렬 허용도가 종래에 비하여 크게 향상된다.
또한, 상기 장치(100)는 WDM 광소자를 이용한 자유공간 광연결을 기반으로 하되, N:N의 스위칭 기능을 갖는 광연결이 아닌 1:1의 point-to-point 광연결에 한정하고, 이를 위해 복잡하지 않은 간단한 소자들로 상기 장치(100)를 구현하며, 자유공간 광연결에서 가장 문제시 되는 정렬 허용도를 크게 개선할 수 있도록 한 것이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다채널 자유공간 광연결 장치를 나타내는 도면이다. 상기 장치(200)는 송신부(202)와 수신부(204)를 포함한다.
상기 송신부(202)는 송신용 기판(210)과, 제1 내지 제3 광원들(222,224,226)과, 렌즈부(230)와, 제1 및 제2 미러들(mirrors, 240,250)을 포함한다.
상기 제1 내지 제3 광원들(222,224,226)은 상기 송신용 기판(210) 상에 집적되고, 상기 송신용 기판(210)은 상기 제1 내지 제3 광원들(222,224,226)에 전압을 인가하기 위한 회로를 가지며, 상기 회로는 상기 제1 내지 제3 광원들(222,224,226)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제1 광원(222)은 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 광선(223)을 출사하고, 상기 제2 광원(224)은 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 광선(225)을 출사하며, 상기 제3 광원(226)은 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 광선(227)을 출사한다. 상기 제1 내지 제3 광원들(222,224,226)은 표면 방출 레이저 다이오드들을 포함할 수 있다.
상기 렌즈부(230)는 상기 송신용 기판(210)과 이격되어 설치되며, 몸체(232)와 상기 몸체(232)에 구비된 제1 내지 제3 렌즈들(234,236,238)을 포함한다. 상기 제1 렌즈(234)는 상기 제1 광원(222)과 광학적으로 정렬되고, 상기 제2 렌즈(236)는 상기 제2 광원(224)과 광학적으로 정렬되며, 상기 제3 렌즈(238)는 상기 제3 광원(226)과 광학적으로 정렬된다. 상기 제1 렌즈(234)는 상기 제1 광원(222)에서 출사된 제1 광선(223)을 집속하고, 상기 제2 렌즈(236)는 상기 제2 광원(224)에서 출사된 제2 광선(225)을 집속하며, 상기 제3 렌즈(238)는 상기 제3 광원(226)에서 출사된 제3 광선(227)을 집속한다. 상기 제1 내지 제3 렌즈들(234,236,238)은 볼록 렌즈들이며, 상기 렌즈부(230)는 예를 들어 플라스틱 몰딩 등의 공정을 통해 일체형으로 제작될 수 있다. 이 때, 제1 광선(223)은 정렬용으로 사용되고, 상기 제2 및 제3 광선들(225,227)은 통신용으로 사용된다.
상기 제1 미러(240)는 상기 렌즈부(230)와 이격되어 설치되며, 상기 렌즈부(230)를 통과한 제1 내지 제3 광선들(223,225,227)을 상기 제2 미러(250)측으로 반사시킨다.
상기 제2 미러(250)는 상기 제1 미러(240)로부터 입사된 제1 내지 제3 광선들(223,225,227)을 상기 수신부(204)측으로 반사시킨다. 상기 제2 미러(250)는 그 중심에 회전축(rotation axis)을 가지며, 상기 회전축을 중심으로 φ의 회전 각도를 갖는다. 즉, 도시된 초기 위치로부터(실선) 반시계 방향으로 φ/2까지 회전 가능하고(점선), 시계 방향으로 φ/2까지 회전 가능하다(점선). 상기 제1 내지 제3 광선들(223,225,227)이 오정렬된 경우에 상기 제2 미러(250)를 이용하여 보정한다. 상세한 보정 과정은 후술하기로 한다.
상기 수신부(204)는 수신용 기판(280)과, 제1 내지 제3 광검출기들(282,284,286)과, 제4 내지 제6 렌즈들(272,274,276)과, 제1 내지 제3 필터들(262,264,266)과, 정렬 표시기(alignment indicator, 290)를 포함한다.
상기 제1 필터(262)는 상기 제4 렌즈(272)와 광학적으로 정렬되고, 상기 수신용 기판(280)과 이격되어 설치된다. 상기 제2 필터(264)는 상기 제5 렌즈(274)와 광학적으로 정렬되고, 상기 수신용 기판(280)과 이격되어 설치된다. 상기 제3 필터(266)는 상기 제6 렌즈(276)와 광학적으로 정렬되고, 상기 수신용 기판(280)과 이격되어 설치된다. 상기 제1 필터(262)는 제1 파장(λ1)의 광을 투과시키고, 나머지 파장의 광은 차단한다. 상기 제2 필터(264)는 제2 파장(λ2)의 광을 투과시키고, 나머지 파장의 광은 차단한다. 상기 제3 필터(266)는 제3 파장(λ3)의 광을 투과시키고, 나머지 파장의 광은 차단한다. 따라서, 상기 제1 필터(262)는 입사된 제2 또는 제3 광선(225,227)을 차단하고, 상기 제2 필터(264)는 입사된 제1 또는 제3 광선(223,227)을 차단하며, 상기 제3 필터(266)는 입사된 제1 또는 제2 광선(223,225)을 차단한다. 상기 제1 내지 제3 필터들(262,264,266)은 페브리-페롯 필터들을 포함할 수 있다.
상기 제4 렌즈(272)는 상기 수신용 기판(280)에 대향된 상기 제1 필터(262)의 일면에 부착되고, 상기 제5 렌즈(274)는 상기 수신용 기판(280)에 대향된 상기 제2 필터(264)의 일면에 부착되며, 상기 제6 렌즈(276)는 상기 수신용 기판(280)에 대향된 상기 제3 필터(266)의 일면에 부착된다. 상기 제4 렌즈(272)는 상기 제1 필터(262)를 투과한 제1 광선(223)을 집속하고, 상기 제5 렌즈(274)는 상기 제2 필터(264)를 투과한 제2 광선(225)을 집속하며, 상기 제6 렌즈(276)는 상기 제3 필터(266)를 투과한 제3 광선(227)을 집속한다. 상기 제1 내지 제3 렌즈들(272,274,276)은 볼록 렌즈들이다.
상기 제1 내지 제3 광검출기들(282,284,286)은 상기 수신용 기판(280) 상에 집적되고, 상기 수신용 기판(280)은 상기 제1 내지 제3 광검출기들(282,284,286)에 전압을 인가하기 위한 회로를 가지며, 상기 회로는 상기 제1 내지 제3 광검출기들(282,284,286)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제1 광검출기(282)는 상기 제1 광선(223)을 제1 전기 신호로 검출하고, 상기 제2 광검출기(284)는 상기 제2 광선(225)을 제2 전기 신호로 검출하며, 상기 제3 광검출기(286)는 상기 제3 광선(227)을 제3 전기 신호로 검출한다. 상기 제1 내지 제3 광검출기들(282,284,286)은 포토다이오드들을 포함할 수 있다. 상기 제2 및 제3 전기 신호들은 통신용으로 사용되며, 상기 제2 전기 신호는 제1 채널로 전송되고, 상기 제3 전기 신호는 제2 채널로 전송된다. 상기 제1 광검출기(282)로부터 출력된 제1 전기 신호는 정렬용으로 사용되며, 상기 제1 전기 신호의 유무에 따라 상기 제1 내지 제3 광선들(223,225,227)의 정렬 상태를 파악한다. 즉, 상기 제1 광검출기(282)가 제1 전기 신호를 출력하지 않는 경우에 상기 제1 내지 제3 광선들(223,225,227)이 오정렬된 것으로 파악하고, 상기 제1 광검출기(282)가 제1 전기 신호를 출력하는 경우에 상기 제1 내지 제3 광선들(223,225,227)이 정렬된 것으로 파악한다.
상기 정렬 표시기(290)는 상기 수신용 기판(280) 상에 집적되며, 제1 전기 신호의 유무를 가시적으로 나타낸다. 즉, 상기 정렬 표시기(290)는 상기 제1 전기 신호가 출력된 경우에 발광하고, 상기 제1 전기 신호가 출력된 경우에 발광하지 않는다. 따라서, 작업자는 상기 정렬 표시기(290)의 발광 유무로부터 상기 제1 내지 제3 광선들(223,225,227)의 정렬 상태를 파악하게 된다. 상기 정렬 표시기(290)는 발광다이오드(light emitting diode: LED)를 포함할 수 있다.
도 2를 보면, 상기 제2 미러(250)가 초기 위치에 있는 경우(실선)에 정렬된 제1 광선(223)이 제1 광검출기(282)에 입사되고, 상기 정렬 표시기(290)는 발광하게 된다. 또한, 상기 제2 미러(250)가 초기 위치로부터 반시계 방향으로 φ/2 만큼 회전한 경우(점선)에 오정렬된 제1 광선(229)이 상기 제1 광검출기(282)에 입사되지 않고 상기 수신용 기판(280)의 상측에 입사되며, 상기 정렬 표시기(290)는 발광하지 않는다. 이러한 경우에, 작업자는 상기 정렬 표시기(290)가 발광할 때까지(즉, 상기 제2 미러(250)가 초기 위치에 올 때까지) 상기 제2 미러(250)를 회전시키게 된다. 또한, 상술한 실시예에서는 정렬을 위해 제2 미러(250)만을 회전시키는 것으로 설명하였으나, 상기 제1 및 제2 미러들(240,250)을 동시에 회전시키거나 상기 제2 미러(250) 대신에 상기 제1 미러(240)만을 회전시키는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다채널 자유공간 광연결 장치의 송신부를 나타내는 도면이다. 상기 송신부(300)는 도 2에 도시된 장치와 유사하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 송신부(300)는 송신용 기판(310)과, 제1 내지 제3 광원들(322,324,326)과, 렌즈부(330)와, 제1 및 제2 미러들(340,360)과, 제1 및 제2 하우징들(housings, 350,370)과, 회전 막대(380)를 포함한다.
상기 제1 내지 제3 광원들(322,324,326)은 상기 송신용 기판(310) 상에 집적되고, 상기 송신용 기판(310)은 상기 제1 내지 제3 광원들(322,324,326)에 전압을 인가하기 위한 회로를 가지며, 상기 회로는 상기 제1 내지 제3 광원들(322,324,326)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제1 광원(322)은 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 광선(323)을 출사하고, 상기 제2 광원(324)은 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 광선(325)을 출사하며, 상기 제3 광원(326)은 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 광선(327)을 출사한다. 상기 제1 내지 제3 광원들(322,324,326)은 표면 방출 레이저 다이오드들을 포함할 수 있다.
상기 렌즈부(330)는 상기 송신용 기판(310)과 이격되어 설치되며, 몸체(332)와 상기 몸체(332)에 구비된 제1 내지 제3 렌즈들(334,336,338)을 포함한다. 상기 제1 렌즈(334)는 상기 제1 광원(322)과 광학적으로 정렬되고, 상기 제2 렌즈(336)는 상기 제2 광원(324)과 광학적으로 정렬되며, 상기 제3 렌즈(338)는 상기 제3 광원(326)과 광학적으로 정렬된다. 상기 제1 렌즈(334)는 상기 제1 광원(322)에서 출사된 제1 광선(323)을 집속하고, 상기 제2 렌즈(336)는 상기 제2 광원(324)에서 출사된 제2 광선(325)을 집속하며, 상기 제3 렌즈(338)는 상기 제3 광원(326)에서 출사된 제3 광선(327)을 집속한다. 상기 제1 내지 제3 렌즈들(334,336,338)은 볼록 렌즈들이며, 상기 렌즈부(330)는 예를 들어 플라스틱 몰딩 등의 공정을 통해 일체형으로 제작될 수 있다.
상기 제1 미러(340)는 상기 렌즈부(330)와 이격되어 설치되며, 상기 렌즈부(330)를 통과한 제1 내지 제3 광선들(323,325,327)을 상기 제2 미러(360)측으로 반사시킨다.
상기 제1 하우징(350)은 상기 제1 내지 제3 광원들(322,324,326)과, 상기 렌즈부(330)와, 상기 제1 미러(340)를 감싸며, 상기 송신용 기판(310) 상에 고정된다. 상기 제1 하우징(350)은 상기 제2 미러(360)와 대향된 일측면이 개방되어 있으며, 전체적으로 박스(box) 형태를 가질 수 있다.
상기 제2 미러(360)는 상기 제1 미러(340)로부터 반사되어 상기 제1 하우징(350)의 개방된 측면을 통해 입사된 제1 내지 제3 광선들(323,325,327)을 수신부측으로 반사시킨다. 상기 제2 미러(360)는 상기 제2 하우징(370)에 대해 고정되어 있다.
상기 제2 하우징(370)은 상기 제2 미러(360)를 감싸며, 상기 제1 미러(340)와 대향된 측면과, 상기 제2 미러(360)에서 반사된 상기 제1 내지 제3 광선들(323,325,327)이 진행하는 방향쪽의 측면(즉, 상기 수신부에 대향된 측면)이 개방되어 있다. 상기 제2 하우징(370)은 전체적으로 박스 형태를 가질 수 있다.
상기 회전 막대(380)는 축(384)과 상기 축(384)의 일단에 형성된 손잡이(384)를 포함하고, 상기 축(384)의 타단(382)은 상기 제2 하우징(370)의 일측면에 고정되어 있으며, 상기 회전 막대(380)를 움직여서 상기 제2 하우징(370)을 삼차원적으로 회전시킨다. 즉, 도시된 좌표를 보면 상기 회전 막대(380)를 이용하여 상기 제2 하우징(370)을 θ 방향 또는 ψ 방향으로 회전시킬 수 있다. 이 때, 좌표의 y축은 지면에 수직한 방향이다. 상기 제2 미러(360)는 상기 제2 하우징(370)에 고정되어 있으므로, 상기 제2 하우징(370)이 회전함에 따라 상기 제2 미러(360)도 함께 회전하게 된다.
상술한 실시예에서는 상기 회전 막대(380)의 끝단(382)이 상기 제2 하우징(370)에 고정되는 것으로 설명하였으나, 상기 회전 막대(380)의 끝단(382)을 상기 제2 미러(360)의 중심에 위치하는 회전축을 고정시키고, 상기 회전 막대(380)를 움직여서 상기 제2 미러(360)를 상기 회전축을 중심으로 φ 방향으로 회전시킬 수 있다. 이 때, φ 방향은 y축의 둘레 방향이다. 또한, 상술한 회전 방법과 유사하게 상기 제1 하우징(350) 또는 제1 미러(340)를 회전시킬 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다채널 자유공간 광연결 장치를 나타내는 도면이다. 상기 장치(400)는 도 2에 도시된 구성과 유사하며, 다만 제1 및 제2 중간 보드들(intermediate boards, 460,465)이 송신부(402)와 수신부(404) 사이에 배치되어 있다는 점이 상이하다. 이하, 상기 제1 및 제2 중간 보드들(460,465)을 중심으로 설명하며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 송신부(402)는 송신용 기판(410)과, 제1 내지 제3 광원들(422,424,426)과, 몸체(432)와 상기 몸체(432)에 형성된 제1 내지 제3 렌즈들(434,436,438)을 갖는 렌즈부(430)와, 제1 및 제2 미러들(440,450)을 포함하고, 상기 수신부(404)는 수신용 기판(490)과, 제1 내지 제3 광검출기들(492,494,496)과, 제4 내지 제6 렌즈들(482,484,486)과, 제1 내지 제3 필터들(472,474,476)과, 정렬 표시기(498)를 포함한다.
상기 제1 중간 보드(460)는 상기 송신부(402)와 수신부(404) 사이에 배치되고, 그 중앙에 제1 관통홀(462)을 갖는다. 상기 제2 중간 보드(465)는 상기 제1 중간 보드(460)와 상기 수신부(404) 사이에 배치되고, 그 중앙에 제2 관통홀(467)을 갖는다.
상술한 구성은, 통상적인 통신 시스템(optical system)의 백플랜 (backplane)과 같이 여러 개의 기판들(substrates) 또는 보드들(boards)이 장착된 시스템에 적용할 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 및 제2 중간 보드들(460,465)은 제1 내지 제3 광선들(423,425,427)이 통과할 수 있는 제1 및 제2 관통홀들(462,467)을 갖는다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신부의 송신용 기판 상의 회로 배치도이며, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수신부의 수신용 기판 상의 회로 배치도이고, 도 7은 도 6에 도시된 수신용 기판에 입사하는 광선을 나타내는 도면이다.
상기 송신용 기판(500) 상에는 제1 내지 제5 광원들(520~560)과, 상기 제1 내지 제5 광원들(520~560)과 전기적으로 연결된 제1 구동 회로(driver circuit, 510)가 집적되어 있다. 상기 제1 내지 제5 광원들(520~560)은 제1 내지 제5 파장들(λ1~λ5)의 제1 내지 제5 광선들을 출사한다. 즉, 제n 광원은 제n 파장의 제n 광선을 출사한다. 이 때, n은 5이하의 자연수이다. 상기 제1 내지 제4 광선들은 통신용으로 사용되며, 상기 제5 광선은 정렬용으로 사용된다. 상기 제1 내지 제4 광원들(520~550)은 가로 간격 L1으로 이격되어 있고, 세로 간격 L2로 이격되어 있다.
상기 수신용 기판(600) 상에는 제1 내지 제5 광검출기들(620~660)과, 상기 제1 내지 제5 광검출기들(620~660)과 전기적으로 연결된 제2 구동 회로(610)가 집적되어 있다. 상기 제1 내지 제5 광검출기들(620~660)은 상기 제1 내지 제5 광선들을 수신한다. 즉, 제n 광검출기는 제n 파장의 제n 광선을 수신한다. 상기 제1 내지 제4 광검출기들(620~650)은 가로 간격 L3로 이격되어 있고, 세로 간격 L4로 이격되어 있다. 또한, 도 6에는 상기 제1 내지 제5 광검출기들(620~660)과 광학적으로 정렬된 제1 내지 제5 렌즈들(622~662)이 원으로 도시되어 있고, 제1 내지 제5 필터들(624~664)이 사각형으로 도시되어 있다.
상기 L1~L4 및 상기 각 렌즈(622~662)의 반경 Rm은 광 출력(optical power)의 최소 접속효율(minimum optical coupling efficiency)을 만족할 수 있도록 설계되어야 하며 이에 대해서는 아래에 상세한 설명을 제공한다.
통상적인 렌즈들의 역할은 광선의 발산각(beam divergence angle)을 줄이거나 높여서 광선을 집속(collimation)시키거나 발산(divergence)시켜주는데 있다.통상적으로 표면 방출 레이저를 사용할 경우 광선의 발산각이 10°~15°정도 되므로 먼 거리까지 광 연결을 하려면 발산각을 줄여 광선을 집속시켜야 한다. 상기 제1 내지 제5 렌즈들(622~662)의 역할은 광선의 수광 면적(detection area)을 넓혀주는데 있다. 통상적인 포토다이오드의 수광 윈도우(detector window)의 크기는 수십 ㎛에 불과하므로 이 면적으로 수광되는 광파워는 적다. 따라서, 보다 면적이 넓은 렌즈들을 사용하여 넓은 면적으로 수광하고, 이를 포토다이오드의 수광 윈도우로 집속시키면 수광 파워를 크게 높일 수 있다.
수신부에 도달한 광선의 직경이 크면 송신부와 수신부 간의 점-대-점 광연결에서 정렬 허용도가 커질 수 있는 장점이 있으나, 수신부에 도달하는 광파워가 넓은 면적에 걸쳐 분산되므로 수광 파워가 줄어지고 광결합 효율이 떨어지는 문제가 있다. 광선의 정렬 허용도와 광결합 효율의 목표치에 따라 광선의 크기와 수신부측 렌즈의 크기를 적절하게 조절할 필요가 있다.
수신부에 도달하는 광선이 균일하게 분포한다고 가정하고, 수신부측 렌즈로 집속되는 광선이 광검출기의 수광 윈도우로 모두 들어간다고 가정하면, 광결합 효율은 하기 <수학식 1>과 같다.
도 7을 참고하면 상기 수신부에 도달한 제1 내지 제5 광선들(626~666)이 원으로 도시되어 있고, 상기 <수학식 1>에서 Rb는 상기 원의 반경을 나타낸다. 상기 송신부와 상기 수신부의 점-대-점 연결에서 광선의 정렬 허용도는 근사적으로 하기 <수학식 2>로 나타낼 수 있다.
상기 제1 내지 제4 광검출기들(620~650) 간의 간격들 L3 및 L4를 모두 1㎜로 정하고, 상기 제1 내지 제5 렌즈들(622~662)의 직경을 모두 0.5㎜로 정할 때, 상기 <수학식 1>과 <수학식 2>를 이용하여 계산된 광선의 정렬 허용도 및 광결합 효율은 하기 <표 1>에 정리되어 있다.
수신부에 입사된광선의 반경(Rb) 광선의 정렬 허용도 수신부측 렌즈의반경(Rm) 광결합 효율
1㎜ ±1㎜ 0.5㎜ 25%
2.5㎜ ±2.5㎜ 0.5㎜ 4%
5㎜ ±5㎜ 0.5㎜ 1%
상기 제1 내지 제5 광검출기들(620~660)의 수신 감도가 통상적으로 -20㏈(1%) 정도이므로, 수신부에 도달하는 제1 내지 제5 광선들(626~666)의 반경 Rb가 5㎜정도이고, 상기 제1 내지 제5 렌즈들(622~662)의 반경 Rm이 0.5㎜ 정도라면 ±5㎜의 정렬 허용도를 얻을 수 있다. 또한, 동일한 송신부 및 수신부의 소자 배치들로 위 정렬 허용도보다 큰 정렬 허용도를 얻으려면, 상술한 제2 실시예의 경우처럼 미러를 사용하여 광선의 각도를 조정함으로써 광선의 오정렬을 보정할 수 있다.
상술한 바와 같이 광연결 가능한 1% 이상의 광결합 효율과 ±10㎜ 이내의 적절한 광선의 정렬 허용도를 얻기 위해서는 송신부측 제1 내지 제4 광원들(520~550)의 간격들 L1 및 L2와 수신부측 제1 내지 제4 광검출기들(620~650)의 간격들 L3 및 L4를 0.2㎜ ~ 10㎜으로 설정하고, 수신부측 제1 내지 제5 렌즈들(622~662)의 반경 Rm과 제1 내지 제5 필터들(624~664)의 크기 L5를 L1 또는 L2의 1/20 ~ 1/2인 크기를 사용하는 것이 적절하다. 또한, 상기 송신부측 렌즈들의 반경과 송신부측 필터들의 크기도 또한 L1 또는 L2의 1/20 ~ 1/2인 크기를 사용하는 것이 적절하다.
상기 <표 1>에서 설명한 바와 같이, 수신부에 도달하는 제1 내지 제5 광선들(626~666)의 반경 Rb는 정렬 허용도와 광결합 효율에 영향을 주는 주요 변수이다.
도 8 및 도 9는 수신부에 도달하는 광선의 반경 Rb를 설명하기 위한 도면이다. 도 8에는 송신용 기판(710)과, 상기 송신용 기판(710) 상의 점광원(point light source, 720)과, 송신부측 렌즈(730)와, 수신용 기판(730)이 도시되어 있다. Rb는 상기 점광원(720)에서 출사되는 광선(725)의 발산 각도 θb, 상기 송신부측 렌즈(730)의 초점거리 f와 상기 렌즈(730)의 위치(상기 점광원(720)과 상기 렌즈(730) 사이의 거리) xL에 의존하며, 그 관계는 가우시안 광선(Gaussian beam)의 ABCD 법칙(ABCD law)으로 주어진다. ABCD 법칙에 관계되는 가우시안 광선의 변수들 xω, ω0 등이 도 8에 도시되어 있다. 상기 법칙에 의하면, Rb는 특히 x L에 민감하게 의존하므로 광선(725)을 먼거리까지 작은 발산 각도로 출사하려면 상기 렌즈(730)의 위치를 초점 거리에 가깝게, 즉, xL = f로 두어야 한다. 상기 렌즈(730)의 위치가 초점거리(focal length)에서 벗어난 정도(deviation)를 나타내는 식 (f-xL)에 따라 수신부측 수신용 기판(730)에 도달하는 광선의 반경 Rb이 변화되는 정도 보여주는 예는 도 9에 도시되어 있다.
도 9는, θb=15°, 상기 송신용 기판(710)과 상기 수신용 기판(730) 사이의 거리 L=1m로 고정시키고, f=0.5㎜~2.5㎜로 변화시키며, 초점 거리에서 벗어난 정도가 (f-xL)=-0.1㎜~+0.1㎜로 변화될 때에 수신부에 도달하는 광선의 반경 Rb의 변화를 보여주고 있다. 상기 렌즈(730)의 위치가 초점 거리에서 0.1㎜ 정도만 벗어나도 Rb는 초점 거리에 있을 때의 Rb보다 3배 이상 커지게 된다. 따라서, 상기 렌즈(730)의 설치시 위치 오차에 따른 수신부에 도달하는 광선의 크기가 허용 크기 내에 들도록 하여야 한다. 예로서, 상기 <표 1>의 결합 효율 1%를 얻을 수 있는 Rb<5㎜를 얻으려면, Rb<5㎜에 들도록 상기 렌즈(730)의 위치 오차 (f - xL)를 조절해야 한다.
도 9를 예로 들어 설명한 바와 같이, 상기 <표 1>에서 산출한 광원들간의 간격과, 광검출기들간의 간격과, 수신부측 렌즈의 직경 범위에 대한 산출에 의하면, 1% 이상의 광결합 효율을 얻을 수 있는 상기 송신부측 렌즈(730)의 초점 거리는 f=0.1㎜~10㎜가 적절하다. 이러한 범위의 렌즈와 상술한 광원들 및 광검출기들의 배열 구조들을 이용하여 수㎝~수m의 자유공간 광연결이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자유공간 광연결 장치는 경제적이면서 간단한 구조를 갖고, 정렬 허용도가 크다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다채널 자유공간 광연결 장치를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다채널 자유공간 광연결 장치를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다채널 자유공간 광연결 장치의 송신부를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다채널 자유공간 광연결 장치를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신부의 송신용 기판 상의 회로 배치도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수신부의 수신용 기판 상의 회로 배치도,
도 7은 도 6에 도시된 수신용 기판에 입사하는 광선을 나타내는 도면,
도 8 및 도 9는 수신부에 도달하는 광선의 반경 Rb를 설명하기 위한 도면들.

Claims (10)

  1. 자유공간 광연결 장치에 있어서,
    송신용 기판과, 상기 송신용 기판 상에 집적되며 복수의 광선들을 출력하기 위한 복수의 광원들과, 상기 광선들을 집속하기 위한 복수의 제1 렌즈들을 갖는 송신부와;
    수신용 기판과, 기설정된 투과 파장들을 갖는 복수의 필터들과, 상기 필터들을 통과한 광선들을 집속하기 위한 복수의 제2 렌즈들과, 상기 수신용 기판 상에 집적되며 상기 제2 렌즈들에 의해 집속된 광선들을 검출하기 위한 복수의 광검출기들을 갖는 수신부를 포함함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 송신부는,
    상기 제1 렌즈들을 통과한 광선들을 반사하기 위한 제1 미러와;
    상기 제1 미러로부터 입사된 상기 광선들을 상기 수신부측으로 반사하기 위한 제2 미러를 더 포함함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수신부는,
    상기 수신용 기판 상에 집적되며 상기 광검출기들 중 하나로부터 출력되는 전기 신호의 유무를 가시적으로 나타내기 위한 정렬 표시기를 더 포함함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 송신부는,
    상기 제2 미러를 감싸는 하우징과;
    그 일단이 상기 하우징의 일측면에 고정되며, 상기 제2 하우징을 회전시키기 위한 회전 막대를 더 포함함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 송신부는,
    그 일단이 상기 제2 미러의 회전축에 고정되며, 상기 제2 미러를 상기 회전축을 중심으로 회전시키기 위한 회전 막대를 더 포함함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광원들은 표면 방출 레이저들을 포함하며, 상기 정렬 표시기는 발광 다이오드를 포함함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 필터들은 페브리-페롯 필터들을 포함함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송신부와 수신부 사이에 배치되고, 상기 광선들이 통과할 수 있도록 그 중앙에 관통홀을 갖는 적어도 하나의 중간 보드를 더 포함함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원들 중 통신용 광원들의 간격을 0.2㎜~10㎜ 범위로 하고,
    상기 광검출기들 중 통신용 광검출기들의 간격을 0.2㎜~10㎜ 범위로 하며,
    상기 제2 렌즈들의 직경이 상기 광원들의 간격의 1/10~1/1인 크기를 갖도록 함을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 렌즈들의 초점 거리는 0.2㎜~10㎜ 범위에 있음을 특징으로 하는 자유공간 광연결 장치.
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