KR20080065250A - 자유공간 광통신용 시준기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 가유공간 광통신용 시준기는 광의 전송을 위한 광원으로 이용되는 광섬유와, 이 광섬유 단부로부터 조사되는 광을 집속 및 콜리메이팅 하기 위한 렌즈 유니트와, 상기 광통신을 위한 상기 광섬유의 단부를 X-Y, Z, 축으로 이동시켜 수신기에 정확하게 광을 송신할 수 있도록 하는 위치 조정수단을 구비한다.

광통신, 시준기, 조정, 열변형

Description

자유공간 광통신용 시준기{collimator for free space optical communication}

본 발명은 자유공간 광통시용 시준기에 관한 것으로, 더 상세하게는 환경적 진동, 온도의 변화로 인한 수축 및 팽창에 따른 광경로 위치를 보정하여 정확하게 수신기에 시준 할 수 있는 자유공간 광통신용 시준기에 관한 것이다.

일반적인 유선 광통신 시스템의 경우 광섬유를 사용하여 광신호를 전달하는데 반해서, 무선 광통신 시스템의 경우는 광섬유를 사용하지 않고 자유공간을 통해 광신호를 전달하게 된다. 따라서, 무선 광통신 시스템은 광섬유를 사용하지 않으므로 매설 등의 공사비가 절약되어 경제성 측면에서 매우 뛰어나며, 보다 용이하고 빠르게 초고속의 광 데이터 링크를 설치 할 수 있고 유지 보수비가 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 광섬유를 사용하지 않는 무선 광통신 시스템은 하나의 링크를 구성하는 두 송수신기에 대해서는 한쪽 송수신기의 레이저 빛이 맞은편 수신기로 어떠한 매체의 도움이나 인도 없이 직접 들어가야 한다. 따라서 송수신기의 방향, 송신기에서 나오는 빛의 퍼짐 정도, 그리고 수신기의 감도 등이 무선 광통신 시스템에 있어서 매우 중요한 요소로 작용한다.

이러한 주요 요소들에 대한 해결책으로서 기존에 사용되는 무선 광통신용 송신기 및 수신기의 경우 레이저 다이오드와 포토다이오드 또는 송신기와 수신기 렌즈가 기계적으로 구동되는 방식을 사용하며, 이를 통하여 송신기와 수신기의 광축을 정렬하고 빛의 퍼짐각과 수신기의 감도를 조절한다. 이와 같은 방식을 사용하는 이유는 다음의 네 가지로 요약된다.

무선 광통신 시스템에서는 송신기에서 나오는 빛이 어느 정도 퍼져야 하며, 그것은 시간에 따른 정렬상태의 변화와 공기 중에서 발생되는 레이저 빛의 세기 손실 등을 고려하여 결정되어야 한다.

무선 광통신에서 사용되는 퍼짐각은 매우 작을 뿐만 아니라(∼2mrad), 퍼짐 정도는 송신기 렌즈와 레이저 다이오드 사이의 거리에 따라 매우 민감하게 변화된다. 따라서, 무선 광통신 시스템의 적절한 퍼짐각을 결정하기 위해서는 짧은 거리에서 대략적으로 그 퍼짐각을 조절한 후, 실제 시스템을 설치하면서 상황에 따라 퍼짐각을 정밀하게 조절할 필요가 있다. 따라서, 송신기렌즈 혹은 레이저 다이오드의 위치를 정밀하게 이동시킬 수 있는 장치가 필요하다. 또한, 무선 광통신 시스템에서 높은 파워 버지트(Power budget)을 얻기 위해서는 최대한 높은 수신감도를 가질 필요가 있는데, 이를 위해서는 수신기 렌즈에 의해서 모아진 빛이 포토 다이오드의 활성영역에 최대한 많이 들어가도록 해야만 한다. 활성영역의 직경은 일반적으로 수십 마이크로미터 이내이므로, 포토 다이오드는 수신기 렌즈의 초점 부분에 정확하게 위치하는 것이 바람직하며, 따라서 최대의 수신감도를 위해서는 시스템을 설치하면서 포토 다이오드의 정확한 위치를 맞추는 것이 가장 이상적이다.

그리고 장거리 링크의 경우 송신기에서 나오는 레이저 빛이 환경요인에 의해서 시간에 따라 그 경로가 바뀌는 현상(Beam bending, wondering, scintillation 등)이 발생하므로 이를 보정하기 위해서는 레이저 빛의 경로변화를 감지하여 능동적으로 송신기를 정렬 (active tracking)할 필요가 있는데, 이 경우 레이저 다이오드의 위치를 변화시키던가, 아니면 송신기 자체를 기울이는 방법을 사용하게 된다. 따라서, 레이저 다이오드 혹은 송신기 자체에 대한 자동 정렬장치가 필수적이다. 특히, 만약 송신기와 수신기가 각각 정렬되지 않고 결합되는 송수신기 형태의 무선 광통신 모듈을 사용하는 경우 수신기가 송신기의 움직임에 따라서 같이 움직이면 송신기가 능동적으로 정렬하는 동안 수신기의 수신감도가 영향을 받게 되므로 파워 버지트(power budget) 에 문제가 발생할 수 있으며, 경우에 따라서는 능동정렬 자체에 문제가 생겨날 가능성도 있다.

이러한 점을 감안하여 대한민국 특허등록 제 0636056호에는 FSO 시스템의 성능 최적화 장치 및 방법이 개시되어 있으며, 특허등록 03224797호에는 파장분할 다중화 무선 광통신 시스템이 개시되어 있으며, 공개 특허 2004-0035708호에는 가변형 광학기기가 개시되어 있다.

한편, 한국특허출원 제2000-53129호에는, 가시광 영역에서 동작하는 레이저 또는 발광 다이오드를 이용하여 광학계 상호간의 정렬을 수행하는 기능을 가진 FSO 장치가 개시되어 있다. 이 광통신 장치는 기존의 광통신 시스템의 본체 상단에 가시광원을 갖는 광정렬 시스템을 부착한 것으로서 광송수신기의 정렬을 용이하게 할 수 있다는 효과를 갖는다. 그러나, 광학적 정렬이 잘 이루어졌어도, 기상상태가 악화되면 전송품질의 저하가 오므로, 전송품질이 저하될 경우, 광학적 정렬이 문제인지, 기상상태의 악화가 문제인지 정확히 판단할 수 없다는 문제가 발생한다. 특히 온도의 변화에 따른 광송신기의 수축과 팽창에 따른 위치변화로 인하여 광 수신기 측에 정확하게 광을 주사 할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주위 환경과 기상 상태에 따라 발생되는 지지대의 진동, 주위의 온도변화에 따른 팽창 및 수축에 따른 변화를 적합한 응답 속도로써 보상할 수 있으며, 수신기측으로 조사되는 광의 정열이 빠른 응답 속도로 가능하게 하는 자유공간 광통신용 시준기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자유공간 광통신용 시준기는

광의 전송을 위한 광원으로 이용되는 광섬유와, 이 광섬유 종단면으로부터 방출되는 광을 집속 및 콜리메이팅 하기 위한 렌즈 유니트와

상기 종단면을 가지는 광섬유의 단부를 X, Y, Z 축으로 이동시켜 수신기에 정확하게 광을 송신할 수 있도록 하는 위치 조정수단을 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 위치 조정수단은 베이스 부재와, 콜리메이터 렌즈로부터 초점거리 만큼 떨어져서 광을 방출하는 광섬유 종단면을 가지는 광섬유의 단부를 X, Y축으로 이동시키기 위한 X,Y 축 보이스코일 모터와, 상기 베이스 부재에 설치되어 상기 광섬유의 단부를 Z축 방향으로 이송시키기 위한 Z 축 보이스 코일 모터를 구비한다.

상기 위치조정수단는 제1구동부에 의해 X 축 방향으로 이동되는 베이스 테이블과, 상기 베이스 테이블에 제 2구동부에 의해 Y 방향으로 이동가능하게 설치되는 이송테이블과, 상기 이송테이블과 광통신용 시준모듈의 사이에 설치되어 시준모듈을 이송테이블에 대해 Z 축방향으로 이송시키는 제 3구동부로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 자유공간 광통신용 시준기는 수신기에 대해 주위의 진동과 온도에 의한 팽창 등의 변화량을 정밀하게 보상할 수 있으므로 광송수신에 따른 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명을 사용하는 자유공간 광통신용 시스템은 광신호를 자유공간을 통하여 전송하기 위한 광통신용 시준기을 가지는 제1통신단말기와, 상기 제1통신 단말기의 광통신용 시준모듈로부터 자유공간을 통해 전달된 광신호를 수신하기 위한 수신부를 가지는 제 2통신 단말기를 포함한다. 그리고 상기 제 1통신 단말의 광통신용 시준모듈은 광의 전송을 위한 광원으로 이용되는 광섬유와 이 광섬유로부터 조사되는 광을 집속 및 콜리메이팅 하기 위한 렌즈 유니트를 구비한다.

상기 광통신용 시준기는 도 1에 도시된 바와 같이 광의 전송을 위한 광원으로 이용되는 것으로 광이 통출되는 종단면(51)을 가지는 광섬유(50)와, 이 광섬유(50) 종단면(51)으로부터 방출되는 광을 집속 및 콜리메이팅 하기 위한 렌즈 유니트(100)와, 상기 종단면(51)을 가지는 광섬유의 단부를 X, Y, Z 축으로 이동시켜 수신기에 정확하게 광을 송신할 수 있도록 하는 위치 조정수단(60)을 구비한다.

상기 위치 조정수단(60)은 베이스 부재(61)와, 콜리메이터 렌즈로부터 초점거리 만큼 떨어져서 광을 방출하는 광섬유 종단면(51)을 가지는 광섬유(50)의 단부를 X, Y축으로 이동시키기 위한 X,Y 축 보이스코일 모터(62)(63)와, 상기 베이스 부재(61)에 설치되어 상기 광섬유(50)의 단부를 Z축 방향으로 이송시키기 위한 Z 축 보이스 코일 모터(66)를 구비한다.

상기 X축 보이스 코일 모터(62)는 제 1서포트 부재(64)에 설치된 관통 공(64a)에 수평방향으로 설치되는 자석(62a)(62b)들과 이와 대응되는 광섬유(100)의 의 외주면에 설치되는 코일(62c)(62d)를 구비한다. 그리고 상기 Y축 보이스 코일 모터(63)는 제 1서포트 부재(64)에 설치된 관통공(64a)에 수직방향으로 설치되는 자석(63a)(63b)들과 이와 대응되는 광섬유(100)의 외주면에 설치되는 코일(63c)(63d)을 구비한다. 여기에서 상기 광섬유(100)의 외주면에는 별도의 하우징이 설치될 수 있다.

그리고 상기 Z 축 보이스 코일 모터(66)는 상기 베이스 부재(61)에 고정된 제 2서포트 부재(65)에 설치된 관통공(65a)의 내주면에 설치되는 자석(66a)(66b)들과 이와 대응되는 광섬유(100)의 외주면에 설치되는 코일(66c)(66d)을 구비한다.

상술한 바와 같이 위치 조정수단은 종단면(51)을 가지는 광섬유(100)의 단부를 을 X, Y, Z 축으로 미동시킴으로써 수신기에 정확하게 광을 송신할 수 있도록 할 수 있다.

도 2에는 위치 조정수단의 다른 실시예를 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 위치조정수단(10)은 제1구동부(20)에 의해 X 축 방향으로 이동되는 베이스 테이블(12)과, 상기 베이스 테이블(12)에 제 2구동부(30)에 의해 Y 방향으로 이동 가능하게 설치되는 이송테이블(13)과, 상기 이송테이블(13)과 광통신용 시준모듈의 본체(11)의 사이에 설치되어 시준모듈을 이송테이블에 대해 Z 축방향으로 이송시키는 제 3구동부(40)을 포함한다.

상기 제 1,2,3,구동부(20)(30)(40)는 보이스 코일 모터로 이루어지는데, 이 에 한정되지 않코 리이어 모터, 모터와 볼스크류 등으로 이루어질 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 자유공간 광통신용 시준기는 제 1통신단말기로부터 자유공간 광통신용 시준기(10)(60)을 통하여 조사되는 빔 즉, 광신호를 수진기에 정확하게 송신하기 위한 제어가 가능하다. 특히 자유공간 광통신용 시준기가 주위 온도변화에 따른 수축, 팽창에 따른 송신 위치의 어긋남을 보정하는데 적합한 빠른 응답이 가능한 시준기이다. 자유공간 광통신용 시준기를 동작시킴에 있어서는 X,Y,Z 축보이스 코일 모터(62)(63)(64)를 선택적으로 구동시켜 X,Y,Z 축 방향으로 ㅁ 1mm 정도의 움직임과 0.1㎛ 정도의 정확도로 조정함으로써 가능하다. 외부 대기 온도 등의 변화로 인해 발생하는 콜리메이터 렌즈의 파면변화 등을 보이스 코일 모터를 이용하여 전자제어함으로써 수 킬로미터 떨어진 곳에서도 수신기에 정확하게 빔을 전달할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자유공간 광통신용 시준기를 나타내 보인 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 자유공간 광통신용 시준기의 다른 실시예를 나타내 보인 사시도.

Claims (2)

1. 광의 전송을 위한 광원으로 이용되는 광섬유와, 이 광섬유 종단면으로부터 방출되는 광을 집속 및 콜리메이팅 하기 위한 렌즈 유니트와

   상기 종단면을 가지는 광섬유의 단부를 X, Y, Z 축으로 이동시켜 수신기에 정확하게 광을 송신할 수 있도록 하는 위치 조정수단을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 자유공간 광통신용 시준기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 위치 조정수단은 베이스 부재와, 콜리메이터 렌즈로부터 초점거리 만큼 떨어져서 광을 방출하는 광섬유 종단면을 가지는 광섬유의 단부를 X, Y축으로 이동시키기 위한 X,Y 축 보이스코일 모터와, 상기 베이스 부재에 설치되어 상기 광섬유의 단부를 Z축 방향으로 이송시키기 위한 Z 축 보이스 코일 모터를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 자유공간 광통신용 시준기.

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