KR20110002647A - 광도파로를 이용한 양방향전송 광송수신 모듈 - Google Patents

광도파로를 이용한 양방향전송 광송수신 모듈 Download PDF

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KR20110002647A
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Abstract

본 발명은 양방향(bidirectional)전송 광송수신 모듈에 관한 것으로, 광송신부; 광수신부; 광학필터; 및 Y-분기형 광도파로;를 포함하며, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제1도파로 및 제2도파로가 서로 분기하는 분기점(junction)에 상기 광학필터가 위치하며, 입사광이 상기 제1도파로에 입력되어, 상기 제1도파로와 상기 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 상기 광학필터에 입사되는 상기 입사광의 입사 각도가 제어되며, 상기 광학필터에서 투과된 광은 상기 광수신부로 입력되고, 상기 광학필터에서 반사된 광은 상기 제2도파로에 의해 상기 광송신부로 입력되며, 상기 광송신부에서 출력된 송신광은 상기 제1도파로로 출력되는 양방향 광송수신 모듈을 제공한다.
광송수신 모듈, 파장 분할, 광학 필터, 광도파로, Y-분기, 양방향전송

Description

광도파로를 이용한 양방향전송 광송수신 모듈{Bi-Directional Transceiver Based on Y-Branch Waveguide}
본 발명은 양방향 광송수신 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 파장분할 다중전송 방식(WDM)과 같이 파장간 간격이 좁은 경우 광송수신에 적합한 양방향 광송수신 모듈에 관한 것이다.
21세기의 정보 사회에서 국가의 경쟁력 향상은 광통신인프라의 확충과 일반 대중에 의한 쉬운 접근 및 활용이 가능할 때 비로소 가능하다. 지금까지 광통신 기술의 발전은 통신네트워크 확정성과 수요변화 대처에 대한 서비스를 예비하는 능력을 폭넓게 수용할 수 있도록 변화하였고, 이러한 추세에 맞추어 광통신 시스템은 고속화, 파장다중화, 집적화되고 있으며, 다양한 분야에서의 기술발전이 요구되고 있다.
광가입자망의 기본 구조로 1995년에 결성된 FSAN에서 제시한 A-PON(ATM Passive Optical Network)을 이용한 FTTx가 가장 유망한 방법으로 도출되었고, 이것은 GE-PON(Gigabit Ethernet PON)으로 발전하여 현재 상용화되고 있다. 더불어 대량의 서비스와 궁극적인 서비스 형태인 WDM-PON(Wavelength Division Multiplexing PON), 종래에 설치되어 있는 A,B-PON의 종래파장을 벗어나는 대역의 파장을 요구하는 CATV, wibro(Wireless Broadband Internet) 등에서 점차적으로 파장 간격이 좁은 파장 설정을 필요로 하고 있다.
광의 송신과 수신에 있어, 종래에는 광송신부와 광수신부가 독립된 형태로 구성되어, 광송신부와 광수신부가 광파이버 융착 방식으로 결합된 형태였으나, 모듈의 소형화등의 어려움에 의해 미국등록특허 제5838859호와 같이 광송신부와 광수신부가 단일한 하우징에 구비되는 양방향 광송수신 모듈의 형태가 제안된 바 있다.
도 1은 통상의 양방향 광송수신 모듈의 구조를 도시한 것으로, 종래의 양방향 광송수신 모듈은 하나의 하우징에 광송신부(10)와 광수신부(20)가 구비되며, 광파이버(40)로부터 전달된 광신호는 송신신호는 투과하고 수신신호는 반사하는 45도 경사를 갖는 광학 필터(30)에 의해 송/수신 파장이 분리되어 송신 파장은 광송신부(10)에서 광파이버로 입사하게 되고, 광학필터에서 반사된 수신파장만이 광수신부(20)로 입사하게 된다.
그러나, 송/수신 밴드간의 간격이 10nm 정도로 좁은 WDM-PON의 C, L 밴드나 CWDM(Coarse wavelength division multiplexing) 파장 간격을 이용하는 양방향 송수신기인 경우 도 2와 같이 45도 경사를 갖는 광학 필터로 송신파장과 수신파장을 분리하는 경우, 도 3과 같이 s-편광(s-polarization)과 p-편광(p-polarization)의 반사 특성 차이가 단일한 밴드 내에서 크게 발생하게 되어 두 밴드를 효과적으로 분리할 수 없는 한계가 있다.
이를 해결하기 위해, 대한민국 공개특허 제 2006-0125052호에는 광학 필터의 경사각을 조절하여 편광에 따른 반사특성 차를 감소시키고자 하였으며, 미국 등록특허 제 7039278호에는 다수의 웨지(wedge)와 페러데이 선광자(Faraday rotator)를 사용하여 송신파장과 수신파장의 진행방향을 파장별로 제어하고자 하였다.
본 발명의 목적은 10nm 수준의 좁은 밴드의 경우에도 효과적으로 송신파장과 수신파장을 분할하며, 송수신 확장이 용이하고, 파장 분할시의 광손실을 최소화하며, 그 구조가 간단하고, 단일한 하우징에 일체형으로 구비되어 제작공정이 단순하고 제조비용이 낮으며, 균일한 특성 및 높은 신뢰성을 갖는 양방향 광송수신 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 양방향(bidirectional)전송 광송수신 모듈은 광을 송신하는 광송신부; 광을 수신하는 광수신부; 광을 입력받아 특정 대역 파장의 광을 투과시키는 광학필터; 및 Y-분기형 광도파로;를 포함하며, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기점(junction)에 상기 광학필터가 위치하고, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 광도파로의 분기각도를 제어하여 광학필터에 입사되는 입사광의 입사각도를 제어하는 특징이 있으며, 상기 광학필터에서 투과된 파장의 광이 상기 광송신부 또는 광수신부로 입력되며, 상기 광학필터에서 반사된 파장의 광이 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 한 광도파로로 도파되어 상기 광송신부 또는 광수신부로 입력되는 특징이 있다.
이때, 상기 광학필터에서 투과된 파장의 광이 광송신부(광수신부)로 입력되는 경우, 상기 광학필터에서 반사된 광은 광수신부(광송신부)로 입력되는 것이 바 람직하다.
상세하게, 본 발명에 따른 양방향(bidirectional)전송 광송수신 모듈의 제 1형태는 광송신부; 광수신부; 광학필터; 및 Y-분기형 광도파로;를 포함하여 구성되며, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제1도파로 및 제2도파로가 서로 분기하는 분기점(junction)에 상기 광학필터가 위치하며, 입사광이 상기 제1도파로에 입력되어, 상기 제1도파로와 상기 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 상기 광학필터에 입사되는 상기 입사광의 입사 각도가 제어되며, 상기 광학필터에서 투과된 광은 상기 광수신부로 입력되고, 상기 광학필터에서 반사된 광은 상기 제2도파로에 의해 상기 광송신부로 입력되며, 상기 광송신부에서 출력된 송신광은 상기 제1도파로로 출력되는 것을 특징이 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 양방향(bidirectional)전송 광송수신 모듈의 제 2형태는 상기 제1형태에서 자유롭게 광수신부의 수가 확장되는 구조로, 단일한 광송신부; 둘 이상의 광수신부; 상기 광수신부의 수와 대응되는 둘 이상의 Y-분기형 광도파로; 및 적어도 상기 광수신부의 수와 대응되며 서로 다른 파장의 광을 투과시키는 둘 이상의 광학필터;를 포함하여 구성되며, 상기 Y 분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로중 한 광도파로가 다른 Y 분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로중 한 광도파로와 연결되어 둘 이상의 상기 Y-분기형 광도파로가 서로 연결되며, 둘 이상의 상기 Y-분기형 광도파로 각 분기점에 광학 필터가 위치하며, 각 광학 필터에서 투과된 광은 단일한 광수신부로 입력되고, 둘 이상의 광학 필터에서 모두 반사된 광은 상기 광송신부로 입력되는 특징이 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 양방향(bidirectional)전송 광송수신 모듈의 제 2형태의 바람직한 형태는 제1 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제1도파로 및 제2도파로가 서로 분기하는 분기점(junction), 제2 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제3도파로 및 제4도파로가 서로 분기하는 분기점(junction) 각각에 광학필터가 위치하고, 상기 제2도파로와 상기 제3도파로가 연결되며, 상기 입사광이 상기 제1도파로에 입력되어, 상기 제1 Y-분기형 광도파로의 분기점에 위치한 제1 광학필터에 입사되는 상기 입사광의 입사 각도가 상기 제1도파로와 상기 제1 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 제어되며, 상기 제1 광학필터에서 투과된 광은 제1 광수신부로 입력되고, 상기 제1 광학필터에서 반사된 광은 상기 제2 도파로에 의해 상기 제3도파로로 입력되어, 상기 제2 Y-분기형 광도파로의 분기점에 위치한 제2 광학필터에 입사되는 상기 반사된 광의 입사 각도가 상기 제3도파로와 상기 제2 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 제어되며, 상기 제2 광학필터에서 투과된 광은 제2 광수신부로 입력되고, 상기 제2 Y-분기형 광도파로에 위치한 제2 광학필터에서 재반사된 광은 상기 제4도파로에 의해 상기 광송신부로 입력되며, 상기 광송신부에서 출력된 송신광은 상기 제1도파로로 출력되는 특징이 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 양방향(bidirectional)전송 광송수신 모듈의 제 3형태는 광송신부; 광수신부; 광학필터; 및 Y-분기형 광도파로;를 포함하여 구성되며, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제1도파로 및 제2도파로가 서로 분기하는 분기점(junction)에 상기 광학필터가 위치하며, 입사광이 상기 제1도파로에 입력되어, 상기 제1도파로와 상기 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 상기 광학필터에 입사되는 상기 입사광의 입사 각도가 제어되며, 상기 광학필터에서 반사된 광은 상기 제2도파로에 의해 상기 광수신부로 입력되며, 상기 광학필터에서 투과된 광은 상기 광송신부로 입력되고, 상기 광송신부에서 출력된 송신광은 상기 광학필터로 입력 및 투과되어 상기 제1도파로로 출력되는 특징이 있다.
이하, 상술한 본 발명의 제 1형태, 제 2형태 또는 제 3형태의 양방향전송 광송수신 모듈에서, 바람직한 상기 Y-분기형 광도파로의 형상에 대해 상술한다.
상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 한 광도파로에 입사광이 입력되며, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기점에서 상기 입사광이 입력되는 분기된 광도파로의 중심선과 상기 광학필터의 수직축과의 각도가 5˚ 내지 12˚인 특징이 있으며, 이에 의해 특정 파장을 투과시키는 상기 광학필터의 편광에 따른 반사특성 차이를 효과적으로 억제할 수 있다.
유사하게, 본 발명의 제 2형태에서, 입사광을 입력받아 제1 Y-분기형 광도파로의 분기점에 위치한 광학필터에서 반사된 반사광을 입력받는 제2 Y-분기형 광도파로의 일 분기된 광도파로는, 상기 반사광이 입력되는 Y-분기형 광도파로의 일 분기된 광도파로의 중심선과 상기 광학필터의 수직축과의 각도가 5˚ 내지 12˚인 특징이 있다.
상기 Y-분기형 광도파로의 상기 분기점에 위치한 상기 광학필터의 수직축을 기준으로 상기 광학필터의 수직축과 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로 사이의 각도는 각각 5˚ 내지 12˚인 특징이 있으며, 이에 따라, 수십 나노에서 수 나노의 좁은 파장 간격의 송신파장과 수신파장이 효과적으로 분리될 수 있다.
이때, 상기 Y-분기형 광도파로는 상기 분기점에 위치한 상기 광학필터의 수직축을 기준으로 대칭으로 분기되어 있는 것이 바람직하다.
상기 광학필터에서 반사손실을 억제하고, 상기 Y 분기형 광도파로와 상기 광학필터의 결합시 위치 공차를 늘이기 위해, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로는 각각 단일모드 영역 및 다중모드 영역으로 구성되어 상기 다중모드 영역에 상기 분기점이 형성된 것이 바람직하다.
보다 상세하게, 상기 Y-분기형 광도파로는 분기된 두 광도파로 각각의 중심을 기준으로 0.4˚ 내지 0.8˚로 점점 넓어지는 테이퍼링(tapering)영역을 가지며, 상기 테이퍼링 영역에 분기점이 형성된 것이 바람직하다.
상기 Y-분기형 광도파로는 실리카 광 도파로 또는 폴리머 광 도파로인 특징을 갖는다.
이하, 본 발명의 제 1형태, 제 2형태 또는 제 3형태의 양방향전송 광송수신 모듈에서, 바람직한 모듈의 구성에 대해 상술한다.
상기 광송신부는 티오-캔(TO-CAN) 패키지(package)된 레이저 다이오드를 포함하여 구성되며, 상기 광수신부는 티오-캔(TO-CAN) 패키지(package)된 포토 다이오드를 포함하여 구성된 것이 바람직하며, 상기 양방향전송 광송수신 모듈은 단일한 하우징에 일체형으로 구비되는 특징이 있다.
본 발명의 양방향전송 광송수신 모듈에서 외부광(외부 광섬유에서 도파되는 광)이 입력되는 Y-분기형 광도파로의 분기된 광도파로의 일단과 외부 광섬유(optical fiber)가 연결된 것이 바람직하다.
상술한 Y-분기형 광도파로, 상기 티오-캔형의 광송신부, 상기 티오-캔형의 광수신부 및 일체형 하우징 구조로 본발명의 양방향 광송수신 모듈이 구성됨에 따라, 모듈의 제조가 용이하고, 저비용으로 빠른 시간에 대량 생산이 가능하며, 높은 수율을 갖는 장점이 있다.
본 발명의 제 1형태, 제 2형태 또는 제 3형태의 양방향전송 광송수신 모듈에서, 상기 Y-분기형 광도파로는 상기 광학필터에서 투과된 투과광이 수직 또는 수평으로 진행되도록 스넬의 법칙에 따라 틸트(tilt)되어 위치한 특징을 갖는다.
상세하게는 상기 Y-분기형 광도파로의 분기점에 위치한 광학필터로 입사되는 광의 입사각이 상술한 Y-분기형 도파로에 의해 5˚ 내지 12˚의 각도로 입사되는 것이 바람직하므로, 통상의 광도파로의 굴절률과 자유공간의 굴절률의 차이를 감안한 상기 틸트 각도는 8˚ 내지 15˚인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈은 파장간 간격이 10nm 정도로 좁은 광송수신 모듈에서 가장 큰 난제가 되었던 파장분할 광학 필터의 입사각의 제어를 Y-분기형 광도파로를 이용하여 손쉽고 간단하게 해결하였다.
본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈은 광도파로에 의해, 광학 필터에 입사광이 5도 내지 12도로 입사되어, 파장 분리시 편광특성에 따른 영향을 억제할 수 있으며, 분리되는 파장간 간격이 좁은 경우에도 효과적/효율적으로 파장 분할되는 장점이 있다.
본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈은 파장 분할 다중 방식에 사용되는 광송신기와 광수신기를 단일한 하우징 내에 양방향 광송수신 모듈로 제작 가능하므로, 파장 분할 다중 방식의 구성의 소형화, 단순화가 가능하여 전체 시스템의 가격을 크게 낮추는 효과가 있다.
본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈은 티오-캔형 광송신기, 티오-캔형 광수신기 및 Y-분기형 광도파로의 필수구성요소로 구성되어, 고가의 광학 부품을 사용하지 않으며, 고도의 광 정렬을 수행하지 않고 모듈의 제조가 가능하여, 제조가 간단하고, 저비용이며, 단시간에 대량 생산 가능하고, 생산된 모듈의 수율이 높은 장점이 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 양방향전송 광송수신 모듈을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈의 일 예를 도시한 것이다. 도 4(a) 내지 도 4(d)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 양방향전송 광송수신 모듈은 파장을 분할하는 역할 즉, 특정 대역의 파장은 투과시키고, 이외의 파장은 반사시키는 역할을 하는 광학 필터(420, 421, 422) 자체가 특정한 각도를 갖도록 제어되지 않고, 상기 광학 필터(420, 421, 422)에 입사되는 광(입사광)의 입사각도가 광도파로, 특히, Y-분기형 광도파로(410)에 의해 제어되는 특징이 있다.
도 4(a)의 일 실시예를 기반으로 본 발명을 상술한다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 분기된 광도파로(411, 412)중 일 광도파로(411)의 끝단이 외부광을 입력받는 입력단이 되며, 상기 분기된 한 광도파로(411)의 끝단은 외부광이 전송되는 외부 광섬유(A)와 V 그루브(V-groove, 431)를 포함한 광섬유지지체(V-groove, 430)를 이용하여 연결된다.
상기 분기된 한 광도파로(411)로 입력된 입사광(λi)은 광도파로에 의해 광학필터(420)로 입사되게 되는데, 이때, 광학필터(420)에 입사되는 입사광(λi)의 입사각도는 상기 분기된 한 광도파로(411)와 상기 광학필터(420)가 이루는 각도에 의해 결정된다.
이때, 상기 광학 필터(420)는 Y-분기형 광도파로(410)의 분기된 두 광도파로(411, 412)가 분기되는 점인 분기점(도 4의 J)에 위치(부착)하는 특징이 있다.
보다 상세하게는 상기 분기점(J)에 위치한 광학필터(420)의 수직축과 상기 광학필터와 인접한 영역에서의 분기된 광도파로(입사광이 입사되는 분기 광도파로, 411)의 중심선이 이루는 각도에 의해, 상기 광학필터(420)에 입사광(λi)이 입사되 는 각도가 제어되며, 상기 광학필터(420)의 수직축과 상기 분기된 광도파로(411)의 중심선의 각도가 입사광(λi)의 입사각이 된다.
따라서, 별도의 광학 부품을 이용한 광의 정렬 및 제어를 하지 않고도 광학필터(420)에 입사되는 입사광(λi)의 입사각을 손쉽게 제어가능하고, 상기 입사각의 각도를 조절하여 분리되어야 하는 파장간 간격이 좁은 경우에도 효과적으로 파장 분할을 수행할 수 있는 장점이 있다.
상기 입사광(λi)은 상기 광수신부(440)의 수신파장 및 상기 광송신부(450)의 송신파장을 포함할 수 있으며, 상기 수신파장 및 송신파장 이외의 파장을 더 포함할 수 있다.
상기 외부 광섬유(A)를 통해 상기 Y-분기형 도파로(410)에 입사되는 입사광(λi)은 분기된 한 광도파로(411)를 따라 도파하여 특정 입사각으로 상기 광학필터(420)에 입사되어, 상기 광학필터(420)의 특성에 따라 특정 파장(특정 파장 대역, λt)은 투과되고, 이외의 파장(이외의 파장 대역)은 반사(λr)되게 된다.
도 4(a)와 같이 상기 광학필터(420)에서 투과된 파장의 광(λt)이 수신파장일 경우, 상기 광학필터(420)에서 투과된 파장의 광(λt)을 입력 받을 수 있도록 광수신부(440)가 위치하게 된다. 상기 광학필터(420)에서 반사된 파장의 광(λr)은 상기 Y-분기형 도파로(410)의 분기된 다른 한 광도파로(412)로 도파되어 광송신부(450)로 입력된다. 또한, 상기 광송신부(450)에서 출력된 송신파장은 상기 Y-분 기형 도파로(410)의 분기된 다른 한 광도파로(412)로 입력 및 도파되고, 상기 광학필터(420)에 의해 재 반사되어 입사광이 입력되는 분기된 한 광도파로(411)의 입력단으로 출력되게 된다. 도 4(a) 내지 도4(d)의 화살표는 Y-분기형 광도파로(410)의 세 단(분기점, 분기된 한 광도파로의 끝단, 분기된 다른 한 광도파로의 끝단)에서 광의 입출력 방향을 도시한 것이다.
도 4(b)는 도 4(a)와 유사한 구조를 가지나, 상기 광학필터(421)에서 투과된 파장의 광(λt)이 송신파장일 경우, 본 발명에 따른 양방향 광송수신 모듈을 도시한 것이다. 이때, 상기 광학필터(421)에서 투과된 파장의 광(λt)을 입력 받을 수 있도록 광송신부(450)가 위치하게 되며, 상기 광학필터(421)에서 반사된 파장의 광(λr)이 도파되는 분기된 다른 한 광도파로(412)에 의해 상기 반사된 파장의 광(λr)은 광수신부(440)로 입력된다. 이때, 상기 광송신부(450)에서 출력된 송신파장은 상기 광학필터(421)를 투과하여 입사광이 입력되는 분기된 한 광도파로(411)로 도파하여 출되게 된다.
상술한 본 발명의 양방향 입출력 광송수신 모듈은 하나 이상의 광수신부 및 하나 이상의 광송신부를 갖도록 그 구조가 확장될 수 있다.
도 4(c)는 단일한 광송신부(450) 및 두 개의 광수신부(440, 440')를 포함하여 구성된 본 발명의 양방향 입출력 광송수신 모듈의 일 예이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 모듈에 구비된 Y-분기형 광도파로는, Y-분기형 광도파로의 분기점에 광학필터가 구비되고, 특정 파장(특정 파장 대역)을 분리하여 투과하는 광학필터에 입사되는 광의 입사각을 제어하는 역할(분기된 한 광도파로의 역할), 광학필터에서 투과되지 않고 반사되는 광을 입력받아 도파시키는 역할(분기된 다른 한 광도파로의 역할)을 하므로, 도 4(c)와 같이 두 광수신부(440, 440') 각각의 수신파장(대역)을 투과시키는 두 광학필터(420, 422) 각각이 Y-분기형 광도파로 분기점에 위치하는 것이 바람직하다.
이에 따라 도 4(c)에 도시한 바와 같이 광도파로(410')는 두 개의 Y-분기형 광도파로의 각 분기된 광도파로가 서로 연결된 구조를 갖는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는 두 Y-분기형 광도파로중 제1 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로를 제1광도파(411)로 및 제2광도파로(412)로, 제2 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로를 제3광도파로(413) 및 제4광도파로(414)로 통칭할 때, 외부 광이 입력되는 제1광도파로(411)와 제2광도파로(412)가 분기되는 분기점(J)에 제1광학필터(420)가 위치하고, 상기 제3광도파로(413)와 제4광도파로(414)가 분기되는 분기점(J')에 제2광학필터(422)가 위치한다.
도 4(a) 내지 도4(b)와 유사하게, 상기 제1광학필터(420)에 입사되는 입사광의 입사각은 상기 분기점(J) 인접역역의 제1광도파로(411)의 중심선과 상기 제1광학필터(420)의 수직축이 이루는 각도에 의해 제어되며, 상기 제1광학필터(420)에서 반사되는 파장(대역)의 광은 상기 제2도파로(412)를 따라 도파되고, 상기 제3도파로(413)는 상기 제2도파로(412)와 결합 연결되어, 상기 제2도파로(412)에 의해 도파되는 반사광(제1광학필터에 의해 반사된 파장(대역)의 광)에 상기 제3도파로(413)로 도파되도록 한다. 이때, 상기 제1광학필터(420)에서 투과된 파장의 광은 일 광수신부(440)에 입력된다.
상기 제3도파로(413)에 도파된 상기 반사광은 상기 분기점(J')에 위치한 제2광학필터(422)에 입력되는데, 상기 제2광학필터(422)에 입사되는 반사광의 입사각은 상기 분기점(J') 인접역역의 제3광도파로(413)의 중심선과 상기 제2광학필터(422)의 수직축이 이루는 각도에 의해 제어되며, 상기 제2광학필터(422)에서 다시 반사되는 파장(대역)의 광은 상기 제4도파로(414)를 따라 도파되어 광수신부(450)에 입력되고, 상기 제2광학필터(422)에서 투과된 파장(대역)의 광은 타 광수신부(440')에 입력된다.
상기 광송신부(450)에서 출력된 송신파장은 상기 제4도파로(414)에의 도파, 상기 제2광학필터(422)에서의 반사, 상기 제3도파로(413) 및 상기 제2도파로(412)에의 도파, 상기 제1광학필터(420)에서의 반사, 및 상기 제1도파로(411)에의 도파를 거쳐 외부 광이 입력되는 제1도파로(411)의 일단으로 출력된다.
도 4(d)는 도 4(c)의 일 변형 실시예로, 양방향전송 광송수신모듈의 소형화를 위한 일 예이며, 기본 구성 및 특징은 도 4(c)와 유사하며, 광도파로(410')의 두 Y-분기형 광도파로가 가능한 인접하여 서로 결합한 구조를 도시한 것이며, 도 4(d)는 분기점에 위치한 각 광학필터(420, 422)에서 모두 반사된 파장(대역)의 광이 제4도파로(414)를 따라 도파되어 광송신부(450)로 입력되는 경우, 상기 제4도파로(414)의 끝단에 상기 광송신부(450)의 송신파장을 투과하는 광학필터(423)가 구비된 경우이다.
비록 도 4(a) 내지 도4(c)의 일 예에서 광송신부(450) 또는 광수신부(440)에 광을 전달하는 Y-분기형 광도파로의 분기된 한 광도파로(414, 142)의 끝단에 광학필터를 도시하지 않았으나, 도 4(d)와 같이 광송신부(450) 또는 광수신부(440)의 해당 송신파장 또는 수신파장의 광을 선택적으로 투과하는 광학필터가 더 구비될 수 있음은 물론이다.
이때, 외부광을 이루는 파장 중, 상기 분기점들에 위치한 광학필터(420,422) 및 상기 분기된 한 광도파로(414, 142)의 끝단에 위치한 광학필터에서 모두 반사된 파장(대역)의 광은 외부광의 입력측으로 다시 출력됨은 물론이다.
도 5를 기반으로 본 발명의 양방향전송 광송수신모듈에 구비되는 광도파로를 상술한다. 도 5에서 광학필터(F)는 도 4(a) 내지 도 4(d)의 기호 420, 421 또는 422의 광학필터이며, 도 5의 Branched Waveguide(1)은 상기 광학필터(F)에 광을 입사하는 광도파로로 도 4(a) 내지 도 4(d)의 기호 411 또는 413의 분기된 한 광도파로이며, 도 5의 Branched Waveguide(2)는 상기 광학필터(F)에서 반사되는 광이 도파되는 광도파로로 도 4(a) 내지 도 4(d)의 기호 412 또는 414의 분기된 한 광도파로이다.
도 5에 도시된 바와 같이 입사광(외부광 또는 광학필터에서 반사된 광)은 분기된 한 광도파로(Branched Waveguide(1))를 따라 도파되어 상기 광학필터(F)에 입사되는데, 상기 광학필터(F)의 수직축(VL)과 상기 분기점(J)에 접한 광도파로(Branched Waveguide(1), Branched Waveguide(2))의 중심선(CL1, CL2)이 이루는 각도(분기각도, θ1, θ1')가 5˚ 내지 12˚인 것이 바람직하다. 이때, 상기 Y-분기 형 광도파로의 분기된 두 광도파로(Branched Waveguide(1), Branched Waveguide(2))는 서로 독립적으로 분기 각도(θ1, θ1')를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 분기된 두 광도파로의 분기각도(θ1, θ1')가 각각 5˚ 내지 12˚로 제어되어, 상기 입사광은 상기 광학필터(F)에 5˚ 내지 12˚의 각도로 입사하게 되며, 도 4(a), 도 4(c) 및 도 4(d)의 일 예에서 상기 광송신부에서 출력된 송신파장의 광 또한 상기 광학필터(F)에 5˚ 내지 12˚의 각도로 입사하게 된다. 이에 의해, 현재 10nm 수준(gap)을 분리해야 하는 양방향전송 광송수신 모듈에서, 기술적 난제가 되고 있는 광학 필터의 입사각을 쉽고 용이하게 제어 가능하며, 5˚ 내지 12˚의 분기각도(=광의 입사각도)를 갖도록 하여 10nm 수준(gap)의 파장을 효과적으로 분리할 수 있다.
상세하게는 Y-분기형 광도파로를 이용하여 입사광이 5˚ 내지 12˚의 각도로 광학필터(F)에 입사시켜 도 6에 도시한 바와 같이 S-편광과 P편광의 반사 특성차이를 억제하여 서로 인접한 두 밴드를 효과적으로 분리한다.
또한 상기의 분기각도(=광의 입사각도)는 반사되는 파장의 손실 및 광이 입사되는 쪽으로 반사되는 광(back reflection)을 줄여 광손실을 억제할 수 있는 적화된 각도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 Y-분기형 광도파로는 상기 분기점(J)에 위치한 상기 광학필터(F)의 수직축(VL)을 기준으로 대칭으로 분기되어 있는 것이 바람직하다.
도 5에 도시된 바와 같이 Y-분기형 도파로의 두 분기 도파로(Branched Waveguide(1), Branched Waveguide(2))는 단일모드 영역 및 다중모드 영역으로 구성되며, 상기 다중모드 영역에 분기점이 형성되는 특징을 갖는다. 이는 파장을 분할하는 광학필터(F)가 광도파로가 분기되는 위치(분기점)에 결합해야 반사손실을 낮출 수 있는데, 분기된 광 도파로 각각에 다중모드 영역을 형성시키고, 상기 다중모드 영역에서 두 분기 광도파로가 결합함으로써, 광학 필터의 위치 공차를 늘이는 효과를 얻기 위함이다.
상세하게는 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로의 상기 다중모드 영역은 광도파로를 점점 넓히는 테이퍼링(tapering)에 의해 형성되며, 테이퍼링 각도(θ2, θ2')가 0.4˚ 내지 0.8˚인 것이 바람직하다. 이때, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로는 서로 독립적으로 테이퍼링 각도(θ2, θ2')를 가질 수 있다.
상술한 Y-분기형 광도파로는 실리카 도파로 또는 폴리머 도파로인 것이 바람직하다. 상세하게 상기 실리카 광도파로는 SOI(silicon on insulator) 기반 실리카 광도파로를 포함하며, 실리콘 코어 및 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 공기(air) 클래드로 구성될 수 있으며, 상기 폴리머 광도파로는 폴리머 코어 및 상기 콜리머 코어보다 높은 굴절률을 갖는 폴리머 클래드로 구성될 수 있으며, 상기 폴리머 광도파로의 폴리머 물질은 저손실 광학 폴리머를 포함한다. 상기 저손실 광학 폴리머는 일반적인 폴리머에 불소등의 할로겐 원소 또는 중수소를 포함하며, 열 또 는 자외선 경화 가능한 관능기를 포함하는 것이 바람직하다. 일 예로, 수소가 불소로 치환된 UV 경화 가능한 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머, 불소계 폴리이미드, 불소 치환 폴리아크릴레이트, 불소 치환 메타아크릴레이트, 폴리실록산, 불소계 폴리아릴렌 에테르, 퍼풀루오르 시크로부탄 계열 폴리머 등을 사용할 수 있으며, 또한 대한민국 등록 특허 10-0350412, 10-0536439, 10-0511100 또는 미국 특허 US6,946,534 B2, US7,202,324에 제시된 폴리머를 사용하여 구현할 수 있다.
바람직하게 상기 광송신부(450)는 티오-캔(TO-CAN) 패키지(package)된 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 광수신부(440)는 티오-캔(TO-CAN) 패키지(package)된 포토 다이오드를 포함한다. 상세하게 상기 광송신부(450)는 티오-캔 패키지된 FP LD(Fabry Perot Laser Diode), DFB LD(Distributed FeedBack Laser Diode), VCSEL(Vatical Cavity Surface Emitting Laser) 일 수 있으며, 상세하게 상기 광송신부(450)는 티오-캔 패키지된 PD(Photo Diode), APD(Avalanche Photo Diode)일 수 있다.
본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈은 단일한 하우징에 일체형으로 구비된 특징을 갖는다.
이때, 도 4(a) 내지 도 4(d)에 도시한 바와 같이, 상기 광학필터(F)를 투과한 파장(대역)의 광은 광송신부(450) 또는 광수신부(440)에 입력되는데, 이때, 상기 투과된 광이 광수신부(440)에 입력되는 입력효율을 높이고, 상기 광송신부(450)에서 출력된 송신파장이 상기 광학필터(F)로 입력되는 입력효율을 높이기 위해, 상기 Y-분기형 광도파로는 상기 광학필터에서 투과된 투과광이 수직 또는 수평으로 진행되도록 스넬의 법칙에 따라 틸트(tilt)되어 위치한 것이 바람직하다.
상세하게는 상기 입사광이 특정 각도로 입사하는 경우, 상기 광학필터를 투과한 광은 도파로의 굴절률, 자유공간(공기)의 굴절률의 차이에 의한 스넬의 법칙에 따라 특정 각도(θ3)로 굴절되어 자유공간을 진행한다. 통상의 실리카 광도파로 또는 폴리머 광도파로의 굴절률을 고려하고, 상술한 5˚ 내지 12˚의 입사각을 고려할 때, 상기 각도(θ3)는 8˚ 내지 15˚이다.
이에 따라 상기 자유공간을 진행하는 투과광(광학 필터를 투과한 광)이 송수신모듈 외부의 거시적 수평 또는 수직 방향으로 진행하기 위해 상기 광도파로가 틸트되는 틸트 각도는 8˚ 내지 15˚인 것이 바람직하다. 이때, 투과광을 입력받는 광송신부(450) 또는 광수신부(440)는 송수신모듈 외부의 거시적 수평 또는 수직 방향에 위치하게 된다.
도 7은 티오-캔형 광송신부(450) 및 티오-캔형 광수신부(440)로 구성된 본 발명의 양방향전송 광송수신 모듈이 단일한 하우징에 일체형으로 구비된 일 예를 도시한 것이다.
도 7(a)는 광학필터(421)에서 투과된 파장의 광이 광수신부(440)로 입력되고, 광학필터(421)에서 반사된 광이 분기된 도파로(412)를 따라 도파되어 광송신부(450)로 출력되는 경우를 도시한 것으로, 광송신부(450) 및 광수신부(440)이 거시적으로 서로 수직이 되도록 구비되며, 상술한 바와 같이 광도파로(410)가 각도(θ3)로 틸트되어 상기 광학필터(421)에서 투과된 광이 수직 방향으로 진행되어 진 행방향의 직선 상에 위치한 광수신부(440)로 입력되게 된다.
또한, 상기 광학필터(421)에서 반사된 광은 분기된 광도파로(412)의 일 단에 위치한 광학필터(423)에서 광송신부(450)의 송신파장이외의 파장은 재반사되어 외부광이 입력된 입력부로 재 출력되게 되며, 광송신부(450)에서 출력된 파장의 광은 광학필터(423)를 투과하고 분기점에 위치한 광학필터(421)에서 반사되어 역시 외부광이 입력된 입력부로 출력된다.
이때, 광도파로(410)를 스넬의 법칙을 만족하는 각도(θ3)로 틸트하여 광학필터(421)를 투과한 광이 수직 진행하는 것과 마찬가지로, 상기 광학필터(423)의 수직축과 상기 분기된 광도파로(412)가 이루는 각도(θ4, 반사광이 도파로 외부로 출력되기 위해 광학필터(412)에 입력되는 각도임)를 제어하여, 상기 광학필터(423)에서 투과된 광이 모듈 외부의 거시적인 수평방향으로 진행하도록 하는 것이 바람직하다.
도 7(b)는 도 4(d)의 일 실시예와 유사한 양방향전송 광송수신 모듈이 단일한 하우징에 일체형으로 구비된 일 예를 도시한 것이다. 두 광수신부(440, 440')와 광송신부(450)가 서로 수직 관계를 이루는 것이 바람직하므로, 이 경우, 광도파로(410')는 틸트되지 않고 단일한 하우징내에 구비되는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래의 양방향전송 광송수신 모듈의 일 예이며,
도 2는 종래의 양방향전송 광송수신 모듈의 파장 분할 방법을 도시한 예이며,
도 3은 종래의 양방향전송 광송수신 모듈의 파장 분할시 발생하는 편광영향을 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈의 일 실시예를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈에 구비되는 Y-분기형 광도파로를 도시한 것이며,
도 6은 본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈의 파장 분할 특성을 도시한 도면이며,
도 7은 본 발명에 따른 양방향전송 광송수신 모듈의 하우징을 도시한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
410, 410': 광도파로 411~414 : 분기된 광도파로
420~423 : 광학필터 450 : 광송신부
440, 440': 광수신부

Claims (13)

  1. 양방향(bidirectional)전송 광송수신 모듈로,
    광송신부; 광수신부; 광학필터; 및 Y-분기형 광도파로;를 포함하여 구성되며,
    상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제1도파로 및 제2도파로가 서로 분기하는 분기점(junction)에 상기 광학필터가 위치하며, 입사광이 상기 제1도파로에 입력되어, 상기 제1도파로와 상기 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 상기 광학필터에 입사되는 상기 입사광의 입사 각도가 제어되며,
    상기 광학필터에서 투과된 광은 상기 광수신부로 입력되고,
    상기 광학필터에서 반사된 광은 상기 제2도파로에 의해 상기 광송신부로 입력되며, 상기 광송신부에서 출력된 송신광은 상기 제1도파로로 출력되는 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 양방향전송 광송수신 모듈은 단일한 광송신부; 둘 이상의 광수신부; 상기 광수신부의 수와 대응되는 둘 이상의 Y-분기형 광도파로; 및 적어도 상기 광수신부의 수와 대응되며 서로 다른 파장의 광을 투과시키는 둘 이상의 광학필터;를 포함하여 구성되며,
    상기 Y 분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로중 한 광도파로가 다른 Y 분기 형 광도파로의 분기된 두 광도파로중 한 광도파로와 연결되어 둘 이상의 상기 Y-분기형 광도파로가 서로 연결되며,
    둘 이상의 상기 Y-분기형 광도파로 각 분기점에 광학 필터가 위치하며, 각 광학 필터에서 투과된 광은 단일한 광수신부로 입력되고,
    둘 이상의 광학 필터에서 모두 반사된 광은 상기 광송신부로 입력되는 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 양방향전송 광송수신 모듈은
    제1 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제1도파로 및 제2도파로가 서로 분기하는 분기점(junction), 제2 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제3도파로 및 제4도파로가 서로 분기하는 분기점(junction) 각각에 광학필터가 위치하고,
    상기 제2도파로와 상기 제3도파로가 연결되며,
    상기 입사광이 상기 제1도파로에 입력되어, 상기 제1 Y-분기형 광도파로의 분기점에 위치한 제1 광학필터에 입사되는 상기 입사광의 입사 각도가 상기 제1도파로와 상기 제1 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 제어되며,
    상기 제1 광학필터에서 투과된 광은 제1 광수신부로 입력되고,
    상기 제1 광학필터에서 반사된 광은 상기 제2 도파로에 의해 상기 제3도파로로 입력되어, 상기 제2 Y-분기형 광도파로의 분기점에 위치한 제2 광학필터에 입사 되는 상기 반사된 광의 입사 각도가 상기 제3도파로와 상기 제2 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 제어되며,
    상기 제2 광학필터에서 투과된 광은 제2 광수신부로 입력되고,
    상기 제2 Y-분기형 광도파로에 위치한 제2 광학필터에서 재반사된 광은 상기 제4도파로에 의해 상기 광송신부로 입력되며, 상기 광송신부에서 출력된 송신광은 상기 제1도파로로 출력되는 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  4. 양방향(bidirectional)전송 광송수신 모듈로,
    광송신부; 광수신부; 광학필터; 및 Y-분기형 광도파로;를 포함하여 구성되며,
    상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로인 제1도파로 및 제2도파로가 서로 분기하는 분기점(junction)에 상기 광학필터가 위치하며, 입사광이 상기 제1도파로에 입력되어, 상기 제1도파로와 상기 광학필터의 수직축이 이루는 각도에 의해 상기 광학필터에 입사되는 상기 입사광의 입사 각도가 제어되며,
    상기 광학필터에서 반사된 광은 상기 제2도파로에 의해 상기 광수신부로 입력되며,
    상기 광학필터에서 투과된 광은 상기 광송신부로 입력되고, 상기 광송신부에서 출력된 송신광은 상기 광학필터로 입력 및 투과되어 상기 제1도파로로 출력되는 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  5. 제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 한 광도파로에 입사광이 입력되며, 상기 Y-분기형 광도파로의 분기점에서 상기 입사광이 입력되는 분기된 광도파로의 중심선과 상기 광학필터의 수직축과의 각도가 5˚ 내지 12˚ 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  6. 제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 Y-분기형 광도파로의 상기 분기점에 위치한 상기 광학필터의 수직축을 기준으로 상기 광학필터의 수직축과 상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로 사이의 각도는 각각 5˚ 내지 12˚인 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 Y-분기형 광도파로는 상기 분기점에 위치한 상기 광학필터의 수직축을 기준으로 대칭으로 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 Y-분기형 광도파로의 분기된 두 광도파로는 각각 단일모드 영역 및 다중모드 영역으로 구성되어 상기 다중모드 영역에 분기점이 형성된 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 Y-분기형 광도파로는 분기된 두 광도파로는 각각 0.4˚ 내지 0.8˚각도로 점점 넓어지는 테이퍼링(tapering)영역을 가지며, 상기 테이퍼링 영역에 분기점이 형성된 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  10. 제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 광송신부는 티오-캔(TO-CAN) 패키지(package)된 레이저 다이오드를 포함하여 구성되며, 상기 광수신부는 티오-캔(TO-CAN) 패키지(package)된 포토 다이오드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 Y-분기형 광도파로는 상기 광학필터에서 투과된 투과광이 수직 또는 수평으로 진행되도록 스넬의 법칙에 따라 틸트(tilt)되어 위치한 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  12. 제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 Y-분기형 광도파로는 실리카 도파로 또는 폴리머 도파로인 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
  13. 제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 양방향전송 광송수신 모듈은 단일한 하우징에 일체형으로 구비된 것을 특징으로 하는 양방향전송 광송수신 모듈.
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