KR20150118515A

KR20150118515A - 양방향 통신용 광트랜시버

Info

Publication number: KR20150118515A
Application number: KR1020140107202A
Authority: KR
Inventors: 김동민
Original assignee: 김동민
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2015-10-22

Abstract

본 발명은 광모듈 장치를 개시한다.　즉, 2개 파장대역을 이용하여 광신호를 송수신하는 양방향 일체형 광소자 2개를 하나의 모듈로서 일체화한 광모듈 장치를 구성함으로써, 하나의 광섬유를 통해서 동시에 4개 파장대역의 광신호를 송수신하는 양방향 통신용 광모듈을 구성하고, 2 개의 양방향 통신용 광모듈을 하나의 트랜시버로 일체화하여 2개의 광섬유를 통하여 4개의 광신호를 동시에 송신하고 4개의 광신호를 동시에 수신하는 양방향 통신용 광 트랜시버를 제공한다.

Description

양방향 통신용 광트랜시버 {OPTICAL TRANSCEIVER FOR BI-DIRECTIONAL DATA COMMUNICATION}

본 발명은 광통신 모듈에 관한 것으로, 특히 4개의 파장 대역을 통하여 송수신을 수행하되 2개의 광섬유를 이용하여 송신 4 파장 및 수신 4 파장을 사용하여 양방향 통신을 수행할 수 있도록 하는 양방향 통신용 광트랜시버에 관한 것이다.

근래 들어 대용량의 정보 전송 및 고속의 정보 통신을 위하여 빛을 정보 전송의 매개로 하는 광 통신이 일반화되어, 광송신소자를 이용하여 손쉽게 전기 신호를 레이저 빛으로 변환할 수 있으며, 반대로 광수신소자를 이용하여 광섬유를 통해 전송되어오는 광신호를 전기신호로 손쉽게 변환할 수 있다.

빛은 서로 간의 간섭성이 매우 떨어지며 이러한 빛의 특성을 이용하여 하나의 광섬유를 통하여 신호를 전송하고 수신하는 양방향 통신 방식의 광 통신이 선호되고 있다.

이처럼, 양방향 통신 방식의 광 통신이 이루어지기 위해서는, 광섬유를 통하여 하향 전송되어 오는 광신호를 수신하여 전기 신호로 바꾸어주는 광수신소자와 전기신호를 광신호로 바꾸어 광섬유를 통하여 전송하는 광송신소자를 일체화하여 하나의 광섬유와 광 결합이 일어나도록 제작된 양방향 일체형 광소자가 요구된다.

이러한, 양방향 일체형 광소자의 경우, 2개 파장대역의 광신호를 이용하여 양방향 통신을 수행하는 것이 일반적인데, 이처럼 2개 파장대역의 광신호만을 이용하여 양방향 통신을 수행하기에는 통신 용량의 제한이 따르게 된다.

이에, 현재 점증하고 있는 데이터 통신량을 수용하기 위해서는 하나의 광섬유로 전송되는 광신호의 파장대역을 다중화하는 파장대역 다중화가 필요하며, 이에 따라 기존의 2개 파장대역만을 이용하고 있는 양방향 일체형 광소자를 4개 파장대역 이상을 이용할 수 있도록 하기 위한 새로운 방안이 요구된다.

특히 현재 대규모의 정보가 광섬유를 통하여 송수신되는 데이터 센터의 경우, duplexer 라는 구조의 광모듈이 사용되고 있다. 이러한 duplexer 광모듈은 2개의 광섬유를 이용하여 양방향 통신을 하는 것으로 2개의 광섬유 중 어느 하나에 송신용 광소자가 광결합되고, 다른 하나의 광섬유에 수신용 광소자가 광결합되어 하나의 광모듈로 송,수신의 양방향 통신을 하게 된다. 그러나 폭증하는 데이터 정보량은 이러한 통신을 더욱 대용량화할 필요가 있는데, 이를 위해서 QSFP(Quadplexer Small Form factor Pluggable)라는 방식의 광통신 모듈이 사용되기 시작하였다. 이 QSFP(Quadplexer Small Form factor Pluggable)라는 규격의 광통신용 광모듈은 하나의 광통신용 모듈에 4개의 발광소자와 4개의 수광소자를 구비하고 이들 각각의 광소자를 각각의 광섬유와 결합시키는 방법을 사용한다. 통상적으로 4개의 발광소자는 어레이(array) 형태로 제작이 용이하여 4개의 발광소자 사이의 거리는 매우 조밀하게 설정될 수 있고, 4개의 수광소자 또한 어레이(array) 형태의 하나의 칩으로 제작이 가능하여 수광소자 사이의 거리가 매우 조밀하게 설정될 수 있다. 그러나 발광소자와 수광소자는 서로 상이한 구조를 가지기 때문에 하나의 칩으로 제작이 불가능하므로 이 두 종류의 소자 사이에는 적절한 거리가 필요하게 된다. 그러므로 통상적으로 QSFP를 연결하는 광섬유는 12심의 광섬유를 사용하되 발광소자용의 광섬유와 수광소자용의 광섬유 사이에 4개의 사용하지 않는 광섬유가 더 부착된 형태로 12심 광섬유가 제작된다.

이와 같은 형태로 제작되는 광섬유에서 광신호가 전달되는 과정을 도 1에 나타내었다. 하지만, 이와 같이 기존의 QSFP는 송신용 레이저 다이오드 칩 4개와 수신용 포토 다이오드 칩 4개를 사용하며 각각의 광섬유를 이용하여 신호를 주거나 또는 받는 형태로 광통신을 하기 때문에 광섬유의 낭비가 심한 문제점이 있다.

특허등록 제10-1041570호 (2011.06.08)

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 목적은, 4개 파장대역을 이용하여 광신호를 송수신하는 양방향 일체형 광모듈 장치 2개를 하나의 양방향 트랜시버로 일체화한 양방향 통신용 트랜시버를 구성하고, 양방향 일체형 광모듈 장치에 각각 하나의 광섬유를 연결시킴으로써 방향 통신용 트랜시버는 2개의 광섬유를 통하여 동시에 4개 파장대역의 광신호를 송신하고 수신할 수 있도록 하는 양방향 통신용 광트랜시버를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 광모듈장치는, 제 1 광축을 기초로 광신호를 송신하거나 수신 또는 동시에 송수신하는 제 1 광소자; 상기 제 1 광축과 직교하도록 형성된 제 2 광축을 기초로 광신호를 송신하거나 수신 또는 동시에 송수신하는 제 2 광소자; 및 상기 제 1 광축과 상기 제 2 광축이 교차하는 교차점에서 광신호의 송수신 경로를 결정하여 상기 제 1 광소자 및 상기 제 2 광소자 모두가 하나의 광섬유를 통해서 광신호를 송수신하도록 하는 파장선택성필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 상기 광신호의 송수신 경로는, 상기 파장선택성필터에서 이루어지는 상기 광신호에 대한 투과 및 반사에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 상기 하나의 광섬유를 통해서 송수신되는 광신호에는, 제1파장대역, 및 상기 제1파장대역과 기 설정된 파장대역만큼의 차이를 갖는 제2파장대역이 포함되며, 상기 파장선택성필터는, 상기 제 1 광소자 및 상기 제 2 광소자 중 어느 하나에서 송수신되는 광신호는 투과하고 나머지에서 송수신되는 광신호는 반사하여, 상기 제 1 광소자에서 상기 제1파장대역의 광신호를 송수신하도록 하며, 상기 제 2 광소자에서는 상기 제2파장대역의 광신호를 송수신하도록 하는 것을 특징으로 하는 파장선택성필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 상기 제1파장대역 및 상기 제2파장대역의 광신호 각각에는, 송신파장대역 및 상기 송신파장대역과 기 설정된 파장대역만큼의 차이를 갖는 수신파장대역이 포함되며, 상기 제 1 광소자 및 상기 제 2 광소자 각각은, 상기 송신파장대역의 광신호를 송신하며, 상기 수신파장대역의 광신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 상기 파장선택성필터에는, 상기 제 1 광축과 상기 제 2 광축이 교차하는 교차점에서 상기 제 1 광축 및 상기 제 2 광축 각각에 대한 수직면을 기준으로 기 설정된 경사각을 갖는 경사면이 포함되며, 상기 경사면에서는, 상기 제1파장대역의 광신호 및 상기 제2파장대역의 광신호 중 어느 하나의 광신호가 반사되며, 반사되지 않은 나머지 광신호는 상기 제 1 광축 또는 상기 제 2 광축을 따라서 투과되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 2 관점에서는 상기한 양방향 일체형 광모듈 장치 2개를 하나의 트랜시버 장치에 동시에 내장함으로써 하나의 양방향 통신용 트랜시버 장치에 두개의 양방향 통신용 광모듈장치를 구비하고 각각의 양방향 통신용 광모듈 장치에 하나의 광섬유를 결합함으로써 양방향 통신용 광트랜시버 전체로써 2개의 광섬유를 통하여 4개의 각기 다른 광 신호를 송신하고, 4개의 각기 다른 광 신호를 동시에 수신하는 기능을 수행한다.

본 발명에 의하면, 4개 파장대역을 이용하여 광신호를 송수신하는 양방향 일체형 광모듈 2개를 하나의 양방향 통신용 트랜시버로서 일체화함으로써, 두개의 광섬유를 통해서 동시에 4개 파장대역의 광신호를 효율적으로 송신하고 동시에 4개 파장 대역의 광신호를 수신할 수 있다. 이러한 기능은 종래의 QSFP 광 모듈이 4개의 송신용 광섬유에 각각 발광소자를 광결합시키고, 4 개의 수신용 광섬유에 수신용 수광소자를 결합시키는 특성을 단지 2개의 광섬유를 이용하여 4개의 발광소자에서 발광된 신호를 송신하고 또한 4개의 수광소자를 이용하여 광신호를 수신하게 함으로써 광섬유를 절약하게 하여 준다. 이러한 광섬유의 절약은 기존에 이미 설치된 duplexer 형태의 광섬유를 그대로 사용할 수 있게 하여주므로 통신 용량을 증대시키기 위해 광섬유를 교체하는 비용을 절감시켜 매우 경제성이 높은 방식이다.

도 1은 종래의 QSFP 광통신 방식에서 12심의 광섬유를 통하여 4개의 송신신호와 4개의 수신신호를 전달하는 모습을 설명하기 위한 도면,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 양방향 통신용 광모듈에 기초하여 구성되는 광 통신 시스템의 개략적인 구성도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장선택성필터로 입사하는 빛의 파장대역에 따른 투과/반사율을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유에서 파장대역에 따른 전송 손실을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈장치의 개략적인 구성도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 광소자의 개략적인 구성도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장선택성필터를 장착하기 위한 서브마운트의 구조를 설명하기 위한 도면,
도 9 및 도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 광수신소자(포토 다이오드 칩)에서의 파장대역에 따른 광반응도를 설명하기 위한 도면,
도 11은 양방향 통신용 광모듈 2개를 하나의 트랜시버로 일체화해 각각의 광섬유를 통해서 2개의 파장을 송신하고, 2개의 파장을 수신하게 함으로써, 트랜시버 전체로는 4개의 광신호를 2개의 광섬유로 송신하고, 동시에 4개의 광신호를 2개의 광섬유로 수신하는 기능을 설명하기 위한 도면,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하나의 광소자에 제 1의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩과 제 2의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩을 내장하는 구조의 광소자,
도 13은 제 1의 광소자에 2개의 레이저 다이오드 칩을 구비하고 제 2의 광소자에 2개의 포토 다이오드 칩을 구비한 양방향 통신용 광모듈,
도 14는 4개의 레이저 다이오드 칩이 모두 하나의 광모듈에 배치되게 되고, 4개의 포토 다이오드는 다른 광모듈에 배치되는 양방향 통신용 광모듈,
도 15는 종래의 QSFP형 트랜시버 케이스의 외형 일례,
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 통신용 광모듈이 배치되는 QSFP 트랜시버 케이스 외형 일례,
도 17은 본 발명에 적용되는 이중 광섬유 시준화장치(dual fiber collimator)의 일례,
도 18은 상기 도 17의 이중 광섬유 시준화장치와 2개의 양방향 통신용 광소자를 이용하여 4개의 파장으로 광통신을 하는 광모듈 일례,
도 19는 상기 도 18의 광모듈 2개를 하나의 트랜시버에 장착하여 4개 파장의 광신호를 전송하고 4개 파장의 광신호를 수신할 수 있도록 제작된 QSFP 트랜시버 일례를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 시스템을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 시스템은 광신호를 송신하는 송신측 광모듈장치(1000), 송신측 광모듈장치(1000)로부터 송신된 광신호를 수신하는 수신측 광모듈장치(2000) 및, 송신측 광모듈장치(1000)와 수신측 광모듈장치(1000) 간에 광신호를 전달하기 위한 전송 매질인 광섬유(3000)를 포함하는 구성을 갖는다.

상기 송신측 광모듈장치(1000) 및 수신측 광모듈장치(2000)는 모두 양방향 통신이 가능한 동일한 구성의 양방향 일체형 광소자를 일컫는 것으로서, 이러한 양방향 일체형 광소자에서는 광신호의 송신과 수신이 함께 이루어질 수 있다.

따라서, 송신측 광모듈장치(1000)에서는 광섬유(3000)를 통한 광신호의 송신뿐만 아니라, 광섬유(3000)를 통해서 전달되는 광신호를 수신할 수 있으며, 마찬가지로 수신측 광모듈장치(2000)에서는 광섬유(3000)를 통해 전달되는 광신호의 수신뿐만 아니라, 광섬유(3000)를 통한 광신호의 송신 또한 가능하다.

이처럼 송신측 광모듈장치(1000)와 수신측 광모듈장치(2000)는 서로 동일한 구성 및 동작 특성을 갖는바, 이하에서는 설명의 편의를 위해 송신측 광모듈장치(1000) 하나만을 그 예로 들어 설명하기로 한다.

상기 광섬유(3000)는 광신호의 송신 및 수신에 모두 적용할 수 있는 다중모드(multi-mode) 광섬유를 일컫는 것으로서, 이에 제한되는 것이 아닌, 광신호를 전달할 수 있는 단일모드(single mode) 광섬유 또한 적용 가능하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 광모듈장치(1000)에서는 4개 파장대역을 이용하여 광신호를 송수신하게 된다.

이처럼, 4개의 파장대역을 이용하여 광신호를 송수신하기 위해서는, 광모듈장치(1000)에서는 2개의 파장대역을 이용하여 광신호를 송신하기 위한 2개의 광송신소자(예: 반도체 레이저 다이오드 칩)와, 광섬유로부터 입력되는 광신호를 수신하기 위한 2개의 광수신소자(예: 포토 다이오드 칩)가 하나의 기구 안에 모두 배치되어야만 한다.

여기서, 광수신소자로서 적용되는 포토 다이오드의 경우 신호의 잡음을 최소화하기 위한 목적으로 전치증폭기(Trans impedance amplifier:TIA)와 전치증폭기에 입력되는 전기 신호의 잡음을 제거하기 위한 캐패시터(capacitor)가 동시에 장착되는 경우가 많다.

이처럼, 4개의 파장대역을 이용한 광 통신을 수행하기 위해선, 2개의 광송신소자 및 2개의 광수신소자 그리고 2개의 전치증폭기를 하나의 기구 안에 배치하여야 하나, 그 배치 방법에 따라 제작 난이도와 제품 특성의 변화가 발생하게 된다.

결국, 제품 제작의 난이도와 제품 특성 변화를 최적화시키기 위해선 광모듈장치(1000) 내에서의 2개의 광송신소자 및 2개의 광수신소자, 그리고 2개의 전치증폭기를 배치하기 위한 구체적인 방안이 요구된다 할 것이다.

한편, 현재 근거리 통신용으로 적용되는 광섬유로서는, 예컨대, 850nm 파장대역의 광신호에 최적화된 광섬유가 사용되는 것이 일반적이다.

이러한 광섬유에서 1550nm 파장대역의 광신호의 경우, 광섬유 분산이 너무 커져 데이터 전송이 어려운 단점이 있다.

이에, 근거리 통신용으로 선택되는 파장대역의 경우, 850nm에 최대한 가까운 파장대역으로 선정하되, 780nm 이하의 단파장에서는 광섬유 손실이 너무 커져 광 통신이 어려운 현상과 1550nm 파장대역에서는 광섬유의 분산 특성 때문에 광 전송이 어려운 상황을 해결하여야만 한다.

이러한 상황에서, 4개 파장대역을 이용하여 양방향 통신의 용량을 증대시키기 위해서는, 광섬유의 특성에 부합하는 파장대역 선정 및 배치가 무엇보다 중요하다 할 것이다.

양방향 일체형 광소자에서 광송신소자로서 적용되는 레이저 다이오드 칩의 경우, 레이저 다이오드 광축을 중심으로 일정한 발산각을 가진 채 레이저 빛을 방출하게 된다.

통상적으로 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 발산각의 경우, edge emitting형 레이저 다이오드 칩일 경우에 그 발산각(1/e²)이 40° 이상이며, 표면발광형 레이저의 경우에는 그 발산각(1/e²)이 16∼30° 정도에 이른다.

이와 관련하여, 도 3 및 도 4를 참고하면, 파장선택성필터로 입사하는 빛의 파장대역에 따른 투과/반사율을 확인할 수 있다.

여기서, 파장선택성필터는, 양방향 일체형 광소자에서 레이저 다이오드 칩으로부터 방출되는 빛을 투과 또는 반사시켜 광신호로서 광섬유에 전달되도록 하거나, 광섬유로부터 하향 전달되는 빛을 투과 또는 반사시켜 광수신소자인 포토 다이오드로 광신호로서 전달하기 위해 요구되는 구성을 일컫는다.

도 3의 경우 레이저 다이오드 칩의 광축에 대해　 45° 로 배치된 파장선택성필터로 입사하는 레이저 빛이, 레이저 빛의 발산광 특성에 기인하여 실제 파장선택성필터로 입사하는 각도가 30°, 45°, 60°로 변화할 때레이저 빛의 투과/반사도를 나타낸다.

또한 도 4의 경우, 파장선택성필터로 입사하는 각도가 40°, 45°, 50°로 변화할 때레이저 빛의 투과/반사도를 나타낸다.

우선, 도 3을 통해서 알 수 있는 바와 같이, 레이저 다이오드 칩에서의 발산각이 광축을 중심으로　 +/-15° 일 경우 파장선택성필터의 투과파장대역은 약 150nm 정도 바뀌게 된다.

이에 비해, 도 4에서는, 발산각이 광축을 중심으로　 +/-5° 일 경우 파장선택성필터의 투과파장대역이 약 60nm 정도 바뀌게 됨을 알 수 있다.

이처럼, 파장선택성필터의 투과/반사 파장대역의 경우 파장선택성필터로 입사하는 각도에 따라 달라지므로 4개 파장대역을 이용하여 광 통신을 하기 위해선, 4개의 파장대역에 대한 매우 정밀한 파장 분배가 필요하다 할 것이다.

뿐만 아니라, 4개 파장대역을 분배하기 위해선, 광섬유에서의 파장대역에 따른 전송 손실 등이 추가 고려되어야만 한다.

도 5를 참조하면, 일반적인 다중모드(multi-mode) 광섬유에서 파장대역에 따른 전송 손실을 확인할 수 있다.

여기서, 850nm 파장대역은 2.2dB/Km의 손실률을 가지며, 780nm 파장대역에서는 3.2dB/Km로 850nm에 비해 780nm는 약 1dB/Km의 손실률 증가를 가져오는 것을 알 수 있다.

그러나 700nm의 파장대역에서는 손실률이 5.5dB/Km로 매우 급격히 증가하며 이에 따라 광 통신은 근거리 통신용이라 할지라도 대부분 780nm 또는 850nm의 파장을 이용하고 있다.

또한, 기존에 널리 사용되고 있는 780nm 또는 850nm에서 가장 좋은 광 전송 특성을 가지는 광섬유의 경우, 광섬유를 통과하는 빛의 파장이 길어질수록 광섬유 내에서의 모드 분산(modal dispersion)에 의해 광 통신 품질이 나빠지는 특성이 있다.

이처럼, 광섬유에서의 전송 손실은 광 통신 품질에 큰 영향을 미치게 되므로, 4개의 파장대역을 이용하여 원활한 광 통신을 수행하기 위해선, 앞서 언급한 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 발산각 뿐만 아니라, 광섬유의 전송 손실 특성, 및 파장대역에 따른 광섬유에서의 분산 특성 등이 고려되어야만 함을 알 수 있다.

이에, 본 발명의 일 실시예에서는, 양방향 일체형 광소자 2개를 사용하여 하나의 광섬유를 통해서 동시에 4개 파장대역의 광신호를 송수신하는 광모듈장치의 구체적인 구성을 제안하고자 하며, 이하에서는 이를 구체적으로 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈장치를 도시한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 다른 광모듈장치(1000)는 제1파장대역을 이용하여 광신호를 송수신하는 제 1 광소자(100), 제2파장대역을 이용하여 광신호를 송수신하는 제 2 광소자(200) 및 광신호를 투과 및 반사하여 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200) 모두가 하나의 광섬유(3000)를 통해서 광신호를 송수신하도록 하는 파장선택성필터(300)를 포함하는 구성을 갖는다.

여기서, 제 1 광소자(100)에서 광신호를 송수신하기 위해 이용되는 제1파장대역에는 제1송신파장대역(λ1) 및 제1수신파장대역(λ2)이 포함되며, 제 2 광소자(200)에서 광신호를 송수신하기 위해 이용되는 제2파장대역에는 제2송신파장대역(λ3) 및 제2수신파장대역(λ4)이 포함된다.

제1파장대역 및 제2파장대역은 서로 다른 파장대역을 의미하는 것으로서, 위와 반대로 제 1 광소자(100)에서 제2파장대역을 이용할 수 있으며, 제 2 광소자(200)에서 제1파장대역을 이용할 수도 있다.

마찬가지로, 제1송신파장대역(λ1)과 제1수신파장대역(λ2), 그리고 제2송신파장대역(λ3)과 제2수신파장대역(λ4) 역시, 서로 다른 파장대역을 의미하는 것으로서, 각 파장대역이 광신호의 송신 내지는 수신을 위한 전용 파장대역으로 국한되는 것이 아닌, 지정에 따라서 변경 가능함은 물론이다.

상기 제 1 광소자(100)는 광신호를 송수신하기 위한 제 1 광축(a)을 기초로 제1송신파장대역(λ1)을 이용하여 광신호를 송신하게 되며, 제1수신파장대역(λ2)을 이용하여 광신호를 수신하게 된다.

여기서, 제 1 광축(a)은 제 1 광소자(100)에서 광송신소자로서 적용되는 레이저 다이오드 칩에서 광신호에 해당하는 레이저 빛을 방사하기 위한 기준선을 일컫는다.

또한, 제 2 광소자(200)는 광신호를 송수신하기 위한 제 2 광축(b)을 기초로 제2송신파장대역(λ3)을 이용하여 광신호를 송신하게 되며, 제1수신파장대역(λ3)을 이용하여 광신호를 수신하게 된다.

마찬가지로, 제 2 광축(b)은 제 2 광소자(200)에서 광송신소자로서 적용되는 레이저 다이오드 칩에서 광신호에 해당하는 레이저 빛을 방사하기 위한 기준선을 일컫는다.

또한, 파장선택성필터(300)는 제 1 광축(a)과 제 2 광축(b)이 교차하는 교차점에서 광신호를 투과 및 반사함으로써, 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200) 모두가 하나의 광섬유(3000)를 통해서 광신호를 송수신하도록 한다.

보다 구체적으로, 파장선택성필터(300)는 제1파장대역의 광신호는 그대로 투과하여 제 1 광소자(100)에서 제1파장대역의 광신호를 송수신하도록 하는 반면, 제2파장대역의 광신호는 반사함으로써, 제 2 광소자(200)에서 제2파장대역의 광신호를 송수신할 수 있도록 한다.

이를 위해, 파장선택성필터(300)는 제 1 광축(a)과 제 2 광축(b)이 교차하는 교차점에서, 제 1 광축(a) 및 제 2 광축(b) 각각에 대한 수직면을 기준으로 45°의 경사각을 갖는 경사면이 형성될 수 있도록 배치되어, 해당 경사면으로 입사되는 광신호를 투과하거나 90°로 꺾어 반사하게 된다.

이러한, 파장선택성필터(300)에서의 투과 및 반사는 굴절률이 상대적으로 높고 낮은 유전체 박막을 복수의 층으로 교대로 증착하여 원하는 파장대역의 광신호만을 투과하거나, 반사하는 방식을 통해서 이루어질 수 있다.

예를 들어, 제 1 광소자(100)로부터 전송된 제1송신파장대역(λ1)의 광신호가 경사면에 입사되는 경우, 파장선택성필터(300)는 제1송신파장대역(λ1)의 광신호를 그대로 투과시켜 제 1 광축(a)을 따라 광섬유(3000)에 전달될 수 있도록 하며, 반대로 광섬유(3000)로부터 전송된 제1수신파장대역(λ2)의 광신호가 경사면에 입사되는 경우에는 파장선택성필터(300)는 제1수신파장대역(λ2)의 광신호를 그대로 투과시켜, 제 1 광축(a)을 따라 제 1 광소자(100)에 전달될 수 있도록 한다.

다른 예로서, 제 2 광소자(200)로부터 전송된 제2송신파장대역(λ3)의 광신호가 경사면에 입사되는 경우, 파장선택성필터(300)는 제2송신파장대역(λ3)의 광신호를 경사면에서 제 2 광축(b)을 기준으로 꺾어 90°로 반사하여 광섬유(3000)에 전달될 수 있도록 하며, 반대로 광섬유(3000)로부터 전송된 제2수신파장대역(λ4)의 광신호가 경사면에 입사되는 경우, 파장선택성필터(300)는 제2수신파장대역(λ4)의 광신호를 경사면을 통해 90°로 꺾어 제 2 광축(b)을 따라서 제 2 광소자(200)에 전달될 수 있도록 한다.

이하에서는, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200)의 구성을 구체적으로 설명하기로 한다.

여기서, 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200)의 경우, 광신호 송수신을 위해 이용되는 파장대역만이 위에서 언급한 바와 같이 제1파장대역 및 제2파장대역으로 상이할 뿐, 그 밖의 구성 및 해당 구성에 따른 동작 특성이 모두 동일한 바, 이하에서는 설명의 편의를 위해 제 1 광소자(100)만을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 광소자(100)는 금속으로 이루어진 기판에 관통공(105)을 뚫고 관통공(105)에 전극핀(111)을 삽입하여, 유리로 밀봉되는 형태로 제작되는 스템(110), 내부에 소자들을 배치하고 렌즈(150) 또는 평판형 유리로 밀봉하고, 레이저 빛이 통과할 수 있는 광학적 개구부가 장착된 금속 재질의 캡(140)을 결합하는 구조를 가짐으로써, 내부의 소자의 보호 및 전기적으로의 활용을 손쉽게 하며, 기밀성을 보장하게 된다.

제 1 광소자(100) 내부에는, 제1송신파장대역(λ1)의 광신호를 송신하는 광송신소자(130), 광섬유로부터 전송되어온 제1수신파장대역(λ2)의 광신호를 수신하는 광수신소자(170), 광수신소자(170)에서 수신된 광신호를 증폭하기 위한 전치증폭기(180), 및 제1송신파장대역(λ1)의 광신호는 반사하며 제1수신파장대역(λ2)의 광신호는 투과하는 파장선택성필터(160)가 장착되게 된다.

여기서, 광송신소자(130)로서는 예컨대, edge emiiting 형의 레이저 다이오드 칩과 표면 발광형의 레이저 다이오드 칩(Vertical Cavity Surface Emitting Laser diode: VCSEL)이 모두 적용 가능하나, 근거리 통신에 적합한 특성을 고려할 경우에는 전기 소모량이 적으며, 레이저 빛의 발산각이 좁은 표면 발광형 레이저 다이오드 칩이 더 적절하다.

또한, 전치증폭기(180)는 열발생이 가장 많은 소자이며, 이에 외부로의 열방출이 용이하도록 스템(110) 바닥면에 부착되도록 레이아웃을 구성하여야 한다.

이처럼, 전치증폭기(180)가 스템(110) 바닥면에 부착되도록 레이아웃을 구성하는 것은, 전치증폭기(180)로부터 열을 외부로 용이하게 방출하여 광소자 내부의 온도 상승을 최소화함으로써, 온도상승에 따른 내부 소자의 특성 악화를 방지하기 위함이다.

참고로, 언급되지 않은 도면부호 '131'은 광송신소자(130)가 장착되는 서브마운트이고, '171'은 광수신소자(170)이 장착되는 서브마운트이며, '120'은 파장선택성필터(160)과 장착되는 서브마운트이다.

이러한, 구성의 제 1 광소자(100)에서 광송신소자(130)에서 발산되는 제1송신파장대역(λ1)의 광신호는 광축을 따라서 스템(110) 바닥면에 평행한 상태로 출력되며, 이는 파장선택성필터(160)에서 반사되어, 파장선택성필터(160) 상부의 렌즈(150)를 거쳐 광섬유로 전달된다.

광섬유로부터 전달되는 제1수신파장대역(λ2)의 광신호는 렌즈(150)를 거쳐 수렴광으로 전환되어 도착하게 되는데, 파장선택성필터(160)는 제1수신파장대역(λ2)에 대해 투과하도록 특성이 설정되어, 제1수신파장대역(λ2)의 광신호는 파장선택성필터(160)를 투과하여 광수신소자(170)로 수신되게 된다.

광수신소자(170)에서 수신된 광신호는 전치증폭기(180)에서 증폭되어 전극핀(111)을 통해 외부에 전기신호로 전달된다.

여기서, 파장선택성필터(160)는 광송신소자(130)의 광축 및 광수신소자(171)의 광축 각각에 대한 수직면을 기준으로 45°의 경사각을 갖도록 배치되어야 한다.

파장선택성필터(160)의 배치 방법의 경우 여러 가지로 변형이 가능하지만 본 발명의 일 실시예에서는 쐐기형 서브마운트(120)를 이용하여 쐐기형 서브마운트의 경사면에 파장선택성필터(160)를 부착하는 방법을 적용하게 된다.

여기서 쐐기형 서브마운트(120)는 레이저 다이오드 칩에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하기 위해 예컨대, 열전도율이 100W/m/K 인 재질로 제작되어야 하며, 특히 열전도율이 170W/m/K 로 매우 높은 열전도율을 가지며 가공성이 좋은 실리콘을 기반으로 제작되어야 할 것이다.

이러한 쐐기형 서브마운트(120)의 경우, 파장선택성필터(160)의 45°경사각을 확보하기 위한 방법의 한 예로써 도 8에서와 같이, 45°각도의 경사 홈이 형성되어 있는 서브마운트의 경사홈에 파장선택성필터(160)를 끼우도록 하는 방법도 가능하다.

한편, 제 1 광소자(100)에 적용된 광송신소자(130)의 경우, 통상적으로 16∼30°의 발산각(1/e²)을 가지며, 이러한 발산각에 대해서 파장선택성필터(160)의 투과 및 반사 파장대역의 경우 도 2를 통해서 언급한 바와 같이 대략 150nm 정도의 파장대역 이동이 이루어지게 된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 제1송신파장대역(λ1)과 제1수신파장대역(λ2)는 서로 간에 150nm 이상의 파장대역 차이를 가져야만 하며, 마찬가지로 제2송신파장대역(λ3)과 제2수신파장대역(λ4) 역시 150nm 이상의 파장대역의 차이를 가져야만 한다.

또한, 광송신소자(130)로부터 16∼30°의 발산각(1/e²)으로 발산된 빛은 렌즈(150)에 의해 수렴되게 된다.

이때의 수렴각은 렌즈(150)의 배율에 따라 달라지게 되지만 통상적으로 광섬유(3000)에서 발산되는 레이저 빛의 발산각과 동일한 수렴각을 갖는 것이 바람직하며, 이에, 렌즈(150)에 의해 수렴되는 빛의 수렴각(1/e²)은 예컨대, +/- 5°의 값을 가질 수 있다.

여기서, 제 1 광소자(100)의 렌즈(150)를 통해 수렴된 발산각에 대한 도 5의 파장선택성필터(300)에서의 투과 및 반사 파장대역의 경우 도 3을 통해서 언급한 바와 유사한 대략 40nm 정도의 파장대역 이동이 이루어지게 된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 제1파장대역(λ1, λ2)과 제2파장대역(λ3, λ4) 간에는 40nm 이상의 파장대역의 차이를 가져야만 한다.

결국, 제1송신파장대역(λ1)과 제1수신파장대역(λ2), 그리고 제2송신파장대역(λ3)과 제2수신파장대역(λ4) 각각의 파장대역 차이는 150nm 이상이며, 제1파장대역(λ1, λ2)과 제2파장대역(λ3, λ4) 간에는 40nm 이상의 파장대역 차이를 가지므로, 제1파장대역(λ1, λ2)과 제2파장대역(λ3, λ4)이 모두 배치될 수 있는 최소 파장대역폭은 340nm가 된다.

한편, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 광섬유에 있어서, 780nm보다 짧은 파장대역의 레이저 빛에 대해서는 광섬유의 전송 손실이 매우 커지므로 780nm보다 짧은 파장대역을 이용하여 광 통신을 하는 것은 지양해야만 할 것이다.

따라서, 제1파장대역(λ1, λ2)과 제2파장대역(λ3, λ4)이 모두 배치될 수 있는 최소 파장대역폭은 340nm로 할 경우, 가장 짧은 파장대역은 780nm가 되며, 반대로 가장 긴 파장대역은 1120nm의 파장대역을 가질 수 있다.

그러나, 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200)에서 광송신소자로서 적용되는 레이저 다이오드 칩의 발진 파장대역은 레이저 다이오드 칩의 빛의 형성 영역인 활성 영역의 물질 조성에 의존하게 되고, 이러한 물질 조성은 레이저 다이오드 칩에 사용되는 기판에 의해 결정될 수 있다.

여기서, 780nm 및 850nm, 980nm는 GaAs 기판을 모재로 하는 레이저 다이오드 칩으로 구현되며, 이러한 GaAs 기판을 모재로 하는 GaAs 계열의 레이저 다이오드 칩의 경우, 현재까지 상용화된 가장 긴 발진 파장대역은 1060nm 정도이다.

때문에, 1060nm 보다 긴 파장대역의 레이저 다이오드 칩의 경우, InP 기판을 모재로 제작되는데 현재 InP 기판을 모재로 하는 레이저 다이오드 칩 중에서 가장 짧은 파장대역은 1250nm 정도이며, InP를 기판으로 하는 레이저 다이오드 칩은 활성층의 조성비에 따라 1250nm ~1620nm 파장대역의 레이저 발진을 담당하게 된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예서는, 제1송신파장대역(λ1)과 제1수신파장대역(λ2)으로서 각각 780nm, 930nm, 그리고 제2송신파장대역(λ3)과 제2수신파장대역(λ4)으로서는 990nm, 1250nm의 파장대역을 예로 들 수 있다.

이러한 파장대역의 분포는 앞서 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 제1송신파장대역(λ1)과 제1수신파장대역(λ2), 그리고 제2송신파장대역(λ3)과 제2수신파장대역(λ4) 각각의 파장대역 차이가 150nm 이상이며, 제1파장대역(λ1, λ2)과 제2파장대역(λ3, λ4) 간에는 60nm 이상의 파장대역 차이를 갖고, 780nm 보다 파장대역이 짧지 않으며, 850nm에 최대한 근접한 조건을 모두 만족하는 4개의 파장대역을 구현하고 있는 것이다.

InP를 기판으로 하는 레이저 다이오드 칩을 2개 이상 사용할 경우에 레이저 다이오드 칩의 어느 하나는 1250nm 정도로 850nm에 근접한 파장대역을 갖게 할 수 있지만 다른 하나의 레이저 다이오드 칩은 1410nm 이상으로 850nm에서 멀리 떨어진 파장대역을 가지게 되므로 광섬유의 분산에 의한 광 전송 품질 저하를 피할 수 없다.

반면, GaAs 기판을 사용하는 레이저 다이오드 칩 4 종류를 사용할 경우 레이저 다이오드 칩에서의 발진 파장대역의 폭은 780nm∼1060nm로 280nm에 불과하여 파장선택성필터에서 빛을 분리하기 위한 최소 파장대역 차이인 340nm에 미치지 못하게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 시스템에서는, 4개의 파장대역을 이용하여 광신호를 송신하기 위해 각기 다른 파장대역을 사용하는 4개의 광송신소자인 레이저 다이오드 칩과, 4개의 파장대역을 이용하여 광신호를 수신하기 위해 각기 다른 파장대역을 사용하는 4개의 광수신소자인 포토 다이오드 칩이 적용될 수 있다.

따라서, 4개의 광송신소자로서는, 파장대역과 관련된 전술한 조건을 모두 만족하기 위해서 GaAs를 기판으로 하는 3종류의 레이저 다이오드 칩과 InP를 기판으로 하는 한 종류의 레이저 다이오드 칩으로 구현될 수 있다.

현재 세계적으로 많이 사용되고 있는 레이저 다이오드 칩의 발진 파장대역은 780nm, 850nm, 980nm, 1060nm, 1310nm, 1550nm 등을 예로 들 수 있다.

이러한 기존의 상용화 된 레이저 다이오드 칩을 사용하기 위해서 가장 적절한 파장대역의 분배는 예컨대, 제1송신파장대역(λ1):780nm, 제1수신파장대역(λ2):980nm, 제2송신파장대역(λ3):1060nm, 제2수신파장대역(λ4):1310nm으로 설정하거나, 제1송신파장대역(λ1):780nm, 제1수신파장대역(λ2):930nm, 제2송신파장대역(λ3):990nm, 제2수신파장대역(λ4):1250nm등과 같이 약간의 파장대역의 변화를 두는 것 또한 가능하다.

약간의 손실을 고려하면 제1송신파장대역(λ1)을 750nm에서 시작하는 것도 가능하며, 제2송신파장대역(λ3)을 1060nm로 설정하는 경우에는 제1송신파장대역(λ1)과 제2송신파장대역(λ3) 사이의 파장대역 차이는 310nm에 해당된다.

이러한 310nm 파장대역 차이에, 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200) 내부에 배치되는 파장선택성필터에 필요한 파장대역 차이 150nm 또는 약간의 손실을 고려하면 130nm 이상이 보장되어야 하며, 제 1 광소자(100)와 제 2 광소자(200)와의 파장대역 차이 즉, 제1수신파장대역(λ2)과, 제2송신파장대역(λ3) 사이의 파장대역 차이인 40nm 이상이 보장되어야 한다.

따라서, 제 1 광소자(100)에서 사용하는 제1파장대역의 경우, 130nm 내지 270nm 이하의 파장대역 차이를 가져야 하며, 제 1 광소자(100)와 제 2 광소자(200)에서의 파장대역 차이는 40nm 내지 180nm 이하로 설정되어야 하며, 제 2 광소자(200)에서 사용하는 제2파장대역의 경우, 장파장 쪽의 파장대역은 가능한 짧은 1200nm∼1400nm 정도가 되는 것이 바람직하다. 　

도 9를 참조하면, 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200)에서 각각의 광수신소자로서 적용된 GaAs를 기판으로 하는 포토 다이오드에서의 파장대역에 따른 광반응도를 확인할 수 있다.

여기서, GaAs를 기반으로 하는 포토 다이오드 칩의 경우 780nm∼870nm에 적절히 반응하며 740nm 이하 및 880nm 이상에서는 광반응도가 매우 떨어짐을 알 수 있다.

또한, 도 10을 참조하면, 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200)에서 각각의 광수신소자로서 적용된 GaAs를 기판으로 하는 포토 다이오드에서의 파장대역에 따른 광반응도를 확인할 수 있다.

여기서, InP를 기판으로 하는 포토 다이오드 칩의 경우 950nm∼1600nm에서 광반응도가 좋으며 950nm이하에서는 광반응도가 급격히 떨어지는 것을 알 수 있다.

그러므로 900nm∼950nm 대역의 파장대역은 적절한 포토 다이오드 칩의 제작이 어려우므로 4 파장대역을 이용하는 광 통신에서는 사용하지 않는 것이 바람직하다.

결국, 파장선택성필터에서 가져야 할 파장 간격과 InP와 GaAs를 기반으로 하는 레이저 다이오드 칩에서 얻을 수 있는 파장대역 분포, InP와 GaAs를 기반으로 하는 포토 다이오드 칩에서의 광반응도와 광섬유(3000)에서의 전송 손실 및 광섬유(300)에서의 분산의 특성을 고려하여 볼 때, 가장 바람직한 파장 분포는 제1송신파장대역(λ1)은 730nm∼880nm, 제1수신파장대역(λ2)은 950nm∼1000nm, 제2송신파장대역(λ3)은 1010nm∼1080nm, 제2수신파장대역(λ4)은 1260nm∼1400nm의 파장대역을 가지는 것이 바람직할 것이다.

이러한 파장대역에서 기존 상용화된 레이저 다이오드 칩인 780nm, 980nm, 1060nm, 1310nm의 파장대역을 설정하는 것이 가장 바람직할 것이며, 각각의 레이저 다이오드 칩은 통상적으로 +/- 20nm 정도의 파장 오차를 가지므로 상온 기준에서 제1송신파장대역(λ1)은 780nm+/-20nm, 제1수신파장대역(λ2)은 980nm+/-20nm, 제2송신파장대역(λ3)은 1060nm+/-20nm, 제2수신파장대역(λ4)은 1310nm+/-20nm의 파장대역을 가지는 것이 가장 바람직할 것으로 예상된다.

도 11은 이미 설명한 양방향 통신용 광모듈(1000, 2000) 2개를 하나의 트랜시버로 묶어 하나의 제품으로 활용하게 되는 경우를 보인다. 서로 다른 광섬유를 사용하는 신호 사이에는 어떠한 신호간의 간섭도 없으므로 하나의 트랜시버에 들어가는 2개의 양방향 통신용 광모듈은 완전히 독립적인 광모듈이 되므로, 2개의 광섬유를 이용하여 4개의 광신호를 송신하고 4개의 광신호를 동시에 수신할 수 있게 된다. 이러한 구성은 종래의 QSFP 광 트랜시버에서 구현하는 기능과 완전히 동일하므로 종래의 QSFP를 대체 할 수 있으며, 더 나아가 종래의 QSFP 광트랜시버에서 요구되는 12심의 광섬유를 종래에 이미 포설되어 있는 2심의 duplexer type 광섬유로 대체 할 수 있게 하여줌으로써 경제적 이익이 상당하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 통신용 광트랜시버는 2개의 양방향 통신용 광모듈장치(1000, 2000)를 동시에 내장하고, 각각의 양방향 통신용 광모듈 장치(1000,200)은 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200)를 하나로 묶어 4개의 파장대역을 이용한 광통신이 이루어지게 되므로 통신 용량의 증대를 가져올 수 있다.

또한, 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200)를 하나로 묶어 하나의 광모듈장치(1000)를 제작하는데 있어서, 양방향 일체형 광소자의 광축이 서로 직교하도록 레이아웃을 구성함으로써, 그 부피를 최소화하여 상용화되고 있는 기존 장치와의 호환이 용이하다.

그 밖에, 제 1 광소자(100) 및 제 2 광소자(200)를 구성함에 있어서, 열발생이 많은 전치증폭기(180)가 외부로의 열방출이 용이하도록 스템(110) 바닥면에 부착되도록 레이아웃을 구성함으로써, 광소자 내부의 온도 상승을 최소화하여 온도상승에 따른 내부 소자의 특성 악화를 방지할 수 있다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 하기의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.

특히 종래의 QSFP에서는 포토 다이오드 칩과 인접한 위치에 전치증폭기가 배치되지 않는 구조이므로, 본 발명에서도 전치 증폭기는 광소자에서 제거될 수 있다.

이와 같이, 전치증폭기가 제거된 경우에는 TO can형의 외형을 가지는 제 1 광소자 또는 제 2 광소자에 많은 열을 발생하는 소자가 없어지게 되므로, 이러한 경우 굳이 포토 다이오드를 광소자 바닥에 배치하고 레이저 다이오드를 포토 다이오드 상부의 일측에 붙여 부착하는 것이 불필요해진다.

즉, 제 1 광소자에 2개의 레이저 다이오드 칩을 배치하고 제 2 광소자에 2개의 포토 다이오드를 배치하는 것이 가능하다. 도 12는 제 1의 광소자에 제 1의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩(190)과 제 2의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩(191)이 배치된 경우의 제 1 광소자의 모습을 보여준다. 이 경우 제 2의 광소자에는 제 3의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩과 제 4의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩이 배치된다.

도 13은 제 1의 광소자에 2개의 레이저 다이오드 칩이 배치되고 제 2의 광소자에 2개의 포토 다이오드 칩이 배치된 광소자를 광축이 수직이 되도록 묶는 형태로 제작되는 광모듈 장치를 나타내고 있다. 도 13의 형태로 제작되는 광모듈에 있어서 2개의 파장을 송신하고 2개의 파장을 수신하는 점에 있어서는 도 6에 도시된 광모듈의 기능을 그대로 수행한다. 그러나 도 13의 구조에서는 각각의 광소자에 레이저 다이오드 칩(190)(191)이 배치되거나 포토 다이오드 칩(195)(196)가 배치된다는 점이 도 6의 광모듈의 특성과는 다르다. 도 6의 배치에서는 하나의 광소자에 레이저 다이오드 칩과 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛을 수신하는 포토 다이오드 칩이 동시에 내장되므로 광소자에 동시에 내장되는 레이저 다이오드 칩으로부터 발산되는 레이저 빛이 광소자에 동시에 내장되는 포토 다이오드 칩으로 누설되어 포토 다이오드 칩에 잡음으로 작용할 수 있다. 그러므로 도 13에서와 같이 하나의 광소자에 2 개의 레이저 다이오드 칩이 배치되던지, 또는 하나의 광소자에 두 개의 포토 다이오드 칩이 배치될 경우 하나의 광소자에 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩을 동시에 배치할 때에 비해 잡음이 줄어들게 된다.

이와 같이 하나의 광소자에 2개의 레이저 다이오드 칩을 장착한 광소자와 다른 하나의 광소자에 2개의 포토 다이오드를 장착한 광소자 2개를 묶어 4파장 광통신을 이루는 광모듈을 도 13을 통하여 설명하였다. 그러나, 다른 한편으로 광모듈의 하나의 광소자에 2개의 레이저 다이오드 칩을 부착하고 다른 하나의 광소자에 2개의 다른 파장의 레이저 다이오드 칩을 부착하여 하나의 광모듈에 4개의 레이저 다이오드 칩을 구비하고, 다른 하나의 광모듈에 4개의 파장에 대응하는 포토 다이오드를 부착하는 방법으로 QSFP를 제작하는 방법도 가능하다. 이러한 형태로 제작되는 광모듈의 일례를 도 14에 도시하였다. 이 경우 4개의 레이저 다이오드 칩(190)(191)(192)(193)은 모두 하나의 광모듈에 배치되게 되고, 4개의 포토 다이오드는 다른 광모듈에 배치되게 된다. 이렇게 배치할 경우 레이저 다이오드용 전기 신호를 보내는 전기선을 모두 한쪽으로 몰아서 배치할 수 있으므로 QSFP의 제작이 용이하여진다.

도 15는 종래의 QSFP형 트랜시버 케이스의 외형을 나타낸 것이다. 도 15에서 폭이 16.45mm에 해당하는 공간이 레이저 다이오드 칩 드라이버 IC 등이 배치되는 공간이며, 광모듈이 배치될 수 있는 공간은 도 15의 10.9mm 영역과 13.65mm 영역이다. 그러나 본 발명에서 사용되는 2개의 레이저 다이오드 칩 또는 포토 다이오드 칩이 포함되는 광소자를 이용하여 4 파장에 대응가능한 광모듈을 제작할 경우 광모듈의 폭은 최소 8.5mm 이상이다. 그러므로 이러한 규격의 광모듈 2개를 병렬로 배치하여 QSFP의 내부 공간에 배치할 수 없다.

이러한 어려움은 도 16과 같이 광모듈을 병렬로 배치하지 않고 QSFP 트랜시버의 길이 방향으로 다른 위치에 배치하되 최소한 하나의 광모듈은 외부 광섬유와 광 결합을 하기 위한 Receptacle(3300)과 광섬유(3100)로 연결하는 형태를 가지게 함으로써 해결할 수 있다.

한편, 상기 도 13과 도 14의 4파장을 이용한 광통신용 광모듈은 다른 방식으로도 구현될 수 있다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예에 적용되는 이중 광섬유 시준화장치(dual fiber collimator)(4000)의 모습을 보여준다. 도 17에서 도면부호 3400과 3450은 광섬유를 나타낸다. 외부에서 광섬유(3400)을 통하여 전송되어 온 광신호는 굴절률 변화형 렌즈(Graded index lens: Grin lens)(3600)을 통하여 평행광으로 변화되어 파장선택성필터(3700)으로 입사한다. 파장선택성필터(3700)에 도달한 빛 중에서 파장선택성필터(3700)를 투과하는 성분(3900)은 이중 광섬유 시준화 장치(4000)를 탈출하여 광수신에 사용된다. 한편, 파장선택성필터(3700)에서 반사된 성분의 레이저 빛(3950)은 또 다른 광섬유(3450)로 입사하여 이 광섬유(3450)을 통하여 진행한다. 이러한 기능을 가지는 이중 광섬유 시준화장치(4000)는 빛의 반대 방향 진행에 대해서도 동일하게 적용된다.

도 18은 이중 광섬유 시준화장치(4000)와 2개의 양방향 통신용 광소자(100, 200)를 이용하여 4개의 파장으로 광통신을 하는 광모듈을 보여준다. 도 18에서, 광소자(100)에서 활용되는 광파장은 이중 광섬유 시준화장치(4000)의 광파장선택성필터를 투과하는 광 경로상에 배치되며, 광소자(200)에서 활용되는 광파장은 파장선택성 필터에서 반사되는 광 경로상의 광섬유와 광 결합하게 배치된다.

이러한 도 18의 이중 광섬유 시준화장치(4000)와 각각이 2개 파장의 광신호에 대응하는 광소자 2개(100, 200)를 결합한 장치는 매우 작은 크기로 4개의 광파장을 처리할 수 있는 기능을 가지게 된다.

도 19는 이중 광섬유 시준화장치(4000)와 각각이 2개의 광신호에 대응 가능한 광소자 2개를 결합하여 4개의 광파장에 대응 가능한 광모듈을 제작하고, 이러한 방법으로 제작된 2개의 광모듈을 하나의 트랜시버에 장착하여 4개 파장의 광신호를 전송하고 4개 파장의 광신호를 수신할 수 있도록 제작된 QSFP 트랜시버 일례를 나타낸 것이다.

도 19에서 4개의 파장을 송신하고, 4개의 파장을 수신하는 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩은 다양한 방법으로 배치될 수 있다. 즉 하나의 광소자에 2개의 레이저 다이오드 칩을 배치하거나, 하나의 광소자에 2개의 포토 다이오드 칩을 배치하거나, 또는 하나의 광소자에 하나의 레이저 다이오드 칩과 하나의 포토 다이오드 칩을 배치하는 방법이 가능하여 진다. 파장선택성필터는 레이저 빛의 진행 방향과는 무관하게 레이저 빛의 파장에만 의존하여 빛을 투과 또는 반사시키므로 하나의 광소자에 내장되는 반도체 칩이 파장선택성필터에 의해 분리되는 파장이기만 하면 어떤 반도체 칩의 조합도 사용이 가능하다. 또한 2개의 광소자를 하나의 광모듈로 결합하는 방법에 있어서도, 4개의 레이저 다이오드 칩을 하나의 광모듈로 결합시키는 방법과, 4개의 포토 다이오드를 하나의 광모듈로 결합시키는 방법과, 2개의 레이저 다이오드 칩과 2개의 포토 다이오드 칩을 하나의 광모듈로 결합하는 방법이 가능하다. 2개의 레이저 다이오드 칩과 2개의 포토 다이오드 칩을 하나의 광모듈로 결합하는 방법에 있어서 레이저 다이오드 칩과 포토 다이오드 칩을 각각 분리하여 광소자로 구성하는 방법과 하나의 광소자에 레이저 다이오드 칩과 하나의 포토 다이오드 칩을 동시에 내장하는 방법 등 여러 가지 배치 구조가 가능하다.

한편, 본 발명의 실시예에서 굴절률 변화형 렌즈(3600)를 이용하는 방법을 예시하였지만, 굴절률 변화형 렌즈(3600)와 파장선택성필터(3700)를 파장선택성필터가 코팅된 오목형 렌즈로 교체하는 것도 가능하다. 이러한 구조에서는 하나의 광섬유(3400)에서 발산된 레이저 빛 중에서 오목형의 렌즈 구조를 가지는 렌즈에 코팅된 파장선택성필터에 반사된 빛은 오목형 렌즈 형태에 의해 또 다른 광섬유(3450)로 집속되게 되어 이중 광섬유 시준화 렌즈(4000)의 기능을 수행하게 된다.

이와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖춘 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래의 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따르면, 2개 파장대역을 이용하여 광신호를 송수신하는 양방향 일체형 광소자 2개를 일체화하여 하나의 광섬유를 통해서 동시에 4개 파장대역의 광신호를 송수신하도록 하며, 이러한 양방향 통신용 광모듈 장치 2개를 하나의 트랜시버로 구현함으로써, 종래의 QSFP에서 필요한 12심의 광섬유가 아니라 단지 2심의 광섬유를 통하여 4개의 광신호를 송신하고 4개의 광신호를 수신하는 QSFP의 기능을 하게 함으로써 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

1000, 2000 : 광모듈장치
100 : 제 1 광소자
105 : 스템에서 전극핀을 스템과 결합하는 유리 밀봉재
110 : 스템 베이스 금속
111 : 스템 전극핀
120 : 쐐기형 서브마운트
130 : 레이저 다이오드 칩
131 : 레이저 다이오드용 서브마운트
140 : TO can형 패키지의 뚜껑 캡
150 : TO can형 패키지의 뚜껑에 설치되는 렌즈
160 : 45도 파장선택성필터
170 : 포토 다이오드 칩
171 : 포토 다이오드용 서브마운트
180 : 전치 증폭기
190 : 제 1 파장을 가지는 레이저 다이오드 칩
191 : 제 2 파장을 가지는 레이저 다이오드 칩
192 : 제 3의 파장을 가지는 레이저 다이오드 칩
193 : 제 4의 파장을 가지는 레이저 다이오드 칩
195 : 제 3 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩
196 : 제 4 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩
200 : 제 2 광소자
300, 3700 : 파장선택성필터
3000, 3100, 3400, 3450 : 광섬유
3300 : 외부 광섬유와 광결합하기 위한 receptacle
3600 : 굴절률 변화형 렌즈
3900, 3950 : 광경로

Claims

제 1 광축을 기초로 광신호를 송신하거나 수신 또는 동시에 송수신하는 제 1 광소자,
상기 제 1 광축과 직교하도록 형성된 제 2 광축을 기초로 광신호를 송신하거나 수신 또는 동시에 송수신하는 제 2 광소자,
상기 제 1 광축과 상기 제 2 광축이 교차하는 교차점에서 광신호의 송수신 경로를 결정하여 상기 제 1 광소자 및 상기 제 2 광소자 모두가 하나의 광섬유를 통해서 광신호를 송수신하도록 하는 파장선택성필터가 구비된 광모듈장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
2개의 파장의 광신호를 송신하거나 수신 또는 동시에 송수신하는 하는 제 1 광소자,
상기 제 1 광소자의 광신호 파장과 다른 2개 파장의 광신호를 송신하거나 수신 또는 동시에 송수신하는 제 2 광소자,
상기 제 1 광소자와 제 2 광소자는 광섬유로 연결되고, 상기 제 1 광소자는 일측에 배치된 파장선택성필터를 투과하여 외부와 연결되는 광섬유와 신호를 송수신하고, 상기 제 2 광소자는 상기 제 1 광소자의 일측에 배치된 파장선택성필터에 의한 반사를 통하여 외부와 연결하는 광섬유와 신호를 송수신하는 광모듈장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 2개의 광모듈장치는 하나의 트랜시버에 내장되어, 2개의 광섬유를 통하여 4개의 광신호를 송신하고 동시에 4개의 광신호를 수신할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 3 항에 있어서,
상기 2개의 광모듈장치 중 어느 하나의 광모듈장치의 제 1 광소자에는 제 1의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩과 제 2의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩이 배치되고, 상기 제 2 광소자에는 제 3의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩과 제 4의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩이 구비되며,
다른 하나의 광모듈장치의 제 1 광소자에는 제 1의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩과 제 2의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩이 배치되고, 상기 제 2 광소자에는 제 3의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩과 제 4의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩이 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 3 항에 있어서,
상기 2개의 광모듈장치 중 어느 하나의 광모듈장치의 제 1 광소자에는 제 1의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩과 제 2의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩이 배치되고, 상기 제 2 광소자에는 제 3의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩과 제 4의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩이 구비되며,
다른 하나의 광모듈장치의 제 1 광소자에는 제 1의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩과 제 2의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩이 배치되고, 상기 제 2 광소자에는 제 3의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩과 제 4의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩이 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 광소자에는 제 1의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩과 제 2의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩이 배치되고,
상기 제 2 광소자에는 제 3의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩과 제 4의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩이 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 광소자에는 제 1의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩과 제 2의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩이 배치되고,
상기 제 2 광소자에는 제 3의 파장을 발산하는 레이저 다이오드 칩과 제 4의 파장을 수신하는 포토 다이오드 칩이 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광신호의 송수신 경로는,
상기 파장선택성필터에서 이루어지는 상기 광신호에 대한 투과 및 반사에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 8 항에 있어서,
상기 하나의 광섬유를 통해서 송수신되는 광신호에는,
제 1 파장대역 및 상기 제 1 파장대역과 기 설정된 파장대역 만큼의 차이를 갖는 제 2 파장대역이 포함되며,
상기 파장선택성필터는,
상기 제 1 광소자 및 상기 제 2 광소자 중 어느 하나에서 송수신되는 광신호는 투과하고 나머지에서 송수신되는 광신호는 반사하여, 상기 제 1 광소자에서 상기 제 1 파장대역의 광신호를 송수신하도록 하며, 상기 제 2 광소자에서는 상기 제 2 파장대역의 광신호를 송수신하도록 하는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 파장대역 및 상기 제 2 파장대역의 광신호 각각에는 기 설정된 파장만큼 차이를 갖는 2개의 광신호 파장이 포함되며,
상기 제 1 광소자 및 상기 제 2 광소자 각각은 상기 2개 파장의 광신호를 동시에 송신하거나 동시에 수신 또는 동시에 송수신하는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 1 항 또는 제 3항에 있어서,
상기 파장선택성필터에는,
상기 제 1 광축과 상기 제 2 광축이 교차하는 교차점에서 상기 제 1 광축 및 상기 제 2 광축 각각에 대한 수직면을 기준으로 기 설정된 경사각을 갖는 경사면이 포함되며,
상기 경사면에서는,
서로 다른 파장대역을 갖는 광신호 중 어느 하나의 광신호가 반사되며, 반사되지 않은 나머지 광신호는 상기 제 1 광축 또는 상기 제 2 광축을 따라서 투과되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 파장선택성필터에는,
상기 제 1 광소자 및 제 2 광소자를 통하여 송수신되는 광신호의 광축이 서로 교차되는 교차점에서 각각의 광축으로부터 기 설정된 경사각을 갖는 경사면이 포함되며,
상기 경사면에서는,
서로 다른 파장대역을 갖는 광신호 중 어느 하나의 광신호가 반사되며, 반사되지 않은 나머지 광신호는 광축을 따라서 투과되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 3 항에 있어서,
상기 2개의 광모듈장치 중 적어도 어느 하나의 광모듈은 외부 광섬유와 광 결합하기 위한 receptacle을 통하여 광섬유와 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광섬유와 제 1 광소자 일측에 배치된 파장선택성필터 사이에는 렌즈가 배치되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 14 항에 있어서,
상기 렌즈는 굴절률 변화 렌즈(graded index lens)인 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.
제 14 항에 있어서,
상기 파장선택성필터는 상기 렌즈에 코팅되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광트랜시버.