KR20160109181A - lens for optical coupling - Google Patents

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KR20160109181A KR1020150033163A KR20150033163A KR20160109181A KR 20160109181 A KR20160109181 A KR 20160109181A KR 1020150033163 A KR1020150033163 A KR 1020150033163A KR 20150033163 A KR20150033163 A KR 20150033163A KR 20160109181 A KR20160109181 A KR 20160109181A
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허준영
이준기
강세경
이종현
이정찬
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한국전자통신연구원
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Abstract

Published is a lens for optical coupling which performs efficient optical coupling by changing the path of light at a desired angle when a flat optical waveguide is coupled with an optical element. The lens for optical coupling according to an aspect of the present invention, as a device for optically coupling an optical element with a flat optical waveguide, includes a convex part which has a trigonal prism comprising a first surface and a second surface which are vertical to each other, and an inclined surface, and protrudes from the inclined surface. A high-reflection coating is formed on the surface.

Description

광결합용 렌즈{lens for optical coupling}[0001] The present invention relates to a lens for optical coupling,

본 발명은 광결합용 렌즈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 평판형 광도파로와 광소자를 광결합시키는 광결합용 렌즈에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lens for optical coupling and, more particularly, to a lens for optical coupling that combines a planar optical waveguide with an optical element.

광통신을 하기 위해서는 전기 신호를 받아 광신호를 생성하거나 광신호를 수신하여 전기 신호를 생성하는 광트랜시버가 필요하다. 최근 스마트폰 사용자의 증가와 대용량 콘텐츠 기반의 서비스 확대로 인해 데이터 트래픽이 증가하여 광트랜시버의 전송용량을 증가시키기 위한 다양한 노력이 진행되고 있다.Optical communication requires an optical transceiver that receives an electrical signal and generates an optical signal or receives an optical signal to generate an electrical signal. Recently, various efforts have been made to increase the transmission capacity of the optical transceiver by increasing the data traffic due to the increase of the smart phone users and the expansion of the service based on the large capacity contents.

이 중 가장 대표적인 방법이 파장분할 다중(WDM: wavelength division multiplexing) 방식을 적용하는 것이다. 이 방법은 여러 개의 파장의 광신호들을 하나의 광섬유에 다중화하여 전송하는 방법이다. 그리고, 이러한 파장분할 다중 방식에서 평판형 광도파로와 발광소자나 수광소자와 같은 광소자를 효과적으로 결합시키려는 노력들이 활발히 진행되고 있다.The most typical method is wavelength division multiplexing (WDM). In this method, optical signals of several wavelengths are multiplexed on one optical fiber and transmitted. Efforts to effectively combine the planar optical waveguide with an optical device such as a light emitting device or a light receiving device in such a wavelength division multiplexing system are being actively pursued.

현재 평판형 광도파로와 광소자를 광결합시키는 대표적인 방법은 광소자를 광도파로에 접촉 결합(butt-coupling)하는 것이다. 이 방법은 수동 접합이 가능하다는 장점을 가진다. 하지만, 이 경우 광소자와 이에 전기적으로 연결되는 전자 소자의 경로가 90도로 꺾이게 되어 전기 신호 성능이 열화될 수 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 광도파로를 45도 각도로 연마하고 고반사 코팅을 하여 빛이 90로 꺾이도록 하는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법은 광도파로를 정확하게 45도로 연마해야 하며, 광의 경로가 길어지게 됨에 따라 빛을 모아주기 위한 별도의 렌즈가 필요하므로 능동 접합을 하여야 한다는 문제점이 있다.A typical method of optically coupling a planar optical waveguide to an optical waveguide is to butt-couple the optical waveguide to the optical waveguide. This method has the advantage of being capable of manual bonding. However, in this case, the path of the optical element and the electronic element electrically connected to the optical element is bent by 90 degrees, which may deteriorate the electric signal performance. In order to solve this problem, a method has been proposed in which the optical waveguide is polished at an angle of 45 degrees and highly reflective coated so that the light is bent to 90 degrees. However, in this method, the optical waveguide must be polished to 45 degrees exactly, and as the optical path becomes longer, a separate lens for collecting the light is needed, so that active bonding is required.

미국등록특허공보 제7,039,275호(2006. 06. 02.)U.S. Patent No. 7,039,275 (Jun. 02, 2006)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 평판형 광도파로와 광소자를 결합시킬 때, 광의 경로를 원하는 각도로 틀어서 결합시킴으로써 효율적으로 광결합시키는 광결합용 렌즈를 제공하는 데에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a lens for optical coupling that combines a planar optical waveguide and an optical element by optically coupling the optical path by turning the optical path at a desired angle, .

위의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 광결합용 렌즈는 평판형 광도파로에 광소자를 광결합시키는 장치로서, 서로 수직한 제1면과 제2면 그리고 경사면을 구비한 삼각기둥 모양으로 형성되고, 상기 경사면에서 돌출 형성되되 표면에는 고반사 코팅이 된 볼록부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical coupling lens for optically coupling an optical element to a planar optical waveguide, the optical coupling lens including a first surface, a second surface, and a triangular prism And a convex portion protruding from the inclined surface and having a highly reflective coating on its surface.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 제1면과 제2면에는 반사방지 코팅이 될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the first and second surfaces may be antireflective coatings.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 제1면 또는 제2면 중 어느 한 면에는 위치 정렬용 마크가 구비될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a position alignment mark may be provided on either the first surface or the second surface.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 광결합용 렌즈의 경사면 쪽 모서리는 뭉특하게 형성될 수 있다.According to still another aspect of the present invention, the slope side edge of the lens for optical coupling can be formed in a coarse manner.

본 발명에 따르면, 평판형 광도파로와 광소자가 높은 효율을 가지면서 수동 정렬방식으로 광결합될 수 있다.According to the present invention, the planar optical waveguide and the optical element can be optically coupled in a passive alignment manner with high efficiency.

또한, 멀티 채널을 가지는 광도파로에도 적용이 가능하며, 이 경우 접촉 결합의 정확성이 더욱 향상된다.Further, the present invention can be applied to an optical waveguide having multi-channels, and in this case, the accuracy of contact bonding is further improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결합용 렌즈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광결합용 렌즈의 측면 구조를 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 광결합용 렌즈를 이용하여 평판형 광도파로와 수광 소자를 광결합시킨 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 광결합용 렌즈를 이용하여 평판형 광도파로와 발광 소자를 광결합시킨 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광결합용 렌즈를 이용하여 평판형 광도파로와 발광소자를 광결합시킨 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 광결합용 렌즈에 위치 정렬용 마크가 형성된 것을 나타낸 도면이다.1 is a perspective view of a lens for optical coupling according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a side structure of the optical coupling lens shown in FIG. 1. FIG.
Fig. 3 is a view showing that a planar optical waveguide and a light receiving element are optically coupled using the optical coupling lens shown in Fig. 1. Fig.
FIG. 4 is a view showing that a planar optical waveguide and a light emitting device are optically coupled using the optical coupling lens shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a view showing that a planar optical waveguide and a light emitting device are optically coupled using a lens for optical coupling according to another embodiment of the present invention.
6 is a view showing a position alignment mark formed on the optical coupling lens according to the present invention.

전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명되는 실시 예들을 통해 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 대응되는 구성 요소들은 동일한 번호로 참조된다. 또한, 관련된 공지 기술에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 생각되는 경우 그에 대한 설명은 생략될 수 있다.The foregoing and further aspects will become apparent through the embodiments described with reference to the accompanying drawings. In the present specification, corresponding elements in each figure are referred to by the same numerals. In addition, if it is considered that the description of the related art may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the description thereof may be omitted.

먼저, 본 발명에 따른 광결합용 렌즈는 평판형 광도파로와 발광소자나 수광소자와 같은 광소자 사이에 배치되어, 평판형 광도파로와 광소자를 광결합시키는 장치이다.First, the optical coupling lens according to the present invention is a device for optically coupling a planar optical waveguide and an optical element, which is disposed between a planar optical waveguide and an optical element such as a light emitting element or a light receiving element.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결합용 렌즈의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 광결합용 렌즈의 측면 구조를 도시한 것이다.FIG. 1 is a perspective view of a lens for optical coupling according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side view of the lens for optical coupling shown in FIG. 1.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광결합용 렌즈(100)는 서로 수직한 제1면(110)과 제2면(120) 그리고 경사면(130)으로 이루어진 삼각기둥 모양으로 형성되고, 경사면(130)에서 돌출 형성되되 표면에는 고반사 코팅이 된 볼록부(140)를 포함한다. 광결합용 렌즈(100)는 사출 성형 등의 다양한 방법으로 제작될 수 있다. 이 경우, 볼록부(140)가 돌출 형성된 경사면(130), 제1면(110) 및 제2면(120)의 치수와 형상이 정확하게 제작될 수 있다. 따라서, 제1면(110)과 제2면(120) 부위를 이용하여 렌즈의 초점거리를 확보하면서 광도파로와 광소자가 용이하게 접촉 결합되도록 할 수 있다.1, the optical coupling lens 100 according to an embodiment of the present invention includes a triangular prism shape having a first surface 110, a second surface 120, and a sloped surface 130 perpendicular to each other, And a convex portion 140 protruding from the inclined surface 130 and having a highly reflective coating on its surface. The optical coupling lens 100 may be manufactured by various methods such as injection molding. In this case, the dimensions and shape of the inclined face 130, the first face 110, and the second face 120 on which the convex portion 140 is protruded can be accurately manufactured. Accordingly, the optical waveguide and the optical element can be easily brought into contact with each other while securing the focal distance of the lens by using the first surface 110 and the second surface 120.

볼록부(140)의 표면에는 고반사 코팅(145)이 되어 있으므로, 광결합용 렌즈(100)에 입사된 광은 볼록부(140)에서 반사되어 방향이 바뀐 후 렌즈(100) 외부로 나가게 된다. 볼록부(140)의 형상은 원하는 반사 각도에 따라 다양한 형상으로 제작될 수 있다.Since the highly reflective coating 145 is formed on the surface of the convex portion 140, the light incident on the optical coupling lens 100 is reflected by the convex portion 140, . The shape of the convex portion 140 can be formed in various shapes according to a desired reflection angle.

도 2에는 이러한 광결합용 렌즈(100)의 측면 구조가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광결합용 렌즈(100)는 직각 삼각형의 빗면에 볼록부(140)가 형성된 모습이다. 직각 삼각형의 양 끝각은 렌즈의 설계에 따라 조절될 수 있다. 2 shows a side view of such a lens 100 for optical coupling. As shown in FIG. 2, the optical coupling lens 100 according to the present invention has a convex portion 140 formed on the oblique angle of a right triangle. Both end angles of the right triangle can be adjusted according to the design of the lens.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 제1면(110)과 제2면(120)에는 반사방지 코팅(115, 125)이 될 수 있다. 제1면(110)과 제2면(120)에 반사방지 코팅(115, 125)을 하는 경우 광소자와 광도파로를 광결합시켰을 때, 광소자로부터 나온 빛이 모두 광도파로로 진입하거나, 광도파로에서 나온 빛이 모두 광소자로 들어가게 된다. 따라서, 광결합 효율이 향상된다.2, antireflective coatings 115 and 125 may be formed on the first and second surfaces 110 and 120, respectively. When the antireflection coatings 115 and 125 are formed on the first and second surfaces 110 and 120, when the optical element and the optical waveguide are optically coupled to each other, all the light from the optical element enters the optical waveguide, All of the light from the waveguide enters the optical device. Therefore, the optical coupling efficiency is improved.

도 3은 도 1에 도시된 광결합용 렌즈를 이용하여 평판형 광도파로와 수광 소자를 광결합시킨 것을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 1에 도시된 광결합용 렌즈를 이용하여 평판형 광도파로와 발광 소자를 광결합시킨 것을 나타낸 도면이다.Fig. 3 is a view showing that a planar optical waveguide and a light receiving element are optically coupled using the optical coupling lens shown in Fig. 1. Fig. 4 is a plan view showing a planar optical waveguide using the optical coupling lens shown in Fig. And the light emitting element are optically coupled.

도 3을 참조하여 설명하면, 전술한 바와 같이 이루어진 광결합용 렌즈(100)의 제1면(110)이나 제2면(120) 중 어느 한 면에 평판형 광도파로(20)를 접촉 결합하고, 다른 면에 Photo Diode 등의 수광소자를 접촉 결합하는 경우, 볼록부(140)에서 빛이 반사되어 광의 경로가 90도 변화된다. 그리하여, 수광소자(30)와 전기 소자(40)간의 전기 신호 경로는 직선으로 된다. 따라서, 광 경로를 효과적으로 변환하면서 접촉 결합을 통한 수동 정렬이 가능하게 된다. 도 3에서는 제1면(110)에 평판형 광도파로(20)가 접촉 결합되고, 제2면(120)면에 수광소자가 접촉 결합되어 있다.Referring to FIG. 3, the planar optical waveguide 20 is contact-coupled to either the first surface 110 or the second surface 120 of the optical coupling lens 100 as described above And when a light receiving element such as a photodiode or the like is contact-coupled to the other surface, light is reflected by the convex portion 140 and the light path is changed by 90 degrees. Thus, the electric signal path between the light receiving element 30 and the electric element 40 becomes a straight line. Thus, passive alignment through contact bonding is possible while effectively converting the optical path. In FIG. 3, the planar optical waveguide 20 is contact-coupled to the first surface 110, and the light receiving element is contact-coupled to the second surface 120.

한편, 도시된 그림에서는 전자소자(40)가 광결합용 렌즈(100)옆에 별도로 설치되어 있으나, 광결합용 렌즈 위에 설치될 수도 있다. 특히나 수광소자의 경우에는 그 크기가 작기 때문에 빛의 경로를 방해하지 않고 광결합용 렌즈 위에 설치될 수도 있다. 그 경우 광 소자와 전기 소자를 연결하는 와이어의 길이가 짧아지므로 비용이 절감된다.In the drawing, the electronic device 40 is provided separately on the side of the optical coupling lens 100, but may be provided on the optical coupling lens. In particular, in the case of a light receiving element, since it is small in size, it may be provided on a lens for optical coupling without disturbing the path of light. In this case, the length of the wire connecting the optical element and the electric element is shortened, thereby reducing the cost.

한편, 도시되지는 않았지만, 제2면에 광도파로를 접촉 결합하는 경우 빛이 아래 방향으로 꺾이게 된다. 따라서 사용자는 수광소자를 광결합용 렌즈의 하부에 접합하여 사용할 수 있다. 이처럼 광결합용 렌즈와 광도파로의 결합 방향을 변경함으로써 광의 경로를 위 또는 아래로 변환할 수 있으므로, 설계의 폭이 넓다.Meanwhile, though not shown, when the optical waveguide is contact-coupled to the second surface, the light is bent downward. Therefore, the user can use the light receiving element bonded to the lower portion of the optical coupling lens. By changing the coupling direction of the optical coupling lens and the optical waveguide as described above, the path of the light can be changed to the up or down direction, and therefore the design width is wide.

도 4에 도시된 바와 같이, 수광 소자 대신 Laser Diode와 같은 발광 소자(35)를 접촉 결합하는 경우에도, 발광 소자(35)에서 나온 빛이 볼록부(140)에서 반사되어 광 경로가 90도 변환되므로, 광 경로를 효과적으로 변환하면서 접촉 결합을 통한 수동 정렬이 가능하게 된다.4, the light emitted from the light emitting element 35 is reflected by the convex portion 140 so that the light path is converted into a 90 degree conversion even when the light emitting element 35 such as a laser diode is contact- So that it is possible to perform manual alignment through contact coupling while effectively converting the optical path.

위와 같이 본 실시예와 같은 광결합용 렌즈를 사용하는 경우 발광 소자에서 나온 빛이 90도 변환된 후 광도파로로 진입하거나, 광도파로에서 나온 빛이 90도 변환된 후 수광 소자로 들어가므로 광소자와 전기 소자간의 전기 신호 경로가 직선으로 된다. 따라서, 전기 신호 성능이 열화되는 일 없이 광소자와 광도파로를 접촉 결합시킬 수 있다. 즉, 평판형 광도파로와 광소자가 높은 효율을 가지면서 수동 정렬방식으로 광결합될 수 있다.As described above, in the case of using the optical coupling lens according to the present embodiment, since the light emitted from the light emitting element is converted into 90 degrees and entered into the optical waveguide, or 90 degrees after the light from the optical waveguide is converted into the light receiving element, And the electric signal path between the electric elements becomes a straight line. Therefore, the optical element and the optical waveguide can be contact-coupled without deteriorating the electric signal performance. That is, the planar optical waveguide and the optical device can be optically coupled with the high efficiency and the passive alignment method.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광결합용 렌즈를 이용하여 평판형 광도파로와 발광소자를 광결합시킨 것을 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a view showing that a planar optical waveguide and a light emitting device are optically coupled using a lens for optical coupling according to another embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 결합용 렌즈(100)의 경사면(130) 쪽 모서리는 뭉툭하게 형성될 수 있다. 이 경우 광 소자(35)와 전기 소자(40)를 연결하는 와이어(37)의 길이를 짧게 할 수 있다. 따라서, 비용을 절감할 수 있다.As shown in FIG. 5, the edge of the coupling lens 100 according to the present invention may be bluntly formed. In this case, the length of the wire 37 connecting the optical element 35 and the electric element 40 can be shortened. Therefore, the cost can be reduced.

도 6은 도 1에 도시된 광결합용 렌즈에 위치 정렬용 마크가 형성되어 있는 것을 나타낸 도면이다.Fig. 6 is a view showing that the alignment mark is formed on the optical coupling lens shown in Fig. 1. Fig.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 결합용 렌즈(100)의 제1면(110) 또는 제2면(120) 중 어느 한 면에는 위치 정렬용 마크(50)가 마련될 수 있다. 위치 정렬용 마크(50)는 발광 소자나 수광 소자를 렌즈에 정확히 결합하기 위해 결합 위치를 표시해주는 것이다. 사용되는 마크는 렌즈 설계 상 최대의 효율을 낼 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 형상은 도 5에 도시된 것과 같이 다양한 형상이 될 수 있다. 이와 같이 위치 정렬용 마크를 더 포함하는 경우 광소자를 정확한 위치에 결합할 수 있기 때문에 광결합 효율이 향상될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the alignment mark 50 may be provided on either one of the first surface 110 or the second surface 120 of the coupling lens 100. The position alignment mark 50 is used to indicate a coupling position for accurately coupling the light emitting element or the light receiving element to the lens. The marks used can be formed at positions that can achieve the maximum efficiency in lens design. The shape can be various shapes as shown in Fig. When the position alignment mark is further included, the optical element can be coupled to the correct position, so that the optical coupling efficiency can be improved.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation and that those skilled in the art will recognize that various modifications and equivalent arrangements may be made therein. It will be possible. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.

20: 광도파로 30: 수광 소자
35: 발광소자 37: 와이어
40: 전기 소자 50: 위치 정렬용 마크
100: 광결합용 렌즈 110: 제1면
115, 125: 반사방지 코팅 120: 제2면
130: 경사면 140: 볼록부
145: 고반사 코팅20: optical waveguide 30: light receiving element
35: light emitting element 37: wire
40: electric element 50: mark for alignment
100: optical coupling lens 110: first surface
115, 125: antireflection coating 120: second side
130: sloped surface 140:
145: High reflective coating

Claims (4)

평판형 광도파로에 광소자를 광결합시키는 장치로서,
서로 수직한 제1면과 제2면 그리고 경사면을 구비한 삼각기둥 모양으로 형성되고, 상기 경사면에서 돌출 형성되되 표면에는 고반사 코팅이 된 볼록부를 포함하는 광결합용 렌즈.A device for optically coupling an optical element to a planar optical waveguide,
And a convex portion formed in a triangular prism shape having a first surface, a second surface and an inclined surface perpendicular to each other and protruding from the inclined surface and having a highly reflective coating on its surface. 제1항에 있어서,
상기 제1면과 제2면에는 반사방지 코팅이 된 것을 특징으로 하는 광결합용 렌즈.The method according to claim 1,
Wherein the first and second surfaces have antireflection coatings. 제1항에 있어서,
상기 제1면 또는 제2면 중 어느 한 면에 위치 정렬용 마크가 형성된 것을 특징으로 하는 광결합용 렌즈.The method according to claim 1,
Wherein a position alignment mark is formed on either one of the first surface and the second surface. 제1항에 있어서,
상기 광결합용 렌즈의 경사면 쪽 모서리가 뭉특하게 형성된 것을 특징으로 하는 광결합용 렌즈.The method according to claim 1,
And the optical coupling lens has a slanting edge formed on the slant side.
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