WO2015076469A1 - 좁은 파장 간격의 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조 - Google Patents

좁은 파장 간격의 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조 Download PDF

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WO2015076469A1
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laser light
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김정수
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주식회사 포벨
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Definitions

  • the present invention relates to an optical module package structure for bidirectional communication, and more particularly, to a narrow wavelength by inserting a wavelength selective filter on a light emitting device package optical transmission path in which parallel light is emitted and an optical reception path in which light emitted from an optical fiber has parallel light.
  • the present invention relates to a package of an optical module for bidirectional communication having a gap.
  • the wavelength division multiplexing (WDM) optical communication that transmits light having various wavelengths simultaneously through one optical fiber by using the characteristics of the light is preferred.
  • the optical communication of the WDM method is a very economical communication method in that the optical fiber, which is a signal transmission medium, can be shared, thereby reducing the cost of laying the optical fiber.
  • the line width of the laser light used for communication must be very narrow.
  • a representative method is to insert a lattice of refractive index change into the laser diode chip.
  • the laser diode chip manufactured by this method is distributed through the DFB-LD (Distributed feedbacl laser diode). Is called. DFB-LD is easily becoming the most important laser diode of wavelength multiplexing by easily performing 10Gbps high speed communication. However, DFB-LD is used in the wavelength multiplexing method where the wavelength is changed to about 0.1nm / °C according to the use environment temperature and the wavelength is changed by about 9nm at the use environment temperature of -20 ⁇ 70 °C. . In addition to this method, a laser light source having a narrow wavelength line width may be manufactured by injecting an external light source into a fabric-perot laser diode (FP-LD).
  • FP-LD fabric-perot laser diode
  • This method does not determine the wavelength in the laser diode chip, but determines the wavelength from the outside, there is an advantage that there is no wavelength shift in accordance with the change in the use temperature of the laser diode chip.
  • the wavelength multiplexing method using the external light source injection method can operate only at a low speed of 2.5 Gbps, and cannot be used at an operating speed of 10 Gbps or 5 Gbps.
  • FTTH fiber to the home
  • the optical fiber is drawn inside the subscriber's home for optical communication, and the optical signal is generated inside the subscriber's home and the optical signal transmitted from the base station of the optical communication is converted into an electrical signal.
  • Downlink optical communication is required.
  • a method of performing the uplink and downlink optical communication there is a method of separately installing and using an optical fiber for processing an uplink optical signal and an optical fiber for processing a downlink optical signal, but this method causes waste of optical fibers.
  • BiDi module a bidirectional optical communication method for transmitting an uplink optical signal and a downlink optical signal through one strand of optical fiber. Integrates the optical receiving device that receives the optical signal transmitted downward through the optical fiber and converts it into an electrical signal and the optical transmission device that converts the electric signal into an optical signal and transmits it through the optical fiber so that optical coupling with one optical fiber occurs. Modules collectively referred to as BiDi module.
  • the wavelength of light emitted from the TO-type optical transmitting device 100 which is installed in the optical module housing 10 for bidirectional communication and transmits an optical signal to the optical fiber core 310, is 1550 nm.
  • the wavelength of light transmitted downward from the core 310 and incident on the TO-type light receiving device 200 is assumed to be 1300 nm.
  • the wavelength selective filter 500 having an inclination angle of 45 ° with respect to the incident laser light in FIG. 1 transmits a wavelength of 1550 nm by alternately depositing a dielectric film having a relatively high refractive index and having a low refractive index in a plurality of layers.
  • a wavelength of 1300 nm can be manufactured to have wavelength selectivity for reflection.
  • the laser light having a wavelength of 1550 nm emitted from the TO-type optical transmitting element 100 passes through the 45 ° wavelength selective filter 500 as it is, thereby converging the optical signal light to the optical fiber core 310, where the optical signal The traveling path is the same as 400.
  • the downward light having a wavelength of 1300 nm emitted from the optical fiber core 310 enters the TO-type light receiving device 200 at a 90 ° direction in which the 45 ° wavelength selective filter 500 reflects light of the 1300 nm wavelength. Therefore, by using the optical module for bidirectional communication as shown in FIG. 1, the up and down transmission of signals is simultaneously performed using one optical fiber core 310.
  • Conventional bidirectional communication optical module uses a 45 ° wavelength selective filter 500 having an angle of 45 ° with respect to the laser light propagation direction to selectively transmit or reflect light depending on the wavelength of the optical path. Will be determined.
  • the 45 ° wavelength selective filter 500 has a band of wavelengths that are transmitted or reflected depending on the angle of incidence of light, and the polarization state of light incident on the 45 ° wavelength selective filter 500.
  • the band of wavelengths that are transmitted or reflected varies. Therefore, in order to stably transmit or reflect a specific wavelength, a band for stably transmitting or reflecting light stably transmits and reflects irrespective of the polarization and the angle of incidence of the laser light incident on the 45 ° wavelength selective filter 500.
  • the wavelength of the laser light of the reception must be determined.
  • FIG. 2 shows a transmission / reflectance curve according to a polarization state of light incident on a wavelength selective filter having an incident angle of 45 ° with respect to an optical axis of an advancing light.
  • the transmission wavelength varies depending on the polarization state. That is, even though they have the same wavelength, transmission and reflection are determined according to the polarization state. Therefore, in order to determine transmission and reflection according to the wavelength irrespective of polarization, outside the wavelength shift band due to polarization as shown in FIG.
  • the wavelength must be determined, and the wavelength within this wavelength shift band has the characteristic that a part of the light to be transmitted completely reflects, or a part of the light to be completely reflected occurs due to polarization, thereby causing interference between transmission and reception signals. This results in deterioration of the characteristics of the optical transmission module.
  • the wavelength shift band due to such polarization will be referred to as guardband. Therefore, when the 45 ° wavelength selective filter (500) is used, there is a wavelength gap of at least 20 nm between the transmitting and receiving wavelengths, and the wavelength gap is not used for optical communication. Decreases the efficiency.
  • the change in the transmission / reflection characteristics of the wavelength due to polarization disappears completely when light enters the wavelength selective filter vertically.
  • the change in the transmission / reflection characteristics due to polarization changes. It is insignificant.
  • 2B is an example of a transmission reflection characteristic curve according to the wavelength when the angle between the repair of the wavelength selective filter and the incident laser light is 5 °.
  • transmission / reflection wavelength mobility due to polarization is 1 nm or less, which is very small compared to 20 nm guardband at 45 ° incidence.
  • the smaller the angle between the repair of the wavelength selective filter and the optical axis of the incident laser light the smaller the wavelength can be separated.
  • the transmission / reflection characteristics according to the wavelength of the wavelength selective filter vary depending on the polarization and also depending on the incident angle.
  • the optical module for bidirectional optical communication of FIG. 1 is directly focused on the optical fiber core 310 by the lens 150 attached to the TO type optical transmitting element 100, and the laser light emitted from the optical fiber core 310 has a wavelength.
  • the selective filter 500 is focused on the photodiode chip 210 by the lens 250 of the TO-type light receiving device 200. In this process, since the incident angle is not the same when the laser light emitted from the optical fiber core 310 is incident on the wavelength selective filter 500, it is difficult to apply to a wavelength multiplexing method having a narrow wavelength interval.
  • This problem is made after the laser beam emitted from the TO-type optical transmitting device 100 as a parallel light as shown in Figure 3 after passing through the wavelength selective filter 510 having an inclination angle of 3 ° to 10 ° with respect to the incident laser light
  • the optical fiber side lens 350 is used to focus the optical fiber core 310, and the laser light emitted from the optical fiber core 310 is converted into parallel light via the optical fiber side lens 350, and then the wavelength selective filter 510 is used.
  • the narrow wavelength interval can be effectively separated.
  • the first problem is that the distributed feedback laser diode (DFB-LD), which is mainly used in the TO type optical transmitter 100 in a dense wavelength division multiplexing (DWDM) system, separates a narrow wavelength interval by varying the wavelength depending on the use temperature. This is a problem that can cause unwanted reflections in the wavelength selective filter.
  • DFB-LD distributed feedback laser diode
  • DWDM dense wavelength division multiplexing
  • the inclination angle of the wavelength selective filter 510 when the inclination angle of the wavelength selective filter 510 is not 45 ° with respect to the laser light 460 incident on the wavelength selective filter 510, the light reflected by the wavelength selective filter 510 is reflected between the optical transmitter and the optical fiber. It will not have a 90 ° angle to the furnace.
  • the laser light emitted from the optical transmitter and the laser light incident to the optical receiver are orthogonal.
  • the reflective mirror 550 of FIG. 3 is further disposed to emit the laser light emitted from the optical transmitter 100.
  • the direction 400 of the direction and the direction of the laser light incident on the light receiving device 200 may be orthogonal.
  • the optical transmitting element should be disposed only in a region where the laser light traveling between the wavelength selective filter 510 and the optical fiber core 310 and the laser light reflected by the wavelength selective filter 510 are completely separated from each other.
  • the laser light 400 emitted from the optical fiber core 310 may be effectively focused on the optical fiber core 310, and the laser light emitted from the optical fiber core 310 may be effectively focused on the light receiving device 200.
  • a large angle for example, 20 ° to 45 °
  • the guardband wavelength bandwidth due to polarization is widened, resulting in a narrow wavelength. Bidirectional optical communication using laser light at intervals becomes difficult.
  • FIG. 4 shows a general structure of an optical transmitter for emitting laser light having parallel light characteristics by using a conventional TO optical transmitter.
  • the cap 140 to which the lens 150 is attached is attached to the stem 120 by electric resistance welding.
  • the lower part of the cap 140 is attached to the stem 120 with strong heat and pressure.
  • the process of fusion is used, and mechanical deformation of the lower end of the cap 140 occurs. Mechanical deformation of the lower portion of the cap 140 that occurs during the fusion of the cap 140 and the stem 120 is very difficult to adjust.
  • the distance between the lens 150 and the laser diode chip 110 is advantageous in order to facilitate the adjustment of the parallelism and the emission angle of the parallel light after passing through the lens 150 attached to the cap 140.
  • the size of the laser light converted into parallel light is increased, the size of the optical module for bidirectional communication has a disadvantage. Accordingly, it is difficult to effectively convert the laser light emitted from the optical transmitter using the cap 140 to which the conventional lens 150 is attached to parallel light having a diameter of the laser light beam smaller than 0.6 mm.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-1119491 (2012.02.16)
  • the present invention is to solve the problems of the prior art, the purpose of the q name is to make the optical axis of the optical transmitting element and the optical receiving element orthogonal, but it is possible to separate the laser light of a narrow interval wavelength and operating speed It is to provide an optical module structure for ultra-high speed, small size bi-directional communication of more than 5Gbps.
  • DFB-LD is used as the laser light source for the ultra-high speed optical communication of 5Gbps or more and the wavelength multiplexing optical communication having a narrow interval of several nm, but the thermoelectric element is mounted inside the TO type optical transmitter. Then, the DFB-LD laser diode chip and the lens are disposed on the upper side of the thermoelectric element, and the laser light emitted from the DFB-LD using the lens is adopted as a parallel light.
  • the light emitting port of the TO-type optical transmitting element adopts a method using a flat window.
  • the flat window is preferably made of a glass material, it is preferable that the anti-reflective coating on both sides.
  • the optical axis of the wavelength selective filter is arranged so that the optical axis is shifted by 3 ° to 10 ° with respect to the laser light incident on the wavelength selective filter, so that the interval of the separation wavelength due to polarization is not widened by 3 nm or more. Two-way communication is possible using laser light.
  • the laser light emitted from the optical transmitting element as parallel light is focused on the optical fiber core by the optical fiber lens, and the laser light emitted from the optical fiber core is converted to parallel light by the optical fiber lens and then the wavelength selective filter Let's proceed.
  • a reflection mirror is disposed on the path of light emitted from the optical fiber and reflected by the wavelength selective filter so that the optical signal reflected from the reflection mirror is perpendicular to the optical axis of the laser light emitted from the optical transmitting element. After that, the laser light reflected from the reflection mirror is focused on the light receiving element.
  • the optical module for bidirectional communication in order to minimize the volume of the optical module for bidirectional communication has an opening 1 to 2 times larger than the diameter of the light emitted from the optical transmitting element between the optical fiber lens and the wavelength selective filter to attach a reflective mirror on one side Arrange instruments with flat surfaces.
  • the optical module package structure for bidirectional communication is capable of ultra-high speed communication of 5Gbps or 10Gbps using DFB-LD, which is advantageous for high-speed communication and wavelength multiplexing, and has a wavelength gap of up and down laser light of 1 nm to 2 nm or more.
  • Bidirectional communication is possible by using an optical signal having a very narrow wavelength interval, which makes it possible to effectively use an optical fiber.
  • the thermoelectric element is mounted inside the optical transmission element to stabilize the wavelength of the optical transmission DFB-LD, thereby enabling bidirectional communication with a narrow wavelength interval, and the laser light emitted from the laser diode chip and the laser diode chip on the thermoelectric element.
  • Attached lens to convert the parallel light can effectively convert the laser light for transmitting light into parallel light, and can effectively control the diameter of the parallel light emitted from the laser diode chip to manufacture a compact optical module for bidirectional communication.
  • the reflective mirror can be attached to the optical path between the laser diode chip and the optical fiber as closely as possible to manufacture a compact optical module for bidirectional communication.
  • 2 (a) is a polarization state of the incident light in the wavelength selective filter having an inclination angle of 45 ° with respect to the optical axis of the incident light and transmittance according to the wavelength
  • 2 (b) is a polarization state of the incident light in the wavelength selective filter having a tilt angle of 5 ° with respect to the optical axis of the incident light and transmittance according to the wavelength
  • 3 is an optical module for bidirectional communication when the wavelength selective filter has an inclination angle of 7 ° with respect to light incident on the wavelength selective filter;
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a TO type laser diode optical transmitting device that does not include a conventional thermoelectric device
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of a TO type laser diode optical transmitting device having a flat window according to the present invention and including a thermoelectric element and a collimating lens therein;
  • FIG. 6 is an embodiment of an optical module for bidirectional communication according to the present invention.
  • optical module 7 is another embodiment of the optical module for bidirectional communication according to the present invention.
  • FIG. 9 illustrates an embodiment of a metal appliance having a reflective mirror mounted on one side thereof, a space in which an optical fiber lens is pressed, and a through hole through which laser light penetrates.
  • Figure 5 shows an optical transmission device for emitting parallel light having a small diameter and excellent parallelism, an embodiment of the present invention.
  • the diameter of the laser beam is defined as the distance of the point where the intensity of the laser beam becomes 1 / e ⁇ 2.
  • the thermoelectric element 170 is disposed on the stem 120 of the TO package, and the DFB-LD laser diode chip 110 and the laser diode chip 100 are disposed on the thermoelectric element 170.
  • a lens 180 is disposed to convert the emitted laser light into parallel light.
  • the lens 180 is fixedly disposed with epoxy or solder, and the attachment of the lens 180 by epoxy or solder is not a method of applying an impact, and the divergence point of the laser diode chip 110 is disposed at the focal length of the lens 180.
  • High precision light alignment is possible, and precise lens 180 fixation is possible so that the deformation of the fixed position is small after precise alignment of the lens 180. Since the method of fixing the lens 180 with epoxy or solder can control the position of the lens 180 very precisely, the characteristics of parallel light can be easily obtained even using a lens having a short focal length.
  • the diameter of the laser light converted into parallel light becomes smaller, so that the light traveling between the wavelength selective filter and the optical fiber and the light reflected by the wavelength selective filter can be easily separated locally.
  • Compact optical module for bidirectional communication can be manufactured.
  • the temperature of the laser diode chip 110 is constant by the thermoelectric element 170 irrespective of the external environmental temperature, the oscillation wavelength of the laser diode chip 110 according to the external environmental temperature As it is not changed, bidirectional optical communication can be achieved by using laser light with a narrow wavelength interval.
  • FIG 6 is an embodiment of an optical module for bidirectional communication according to the present invention.
  • the reflection mirror 550 for transmitting the laser light reflected by the wavelength selective filter 510 to the optical receiving element 200 starting from the optical fiber core 310 is the wavelength selective filter 510.
  • the optical axis of the laser light traveling between the optical fiber core 310 as close as possible.
  • the optical fiber side lens 350 for converting laser light emitted from the optical fiber core 310 into parallel light has a lens portion diameter of about 1.5 mm and an outer diameter of the metal apparatus including the lens is about 3 mm. For example, as shown in FIG.
  • the diameter of the laser beam is 0.6 mm, and when the reflective mirror 550 is to be disposed on the side of the optical lens 350, the light reflected by the wavelength selective filter 510 is reflected mirror 550. ), When the reflected light has a distance of at least 2.1 mm, the reflection of the laser light may be caused by the reflection mirror 550 disposed on the side of the optical fiber side lens 350.
  • the wavelength selective filter 510 is inclined by about 7 ° with respect to incident light, the distance from the wavelength selective filter 510 to the reflection mirror should be at least 8 mm, as shown in FIG.
  • the size of the module housing 10 is about 13 mm. In order to minimize the size of the optical module housing 10 for bidirectional communication, it is preferable that the reflection mirror is disposed as close as possible to the path of the laser light.
  • a through-hole is formed in the metal appliance 600 to which the reflective mirror 550 is attached, and a flat surface for attaching the reflective mirror 550 to the outer periphery of the metal appliance 600 is provided.
  • the laser light passing between the wavelength selective filter 510 and the optical fiber core 310 passes through the through-hole of the metal device 600, and a reflection mirror is formed on the side of the metal device 600.
  • 550 may be adopted.
  • the through hole of the metal device 600 is preferably slightly larger than the diameter of the laser light, it is preferable that the diameter of the through hole has a diameter of 1 to 2 times the diameter of the laser beam.
  • the diameter of the through hole is preferably larger than the diameter of the laser light, but if the diameter of the through hole is too large, there is a disadvantage that the reflective mirror 550 is far from the optical axis of the laser light. Therefore, the method of adjusting the diameter of the through hole to be 1.1 to 1.5 times larger than the diameter of the laser light can effectively reduce the optical loss due to errors such as optical alignment, and at the same time, the reflection mirror is closest to the optical axis.
  • the laser light has a Gaussian beam intensity form and the diameter of the laser beam is given by the distance between the points falling 1 / e ⁇ 2 at the highest intensity of the light.
  • the distance from the wavelength selective filter 510 to the reflection mirror 550 is reduced to 4.7 mm and the length of the optical module housing 10 for bidirectional communication is reduced to 11.9 mm.
  • the diameter of the space portion of the metal device 610 into which the optical fiber side lens 350 is to be inserted is made about 5 to 30 ⁇ m larger than the diameter of the optical fiber side lens 350, but the through-holes and axes of the metal device 610 coincide with each other.
  • the optical axis of the optical fiber side lens 350 and the optical axis of the metal fitting 610 can be easily matched.
  • the optical fiber side lens 350 is manufactured to be inserted into the metal apparatus 610 used as the support of the reflective mirror 550 as shown in FIG. 8, the axis of the through-hole of the optical fiber side lens 350 and the metallic apparatus 610 is adjusted.
  • the size of the optical module housing 10 for bidirectional communication can be further reduced.
  • the distance from the wavelength selective filter 510 to the reflection mirror 550 may be 4.7 mm, but the size of the optical module housing 10 for bidirectional communication may be reduced to 10.3 mm as shown in FIG. 7.
  • FIG 9 shows a state in which the reflective mirror 550 is mounted on the metal device 610 having a space for mounting the optical fiber-side lens and having a flat surface to which the reflective mirror can be attached.
  • thermoelectric element for converting the divergent light emitted from the optical transmitting laser diode chip and the laser diode chip into parallel light is disposed on the thermoelectric element.
  • the reflective mirror is attached to one side of the manufactured metal fixture by minimizing the diameter of the parallel light and inserting and fixing the optical fiber lens into the metal fixture with the through hole, and it is emitted from the optical fiber through the reflective mirror
  • the optical module structure for bidirectional communication which has a characteristic of focusing a received light signal reflected by a wavelength selective filter and converted into parallel light by a lens to an optical receiving element, has a stable oscillation wavelength of an optical transmission laser diode chip, Because of this, wavelength separation is easy in wavelength selective filter and its volume is very small. There is a rising characteristic.
  • wavelength selective filter having an inclination angle of 45 ° with respect to incident laser light
  • wavelength selective filter having an inclination angle of 3 ° to 10 ° with respect to the incident laser light

Abstract

본 발명은 광통신용 광송신소자와 광수신소자가 하나의 패키지 하우징에 내장되어 광신호의 전송과 수신을 동시에 수행하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 파장 간격이 수 nm 인 두 개의 상·하향 광신호를 분리할 수 있는 좁은 간격의 파장을 이용한 양방향 통신용 광모듈 패키기 구조에 관한 것으로, 본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조는 TO(transistor outline)형 또는 mini-flat형 등의 레이저 다이오드 칩을 포함하는 발광용 광소자 패키지에서 레이저 다이오드 칩에서 미리 정해진 방사각을 가지며 발산하는 레이저 빛을 평행광으로 전환시키는 렌즈가 장착되며 발광용 광소자 패키지는 평판형의 윈도우로 밀봉되는 특징을 가진다.

Description

좁은 파장 간격의 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조
본 발명은 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조에 관한 것으로, 특히 평행광이 방출되는 발광소자 패키지 광송신 경로와 광섬유에서 방출된 빛이 평행광의 형태를 가지는 광수신 경로 상에 파장 선택성 필터를 삽입하여 좁은 파장 간격을 갖도록 하는 양방향 통신용 광모듈의 패키지에 관한 것이다.
근래에 들어 대용량의 정보 전송 및 고속의 정보 통신을 위하여 빛을 정보 전송의 매개로 하는 광통신이 일반화되어 있다. 근래에 있어서 가로 길이 및 세로 길이가 각각 0.3mm 정도인 반도체 레이저 다이오드 칩을 이용하여 손쉽게 10Gbps(giga bit per sec)의 전기 신호를 레이저 빛으로 변환할 수 있으며, 반도체 광 광수신소자를 이용하여 광섬유를 통해 전송되어오는 광신호를 전기신호로 손쉽게 변환할 수 있다. 빛은 매우 특이한 특성을 갖는 에너지파로서 어느 한 지역에 동시에 존재하는 여러 빛들이 서로 상호 작용을 하기 위해서는 상호 작용의 대상이 되는 빛들이 동일한 파장을 가지거나, 빛의 위상(phase)이 맞아야 하며, 또한 진행 방향이 일치하여야 한다. 그러므로 빛은 서로 간의 간섭성이 매우 떨어지며 이러한 빛의 특성을 이용하여 여러 가지 파장을 갖는 빛을 동시에 하나의 광섬유를 통하여 전송하는 파장분할(Wavelength division multiplexing: WDM) 방식의 광통신이 선호되고 있다. 이러한 WDM 방식의 광통신은 신호의 전송 매질인 광섬유를 공유할 수 있게 해줌으로써 광섬유 포설에 따른 비용을 줄여준다는 점에서 매우 경제적인 통신 방법이다. 이러한 파장 다중화 방식을 사용하기 위해서는 통신에 사용되는 레이저 빛의 선폭이 매우 좁아야 한다. 이러한 좁은 선폭의 레이저 광원을 제작하는 여러 가지 방법이 있는데 그 중 대표적인 방법은 레이저 다이오드 칩 내에 굴절률의 변화 격자를 삽입하는 방법으로, 이러한 방법으로 제작된 레이저 다이오드 칩을 DFB-LD(Distributed feedbacl laser diode)라 한다. DFB-LD는 10Gbps급의 초고속의 통신을 용이하게 수행하여 현재 파장 다중화 방식의 가장 중요한 레이저 다이오드로 대두되고 있다. 그러나 DFB-LD는 사용 환경 온도에 따라 파장이 0.1nm/℃ 정도로 변화하여 -20∼70℃의 사용 환경 온도에서 파장이 9nm 정도 바뀌게 됨으로써 최소한 20nm 정도의 파장 간격이 존재하는 파장 다중화 방식에 사용되고 있다. 이러한 방식 이외에 FP-LD(Fabry-Perot laser diode)에 외부 광원을 주입하여 파장 선폭이 좁은 레이저 광원을 제작할 수 있다. 이러한 방식은 레이저 다이오드 칩에서 파장을 결정하는 것이 아니라 외부에서 파장을 결정하므로 레이저 다이오드 칩의 사용 온도 변화에 따라 파장 이동이 없다는 장점이 있다. 이러한 외부 광원 주입 방식의 파장 다중화방식은 2.5Gbps급의 저속에서만 동작이 가능하고 10Gbps급은 물론 5Gbps급의 동작 속도에서도 사용이 불가능하다.
근래에는 광섬유를 통신 가입자의 집 내부까지 연결하는 FTTH(fiber to the home)가 일반화 되어가고 있는 추세이다. 광섬유를 통신 가입자의 집 내부까지 끌어들여 광통신을 하는 FTTH 방식에서는 통신 가입자의 집 내부에서 광신호를 생성하여 광통신의 기지국으로 보내는 상향 광통신과 광통신의 기지국에서 전송되어 오는 광신호를 전기신호로 바꾸어주는 하향 광통신이 필요하다. 이러한 상·하향 광통신을 수행하는 방법으로 상향 광신호를 처리하는 광섬유와 하향 광신호를 처리하는 광섬유를 별도로 포설하여 사용하는 방법이 있지만 이러한 방법은 광섬유의 낭비를 가져오게 된다. 그러므로 최근에는 한 가닥의 광섬유를 통하여 상향 광신호 및 하향 광신호를 전송하는 양방향(bidirectional) 광통신 방법이 널리 채택되고 있다. 광섬유를 통하여 하향 전송되어 오는 광신호를 수신하여 전기 신호로 바꾸어주는 광수신 소자와, 전기신호를 광신호로 바꾸어 광섬유를 통하여 전송하는 광 송신 소자를 일체화하여 하나의 광섬유와 광 결합이 일어나도록 제작된 모듈을 통칭하여 BiDi 모듈이라고 일컬어지고 있다.
도 1은 종래 일반적인 BiDi 모듈의 구조를 보이고 있다.
이하, 도 1을 설명하는데 있어 양방향 통신용 광모듈 하우징(10)에 설치되어 광섬유 코어(310)로 광신호를 상향 전송하는 TO형 광송신소자(100)에서 방출되는 빛의 파장이 1550nm이며, 광섬유 코어(310)에서 하향 전송되어 TO형 광수신소자(200)로 입사하는 빛의 파장을 1300nm로 가정하여 설명한다. 도 1에서 입사하는 레이저 빛에 대해 45°의 경사각을 가지는 파장선택성필터(filter)(500)는 굴절률이 상대적으로 높고 낮은 유전체 박막을 복수의 층으로 교대로 증착함으로써 1550nm의 파장에 대해서는 투과를 하며 1300nm의 파장은 반사를 하는 파장 선택성을 갖도록 제작할 수 있다. 그러므로 TO형 광송신소자(100)에서 발산되는 1550nm의 파장을 가지는 레이저 빛은 45°파장선택성필터(500)를 그대로 투과하여 광섬유 코어(310)로 광신호 빛이 집속하게 하며, 이때 광신호의 진행 경로는 도면부호 400과 같다. 광섬유 코어(310)에서 발산하는 1300nm 파장의 하향 빛은 1300nm 파장의 빛을 반사하는 45°파장선택성필터(500)에서 진행 방향이 90° 꺽여 TO형 광수신소자(200)로 진입하게 된다. 그러므로 도 1과 같은 양방향 통신용 광모듈을 사용함으로써 하나의 광섬유 코어(310)를 이용하여 동시에 신호의 상·하향 전송이 이루어지게 된다. 기존의 양방향 통신용 광모듈은 레이저 빛의 진행 방향에 대해 45°의 각도를 가지고 있는 45°파장선택성필터(filter)(500)를 이용하여 파장에 따라 빛을 선택적으로 투과하던지 또는 반사하여 광 진행 경로를 결정하게 된다.
45°파장선택성필터(filter)(500)는 빛의 입사각도에 따라 그 투과 또는 반사하는 파장의 대역이 달라지게 되며, 또한 45°파장선택성필터(filter)(500)로 입사하는 빛의 편광상태에 따라 투과 또는 반사하는 파장의 대역이 달라지게 된다. 그러므로 어느 특정한 파장을 안정적으로 투과 또는 반사시키기 위해서는 45°파장선택성필터(filter)(500)로 입사하는 레이저 빛의 편광 및 입사 각도에 무관하게 안정적으로 빛을 투과 또는 반사하는 대역을 설정하여 송신 및 수신의 레이저 빛의 파장을 결정하여야 한다.
도 2는 진행하는 빛의 광축에 대해 45°의 입사 각도를 가지는 파장선택성필터에 입사하는 빛의 편광상태에 따른 투과/반사율 곡선을 보여준다. 도 2의 (a)에서 보이는 바와 같이 통상적으로 45°입사각도를 가지는 파장선택성필터의 경우 편광상태에 따라 투과 파장이 달라지는 특성이 있다. 즉 동일한 파장을 가지더라도 편광상태에 따라 투과 및 반사가 결정되어 지므로, 편광에 무관하게 파장에 따라 투과 및 반사를 결정하기 위해서는 도 2의 (a)에서 보이는 바와 같은 편광에 따른 파장 이동 대역 바깥에서 파장이 결정되어야 하며, 이러한 파장 이동 대역 내에 있는 파장은 편광에 따라 완전히 투과하여야 할 빛의 일부가 반사하는 특성을 가지거나 또는 완전히 반사하여야 할 빛의 일부가 투과하는 일이 발생하여 송수신 신호간의 간섭으로 작용하게 되어 광 송신 모듈의 특성 저하로 귀결되게 된다. 이러한 편광에 따른 파장 이동 대역을 guardband라 부르기로 한다. 그러므로 45°파장선택성필터(filter)(500)를 사용할 경우에 송신 및 수신 파장 사이에는 최소 20nm 이상의 파장 간격이 있고, 이러한 파장 간격은 광통신에 사용되지 못하므로 광섬유를 파장 다중화하여 사용할 경우에 광섬유 사용의 효율성을 떨어트린다.
편광에 따른 파장의 투과/반사 특성 변화는 빛이 파장선택성필터에 수직입사 하게 되면 완전히 사라지게 되며, 10°이내의 작은 각도로 수직 입사에 가깝게 입사할 경우에는 편광에 따른 투과/반사의 특성 변화가 미미하여 진다. 도 2의 (b)는 파장선택성필터의 수선과 입사하는 레이저 빛의 사이 각도가 5°일 때 파장에 따른 투과 반사 특성 곡선의 일례이다. 레이저 빛이 파장 선택성필터의 필터면의 수선에 대해 5°의 작은 각도로 입사할 때 편광에 따른 투과/반사의 파장 이동도는 1nm 이하로써 45°입사의 경우 20nm의 guardband에 비해 매우 작은 값을 가진다. 그러므로 파장선택성필터의 수선과 입사하는 레이저 빛의 광축의 사이 각이 작으면 작을수록 좁은 파장을 분리해 낼 수 있다.
파장선택성필터의 파장에 따른 투과/반사특성은 편광에 따라 달라지기도 하며, 또한 입사각도에 따라 달라진다. 도 1의 기존의 양방향 광통신용 광모듈은 TO 형 광송신소자(100)에 부착된 렌즈(150)에 의해 직접 광섬유코어(310)로 집속되고, 광섬유코어(310)에서 발산된 레이저 빛은 파장선택성필터(500)에 다양한 입사각을 가지고 입사한 후 TO형 광수신소자(200)의 렌즈(250)에 의해 포토다이오드칩(210)으로 집속된다. 이과정에서 광섬유코어(310)에서 발산된 레이저 빛이 파장선택성필터(500)에 입사할 때 입사각이 동일하지 않으므로 좁은 파장 간격의 파장 다중화 방식에는 적용이 어렵다.
이러한 문제는 도 3과 같이 TO형 광송신소자(100)에서 방출되는 레이저 빛을 평행광으로 만든 후 입사하는 레이저 빛에 대해 3° 내지 10° 경사각을 가지는 파장선택성필터(510)를 투과시킨 후 광섬유쪽 렌즈(350)를 이용하여 광섬유코어(310)로 집속시키고, 광섬유코어(310)에서 방출되는 레이저 빛은 광섬유쪽 렌즈(350)를 거쳐 평행광으로 전환시킨 후 파장선택성필터(510)에서 반사시켜 TO형 광수신소자(200)의 포토 다이오드(210)로 집속시킴으로써 좁은 파장 간격을 효과적으로 분리할 수 있다.
도 3과 같은 방법을 이용하여 좁은 파장 간격의 광신호를 하나의 광섬유를 이용하여 양방향 통신을 하는 데는 몇 가지 문제점이 발생하게 된다. 그 첫 번째 문제점은 DWDM(Dense wavelength Division multiplexing) 시스템에 있어서 TO형 광송신소자(100)에 주로 사용되는 DFB-LD(Distributed feedback laser diode)는 사용 온도에 따라 파장이 달라짐으로써 좁은 파장 간격을 분리하는 파장 선택성 필터에서 원하지 않는 반사가 발생할 수 있는 가능성이 생기는 문제이다.
도 3에서 파장선택성필터(510)에 입사하는 레이저 빛(460)에 대해 파장선택성필터의 경사각이 45°가 아닐 경우, 파장선택성필터(510)에서 반사된 빛이 광송신소자와 광섬유사이의 광경로에 대해 90°각도를 가지지 못하게 된다. 양방향 통신용 광모듈은 구조상 광송신소자에서 방출되는 레이저 빛과 광수신소자로 입사하는 레이저 빛이 직교하는 것이 바람직하다. 도 3의 구조에서 광송신소자에서 방출되는 레이저 빛과 광수신소자로 입사하는 레이저 빛이 직교하도록 하기 위해서는 도 3의 반사거울(550)을 더 배치하여 광송신소자(100)에서 방출되는 레이저 빛의 방향(400)과 광수신소자(200)로 입사하는 레이저 빛의 방향을 직교시킬 수 있다.
그러나 이러한 방법에서 광섬유코어(310)에서 방출되어 광섬유쪽 렌즈(350)에서 평행광으로 전환된 후 파장선택성필터(510)에서 반사된 레이저 빛과 파장선택성필터(510)로 입사하는 레이저 빛의 사이 각이 크지 않아 상기 두 빛 사이를 공간적으로 분리하기 어려워진다. 파장선택성필터(510)와 광섬유 코아(310) 사이를 진행하는 레이저 빛과 파장선택성필터(510)에서 반사된 레이저 빛이 공간적으로 완전히 분리된 지역에 반사 거울(550)을 배치하여야만, 광송신소자에서 방출된 레이저 빛(400)이 효과적으로 광섬유코어(310)로 집속될 수 있고, 또한 광섬유코어(310)에서 발산된 레이저 빛이 광수신소자(200)로 효과적으로 집속될수 있다. 광송신소자(100)에서 발산된 레이저 빛과 파장선택성필터(510)에서 반사된 빛을 공간적으로 분리하기 위해서는 여러 가지 방법이 존재하나 그 각각의 경우 다른 부차적인 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 1) 파장선택성필터의 각도를 입사광축에 대해 큰 각도(예를 들면 20°내지 45°)로 배치하는 방법이 있지만, 이러한 큰 각도에서는 편광에 따른 guardband 파장 대역폭이 넓어져 좁은 파장 간격의 레이저 빛을 이용한 양방향 광통신이 어려워진다. 2) 파장선택성필터와 반사 거울 사이의 거리를 증가시키면 광송신 레이저 빛의 광축과 파장선택성필터의 각도가 좁은 상태에서도 광송신 경로와 파장선택성필터에서 반사된 빛이 공간적으로 분리될 수 있다. 그러나 이러한 방법은 양방향 통신용 광모듈의 크기가 커지는 단점이 있다.
또한, 광송신소자에서 발산된 레이저 빛의 직경이 클 경우에 광송신소자에서 방출된 레이저 빛과 파장선택성필터에서 반사된 레이저 빛을 공간적으로 분리하기 위해서는 더 큰 파장선택성필터의 입사각도가 필요하거나 더 큰 크기의 양방향 광통신용 모듈의 크기가 요구된다.
도 4는 통상적인 TO형 광송신소자를 이용하여 평행광의 특성을 가지는 레이저 빛을 방출하는 광송신소자의 일반적인 구조를 보여주고 있다. 기존의 TO형 광송신소자에서는 렌즈(150)가 부착된 캡(140)을 전기 저항 용접으로 스템(120)에 부착하게 되는데, 이때 캡(140)의 하부를 강한 열과 압력으로 스템(120)과 융착시키는 과정을 사용하게 되며, 이때 캡(140)의 하단부위의 기계적 변형이 발생하게 된다. 이러한 캡(140)과 스템(120)의 융착시 발생하는 캡(140) 하단 부위의 기계적 변형은 조절이 매우 어렵다. 이러한 캡(140) 하단 부위의 기계적 변형에 의해, 레이저 다이오드 칩(110)과 렌즈(150) 사이의 거리 및 상대 위치의 불확정이 발생하게 되고, 이에 따라 렌즈(150)를 투과한 후의 레이저 빛의 평행도 및 레이저 빔 직경 조절, 레이저 빔의 방출 각도 조절이 어려워 지게 된다. 캡(140)에 부착된 렌즈(150)를 통과 한 후의 평행광의 평행도 및 방출 각도의 조절을 용이하게 하기 위해서는 렌즈(150)와 레이저 다이오드칩(110) 사이의 거리가 멀어지면 유리한데, 이렇게 레이저 다이오드 칩(110)과 렌즈(150) 사이의 거리가 멀어질 경우 평행광으로 변환된 레이저 빛의 크기가 커져 양방향통신용 광모듈의 크기가 커지는 단점이 있다. 이에따라 기존의 통상적인 렌즈(150)가 부착된 캡(140)을 이용하여 광송신소자에서 방출되는 레이저 빛을 효과적으로 레이저 빛의 빔의 직경이 0.6mm 보다 작은 평행광으로 전환하기 어렵게 된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1119491호 (2012.02.16)
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 q라명의 목적은 광송신소자와 광수신소자의 광축이 직교하도록 제작하되 좁은 간격의 파장의 레이저 빛을 분리가 가능하며 동작 속도가 5Gbps급 이상인 초고속의 소형 양방향 통신용 광모듈 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명에서는 5Gbps급 이상의 초고속 광통신과 수 nm 정도의 좁은 간격의 파장 간격을 가지는 파장 다중화 방식의 광통신을 위해, 레이저 광원으로는 DFB-LD를 사용하되 TO형의 광송신소자 내부에 열전소자를 장착하고 열전소자의 상부 일측에 DFB-LD 레이저 다이오드 칩과 렌즈를 배치시키되, 렌즈를 이용하여 DFB-LD에서 방출되는 레이저 빛을 평행광으로 방법을 채택한다. 또한, TO형의 광송신소자의 빛 방출구는 평판형의 윈도우(window)를 사용하는 방법을 채택한다. 이때 평판형의 윈도우는 유리 재질로 제작되는 것이 바람직하며 양면에 무반사 코팅이 되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 파장선택성필터의 수선이 파장선택성필터로 입사하는 레이저 빛에 대해 3°내지 10° 광축이 어긋나게 배치하여, 편광에 따른 분리 파장의 간격이 3nm 이상 넓어지지 않도록 하여 좁은 파장 간격의 레이저 빛을 이용하여 양방향 통신이 가능하게 한다.
또한 본 발명에서는 광송신소자에서 평행광으로 방출된 레이저 빛이 광섬유쪽 렌즈에 의해 광섬유코어로 집속되게 하고, 광섬유코어에서 방출된 레이저 빛은 광섬유쪽 렌즈에 의해 평행광으로 전환된 후 파장 선택성 필터로 진행하게 한다. 양방향 통신 광모듈의 부피를 최소화하기 위해 광섬유에서 방출되어 파장선택성필터에 의해 반사된 빛의 경로상에 반사거울을 배치하여 반사거울에서 반사된 광신호가 광송신소자에서 방출된 레이저 빛의 광축과 직교하도록한 후 반사거울에서 반사된 레이저 빛이 광수신소자로 집속되게 한다. 본 발명에서는 양방향통신용 광모듈의 부피를 최소화하기 위해 광섬유쪽 렌즈와 파장 선택성 필터 사이에 광송신소자에서 발산된 빛의 직경보다 1 내지 2배 큰 개구부를 가지며 일측면에 반사거울을 부착할 수 있도록 평탄한면을 가지는 기구물을 배치한다.
본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조는 고속 통신 및 파장 다중화 방식에 유리한 DFB-LD를 사용하여 5Gbps급 또는 10Gbps급의 초고속 통신이 가능하며, 상·하향 레이저 빛의 파장 간격이 1nm 내지 2nm 이상의 매우 좁은 파장 간격을 가지는 광신호를 이용하여 양방향 통신이 가능하므로 광섬유를 효과적으로 사용할 수 있게 된다. 또한, 광송신소자 내부에 열전소자가 장착되어 광송신용 DFB-LD의 파장을 안정화시킴으로써 좁은 파장 간격의 양방향 통신이 가능하게 되며, 열전소자 상부에 레이저 다이오드 칩과 레이저 다이오드 칩에서 발산된 레이저 빛을 평행광으로 전환시키는 렌즈가 부착되어 효과적으로 광송신용 레이저 빛을 평행광으로 전환 할 수 있고, 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 평행광의 직경을 효과적으로 조절 할 수 있어 초소형의 양방향 통신용 광모듈을 제작할 수 있다. 또한 반사거울을 레이저 다이오드 칩과 광섬유 사이의 광경로에 최대한 밀착하여 부착 할 수 있어 초소형 양방향 통신용 광모듈을 제작할 수 있다.
도 1은 종래 일반적인 BiDi 모듈의 구조도,
도 2의 (a)는 입사하는 빛의 광축에 대해 45°의 경사각을 가지는 파장선택성필터에서 입사되는 빛의 편광 상태 및 파장에 따른 투과도,
도 2의 (b)는 입사하는 빛의 광축에 대해 5°의 경사각을 가지는 파장선택성필터에서 입사되는 빛의 편광 상태 및 파장에 따른 투과도,
도 3은 파장선택성필터가 파장선택성필터에 입사하는 빛에 대해 7°의 경사각을 가지는 경우 양방향통신용 광모듈,
도 4는 종래의 열전소자를 포함하지 않는 TO형 레이저 다이오드 광송신소자의 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 평판형 윈도우(window)를 가지며 내부에 열전소자 및 시준화렌즈가 포함되는 TO형 레이저 다이오드 광송신소자의 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈의 일 실시예,
도 7은 본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈의 다른 실시예,
도 8은 본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈의 또 다른 실시예,
도 9는 본 발명에 따른 일측면에 반사거울을 장착하고, 내부에 광섬유쪽렌즈가 압입되는 공간을 가지며 레이저 빛이 관통되는 관통공을 가지는 금속기구물의 실시예를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 직경이 작고 평행도가 우수한 평행광을 방출하는 광송신 소자를 보여주고 있다. 이때 레이저 빔의 직경은 레이저 빔의 강도가 1/e^2 이 되는 지점의 거리로 정의된다. 본 발명의 실시예에서는 TO 패키지의 스템(stem)(120) 상부에 열전소자(170)를 배치하고 열전소자(170) 상부에 DFB-LD 레이저 다이오드 칩(110)과 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 레이저 빛을 평행광으로 전환시키는 렌즈(180)가 배치된다. 이러한 렌즈(180)는 에폭시 또는 솔더로 고정 배치되는데, 에폭시 또는 솔더에 의한 렌즈(180) 부착은 충격을 가하는 방법이 아니며 렌즈(180)의 초점거리에 레이저 다이오드 칩(110)의 발산점이 배치되도록 매우 정밀한 광정렬이 가능하며, 렌즈(180)의 정밀 정렬 후 고정 위치의 변형이 적도록 하는 정밀한 렌즈(180) 고정이 가능하다. 렌즈(180)를 에폭시 또는 솔더로 고정시키는 방법은 렌즈(180)의 위치를 매우 정밀하게 제어할 수 있으므로 초점거리가 짧은 렌즈를 사용하여서도 평행광의 특성을 용이하게 얻을 수 있다. 초점거리가 짧은 렌즈를 사용할 경우 평행광으로 전환된 레이저 빛의 직경이 작아지므로 파장선택성필터와 광섬유 사이를 진행하는 빛과 파장선택성필터에서 반사된 빛을 용이하게 지역적으로 분리할 수 있고, 이에 따라 소형의 양방향 통신용 광모듈을 제작할 수 있다. 본 발명에서는 도 5에 보이는 바와 같이 열전소자(170)에 의해 레이저 다이오드칩(110)의 온도가 외부 환경 온도와 무관하게 일정하게 되므로, 외부 환경 온도에 따라 레이저 다이오드 칩(110)의 발진 파장이 달라지지 않아 좁은 파장 간격의 레이저 빛을 이용하여 양방향 광통신을 이룰 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 양방향 통신용 광모듈의 일 실시예이다.
양방향 광통신용 모듈의 크기를 줄이기 위해서는 광섬유코어(310)에서 출발하여 파장선택성필터(510)에 의해 반사된 레이저 빛을 광수신소자(200)로 보내기 위한 반사거울(550)이 파장선택성필터(510)와 광섬유코어(310) 사이를 진행하는 레이저 빛의 광축에 최대한 근접하여야 한다. 통상적으로 광섬유코어(310)에서 발산된 레이저 빛을 평행광으로 전환시키기 위한 광섬유쪽 렌즈(350)는 렌즈 부위 직경이 1.5mm 정도이며 렌즈를 포함하는 금속 기구물의 외경은 대략 3mm 정도가 된다. 하나의 예로 도 6과 같이 레이저 빔의 직경이 0.6mm이며, 광섬유쪽 렌즈(350) 측면에 반사거울(550)을 배치하고자 할 경우, 파장선택성필터(510)에서 반사된 빛이 반사거울(550)에 도달할 때 최소한 반사광의 이동거리가 2.1mm 이상이 되어야 광섬유쪽렌즈(350) 측면에 배치된 반사거울(550)에 의해 레이저 빛의 반사가 일어 날 수 있다. 예를 들어, 파장선택성필터(510)가 입사광에 대해 7°정도 기울어져 있을 경우, 도 6에 보이듯이 파장선택성필터(510)로부터 반사거울까지 거리가 최소 8mm 정도 되어야 하며, 이에 따라 양방향 통신용 광모듈 하우징(10)의 크기는 13mm 정도된다. 양방향 통신용 광모듈 하우징(10)의 크기를 최소화하기 위해서는 반사거울을 레이저 빛의 경로에 최대한 근접하게 배치되는 것이 바람직하다.
이러한 특성은 도 7에서 보이는 바와 같이, 반사거울(550)을 부착하는 금속기구물(600)에 관통공을 뚫고, 금속기구물(600)의 외주연에 반사거울(550)을 부착하기 위한 평탄면을 가공한 후 금속기구물(600)의 관통공을 통해서 파장선택성필터(510)와 광섬유코어(310)사이를 지나가는 레이저 빛이 통행하는 방법을 채택하고, 이 금속기구물(600)의 측면에 반사거울(550)을 부착하는 방법을 채택할 수 있다. 이때 금속기구물(600)의 관통공은 레이저 빛의 직경보다 약간 큰 것이 바람직한데, 관통공의 직경이 레이저 빔의 직경에 비해 1 내지 2배의 직경을 가지는 것이 바람직하다. 이는 관통공의 직경이 레이저 빔의 직경보다 작을 경우에는 통과하여야 할 빛이 금속기구물에 의해 반사될 수 있기 때문이다. 또한 관통공의 축과 광섬유쪽 렌즈의 축이 일치하지 않을 경우 레이저 빛이 금속기구물에 의해 차단될 수 있다. 그러므로 관통공의 직경은 레이저 빛의 직경보다 큰 것이 바람직하나 관통공의 직경이 너무 클 경우에는 반사거울(550)이 레이저 빛의 광축으로부터 멀어지는 단점이 있다. 그러므로 관통공의 직경이 레이저 빛의 직경보다 1.1 내지 1.5배정도 크도록 조절하는 방법이 광정렬 등의 오차에 의한 광손실을 효과적으로 줄이면서 동시에 반사거울을 광축에 가장 근접시킬 수 있는 방법이다. 본 발명에서 레이저 빛은 Gaussian의 빔 세기 형태를 가지고 레이저 빔의 직경은 빛의 최고 강도에서 1/e^2 떨어지는 점 사이의 거리로 주어진다. 도 7과 같은 실시예에서 파장선택성필터(510)에서 반사거울(550)까지의 거리는 4.7mm로 줄어들고 양방향 통신용 광모듈 하우징(10)의 길이는 11.9mm로 줄어든다.
한편, 도 7과 같이 금속기구물(600)과 광섬유쪽렌즈(350)가 이격되어 있을 경우 금속기구물(600)의 관통공의 축과 광섬유쪽렌즈(350)의 중심광축을 정밀하게 일치시키는데 어려움이 있다.
이러한 문제점은 도 8과 같이 금속기구물(610) 내부에 광섬유쪽렌즈(350)가 삽입될 수 있는 공간을 확보하고 광섬유쪽 렌즈(350)를 금속기구물(610)과 일체형으로 제작함으로써 광정렬을 하지 않고도 금속기구물(610)의 관통공의 광축과 광섬유쪽 렌즈(350)의 광축을 용이하게 일치시킬 수 있다. 금속기구물(610)은 원통형으로 제작되므로, 선반작업 등으로 금속기구물(610)의 관통공과 광섬유쪽 렌즈(350)가 삽입될 공간 부분의 축이 일치하게 제작하는 것은 매우 용이하다. 그러므로 광섬유쪽 렌즈(350)가 삽입될 금속기구물(610)의 공간 부분의 직경을 광섬유쪽 렌즈(350)의 직경에 비해 5 내지 30um 정도 크게 제작하되 금속기구물(610)의 관통공과 축이 일치하게 제작한 후 광섬유쪽렌즈(350)를 삽입할 경우, 광섬유쪽렌즈(350)의 광축과 금속기구물(610)의 광축을 매우 용이하게 일치시킬 수 있다. 도 8과 같이 광섬유쪽 렌즈(350)를 반사거울(550)의 지지대로 사용되는 금속기구물(610)에 삽입하는 형태로 제작할 경우 광섬유쪽 렌즈(350)와 금속기구물(610)의 관통공의 축을 용이하게 정렬할 수 있을 뿐만 아니라 양방향 통신용 광모듈 하우징(10) 크기를 더욱 축소시킬 수 있다. 도 8과 같은 실시예에서 파장선택성필터(510)에서 반사거울(550)까지의 거리는 도 7의 구조와 같이 4.7mm이나 양방향 통신용 광모듈 하우징(10) 크기는 10.3mm로 줄어들 수 있다.
도 9는 내부에 광섬유쪽렌즈가 장착 될 수 있는 공간을 가지며 반사거울이 부착될 수 있는 평탄한 면을 가지는 금속 기구물(610)에 반사거울(550)이 장착된 모습을 보여준다.
그러므로 파장 간격이 수 nm로 좁은 상·하향 광신호를 사용하는 양방향통신용 광모듈에서, 광송신용 레이저 다이오드 칩과 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 발산광을 평행광으로 전환시키는 렌즈를 열전소자 위에 배치하여 광송신용 평행광의 직경을 최소화하고, 광섬유쪽 렌즈를 관통공이 뚫린 금속기구물에 삽입하여 고정하는 방법으로 제작된 금속 기구물의 일측면에 반사거울을 부착하며, 이 반사거울을 경유하여 광섬유로부터 발산되어 광섬유쪽 렌즈에 의해 평행광으로 전환되어 파장선택성필터에 의해 반사된 수신광신호를 광수신소자로 집속하는 특성을 가지는 양방향 통신용 광모듈 구조는, 광송신용 레이저 다이오드 칩의 발진 파장이 안정되며, 평행광으로 인해 파장선택성필터에서 파장분리가 용이하고, 부피가 작아져서 활용도가 매우 높아지는 특성이 있다.
이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
[부호의 설명]
10 : 양방향 통신용 광모듈 하우징
100 : 캡에 렌즈가 장착된 광송신소자
101 : TO형 광송신소자
110 : 레이저 다이오드 칩
120 : TO형 광송신소자 패키지의 스템
125 : TO형 광송신소자의 전극핀
130 : TO형 광송신소자의 스템 헤더
140 : TO형 광송신소자의 캡
150 : TO형 광송신소자의 캡에 부착된 렌즈
170 : 열전소자
180 : 시준화렌즈
190 : 평판형의 윈도우(window)
185 : 45도 반사거울
200 : TO형 광수신소자
210 : 포토 다이오드 칩
250 : TO형 광송신소자의 캡에 부착된 렌즈
300 : 광섬유
310 : 광섬유 코어
350 : 광섬유쪽 렌즈
400 : 광송신소자에서 광섬유로 진행하는 레이저 빛의 경로
450 : 광섬유에서 발산되어 파장선택성필터로 진행하는 레이저 빛의 경로
460 : 광섬유에서 발산되어 파장선택성필터에서 반사된 레이저 빛의 경로
500 : 입사하는 레이저 빛에 대해 45°의 경사각을 가지는 파장선택성필터
510 : 입사하는 레이저 빛에 대해 3°내지 10°의 경사각을 가지는 파장선택성필터
550 : 반사거울
600 : 관통공 및 평탄 경사면이 형성된 금속기구물
610 : 광섬유쪽 렌즈가 삽입되는 금속기구물

Claims (12)

  1. 광송신소자와 광수신소자 및 파장에 따라 투과와 반사를 결정하는 파장 선택성 필터를 구비하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조에 있어서,
    평판형의 윈도우(window)를 가지는 광송신소자에서, 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 발산광의 특성을 가지는 레이저 빛의 경로상에 레이저 빛을 평행광으로 전환시키기 위한 렌즈가 배치되고, 상기 렌즈에 의해 평행광으로 전환된 레이저 빛은 파장 선택성 필터를 투과 한 후 광섬유쪽 렌즈에 의해 광섬유로 집속되며,
    상기 광섬유에서 발산되는 광신호는 광섬유쪽 렌즈에 의해 평행광으로 변환된 후 파장 선택성 필터에서 반사한 후 반사거울에 의해 다시 반사되어 광수신소자로 집속되며,
    상기 광송신소자에 포함되는 광송신용 레이저 다이오드 칩은 DFB-LD(Distributed feedbacl laser diode)를 포함하여 이루어져 열전소자에 의해 레이저 빛의 파장이 조절되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광송신소자는 레이저 다이오드 칩과 시준화 렌즈를 포함하여 구성되고, 상기 광송신소자 패키지의 기밀성을 위한 윈도우는 평판형 윈도우로 구성되며, 상기 레이저 다이오드 칩과 시준화 렌즈는 열전소자 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광송신소자는 레이저 다이오드 칩과 기밀성 평판형 윈도우의 광 경로상에 배치되는 45°반사거울을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광송신소자는 TO can형 패키지인 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광송신소자는 mini-flat 또는 Mini-dil형 패키지인 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광섬유로부터 발산되어 광섬유쪽 렌즈에 의해 평행광으로 변환된 후 파장선택성필터에 의해 반사된 파장의 빛은 반사거울에 의해 다시 반사되되, 상기 반사거울에 의해 반사된 레이저 빛의 진행경로가 광섬유쪽 렌즈를 투과하여 파장선택성필터로 진행하는 레이저 빛의 경로와 수직이 된 후 광수신소자로 집속되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 광섬유쪽 렌즈는 일 측면이 입사하는 레이저 빛에 대해 미리 정해진 각도의 입사각을 가지도록 경사지게 평탄하게 가공된 원통형의 금속 기구물에 삽입되어 설치되며,
    상기 원통형의 금속 기구물은 빛을 통과하기 위한 개구부가 형성되되, 상기 원통형의 금속 기구물에 형성된 개구부는 광송신소자에서 방출되는 빛의 직경에 비해 1 내지 2배의 크기로 제작되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 원통형의 금속 기구물에 형성된 개구부는 광송신소자에서 방출되는 빛의 직경에 비해 1.1 내지 1.5배의 크기로 제작되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 금속 기구물의 경사지게 제작된 평탄한 면에는 반사거울이 부착되어, 상기 광섬유에서 발산되어 광섬유쪽 렌즈를 통과한 후 파장선택성필터에 의해 반사된 레이저 빛을 다시 반사시키는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 반사거울은 유리, 쿼츠, 실리콘 중 어느 하나의 재질로 이루어져 표면에 거울면이 형성되도록 제작된 기판에 금속박막을 코팅하여 제작되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 광송신용 레이저 다이오드 칩과 파장선택성필터 사이의 광 경로에는, 광송신용 레이저 빛이 광섬유의 단면에서 반사하여 레이저 다이오드 칩으로 되돌아가는 것을 방지하는 optical isolator가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
  12. 청구항 1에 있어서서,
    상기 파장선택성필터는 입사하는 레이저 빛의 광축에 대해 입사면이 3°내지 10° 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 양방향 통신용 광모듈 패키지 구조.
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