KR19980067916A - Effective optical coupling structure from semiconductor laser to optical fiber - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광결합 구조에 관한 것으로, 특히 광섬유의 단면을 반구형으로 성형하고 광섬유의 처음의 1~2 밀리미터를 고온에서 가열하여 광섬유의 코아를 열적으로 확산시켜 반도체 레이저에서 광섬유로의 광결합 효율을 높이고 작용거리를 길게할 수 있도록 한 반도체 레이저에서 광섬유로의 효과적인 광결합 구조에 관한 것으로, 반도체 레이저에서 통신용 단일모드 광섬유로의 광결합 효율을 높이는데 있어서, 단일모드 광섬유의 끝부분을 고온에서 가열하여 코아의 GeO2를 확산시켜 코아가 없는 광섬유와 같은 효과를 내게 한 후 그 끝부분을 아크 방전과 같은 방법을 사용하여 렌즈를 만듬으로써, 본 발명은 단일모드 광섬유의 끝부분을 고온에서 가열하여 코아의 GeO2를 확산시켜 코아가 없는 광섬유와 같은 효과를 내게 한 후 그 끝부분을 아크 방전과 같은 방법을 사용하여 렌즈를 만듬으로써 제작 방법이 아주 간단하고 고효율, 큰 정렬오차, 긴 작용거리 등의 우수한 특성을 가지며, 아울러 저가격의 모듈을 만듬으로써 부품수가 감소되고 포장방법이 간단하며 신뢰성 및 수율이 충분히 확보되는 효과가 있다.More particularly, the present invention relates to a optical coupling structure, and more particularly, to an optical coupling structure in which a cross section of an optical fiber is hemispherically shaped and a first one or two millimeters of the optical fiber is heated at a high temperature to thermally diffuse the core of the optical fiber, The present invention relates to an effective optical coupling structure from a semiconductor laser to an optical fiber so as to increase the working distance and to increase the optical coupling efficiency from a semiconductor laser to a communication single mode optical fiber, By diffusing GeO 2 of the core to produce an effect similar to that of a coreless optical fiber and then making a lens using the same method as arc discharge at its end, the present invention is a method of heating a tip of a single mode optical fiber at a high temperature diffusing the GeO 2 in the core after the same effect as without the optical fiber core to me that the arc end of the room , The manufacturing method is very simple, high efficiency, large misalignment, and long working distance. In addition, the low cost module makes it possible to reduce the number of parts, simplify the packaging method, The yield can be sufficiently ensured.
Description
본 발명은 광결합 구조에 관한 것으로, 특히 광섬유의 단면을 반구형으로 성형하고 광섬유의 처음의 1~2 밀리미터를 고온에서 가열하여 광섬유의 코아를 열적으로 확산시켜 반도체 레이저에서 광섬유로의 광결합 효율을 높이고 작용거리를 길게 할 수 있도록 한 반도체 레이저에서 광섬유로의 효과적인 광결합 구조에 관한것이다.More particularly, the present invention relates to a optical coupling structure, and more particularly, to an optical coupling structure in which a cross section of an optical fiber is hemispherically shaped and a first one or two millimeters of the optical fiber is heated at a high temperature to thermally diffuse the core of the optical fiber, To an effective optical coupling structure from a semiconductor laser to an optical fiber so as to increase the working distance.
초고속 정보 통신망이 본격적으로 전개되기 위해서는 155Mbps급 모듈을 저가격으로 공급하는 것이 큰 관건으로 현재 널리 사용되고 있는 모듈가격을 분석해 보면 실장(packaging) 비용이 가장 큰 부분을 차지하고 있는데, 그체적으로 부품비와 인건비, 신뢰성 및 수율(yield)에 따른 추가 비용이 대부분을 차지하고 있다.In order to develop the high-speed information communication network in earnest, the supply of 155Mbps module at a low price is a big issue. When analyzing the module prices widely used, packaging cost is the largest part, and the volume of parts, labor, Most of the additional cost is due to reliability and yield.
또한, 현재와 같이 To can에 일단 포장하고 다시 20 pin dip에 포장하는 방법은 공정이 길고 복잡하며 소요되는 부품수가 많고 대량생산에 의한 가격절감에 한계가 있으며, 종래의 방법은 LD(Laser Diode) 칩(chip)에 전원을 연결하여 광섬유에 커플링(coupling)되는 빛을 모니터링하고 능동 정렬(active align) 방법으로 시간이 많이 소요된다.In addition, the current packaging method such as packing to the can and packaging it in the 20-pin dip is long and complicated, and there are a lot of parts to be consumed, and there is a limit in cost reduction by mass production. The power is connected to the chip to monitor the coupling light to the optical fiber and it takes a lot of time by the active align method.
도 1은 종래의 실리콘 덮개로 광섬유를 고정시킨 Butt-Coupling 구조의 일실시 예로서, 이에 도시한 바와 같이 Butt-Coupling 방법은 다양한 수동 정렬(Passive align) 방법중 가장 단순한 방법으로 이는 LD와 파이퍼(fiber)를 직접 마주보게하여 레이저 다이오드와 광섬유가 공동의 실리콘 optical bench 위에 놓여져 모듈이 제작된다.FIG. 1 shows an embodiment of a butt-coupling structure in which an optical fiber is fixed with a conventional silicon cover. As shown in FIG. 1, the Butt-Coupling method is the simplest passive alignment method, fiber is directly faced with the laser diode and optical fiber placed on a common silicon optical bench to produce a module.
도 2는 종래의 통신용 반도체 레이저에서 통신용 단일모드 광섬유로의 Butt-Coupling 효율도로서, 이에 도시한 바와 같이 측면방향의 정렬오차나 각도면에서의 정렬오차가 없을 경우에 전형적인 30도 내외의 발산각(FWHM : Full Width at Half Maximum)을 갖고 1.31μm에서 발진하는 반도체 레이저에서 일반 통신용 단일 모드 광섬유로의 광결합 효율을 예시한 것으로 다른 정렬오차가 없을 경우에 광결합 효율은 레이저와 광섬유와의 거리가 짧을 수록 크며 최대 10% 이내라는 것을 알수 있고, 따라서 상기 방법은 간단하고 균일한 성능이 얻어지는 장점이 있으나 전체적으로 커플링 효율이 10% 이내로 작기 때문에 고효율의 구조를 얻을 수 있는 더나은 방법이 요구되고 있다.FIG. 2 is a butt-coupling efficiency diagram of a conventional semiconductor laser for communication to a single mode optical fiber for communication. As shown in FIG. 2, when there is no alignment error in the lateral direction or alignment error in the angle, (FWHM: Full Width at Half Maximum) and shows the optical coupling efficiency from a semiconductor laser oscillating at 1.31 μm to a general communication single mode optical fiber. In the absence of other alignment errors, the optical coupling efficiency is determined by the distance between the laser and the optical fiber The method is simple and achieves a uniform performance. However, since the coupling efficiency is as small as 10% or less, a better method for obtaining a highly efficient structure is required have.
한편, 수동정렬 구조이면서 커플링 효율이 높은 구조로는 beam expander waveguide integrated LD가 있는데 이는 레이저의 구조를 활성층이 있는 gain section과 beam expansion이 발생하는 passive waveguide section이 있는 두개의 부문으로 나누는 방법으로 레이저와 광섬유를 Butt-Coupling하여 50% 이상의 효율을 얻는 것이 가능하다.On the other hand, a structure with high coupling efficiency and a high degree of coupling efficiency includes a beam expander waveguide integrated LD, which divides the laser structure into two sections, a gain section with active layer and a passive waveguide section with beam expansion, And Butt-Coupling the optical fiber, it is possible to obtain an efficiency of 50% or more.
또한 상기 beam expander waveguide integrated LD는 레이저를 만드는 과정만이 복잡하고 포장하는 방법은 단순한 레이저 다이오드를 이용한 Butt-Coupling 방법과 동일하여 저가격, 고효율의 우수한 특성을 가지는데, 이 방법의 단점은 passive waveguide section을 정밀하게 제작하기 위해 막대한 비용을 요구하는 설비투자가 필요하고, 따라서 상기와 같은 방법을 본격적으로 사용하게 되기 전까지라도 한시적으로 사용할 수 있는 고효율을 가지면서 포장방법이 간단하고 제작비용이 적게 드는 방법이 요구된다.In addition, the beam expander waveguide integrated LD is complicated only in the process of making the laser, and the packing method is the same as the butt-coupling method using a simple laser diode, so that it has a low cost and high efficiency. It is necessary to invest a large amount of equipment in order to precisely manufacture the product. Therefore, even if the above method is used in earnest, the product can be used for a limited time and has a high efficiency and a simple packaging method and a low manufacturing cost .
도 3은 종래의 테이퍼진 반구형 파이버 렌즈의 개념도로서, 이에 도시한 바와 같이 광섬유 렌즈는 광섬유를 고온에서 가열된 상태에서 인장하여 테이퍼링(tapering)하고 다시 그 끝부분을 아크 방전등의 방법을 사용하여 반구형 렌즈 모양이 되도록 가공하며, 가우시안 광학(Gaussian optics)을 이용하여 레이저와 광섬유 렌즈간의 커플링 효율 및 정렬오차 등을 분석한다.FIG. 3 is a conceptual view of a conventional tapered hemispherical fiber lens. As shown in FIG. 3, the optical fiber lens is tapered by pulling the optical fiber in a heated state at a high temperature, And the coupling efficiency and alignment error between the laser and the optical fiber lens are analyzed using Gaussian optics.
도 4는 종래의 반구형의 렌즈가 광섬유의 끝에 형성된 광섬유 렌즈로의 광결합 효율의 비교도로서, 이에 도시한 바와 같이 도 2의 Butt-Coupling 효율과 4.4μm의 반지름을 가지고 굴절율이 광섬유의 클래드의 굴절율과 일치하는 반구형의 렌즈가 광섬유의 끝에 형성된 광섬유 렌즈로의 광결합 효율을 비교하는데, 여기서도 역시 레이저의 발진파장은 1.31μm이고 발산각은 30도로 가정하며 통신용 단일모드 광섬유의 beam waist는 5μm로 가정하고, 이 광섬유 렌즈는 고가 장비 없이 간단히 제작할 수 있으며, 100%에 가까운 커플링이 가능하지만 단점은 정렬오차가 작고 레이저와 광섬유간의 거리를 10μm 이하로 정렬해야 한다.FIG. 4 is a comparative view of the optical coupling efficiency of the conventional hemispherical lens to the optical fiber lens formed at the end of the optical fiber. As shown in FIG. 4, the refractive index of the optical fiber clad having a butt- The hemispherical lens matching the refractive index compares the optical coupling efficiency to the optical fiber lens formed at the end of the optical fiber. Here, the oscillation wavelength of the laser is also assumed to be 1.31 μm and the divergence angle to be 30 degrees, and the beam waist of the communication single mode optical fiber is 5 μm Assuming that this fiber optic lens can be easily fabricated without expensive equipment and can achieve close to 100% coupling, the disadvantage is that the alignment error is small and the distance between the laser and the optical fiber should be less than 10 μm.
한편, Flip-Chip bonder를 이용한 수동정렬 방법에서는 LD를 2μm 정도의 평행이동에 관한 정렬오차와 0.5도 정도의 각도에 대한 오차 이내로 optical bench에 부착이 가능하고, V-groove의 정확한 식각을 통하여 광섬유의 각도에 대한 오차도 충분히 유지할 수 있으나 길이 방향의 정렬은 광섬유 렌즈의 경우 비교적 어려운데, 이 방법은 LD와 광섬유의 거리를 10μm 이내로 유지해야 하고, 상기 LD는 작은 충격에도 쉽게 파손되어 광섬유 렌즈를 이용하여 수동정렬 방법으로 포장하기가 곤란하다.On the other hand, in the passive alignment method using a flip-chip bonder, it is possible to attach the LD to the optical bench within an error of about 2 μm in parallel movement and an error of about 0.5 degree, However, the alignment in the longitudinal direction is relatively difficult in the case of the optical fiber lens. In this method, the distance between the LD and the optical fiber must be kept within 10 μm, and the LD is easily broken even by a small impact, And it is difficult to package them by a manual sorting method.
도 5는 종래의 반도체 레이저와 단일모드 광섬유의 중간에 별도의 렌즈를 삽입한 레이저 모듈의 일실시 예로서, 이에 도시한 바와 같이 고효율을 유지하면서도 LD와 광섬유간의 거리를 멀리하고 정렬차를 크게 할 수 있는 방법인데, 그러나 이 방법은 렌즈를 정렬하는 것 자체가 쉽지않고 렌즈 가격이 저렴하지 않아 저가의 모듈을 만드는데 있어서 걸림돌이 된다.FIG. 5 shows an embodiment of a laser module in which a separate lens is inserted between a conventional semiconductor laser and a single mode optical fiber. As shown in FIG. 5, the distance between the LD and the optical fiber is kept large while the efficiency is maintained, However, this method is not easy to align the lens itself, and the price of the lens is not cheap, which is a stumbling block in making low-cost modules.
도 6은 종래의 반도체 레이저와 단일모드 광섬유 사이의 거리를 멀리하는 광섬유 렌즈의 일실시 예로서, 이에 도시한 바와 같이 고효율을 유지하면서 LD와 광섬유간의 거리를 멀리하고 정렬오차를 크게 할 수 있는 다른 구조로서 TEC(Thermally Expanded Core) 파이버에 coreless 파이버를 접속한 뒤 그 끝을 가공하여 반구형의 렌즈를 만드는 방법이다.6 is a view showing an example of an optical fiber lens which distances a conventional semiconductor laser and a single mode optical fiber. As shown in FIG. 6, the distance between the LD and the optical fiber is maintained at a high efficiency, It is a method to connect a coreless fiber to a TEC (Thermally Expanded Core) fiber and then process the end to make a hemispherical lens.
도 7은 일반적인 통신용 반도체 레이저에서 광섬유 렌즈로의 결합 효율도로서, 이에 도시한 바와 같이 코아를 미확산시(5μm beam waist)와 확산시(22.5μm beam waist) 각각에 대하여 coreless 파이버의 길이를 1㎜, 2㎜, 3㎜인 경우를 고려하고, TEC 파이버의 경우 오히려 작용거리가 줄어들고, 상기 coreless 파이버의 길이를 길게 할 수도록 작용길이가 늘어나는데, 상기 방법의 단점은 공정이 까다롭다.FIG. 7 is a coupling efficiency diagram of a general communication semiconductor laser to an optical fiber lens. As shown in FIG. 7, when the core is not diffused (5 μm beam waist) and diffused (22.5 μm beam waist) Mm, 2 mm, and 3 mm. In the case of the TEC fiber, the working distance is rather reduced and the working length is increased so as to lengthen the length of the coreless fiber. However, the disadvantage of the method is complicated.
이와 같이 종래의 반도체 레이저에서 광섬유로의 광결합 구조에 있어서는 능동정렬 방법이기 때문에 시간이 많이 소요되고, 부품비와 인건비, 신뢰성 및 수율에 따른 비용이 추가되는 문제점이 있었다.As described above, in the optical coupling structure from the conventional semiconductor laser to the optical fiber, since it is the active alignment method, it takes a lot of time, and there is a problem that the cost due to the parts cost, labor cost, reliability and yield is added.
따라서, 본 발명의 목적은 단일모드 광섬유의 끝부분을 고온에서 가열하여 코아의 GeO2를 확산시켜 코아가 없는 광섬유와 같은 효과를 내게 한 후 그 끝부분을 아크 방전과 같은 방법을 사용하여 렌즈를 만들어 광결합 효율을 높이고 저가격 모듈을 구현함으로써 상기의 문제점을 해결한다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a single mode optical fiber by heating an end portion of a single mode optical fiber at a high temperature to diffuse the GeO 2 of the core to produce the same effect as a coreless optical fiber, Thereby improving the optical coupling efficiency and realizing a low-cost module.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로, 반도체 레이저에서 통신용 단일모드 광섬유로의 광결합 효율을 높이는데 있어서, 단일모드 광섬유의 끝부분을 고온에서 가열하여 코아의 GeO2를 확산시켜 코아가 없는 광섬유와 같은 효과를 내게 한 후 그 끝부분을 아크 방전과 같은 방법을 사용하여 렌즈를 만듬으로써 달성된다.In order to achieve the above object, in order to increase the optical coupling efficiency from the semiconductor laser to the single mode optical fiber for communication, the end portion of the single mode optical fiber is heated at a high temperature to diffuse the GeO 2 of the core, And the end of the lens is made by using a method such as arc discharge.
도 1은 종래의 실리콘 덮개로 광섬유를 고정시킨 Butt-Coupling 구조의 일실시 예.1 is an embodiment of a butt-coupling structure in which an optical fiber is fixed with a conventional silicon cover.
도 2는 종래의 통신용 반도체 레이저에서 통신용 단일모드 광섬유로의 Butt-Coupling 효율도.FIG. 2 is a diagram showing a butt-coupling efficiency of a conventional semiconductor laser for communication to a single mode optical fiber for communication.
도 3은 종래의 테이퍼진 반구형 파이버 렌즈의 개념도.3 is a conceptual view of a conventional tapered hemispherical fiber lens.
도 4는 종래의 반구형의 렌즈가 광섬유의 끝에 형성된 광섬유 렌즈로의 광결합 효율의 비교도.4 is a comparison of the optical coupling efficiency of a conventional hemispherical lens to an optical fiber lens formed at the end of an optical fiber.
도 5는 종래의 반도체 레이저와 단일모드 광섬유의 중간에 별도의 렌즈를 삽입한 레이저 모듈의 일실시 예.FIG. 5 shows an embodiment of a laser module in which a separate lens is inserted between a conventional semiconductor laser and a single mode optical fiber.
도 6은 종래의 반도체 레이저와 단일모드 광섬유 사이의 거리를 멀리하는 광섬유 렌즈의 일실시 예.6 is an embodiment of an optical fiber lens which distances the distance between a conventional semiconductor laser and a single mode optical fiber.
도 7은 일반적인 통신용 반도체 레이저에서 광섬유 렌즈로의 결합 효율도.Fig. 7 is a view showing coupling efficiencies from a semiconductor laser for general communication to an optical fiber lens. Fig.
도 8은 본 발명 통신용 단일모드 광섬유의 코아에 있는 GeO2의 분포도.8 is a distribution diagram of GeO 2 in the core of a single mode optical fiber for communication according to the present invention.
도 9은 본 발명 광섬유 렌즈의 구조도.9 is a structural view of an optical fiber lens of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]
GRIN : Graded IndexSMF : Single Mode FiberGRIN: Graded IndexSMF: Single Mode Fiber
TEC : Thermally Expanded CoreTEC: Thermally Expanded Core
LD : Laser DiodeLD: Laser Diode
이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 8은 본 발명 통신용 단일모드 광섬유의 코아에 있는 GeO2의 분포도로서, 이에 도시한 바와 같이 가열온도는 1700도로 가정하고 가열시간은 각각 1, 15, 30, 45, 60분에 해당되며, 가열시간이 지나치면 GeO2가 거의 완전히 확산되고, 광섬유내의 굴절율은 대략 SiO2와 GeO2의 성분비에 비례하므로 GeO2가 완전히 확산되면 마치 코아가 없는 광섬유와 같은 효과를 얻을 수 있다.FIG. 8 is a distribution diagram of GeO 2 in the core of a single mode optical fiber for communication according to the present invention. As shown in FIG. 8, the heating temperature is assumed to be 1700 degrees and the heating time corresponds to 1, 15, 30, 45, Over time, GeO 2 is almost completely diffused, and the refractive index in the optical fiber is proportional to the composition ratio of SiO 2 and GeO 2 , so that when GeO 2 is completely diffused, it can achieve the same effect as a coreless optical fiber.
도 9는 본 발명 광섬유 렌즈의 구조도로서, 이에 도시한 바와 같이 광섬유를 가열하면서 온도의 구배를 심하게 주면 광섬유 렌즈의 구조를 얻을 수 있고, 상기 광섬유 렌즈를 이용하면 도 6의 구조와 동일한 효과를 얻을 수 있으므로 제작 방법이 아주 간단하고 고효율, 큰 정렬오차, 긴 작용거리(long working distance) 등의 우수한 특성을 가지고 있으며, 저가격 모듈을 만든다.FIG. 9 is a structural view of the optical fiber lens of the present invention. As shown in FIG. 9, when a temperature gradient is severely given while heating an optical fiber, a structure of the optical fiber lens can be obtained. When the optical fiber lens is used, It has very simple manufacturing method, high efficiency, large misalignment, long working distance, and low cost module.
또한, 광섬유의 굴절율 차를 주기 위해 상기에 예시한 바와 같이 코아에 첨가물을 삽입하는 경우와 클래드에 첨가물을 삽입하기도 하는데, 이와 같은 경우도 위의 공정을 그대로 이용하여 동일한 효과를 얻을 수 있고, 반도체 레이저 대신에 LED(Light Emission Diode)를 사용하거나 단일모드 광섬유 대신에 다중모드 광섬유를 사용하는 경우에도 동일한 효과를 얻는다.In addition, in the case of inserting the additive into the core and inserting the additive into the clad in order to give a refractive index difference of the optical fiber, the same effect can be obtained by using the above process as it is, The same effect can be obtained by using a light emission diode (LED) instead of a laser or by using a multimode optical fiber instead of a single mode optical fiber.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 단일모드 광섬유의 끝부분을 고온에서 가열하여 코아의GeO2를 확산시켜 코아가 없는 광섬유와 같은 효과를 내게 한 후 그 끝부분을 아크 방전과 같은 방법을 사용하여 렌즈를 만듬으로써 제작 방법이 아주 간단하고 고효율, 큰 정렬오차, 긴 작용거리 등의 우수한 특성을 가지며, 아울러 저가격의 모듈을 만듬으로써 부품수가 감소되고 포장방법이 간단하며 신뢰성 및 수율이 충분히 확보되는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the end of the single mode optical fiber is heated at a high temperature to diffuse the GeO 2 of the core to produce the same effect as the coreless optical fiber, It is very easy to manufacture by making lens, it has excellent characteristics such as high efficiency, large misalignment and long working distance. In addition, by making low cost module, it is possible to reduce the number of parts, simplify packaging method, .
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|---|---|---|---|
| KR1019970004281A KR19980067916A (en) | 1997-02-13 | 1997-02-13 | Effective optical coupling structure from semiconductor laser to optical fiber |
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| KR1019970004281A KR19980067916A (en) | 1997-02-13 | 1997-02-13 | Effective optical coupling structure from semiconductor laser to optical fiber |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100906287B1 (en) * | 2007-08-22 | 2009-07-06 | 광주과학기술원 | Optical Fiber Probe for Side Imaging and Method of Manufacturing the same |
-
1997
- 1997-02-13 KR KR1019970004281A patent/KR19980067916A/en not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100906287B1 (en) * | 2007-08-22 | 2009-07-06 | 광주과학기술원 | Optical Fiber Probe for Side Imaging and Method of Manufacturing the same |
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