동축 폼 팩터의 진화: 효율성 대 정밀도

현대의 포토닉 환경에서는 소형화에 대한 요구 사항으로 인해 동축 광섬유 결합 레이저 저렴한 통신 부품에서 고정밀 산업 및 의료 기기의 영역으로 확장되었습니다. 역사적으로 동축 패키지는 열적으로 더 견고한 14핀 버터플라이 패키지를 선호하여 무시되는 경우가 많았습니다. 그러나 동축 하우징의 엔지니어링은 근본적인 변화를 겪었습니다. 원통형 슬리브의 구조적 역학과 자동화된 레이저 용접의 발전에 집중함으로써 업계는 컴팩트한 설치 공간과 장기 배포에 필요한 엄격한 안정성 사이의 간극을 해소했습니다.

동축 모듈의 아키텍처는 본질적으로 대칭에 대한 연구입니다. 평평한 서브마운트를 사용하는 버터플라이 패키지와 달리 동축 설계는 일련의 동심원 실린더를 사용합니다. 동심원 실린더는 레이저 다이오드 칩은 TO-캔 헤더에 장착되어 정밀 가공된 스테인리스 스틸 또는 코바 하우징을 통해 광케이블에 연결됩니다. 이 “피그테일링” 프로세스는 대부분의 기술적 오류가 발생하는 곳입니다. 문제는 단순히 초기 결합을 달성하는 것이 아니라 수천 번의 열 사이클 동안 서브 마이크론 정렬이 고정된 상태로 유지되도록 하는 것입니다.

편광 유지의 물리학: 복굴절 및 응력이 가해지는 부품

시스템에 편광 유지 광섬유 레이저, 를 사용하면 내부 광학 장치의 복잡성이 크게 증가합니다. 편광 유지(PM) 광케이블은 레이저 다이오드에서 발사된 빛의 선형 편광 상태를 유지하도록 설계되었습니다. 표준 단일 모드 광선로에서는 기계적 스트레스나 온도 변화로 인해 편광 상태가 무작위로 드리프트되어 간섭 기반 센서 또는 주파수 두 배 애플리케이션에 치명적인 결과를 초래합니다.

PM 파이버의 원리는 “의도적 복굴절”입니다. 광섬유 클래딩에 응력 적용 부품(SAP)(일반적으로 PANDA 또는 보타이 구조)을 도입하면 광섬유 코어에 영구적인 기계적 변형이 가해집니다. 이 변형은 두 개의 직교 편광 모드(“빠른” 및 “느린” 축)의 변성을 깨뜨립니다. 느린 축으로 발사된 빛은 빠른 축의 빛과 다른 위상 속도로 이동합니다. 이 위상 불일치는 빛이 두 축 사이에서 결합하는 것을 방지하여 원래의 편광 상태를 유지합니다.

엔지니어에게 중요한 지표는 편광 소멸 비율(PER)입니다. 레이저 다이오드의 TE(횡방향 전기) 모드가 광선로의 저속 축과 완벽하게 정렬되지 않으면 PER이 저하됩니다. 1도만 정렬이 잘못되어도 이론상 최대 PER은 약 35dB가 됩니다. 실제 제조에서 20dB에서 25dB의 PER을 달성하는 것은 동축 광섬유 결합 레이저 각도 해상도가 0.1도 이상인 액티브 얼라인먼트 시스템이 필요합니다.

광학 정렬 및 동축 인터페이스의 기하학적 구조

결합 효율은 동축 광섬유 결합 레이저 는 모드 필드 직경(MFD) 불일치의 함수입니다. 1310nm 또는 1550nm 레이저의 경우, MFD는 일반적으로 약 9~10마이크로미터입니다. 이 코어에 빛을 결합하기 위해 마이크로 렌즈(보통 볼 렌즈 또는 비구면 렌즈)가 레이저 패싯과 광섬유 팁 사이에 배치됩니다.

가로 및 축 방향 오정렬의 영향

1. 가로 정렬 오류: X축 또는 Y축에서 1마이크로미터만 이동해도 10% 이상의 전력 손실이 발생할 수 있습니다. 동축 패키지에서 이러한 이동은 제조 공정 중 레이저 용접의 고르지 않은 냉각으로 인해 발생하는 경우가 많습니다.
2. 축 정렬 불일치: 렌즈와 광섬유 코어 사이의 거리는 “빔 웨이스트” 위치에 영향을 미칩니다. 빔이 광섬유 면에 정확하게 초점을 맞추지 않으면 수치 조리개(NA) 불일치로 인해 빛이 코어가 아닌 클래딩으로 이동하는 “클래딩 모드”가 발생하여 가열 및 신호 노이즈가 발생할 수 있습니다.
3. 각도 오정렬: 이는 특히 PM 파이버에 중요합니다. 광케이블 팁이 기울어지면 “위상 전면 기울기”가 발생하여 커플링이 저하되고 레이저 캐비티에 원치 않는 후방 반사가 발생할 수 있습니다.

레이저 용접: 무기 고정 표준

고신뢰성 환경에서는 에폭시를 사용하여 광케이블을 고정하는 것이 좋습니다. 동축 광섬유 결합 레이저 는 점점 더 단계적으로 퇴출되고 있습니다. 에폭시는 수분 흡수, 가스 방출 및 높은 열팽창계수(CTE)로 인해 어려움을 겪습니다. 대신 업계에서는 “액티브 레이저 용접”을 채택했습니다.”

피그테일링 프로세스 동안 로봇 그리퍼가 광케이블을 잡고 출력 전력이 최대가 될 때까지 이동합니다(그리고 PER은 PM 시스템에 최적화됩니다). “스위트 스팟”이 발견되면 여러 개의 Nd:YAG 레이저 빔이 동시에 발사되어 스테인리스 스틸 슬리브를 TO-캔 헤더에 용접합니다. 한 쪽이 다른 쪽보다 먼저 용접되면 국부적인 가열로 인해 슬리브가 광케이블을 정렬에서 벗어나게 되는데, 이러한 현상을 용접 후 이동(PWS)이라고 합니다.

시스템에서 PWS를 엔지니어링하려면 하우징의 야금학에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 제조업체는 저탄소 스테인리스강과 최적화된 용접 펄스 모양을 사용하여 -40~+85℃에서 마이크론 이하의 위치를 유지하는 안정적인 무기 결합을 달성할 수 있습니다.

동축 설계의 재료 과학 및 열 관리

주요 비판 중 하나는 동축 광섬유 결합 레이저 내부 열전 냉각기(TEC)가 없다는 점입니다. TEC가 없으면 레이저 칩의 온도가 주변 환경에 따라 변동합니다. 이는 두 가지 주요 엔지니어링 장애물로 이어집니다:

• 파장 드리프트: 대부분의 반도체 레이저는 섭씨 1도당 0.3nm씩 드리프트합니다. 파장이 안정적이어야 하는 감지 애플리케이션에서는 동축 모듈을 외부 방열판 또는 “콜드 플레이트”에 장착해야 합니다.”
• 신뢰성: 높은 온도는 레이저 패싯의 노화를 가속화합니다. 레이저 패싯의 신뢰성을 보장하려면 편광 유지 광섬유 레이저 동축 패키지에서는 칩과 외부 하우징 사이의 열 저항을 최소화해야 합니다. 이는 고전도성 금-주석(AuSn) 솔더와 정밀한 구리 서브마운트를 통해 달성할 수 있습니다.

시스템 수준에서 볼 때, 버터플라이 모듈 대신 동축 모듈을 선택하는 것은 종종 “열 예산”에 관한 결정입니다. 시스템에 외부 냉각 솔루션을 수용할 수 있는 경우 동축 패키지는 광학 성능의 저하 없이 물리적 부피와 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

신뢰성 평가: 구성 요소 무결성에서 시스템 수명까지

비용을 평가할 때 동축 광섬유 결합 레이저, 를 고려할 때는 “번인” 및 “스크리닝” 프로토콜을 고려해야 합니다. 의료 진단 도구나 해저 센서에서 1,000시간 후에 고장이 나는 부품은 인증된 평균 고장 시간(MTTF)이 100,000시간인 프리미엄 가격의 모듈보다 훨씬 더 비쌉니다.

신뢰성을 기반으로 합니다:

1. 밀폐성 테스트: 헬륨 누출 감지 기능을 사용하여 레이저 칩이 대기 중 산소와 습기로부터 보호되도록 합니다.
2. 온도 순환: 용접된 어셈블리에 급격한 열 스윙을 가하여 레이저 용접과 PM 파이버 정렬을 “스트레스 테스트”합니다.
3. 진동 및 충격: 산업 작동의 기계적 스트레스로 인해 마이크로 광학 장치가 움직이지 않도록 보장합니다.

사례 연구: 고정밀 광섬유 자이로스코프(FOG) 개발

고객 배경:

자율 수중 차량(AUV)용 관성 항법 시스템 제조업체. 이 애플리케이션에는 광섬유 자이로스코프(FOG)를 위한 초소형 1550nm 광원이 필요했습니다.

기술적 과제:

고객의 이전 솔루션은 버터플라이 패키지를 사용했는데, 이는 새로운 소형 센서 하우징에 비해 너무 부피가 컸습니다. 표준 동축 광섬유 결합 레이저로 전환을 시도했지만 편광 안정성이 충분하지 않았습니다. FOG는 사그낙 효과를 정확하게 감지하기 위해 매우 높은 PER과 매우 낮은 상대 강도 노이즈(RIN)가 필요합니다.

• 도전 과제 1: 동축 패키지에서 22dB 이상의 PER을 달성하세요.
• 도전 과제 2: 0°C~50°C의 전체 온도 범위에서 1% 미만의 전력 안정성을 유지합니다.
• 도전 과제 3: 극한의 공간 제약(총 모듈 길이 25mm 미만).

기술 매개변수 및 설정:

• 컴포넌트: 1550nm 동축 PM 파이버 결합 레이저.
• 섬유: 기계적 보호를 위한 900um 버퍼를 갖춘 PM1550(PANDA).
• 정렬: 느린 축을 대상으로 하는 6축 액티브 정렬.
• 고정: 3점 동시 레이저 용접.

품질 관리(QC) 솔루션:

“온도에 따른 소멸 비율”에 대한 100% 검사 프로토콜을 구현했습니다. 모듈을 열 챔버에 넣고 편광 상태를 모니터링했습니다. 어떤 온도 지점에서든 -20dB보다 높은 “편광 크로스토크”를 보이는 모듈은 모두 불합격 처리되었습니다. 또한 레이저 칩은 저잡음 특성을 위해 미리 선택되어 RIN을 최소화했습니다.

결론:

동축 폼 팩터에서 편광 유지 광섬유 레이저로 성공적으로 마이그레이션함으로써 고객은 광학 벤치 풋프린트를 60%까지 줄였습니다. 레이저 용접 구조는 AUV의 고진동 환경에 필요한 기계적 강성을 제공했으며, 액티브 PM 정렬을 통해 자이로의 바이어스 드리프트가 필요한 시간당 1도 미만의 사양을 유지하도록 보장했습니다.

데이터 비교 표: PM 애플리케이션을 위한 동축과 버터플라이 비교

다음 표는 엔지니어가 편광에 민감한 애플리케이션에 적합한 패키지를 결정하는 데 도움이 되는 기술 비교를 제공합니다.

전문가 FAQ: 동축 및 PM 광케이블 엔지니어링

Q1: 동축 광섬유 결합 레이저가 고출력을 처리할 수 있습니까?

일반적으로 동축 모듈은 단일 모드의 경우 50mW 미만, 다중 모드의 경우 100mW 미만의 전력에 사용됩니다. 내부 능동 냉각 기능이 없기 때문에 외부 열 경로가 매우 효율적이지 않는 한 고전력 작동 시 칩 성능이 빠르게 저하됩니다. 와트급 전력의 경우 버터플라이 또는 더 큰 냉각 패키지가 필수입니다.

Q2: “피그테일 스트레스”란 무엇이며 PM 섬유에 어떤 영향을 미치나요?

광섬유 피그테일이 당겨지거나 단단히 감겨지면 외부 응력이 발생합니다. 편광 유지 광섬유 레이저에서 이 외부 응력은 SAP의 내부 응력을 압도하여 편광 상태를 회전시킬 수 있습니다. 그렇기 때문에 PM 광섬유는 종종 더 두꺼운 버퍼를 사용하며 최소 30mm 이상의 굽힘 반경으로 취급해야 합니다.

Q3: 모듈의 PER은 영구적인가요?

레이저 용접 모듈에서 광섬유와 칩의 기계적 정렬은 영구적이지만, 광섬유가 극심한 기계적 스트레스를 받거나 레이저 다이오드가 설계 전류 이상으로 구동되어 스펙트럼 모드 구조가 변경될 수 있는 경우 광섬유 끝에서 “관찰된 PER”이 변경될 수 있습니다.

Q4: 역반사는 PM 파이버 레이저에 어떤 영향을 미칩니까?

역반사는 주요 관심사입니다. 빛이 출력 커넥터에서 반사되어 레이저 칩으로 되돌아오면 레이저가 “잠금 해제”되거나 노이즈가 발생할 수 있습니다. PM 시스템에서는 이러한 반사가 교차 편광되어 PER을 더욱 저하시킬 수 있습니다. 이러한 모듈에는 각진 물리적 접점(APC) 커넥터를 사용하는 것이 필수적입니다.

Q5: 정렬에 “빠른 축” 대신 “느린 축'을 사용하는 이유는 무엇인가요?

일반적으로 PM 광섬유의 느린 축은 레이저 다이오드의 주요 편광 축(TE 모드)과 정렬됩니다. 느린 축은 응력을 가하는 부분이 편광 상태에 대해 더 깊은 전위를 제공하여 빛이 빠른 축으로 “점프”하기 어렵게 만들기 때문에 환경 변화에 대해 더 안정적입니다.