산업용 포토닉스에서 광섬유 결합 아키텍처의 진화

정교한 포토닉스 분야에서 자유 공간 레이저 방출에서 광섬유 유도 전달로의 전환은 시스템 모듈성과 정밀도의 비약적인 발전을 의미합니다. 제조업체의 경우 꼬리 모양 레이저 다이오드 는 단순히 광섬유로 패키징된 반도체가 아니라 미크론 이하의 광기계적 정렬을 위한 고난이도의 작업입니다. 애플리케이션에 단일 모드 광섬유 결합 광 트랜시버 모듈 장거리 데이터 또는 PM 파이버 결합 레이저 정밀 간섭계의 경우 커플링 인터페이스의 무결성이 전체 시스템의 궁극적인 성능을 결정합니다.

고품질 콘텐츠 제작의 핵심 과제 피그테일 레이저 다이오드 레이저 다이오드의 출력과 광선로의 입력 특성 사이의 불일치에 있습니다. 표준 에지 방출 레이저 다이오드 는 타원형의 고도로 발산되는 빔을 생성하는 반면, 단일 모드 광섬유의 코어는 직경이 3~9마이크로미터에 불과한 작은 원형 도파관입니다. 이 두 가지 형상을 조화시키려면 정교한 광학 개입과 열팽창, 기계적 응력, 장기적인 재료 안정성을 고려한 제조 공정이 필요합니다.

기본 원리: 광학 인터페이스와 결합 물리학

왜 꼬리 모양 레이저 다이오드 실패 또는 성공 여부를 확인하려면 먼저 모드 매칭 중첩 적분을 살펴봐야 합니다. 광선로에 빛을 결합하는 효율은 레이저의 공간 모드가 광선로의 기본 모드(LP01)와 얼마나 잘 일치하는지에 따라 결정됩니다.

수치 조리개(NA) 및 모드 필드 직경(MFD)

광케이블의 수치 조리개는 광케이블이 빛을 받아들일 수 있는 최대 각도를 결정합니다. 대부분의 단일 모드 광케이블의 NA는 0.12~0.14 정도입니다. 레이저 빔의 발산이 이를 초과하면 빛이 광케이블 클래딩으로 손실되어 피그테일 인터페이스에서 노이즈와 잠재적인 열 문제가 발생합니다. 마찬가지로 모드 필드 직경(MFD)도 일치해야 합니다. 의 경우 피그테일 레이저 다이오드 1550nm에서 작동하는 경우 MFD는 10마이크로미터가 될 수 있습니다. 레이저가 5마이크로미터 지점에 초점을 맞추면 광케이블이 얼마나 완벽하게 중앙에 위치하든 상관없이 불일치로 인해 상당한 손실이 발생합니다.

마이크로 광학의 역할

고성능 모듈은 비구면 렌즈 또는 GRIN(그라데이션 인덱스) 렌즈를 사용하여 레이저의 고속 축과 저속 축 발산을 대칭적인 수렴 빔으로 변환합니다. 대상 단일 모드 광섬유 결합 광 트랜시버 모듈, 의 경우, 광섬유 팁의 역반사가 레이저 캐비티를 불안정하게 만들어 상대 강도 노이즈(RIN) 및 주파수 호핑을 유발하는 것을 방지하기 위해 마이크로 아이솔레이터를 반드시 포함해야 하는 경우가 많습니다.

PM 광섬유 결합 레이저 엔지니어링: 편광 및 응력 로드

표준 단일 모드에서 PM 파이버 결합 레이저, 를 사용하면 엔지니어링 복잡성이 크게 증가합니다. PANDA 또는 보타이 디자인과 같은 편광 유지(PM) 광케이블은 내부 응력봉을 사용하여 복굴절을 생성합니다. 이 복굴절은 선형 편광 빛이 광케이블의 주축 중 하나를 따라 발사되면 길이 전체에 걸쳐 해당 편광 상태를 유지하도록 보장합니다.

회전 정렬 및 PER

중요한 지표는 PM 광섬유 결합 레이저 는 편광 소멸 비율(PER)입니다. 20dB 또는 25dB의 PER을 달성하려면 제조업체는 레이저의 편광 축을 광케이블의 “느린 축”과 몇 분의 1도 이내로 정렬해야 합니다. 이는 X-Y-Z 공간 정렬과 동시에 이루어지는 회전 정렬 작업입니다. 회전 오류가 발생하면 빛이 “빠른 축'으로 번져 편광이 불안정해지는 ”누화'가 발생하여 광섬유 자이로스코프 또는 코히어런트 감지에 치명적인 결함을 초래합니다.

피그테일링 프로세스: 액티브 얼라인먼트에서 밀폐 밀봉까지

제조 피그테일 레이저 다이오드 에는 두 가지 주요 철학이 있습니다: 패시브 얼라인먼트와 액티브 얼라인먼트입니다.

액티브 얼라인먼트 기술

수동 정렬은 고정밀 기계적 공차에 의존하지만 고전력 또는 단일 모드 애플리케이션에 필요한 결합 효율을 거의 달성하지 못합니다. 능동 정렬은 조립 과정에서 레이저 다이오드에 전원을 공급하고 컴퓨터로 제어되는 6축 스테이지를 사용하여 최대 결합 지점을 찾습니다. 광케이블은 출력 전력을 모니터링하는 동안 10나노미터 단위로 이동합니다. “피크”가 발견되면 광섬유는 영구적으로 고정됩니다.

고정 방법: 에폭시 대 레이저 용접

고정 방법의 선택은 “총소유비용(TCO)”을 결정하는 주요 요인입니다.

1. 자외선 경화형 에폭시: 저렴한 비용의 피그테일 레이저 다이오드 모듈을 사용합니다. 에폭시는 구현하기 쉽지만 “크리프'와 습기 흡수가 발생하기 쉬우므로 수년 동안 사용하면 섬유의 정렬이 어긋날 수 있습니다.
2. 레이저 용접: 업계 최고의 표준. 고에너지 레이저 펄스가 광케이블 페룰을 모듈 하우징에 용접합니다. 이렇게 하면 드리프트가 거의 없는 금속 대 금속 결합이 생성됩니다. 대상 단일 모드 광섬유 결합 광 트랜시버 모듈 해저 또는 항공 우주 환경에서 사용되는 레이저 용접은 유일하게 실행 가능한 옵션입니다.

구성 요소 품질 대 시스템 비용: 제조업체의 관점

OEM 구매자가 흔히 저지르는 실수는 초기 구매 가격에 초점을 맞추는 것입니다. 꼬리 모양 레이저 다이오드. 그러나 “구성 요소 품질'은 세 가지 방식으로 전체 시스템 비용에 직접적인 영향을 미칩니다:

1. 열팽창 계수(CTE) 불일치

모듈 하우징과 광케이블 페룰이 서로 다른 CTE를 가진 재료(예: 알루미늄과 스테인리스 스틸)로 만들어진 경우, 레이저가 가열됨에 따라 결합 효율이 변동합니다. 고품질 PM 파이버 결합 레이저 는 코바르 또는 인바 하우징을 사용하여 넓은 온도 범위(예: 섭씨 -20~+70도)에서 광섬유가 초점에 유지되도록 합니다.

2. 광학 피드백 관리

저가형 피그테일 레이저 다이오드 모듈은 내부 광 아이솔레이터를 생략하는 경우가 많습니다. 시스템 통합업체 입장에서는 광 경로에 외부 아이솔레이션을 구축해야 하므로 전체 설치 공간과 복잡성이 증가합니다. “제조업체 통합형” 아이솔레이터는 레이저가 “조용하고” 안정적으로 유지되도록 보장하며, 이는 높은 비트 전송률에 매우 중요합니다. 단일 모드 광섬유 결합 광 트랜시버 모듈.

3. 광케이블 팁 준비

평평하게 절단된 광케이블과 각진 물리적 접촉(APC) 폴리싱의 차이는 -14dB와 -60dB의 역반사 차이입니다. 고출력 레이저의 경우, 광케이블 팁이 불량하면 역반사된 에너지가 광케이블 코어를 녹여 레이저로 다시 이동하여 즉시 파괴하는 “광케이블 퓨즈”가 발생할 수 있습니다.

광 결합 모듈용 기술 사양 매트릭스

다음 데이터는 전문가급 피그테일 모듈의 성능 벤치마크를 나타냅니다.

사례 연구: 고안정성 OCT 의료용 영상 시스템

고객 배경

한 의료 기기 OEM은 안과 영상 촬영을 위한 차세대 광학 일관성 단층 촬영(OCT) 시스템을 개발 중이었습니다. 이 시스템에는 이미지 대비를 유지하기 위해 노이즈가 매우 낮고 편광 안정성이 높은 1310nm 광원이 필요했습니다.

기술적 과제

고객이 타사 피그테일 레이저 다이오드 “편광 방황”으로 어려움을 겪었습니다. 광섬유 케이블이 움직이거나 주변 온도가 변할 때마다 이미지 품질이 저하되었습니다. 기술 분석 결과, PM 광케이블의 내부 응력봉이 레이저의 E-필드와 올바르게 정렬되지 않았고 피그테일 고정에 사용되는 에폭시가 레이저의 작동 열에 의해 연화되는 것으로 밝혀졌습니다.

기술 파라미터 및 설정

• 중심 파장: 1310nm +/- 5nm.
• 섬유 유형: PM1300 PANDA 파이버.
• 원하는 PER: > 전체 온도 범위에서 22dB 이상입니다.
• 커플링 목표: > 10mW 칩에서 2.0mW 출력.
• 패키지: 14핀 버터플라이, 내부 TEC(열전 냉각기) 포함.

품질 관리(QC) 및 구현

이 문제를 해결하기 위해 제조업체는 생산을 10nm 해상도의 액티브 얼라인먼트 스테이션으로 옮겼습니다.

1. 동적 PER 모니터링: 정렬하는 동안 광케이블이 회전하는 동안 PER을 실시간으로 모니터링했습니다. 광케이블은 25dB 피크에서 고정되었습니다.
2. CTE 매칭: 하우징은 Kovar로 변경되었고, 대칭적인 응력 분포를 보장하기 위해 광케이블 페룰은 세 지점(120도 간격)에서 레이저 용접되었습니다.
3. 번인 프로토콜: 완료된 PM 파이버 결합 레이저 모듈을 섭씨 -40도에서 +85도까지 100번의 열 사이클을 거쳤습니다. 추적 오차가 0.3dB 미만인 모듈만 배송이 허가되었습니다.

결론

일반적인 피그테일 레이저 다이오드 레이저 용접된 PM 최적화 모듈로 변경하여 편광 드리프트를 제거했습니다. OCT 시스템의 신호 대 잡음비는 15%까지 개선되었고 광학 오정렬과 관련된 현장 고장률은 0으로 떨어졌습니다. 이는 고정밀 의료 애플리케이션의 경우 유지보수 감소와 우수한 진단 성능을 통해 무결성 피그테일의 “초기” 비용을 회수할 수 있음을 보여줍니다.

시장 동향: 실리콘 포토닉스 및 통합 트랜시버의 부상

미래를 바라보며 단일 모드 광섬유 결합 광 트랜시버 모듈, 를 통해 “실리콘 포토닉스”로 나아가고 있습니다. 이 아키텍처에서는 레이저가 실리콘 칩에 직접 통합됩니다. 그러나 이러한 발전에도 불구하고 “피그테일링” 문제는 여전히 남아 있습니다. 실리콘 도파관에서 광섬유로 빛을 전달하기 위해서는 여전히 기존의 광섬유에 적용하는 것과 동일한 모드 매칭 및 기계적 안정성의 원리가 필요합니다. 꼬리 모양 레이저 다이오드 시스템으로 전환할 수 있습니다.

또한, 다음과 같은 수요도 증가하고 있습니다. PM 파이버 결합 레이저 소스는 기존 통신을 넘어 양자 키 분배(QKD)와 자율주행 차량용 라이다(LiDAR)로 영역을 확장하고 있습니다. 이러한 분야에서 “피그테일'은 더 이상 단순한 부품이 아니라 도로의 혹독한 환경이나 우주 공간에서 살아남아야 하는 중요한 광학 게이트웨이입니다.

FAQ: 피그테일 레이저 기술에 대한 전문가 문의

Q1: 피그테일 레이저 다이오드에서 “추적 오류”란 무엇인가요?

A: 추적 오차는 온도가 변함에 따라 모니터 광 다이오드 전류에 비해 결합된 출력 전력이 얼마나 변화하는지를 측정한 값입니다. 이는 광선로 정렬의 기계적 안정성을 직접적으로 나타내는 지표입니다. 추적 오차가 높다는 것은 모듈이 열적으로 팽창하거나 수축함에 따라 광케이블이 레이저 스팟에서 물리적으로 멀어지고 있다는 것을 의미합니다.

Q2: PM 파이버 결합 레이저의 결합 효율이 일반적으로 표준 단일 모드 피그테일보다 낮은 이유는 무엇인가요?

A: PM 광케이블은 응력봉으로 인해 코어 구조가 약간 더 복잡하며, 회전 정렬에 대한 요구 사항으로 인해 또 다른 제약이 추가됩니다. 완벽한 회전 PER을 달성하기 위해 X-Y-Z 포지셔닝을 약간만 타협하면 총 전력 결합이 약간 낮아집니다.

Q3: 광섬유가 파손된 경우 피그테일 레이저 다이오드를 수리할 수 있나요?

A: 대부분의 고성능 모듈, 특히 레이저 용접 모듈의 경우 수리가 불가능합니다. 정렬은 공장 수준에서 미크론 미만의 허용 오차로 설정됩니다. 모듈을 다시 피그테일링하려면 일반적으로 밀폐 밀봉을 깨고 내부 마이크로 옵틱을 파괴해야 합니다. 광섬유 재킷의 적절한 스트레인 릴리프가 파손에 대한 최선의 방어책입니다.

Q4: 피그테일의 “굽힘 반경'이 레이저의 성능에 어떤 영향을 미치나요?

A: 피그테일 레이저 다이오드의 경우 최소 굽힘 반경을 초과하면 매크로 굽힘 손실이 발생합니다. PM 파이버 결합 레이저 시스템에서 좁은 굴곡은 또한 기계적 응력을 유발하여 광케이블의 복굴절을 변화시켜 PER을 크게 저하시킬 수 있습니다. 항상 최소 굽힘 직경에 대한 광케이블 제조업체의 사양을 따르세요(일반적으로 SM 광케이블의 경우 20~30mm).

Q5: 피그테일에 14핀 버터플라이 패키지를 사용하면 어떤 이점이 있나요?

A: 버터플라이 패키지는 열전기 냉각기(TEC), 서미스터, 광절연기를 위한 충분한 공간을 제공합니다. 이를 통해 피그테일 레이저 다이오드가 일정한 내부 온도에서 작동하여 외부 환경에 관계없이 파장과 결합 효율을 안정적으로 유지할 수 있습니다.