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문제 정의
- 라스틱」광섬유"月'넥터 시제품은 고분자 합성재료를 소재로 사용하기 때문에 환경적 특성이 중요하다. 따라서 온도주기시험과 내습성 시 험을 통하여 제작된 플라스틱 광섬 유 커 넥터 의 환경 적특성을 평 가하였다.
- 이 중 플라스틱 광섬유는(POF) 대역폭과 손실면에서 근거리통신망에 적합하여 가장 각광을 받고 있는 소재이다. 본 논문에서는 이러한 POF를 이용하여 650nm, 850nm 전송용 광커넥터와 1.25Gbps, 155Mbps 고속신호 전송이 가능한 일체형 광송수신 모듈을 설계, 제작에 관한 것을 기술하였으며 이들의 특성 측정 결과를 보이고 분석하였다.
- 정확도와 정밀도를 확보하기 위해 플로팅 접속방식(페룰이 스프링력에 의해접속력을 지속적으로 인가함으로써 온도변화 등에 의한 재료의 변형에도 일정한 접속을 유지할 수 있는 방식)을 적용하면서 기존의 SC나 MU형 커넥터에서 볼 수 있는 심선과 페룰의 고정, 외피와 부트간의 고정을 위한 기계적 압착 방식, 심선과 페룰간의 유동방지를 위한 접착등의 복잡한 고정방식을 Clamp만을 압입하여 외피를 고정하는 방식으로 개선함으로써 부품 및 조립시간을 최소화하였다. 특히 페룰의 동심 및 진원도를 유지하기 위해 PPS의 고강도 플라스틱 재질을 채택하여 친정밀도를 향상시켰으며, Clamp를 제외한 모든 부품이 플라스틱 사출물로 이루어져 기존의 지프코니아 페룰, 페룰의 후가공 등의 제조 공정을 없앨 수 있어서 주요 부품의 제조 단가를 파격적으로 줄이고자 하였다.
제안 방법
- ASAHI GLASS사의 120/200um GI-POF FIBER를 수용하기 위해서 별도의 플라스틱 재질의 페룰을 이용하는 구조로 설계하였다. 정확도와 정밀도를 확보하기 위해 플로팅 접속방식(페룰이 스프링력에 의해접속력을 지속적으로 인가함으로써 온도변화 등에 의한 재료의 변형에도 일정한 접속을 유지할 수 있는 방식)을 적용하면서 기존의 SC나 MU형 커넥터에서 볼 수 있는 심선과 페룰의 고정, 외피와 부트간의 고정을 위한 기계적 압착 방식, 심선과 페룰간의 유동방지를 위한 접착등의 복잡한 고정방식을 Clamp만을 압입하여 외피를 고정하는 방식으로 개선함으로써 부품 및 조립시간을 최소화하였다.
- Clamp코드의 작용에 광섬유와 커넥터 하우징의 고정이 이루어지는 플라스틱 광섬유 커넥터의 강도를 시험하기 위해 Push-Pull Gauge를 사용하여 광 커넥터 양단을 고정후 5kgf(49N)의 인장력을 1분간 인가하여 clamp부 코드의 이상 유무와 삽입손실을 측정하였다. 측정결과 인장력을 가하기 전 초기 측정손실과 비교하여 크게 변하지 않으며 평균 O.
- POF 커넥터는 케이블을 수용하기 위한 Plug, Plug to Plug 연결 AdapterR, Transceiver에 사용되는 Receptacles. 구분하였고, Gigabit 전송을 위한 850nm 커넥터와 수백 Mega급 650nm 커넥터의 두 종류로 설정하였다.
- 정렬부는 사출 성형에 의한 일체형 Sleeve 를 사용하였으며 광전소자를 고정시키는 부분의 설계는 650nm receptacle의 경우 Key형태의 구조를 갖는 Metal Fitting을 먼저 Receptacle 상단으로부터 조립시킴으로서 Metal Fitting의 Spring력에 의해 고정시켜서 빠짐을 방지하고 Fiber정렬을 향상시켰다. 그리고, 850nm Receptacle의 경우는 특히 광전소자와 Fiber core의 정렬이 10㎛이내의 공차 범위의 정밀도를 요구하기 때문에 광전소자와 Plug의 페룰과의 Align을 위한 SUS 재질의 Hlder를 따라 정렬되어지는 구조를 채택하였다.
- 내진성 시험은 진동수 범위 10-55HZ, 전진폭 1.50mm, Sweep time 10~55~10Hz(약 5 분간), (X, Y, Z)3축방향 각 2시간의 조건으로 진동시험 기를 사용하여 수행하였고, 내충격 시험은 가속도 981m/s2(100G), 지속시간 6ms, 정현반파 3.7m/s, (X, Y, Z) 3축방향 각 3회로 낙하충격시험기를 이용하였다. 시험 결과는 신뢰성 시험 규격에 만족하는 범위에서 우수한 특성을 나타내었다.
- 따라서 Adapter 설계시 사출에 의한 일체형 Sleeve를 이용하여 정렬문제를 해결하였으며 Panel 조립 장착성을 양호하게 하기 위해서 Panel Front에서 뒤로 밀어 넣으면 자동적으로 P무디에 Lock 되며 해체 시에는 Back쪽에서 손으로 Lever를 눌러 빼는 구조를 채택하여 하나의 부품으로 광학접속과 Panel 취부 기능을 동시에 부합하였다.
- 15mm, 내경은 1mm로 설계하였으며 케이블을 견고히 고정시키기 위해 하우징 상단으로부터 편심 요철 형태를 가진 Clamp를 압입 시킴으로써 케이블의 강한 인 장시에도 특성 변화를 최소화 할 수 있는 구조를 채택하였다. 또한, 2심의 플라스틱 광섬유를 동시에 수용하도록 설계하여 플라스틱 광섬유 정렬을 위한 패룰간의 폭을 최대한 줄여서 단심 SC 광커넥터 2개가 수용되는 Duplex SC형의 광커넥터에 비해 평균 단면적 이 1/3의 크기로서 기존의 통신용 IEEE1394 광 커넥터에 비해서도 1/2의 크기로 설계가 되었다. 뿐만 아니라 push-pull 방식으로 설계하여 접속과 탈착의 편리성을 꾀하였다.
- 먼저, MITSUBISHI RAYON사의 980/1 OOOurn SI POF 광섬유를 수용하기 위해서 Housing과 한 몸체를 이루고 있는 페룰부를 형성하고 외경은 2.15mm, 내경은 1mm로 설계하였으며 케이블을 견고히 고정시키기 위해 하우징 상단으로부터 편심 요철 형태를 가진 Clamp를 압입 시킴으로써 케이블의 강한 인 장시에도 특성 변화를 최소화 할 수 있는 구조를 채택하였다. 또한, 2심의 플라스틱 광섬유를 동시에 수용하도록 설계하여 플라스틱 광섬유 정렬을 위한 패룰간의 폭을 최대한 줄여서 단심 SC 광커넥터 2개가 수용되는 Duplex SC형의 광커넥터에 비해 평균 단면적 이 1/3의 크기로서 기존의 통신용 IEEE1394 광 커넥터에 비해서도 1/2의 크기로 설계가 되었다.
- 본 플라스틱 광섬유 커넥터의 구조와 적용 부분의 기계적 특성을 알아보기 위해 코드 clamp 강도와 내진성, 반복동작, 내충격성의 시험을 실행하였다.
- 또한, 2심의 플라스틱 광섬유를 동시에 수용하도록 설계하여 플라스틱 광섬유 정렬을 위한 패룰간의 폭을 최대한 줄여서 단심 SC 광커넥터 2개가 수용되는 Duplex SC형의 광커넥터에 비해 평균 단면적 이 1/3의 크기로서 기존의 통신용 IEEE1394 광 커넥터에 비해서도 1/2의 크기로 설계가 되었다. 뿐만 아니라 push-pull 방식으로 설계하여 접속과 탈착의 편리성을 꾀하였다.
- 사용하여 진행하였다. 시험 조건은 -2 5℃에서 30분, 5~35℃ 10~15분, 70℃ 30분, 5~35℃ 에서 10~15분을 Icycle로 하여 lOcycle 실시하였고, 매 10℃마다 측정하였다. 시험중 손실 변화 편차는 일정한 범위내에서 크게 벗어나지 않았다.
- 이에 커넥터는 내구성 뿐만 아니라 다수의 재반복 동작 후에도 어떠한 열화 현상이 발생하지 않는 특성을 가지고 있어야 한다. 재 반복 특성 시험은 반복 동작 후 외관, 구조의 변화와 삽입손실의 측정으로 진행되었다. 시험조건은 500호 재반복 동작(삽발)을 싱행하며 10회 마다 삽입손실을 측정하며 측정시 외관, 구조상 파손 및 부품의 흔들림이 없어야 하며 삽입손실은 0.
- 따라서, Packaging7의 페룰과 광전소자와의 정렬 부는 대단히 정밀하게 이루어져야 하고 발광소자의 Focal Length도 광 Power에 직접적인 영향을 미치므로 설계시 이들 부품의 Align 방법이 제일 고려되어야 한다. 정렬부는 사출 성형에 의한 일체형 Sleeve 를 사용하였으며 광전소자를 고정시키는 부분의 설계는 650nm receptacle의 경우 Key형태의 구조를 갖는 Metal Fitting을 먼저 Receptacle 상단으로부터 조립시킴으로서 Metal Fitting의 Spring력에 의해 고정시켜서 빠짐을 방지하고 Fiber정렬을 향상시켰다. 그리고, 850nm Receptacle의 경우는 특히 광전소자와 Fiber core의 정렬이 10㎛이내의 공차 범위의 정밀도를 요구하기 때문에 광전소자와 Plug의 페룰과의 Align을 위한 SUS 재질의 Hlder를 따라 정렬되어지는 구조를 채택하였다.
- 구조로 설계하였다. 정확도와 정밀도를 확보하기 위해 플로팅 접속방식(페룰이 스프링력에 의해접속력을 지속적으로 인가함으로써 온도변화 등에 의한 재료의 변형에도 일정한 접속을 유지할 수 있는 방식)을 적용하면서 기존의 SC나 MU형 커넥터에서 볼 수 있는 심선과 페룰의 고정, 외피와 부트간의 고정을 위한 기계적 압착 방식, 심선과 페룰간의 유동방지를 위한 접착등의 복잡한 고정방식을 Clamp만을 압입하여 외피를 고정하는 방식으로 개선함으로써 부품 및 조립시간을 최소화하였다. 특히 페룰의 동심 및 진원도를 유지하기 위해 PPS의 고강도 플라스틱 재질을 채택하여 친정밀도를 향상시켰으며, Clamp를 제외한 모든 부품이 플라스틱 사출물로 이루어져 기존의 지프코니아 페룰, 페룰의 후가공 등의 제조 공정을 없앨 수 있어서 주요 부품의 제조 단가를 파격적으로 줄이고자 하였다.
- 제작司 플라M틱-'矗섬유 커넥터의 광학적 특성을 파악하기 위해 다수의 sample을 선정하여, 마스터 코드와의 삽입손실을 측정하였다. 측정 결과 650nm 커넥터의 경우 핫플레이트 가공시 평균 0.
- 초고속 정보 통신망 구축의 일환으로 근거리 통신망에서의 새로운 전송 매체인 POF(Plastic Optical Fiber) 커넥터 및 광송수신 모듈, 통신 기자재 시제품을 제작하여, 그 특성을 평가하였다. POF 커넥터를 Plug, Adapter, Receptacle 부분으로 구분하여 제작기술을 확보하였으며, 시제품의 광학적, 기계적, 환경적 특성평가를 통해 제작된 커넥터의 충분한 기능성을 확인할 수 있었다.
- 플라스틱 광섬유 커넥터 시제품의 온도주기에 따른 손실 특성의 변화를 측정하기 위하여 저온 항온조와 고온 항온조를 사용하여 진행하였다. 시험 조건은 -2 5℃에서 30분, 5~35℃ 10~15분, 70℃ 30분, 5~35℃ 에서 10~15분을 Icycle로 하여 lOcycle 실시하였고, 매 10℃마다 측정하였다.
대상 데이터
- 850nm VCSEL과 650nm RC LED를 광원으로 하여 SC구조 형태와 RJ-45구조로 1.25Gbps, 155Mbps 광송수신모듈 5종을 설계 제작하였다. 그림 2는 SC 구조의 가입자 댁내용 850nm VCSEL 1.
이론/모형
- 이러한 방법으로 제작된 samplee 신뢰성을 확인하기 위하여 광특성 시험과 다양한 신뢰성 검사(기계적, 환경적 허용 범위)가 수행되었다. 검사의 방법과 상태는 JIS규격에 기초하였다.
- 플라스틱 광섬유 단면의 연마는 10CTC정도의 방전 히터를 이용하여 융착시키는 Hot Plate 방법과 기존의 지르코니아 페룰 연마방법인 랩핑 필름을 이용한 단계적 Polishing 방법을 사용하였다. 랩핑필름을 이용한 Polishing방법은 고도의 연마기술을 필요로 하지는 않으며, Hot Plate 방법보다 더 나은 광특성을얻을 수 있었다.
성능/효과
- 제작하여, 그 특성을 평가하였다. POF 커넥터를 Plug, Adapter, Receptacle 부분으로 구분하여 제작기술을 확보하였으며, 시제품의 광학적, 기계적, 환경적 특성평가를 통해 제작된 커넥터의 충분한 기능성을 확인할 수 있었다. 또한 650nm와 850nm를 사용하는 1.
- 내습성 시험에 따른 삽입손실값의 변화는 평균 0.22dB 수준으로 크지 않으며, 측정오차 범위 내에 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 외관, 구조상 파손 등의 변화는 일어나지 않았다 .
- Polishing 방법을 사용하였다. 랩핑필름을 이용한 Polishing방법은 고도의 연마기술을 필요로 하지는 않으며, Hot Plate 방법보다 더 나은 광특성을얻을 수 있었다. 이러한 방법으로 제작된 samplee 신뢰성을 확인하기 위하여 광특성 시험과 다양한 신뢰성 검사(기계적, 환경적 허용 범위)가 수행되었다.
- 5dB내의 편차를 가져야 한다. 시험 결고 삽입손실의 편차는 0.15dB이하로 나타났으며, 이 결과는 주어진 광접속상태에서 플라스틱 광섬유 커넥터의 안정성과 일관성을 확증하는 결과이다.
- 7m/s, (X, Y, Z) 3축방향 각 3회로 낙하충격시험기를 이용하였다. 시험 결과는 신뢰성 시험 규격에 만족하는 범위에서 우수한 특성을 나타내었다..
- 삽입손실을 측정하였다. 측정 결과 650nm 커넥터의 경우 핫플레이트 가공시 평균 0.95dB, 연마 방법 시 0.75dB를 얻었으며, 850nm 커넥터의 경우 평균 0.45dB의 결과치를 보였다.
- 측정결과 인장력을 가하기 전 초기 측정손실과 비교하여 크게 변하지 않으며 평균 O.ldB이하의 손실 변화를 나타내어 주어진 환경에서 안정성을 확증할 수 있었다.
후속연구
- 25Gbps, 155Mbps급 광송수신모듈을 SC타입 , RJ 타입으로 설계, 제작하여 S/W Hub, Media Converter, Outlet 등의 POF 관련 통신 기자재를 구현할 수 있었다. 본 POF 관련 커넥터 및 광전소자 등의 연구를 통해 광홈네트워크 구축을 위한 기초기술을 확보하고 이를 통해 전분야의 초고속 통신의 기반이 될 수 있는 FTTH의 완성을 위한 기술력 확보로 구내통신망의 고도화 실현이 기대된다.
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