광소자 정렬용 극초정밀 다축 위치 제어 장치의 구동메커니즘에 관한 연구

Abstract

초고속 광통신이발전함에 따라 초고속 광통신 시스템의 핵심 부품인 평면도파로형 분배기(Splitter) 및 결합기(Coupler), 파장분할다중화(WDM) 소자, AWG(Arrayed Wave Guide) 필터 등 각종 광통신소자 부품들의 개발이 활발히 진행중이다. 광통신 시스템 및 소자부품 수요시장 확대 및 급격한 기술적 발전에 따라 관련 제조업체들은 제품의 성능향상 및 생산성 향상이라는 복합된 목표를 동시에 달성하여야만 하는 문제에 직면하였다. 이에 따라 기존의 장치보다 정밀한 정렬을 필요로 하게 되었고 정확한 성능평가를 위한 측정과 생산자동화가 요구되었다. 특히 광통신소자 제조과정상 소자(Devices)와 광섬유(Optical Fiber) 사이의 광학적인 정렬과 접합 공정은 부품 성능 및 생산성 향상, 그리고 비용절감을 위한 가장 핵심적인 문제로 대두되고 있다. 본 논문에서는 평면도파로형 분배기(Splitter), DWDM, AWG 등의 부품을 패키징하는 공정에 적용하기 위해서 광소자 정렬용 극초정밀 다축 위치제어 장치의 메커니즘에 대해 연구하였다. 주요 연구내용은 구동부 메커니즘 연구, 다축 스테이지제작 및 성능평가, 다축 스테이지의 히스테리시스 및 역히스테리시스 모델링 그리고 광소자의 고정밀도 정렬을 주된 내용으로 한다. 1. 구동부 메커니즘 연구 초정밀 다축 위치제어장치의 구동부는 압전액츄에이터와 액츄에이터에서 발생된 변위를 가이드하는 탄성힌지 가이드로 구성된다. 압전액츄에이터는 빠른 응답성능, 우수한 분해성능 및 단위체적당 우수한 힘 발생능력 때문에 초정밀 응용분야에 많이 사용되고 있다. 압전액츄에이터에서 발생되는 변위는 단일구조로된 탄성힌지에 의해 가이드 되고 변위가 확대된다. 본 논문에서는 액츄에이터의 발생력에 따른 탄성힌지의 변형과 탄성힌지의 변형에 따른 발생 응력과의 관계를 규명하기 위해 유한요소해석방법을 이용하였다. 또한 이 결과를 토대로 탄성힌지 및 구동부를 설계하였다. 2. 초정밀 다축 위치제어 장치 제작 및 성능평가 본 연구에서는 구동부 메커니즘 연구결과를 토대로 초정밀 다축 위치제어장치를 제작하였고 위치분해능 및 이송능력을 평가하였다. 성능평가 실험을 위해 컴퓨터에서 프로그램하여 제어기의 최소전압 단위로 계단함수를 입력하였고 발생된 변위는 정전용량형센서(Capacitance Gauge)를 사용하여 측정하였다. 3. 히스테리시스 및 역히스테리시스 모델링 초정밀 다축 위치제어장치의 압전액츄에이터에 의해 구동되는데, 압전소자의 히스테리시스 특성 때문에 입력전압과 발생변위에 대해 히스테리시스가 발생된다. 이러한 히스테리시스 특성을 보상하기 위하여 본 연구에서는 다축 위치제어장치의 히스테리시스를 모델링하였고 히스테리시스를 보상하고 선형적인 운동을 위해 역히스테리시스를 모델링하였다. 또한 얻어진 데이터를 이용하여 실험을 통해 히스테리시스 보상능력을 평가하였다. 4. 광소자 정렬 광소자를 정렬하기 위하여 영역 탐색(Field Search)과 극점 탐색(Peak Search)을 수행하였다. 영역 탐색은 사각나선방식을 이용하여 정렬범위의 평면좌표와 대응하는 광신호를 측정하였다. 극점 탐색에서는 영역 탐색에서 측정된 최대 광파워가 출력되는 위치에서 전후진방식(Ascend and Descend) 및 힐 클라임 방식(Hill Climb)을 이용하여 최적의 위치를 정렬하였다. 광신호의 측정은 한쪽의 광소자에서 광소스(Optical Source)를 입력하고 다른 한쪽의 광소자에서 광신호를 광파워미터를 이용하여 측정하였다. 광정렬 대상은 세가지 소자를 사용하였다. 첫째는 1 채널 입력 광섬유 스택(Optical Pigtail Stack)과 1 채널 스택을 정렬하였고 둘째는 1 채널의 입력신호 스택과 8채널로 분기하는 스택을 정렬하였다. 세 번째는 2개의 페룰(Ferrule)을 정렬하였다.|The communication through optical fiber is taking an important role of the expansion of communication network with excellent transmitting rate and quality. The optical communication is introduced to the backbone network at first and become a general communication method of network. In recent years, as the demands of VBNS(Very high speed Backbone Network Service) and VDSL(Very high-data rate Digital Subscriber Line) increase, the development of kernel parts of optical communication such as PLC(Planar Light Circuit), Coupler, and WDM(Wavelength Division Multiplexing) elements increase. The alignment and the attachment technology are very important in the fabrication of optical elements. In this thesis, a mechanism of multi-axis ultra precision stage for optical alignment are studied. The major researches are as follows. At first, the driving unit mechanism of ultra precision stage is studied with the aim of optimal design of stage. The driving unit is consisted of piezoelectric actuator and flexure guide. The strain of flexure due to the actuating force and the stress distribution for the output displacement are analyzed with FEM. The ultra precision multi-axis stages are fabricated based on the result of analysis. This travel and the resolution of stage are evaluated from the view of optical element alignment. The hysteresis of the stage is generated because of PZT actuator. The hysteresis and the inverse hysteresis are modeled with the experiments in X, Y, and Z-axis motion. The input data of desired displacement to the stage according to input voltage is obtained from the inverse hysteresis equation. In the result of experiments with the input data, the error due to hysteresis is well compensated. The alignment algorithm are studied for applying it to the ultra precision multi-axis stage. The field search and peak search algorithms are used for the optical alignment algorithm. The 2-D profile with 5 ㎛ grid of the optical power is obtained with field search alignment. After the field search, peak search alignment is performed for the precise position of the maximum optical power. The precision accuracy of peak search is 0.5 ㎛. Three kinds of alignment, which are between 1 ch. input and 1 ch. output optical stack, between 1 ch. input and 8 ch. output PLC stack, and between 2 ferrules, are performed for the alignment evaluation.