KR100267352B1

KR100267352B1 - 광도파로열 격자 파장 라우터

Info

Publication number: KR100267352B1
Application number: KR1019970052716A
Authority: KR
Inventors: 정영철; 김남훈
Original assignee: 정영철
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 2000-10-16
Also published as: KR19990031848A

Abstract

목적 : 본 발명은 평탄한 주파수 대역 특성을 나타내는 광도파열 격자 파장 라우터를 제공함으로써 차원 높은 전광네트워크의 실현을 도모하는 것이다.

구성 : 본 발명은 광도파로열에서 각 도파로들의 일부 구간을 제거하여 광파의 파워를 적절히 감쇠시키고, 위상반전이 필요한 부분에서는 반파장만큼의 도파로를 삽입하여 위상반전을 시켜 제2 슬랩도파로로 입사되는 광파의 분포를 싱크함수 형태로 되게 함으로써 상기 제2 슬랩도파로의 출력면에 광파가 다시 맺힐 때 구형파 형태로 되게 한 구성으로 된다.

효과 : 본 발명에 의해 얻어지는 광파는 폭 넓고 평탄한 통과 대역 특성을 가짐에 따라 신뢰성 있는 전광네트워크를 실현할 수 있게 해준다.

[색인어]

라우터, 광도파로

Description

광도파로열 격자 파장 라우터{Waveguide Array Grating Wavelength Router}

본 발명은 산업 플랜트의 제어 분야나 광통신 분야에서 네트워크층의 중계기능을 써서 복수의 통신망을 상호 접속하는 라우터에 관한 것이며, 특히 파장 분할 다중(wavelength division multiplexing)에 의한 전광네트워크(all optical network)의 실현에 핵심적인 집적 광학소자로서 광필터의 통과 대역 특성을 평탄하게 할 수 있는 광도파로열 격자 파장 라우터에 관한 것이다.

파장 분할 다중에 의한 전광네트워크의 실현에는 광도파로열 격자 파장 라우터, 동조 가능한 DBR 반도체 레이저, 동조 가능한 수신기, 그리고 주파수(파장) 변환기 등의 구성요소가 필요하고, 이들 중에서 상기 광도파로열 격자 파장 라우터는 광경로 분류(optical path routing), 애드/드롭 필터링(add/drop filtering) 등의 매우 중요한 기능을 수행하는부분이다. 광도파로열 격자 파장 라우터의 기본적 구성은 도 13으로 도시한 바와 같이 광파가 입력되는 입력 도파로(2), 상기 광파를 분기시키는 제1 슬랩 도파로(4), 일정한 경로차를 가지는 광도파로열(6), 그리고 제2 슬랩 도파로(8) 및 출력 도파로(10)가 다층 박막으로 집적 성형된 실리콘 기재(12) 또는 화합물, 반도체 기재 등으로 되어 있다. 상기 입력 도파로(2)에 입사되는 광파 λ₁- λn은 제1 슬립 도파로(4)를 통과하면서 균일하게 방사되어 분기되고, 이렇게 방사된 광파는 광도파로열(6)을 따라 진행하면서 광파의 분포가 가우시안 분포(gaussian distribution)를 나타내게 된다. 이에 따라 제1 슬립 도파로(4)에 연결된 광도파로열(6)은 인접한 도파로와 일정한 경로 차이를 갖게 되고, 이렇게 광도파로열을 통과한 광파는 제2 슬랩 도파로(8)에 가우시안 분포 형태로 입사되어 이를 통과한 후에 제2 슬랩 도파로의 출력면에 상이 맺히게 된다.

상기와 같은구성의 광도파로열 격자 파장 라우터는 제2 슬랩 도파로(8)에 집속되는 광파의 방향이 주파수에 따라 차례로 움직이면서 동작되는 것에 의해 일정 간격의 출력 도파로를 통하여 소망의 주파수를 얻게 하는 기능을 가지고 있지만, 이 때 얻어지는 주파수 특성은 중심 주파수에서 출력이 최대로 되고 그 주변측 주파수에서는 출력이 감소되어 전송 손실이 증가하게 되는 특성을 가지므로 주파수 대역폭이 제한받게 되는 단점이 있다.

광도파로열 격자 파장 라우터에 사용되는 광원의 주파수는 그 중심 주파수를 벗어나지 않게 하는 것이 바람직하지만, 실제 시스템에서는 통신 시스템의 제약으로 말미암아 중심 주파수로부터 조금식 벗어날 가능성이 있으므로 주파수 대역폭이 제한된 종래의 광도파로열 격자 파장 라우터는 신뢰성에 문제가 있다.

하지만 광도파로열 격자 파장 라우터의 통과대역 특성이 평탄하게 된다면 광원의 파장 여유도가 커져서 상기와 같은 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.

알려진 방법은 제1 슬랩 도파로(4)의 전단에 멀티모드 인터피어런스(multimode interference) 커플러를 추가하여 상기 제1 슬랩 도파로(4)를 통과한 광파가 2개의 겹친 상을 가지게 하여 광도파로열(6)과 제2 슬랩 도파로(8)를 통과한 후 다시 상이 맺힐 때 제 1슬랩 도파로(4)에 입사된 겹친 상과 재차 겹쳐지게 하여 도 14로 나타낸 바와 같은 평탄한 통과대역 특성을 얻는 것이며, 이와 유사한 방법으로는 멀티모드 인터피어런스 커플러 대신에 포물선형 도파로 혼 (parabolic waveguide horn)을 삽입하여 제1 슬랩 도파로(4)에 입사된 광파가 평탄한 광파의 분포를 갖게 하고, 이것이 제2 슬랩 도파로(8)의 출력면에 광파의 상이 맺힐 때 입사된 광파가 재생되게 함으로써 평탄한 주파수 특성을 얻게 하는 것이다.

본 발명은 평탄한 주파수 대역 특성을 나타내는 광도파로열 격자 파장 라우터를 제공함으로써 차원 높은 전광네트워크의 실현을 도모함에 그 목적을 두고 있다.

본 발명의 다른 목적은 멀티모드 인터피어런스 커플러나 포물선형 광도파로 혼을 채용하지 않고도 폭 넓고 평탄한 주파수 대역 특성을 나타내는 광도파로열 격자 파장 라우터를 제공함에 두고 있다.

상기의 목적을 구현하는 본 발명은 광도파로열에서 각 도파로들의 일부 구간을 제거하여 입사되는 광파의 파워를 적절히 감쇠시키고 위상반전이 필요한 부분에서는 반파장만큼의 도파로를 삽입하여 위상 반전시켜 제2 슬랩 도파로로 입사되는 광파의 분포가 싱크 함수(sinc function)형태로 되게 함으로써 상기 제2 슬랩 도파로의 출력면에 광파가 다시 맺힐 때 구형파 형태로 되게 함을 특징으로 한다.

상기 광도파로열의 중간측 도파로 일부(도 3의 D)는 광파의 감쇠를 위하여 제거된다.

본 발명의 실현성을 전산모사를 통하여 확인하기 위하여 InP 기판에 InGaAsP의 코아층을 형성하고, 그 위로 다시 InP를 성장시킨 다음, 소정의 패턴을 이루도록 상층부의 InP를 식각하여 형성한 구조를 고려하였다.

상기 제2 슬랩 도파로로 입사되는 싱크 함수의 광파 분포는 퓨리에 변환에 의해 구형파 형태로 되어 출력면에 다시 맺히게 된다.

제1도는 본 발명이 적용된 광도파로열 격자 파장 라우터의 구성을 개략적으로 나타내는 도면.

제2도는 본 발명을 실현할 수 있는 여러 가지 도파구조들중의 하나인 립 도파로를 도시하는 일부 확대 사시도.

제3도는 본 발명이 적용된 광도파로열에 갖추어진 변형구간의 구체예를 묘사하는 도면.

제4도는 제1 슬랩 도파로를 경유하여 나타나는 가우시안함수 형태의 광파 분포도.

제5도는 제4도의 가우시안함수 형태의 광파가 광도파로열을 경유하여 싱크함수 형태로 변환된 광파의 분포도.

제6도는 도파로 삭제 길이에 따른 광파의 감쇠 정도를 나타내는 그래프.

제7도는 도파로 삭제 길이에 따른 상대적 위상오차를 나타내는 그래프.

제8도는 위상 반전된 광파의 분포를 나타내는 그래프.

제9도는 싱크함수 형태의 광파가 퓨리에 변환에 의해 구형파함수 형태로 변환되는 과정을 설명하는 도면이며, x' 및 x는 각각 두 번째 슬랩 도파로의 입력단과 출력단에서의 횡방향 좌표이다.

제10도는 전산모사에서 광도파로열의 제 4입력 도파로에 여기시킨 경우, 각각의 출력도파로에서 투과되는 파장을 도시하는 그래프.

제11도는 전산모사에서 광도파로열의 제5 입력 도파로에 여기시킨 경우, 각각의 출력 도파로열에서 투과되는 파장을 도시하는 그래프.

제12도는 전산모사에서 광도파로열의 제6 입력 도파로에 여기시킨 경우, 각각의 출력 도파로열에서 투과되는 파장을 도시하는 그래프.

제13도는 일반적인 광도파로열 격자 파장 라우터의 기본 구성을 도시하는 사시도.

제14도는 제13도에 도시한 광도파로열 격자 파장 라우터에서 평탄한 광대역 특성을 얻기 위한 기존 방식의 예를 도시하는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 입력 도파로 22 : 제1 슬랩 도파로

24 : 광도파로열 24a : 중앙측 광도파로

24b : 외측 광도파로 24c : InP기판

26 : 제2 슬랩 도파로 28 : 출력 도파로

30∼34 : 제1∼제3 구역 A : 만곡구간

B : 천이구간 C : 자유공간

D : 변형구간

상술한 구성의 본 발명을 첨부 도면에 따른 바람직한 실시예로 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명이 적용된 광도파로열 격자 파장 라우터의 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 입력 도파로(20)는 만곡구간 "A"와 천이구간 "B"로 조성되어 있고 이어지는 제1 슬랩 도파로(22)는 자유공간 "C"를 조성하고 있다.

광도파로열(24)은 축으로 되는 중앙측 광도파로(24a)가 연속적으로 형성되어 있고, 그 양측으로 배열되는 외측 광도파로(24b)는 비연속상으로 되는 변형구간"D"를 포함하고 있다. 상기와 같은 광도파로열(24)의 출력단은 제2 슬랩 도파로(26)를 경유하여 출력 도파로(28)에 연결된다.

상술한 광도파로열(24)의 각 도파로들은 도2에 도시한 바와 같은 단층 구조를 가진다.

이것은 적당한 두께, 바람직하게는 1.9㎛의 두께를 가지는 InP 기판(24c) 상에 임의 두께, 바람직하게는 0.35㎛의 InGaAsP(1.2Q)로 되는 코아층(24d)을 형성하고, 다시 그 위로 InP층(24e)을 적당 두께로, 바람직하게는 1.7㎛의 두께로 성장시키고 깊이 1.5㎛로 식각하여 얻는 리지형 도파로로 구성된다.

상기와 같이 하여 얻어지는 광도파로열(24)에서 코아층(24d)은 더 구체적으로 In_0.78Ga_0.22As_0.48P_0.52의 성분비를 가진다.

도 3은본 발명이 적용된 광도파로열(24)에서 변형구간 "D"의 보다 구체적인 예를 묘사하고 있다. 상기 변형구간 "D"는 광파의 파워를 감쇠시켜주기 위하여 광도파로열(24)의 일부 구간을 적절히 제거하여 놓음으로써 부가될 수 있다. 더 구체적으로 변형구간 "D"은 도파로의 일부를 제거하여 입사되는 광파를적절히 감쇠시키는 제1 구역(30)과, 반파장에 해당되는 광도파로가 추가되어 입사되는 광파의 180도 위상 반전을 통해 싱크 함수 형태의 광파로 변환시키는 제2구역(32), 그리고 상기 싱크 함수 형태의 광파를 제2 슬랩 도파로의 출력면에서 구형파 형태의 광파로 변환시키는 제3 구역(34)을 포함한다.

상기 입력 도파로(20)에 입사된 광파는 제1 슬랩 도파로(22)를 통과하면 일반적으로 도 4의 도시와 같은 가우시안 분포로 되고, 이 광파는 광도파로열(24)의 변형구간 "D"를 통과할 때에 중앙을 제외한 양측부의 파워가 감쇠되어 도 5와 같은 싱크함수 형태의 광파 분포로 변환된다. 즉, 상기 광도파로열(24)에서 위상반전 영역을 구분하기 위해 구획된 제 2 구역(32)이 반파장 만큼 위상 반전시키는 도파로를 더 구비하고 있음에 따라 상기 제2 구역(32)을 통과하는 광파의 위상이 180도 반전되어 제2 슬랩도파로(26)의 입력면에 입사되는 광파의 분포는 근사적인 싱크함수 형태로 되는 것이다.

또한, 광도파로열(24)에서 도파로의 일부 삭제에 따른 광파의 감쇠 변화는 도 6의 그래프와 같이 나타나는 것이므로 소망하는 싱크함수 분포의 광파를 얻기 위한 도파로의 패턴 삭제는 어렵지 않게 구할 수 있지만, 이 때 광파는 변형구간 "D"를 지나면서 도파로 제거 길이에 따른 상대적 위상오차를 갖게 된다.

상대적 위상오차란 도파로를 제거하지 않은 상태의 광도파로열과 비교하여 나타나는 위상오차를 의미하며 실제로는 도 7의 그래프와 같이 나타난다.

그러나 상기 상대적 위상오차에 관련된 도파로의 길이 ΔＬ은 다음 수학식 Ⅰ로 구할 수 있는 것이기 때문에 이에 기초하여 상기 길이 ΔＬ에 상당하는 도파로를 광도파로열에 추가시키는 것으로 그 상대적 위상오차를 상쇄시킬 필요가 있다.

[수학식]

광도파로열에서의 유효 굴절률, △

는 광도파로열에서 인접한 각 도파로간의 위상차이이다.

[실시예]

제1 슬랩 도파로열(22)에서 광도파로열(24)을 거쳐 제2 슬랩 도파로(26)로 부설되는 각 도파로 간의 간격을 10㎛로 하고 중심측 광도파로(24a)에서 외측 광도파로(24b) 사이에 8개의 도파로를 주기로 하여 제2 구역(32)에서 위상반전이 일어나게 한 구성으로 제조한 결과는 상기 제2 슬랩 도파로(26)의 출력단에 도 8의 그래프와 같이 위상과 파워의 양이 조절된 싱크함수 형태의 광파 분포가 나타났다.

여기서 제2 슬랩 도파로(26)에 입사되는 싱크함수 형태의 광파를 위상반전시키기 위한 제2 영역(32)의 폭

다음 수학식 2로 구할 수 있다.

[수학식 2]

제2 슬랩 도파로(26)의 초점거리,

는 광도파로열에서의 유효 굴절률이다.

상기 수학식 Ⅱ에 따라

하고, 초점거리를 1500㎛로 하였을 때 위상반전을 일으키기에 필요한 제2 영역(32)의 폭은 약 82.5㎛로 된다.

위상 반전된 싱크함수 형태의 광파는 제2 슬랩 도파로(26)의 출력면에서 한점으로 광파의 초점이 맺힐 때 퓨리에 변환의 작용에 따르게 되고, 그 결과로 도 9의 도시와 같이 구형파함수 형태로 변환되어 평탄한 주파수 특성을 가짐으로써 광원의 파장 여유도(wavelength tolerance)가 커지게 된다.

본 발명에 관련된 광도파로열 격자 파장 라우터를 통상의 FD-BPM(finite difference beam propagation method)에 적용하여 채널 간격 1.6㎛의 7×7 광도파로열 격자 파장 라우터로 전산 모사하고 이를 제4 입력 도파로와 제5 입력 도파로 및 제 6 입력 도파로에 각각 여기시켜 보았다.

도 10은 제4 입력 도파로에 여기시킨 결과를 나타내고, 도 11은 제5 도파로에 여기시킨 결과를, 그리고 도 12는 제6 도파로에 여기시킨 결과를 각각 나타내고 있다.

상기의 전산 모사 결과는 본 발명에 관련된 광도파로열 격자 라우터가 5dB이하의 전송 손실과 0.8㎚의 평탄한 주파수 특성 및 -27dB 이하의 누화라는 우수한 성능을 보여 준다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 파장 분할 다중에 의한 전광네트워크에 필수적인 광도파로열 격자 파장 라우터로서 입사된 광파의 파워를 감쇠시켜 싱크함수의 광파분포로 변환시키고 또한 그 중앙의 양측부를 180도 위상 반전시킴으로써 구형파 함수로 되는 광파를 얻음에 따라 광필터의 통과 대역이 평탄한 특성을 얻을 수 있으며, 광원의 주파수가 중심 주파수에서 벗어나게 되더라도 문제를 일으키지 않는다.

Claims

광파가 입력되는 입력 도파로, 상기 광파를 분기시키는 제1 슬랩 도파로, 일정한 경로차를 가지는 광도파로열, 그리고 제2 슬랩 도파로 및 출력 도파로가 다층 박막으로 집적 성형되어 평탄한 통과대역의 특성을 갖는 N × N 광도파로 격자 라우터에 있어서,

입사되는 광파를 감쇠시키기 위하여 도파로의 일부가 제거된 제1 구역과, 입사되는 광파의 위상 반전을 통해 싱크 함수 형태의 광파로 변환시키기 위하여 반파장에 해당되는 광도파로가 추가된 제2 구역과, 상기 싱크 함수 형태로 변환된 광파를 퓨리에 변환시켜 제2 슬랩 도파로의 출력면에서 구형파 형태의 광파로 맺혀지게 하는 제3구역으로 이루어진 변형구간이, 상기 광도파로열의 제1 슬랩 도파로열과 제2 슬랩 도파로열 사이에 개재된 구성으로 됨을 특징으로 하는 광도파로열 격자 파장 라우터.