KR100280831B1 - 초고속광신호의파장분할광다중/역다중기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여러 입력과 출력의 파장 채널로 광 신호의 경로차 없고 작은 손실의 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기에 관한 것이다. 종래 파장 분할 광 다중 /역다중기에서 광도파로 격자간의 경로차에 의한 광도파로의 굴곡등에서 벌생되는 빛의 손실을 막기 위한 본 발명은 광 다중역/다중기는 두 개의 동일한 구조의 광커플러가 광도파로 격자에 의해 연결되어 있고, 광도파로 격자는 중심 파장에서의 광의 진행 길이가 같아 서로 경로차가 없는 여러 개의 광도파로로 구성된다. 상기 각 광도파로는 파장에 따른 분산 특성이 다른 물질로 구성된 두 개의 광도파로의 결합으로 이루어 진다. 따라서, 본 발명의 광 다중/역다중기는 광도파로의 길이 차이를 이용하지 않고 광도파로의 분산 특성을 이용하므로 광도파로간의 경로차 없이 초고속 광 다중/역다중이 가능한 효과가 있다.

Description

초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기{Wavelength multiplexer/demultiplexer}

본 발명은 여러 입력과 출력의 파장 채널로 광 신호의 경로차 없이 작은 손실로 초고속 광 신호를 다중/역다중 할 수 있는 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기에 관한 것이다.

종래 파장 분할 광 다중/역다중기를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 여러개의 광도파로의 경로차를 이용한 광도파로 격자(arrayed waveguide grating) 구조로서 N x N의 다채널을 다중/역다중하는 방식이다. 도 1에 도시된 바와같이 경로차를 이용한 광도파로 격자 구조는 N개의 광도파로로 이루어져 다채널로 빛을 입력 또는 출력시키는 입력 및 출력단의 광도파로(11₁~11_N, 12₁~12_N)와 광 입력된 빛을 다수의 광도파로로 커플링시키기 위한 제 1 및 2 광커플러(13 및 14)가 대칭적으로 두개씩 있다. 제 1 및 2 광커플러 사이를 서로 일정한 양 만큼의 경로차를 갖도록 길이가 서로 다른 다수의 광도파로로 구성된 광도파로 격자(15₁~ 15_M)로 연결되어 있다.

도 1에 도시된 종래 광 다중/역다중 구조는 입력단 광도파로(11₁~11_N)로 입력된 빛이 자유공간영역(free space region)인 제 1 광커플러(13)를 통하여 서로 다른 길이의 광도파로로 이루어진 광도파로 격자(15₁~ 15_M)에 커플링 된다. 상기 커플링된 빛은 각각의 광도파로(15₁~ 15_M)로 나누어져 진행한 후 제 2 광커플러(14)에 도달하게 된다. 이때 일정한 길이 차이를 갖는 광도파로 격자(15₁~ 15_M)를 진행한 빛은 각각의 광도파로의 끝에 도착하였을 때 서로의 경로차에 의하여 서로 다른 위상(phase) 차이를 갖게 된다. 상기 위상 차이에 따른 빛은 회절 현상에 의해 제 2 광커플러(14)의 일정한 위치에 모여지게 된다. 제 2 광커플러(14)에 모인 빛은 출력 광도파로(12₁~12_N)의 위치에 따라 특정 파장의 빛으로 분리되므로 광 역다중이 가능하게 된다. 상기한 원리로 광 다중은 입력단 광도파로(11₁~11_N)로 각각에 특정 파장의 빛들을 입사하면 반대쪽 출력단 광도파로(12₁~12_N)의 한 광도파로로 모든 파장의 빛이 다중화된다.

상술한 바와같이 종래 방법은 파장의 효과적인 분할을 위하여 높은 차수의 회절 현상을 이용한다. 만약 m차의 회절 현상을 이용한다면 광도파로 격자(15₁~15_M)에서 근접한 광도파로 15_i와 15_i+1간의 길이 차이 △L이 mλ_o/n_w로 결정되어야 한다. 여기서λ_o는 중심 파장이며, n_w는 격자를 구성하는 광도파로의 평균 굴절율(effective refractive index)이다. 그러므로 M개의 광도파로로 구성된 광도파로 격자(15₁~15_M)를 이용한다면 광도파로 격자(15₁~15_M)를 통과한 후 제 2 광커플러(14)에 도착하는 빛은 최대 mλ_oM/c의 시간차이를 갖게 된다. 여기서 c는 빛의 속도이다. 예를들어 1.55 μm의 파장에서 300차의 회절과 30개의 광도파로 격자를 사용하면 약 50 ps의 시간 차이를 갖게된다. 그러므로 초고속의 광 펄스를 역다중화할 경우 광펄스가 시간차이 만큼 넓어지게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 구조는 광도파로 격자에서 발생되는 경로차이에 의하여 초고속 광 펄스의 광다중/역다중에 어려움이 있다. 또한, 광도파로 격자가 서로 길이 차이를 갖도록 형성함에 따라 광도파로가 일정하게 굴곡되므로 빛이 광도파로를 진행하는데 손실이 크다.

따라서, 본 발명에 따른 광 다중/역다중기는 광도파로의 길이 차이를 이용하지 않고 광도파로의 분산 특성을 이용하므로 상기한 문제점이 해소되고, 광도파로 간의 경로차가 없도록 하므로서 초고속 광 펄스의 광다중/역다중이 가능하게 하는 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기는 서로 대칭적으로 구성되며 빛을 커플링하기 위한 제 1 및 2 광커플러와, 상기 제 1 및 2 광커플러에 접합하여 형성되고, 빛의 입력 및 출력을 위한 다수의 광도파로와, 상기 제 1 및 2 광커플러 사이에 접합하여 형성되며, 빛의 중심 파장에서 경로차가 없고, 각각 두개의 평균 굴절율을 갖는 다수의 이종 광도파로를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 파장분할 광 다중/역다중기를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기를 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기의 광도파로 격자의 구조를 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기의 광커플러에서의 동작을 설명하기 위한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

11₁내지 11_N및 21₁내지 21_N: 입력단 광도파로

12₁내지 12_N및 22₁내지 22_N: 출력단 광도파로

13 및 23: 제 1 광커플러 14 및 24 : 제 2 광커플러

15₁내지 15_M: 광도파로 격자 26₁내지 26_M: 이종 결합 광도파로 격자

36₁내지 36_M: 제 1 광도파로 37₁내지 37_M: 제 2 광도파로

본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 파장 분할 광 다중/역다중기의 단면도이다.

본 발명에 따른 파장 분할 광 다중/역다중기는 빛을 입력 및 출력 시키는 광도파로(21₁~21_N및 22₁~22_N)와 입력된 빛을 광도파로 격자(16₁~ 16_M)와 커플링시키기 위한 제 1 및 2 광커플링(23 및 24)가 대칭 구조로 형성되어 있다. 제 1 및 2 광커플링(23 및 24) 사이는 중심 파장에서 경로차가 없는 광도파로 격자(26₁내지 26_M)로 연결되어 구성된다.

도 3는 본 발명에 따른 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기의 광도파로의 격자 구조를 도시한 단면도이다. 경로차가 없는 다수의 광도파로로 구성된 광도파로 격자(26₁내지 26_M)는 각각의 광도파로(26_i)가 서로 다른 분산 특성을 지니며 두개의 평균 굴절율 n_1w(λ) 및 n_2w(λ)을 갖는 제 1 광도파로(36_i)와 제 2 광도파로(37_i)가 결합되어 형성된다.

이때 광도파로(26_i)는 중심 파장을 λ_o, n_1w(λ_o)의 광도파로 길이를 l_1i, n_2w(λ_o)의 광도파로 길이를l_2i라 할 때 n_1w(λ_o)^*l_1i+ n_2w(λ_o)^*l_2i가 모든 광도파로(26₁내지 26_M)에서 일정하게 구성되어진다. 또한, 평균 굴절률 n_1w(λ) 및 n_2w(λ)인 광도파로를 구성하는 물질은 상기 n_1w(λ)의 파장에 따른 변화가 상기 n_2w(λ)의 파장에 따른 변화에 비하여 충분히 큰 물질로 형성한다. 그리고 상기 제 1 및 2 광도파로(36_i및 37_i)의 각각의 굴절율을 갖는 길이의 차이(Δl_1ii+1및Δl_2ii+1)는 다음 수학식 1과 같다.

Δl_1ii+1= l_1i- l_1i+1= m'/( n_1w(λ_o)^*((d n_1w(λ_o)/dλ)/ n_1w(λ_o) -(d n_2w(λ_o)/dλ)/ n_2w(λ_o)))

Δl_2ii+1= l_2i- l_2i+1= -Δl_1ii+1 ^*n_1w(λ_o)/n_2w(λ_o)

여기서 m'은 회절 차수로서 파장이 역다중 되는 정도를 나타낸다.

상기 수학식 1을 상세히 설명하면, 제 1 광도파로(36_i) 각각의 길이 차이는 상기 제 1 광도파로(36_i)의 굴절률의 파장에 따른 변화률을 굴절률로 정상화한 값에서 제 2광도파로(37_i)의 굴절률의 파장에 따른 변화률을 굴절률로 정상화한 값으로 뺀 후 제 1 광도파로(36_i)의 굴절률을 곱한 값으로 일정한 회절 차수(m')를 나눈값이 되도록 하며, 상기 제 2 광도파로(37_i) 각각의 길이 차이는 상기 제 1 광도파로(36_i) 길이차이의 수직 값을 상기 제 1 광도파로(36_i)의 굴절률을 곱한 후 상기 제 2 광도파로(37_i)의 굴절률을 나눈 값이다.

도 4는 본 발명에 따른 초고속 광신호의 파장 분할 광 다중/역다중기 광커플러의 동작을 설명하기 위한 단면도이다. 상기 광도파로 격자(26₁내지 26_M)를 통과한 빛은 제 2 광커플러(24)의 입력단에서 파장에 따라 서로 다른 위상차이로 인하여 파장에 따라 서로 다른 지역에 모아지게 된다. 이때 파장에 따른 모여지는 위치의 차이(Δx/Δl)는 다음 수학식 2와 같다.

Δx/Δl=f^*((dn_1w(λ_o)/dλ)^*Δl_1ii+1+ (dn_2w(λ_o)/dλ)^*Δl_2ii+1))/(n_s ^*d)

여기서 f는 광커플러의 자유공간 영역의 길이이다.

그리고 광도파로 격자(26₁내지 26_M)를 구성하는 인접 광도파로 간(26_i및 26_i+1)의 길이 차이(Δl_tii+1)는 다음 수학식 3과 같다.

Δl_tii+1= Δl_1ii+1+ Δl_2ii+1= Δl_1ii+1 ^*(1 - n_1w(λ_o)/n_2w(λ_o))

수학식 3에 따라 |n_2w(λ_o) - n_1w(λ_o)| << n_2w(λ_o)로 광도파로를 구성할 수 있으므로 광도파로 간의 길이 차이가 매우 적게 된다.

입력단 광도파로(21₁내지 21_N)에 빛이 입사하게 되면 제 1 광커플러(23)을 통하여 파장 분산 광도파로 격자(26₁내지 26_M)에 커플링된다. 그 후 파장에 따른 분산 특성에 의해 광도파로 격자를 통과한 빛은 다음의 제 2 광커플러(24) 입력단에서 파장에 따라 서로 다른 위상을 갖는 회절격자 역할을 한다. 따라서, 파장에 따라 서로 다른 채널에 입사하게 되어 파장이 역다중 된다.

상술한 바와같이 본 발명은 파장 분산의 이종 광도파로 격자를 이용하므로 광도파로 격자의 출력단에 도착하는 빛이 서로 경로차를 갖지 않는다. 따라서, 초고속 광펄스를 사용하여도 광의 폭이 넓어지거나 다음 신호와 합쳐지는 에러를 발생하지 않으며 초고속의 광 펄스 신호의 광다중/역다중이 가능하다. 또한, 광도파 간의 길이 차이가 매우 적게되어 광도파로의 굴곡 등으로 인하여 발생되는 전파 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 초고속 파장 분할 광 다중/역다중화기에 있어서,

   두 개가 대응되게 인접하여 설치되며 광 커플링을 수행하는 제1 및 제2광 커플러와(23,24),

   상기 제1 및 제2광 커플러의 광 입출력단에 각각 접합되어 설치되어, 상기 제1 및 제2광 커플러에 대한 광 입출력을 가능하게 하는 다수의 광 도파로와(21_1~21_N, 22_1~22_N)

   상기 제1 및 제2광 커플러 사이에 접합하여 형성된 다수의 광도파로에서, 각각의 광도파로는 광평균 굴절률이 서로 다른 제1 및 제2광도파로가 결합하여 형성되고,

   상기 제1 및 제2광도파로 각각의 길이는 서로 다르되,

   상기 다수의 광도파로에서 인접한 제1광도파로간의 길이 차이는 제1광도파로의 굴절률의 파장에 따른 변화률을 굴절률로 정상화한 값에서 제2광도파로의 굴절률의 파장에 따른 변화률을 굴절률로 정상화한 값으로 뺀 후 제1광도파로의 굴절률을 곱한 값으로 일정한 회절차수를 나눈 값이 되도록 하며,

   상기 다수의 광도파로에서 인접한 제2광도파로간의 길이차이는 상기 제1광도파로의 인접한 광도파로간의 길이차이를 상기 제1광도파로의 굴절률을 곱한 후 상기 제2광도파로의 굴절률을 나눈 값을 만족하여 구성되어,

   다중/역다중하고자 하는 빛의 중심 파장에서 서로 광경로차가 없는 다수의 이종 광도파로(26_1~26_M)로 구성된 것을 특징으로 하는 하는 초고속 파장 분할 광다중/역다중기.

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