KR100289042B1 - 쌍격자구조를갖는수직결합형파장가변광필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쌍격자 구조를 갖는 수직결합형 파장가변 광필터에 관한 것으로서, 두 도파로 사이의 클래딩층에 삽입된 구조로 필터의 가운데 부분과 양 끝단에서 두 격자 사이의 간격이 서로 다르도록 공간적으로 조절되어 구성된 쌍격자 구조를 형성함으로써, 두 도파로 사이에 결합되는 광의 위상을 공간적으로 조절하여 사이드로브를 10dB(약약 10배) 이상 제어할 수 있음에 따라 파장분할 변조(WDM) 통신의 이웃하는 채널간의 크로스 토크(crosstalk) 특성을 크게 개선할 수 있으며, 특지 제작 공정에서 격자의 간격 조절은 제작 공정에서 마스크 1장만 변경하면 되므로 제작이 매우 쉬운 효과를 갖는다.

Description

쌍격자 구조를 갖는 수직결합형 파장가변 광필터
본 발명은 파장분할 다중 방식(Wavelength Division Multiplexing : 이하 WDM으로 표기한다.)의 광통신 또는 광교환에 사용되는 파장선택성을 갖는 광필터 장치에 관한 것으로, 두 도파로 사이에 삽입되는 격자층을 쌍격자 구조로 제작하여 두 도파로 사이의 광결합 효율을 공간적으로 제어함으로써 필터의 특성 저해요소인 사이드로브(sidelobe)를 억제시키는데 그 주된 목적을 두고 있다.
광필터(Optical Filter)는 일반적으로 반도체 재료를 사용하여 수직으로 결합되는 격자도움형 방향성 결합기(Grating-Assisted Codirectional Coupler : GACC) 필터가 많이 이용되는데 이는 반도체가 광소자와의 집적성이 좋고 파장 변환속도가 매우 빠르다는 장점을 갖기 때문이다.
종래 격자도움형 방향결합기 광필터의 구조는 도 1에 예시한 바와 같이, n-InP 기판(11)의 상부에 InGaAsP 제1 도파로(12), n-InP클래딩층(14), InGaAsP 제2도파로(15) 및 p-InP 크래딩층(16)이 차례로 적층되고, 상기 n-InP 클래딩층(14)에는 격자(grating)(13)가 삽입된 구조로 구성된다.
이와같은 구조의 격자도움형 방향결합기 광필터는, 두 광도파로(12, 15) 사이의 클래드층(14)에 격자(13)를 삽입하여 광결합을 발생시키며, 한 도파로로 입사된 광을 다른 도파로로 뽑아서 신호광으로 사용하는 것으로, 이때 격자(13)는 상기 두 도파로(12, 15) 사이에서 광을 결합시키는 역할을 하며, 두 도파로(12, 15)가 비대칭일 때 어느 특정 파장만 다른 도파로로 결합된다.
상기와 같은 격자도움형 방향성 결합기는 전류주입 또는 전계효과를 이용해서 도파로의 굴절률을 바꾸어 줌으로써 제2도파로(15)로 출력되는 빛의 파장을 바꿀 수 있는데, 이와 같은 파장 가변 광필터에서 상기 제2도파로(15)로 i-번째 파장(λi)이 출력되고 있을 때 (i+1)-번째 파장 또는 (i-1)-번째 파장이 제 2도파로(15)로 출력이 되면 i-번째 파장을 검출하는데 오류가 발생하게 된다.
따라서 i-번째 파장만 제 2도파로(15)로 출력시키기 위해서는 제 1도파로(12)에서 제2도파로(15)로 결합되는 광파장 스펙트럼이 이웃하는 (i-1)-번째 파장과 (i+1)-번째 파장에서는 출력되지 않아야 이상적이다.
그러나 상기 도 1에 예시한 광필터 구조는, 상기 제 2도파로에 결합되는 출력스펙트럼이 광파장 변화에 대해 도 4에 점선으로 표시된 것과 같은 형태를 가지며, 중심파장 좌우에서 사이드로브(sidelobe)라 불리우는 작은 피크값을 갖음으로써 이 사이드로브의 위치에 따라 이웃하는 채널이 영향을 받게 되므로 광필터가 실용가능하기 위해서는 사이드로브의 제거가 필수적이다.
상기 사이드로브는 도 1에 예시한 두 도파로 사이의 거리가 일정하고, 격자의 주기가 일정하여 두 도파로 사이의 광결합 효율이 일정한데에 그 원인이 있는데 이와같이 종래에는 제 1도파로와 제 2도파로를 같은 평면상에 제작하고 반도체 공정과 같은 포토마스크 작업을 통해 평면형으로 제작하고 있으며, 평면형으로 광필터를 제작할 경우 두 도파로 사이의 거리 제어는 쉬우나 도파로의 모양이 균일하지 않고 격자를 삽입하기가 어렵기 때문에 대역폭이 매우 커지는 단점이 있어서, 결정성장을 하지 않는 LiNbO3단결정을 이용한 광필터 제작 등에 사용되었다.
상기 단점을 해결하기 위해 본 발명은, 광필터의 특성 향상을 위해 제 1 도파로와 제 2 도파로를 수직결합형으로 제작하되 두 도파로 사이에 삽입되는 격자구조를 쌍격자 구조로 제작하여 필터의 특성을 정확히 제어하면서도 필터의 특성 저해요소인 사이드로브를 제어하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 두 도파로 사이의 클래딩층에 삽입된 구조로 필터의 가운데 부분과 양 끝단에서 두 격자 사이의 간격이 서로 다르도록 공간적으로 조절되어 구성된 쌍격자 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
한편, 반도체를 이용한 광필터의 경우 에피탁시 방법에 의해 결정성장을 할 수 있기 때문에 수직결합형으로 제작할 수 있고 결정성장에 의할 경우 두 도파로 사이의 거리가 정확히 제어되고 도파로의 두께, 폭 등 필터의 특성에 영향을 주는 파라미터의 제어가 정확히 이루어지기 때문에 우수한 특성의 광필터의 제작이 가능하다.
도 1은 종래의 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터 구조의 단면도.
도 2는 본 발명에서 제안한 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터 구조의 단면도.
도 3는 본 발명에서 제안한 쌍격자 구조의 상세도.
도 4는 본 발명에서 제안한 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터와 종래의 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 투과특성 비교도.
도 5는 본 발명과 종래 기술에서의 광필터의 투과특성을 측정한 결과를 나타낸 특성도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
11 : n-InP 기판 12,22 : InGaAsP 제1도파로 (WG1)
13 : 격자(grating) 14,24 : n-InP 클래딩층
15,25 : InGaAsP 제2도파로(WG2)
16,26 : p-InP 클래딩층 23 : 쌍격자
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 수직결합 격자도움형 파장 가변 광필터의 구조도로서, 상기 광필터는, 그 기본적인 수직 단면구조는 종래의 광필터 구조인 도 1과 같으나 격자의 구조가 다르다.
상기 도 2는, n-형 InP 기판(21)과, 그 위에 두께 0.5∼1μm로 적층된 n-형 InP 완충층(표시되지 않음), 그 위에 두께 0.3∼0.8㎛로 적층되고 1∼3㎛의 폭과 3∼10mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층(22), 상기 제 1도파로층(22)의 0.1∼0.5㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02∼0.2㎛ 이며 20∼60㎛의 쌍격자의 주기를 갖도록 공간적으로 제한되고, 쌍격자를 구성하는 두 격자 사이의 거리가 공간적으로 제어된 n-형 InGaAsP 격자층(23), 상기 n-형InGaAsP 격자층 위에 두께 1∼3㎛로 적층된 n-형 InP(24), 그 위에 두께 0.2 ∼1㎛로 적층되고 1∼5㎛의 폭과 3∼10mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층(25), 상기 제 2 광도파로층 위에 두께 1∼3㎛로 적층된 p-형 InP 클래드층 (26)으로 구성되는데, 이때 상기 격자층(23)은 도 3에서 상세한 도면으로 예시한 바와 같이, 쌍격자 구조로 구성되는데, 이하 도 3을 예로 하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
종래의 격자주기는 격자와 다음 격자가 일정한 거리로 반복되므로 격자와 격자 사이의 거리로 정의되나, 본 발명에서의 격자구조는 두 격자를 합하여 쌍격자라 부르며, 쌍격자와 쌍격자 사이의 거리가 소정 주기(Λ)로 일정하고 이 값이 쌍격자의 주기가 되는데, 쌍격자는 다시 격자 두개로 구성되며 두 격자사이의 간격은 필터의 가운데 부분에서는 각 격자와 격자사이의 거리가 서로 같고 필터의 양 끝단으로 갈수록 두 격자사이의 간격이 좁아짐을 특징으로 하며, 이 구조는 도 3의 L1및 L2로 표시된 수치를 사용하여 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 1019970072644_B1_M0001
즉, 상기의 식에서 알 수 있듯이 필터의 중앙부분에서의 쌍격자는 기존의 필터의 격자 두개를 묶은 것과 같이 구성되고 필터의 가장자리로 가면 쌍격자 내부의 두 격자사이의 거리는 가까워지지만 쌍격자와 쌍격자 사이의 거리는 주기 Λ로 일정하게 유지된다.
이와같이 제작된 광필터는 두 도파로 사이에 결합되는 광결합계수를 공간적으로 조절하여 사이드로브를 도 4의 계산 결과와 같이 10dB(약 10배) 이상 제어할 수 있는데, 일반적으로 광결합 계수가 모든 공간상에서 일정할 때 파장에 따른 투과 특성은 광결합계수의 푸리에 변환으로 나타나고 따라서 사이드로브가 약 -6dB 정도의 크기로 발생하며, Alferness 등의 이론에 의하면[ IEEE Journal of Quantum Electronic, vol.14, pp.843-847(1978)] 만약 두도파로 사이의 광결합계수를 필터의 상호작용 영역의 가운데 부분에서는 광결합계수가 크고 양쪽 끝단으로 갈수록 작도록 조절할 수 있으면 사이드로브를 -30 dB 이하로 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명에서 제안한 쌍격자 구조의 광필터는 가운데 부분에서는 쌍격자 내부의 겨자와 격자사이의 거리가 일정하므로 가운데 부분에서는 광결합 계수가 크고 소자의 양쪽 가장자리로 갈수록 쌍격자 내부의 결자와 격자상이의 거리가 좁아지기 때문에 광결합계수가 작아진다. 따라서 광결합계수가 공간적으로 제어되고 그 결과 사이드로브가 억제된다.
도 5는 본 발명에 의해 제작한 광필터의 투과특성을 측정한 결과를 나타낸 것으로서, 점선은 종래의 방법으로 제작한 것으로 격자의 주기가 13 micron(이는 도 3에 나타낸 기호를 사용하면 d1=d2=s1=s2=6.5 micron 임), 실선은 본 발명에서 제안한 쌍격자 구조를 갖는 필터의 투과 특성을 나타낸 것으로 격자 구조가 상기 도 3에서 나타낸 기호를 사용하면 필터의 모든 영역에서 d1=d2=6.5 micron 이고, s1및 s2는 필터의 맨 가운데에서는 s1=s2=6.5 micron 이며, 양쪽 끝으로 갈수록 s1은 0.1 micron 씩 줄어들고, s2는 0.1 micron 씩 증가하여 양쪽끝단에서는 s1=0.1 micron, s2=12.9 micron 으로 쌍격자 전체 주기인 L1+ L2는 26 micron 으로 일정한 구조를 갖도록 제작된 것이다. 도파로 구조는 두 소자를 동시에 제작하였기 때문에 동일한 구조를 갖음에 따라, 상기 도 5에서 보는 바와 같이 본 발명의 쌍격자 구조로 필터를 제작하면 특성 저해 요소인 사이드 로브를 크게 저감시킬수 있음을 실제 제작 결과를 통해 알수 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 광필터는, 두 도파로 사이에 결합되는 광의 위상을 공간적으로 조절하여 사이드로브를 도 4에서 계산결과를 보인 바와 같이 10dB (약 10배) 이상 제어할 수 있고, 따라서 파장분한 변조(WDM) 통신의 이웃하는 채널간의 크로스 토크(crosstalk) 특성을 크게 개선할 수 있으며, 특히, 격자의 간격 조절은 제작 공정에서 마스크 1장만 변경하면 되므로 제작이 매우 쉽다는 장점을 갖는다.

Claims (5)

  1. n-형 InP 기판과, 상기 기판 위에 적층된 n-형 InP 완충층, 그 위에 소정 두께로 형성된 n-형 InGaAsP 제 1도파로, 상기 제 1 도파로에서 소정 두께의 위에 형성된 n-형 InGaAsP 격자층, InGaAsP 격자층 위에 형성된 n-형 InP 클래딩층, 상기 InP 클래딩층 위에 InGaAsP 제 2 도파로 및 도파로 위에 형성된 p-형 InP 클래딩층으로 구성되는 격자도움 수직결합형 광필터에 있어서,
    상기 두 도파로 사이의 클래딩층에 삽입되는 격자구조가 두 단위격자를 기본 단위로 하는 쌍격자로 되어 있고, 쌍격자 내부의 두 단위 격자사이의 거리가 필터의 가운데 부분에서 최대가 되고, 양 끝단으로 갈수록 두 격자 사이의 간격이 서로 가까워지도록 공간적으로 조절되어 구성된 쌍격자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 쌍격자 내부의 두 격자 사이의 간격은,
    필터 소자의 가운데 부분에서는 쌍격자 내부의 격자 중심과 격자의 중심사이의 거리가 쌍격자 주기의 절반으로 최대가 되고, 필터의 양 끝단으로 갈수록 두 격자 사이의 간격이 좁아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 쌍격자와 쌍격자 사이의 거리(필터 격자의 주기)는,
    소정 주기(Λ)로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 격자도움 수직결합형 광필터는,
    소자의 윗면에 p-형 전극을, 소자의 아래면에 n-형 전극을 형성하여 전류주입 또는 전계효과에 의한 결합광의 파장변화가 가능하도록 기능이 첨가된 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 광필터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 격자도움형 수직결합형 광필터는
    n-형 InP 기판(21)과, 상기 기판 위에 두께 0.5∼1㎛로 적층된 n-형 InP 완충층, 그 위에 두께 0.3∼0.8㎛로 적층되고 1∼3㎛의 폭과 3∼10mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층(22), 상기 제 1 도파로층의 0.1∼0.5㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02∼0.2㎛ 이며 20∼60㎛의 쌍격자의 주기를 갖도록 공간적으로 제한되고, 쌍격자를 구성하는 두 격자 사이의 거리가 공간적으로 제어된 n-형 InGaAsP 격자층(23), 그 위에 두께 1∼3㎛로 적층된 n-형 InP(24), 그 위에 두께 0.2∼1㎛로 적층되고 1∼5㎛의 폭과 3∼10mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층(25), 그 위에 두께 1∼3㎛로 적층된 p-형 InP 클래드층 (26)으로 구성된 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터.
KR1019970072644A 1997-12-23 1997-12-23 쌍격자구조를갖는수직결합형파장가변광필터 KR100289042B1 (ko)

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