KR100322127B1 - 도파로열 격자형 광파장분할기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광파장 분할기의 온도조절에 의한 파장조절능력을 개선하기 위한 도파로열 격자형 광파장분할기에 관한 것으로, 이러한 도파로열 격자형 광파장분할기는 제1 스타커플러, 도파로열 격자 및 제2 스타커플러로 이루어진 도파로열 격자모듈; 상기 도파로열 격자모듈에 열을 전도하고, 상기 도파로열 격자모듈의 온도를 감지하는 복수개의 열감지소자를 구비하는 열전도판; 상기 열전도판에 열을 가하는 열전자소자; 및 상기 열전도판의 복수개의 열감지소자에 의해 측정된 온도측정치를 입력받아 상기 열전자소자의 온도를 조절하는 온도조절기를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 복수개의 열감지소자를 사용하여 온도범위를 조절하는 열전도판을 사용함으로써, 광파장분할기의 온도조절 범위가 확장되어지고 이로 인하여 조절될 수 있는 파장범위도 넓어진다.

Description

도파로열 격자형 광파장분할기 {AWG multiplexer}
본 발명은 광파장분할기에 관한 것으로, 특히 광파장 분할기의 온도조절에 의한 파장조절능력을 개선하기 위한 도파로열 격자형 광파장분할기에 관한 것이다.
광파장분할기는 광통신망의 대용량, 다채널화를 구현하는 WDM네트워크의 필수적인 소자로 개발되어 왔다.
도 1은 광도파로열 격자형 광파장분할기의 기본적인 형태를 도시한 것으로, 제1 스타커플러(110), 도파로열 격자(120) 및 제2 스타커플러(130)로 이루어진다.
제1 스타커플러(110)는 입출력 도파로로부터 입력되는 전력을 분할한다. 도파로열 격자(120)는 위상천이(Phase shfter)역할을 한다. 제2 스타커플러(130)는 마흐젠더 간섭계(mach-zehnder interferometer)역할을 한다.
광도파로열 격자형 광파장분할기의 동작원리는 도파로열 격자(120)에서 도파로에 따라 선형적으로 위상이 이동된 빛이 파장에 따라 파두면(wave front)이 각기 다른 방향을 향하면서 보강간섭을 일으켜 파장분할을 하게 되는 것이다.
파장조절을 위해 서미스터와 열전자 냉각기(Thermoelectric cooler:이하 TEC) 그리고 이러한 소자들을 유기적으로 조절해주는 온도 조절기(temperature controller)를 사용하여 광파장분할기의 온도를 변화시킨다. 즉, 온도에 따라 저항이 변하는 서미스터를 온도감지소자로 사용하고, 온도 제어기가 그 변한 저항으로 온도변화를 감지하여 이에 적합한 전류를 열전자 냉각기에 흐르게 한다. 펠티어(Peltier)효과에 의해 동작하는 TEC는 온도 제어기에서 보내지는 전류에 의하여 온도를 상승 및 하강시켜 조절하고자 하는 광파장분할기의 온도를 유지하게 된다.
여기에 사용하는 서미스터는 온도와 저항간에 비선형 특성을 가지며 이는 대수 다항식의 확장(logarithm polynomial expansion)에 의해 모델링 되어진다. 온도와 저항간의 비선형 특성을 표현하는 대표적인 식이 스타인-하트(stein-hart) 방정식이며 다음과 같이 표현된다.
여기에 T는 켈빈(kelvin) 상수이고, A,B,C는 폴리노미얼 피팅(polynomial fitting)에 의해 구해지며 이 식을 이용하여 10KΩ(at 25℃)의 서미스터의 경우 0.01℃ 이하의 오차로 -20∼50℃까지 조절할 수 있다.
도 2는 서미스터 저항과 온도와의 관계를 도시한 것이다.
이러한 서미스터의 비선형 특성으로 인하여 각 서미스터마다 온도 감지 능력에 한계를 가지게 된다. 즉, 주변온도가 올라갈수록 서미스터 저항은 급격하게 감소하고 민감도는 점점 떨어지게 된다.
종래에는 광도파로열 광파장분할기에서 하나의 서미스터를 사용하여 조절가능한 온도범위가 제한되어 있었으며, 이로 인하여 더욱 넓은 범위의 파장조절에 한계를 가지고 있다.
따라서 온도조절기는 고온인 경우 저항변화가 한계에 다다르는 온도 이상에서는 더 이상 온도 조절을 할 수 없게 된다. 또한 저온인 경우 온도조절기가 서미스터에 흘러주는 전류와 서미스터가 온도에 따라 변하는 저항의 곱 즉, 전압이 일정한 값(보통 5V)이상일 경우 더 이상 온도조절을 할 수 없게 된다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 복수개의 열감지소자를 사용하여 열감지소자 특성에 의해 제한되는 온도범위를 넓혀 온도범위에서도 파장조절을 할 수 있는 도파로열 격자형 광파장분할기를 제공함에 있다.
도 1은 광파장분할기의 기본구조를 도시한 것이다.
도 2는 서미스터의 저항과 온도와의 관계를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 도파로열 격자형 광파장분할기를 도시한 것이다.
도 4는 복수개의 서미스터를 사용하는 열전도판을 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 위한 도파로열 격자형 광파장분할기는 제1 스타커플러, 도파로열 격자 및 제2 스타커플러로 이루어진 도파로열 격자모듈; 상기 도파로열 격자모듈에 열을 전도하고, 상기 도파로열 격자모듈의 온도를 감지하는 복수개의 열감지소자를 구비하는 열전도판; 상기 열전도판에 열을 가하는 열전자소자; 및 상기 열전도판의 복수개의 열감지소자에 의해 측정된 온도측정치를 입력받아 상기 열전자소자의 온도를 조절하는 온도조절기를 포함함을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 의한 도파로열 격자형 광파장분할기를 도시한 것으로, 도파로열 격자모듈(310), 열전도판(320) 및 열전자소자(330)으로 이루어진다.
도파로열 격자모듈(310)은 입출력 도파로로부터 입력되는 전력을 분할하는 제1 스타커플러, 위상천이(Phase shfter)역할을 하는 도파로열 격자 및 마흐젠더 간섭계(mach-zehnder interferometer)역할을 하는 제2 스타커플러로 이루어진다.
열전도판(320)은 도파로열 격자모듈(310)에 열을 가하는 것으로, 열전도도가 좋은 알루미늄판으로 이루어진다. 또한 열전도판(320)은 도파로열 격자모듈(310)의 온도범위를 측정하기 위하여 내부에 복수개의 열감지소자를 포함한다. 상기 열감지소자로는 서미스터가 사용된다.
열전자소자(330)는 열전도판(320)의 온도를 상승시키거나 하강시킨다. 열전자소자(330)로는 열전자 냉각기(Themoelectric cooler:TEC)가 사용된다.
상술한 바에 의하여 본 발명의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도파로열 격자모듈(310)의 동작원리는 도파로열 격자에서 도파로에 따라 선형적으로 위상이 이동된 빛이 파장에 따라 파두면(wave front)이 각기 다른 방향을 향하면서 보강간섭을 일으켜 파장분할을 하게 되는 것이다.
이러한 도파로열 격자모듈(310) 특성은 격자 방정식으로 표현된다. 격자 방정식(grating equation)은 도파로열 격자를 회절격자(diffraction grating)로 간주하고 입사하는 빛의 격자에 따른 분산 특성을 기술한 식이다. 이 식은 도파로열 격자모듈(310)를 구성하는 세부분, 즉, 제1 스타커플러, 도파로열 격자, 제2 스타커플러에서의 위상변화를 모두 합한 뒤, 이 위상변화의 합이 최종출력 평면(제2스타커플러와 출력도파로와의 경계면)에서 보강간섭을 일으키는 조건을 구한다. 이에 따른 격자방정식은 다음과 같다.
ns는 스타커플러의 유효 굴절율이고, nc는 광도파로열 격자의 유효 굴절율이고, d는 광도파로 열 격자의 피치이고, m은 회절차수이고, ΔL은 인접한 광도파로 열 격자 사이의 길이 차이, λ는 파장을 나타낸다.
도파로열 격자모듈(310)은 제조공정상의 여러 가지 원인에 의해 설계된 파장이 정확히 구현되지 않을 수 있으며, 이러한 경우 온도조절로 파장을 미세 조정할 수 있다. 온도변화에 따라 굴절율(ns, nc) 및이 변하게 되고 이로 인하여 파장을 조절할 수 있게 되는 것이다.
실리카재질의 광소자의 경우 0.01nm/0C의 온도에 따른 파장 변이 특성을 가지며, 실현하고자 하는 설계파장에서 변이된 파장만큼 온도를 조절하여 실현하고자 하는 파장을 구현해 낼 수 있다.
파장조절을 위해 열감지소자인 서미스터와 열전자소자(330)인 열전자 냉각기(Thermoelectric cooler:이하 TEC) 그리고 이러한 소자들을 유기적으로 조절해주는 온도 조절기(temperature controller)를 사용하여 도파로열 격자모듈(310)의 온도를 변화시킨다.
즉, 온도에 따라 저항이 변하는 서미스터를 온도감지소자로 사용하고, 온도 제어기가 그 변한 저항으로 온도변화를 감지하여 이에 적합한 전류를 열전자 냉각기(330)에 흐르게 한다. 펠티어(Peltier)효과에 의해 동작하는 TEC는 온도 제어기에서 보내지는 전류에 의하여 온도를 상승 및 하강시켜 조절하고자 하는 도파로열 격자모듈(310)의 온도를 유지하게 된다.
여기에 사용하는 서미스터는 온도와 저항간에 비선형 특성을 가지며 이는 대수 다항식의 확장(logarithm polynomial expantion)에 의해 모델링 되어진다.
수학식 1을 이용하여 10KΩ(25℃)의 서미스터의 경우 0.01℃ 이하의 오차로 -20℃∼50℃까지 조절할 수 있다.
다음은 그 대표적인 예이다.
2.25KΩ : -60℃∼10℃ 5KΩ : -45℃∼10℃ 10KΩ : -20℃∼50℃
20KΩ : -10℃∼70℃ 50KΩ : 0℃∼90℃ 100KΩ : 10℃∼110℃
따라서 감지 온도범위가 다른 서미스터를 복수개 사용하여 외부온도에 민감한 영역에 있는 서미스터의 저항을 온도조절에 적용케 하여 조절할 수 있는 온도 범위를 넓혔다.
도 4는 복수개의 서미스터를 사용하는 열전도판을 도시한 것이다. 이것은 열전도판(410)에 복수개의 서미스터(420)를 내장한 것이다.
예를 들어 10KΩ의 서미스터를 하나 사용할 경우 조절 가능한 온도범위는 -20∼50℃로, 이 온도범위에 의한 파장조절 가능범위는 0.7nm이다. 그러나, 본 발명의 방법으로 5KΩ과 20KΩ의 서미스터의 두 조합으로 사용할 경우 온도 범위는 -45∼70℃로, 이 온도 범위에 의한 파장조절가능 범위는 1.15nm이다.
또한, 열전도판(410)의 복수개의 서미스터(420)의 선택적 구동을 위하여 비교회로를 사용한다. 상기 비교회로는 상기 예에서 보듯이 5KΩ과 20KΩ의 서미스터중 하나를 선택하는 기능을 갖는다. 따라서, 5KΩ의 서미스터만을 사용할 수 있고, 반대로 20KΩ의 서미스터만을 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 복수개의 열감지소자를 사용하여 온도범위를 조절하는 열전도판을 사용함으로써, 광파장분할기의 온도조절 범위가 확장되어지고 이로 인하여 조절될 수 있는 파장범위도 넓어진다.

Claims (4)

  1. 제1 스타커플러, 도파로열 격자 및 제2 스타커플러로 이루어진 도파로열 격자모듈;
    상기 도파로열 격자모듈에 열을 전도하고, 상기 도파로열 격자모듈의 온도를 감지하는 복수개의 열감지소자를 구비하는 열전도판;
    상기 열전도판에 열을 가하는 열전자소자; 및
    상기 열전도판의 복수개의 열감지소자에 의해 측정된 온도측정치를 입력받아 상기 열전자소자의 온도를 조절하는 온도조절기를 포함함을 특징으로 하는 도파로열 격자형 광파장분할기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전도판의 복수개의 열감지소자의 선택적 구동을 위하여 비교회로를 더 구비함을 특징으로 하는 도파로열 격자형 광파장분할기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 열감지소자는
    서로 다른 저항값을 갖는 서미스터를 사용함을 특징으로 하는 도파로열 격자형 광파장분할기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열전자소자는
    열전자 냉각기(Thermoelectric cooler)임을 특징으로 하는 도파로열 격자형 광파장분할기.
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