KR100327898B1

KR100327898B1 - 직선형광도파로를구비한파장역다중화소자

Info

Publication number: KR100327898B1
Application number: KR1019980048439A
Authority: KR
Inventors: 현경숙; 유병수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2002-08-21
Also published as: KR20000032098A; US6347165B1

Abstract

파장 역다중화 소자에서 발생하는 광 도파로의 곡률 손실(Bending Loss)을 최소화시킬 수 있는 직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자가 개시된다. 본 발명은 광 도파로의 곡률 손실을 최소화시킬 수 있도록 서로 다른 폭을 갖는 단일 물질로 구성된 직선형 도파로를 사용하거나 유효 굴절률이 서로 다른 물질로 구성된 직선형 도파로를 사용하여 각 채널 별로 광 경로차를 부여한다. 본 발명에 따르면, 광 도파로의 구조를 직선화시킴으로써 광 도파 손실을 최소화함과 아울러 파장 분리 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자 {Wavelength Demultiplexer without Waveguide Bending Loss}

본 발명은 파장 역다중화 소자(Wavelength Demultiplexer)에 관한 것으로서,보다 상세하게는 파장 역다중화 소자에서 발생하는 광 도파로의 곡률 손실(Bending Loss)을 최소화시킬 수 있는 직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자에 관한 것이다.

지금까지, 광 교환 소자에 입사되는 빛을 단일 특정 파장으로 가정하고, 광 교환 소자의 특성 향상에만 관심을 두어 왔다. 그러나, 전송의 추세가 다중 파장을 한꺼번에 실어 나르는 다중파장 분할전송으로 발전하고 있으며, 완전 광 통신에 접근하기 위해서는 이를 직접적으로 이용하는 방법을 모색하는 것이 필요하다.

나날이 증가하고 있는 정보 통신량을 만족시키기 위하여, 대용량 및 초고속의 정보통신 체계가 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하여, 광 섬유를 이용한 전송 체계가 일반화되고 있지만, 이를 연계해 주는 교환 시스템은 아직도 전자에 의한 기작을 이용하는 실정에 있다.

이름 그대로의 초고속 및 대용량을 만족시키기 위해서는 빛이 그대로 빛으로 교환, 전송되는 완전 광 통신을 만족하여야 한다. 이러한 대용량의 광 통신을 위하여, 파장 분할 다중(WDM; Wavelength Division Demultiplex ) 전송 방식이 개발되어 이에 대한 연구가 활성화되고 있다.

일반적으로, 파장 역다중화 소자를 구현하는데 사용되는 물질로는 반도체, 실리카, 및 폴리머 등이다. 이들 가운데 범용적으로 사용되고 있는 상용화 파장 역다장화 소자의 재료는 실리카이다. 즉, 반도체 소재를 이용한 광 다중화 소자는 다른 능동소자(active device), 예를 들면, 광 크로스 커넥터(optical cross connector ), 애드/드롭 다중/역다중화기(add/drop mux/demux ), 반도체 광 증폭기등과의 집적이 손쉬워 훨씬 다양한 기능을 구현할 수 있음에도 불구하고 반도체 자체의 광 손실 및 접합 손실이 큰 단점이 있다. 한편, 실리카 소재는 광 역다중화 소자의 크기도 크고 다른 소자와의 집적이 용이하지 않은 반면, 도파로의 자체 손실 및 접합 손실이 작아서 가장 많이 쓰이고 있다.

따라서, 반도체 역 다중화 소자에서 광의 손실을 혁신적으로 줄일 수 있다면, 여러 가지 측면에서 장점이 많은 반도체 역다중화 소자를 많이 활용할 수 있을 것이다.

이와 같이, 파장 역다중화 과정에서 중요한 것은 다른 파장의 섞임없이 단일 파장이 채널 별로 분리되어 나오는 것-이를 크로스 토크(cross talk)가 낮다고 함-과, 파장 분리 과정에서 광 감쇄를 없애는 것의 두 가지로 대별할 수 있다. 즉, 기존의 파장 다중/역다중화 소자의 가장 큰 문제점은 출력 시 광 손실이 크다는 것이다.

파장 역다중화 소자의 손실은 크게 물질 손실, 구조적 손실, 및 삽입 손실로 나눌 수 있다. 특히, 파장 역다중기의 구조적인 측면에서 발생하는 손실은 광 세기 분배기에서 오는 손실 및 도파로 전송 손실(waveguide propagation loss) 이다. 따라서, 이들 손실들을 줄이기 위해, 종래의 파장 역다중화 소자의 광 도파로는 각 채널 별 광 도파로의 길이를 다르게 하여 광 경로차를 주기 때문에 각 채널들은 각각 다른 곡률을 가지는 곡선 도파로의 구조를 갖게된다. 즉, 종래의 파장 역 다중화 소자에서의 광 도파로 구조는 필연적으로 곡선으로 형성될 수밖에 없다.

이러한 곡률 손실(bending loss)로 인하여, 파장 분리도(cross talk)는 저하되고, 그 결과 반도체 역다중화기의 실용화에 어려움을 겪고 있다. 또한, 이러한 곡선형 도파로의 구조로 인하여, 파장 역 다중화 소자의 전체 크기도 커질 수 밖에 없었다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 광 도파로의 곡률 손실을 근본적으로 제거할 수 있도록 광 도파로의 구조를 직선화 시킴으로써 광 도파 손실을 최소화함과 아울러 파장 분리 특성을 향상시킬 수 있는 파장 역다중화 소자를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 역다중화 소자의 구조를 설명하기 위한 도면,

도 2는 도 1에 도시된 파장 역다중화 소자의 직선형 광 도파로를 확대 도시한 도면으로서,

(a)는 유효 굴절률이 서로 다른 물질로 구성된 광 도파로의 구조를,

(b)는 서로 다른 폭을 구비한 동일 물질로 구성된 광 도파로의 구조를 각각 도시한 것이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 입력부 20 : N 채널 광 분배기

30 : 광 도파로 40 : 광 결합부

50 : 출력부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 파장다중된 광신호를 균등하게 분할하는 광 분배부와, 상기 광 분배부에 의해 균등 분할된 광신호들을 인접한 도파로들 사이에 일정한 광 경로차가 발생하도록 전송하는 일군의 광도파로들, 및 상기 각각의 광도파로들을 통해 출력된 광신호들을 위상별로 결합하여 파장별로 분리하는 광 결합부를 포함하는 파장 역다중화 소자에 있어서, 상기 각각의 광 도파로는 유효굴절률이 서로 다른 부분으로 이루어진 직선형 광 도파로인 것을 특징으로 한다.

양호하게는, 상기 직선형 광 도파로의 유효굴절률이 서로 다른 두 부분은 각각 서로 다른 굴절률을 갖는 두 물질로 이루어지며, 상기 서로 다른 굴절률을 갖는 두 물질은 InGaAsP 와 InAlAsP 이다.

양호하게는, 상기 직선형 광 도파로는 도파로 폭이 서로 다른 두 부분들로이루어진다. 또한, 상기 직선형 광 도파로의 상기 두 부분들 사이에는 경계면에서의 굴절률 차이에 의한 반사 및 모드 변화가 발생하지 않도록 단열천이(adiabatic transition)하는 천이영역이 더 포함된다.

양호하게는, 상기 직선형 광 도파로를 이루는 두 부분의 길이차는 각각의 직선형 광 도파로들마다 다르며, 하나의 직선형 광 도파로를 이루는 두 부분의 길이는 아래의 수학식과 같이 정해진다.

[수학식]

여기서,는 광 도파로들 사이의 경로차이고,은 제 1부분의 유효굴절률,는 제 2부분의 유효굴절률이며,은 인접한 직선형 광 도파로와의 제 1부분의 길이차,은 인접한 직선형 광 도파로와의 제 2 부분의 길이차이다.

이하, 본 발명에 따른 양호한 일 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명한다.

파장 다중/역다중화 소자에서 가장 중요한 기능은 파장을 단일 파장으로 효율적으로 분리해내는 것과 시스템에 사용할 때 다른 증폭 내지는 제어없이 사용될 수 있도록 하는 것이다. 상술한 기능들을 실현하기 위해 기술적으로 해결해야 하는 문제는 기존의 역다중화 소자에 존재하는 곡선을 없애서 직선으로 만들어 도파로의 전파 손실을 줄이고, 곡선에 의한 TE(Transverse Electric) / TM(Transverse Magnetic) 전환 문제도 제거하여 파장 분리도를 향상시키는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 역다중화 소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 참조부호 10은 다중 파장의 입력부를 나타낸다. N 채널 광 분배부(20)는 상기 입력부(10)를 통하여 N 개의 파장으로 입력된 빛 세기를 균등하게 분할하는 역할을 수행하며, 상기 광 분배부(20)를 통하여 균등 분할된 빛들은 각각 m 개의 광 도파로(optical waveguide)(30)를 통하여 일정한 광 경로차로 파장 결합부(40)로 전송한다. 상기 광 결합부(40)는 상기 각각의 광 도파로(30)를 통해 온 빛들을 일정한 위상차를 갖는 위치로 모아, 출력부(50)를 통하여 파장 별로 분리된 빛을 출력시킨다.

상술한 구성을 갖는 파장 역다중화기는 여러 개의 광 도파로(30)를 지나는 빛들은 각각 일정한 광 경로차를 가지게 되고, 이러한 경로 차이에 의해 각 파장들은 상기 광 결합부(40)에서 같은 위상을 갖는 파장들로 모이게 된다. 종래 기술에서, 광 경로 차이는 광 도파로의 길이를 일정하게 줄이거나 늘여서 조절하였다. 이 경우, 광 도파로의 개수가 많으면 많을수록 곡률 및 곡선 부분의 길이는 증가하게 된다. 이는 각 경로마다 빛들의 세기가 달라 편광에 의한 위상 변화등을 초래하고, 이는 곧 파장 분리도를 저하시키며 출력된 빛의 세기를 매우 약화시키는 결과를 가져오게 된다.

본 발명에서는, 유효굴절률이 다른 물질을 사용한 물질 변환 및 도파로의 구조적 변환을 이용하여 각 채널 별로 광 경로차를 부여함으로써, 도 1에 도시한 바와 같이, 직선형의 광 도파로(30)를 구현한다. 즉, 도파로의 곡선 부분을 근본적으로 제거함으로써, 이 부분에서 발생되는 곡률 손실을 방지할 수 있다.

도 1에서, m 개의 도파로 영역(30)은, 각각의 도파로가 두 개의 다른 유효 굴절률을 갖는 부분으로 구성되며, 각 도파로 간의 일정한 광 경로차는 각기 다른 유효굴절률 부분의 길이 차이를 조절하여 얻을 수 있다.

이와 같이, 하나의 광 도파로(30)에서 두 개의 유효굴절률을 구현하는 방법을 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 유효 굴절률이 서로 다른 물질로 구성된 직선형 광 도파로(30)의 구조를 확대 도시한 도면이다. 도 2a에서, 서로 다른 물질간의 광 경로차는 하기 식(1)과 같이 주어진다.

여기서,는 물질 1의 이웃한 광 도파로 길이 차이를,는 물질 2의 이웃한 광 도파로 길이 차이를 각각 나타낸다.

상기 식 (1)에서,가 일정하면, 정상열(phased array)이 된다. 따라서, 도 2a에 도시한 바와 같이, 서로 다른 유효 굴절률을 갖는 2가지 물질들(32, 34)을 사용하여 도파로를 구성하면, 광 도파로의 곡률 손실을 최소화시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 물질(32)은 유효굴절률이 큰 물질(n_eff1=n₁)을, 제2 물질(34)은 유효 굴절률이 작은 물질(n_eff2=n₂)로 구성한다.

이때, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체에서 유효굴절률 차이(n₁-n₂)는 대략 0.1 정도가 된다. 일반적으로 n₁의 굴절률을 3.3 정도로 보면, 굴절률 차이에 의한 반사 세기는수직 입사의 경우에 약 0.025％가 된다. 따라서, 반사된 빛의 세기는 문제가 되지 않는다. 상기 직선형 광 도파로(30)의 제 1물질(32)로서 InGaAsP를, 제 2물질(34)로서는 InAlAsP를 사용하는 것이 바람직하다. 물론, 조성비를 차별화한 화합물 반도체를 사용할 수도 있다.

도 2b는 서로 다른 폭을 구비한 동일 물질로 구성된 광 도파로의 구조를 확대 도시한 도면이다.

반도체를 이용한 역다중화 소자는 도파로의 폭에 따라 유효굴절률이 변하게 된다. 본 실시예에서는, 반도체의 이러한 특성을 이용하여 다시 말해, 도파로의 폭을 조절하여 2개 이상의 유효굴절률을 갖는 광 도파로를 구현시킨 것이다.

도 2b에서, 참조부호 31 영역은 광 도파로(30)의 폭이 두꺼운 부분으로 유효 굴절률이 높은 영역(n₁)을 나타내며, 참조부호 33은 광 도파로(30)의 폭이 좁은 부분으로 유효굴절률이 낮은 영역(n₂)을 나타내며, 35는 전이 영역으로서 계면에서의 굴절률 차이에 의한 반사(reflection) 및 모드를 변환시키지 않는 단열천이 (adiabatic transition)를 하도록 구성된다.

상술한 바와 같이, 광 도파로(30)가 두 가지 유효 굴절률을 갖는 부분으로 구분되면, 광 경로차를 단지 길이에 의해 조절하는 것보다 더 많은 장점을 가지게 된다. 종래 기술에서 필연적이었던 곡선 도파로를 직선화 하거나 또는 훨씬 더 적은 곡선으로 같은 기능을 구현시킬 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, 광 손실을 대폭 감소시키고, 다른 파장과의 분리도를 높여주는데, 이는 결국 광 통신에서발생하는 에러의 주 요인을 제거하는 결과를 가져오게 된다. 이와 같이, 입사된 다중 파장의 빛은 외부로 노출되지 않고 역다중화 되기 때문에 입사광의 손실을 최소한으로 줄일 수 있으며, 이로 인하여 부대적으로 요구되는 광 증폭 등의 비용 및 노력을 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다중 파장을 역다중화시킬 때 발생되는 광 손실을 최소화하고, 크로스 토크(cross talk)가 매우 적은 단일 파장으로 분리하는 기능이 향상되어 광 전송중에 발생하는 에러를 최소화할 수 있으며, 광 손실 요소를 감소시킴으로써 광 네트워크 구성이 용이해 진다.

또한, 파장 역다중화기의 전체 크기를 감소시킬 수 있기 때문에 패키징 및 제작과정이 단순화된다.

Claims

파장다중된 광신호를 균등하게 분할하는 광 분배부와, 상기 광 분배부에 의해 균등 분할된 광신호들을 인접한 도파로들 사이에 일정한 광 경로차가 발생하도록 전송하는 일군의 광 도파로들, 및 상기 각각의 광 도파로들을 통해 출력된 광신호들을 위상별로 결합하여 파장별로 분리하는 광 결합부를 포함하는 파장 역다중화소자에 있어서,

상기 각각의 광 도파로는 유효굴절률이 서로 다른 두 부분으로 이루어진 직선형 광 도파로인 것을 특징으로 하는 직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 직선형 광 도파로의 유효굴절률이 서로 다른 두 부분은 각각 서로 다른 굴절률을 갖는 두 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자.
제 2 항에 있어서, 상기 서로 다른 굴절률을 갖는 두 물질은 InGaAsP 과 InAlAsP인 것을 특징으로 하는 직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 직선형 광 도파로는, 도파로 폭이 서로 다른 두 부분들로 이루어진 것을 특징으로 하는 직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자.
제 4항에 있어서, 상기 직선형 광 도파로의 상기 두 부분들 사이에는,

경계면에서의 굴절률 차이에 의한 반사 및 모드 변화가 발생하지 않도록 단열천이(adiabatic transition)하는 전이영역을 더 포함한 것을 특징으로 하는 직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직선형 광 도파로를 이루는 두 부분의 길이차는 각각의 직선형 광 도파로들마다 다르고, 하나의 직선형 광 도파로를 이루는 두 부분의 길이는 아래의 수학식과 같이 정해지는 것을 특징으로 하는 직선형 광 도파로를 구비한 파장 역다중화 소자.

[수학식]

여기서,는 광 도파로들 사이의 경로차이고,은 제 1 부분의 유효굴절률,는 제 2 부분의 유효굴절률이며,은 인접한 직선형 광 도파로와의 제 1 부분의 길이차,은 인접한 직선형 광 도파로와의 제 2 부분의 길이차이다.