KR100341853B1 - Micromachined optical filter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대용량(테라비트급) 정보교환을 위한 파장분할방식의 광통신 시스템에 있어서 광신호 중의 하나의 파장을 선택하기 위한 패브리-페롯형의 광 필터의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a Fabry-Perot type optical filter for selecting one wavelength of an optical signal in a wavelength division type optical communication system for large capacity (terabit) information exchange.
본 발명은 서로 마주보는 광 입력용 광섬유 및 광 출력용 광섬유과; 상기 광섬유 사이에 장착된 입사광용 마이크로 볼렌즈 및 출력광용 마이크로 볼렌즈와; 서로 마주보는 상태로 상기 각 마이크로 볼렌즈 사이에 장착되며, 각각은 한 쌍의 실리콘 판으로 이루어진 두 개의 실리콘 거울과; 지지체와 연결되어 고정전극 사이에 위치하며, 어느한 실리콘 거울과 연결되는 액츄에이터를 포함하여 이루어지며, 필터제작에 있어서 부가적인 증착이 필요없게 되어 공정의 단순화와 제작의 단가를 낮출 수 있고, 이와 더불어 우수한 파장선택성과 넓은 영역의 파장가변성을 가진 필터를 구현할 수 있는 광 필터를 개시한다.The present invention provides a light input optical fiber and an optical output optical fiber facing each other; A micro ball lens for incident light and a micro ball lens for output light mounted between the optical fibers; Two silicon mirrors mounted between the micro-ball lenses facing each other, each consisting of a pair of silicon plates; The actuator is connected to the support and is positioned between the fixed electrodes, and includes an actuator connected to any silicon mirror. The filter does not require additional deposition in manufacturing the filter, thereby simplifying the process and lowering the manufacturing cost. Disclosed is an optical filter capable of realizing a filter having excellent wavelength selectivity and a wide range of wavelength variability.
Description
본 발명은 대용량(테라비트급) 정보교환을 위한 파장분할방식의 광통신 시스템에 있어서 광신호 중의 하나의 파장을 선택하기 위한 패브리-페롯형의 광 필터의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a Fabry-Perot type optical filter for selecting one wavelength of an optical signal in a wavelength division type optical communication system for large capacity (terabit) information exchange.
테라비트급의 정보전달은 단일 파장으로는 힘들기 때문에 여러 개의 파장을 사용하고, 각각의 파장마다 수십 기가비트에 이르는 정보를 전달하는 방식을 사용한다. 현재, 이러한 개념으로 추진되고 있는 추세는 선폭이 0.8nm 이하를 가진 64채널의 파장을 사용한다는 것이다. 이러한 방식이 성공하기 위해서 필수적인 광소자로는 파장을 합하거나 또는 분리해 내는 것이 필요하다. 이에는 여러가지의 방법이 있으나, 여러 개의 파장중에서 원하는 하나의 파장을 아주 정밀하게 분리해 내는 방법으로 많이 사용되고 있는 것이 패브리-페롯형의 공진기를 쓰는 것이다. 패브리-페롯형의 공진기가 사용되는 이유로는 그 구성이 간단하고 아주 우수한 파장선택성을 가지고 있다는 점에 있다. 현재는 반도체 물질로서 공진기를 구성하기 때문에 아주 우수한 성능을 가지고 있는 필터의 제작이 가능해졌다. 또한, 미세구동방식을 사용해서 공진기의 투과 파장을 가변시킬 수 있는 데까지 발전해왔다. 반도체 증착법에 의해서 제작된 필터들은 그 거울면이 보통 기판면에 수평으로 형성되게 된다. 이러한 경우 거울면은 우수하게 제작할 수 있으나, 구조가 기판면에 수직이므로 광섬유나 다른 광소자와의 연계성이 떨어지게 된다. 파장 가변을 위한 구동방식에 있어서도 정전기적인 힘으로만 가능하므로 미세구동기술을 극대화해서 이용할 수가 없다.Since terabit information transmission is difficult with a single wavelength, it uses several wavelengths and uses a method of delivering several tens of gigabit information for each wavelength. Currently, the trend being driven by this concept is the use of 64 channel wavelengths with line widths of 0.8 nm or less. In order for this approach to be successful, the necessary optical elements need to add or separate wavelengths. There are many ways to do this, but one that is widely used as a method of accurately separating a desired wavelength among several wavelengths is a Fabry-Perot type resonator. The reason why Fabry-Perot type resonators are used is that their configuration is simple and has excellent wavelength selectivity. At present, since the resonator is composed of a semiconductor material, it is possible to manufacture a filter having excellent performance. In addition, it has been developed to be able to vary the transmission wavelength of the resonator using a micro-drive method. Filters manufactured by the semiconductor deposition method are such that the mirror surface is usually formed horizontally on the substrate surface. In this case, the mirror surface can be manufactured excellently, but since the structure is perpendicular to the substrate surface, the connection with the optical fiber or other optical device is inferior. Even in the driving method for the variable wavelength, it is possible to use only the electrostatic force, so it is impossible to maximize the use of the fine driving technology.
따라서, 본 발명의 목적은 기판면에 수직인 방향으로 광이 입출력되어 광 소자로서의 연계성이나 광섬유와의 입출력의 어려움 등의 문제점을 해결하기 위해, 기판면에 수평으로 광을 입력시킬 수 있고 미세구동기술을 최대한 이용할 수 있으며, 단순히 실리콘 기판 자체만을 가지고 필터를 제작하므로 제작단가를 낮출 수 있는 마이크로 구조체를 이용한 광 필터를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to input and output light in the direction perpendicular to the substrate surface, to solve the problems such as the connection as an optical element or the difficulty of input and output with the optical fiber, and to input light horizontally to the substrate surface and fine driving The technology can be utilized to the maximum, and since the filter is manufactured using only the silicon substrate itself, it is to provide an optical filter using a microstructure that can lower the manufacturing cost.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 서로 마주보는 광 입력용 광섬유 및 광 출력용 광섬유과; 상기 광섬유 사이에 장착된 입사광용 마이크로 볼렌즈 및 출력광용 마이크로 볼렌즈와; 서로 마주보는 상태로 상기 각 마이크로 볼렌즈 사이에 장착되며, 각각은 한 쌍의 실리콘 판으로 이루어진 두 개의 실리콘 거울과; 지지체와 연결되어 고정전극 사이에 위치하며, 어느 한 실리콘 거울과 연결되는 액츄에이터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object and the optical input optical fiber and the optical output optical fiber facing each other; A micro ball lens for incident light and a micro ball lens for output light mounted between the optical fibers; Two silicon mirrors mounted between the micro-ball lenses facing each other, each consisting of a pair of silicon plates; It is connected between the support and positioned between the fixed electrode, characterized in that it comprises an actuator connected to any one of the silicon mirror.
도 1은 본 발명에 따른 파장을 가변하기 위한 액츄에이터가 연결된 광 필터의 평면 구조도.1 is a planar structural diagram of an optical filter connected to an actuator for varying a wavelength according to the present invention;
도 2는 필터의 거울쌍간의 거리에 따른 계산된 투과파장특성을 나타낸 그래프도.Figure 2 is a graph showing the calculated transmission wavelength characteristics according to the distance between the mirror pair of the filter.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉<Description of Signs of Major Parts of Drawings>
11 : 광섬유 지지체 12 : 광 입력용 광섬유11 optical fiber support 12 optical fiber for light input
13 : 마이크로 볼렌즈 지지용 홈 14 : 입사광용 마이크로 볼 렌즈13: Micro ball lens support groove 14: Incident light micro ball lens
15 : 두쌍의 평면 실리콘 거울(광입력측)15: Two pairs of flat silicon mirrors (optical input side)
16 : 두쌍의 평면 실리콘 거울(광출력측)16: Two pairs of flat silicon mirrors (light output side)
17 : 출력광용 마이크로 볼 렌즈17 microball lens for output light
18 : 광 출력용 광섬유 19 : 고정전극18: optical fiber for light output 19: fixed electrode
110 : 앵커(지지대) 111 : 액츄에이터110: anchor (support) 111: actuator
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 파장을 가변하기 위한 액츄에이터가 연결된 광 필터의 평면 구조도이고, 도 2는 필터의 거울쌍간의 거리에 따른 계산된 투과파장특성을 나타낸 그래프도이다.1 is a planar structural diagram of an optical filter connected to an actuator for varying a wavelength according to the present invention, and FIG. 2 is a graph showing calculated transmission wavelength characteristics according to a distance between mirror pairs of filters.
도 1에서 보는 바와 같이, 실리콘 기판상에 이온빔식각방식으로 기판면에 수직으로 구조물을 형성시킨다. 먼저, 광 입출력용 광섬유(12, 18)를 고정하기 위해 광섬유 지지체(11)에 V자형의 홈을 판다. 여기에 광섬유를 부착시키고 볼렌즈 지지대(13)에 부착된 마이크로 볼렌즈(14)를 통해서 평행광으로 만든다. 평행광은 다시 두장의 거울로 이루어진 두쌍의 거울(15, 16)을 지나서 출력용 볼렌즈(17)을 통과하여 포커싱된 후 출력용 광섬유(18)에 입사하게 된다. 두 쌍의 거울은 각각 두개의 거울로 이루어져 있는데, 이 거울들은 다시 각각 (2m+1)λ/4 (m=0,1,2, )의 두께를 가진다. 두개의 거울 사이의 거리는 공기층인데 이 두께도 마찬가지로 (2m+1)λ/4 (m=0,1,2, )를 가진다. 이러한 경우, 하나의 거울에 의해서 얻을 수 있는 반사율의 최대치가 약 64% 인데 반해, 두 개의 거울을 쌍으로 하여 브래그 반사경(Bragg reflector)을 구성한 경우 99% 이상의 반사율을 얻을 수 있게 된다. 반사율을 더 높이기 위해서는 거울과 공기층의 주기를 더 여러 번 반복하면 된다. 본 발명에서는 통신용으로 쓰이는 광 필터의 분해능이 0.8nm 이하면 되므로, 이에 필요한 최소주기인 거울/공기/거울의 1.5 주기만을 사용했다. 이 정도로도 0.5nm의 선폭을 얻을 수 있음을 계산상으로 확인했다. 이렇게 구성된 거울쌍을 두개를 기판면에 식각하여 형성한후 희생층 식각법을 이용하여 기판면과 분리시킨 후, 하나를(여기선 도 1의 16) 미세구동 액츄에이터(111)에 연결되도록 하면 광축을 따라서 움직일 수가 있게 된다. 여기서, 액츄에이터(111)는 지지체인 앵커(110)에 연결된다. 미세구동방식은 고정전극(19)와 엑츄에이터(111)의 정전기력에 의해서 움직인다. 이 경우, 거울의 미세한 조절이 가능하게 되므로 정밀한 파장 가변이 가능하게 된다. 또한, 본 발명의 장점중의 하나인 광의 입출력이 기판면에 평행하므로 광섬유의 정렬이 용이하고 집적성을 높일 수 있는 구조가 된다. 그리고, 모든 부품을 실리콘 기판상에 형성시키고, 재료도 부가적인 증착이 필요 없으므로 제작의 공정을 줄일 수 있으며 단가를 낮출 수 있다는 장점도 있다.As shown in FIG. 1, a structure is formed on a silicon substrate perpendicular to the substrate surface by ion beam etching. First, a V-shaped groove is formed in the optical fiber support 11 to fix the optical fibers 12 and 18 for optical input / output. The optical fiber is attached thereto and made into parallel light through the micro ball lens 14 attached to the ball lens support 13. The parallel light passes through two pairs of mirrors (15, 16) consisting of two mirrors, passes through the output ball lens (17), and then enters the optical fiber (18) for output. The two pairs of mirrors each consist of two mirrors, each of which again has a thickness of (2m + 1) λ / 4 (m = 0,1,2,). The distance between the two mirrors is the air layer, which thickness also has (2m + 1) λ / 4 (m = 0,1,2,). In this case, the maximum reflectance obtained by one mirror is about 64%, whereas when Bragg reflectors are formed by pairing two mirrors, a reflectance of 99% or more can be obtained. To increase the reflectivity, you can repeat the cycle of the mirror and air layer several more times. In the present invention, since the resolution of the optical filter used for communication should be 0.8 nm or less, only 1.5 cycles of mirror / air / mirror, which is necessary for this, were used. It was confirmed by calculation that a line width of 0.5 nm could be obtained even at this degree. After forming two mirror pairs etched on the substrate surface and then separating them from the substrate surface using a sacrificial layer etching method, one of them is connected to the micro-drive actuator 111 (here, 16 in FIG. 1). So you can move. Here, the actuator 111 is connected to the anchor 110 which is a support. The fine driving method is moved by the electrostatic force of the fixed electrode 19 and the actuator 111. In this case, since fine adjustment of the mirror is possible, precise wavelength variability is possible. In addition, since the input and output of light, which is one of the advantages of the present invention, is parallel to the substrate surface, the structure of the optical fiber can be easily aligned and the integration can be improved. In addition, since all the parts are formed on the silicon substrate and the material does not need additional deposition, the manufacturing process can be reduced and the cost can be reduced.
도 2는 상기와 같이 제작된 광 필터의 투과특성을 계산한 것을 나타낸다. 액츄에이터(121)를 조절해서 거울쌍(15,16) 사이의 거리를 변화시키면, 그 투과특성이 도 2와 같이 된다. 투과특성으로서 선폭이 0.8 nm 이하였고, 파장가변범위는 80 nm 였다. 그러므로 테라비트급 전송에 필요한 64개의 채널을 훨씬 상회하는 약 100개의 파장채널을 형성할 수 있게 된다.Figure 2 shows that the transmission characteristics of the optical filter produced as described above is calculated. If the distance between the mirror pairs 15 and 16 is changed by adjusting the actuator 121, the transmission characteristic becomes as shown in FIG. The line width was 0.8 nm or less and the wavelength variable range was 80 nm. Therefore, it is possible to form about 100 wavelength channels far exceeding the 64 channels required for terabit transmission.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited.
상술한 바와 같이, 본 발명은 실리콘 기판만을 사용해서 기판면에 수직으로 거울면을 형성시켜서 필터를 만들므로 광의 입출력이 기판면과 수평으로 되는 필터를 만들 수 있기 때문에 필터제작에 있어서 부가적인 증착이 필요없게 되어 공정의 단순화와 제작의 단가를 낮출 수 있고, 이와 더불어 우수한 파장선택성과 넓은 영역의 파장가변성을 가진 필터를 구현하는데 탁월한 효과가 있다.As described above, the present invention uses only a silicon substrate to form a filter by forming a mirror surface perpendicular to the substrate surface, so that an additional deposition in the filter fabrication is possible because a filter is formed in which light input and output is horizontal with the substrate surface. This eliminates the need for a simple process and lowers the manufacturing cost. In addition, it has an excellent effect in implementing a filter having excellent wavelength selectivity and a wide range of wavelength variability.
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