KR100342472B1 - 광결합 도파로를 구비한 파장분할 다중화기/역다중화기 - Google Patents

광결합 도파로를 구비한 파장분할 다중화기/역다중화기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 다수의 위상 변조 도파로로 구성된 도파로열 격자와, 상기 도파로열 격자로 파장에 따른 다채널의 광신호를 입력시키는 제1 도파로열과, 각각 상기 도파로열 격자를 통과하여 역다중화된 각 채널이 출력되는 다수의 제2 도파로열을 구비하는 파장분할 다중화기/역다중화기는, 상기 제2 도파로열의 각 도파로의 지름 방향으로 기설정된 거리만큼 이격되어 위치하며 상기 도파로 내로 진행하는 채널을 그 내부로 결합시키기 위한 격자가 일단에 형성된 광결합 도파로를 구비하고, 상기 격자는 파장에 따른 결합 효율이 상기 채널의 파장에 대해 최대값을 가지는 주기 및 길이를 가짐함을 특징으로 하는 광결합 도파로를 구비한다.

Description

광결합 도파로를 구비한 파장분할 다중화기/역다중화기{WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXER/DEMULTIPLEXER WITH LIGHT COUPLING WAVEGUIDES}
본 발명은 파장분할다중 시스템(wavelength division multiplexing system)에 관한 것으로서, 특히 도파로열 격자(arrayed waveguides grating)를 이용한 파장분할 다중화기/역다중화기에 관한 것이다.
파장분할 다중화 시스템은 광통신 네트웍(network)의 효율을 높이고 처리 용량을 증대시키는데 매우 효과적이다. 도파로열 격자를 이용한 파장분할 다중화기/역다중화기는 파장분할 다중화 시스템에 필수적인 소자로서 1×N 파장분할 다중화기/역다중화기, N×N 파장분할 다중화기/역다중화기가 사용되고 있다. 폭발적인 통신 용량 증대로 인해 파장분할 다중화 시스템은 점점 더 많은 채널을 필요로 하고 있으며, 이로 인해 고채널의 파장분할 다중화기/역다중화기의 개발이 진행되고 있다.
도 1은 종래의 도파로열 격자를 이용한 파장분할 다중화기/역다중화기를 나타내는 평면도이다. 상기 파장분할 다중화기/역다중화기는 제1 도파로열(120), 제1 스타 커플러(star coupler, 130), 도파로열 격자(140), 제2 스타 커플러(150) 및 제2 도파로열(160)로 구성된다.
상기 제1 도파로열(120)의 5번 도파로로 입력된 8채널의 광신호는 상기 제1 스타 커플러(130), 도파로열 격자(140) 및 제2 스타 커플러(150)를 지나며, 상기 광신호의 각 채널은 상기 제2 도파로열의 5'번 도파로를 제외한 나머지 도파로들(1', 2', 3', 4', 6', 7' 및 8') 각각으로 출력된다.
도 2는 상기 제2 도파로열(160)의 일부를 나타낸 도면이며, 2', 3' 및 4' 도파로로(162, 163 및 164)부터 세 개의 채널들(λ2, λ3및 λ4)이 출력됨을 알 수 있다. 이 때, 상기 제2 도파로열(160)로 출력되는 채널들에는 크로스 토크(cross talk)가 발생하기가 쉽다. 즉, 상기 광신호는 파장에 따라 8채널로 분류되어 있으며, 상기 각 채널에는 고유한 파장이 할당되어 있다. 그러나, 상기 제2 도파로열(160)에서 출력되는 각 채널은 고유한 파장을 갖지 못하며, 노이즈(noise)로 작용하는 다른 파장들이 섞이게 되는 것이다.
이러한 크로스 토크는 상기 파장분할 다중화기/역다중화기(110)에 입력되는 광신호의 채널수에 비례하여 증가되는 경향을 나타낸다. 상기 도파로열 격자(140)는 전송 용량이 늘어나게 될 경우 채널수를 증가시키는 방법으로 쉽게 처리 용량을 늘일 수 있다.
그러나, 채널수가 증가하는 경우에 상기 파장분할 다중화기/역다중화기(110)의 부피가 커지게 되며, 이로 인한 굴절률 균일성 저하와 구조적 불규칙성 등으로 크로스토크가 증가하게 된다. 또한, 광신호가 다수의 파장분할 다중화기/역다중화기를 거쳐서 전송될 경우에 크로스 토크가 누적되므로 효과적인 전송에 걸림돌이 되고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 활발히 연구가 진행되고 있으며, 고채널 파장분할 다중화기/역다중화기의 경우, 도파로열 격자를 구성하는 위상 변조 도파로의 위상 흔들림을 측정하여 보정하는 방법이 제시되고 있다. 즉, 상기 도파로열 격자로 입사된 광신호들이 서로 정확한 위상 차이를 가져야 하지만, 이는 실제로 구현하기 어려우며 채널수가 증가할수록 더욱 어려워지게 된다. 그러므로, 예기치 않은 위상 변화를 측정하여 각 위상 변조 도파로마다 히터를 달아 보정하거나 자외선 레이저를 쪼여 광민감성을 이용하여 위상을 보정하는 방법이 공지되어 있다. 하지만, 이러한 방법은 상기 파장분할 다중화기/역다중화기의 제작이 매우 복잡하며, 공정 시간이 길기 때문에 대량 생산에 적합하지 않다. 즉, 이러한 방법들은 예를 들어 하나의 도파로열 격자를 구성하는 150여개 가량의 위상 변조 도파로에 각각 이러한 작업을 수행해야 한다는 어려움이 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 도파로열 격자를 이용한 파장분할 다중화기/역다중화기는 효과적으로 크로스 토크를 최소화할 수 있는 수단을 구비하지 못한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 크로스 토크를 최소화한 파장분할 다중화기/역다중화기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따라 다수의 위상 변조 도파로로 구성된 도파로열 격자와, 상기 도파로열 격자로 파장에 따른 다채널의 광신호를 입력시키는 제1 도파로열과, 각각 상기 도파로열 격자를 통과하여 역다중화된 각 채널이 출력되는 다수의 제2 도파로열을 구비하는 파장분할 다중화기/역다중화기에 있어서,
상기 제2 도파로열의 각 도파로의 지름 방향으로 기설정된 거리만큼 이격되어 위치하며 상기 도파로 내로 진행하는 채널을 그 내부로 결합시키기 위한 격자가 일단에 형성된 광결합 도파로를 구비하고, 상기 격자는 파장에 따른 결합 효율이 상기 채널의 파장에 대해 최대값을 가지는 주기 및 길이를 가진다.
도 1은 종래의 파장분할 다중화기/역다중화기를 나타내는 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 출력 광도파로를 나타내는 평면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광결합 도파로를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광결합 도파로를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 광결합 도파로의 위상부정합량에 따른 결합 효율을 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광결합 도파로를 나타낸 도면이다. 상기 광결합 도파로(320 또는 330)는 제2 도파로열을 구성하는 각 도파로(162 또는 163)의 지름 방향으로 기설정된 거리(D2또는 D3)만큼 이격되어 위치한다. 또한, 상기 광결합 도파로(320 또는 330)의 일단에는 상기 도파로(162 또는 163) 내로 진행하는 채널을 그 내부로 결합시키기 위한 주기(Λ2또는 Λ3)와 길이(L2또는 L3)를 가지는 격자(325 또는 335)가 형성되어 있다. 또한, 상기 격자(325 또는 335)는 상기 채널의 파장(λ2또는 λ3)에 섞여있는 노이즈를 제거하기 위하여 상기 채널의 파장(λ2또는 λ3)에서 최대 결합효율을 갖는다. 상기 노이즈의 파장은 상기 채널의 파장(λ2또는 λ3)과는 다르므로, 상기 채널에서 상기 노이즈를 제거하는 효과를 나타내는 것이다. 상기 격자(325 또는 335)는 광섬유 격자로서, 상기 실리카(silica) 기재의 광결합 도파로를 구성하는 코아(core) 부분에 게르마늄(germanium), 붕소 등의 도펀트(dopant)를 첨가함으로써 클래드(clad) 부분과 굴절률 차이를 주며, 상기 도펀트를 반응시키기 위한 자외선을 진폭 또는 위상 마스크(mask) 등을 이용하여 선택적으로 조사하여 제작할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광결합 도파로를 나타낸 도면이다. 상기 광결합 도파로(420 또는 430)는 도시된 제2 도파로열을 구성하는 각 도파로(162 또는 163)의 지름 방향으로 기설정된 거리(D2또는 D3)만큼 이격되어 위치한다. 또한, 상기 광결합 도파로(420 또는 430)의 일단에는 상기 도파로(162 또는 163) 내로 진행하는 채널을 그 내부로 결합시키기 위한 주기(Λ2또는 Λ3)와 길이(L2또는 L3)를 가지는 격자(325 또는 335)가 형성되어 있다. 상기 격자(325 또는 335)는 유전체 박막 필터(filter)와 같은 광학 필터로 구성된다.
본 발명에 따른 광결합 도파로의 이격 거리 및 결합 효율과, 상기 광결합 도파로가 구비하는 격자의 주기 및 길이는 제2 도파로열을 구성하는 각 도파로에서 출력되는 채널의 파장에 따라 다르다. 상기 격자 주기는 하기 <수학식 1>로 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 1>에서 Λi는 i번 광결합 도파로의 일단에 형성된 격자의 주기, λi는 상기 제2 도파로열을 구성하는 i'번 도파로로 진행하는 채널의 파장, Neff,i'는 i'번 도파로의 유효 굴절률, 그리고 Neff,i는 i번 광결합 도파로의 유효 굴절률을 나타낸다.
상기 격자 길이는 하기 <수학식 2>로 나타낼 수 있다.
상기 수학식 <2>에서 Li는 i번 광결합 도파로의 일단에 형성된 격자의 길이, Ki는 i'번 도파로를 진행하는 채널이 i번 광결합 도파로로 결합되는 정도를 나타내는 결합 계수를 나타낸다.
상기 광결합 도파로의 결합 효율은 하기 <수학식 3>으로 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 3>에서 ηi는 i'번 도파로를 진행하는 채널이 i번 광결합 도파로로 결합되는 정도를 나타내는 결합 효율, 그리고 δi는 위상 부정합량으로서 상기 i'번 도파로를 진행하는 채널과 i번 광결합 도파로에 결합된 채널의 전파 상수 차이를 나타낸다.
상기 위상 부정합량은 하기 <수학식 4>로 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 1> 내지 <수학식 4>를 이용하여 각 채널의 파장에 대한 결합 효율이 최대가 되도록 격자의 주기 및 길이를 찾아내며, 상기 격자가 그 일단에 형성된 광결합 도파로를 구성한다.
도 5는 본 발명에 따른 광결합 도파로의 위상 부정합량에 따른 결합 효율을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 위상 부정합량이 "0"일 때 상기 광결합 도파로의 결합 효율이 최대가 됨을 알 수 있다. 또한, 상기 위상 부정합량이 "0"이 되는 경우는, 상기 광결합 도파로에 대응하는 도파로에 할당된 채널이 결합되는 경우이다. 즉, 상기 채널에 섞인 노이즈는 그 파장이 상기 채널의 파장과 다르므로 그 결합 효율이 낮다. 이에 따라서, 상기 광결합 도파로에서 출력되는 채널의 노이즈가 최소화되는 것이다.
상기 광결합 도파로의 기능을 도 3을 참조하여 설명하면 하기하는 바와 같다.
도 3에 도시된 3'번 도파로(163)로 노이즈가 섞인 λ3의 파장을 가지는 채널이 출력되며, 상기 3'번 도파로(163)의 측면에는 기설정된 거리(D3)로 이격된 3번 광결합 도파로(330)가 위치한다. 또한, 상기 광결합 도파로(330)의 일단에는 상기 채널에 대해 최대 결합 효율을 가지는 격자(335)가 형성되어 있다. 즉, 상기 격자(335)가 상기 채널에서 노이즈를 필터링하는 기능을 수행함에 따라서, 상기 광결합 도파로(335)에서 출력되는 채널의 노이즈는 최소화된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광결합 도파로를 구비하는 파장분할 다중화기/역다중화기는 제2 도파로열을 구성하는 각 도파로의 측면에 광결합 도파로를 구비함으로써, 상기 도파로로 출력되는 채널의 노이즈를 최소화한다는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 다수의 위상 변조 도파로로 구성된 도파로열 격자와, 상기 도파로열 격자로 파장에 따른 다채널의 광신호를 입력시키는 제1 도파로열과, 각각 상기 도파로열 격자를 통과하여 역다중화된 각 채널이 출력되는 다수의 제2 도파로열을 구비하는 파장분할 다중화기/역다중화기에 있어서,
    상기 제2 도파로열의 각 도파로의 지름 방향으로 기설정된 거리만큼 이격되어 위치하며 상기 도파로 내로 진행하는 채널을 그 내부로 결합시키기 위한 격자가 일단에 형성된 광결합 도파로를 구비하고, 상기 격자는 파장에 따른 결합 효율이 상기 채널의 파장에 대해 최대값을 가지는 주기 및 길이를 가짐을 특징으로 하는 광결합 도파로를 구비한 파장분할 다중화기/역다중화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격자의 주기는 하기 <수학식 5>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 광결합 도파로를 구비한 파장분할 다중화기/역다중화기.
    (Λi: 상기 격자의 주기, λi: 상기 도파로로 진행하는 채널의 파장, Neff,i': 상기 도파로의 유효 굴절률, Neff,i: 상기 광결합 도파로의 유효 굴절률)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 격자의 길이는 하기 <수학식 6>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 광결합 도파로를 구비한 파장분할 다중화기/역다중화기.
    (Li: 상기 광결합 도파로의 일단에 형성된 격자의 길이, Ki: 상기 도파로를 진행하는 채널이 상기 광결합 도파로로 결합되는 정도를 나타내는 결합 계수)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격자의 파장에 따른 결합 효율은 하기 <수학식 7>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 광결합 도파로를 구비한 파장분할 다중화기/역다중화기.
    (ηi: 상기 도파로를 진행하는 채널이 상기 광결합 도파로로 결합되는 정도를 나타내는 결합 효율, Ki: 상기 도파로를 진행하는 채널이 상기 광결합 도파로로 결합되는 정도를 나타내는 결합 계수, δi: 상기 도파로를 진행하는 채널과 상기 광결합 도파로에 결합된 채널의 전파 상수 차이를 나타내는 위상 부정합량, Li: 상기 광결합 도파로의 일단에 형성된 격자의 길이)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 위상 부정합량은 하기 <수학식 8>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 광결합 도파로를 구비한 파장분할 다중화기/역다중화기.
    λi: 상기 도파로로 진행하는 채널의 파장, δi(λi) : 상기 도파로를 진행하는 채널과 상기 광결합 도파로에 결합된 채널의 전파 상수 차이를 나타내는 위상 부정합량, Neff,i': 상기 도파로의 유효 굴절률, Neff,i: 상기 광결합 도파로의 유효 굴절률, Λi: 상기 격자의 주기)
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