KR100342488B1 - 가변 광감쇠기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전기광학적 또는 열광학적 특성을 가지는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키는 가변 광감쇠기는, 상기 광도파로에 상기 광신호의 진행 방향으로 지그재그로 형성되고 외부 에너지의 공급 정도에 따라 굴절률이 변화하는 다수의 굴절률 변화영역; 및 상기 광도파로의 굴절률 변화영역과 엇갈리게 지그재그로 형성되며 상기 외부 에너지가 공급되지 않는 다수의 굴절률 미변화영역을 포함한다.

Description

가변 광감쇠기{VARIABLE OPTICAL ATTENUATOR}
본 발명은 광통신 시스템(system)에 사용되는 광부품에 관한 것으로서, 특히 광신호를 가변적으로 감쇠시키는 가변 광감쇠기에 관한 것이다.
광통신 시스템에 있어서, 전송되는 광신호의 최초 송신단과 최종 수신단의 거리가 먼 경우에 있어서는 광섬유 내로 진행하는 광신호의 감쇠가 문제가 된다.
광신호의 전송 매체인 광섬유는 일정 광감쇠율을 가지고 있고, 이에 따라 광신호가 광섬유 내를 진행하면서 진행 거리에 따라서 세기가 점차적으로 감소한다.
따라서, 광신호의 진행 경로 상에 일정 거리를 두고 다수의 광중계기들이 필요하게 되며, 이러한 광중계기는 상기 광신호의 감쇠된 세기를 증폭하는 광증폭기를 구비한다. 통상적으로, 광증폭기는 부피가 작고, 설치가 간편한 광섬유 증폭기를 사용한다. 광섬유 증폭기는 감쇠된 광신호를 증폭하는 역할을 하며, 통상적으로 희토류 원소인 어븀(erbium)을 실리카(silica)와 같은 광섬유 재료에 첨가한 어븀첨가 광섬유 증폭기(erbium doped optical fiber amplifier)가 통상적으로 사용된다. 또한, 광통신에 있어서, 하나의 광섬유에 다채널(multi-channel)의 광신호를 전송하려는 목적으로 파장분할 다중화(wavelength division multiplexing) 기술을 통상적으로 채택하고 있다. 파장분할 다중화는 단일 광섬유 내에 파장에 따라 각각다른 모드(mode)를 가지는 다채널의 광신호를 전송하는 것을 말한다. 파장분할 다중화기는 다채널의 광신호를 하나의 광섬유로 집적시키는 역할을 수행하며, 다수의 광도파로들로 구성된 광도파로열 격자(arrayed waveguides grating)가 통상적으로 사용된다.
그러나, 단일 광섬유에 다채널의 광신호를 전송함에 따라 정보 손실의 위험도 크다. 예를 들어, 8채널의 광신호를 증폭하도록 설정되어 있는 광섬유 증폭기가 광신호가 4채널로 변화된 것을 즉각적으로 감지하지 못하고 4채널의 광신호를 과증폭한 경우에 있어서, 상기 과증폭된 광신호로 인한 전체 광통신 시스템의 오동작이 유발될 수가 있다. 광감쇠기는 광신호의 세기를 일정하게 유지하여 이와 같은 오류를 방지하는 역할을 한다.
도 1은 종래의 차단형 가변 광감쇠기의 구성을 나타내는 도면이다. 기판은 광도파로(12)와 클래드(clad, 11)로 구성되며, 상기 기판에서 상기 광도파로(12)를 제외한 나머지 부분이 클래드(11)가 된다. 초기에 상기 광도파로(12)로 진행할 광신호의 모드를 고려하여 상기 광도파로(12)와 클래드(11)의 굴절률들 및 상기 광도파로(12)의 폭을 결정한다. 즉, 상기 광도파로(12)로 진행하는 광신호는 상기 광도파로(12)와 클래드(11)의 경계면에서 전반사조건을 만족하게 된다. 도시한 바와 같이, 상기 광도파로(12)의 굴절률 변화영역의 상부에 + 전극(13)이 형성되어 있다. 상기 굴절률 변화영역은 전압 또는 열과 같은 외부에너지의 공급 정도에 따라 굴절률이 변화되는 상기 광도파로(12)의 일정 부분을 나타내는 것으로서, 도면에서는 + 전극(13)의 하부에 위치한 광도파로(12)의 부분이 이러한 굴절률 변화영역에 해당한다. 상기 + 전극(13)의 양측에는 서로 전기적으로 연결된 두 개의 - 전극들(14)이 형성되어 있다. 상기 광도파로(12)를 구성하는 매질은 가해진 전압(V)에 비례하여 굴절률이 변화되는 특성을 가지고 있다. 상기한 바와 같이, 가해진 전압(V)에 따라 굴절률이 변화되는 특성을 전기광학적 특성이라고 한다. 이러한 전기광학적 특성을 가지는 재질로는, LiNbO3또는 LiTaO3와 같은 강유전체, GaAs 또는 InP와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체, 폴링된 폴리머 등을 예로 들 수가 있다.
상기 차단형 광감쇠기의 동작을 자세히 설명하면 다음과 같다. 상기 광도파로(12) 내로 단일모드의 광신호가 전파되고 있다고 가정하자. 전압(V)이 인가되지 않았을 경우에 광신호는 감쇠 없이 전파된다.
한편, 전압(V)이 인가되었을 경우에 상기 광도파로(12) 내에 굴절률 변화영역이 형성되고, 상기 굴절률 변화영역에서 진행하는 광신호는 전반사 조건을 만족하지 못하게 된다. 즉, 전반사 조건을 만족하도록 설정되었던 상기 광도파로의 굴절률이 변화됨에 따라 이러한 조건을 충족하지 못하게 되는 것이다. 또한, 상기 굴절률 변화영역을 제외한 광도파로 부분, 즉 굴절률 미변화영역은 상기 광신호의 전반사 조건을 변함없이 만족한다. 상기 굴절률 변화영역을 진행하는 광신호는 전반사 조건 파괴에 따라 계속적으로 상기 클래드(11)로 복사되면서 발생하는 손실, 상기 광도파로(12)의 굴절률 변화영역과 굴절률 미변화영역의 전파 가능한 모드들 간의 불일치에 따른 손실 및 광신호가 상기 굴절률 변화영역에 입사하거나 출사하는 과정에 있어서 서로 다른 굴절률들을 가지는 매질들 사이의 경계면에서 반사되면서 발생하는 손실을 겪게 된다.
이러한 손실들로 인한 광신호의 감쇠 정도를 나타내는 것이 소멸비이며, 이는 하기 수학식 1로 표현된다.
상기 차단형 광감쇠기의 소멸비는 상기 굴절률 변화영역의 굴절률 변화량에 의해 조절 가능하며, 이러한 굴절률 변화량은 가해진 전압(V)에 비례한다. 따라서, 상기 차단형 광감쇠기에서 출력되는 광신호 세기의 임의적인 조절이 가능하게 된다.
그러나, 종래의 차단형 광감쇠기는 비교적 큰 구동전압을 필요로 한다는 문제점을 가지고 있다. 통상적으로, 광통신 시스템에서 사용되는 전압이 수 볼트 정도인 것에 비하여, 상기 차단형 광감쇠기는 수 mm의 굴절률 변화영역에서 20 dB 정도의 소멸비를 얻기 위해 수십 볼트(volt)의 전압을 필요로 한다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 상기 차단형 광감쇠기의 굴절률 변화영역을 길게 늘리는 방법, 상기 광도파로의 굴절률 및 폭을 차단 값에 최대한 접근시키는 방법 등이 있다. 상기 차단 값은 광신호의 감쇠를 야기하는 시발점이 된다.
그러나, 이러한 방법들은 상기 차단형 광감쇠기의 집적성이 떨어진다거나 온도와 같은 주변조건이 변화할 경우에 상기 차단형 광감쇠기를 동작시키지 않았을경우에도 광신호의 감쇠를 야기할 수 있다는 등의 또 다른 문제점들을 발생시킨다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 구동전압이 작은 가변 광감쇠기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 광신호의 소멸비가 향상되면서도 소자 길이가 짧은 가변 광감쇠기를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기광학적 또는 열광학적 특성을 가지는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키는 가변 광감쇠기는,
상기 광도파로에 상기 광신호의 진행 방향으로 지그재그로 형성되고 외부 에너지의 공급 정도에 따라 굴절률이 변화하는 다수의 굴절률 변화영역; 및
상기 광도파로의 굴절률 변화영역과 엇갈리게 지그재그로 형성되며 상기 외부 에너지가 공급되지 않는 다수의 굴절률 미변화영역을 포함한다.
도 1은 종래의 차단형 가변 광감쇠기의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면,
도 3a는 도 2에 도시된 가변 광감쇠기에 전압이 인가되지 않았을 경우의 광신호 전파 과정을 나타내는 도면,
도 3b는 도 2에 도시된 가변 광감쇠기에 전압이 인가되었을 경우의 광신호 전파 과정을 나타내는 도면,
도 4a는 서로 다른 굴절률들을 가지는 두 매질들의 경계면에서 발생하는 광신호의 반사 손실을 설명하기 위한 도면,
도 4b는 모드 불일치에 따른 광신호의 복사 손실을 설명하기 위한 도면,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기광학 가변 광감쇠기의 제작과정을 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면,
도 10은 본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 굴절률 변화에 따른 소멸비를 나타내는 도면.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다. 기판은 광신호가 전송되는 광도파로(22)와 광신호가 상기 광도파로(22) 내에서 전반사되도록 상기 광도파로(22)의 것보다 낮은 굴절률을 가지는 클래드(21)로 구성된다. 상기 광도파로(22)의 상부에는 상기 광신호의 진행 방향에 따라 지그재그(zigzag)로 형성된 다수의 상부 전극(23)이 구비되어 있다. 또한, 상기 광도파로(22)는 제1 테이퍼 광도파로(taper waveguide) 및 제2 테이퍼 광도파로(taper waveguide)를 포함하고 있다. 이는 상기 광도파로(22)의 일정 영역의 폭을 넓히기 위한 것으로서, 이후에 광신호를 감쇠시키는 과정에서의 소멸비의 향상을 도모하기 위한 것이다. 또한, 상기 제2 테이퍼 광도파로 및 제1 테이퍼 광도파로는 단열(adiabatic) 조건을 만족하는데, 상기 조건은 광신호가 폭이 좁은 광도파로에서 폭이 넓은 광도파로로 진행하는 과정 또는 그 반대 과정에서 광감쇠가 발생하지 않는 조건을 말한다. 하부 전극(미도시)은 상기 광도파로(22)의 하부에 하나의 층으로 구성되어 있으며 접지(미도시)와 연결되어 있다. 상기 상부 전극(23)에 전압(V)을 인가하면, 상기 상부 전극(23)에서 하부 전극 방향으로 상기 광도파로(22) 내부에 전계(electric field)가 형성된다. 그러나, 상기한 바와 같이 다수의 상부 전극(23)은 지그재그로 형성되어 있다. 따라서, 상기 전계에 의해 형성되는 상기 광도파로(22) 내의 다수의 굴절률 변화영역도 지그재그로 형성된다. 이에 수반하여, 상기 전계에 영향을 받지 않는 상기 광도파로(22) 내의 굴절률 미변화영역도 상기 굴절률 변화영역과 엇갈리게 지그재그로 형성된다. 도 3a는 도 2에 도시된 가변 광감쇠기에 전압이 인가되지 않았을 경우의 광신호 전파 과정을 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 광도파로(22) 내로 광신호가 진행하고 있다. 상기 광도파로(22)는 광신호의 진행 방향에 따라서 입력 광도파로(A), 제1 테이퍼 광도파로(B), 직선 광도파로(C), 제2 테이퍼 광도파로(D) 및 출력 광도파로(E)로 구분할 수가 있다. 도 2에 도시된 상부 전극(23)에 전압(V)이 인가되었을 경우에 상기 직선 광도파로는 지그재그로 형성되는 굴절률 변화영역(32) 및 상기 굴절률 변화영역(32)에 엇갈리게 지그재그로 형성된 굴절률 미변화영역(31)으로 구분된다. 그러나, 도 3a는 전압이 인가되지 않은 경우의 광신호 전파를 도시하고 있으므로, 도시한 바와 같은 굴절률 변화영역(32) 및 굴절률 미변화영역(31)의 구분은 생기지 않는다. 즉, 상기 굴절률 변화영역(32) 및 굴절률 미변화영역(31)의 굴절률은 단일 값으로 표현되며, 이후 도 3b와 비교할 때의 편이를 위한 구분일 뿐이다. 도 3a에서는 광신호의 전파 과정을 각 지점에서의 광신호의 모드 프로파일(mode profile)로 설명하고 있다. 상기 모드 프로파일은 해당 지점에서의 상기 광도파로(22) 단면에서 삼차원적으로 나타나는 광신호의 세기를 하나의 축에 대하여 표시한 것을 말한다. 예를 들어 원형의 단면을 가지는 광섬유의 경우에 광섬유 지름 방향의 임의의 축을 설정하여 다수의 모드 프로파일을 표시할 수 있으나, 비편광 상태의 광신호에 대해서는 동일한 하나의 형태를 나타내는 것이 일반적이다.
본 발명에서와 같이, 광도파로(22)의 단면이 사각형인 경우에는 상기 사각형의 어느 한 모서리를 이루는 두 직선들 중 하나를 선택하여 모드 프로파일을 나타낼 수 있으나, 여기에서는 비편광 상태의 광신호를 다루는 것으로 한다. 초기 입력 광도파로(A)로 진행하는 광신호의 모드 프로파일은 제1 테이퍼 광도파로(B)를 지나면서 모드 폭은 넓어지고, 최대 세기는 작아진다. 그러나, 상술한 바와 같이 상기 제2 테이퍼 광도파로(D) 및 제1 테이퍼 광도파로(B)는 단열 조건을 만족하도록 제작되었으므로, 광신호의 감쇠는 발생하지 않는다. 직선 광도파로(C)를 통과한 후 모드 폭이 넓어진 광신호는 제2 테이퍼 광도파로를 지나면서 다시 모드 폭이 좁아지게 되고 최대 세기는 커지게 된다. 즉, 상기 광도파로(22)의 고유한 소멸비가 작고 실제로 상기 감쇠기의 전체길이가 수 ㎛에 불과하므로, 상기 출력 광도파로(E)에서의 광신호의 모드 프로파일은 초기 입력 광도파로(A)에서의 모드 프로파일과 동일하다고 볼 수 있다.
도 3b는 도 2에 도시된 가변 광감쇠기에 전압이 인가되었을 경우의 광신호 전파 과정을 나타내는 도면이다. 도 3b에서도 도 3a와 마찬가지로 광신호의 전파 과정을 각 지점에서의 광신호의 모드 프로파일로 설명하고 있다. 초기 입력 광도파로(A)로 진행하는 광신호의 모드 프로파일은 제1 테이퍼 광도파로(B)를 지나면서 모드 폭은 넓어지면서, 최대 세기는 작아진다. 직선 광도파로(C) 내에는 인가된 전압에 비례하여 변화된 굴절률을 가지는 다수의 굴절률 변화영역(32)이 지그재그로 형성된다. 이에 따라, 다수의 굴절률 미변화영역(31)도 지그재그로 형성되게 된다.
광신호는 이러한 직선 광도파로(C)를 진행하면서 감쇠되는데, 이러한 광감쇠의 주요인은 세 가지로 볼 수가 있다.
첫 번째로, 직선 광도파로(C) 내에서 진행하는 광신호는 전반사 조건을 만족하지 못하게 된다. 따라서, 상기 직선 광도파로(C)를 진행하는 광신호는 계속적으로 도 2에 도시된 클래드(21)로 복사되면서 손실을 겪게 된다.
두 번째로, 광신호가 상기 직선 광도파로(C) 내로 진행하는 과정에 있어서 서로 다른 굴절률들을 가지는 두 매질들의 경계면에서 반사되면서 발생하는 손실을 겪게 된다. 도 4a는 서로 다른 굴절률들을 가지는 두 매질들의 경계면에서 발생하는 광신호의 반사 손실을 설명하기 위한 도면이다. 광도파로(41)의 굴절률은 n2, 클래드(42)의 굴절률은 n1이다. 도 4a는 광도파로(41)가 약간 엇갈려 있는 것을 도시하고 있다. 이러한 엇갈린 부분에서는 광신호의 반사가 일어나고, 엇갈리지 않은 부분에서는 반사가 일어나지 않는다. 상기 광도파로(41)의 엇갈리지 않은 부분에서 경계면을 이루는 두 매질들의 굴절률들이 동일하기 때문에, 광신호는 반사 없이 투과하게 된다. 이러한 경우에 있어서의 경계면은 동일 매질 내에 가상의 경계면을 설정한 것에 지나지 않는다. 반면에, 상기 광도파로(41)의 엇갈린 부분에서 경계면을 이루는 두 매질들의 굴절률들은 동일하지 않기 때문에, 광신호의 일부가 반사로 인하여 손실된다.
세 번째로, 광신호가 전파되는 광도파로(41)는 고유의 전파 가능한 모드들을 가지고 있다. 이러한 전파 가능한 모드는 상기 광도파로(41)의 폭 및 굴절률 분포에 따라 결정된다. 본 발명의 광감쇠기는 직선 광도파로 내에 다수의 굴절률 변화영역이 지그재그로 배열되어 있다. 이는 상기 직선 광도파로의 길이방향을 따라 전파 가능한 모드가 반복적으로 변경되는 것을 의미한다. 이러한 모드 변경 시에 발생하는 전파 가능한 모드들 간의 불일치는 전파되는 광신호의 손실을 야기한다.
도 4b는 모드 불일치에 따른 광신호의 복사손실을 설명하기 위한 도면이다. 하나의 광도파로(41)가 존재하면, 이에 따라 상기 광도파로(41)에서 전파 가능한 광신호의 모드들을 파악할 수 있다. 도 4b에서 광도파로(41)가 엇갈려 있으므로 경계면 전후의 두 광도파로 부분들(41)의 전파 가능한 광신호 모드들이 존재한다. 상기한 바와 같이 상기 광도파로(41)는 단순히 엇갈려 있는 것뿐이므로, 상기 경계면 전후의 두 광도파로 부분들(41)의 전파 가능한 광신호 모드는 동일하다. 단지 차이점은 어느 한 광도파로 부분(41)의 전파 가능한 광신호 모드가 상대적으로 쉬프트(shift)되어 있다는 것이다. 따라서, 상기한 이유로 인한 모드 불일치로 인한 손실이 발생하고, 이는 바로 광신호의 손실을 의미한다.
도 3b에서는 상술한 바와 같은 이유로 인한 감쇠를 겪는 광신호의 각 지점에서의 모드 프로파일을 도시하고 있다. 광신호의 모드 프로파일의 최대 세기는 직선 광도파로(C)를 진행하면서 점차 감쇠한다. 또한, 상기 직선 광도파로(C) 내에서 광신호의 모드 프로파일들의 최대 세기는 굴절률 미변화영역(31) 상에서 나타나게 된다.
즉, 광신호가 진행함에 따라 광신호의 모드 프로파일의 최대 세기의 위치는 지그재그로 변위되게 된다. 도 4b에 도시한 바와 같이, 클래드(42) 내로 복사되는 광신호의 세기는 상기 광도파로(41)의 엇갈린 부분으로 입사하는 광신호의 세기에 비례한다. 도 4b는 광신호의 모드 프로파일에서 가장 자리에 분포한 광신호의 세기 부분이 손실되는 것을 나타내고 있다. 만약, 상기 광도파로(41)의 엇갈리는 정도가 더 컸더라면, 더 많은 광신호의 감쇠가 이뤄졌을 것이다. 즉, 도 3b에 도시된 직선 광도파로(C) 내에서 굴절률 변화영역(32)이 지그재그로 형성됨으로 인하여, 모드 불일치가 반복적으로 일어남과 동시에 모드 불일치가 발생하는 모드 프로파일의 영역이 넓어진다. 종래의 광감쇠기는 굴절률 변화량이 작은 경우에 굴절률 변화영역 내의 전파 가능한 모드 프로파일이 미소하게 변함에 따라, 광신호의 모드 프로파일의 작은 영역만이 모드 불일치에 해당되어 손실을 겪게 된다. 또한, 이러한 영역의 광신호 에너지는 전체 광신호 에너지의 매우 작은 부분을 차지함으로 인하여, 광신호의 손실도 작았다. 그러나, 본 발명은 테이퍼 광도파로를 이용하여 전파되는 광신호의 모드폭을 넓게 하였다. 즉, 모드 프로파일에서 최대 세기는 줄어들고 모드폭은 늘어나면서, 이전의 최대 세기의 위치에 편중되어 있던 광신호의 에너지가 이외의 영역으로 분배되는 것이다. 이러한 점이 주는 효과는 모드 불일치 영역에 해당하는 모드 프로파일의 세기 분포가 전체적으로 증가한다는 것이다. 즉, 상기 모드 불일치로 손실되는 광신호의 에너지가 증가된다. 도 3b에서 상기 직선 광도파로(C)를 통과한 광신호는 제2 테이퍼 광도파로(D)를 진행하면서 광신호의 모드 프로파일의 모드폭은 감소되며 최대 세기는 증가한다. 결과적으로, 직선 광도파로(C)에서 많은 양의 광신호 에너지가 감쇠되었으므로 출력 광도파로(E)에서의 광신호의 모드 프로파일의 최대 세기는 입력 광도파로(A)에서의 모드 프로파일에 비하여 매우 감소한 것을 나타내고 있다.
본 발명과 종래기술의 광감쇠 메카니즘(mechanism)의 중요한 차이점은 하기하는 바와 같다. 동일 길이의 광감쇠기를 두고 비교할 때, 종래에는 광신호의 모드 불일치로 인한 손실이 본 발명에 비하여 작았다. 즉, 종래에는 광신호가 광감쇠기의 굴절률 변화영역 내로 입력 및 출력시에 모드 불일치로 인한 손실들을 겪었던반면에, 본 발명은 굴절률 변화영역 수의 설정에 따라 종래의 변화영역의 길이와 동일한 길이를 가지는 직선 광도파로 내에서 다수의 모드 불일치로 인한 손실들을 겪게 되는 것이다. 여기에서 주지해야 하는 것은, 본 발명은 종래의 광감쇠기를 단순히 반복 배열하는 것이 아니라는 것이다. 즉, 본 발명은 굴절률 변화영역을 지그재그로 배열함으로 인하여, 광신호의 모드 프로파일에서 모드 불일치 영역을 넓혔고, 테이퍼 광도파로로 광신호의 모드폭을 넓히고 최대세기는 줄임으로써 상기 모드 불일치 영역에 포함되는 광신호의 에너지를 증가시켰다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기광학 가변 광감쇠기의 제작과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5a는 실리콘 기판(51)을 준비하는 과정이다. 도 5b는 상기 실리콘 기판(51) 위에 SiO2절연체 박막(52)을 형성하는 과정이다. 상기 SiO2절연체 박막(52)은 증착 공정에 의하여 형성된다. 증착 공정은 통상적으로 하기한 바와 같다. 진공 챔버(chamber) 내에 기판을 설치하고, 상기 기판의 아래쪽에 증착 물질을 놓는다. 진공 펌프(pump)를 이용하여 상기 진공 챔버 내에 진공 상태를 조절하고, 상기 증착 물질을 녹이거나 또는 이온빔(ion beam)으로 때려서 상기 증착 물질을 기판 쪽으로 올려 보낸다. 상기 기판에 증착되는 증착 물질을 모니터링(monitoring)하면서, 원하는 두께가 되면 증착 과정을 종료한다.
도 6a는 상기 SiO2절연체 박막(52) 위에 하부 전극으로 사용될 금속 박막(53)을 형성하는 과정이다. 상기 금속 박막(53)의 재질로는 통상적으로 금을 사용하며, 상기 SiO2절연체 박막(52)의 경우와 동일하게 증착 과정에 의하여 형성된다. 도 6b는 상기 금속 박막(53) 위에 하부 클래드(54)를 형성하는 과정이다. 상기 클래드(54)는 이후 형성될 광도파로를 둘러싸서 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호가 전반사 조건을 만족하도록 굴절률이 조정된다. 도 7a는 상기 하부 클래드(54) 위에 광도파로(55)를 형성하는 과정이다. 상기 광도파로(55)는 우선 상기 하부 클래드(54) 위에 하나의 층을 형성한 다음, 상기 광도파로(55)의 패턴(pattern)을 가지는 마스크(mask) 등을 이용하여 상기 광도파로 이외의 영역을 건식 식각하여 형성된다. 상기 광도파로(55)의 굴절률은 상기 클래드(54)의 굴절률보다 높게 조정한다.
이는 공지된 사실로서, 광신호가 전파되는 광도파로(55)의 굴절률이 클래드(54)의 굴절률보다 높아야 전반사 조건을 만족할 수 있기 때문이다. 도 7b는 상기 광도파로(55) 및 하부 클래드(54)의 상부에 상부 클래드(56)를 형성하는 과정이다.
상기 상부 클래드(56)는 하부 클래드(54)와 동일한 재질로 형성된다. 특정한 목적을 이루기 위하여 상기 광도파로(55)를 둘러싸는 클래드(54 및 56)의 굴절률을 부분적으로 다르게 조정하는 경우가 있으나, 본 발명에서는 동일하게 조정하였다.
도 8a는 상부 클래드(56)의 위에 상기 광도파로(55)와 수직으로 정렬하여 전극(57)을 형성하는 과정이다. 상기 상부 전극(57)의 재질은 상기 하부 전극(53)의 재질과 동일한 금으로 되어 있다. 상기한 과정에 의하여 형성되는 다수의 상부 전극(57)은 상기 광도파로(55)의 길이방향을 따라서 지그재그로 형성된다. 도 8b는 전압원(58)을 이용하여 상기 상부 전극(57)과 하부 전극(53)에 일정 전압을 인가하는 과정이다. 상기 인가된 전압에 의하여 상기 광도파로(55) 내에는 수직 방향의 전계가 형성된다. 상기 전계는 상기 광도파로(55)의 굴절률을 변화시킨다.
도 9는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다. 광도파로(92)의 상부에 다수의 마이크로 히터(microheater, 93)가 지그재그로 형성되어 있다. 상기 광도파로(92)는 도 3A에 도시된 바와 같이 입력 광도파로, 제1 테이퍼 광도파로, 직선 광도파로, 제2 테이퍼 광도파로 및 출력 광도파로로 구성된다. 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기의 경우는 광도파로 내에 전계를 형성하여 이에 비례하는 굴절률 변화를 유도하였으나, 상기 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기는 상기 광도파로(92)에 열을 가하여 이에 따른 굴절률 변화를 유도한다. 즉, 상기 광도파로(92)를 구성하는 매질은 온도 변화에 따라 굴절률이 변화되는 특성, 즉 열광학적 특성을 가진다. 이러한 열광학적 특성을 가지는 재질로는, LiNbO3또는 LiTaO3와 같은 강유전체, GaAs 또는 InP와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체, 실리카, 폴리머 등을 예로 들 수가 있다.
상기 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기는 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기와 유사한 동작 특성을 갖는다. 즉, 상기 광도파로(92) 내에 다수의 굴절률 변화영역이 지그재그로 형성되며, 상기 광도파로(92)로 진행하는 광신호는 도 3B에 도시된 바와 같은 전반사 조건 파괴, 모드 불일치 및 반사로 인한 손실을 겪게 되는 것이다. 상기 마이크로 히터(93)의 일단에 전류(I)를 가하고, 그 반대편일단에 접지를 연결한다. 상기 마이크로 히터(93)는 상기 인가된 전류(I)에 비례하여 열을 발생하게 되므로, 상기 마이크로 히터(93)의 하부에 위치한 광도파로(92)의 부분은 상기 마이크로 히터(93)의 형태와 동일한 형태의 굴절률 변화영역이 형성된다. 이러한 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기는 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기에 비하여 하부 전극이 필요치 않으므로 그 구성이 간단해진다는 이점이 있다.
도 10은 본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 굴절률 변화에 따른 소멸비를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 전기광학 가변 광감쇠기나 열광학 가변 광감쇠기는 그 효과가 유사하게 나타나며, 이에 따라 도시된 그래프는 굴절률 변화량에 따른 중첩적분(overlap integral) 값을 나타내었다. 상기 중첩적분은 도 3b에 도시된 모드 프로파일에서 모드폭 전체에 대한 광세기의 적분을 말하는 것으로, 광감쇠 전의 중첩적분 값을 1로 설정한 값이다. 또한, 본 발명에 따른 지그재그형 가변 광감쇠기와 종래의 차단형 광감쇠기를 수치 비교하였다. 실험 조건으로는 광도파로의 굴절률이 1.5499, 클래드의 굴절률이 1.5459, 입력 광도파로의 폭은 5㎛, 제1 테이퍼 광도파로 및 제2 테이퍼 광도파로의 폭 및 길이는 각각 10㎛, 1500㎛이며, 입력된 광신호는 TE 모드로 1.55㎛의 파장을 가진다. 또한, 종래의 차단형 광감쇠기는 일정한 광도파로 폭, 즉 5㎛를 가지며, 본 발명에 따른 지그재그형 광감쇠기는 10㎛ 폭의 넓어진 광도파로와 10번의 지그재그 패턴 반복을 실험 조건으로 한다. 도시된 바와 같이, 굴절률 변화량이 0.003인 경우, 차단형 광감쇠기는 2.2dB 정도의 광감쇠를 나타내고 지그재그형 광감쇠기는 20dB 정도의 광감쇠를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 광감쇠기는 작은 굴절률 변화만으로도 향상된 광신호의 소멸비를 나타내므로, 낮은 구동 전압을 필요로 한다는 이점이 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 가변 광감쇠기는 광신호의 소멸비가 향상되었으면서도 소자 길이가 짧다는 이점이 있다.

Claims (15)

  1. 전기광학적 또는 열광학적 특성을 가지는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키는 가변 광감쇠기에 있어서,
    상기 광도파로에 상기 광신호의 진행 방향으로 지그재그로 형성되고 외부 에너지의 공급 정도에 따라 굴절률이 변화하는 다수의 굴절률 변화영역; 및
    상기 광도파로의 굴절률 변화영역과 엇갈리게 지그재그로 형성되며 상기 외부 에너지가 공급되지 않는 다수의 굴절률 미변화영역을 포함함을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 에너지는 전압 또는 전류임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  3. 전기광학적 특성을 가지는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키는 가변 광감쇠기에 있어서,
    입력 광도파로;
    입력측 일단은 상기 입력 광도파로에 연결되며 출력측 일단은 상기 입력광도파로의 폭보다 넓은 폭을 가지고, 단열 조건을 만족하는 제1 테이퍼 광도파로;
    상기 제1 테이퍼 광도파로의 출력측 일단과 연결되는 직선 광도파로;
    상기 직선 광도파로의 상부에 상기 광신호의 진행 방향으로 지그재그로 형성된 다수의 상부 전극들;
    상기 상부 전극들에 전압을 인가하는 전압원;
    상기 직선 광도파로의 하부에 위치하는 하부 전극;
    입력측 일단은 상기 직선 광도파로에 연결되며 출력측 일단은 상기 입력 광도파로와 동일한 폭을 가지고, 단열 조건을 만족하는 제2 테이퍼 광도파로; 및
    상기 제2 테이퍼 광도파로의 출력측 일단과 연결되는 출력 광도파로를 포함함을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 강유전체임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강유전체는 LiNbO3또는 LiTaO3임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 화합물 반도체는 GaAs 또는 InP임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 폴링된 폴리머임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  9. 열광학적 특성을 가지는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키는 가변 광감쇠기에 있어서,
    입력 광도파로;
    입력측 일단은 상기 입력 광도파로에 연결되며 출력측 일단은 상기 입력 광도파로의 폭보다 넓은 폭을 가지고, 단열 조건을 만족하는 제1 테이퍼 광도파로;
    상기 제1 테이퍼 광도파로의 출력측 일단과 연결되는 직선 광도파로;
    상기 직선 광도파로의 상부에 상기 광신호의 진행 방향으로 지그재그로 형성된 다수의 마이크로 히터들;
    상기 마이크로 히터들에 전류를 인가하는 전류원;
    입력측 일단은 상기 직선 광도파로에 연결되며 출력측 일단은 상기 입력 광도파로와 동일한 폭을 가지고, 단열 조건을 만족하는 제2 테이퍼 광도파로; 및
    상기 제2 테이퍼 광도파로의 출력측 일단과 연결되는 출력 광도파로를 포함함을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 강유전체임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 강유전체는 LiNbO3또는 LiTaO3임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 화합물 반도체는 GaAs 또는 InP임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 실리카임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 폴리머임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
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