KR100342499B1 - 가변 광감쇠기 - Google Patents

가변 광감쇠기 Download PDF

Info

Publication number
KR100342499B1
KR100342499B1 KR1019990055706A KR19990055706A KR100342499B1 KR 100342499 B1 KR100342499 B1 KR 100342499B1 KR 1019990055706 A KR1019990055706 A KR 1019990055706A KR 19990055706 A KR19990055706 A KR 19990055706A KR 100342499 B1 KR100342499 B1 KR 100342499B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical waveguide
optical
curved
attenuator
variable
Prior art date
Application number
KR1019990055706A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20010054751A (ko
Inventor
조정환
장우혁
Original Assignee
윤종용
삼성전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 윤종용, 삼성전자 주식회사 filed Critical 윤종용
Priority to KR1019990055706A priority Critical patent/KR100342499B1/ko
Publication of KR20010054751A publication Critical patent/KR20010054751A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100342499B1 publication Critical patent/KR100342499B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/264—Optical coupling means with optical elements between opposed fibre ends which perform a function other than beam splitting
    • G02B6/266—Optical coupling means with optical elements between opposed fibre ends which perform a function other than beam splitting the optical element being an attenuator
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02195—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for tuning the grating
    • G02B6/02204—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for tuning the grating using thermal effects, e.g. heating or cooling of a temperature sensitive mounting body
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12038—Glass (SiO2 based materials)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/1204—Lithium niobate (LiNbO3)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12045—Lithium tantalate (LiTaO3)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/48—Variable attenuator

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 입력된 광신호의 전송 경로가 되는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며, 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키기 위한 가변 광감쇠기에 있어서, 상기 광도파로는, 전기광학적 또는 열광학적 특성을 가지며, 외부 에너지의 공급 정도에 따라 굴절률이 변화하고, 소정의 곡선으로 정의되는 곡선 광도파로를 포함하여 구성된다.

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 광신호를전송하려는 목적으로 파장분할 다중화(wavelength division multiplexing) 기술을 통상적으로 채택하고 있다. 파장분할 다중화는 단일 광섬유 내에 파장에 따라 각각 다른 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(112)와 클래드(clad, 111)로 구성되며, 상기 기판에서 상기 광도파로(112)를 제외한 나머지 부분이 클래드(111)가 된다. 초기에 상기 광도파로(112)로 진행할 광신호의 모드를 고려하여 상기 광도파로(112)와 클래드(111)의 굴절률들 및 상기 광도파로(112)의 폭을 결정한다. 즉, 상기 광도파로(112)로 진행하는 광신호는 상기 광도파로(112)와 클래드(111)의 경계면에서 전반사조건을 만족하게 된다. 도시한 바와 같이, 상기 광도파로(112)의 굴절률 변화영역의 상부에 + 전극(113)이 형성되어 있다. 상기 굴절률 변화영역은 전압 또는열과 같은 외부에너지의 공급 정도에 따라 굴절률이 변화되는 상기 광도파로(112)의 일정 부분을 나타내는 것으로서, 도면에서는 + 전극(113)의 하부에 위치한 광도파로(112)의 부분이 이러한 굴절률 변화영역에 해당한다. 상기 + 전극(113)의 양측에는 서로 전기적으로 연결된 두 개의 - 전극들(114)이 형성되어 있다. 상기 광도파로(112)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(112) 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(111)로 복사되면서 발생하는 손실, 상기 광도파로(112)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 않았을 경우에도 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 입력된 광신호의 전송 경로가 되는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며, 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키기 위한 가변 광감쇠기에 있어서, 상기 광도파로는,전기광학적 또는 열광학적 특성을 가지며, 외부 에너지의 공급 정도에 따라 굴절률이 변화하고, 소정의 곡선으로 정의되는 곡선 광도파로를 포함하여 구성된다.
도 1은 종래의 차단형 가변 광감쇠기의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 광도파로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 곡선 광도파로 내에서 진행하는 광신호의 모드 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 굴절률 변화에 따른 곡선 광도파로의 복사선 축소를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기광학 가변 광감쇠기의 제작과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 굴절률 변화에 따른 소멸비를 나타낸 도면이다.
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. 기판 내부에 광도파로(121)가 형성되어 있으며, 상기 광도파로(121)를 둘러싸는 이외의 기판 부분은 클래드(122)의 역할을 한다.
도 3은 도 2에 도시된 광도파로(121)를 나타내는 도면이다. 상기 광도파로(121)는 입력 광도파로(131), 곡선 광도파로(132) 및 출력 광도파로(133)로 구성되어 있다.
상기 입력 광도파로(131) 및 출력 광도파로(133)는 모두 직선 광도파로들이다. 상기 직선 광도파로(131 또는 133)와 곡선 광도파로(132)의 연결부에서 상기 두 광도파로들의 곡률들이 일치하지 않을 경우에 이에 따른 손실이 발생한다는 것은 공지된 사실이다. 그러나, 본 발명에 따른 광도파로는 초기에 직선 광도파로(131 또는 133)와 곡선 광도파로(132)의 연결부가 곡률 정합(curvature matching)이 되어 있다. 즉, 곡률 부정합으로 인한 손실을 유발하지 않도록 상기 직선 광도파로(131 또는 133)와 곡선 광도파로(132)의 정렬 또는 상기 곡선 광도파로(132)의 곡률이 설정되어 있다. 상기 광도파로(121)는 초기에 곡률 정합이 되어 있으나, 이후에는 곡률 정합이 안될 수도 있다.
이러한 것은 상기 곡선 광도파로(132)의 굴절률이 인가된 외부에너지에 따라 변한다는데 이유가 있다. 즉, 상기 곡선 광도파로(132)는 인가된 외부에너지에 따라 굴절률이 변화되는 전기광학적 특성을 가지고 있다. 상기 곡선 광도파로(132)와 직선 광도파로(131 또는 133)가 곡률 정합이 되어 있다는 것은 상기 직선 광도파로(131 또는 133)에서 곡선 광도파로(132)로, 또는 그 반대로 광신호가 진행하는 경우에 있어서 곡률 부정합으로 인한 손실이 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 설정은 곡선 광도파로(132)와 직선 광도파로(131 또는 133)의 굴절률 및 폭, 곡선 광도파로(132)의 곡률 등을 고려하여 정해지는 것인데, 상기 곡선 광도파로(132)의 굴절률이 변화됨에 따라 곡률 정합을 만족하지 못하게 되는 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 곡선 광도파로(132)의 상부에는 상기 곡선 광도파로(132)와 같은 형태의 상부 전극(123)이 형성되어 있다. 또한, 상기 곡선 광도파로(132)의 하부에는 하부 전극(미도시)이 하나의 층으로 형성되어 있으며 접지와 연결되어 있다. 따라서, 상기 상부 전극(123)에 일정 전압(V)을 인가하면, 상기 곡선 광도파로(132)의 내부에 상기 상부 전극(123)에서 하부 전극의 방향으로 전계(electric field)가 형성된다. 상기 곡선 광도파로(132)의 굴절률은 상기 전계에 따라 변화되게 되는 것이다. 상기 곡선 광도파로(132) 내를 진행하는 광신호는 하기한 세 가지의 광감쇠 요인에 의해 광감쇠를 겪게 된다.
첫 번째로, 상기 곡선 광도파로(132) 내에서 진행하는 광신호는 전반사 조건을 만족하지 못하게 된다. 따라서, 상기 곡선 광도파로(132)를 진행하는 광신호는 계속적으로 클래드로 복사되면서 손실을 겪게 된다. 상기 곡선 광도파로(132)를 진행하는 광신호는 상기 곡선 광도파로(132)의 굴절률이 변화됨으로 인한 전반사 조건 파괴에 따라 상기 곡선 광도파로(132) 내에서 전반사를 일으키지 못하게 된다. 그러나, 이러한 감쇠 요인은 상기 곡선 광도파로(132)에 외부 에너지가 인가되지 않는 경우에 야기되지 않는다.
두 번째로, 광신호가 상기 직선 광도파로(131 또는 133)에서 곡선광도파로(132)로 진행하는 과정, 또는 그 반대 과정에 있어서 서로 다른 굴절률들을 가지는 두 매질들의 경계면에서 발생하는 반사 손실을 겪게 된다. 이러한 감쇠 요인은 공지된 사실이며, 상기 곡선 광도파로(132)에 외부 에너지가 인가되지 않는 경우, 즉 상기 곡선 광도파로(132)의 굴절률이 변화되지 않는 경우에는 이러한 광신호의 감쇠가 발생하지 않는다.
세 번째로, 상기 곡선 광도파로(132)로 진행하는 광신호는 복사선(radiation caustic) 축소에 따른 광감쇠를 겪게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 곡선 광도파로 내에서 진행하는 광신호의 모드 프로파일(mode profile)을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 상기 곡선 광도파로(141) 내를 진행하는 광신호를 모드 프로파일로 나타내고 있다. 상기 곡선 광도파로를 둘러싸고 있는 것은 클래드이다. 상기 곡선 광도파로(141)의 폭은 W이며, 굴절률은 ncore, 곡률 중심을 기준으로 한 반지름은 R이다. 또한, 상기 곡선 광도파로(141)를 둘러싸는 클래드의 굴절률은 nclad이다. 상기 모드 프로파일은 해당 지점에서의 상기 곡선 광도파로(141) 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, 곡선 광도파로(141)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. 상기 곡선 광도파로(141)는 중심 위치에 광축(optical axis, 142)이 도시되어 있으며, 상기 모드 프로파일은 상기 광축(142)을 중심으로 대칭을 이루고 있다. 상기 광축(142)과 수직인 모드축(143 또는 144)은 상기 모드 프로파일을 유도한 상기 곡선 광도파로(141)의 해당 단면을 나타내는 절단선과 동일하다. 상기 광신호가 어느 정도 진행한 후의 모드 프로파일도 도시되어 있는데, 이전 모드축(143)이 곡률 중심을 기준으로 θ만큼 회전된 상태이다. 이에 따라, 상기 이전 모드축(143)의 B는 B'로, A는 A'로 이동한 것을 알 수 있다.
상기 회전된 모드 프로파일의 모양은 이전 모드 프로파일의 모양과 동일하게 도시되어 있으나, 이러한 모양 일치에는 필요조건이 있다. 즉, 상기 A 위치의 광신호가 A'의 위치로 이동하는 시점에, B 위치의 모드 프로파일의 부분도 B'의 위치로 이동해야만 한다는 것이다. 또한, 상기 A는 B보다 곡률 중심(C)에 가까우므로, 상기 B 위치의 모드 프로파일의 부분은 상기 곡률 중심(C)으로부터의 반지름에 비례하여 상기 A 위치의 광신호보다 더 빠르게 이동해야 된다. 이는 삼차원 회전체에 있어서, 내주 부분보다 외주 부분이 더 빠르게 이동한다는 것으로부터 쉽게 생각할 수 있다.
만약, 상기 삼차원 회전체의 외주 부분이 회전 중심으로부터의 반지름에 비례한 속도로 회전하지 않는다면, 상기 삼차원 회전체의 형상은 유지될 수가 없다.
이러한 이유로, 상기 모드 프로파일의 모양이 회전 후에도 변형되지 않는 필요 조건은 상기 B 위치의 모드 프로파일의 부분은 상기 곡률 중심(C)으로부터의 반지름에 비례하는 속도로 회전해야 된다는 것이다. 상기 광축(142) 위치의 모드 프로파일 부분의 광속은 하기 수학식 2로 근사할 수가 있다.
상기 수학식 1에서, v0는 상기 광축(142) 위치의 모드 프로파일 부분의 광속, c는 자유공간에서의 광속, neff는 상기 곡선 광도파로(141)의 유효 굴절률이다. 상기 유효 굴절률은 상기 곡선 광도파로(141) 내를 진행하는 광신호의 모드를 고려한 굴절률을 말한다. 곡선 광도파로의 굴절률(141), ncore및 클래드의 굴절률, nclad는 광신호의 모드를 고려하지 않은 굴절률이다. 또한, 상기 광축(142)으로부터 x만큼의 거리로 떨어져 있는 모드 프로파일 부분의 광속, vx는 상기 수학식 2를 이용하여 하기 수학식 3으로 근사될 수 있다.
그러나, 광신호의 유효 굴절률은 모드를 고려하지 않은 굴절률보다 항상 클 수가 없다. 왜냐하면, 상기 유효 굴절률이란 상기 모드를 고려하지 않은 굴절률에 사인 함수를 곱한 형태이기 때문이다. 따라서, 클래드에 걸쳐있는 모드 프로파일 부분의 광속은 이러한 모드를 고려하지 않은 굴절률에 따른 광속, 즉 임계 광속을초과할 수가 없다. 이러한 관계는 하기 수학식 4로 표현된다.
상기 수학식 4에서, xr은 상기 광축(142)으로부터 상기 복사선까지의 거리를 나타낸다. 상기 복사선은 상기 클래드에 걸쳐있는 모드 프로파일 부분의 광속이 상기 임계광속과 동일하다고 두었을 때 얻어지는 가상선이다. 즉, 상기 복사선보다 상기 광축(142)으로부터 멀리 있는 모드 프로파일 부분은 상기 모드 프로파일이 회전한다고 했을 때, 이외의 모드 프로파일 부분보다 뒤쳐지게 되는 것이다. 결과적으로, 이러한 뒤쳐진 모드 프로파일 부분이 상기 클래드로 복사되어 광감쇠를 일으키게 되는 것이다. 그러나, 전제한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 광감쇠기는 외부에너지가 인가되지 않는 경우에는 광감쇠를 야기하지 않는다고 하였다.
도 5는 굴절률 변화에 따른 곡선 광도파로의 복사선 축소를 설명하기 위한 도면이다. 반지름 R의 곡선 광도파로(151)와 상기 곡선 광도파로(151)의 광축(152)이 도시되어 있으며, 상기 곡선 광도파로(151)를 둘러싸는 것은 클래드이다. 상기 곡선 광도파로(151)의 굴절률 분포는 굴절률 분포2로 도시되어 있다. ncore는 곡선 광도파로(151)의 굴절률, nclad는 클래드의 굴절률을 나타낸다. 상기 굴절률 분포2는 상기 곡선 광도파로(151)에 외부 에너지가 인가되지 않아서 초기의 값을 그대로 유지하고 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 상기 굴절률 분포2에 따른 복사선2(154)는상기 광축(152)으로부터 xr2의 거리만큼 떨어져 있다. 한편, 상기 곡선 광도파로(151)에 외부 에너지가 인가된 경우에 상기 곡선 광도파로(151)는 도시된 굴절률 분포1을 가지게 된다. 이에 따른 복사선1(153)은 상기 광축(152)으로부터 xr1의 거리만큼 떨어져 있다. 상기 복사선2(153)가 상기 곡선 광도파로(151)의 굴절률이 변화함에 따라 상기 곡선 광도파로(151)의 곡률 중심 방향으로 축소되어 복사선1(154)로 된 것이다. 이러한 복사선 축소를 이용하여 상기 곡선 광도파로(151)로 진행하는 광신호를 감쇠시킨다. 즉, 상기 복사선1(153) 및 복사선2(154)의 사이에 위치하는 광신호의 모드 프로파일 부분이 손실되는 것이다.
이러한 광감쇠의 요인을 광신호의 모드 프로파일로써 설명하였으나, 좀 더 직관적으로 분석하는 방법도 있다. 곡선 광도파로 내에서 진행하는 광신호를 모드 프로파일이 아닌 광선 추적으로 분석할 수도 있다. 도 4에서, 곡선 광도파로(141)는 곡률 중심(C)에 가까운 내주선과 곡률 중심(C)에 먼 외주선으로 표현되어 있다. 또한, 상기 내주선과 외주선은 A 및 B를 포함하는 모드축(143)과 각각 만나고 있다. 상기 교차점들에서 각각 광축(142)과 동일한 각도를 이루는 광선들이 진행한다고 가정하자. 상기 내주선에서 출발한 광선이 외주선에 교차하는 점에서 상기 외주선의 접선과 이루는 각도는 초기 내주선에서 출발할 때 내주선의 접선과 이루는 각도보다 크다. 반면에, 상기 외주선에서 출발한 광선이 내주선에 교차하는 점에서 상기 내주선의 접선과 이루는 각도는 초기 외주선에서 출발할 때 외주선의 접선과 이루는 각도보다 작다. 즉, 초기에 두 광선들이 상기 광축(142)과 이루는 각도가상기 곡선 광도파로(141)의 임계각이라고 한다면, 상기 내주선에서 출발한 광선이 외주선과 교차할 때 상기 외주선의 법선과 이루는 각도는 상기 임계각보다 작아진다. 반면에, 상기 외주선에서 출발한 광선이 내주선과 교차할 때 상기 내주선의 법선과 이루는 각도는 상기 임계각보다 커진다. 즉, 상기 곡선 광도파로(141)와 클래드의 경계에서 임계각보다 작은 각도로 입사하는 광선은 전반사 조건을 만족하지 못하게 되므로, 이에 따른 손실을 겪게 되는 것이다. 그러나, 이러한 광신호의 반사에 의한 분석은 상기 외주선 또는 내주선을 따라 진행하는 소멸파를 고려하지 않는다는 문제점이 있으므로, 본 발명에서는 광신호의 모드 프로파일을 이용하여 설명하였다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기광학 가변 광감쇠기의 제작과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 6a는 실리콘 기판(161)을 준비하는 과정이다. 도 6b는 상기 실리콘 기판(161) 위에 SiO2절연체 박막(162)을 형성하는 과정이다. 상기 SiO2절연체 박막(162)은 증착 공정에 의하여 형성된다. 증착 공정은 통상적으로 하기한 바와 같다. 진공 챔버(chamber) 내에 기판을 설치하고, 상기 기판의 아래쪽에 증착 물질을 놓는다. 진공 펌프를 이용하여 상기 진공 챔버 내에 진공 상태를 조절하고, 상기 증착 물질을 녹이거나 또는 이온빔(ion beam)으로 때려서 상기 증착 물질을 기판쪽으로 올려 보낸다. 상기 기판에 증착되는 증착 물질을 모니터링(monitoring)하면서, 원하는 두께가 되면 증착 과정을 종료한다.
도 7a는 상기 SiO2절연체 박막(162) 위에 하부 전극으로 사용될 금속박막(163)을 형성하는 과정이다. 상기 금속 박막(163)의 재질로는 통상적으로 은을 사용하며, 상기 SiO2절연체 박막(162)의 경우와 동일하게 증착 과정에 의하여 형성된다.
도 7b는 상기 금속 박막(163) 위에 하부 클래드(164)를 형성하는 과정이며, 상기 클래드(164)는 이후 형성될 광도파로를 둘러싸서 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호가 전반사 조건을 만족하도록 굴절률이 조정된다. 도 8a는 상기 하부 클래드(164) 위에 광도파로(165)를 형성하는 과정이다. 상기 광도파로(165)는 우선 상기 하부 클래드(164) 위에 하나의 층을 형성한 다음, 상기 광도파로(165)의 패턴(pattern)을 가지는 마스크(mask) 등을 이용하여 상기 광도파로 이외의 영역을 건식 식각하여 형성된다. 상기 광도파로(165)의 굴절률은 상기 클래드(164)의 굴절률보다 높게 조정한다. 이는 공지된 사실로서, 광신호가 전파되는 광도파로(165)의 굴절률이 클래드(164)의 굴절률보다 높아야 전반사 조건을 만족할 수 있기 때문이다. 도 8b는 상기 광도파로(165) 및 하부 클래드(164)의 상부에 상부 클래드(166)를 형성하는 과정이다. 상기 상부 클래드(166)는 하부 클래드(164)와 동일한 재질로 형성된다. 특정한 목적을 이루기 위하여 상기 광도파로(165)를 둘러싸는 클래드(164 및 166)의 굴절률을 부분적으로 다르게 조정하는 경우가 있으나, 본 발명에서는 동일하게 조정하였다.
도 9a는 상부 클래드(166)의 위에 상기 광도파로(165)와 수직으로 정렬하여 전극(167)을 형성하는 과정이다. 상기 상부 전극(167)의 재질은 상기 하부전극(163)의 재질과 동일한 금으로 되어 있다. 도 9b는 전압원(168)을 이용하여 상기 상부 전극(167)과 하부 전극(163)에 일정 전압을 인가하는 과정이다. 상기 인가된 전압에 의하여 상기 광도파로(165) 내에는 수직 방향의 전계가 형성된다. 상기 전계는 상기 광도파로(165)의 굴절률을 변화시킨다.
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다. 기판 내에 광도파로(201)가 형성되어 있으며 상기 광도파로(201)를 둘러싸는 기판의 부분이 클래드(202)의 역할을 한다. 상기 광도파로(201)는 입력 광도파로, 제1 곡선 광도파로, 직선 광도파로 및 제2 곡선 광도파로 및 출력 광도파로를 구비한다. 상기 제1 곡선 광도파로의 상부에는 동일한 형태의 제1 상부전극(203), 상기 제2 곡선 광도파로의 상부에는 동일한 형태의 제2 상부 전극(204)이 형성되어 있다. 또한, 상기 광도파로(201)의 하부에는 접지와 연결된 하부 전극이 하나의 층으로 형성되어 있다. 상기 가변 광감쇠기에 일정 전압(V)이 인가된 경우, 광신호는 상기 입력 광도파로를 통해 제1곡선 광도파로로 진행하며 상기 제1곡선 광도파로를 진행하면서 감쇠된 광신호는 직선 광도파로로 입력된다. 상기 직선 광도파로로 입력된 광신호는 다시 제2 곡선 광도파로로 진행하며, 상기 제2 곡선 광도파로에서 감쇠된 광신호는 상기 출력 광도파로를 통하여 출력된다. 상기 각 곡선 광도파로에서의 광감쇠 과정은 도 2에 도시된 단일 곡선 광도파로에서의 광신호 감쇠 과정과 동일하다. 또한, 이러한 광감쇠 과정은 이미 상술되었으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다. 기판은 광도파로(211)와 상기 광도파로(211)를 제외한 클래드(212)로 구성된다. 상기 광도파로(211)를 구성하는 곡선 광도파로의 상부에 동일한 형태의 마이크로 히터(microheater, 213)가 형성되어 있다. 상기 광도파로(211)는 도 3에 도시된 바와 같이 입력 광도파로, 곡선 광도파로 및 출력 광도파로로 구성된다. 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기의 경우는 상기 곡선 광도파로 내에 전계를 형성하여 이에 비례하는 굴절률 변화를 유도하였으나, 상기 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기는 상기 곡선 광도파로에 열을 가하여 이에 따른 굴절률 변화를 유도한다. 즉, 상기 곡선 광도파로를 구성하는 매질은 온도 변화에 따라 굴절률이 변화되는 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 곡선 광도파로는 인가된 외부에너지에 따라 굴절률이 변화하며, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 곡선 광도파로의 복사선이 축소된다. 이에 따라, 상기 곡선 광도파로 내로 진행하는 광신호는 클래드로 계속적으로 복사된다. 상기 곡선 광도파로의 상부에는 동일한 형태의 마이크로 히터(213)가 형성되어 있다. 상기 마이크로 히터(213)의 양단과 연결된 전류원(214)은 상기 마이크로 히터(213)에 일정 전류를 인가한다. 상기 마이크로 히터(921)는 인가된 전류에 비례하여 열을 발생하게 되므로, 상기 마이크로히터(213)의 하부에 위치한 곡선 광도파로는 이러한 외부 에너지에 따라 굴절률이 변화된다. 이러한 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기는 전기광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기에 비하여 하부 전극이 필요치 않으므로 그 구성이 간단해진다는 이점이 있다.
도 12는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 열광학 효과를 이용한 가변 광감쇠기를 나타내는 도면이다. 기판 내에 광도파로(221)가 형성되어 있으며 상기 광도파로(221)를 둘러싸는 기판의 부분이 클래드(222)의 역할을 한다. 상기 광도파로(221)는 입력 광도파로, 제1곡선 광도파로, 직선 광도파로 및 제2 곡선 광도파로 및 출력 광도파로로 구성된다. 상기 제1 곡선 광도파로의 상부에는 동일한 형태의 제1 마이크로 히터(223), 상기 제2 곡선 광도파로의 상부에는 동일한 형태의 제2 마이크로 히터(224)가 형성되어 있다. 상기 두 마이크로 히터들(223 및 224)에 각각 일정 전류(V)가 인가된 경우, 광신호는 상기 입력 광도파로를 통해 제1 곡선 광도파로로 진행하며 상기 제1 곡선 광도파로를 진행하면서 감쇠된 광신호는 직선 광도파로로 입력된다. 상기 직선 광도파로로 입력된 광신호는 다시 제2 곡선 광도파로로 진행하며, 상기 제2 곡선 광도파로에서 감쇠된 광신호는 상기 출력 광도파로를 통하여 출력된다. 상기 각 곡선 광도파로에서의 광감쇠 과정은 도 11에 도시된 단일 곡선 광도파로에서의 광신호 감쇠 과정과 동일하다. 또한, 이러한 광감쇠 과정은 이미 상술되었으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 13은 본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 굴절률 변화에 따른 소멸비를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 전기광학 가변 광감쇠기나 열광학 가변 광감쇠기는그 효과가 유사하게 나타나며, 이에 따라 도시된 그래프는 굴절률 변화폭에 따른 출력을 나타내었다. 상기 출력은 도 3b에 도시된 모드 프로파일에서 모드폭 전체에 대한 광세기의 적분을 말하는 것으로, 광감쇠 전의 중첩적분(overlap integral) 값을 1로 설정하였다. 또한, 본 발명에 따른 하나의 곡선 광도파로를 포함하는 단일형 가변 광감쇠기와 일렬로 연결된 두 곡선 광도파로를 포함하는 복수형 가변 광감쇠기를 종래의 차단형 광감쇠기와 수치 비교하였다. 실험 조건으로는, 광도파로의 굴절률이 1.505, 클래드의 굴절률이 1.5, 광도파로의 폭 및 길이는 모두 5㎛이며, 입력된 광신호는 1.55㎛의 파장을 가진다. 또한, 본 발명에 따른 곡선 광도파로의 반지름은 50㎜이다. 도시된 바와 같이, 굴절률 변화폭이 0.003인 경우에 차단형 광감쇠기는 1.25dB 정도의 광감쇠를 나타내고 본 발명에 따른 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 (22)

  1. 입력된 광신호의 전송 경로가 되는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며, 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키기 위한 가변 광감쇠기에 있어서, 상기 광도파로는,
    전기광학적 또는 열광학적 특성을 가지며, 외부 에너지의 공급 정도에 따라 굴절률이 변화하고, 소정의 곡선으로 정의되는 곡선 광도파로를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 에너지는 전기 에너지 또는 열 에너지임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 곡선 광도파로는 원호 광도파로임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  4. 전기광학적 특성을 가지는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키는 가변 광감쇠기에 있어서,
    입력 광도파로;
    상기 입력 광도파로의 출력측 일단과 연결되는 곡선 광도파로;
    상기 곡선 광도파로의 상부에 형성되는 상부 전극;
    상기 상부 전극에 전압을 인가하는 전압원;
    상기 곡선 광도파로의 하부에 위치하는 하부 전극; 및
    상기 곡선 광도파로의 출력측 일단과 연결되는 출력 광도파로를 포함함을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 곡선 광도파로는 원호 광도파로임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 곡선 광도파로는 일렬로 연결된 다수의 원호 광도파로들을 포함함을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 강유전체임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 강유전체는 LiNbO3또는 LiTaO3임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 화합물 반도체는 GaAs 또는 InP임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 폴링된 폴리머임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 입력 광도파로 또는 출력 광도파로와 연결되는 곡선 광도파로의 일단은 곡률 정합이 되어있음을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  13. 열광학적 특성을 가지는 광도파로 및 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하며 상기 광도파로 내로 진행하는 광신호를 감쇠시키는 가변 광감쇠기에 있어서,
    입력 광도파로;
    상기 입력 광도파로의 출력측 일단과 연결되는 곡선 광도파로;
    상기 곡선 광도파로의 상부에 형성된 마이크로 히터;
    상기 마이크로 히터에 전류를 인가하는 전류원; 및
    상기 곡선 광도파로의 출력측 일단과 연결되는 출력 광도파로를 포함함을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 곡선 광도파로는 원호 광도파로임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 곡선 광도파로는 일렬로 연결된 다수의 원호 광도파로들을 포함함을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 강유전체임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 강유전체는 LiNbO3또는 LiTaO3임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족의 화합물 반도체임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 화합물 반도체는 GaAs 또는 InP임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 실리카임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 광도파로의 재질은 폴리머임을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 입력 광도파로 또는 출력 광도파로와 연결되는 곡선 광도파로의 일단은 곡률 정합이 되어있음을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
KR1019990055706A 1999-12-08 1999-12-08 가변 광감쇠기 KR100342499B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019990055706A KR100342499B1 (ko) 1999-12-08 1999-12-08 가변 광감쇠기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019990055706A KR100342499B1 (ko) 1999-12-08 1999-12-08 가변 광감쇠기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010054751A KR20010054751A (ko) 2001-07-02
KR100342499B1 true KR100342499B1 (ko) 2002-06-28

Family

ID=19624178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019990055706A KR100342499B1 (ko) 1999-12-08 1999-12-08 가변 광감쇠기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100342499B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100839268B1 (ko) * 2002-03-06 2008-06-17 엘지전자 주식회사 다중 모드 간섭을 이용한 가변 광감쇄기

Also Published As

Publication number Publication date
KR20010054751A (ko) 2001-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7310453B2 (en) Optical modulator
US7386198B2 (en) Optical waveguide device
US7224881B2 (en) Variable optical attenuator
US6303040B1 (en) Method of fabricating thermooptic tunable wavelength filter
US10598857B2 (en) Techniques for reducing polarization, wavelength and temperature dependent loss, and wavelength passband width in fiberoptic components
US20030156813A1 (en) Optical wave guide, an optical component and an optical switch
US4983006A (en) Polarization-independent optical waveguide switch
US6498877B1 (en) Tunable optical fiber bragg and long period grating
US8280218B2 (en) Optical attenuator
KR100342499B1 (ko) 가변 광감쇠기
JPH09218317A (ja) テーパ導波路およびそれを用いた光導波路素子
US20030016937A1 (en) Variable optic attenuator by waveguide bend loss
KR100342488B1 (ko) 가변 광감쇠기
US6917748B2 (en) Variable optical attenuator on an electro-optical layer
US7043132B2 (en) Variable optical attenuator having a waveguide and an optically coupled layer with a power monitor
KR100281552B1 (ko) 열광학 효과를 이용한 집적광학형 가변 광감쇄기
JP3283772B2 (ja) 導波路型可変光減衰器
US20040001687A1 (en) Optical attenuator using a preturbation element with a multi-mode waveguide
JP3247819B2 (ja) アレイ格子型光合分波器
KR100400890B1 (ko) 인-라인형 가변 광 감쇠기 및 그 제조 방법
KR101423978B1 (ko) 열광학 가변 광감쇄기
KR100237187B1 (ko) 편광 독립 가변 광 감쇄기
EP1333312A1 (en) Optical waveguide structure
JPH09211241A (ja) 光遅延等化装置
JPH11352343A (ja) アレイ導波路格子

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130530

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140529

Year of fee payment: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150605

Year of fee payment: 14

LAPS Lapse due to unpaid annual fee