KR100346777B1 - 위상-고리형광도파로를이용한광공진기필터구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장분할 다중화 통신방식을 위한 위상-고리형 광도파로를 이용한 광 공진기 필터구조에 관한 것이다. 그 구조는, 입력단 광도파로와, 이와 이웃하는 위상-고리형 광도파로, 그리고 이 광도파로와 이웃하는 출력단 광도파로로 구성된다. 그 위상-고리형 광도파로 구조는, 두 개의 반-고리형(half-ring) 광도파로 사이에 광의 진행 경로차에 의한 위상-부정합을 이용할 수 있는 코사인-곡선형 광도파로 구역을 갖는 형태이다. 파장 다중화된 신호광이 입력단 광도파로 내부로 입사되면 이웃하는 위상-고리형 광도파로의 공진 특성을 만족하는 특정 파장의 신호광만 선택되어 위상-고리형 광도파로 내부로 전달된다. 입력단 광도파로에서 위상-고리형 광도파로 내부로 전달되는 파워 비율을 나타내는 결합 계수는, 코사인-곡선형 광도파로 구역의 구조 변경에 의한 위상-부정합 현상 때문에 변화한다. 이렇게 결정된 결합 계수로부터 공진기의 Q(=λ/Δλ) 값을 계산할 수 있다. 그러므로 입력단/출력단 광도파로와 위상-고리형 광도파로 사이의 거리를 고정하는 경우에도 코사인-곡선 광도파로 구역의 구조를 조정하여 공진기의 공진 특성 효율을 조정할 수 있다.

Description

위상-고리형 광도파로를 이용한 광공진기 필터구조
본 발명은 광도파로를 이용한 근거리 광신호처리 또는 광섬유를 이용한 원거리 광통신 등에서 신호의 전송량을 증가하기 위하여 사용하는 파장분할다중화 (wavelength division multiplexing: WDM) 통신 방식에서 특정 파장을 선택적으로 검출하는 광도파로 공진기 필터구조에 관한 것으로서, 특히 위상-고리형 광도파로를 이용하여 공진기의 공진 특성을 향상시키기 위한 위상-고리형 광도파로를 이용한 광공진기 구조에 관한 것이다.
현재 가장 보편적으로 알려진 광공진 구조는 패브리-페롯 에탈론 (Fabry-Perot etalon) 공진 구조이다. 패브리-페롯 에탈론은 두 개의 거울층을 이용한 공진기로서, 광도파로나 광섬유 등과 집적하는 방법이 쉽지 않다는 단점이 있다. 그래서, 광도파로 구조 위에 격자 구조(grating structure)가 있는 광공진 구조로 발전했다.
그러나, 광도파로 격자 구조를 이용한 광도파로 광공진기는 제작이 쉽지 않고 격자 구조로 인하여 발생하는 방사 손실(radiation loss)이 크다. 그래서 최근들어 고리형 광도파로를 이용한 광도파로 공진 구조에 대한 연구가 많은 관심을 받고 있다.
고리형 광도파로를 이용한 공진 구조는 광도파로와 광섬유 등과의 집적이 쉽고 격자 구조를 사용하지 않기 때문에 방사 손실도 거의 없다는 장점이 있다. 그리고 고리형 광도파로 공진기는 파장 선택성 정도를 나타내는 Q (=λ/Δλ) 값이 높고, 또한 신호 전송의 채널 용량을 나타내는 자유 스펙트럼 범위(free-spectral range; FSR)가 매우 넓게 설계될 수 있다.
일반적인 고리형 광도파로 구조는, 미국 특허 제 4,720,160 호(1988.1.19; 발명자 Hicks)와 같이 입력단 광도파로와 출력단 광도파로 사이에 고리형 광도파로를 두는 형태로 되어 있다. 그러나, 이러한 구조는 공진기의 Q 값을 조정하고자 하는 경우에 고리형 광도파로 구조와 직선형 입력단 및 출력단 광도파로 사이의 거리를 조정하여야 하는데, 100 nm 이하의 매우 정밀한 변화를 요구하므로 제작하기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는, 광집적회로망 및 광통신 시스템을 구현하는 데 있어서 광도파로 및 광섬유와의 집적이 쉽고, 방사 손실이 거의 없으며, 입력단 및 출력단 광도파로와 위상-고리형 광도파로 사이의 거리를 고정하는 경우에도 코사인-곡선 광도파로 구역의 구조를 조정하여 공진 특성 효율을 선택할 수 있으므로 제작하는 측면에서 매우 효율적이도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 광도파로 공진기필터구조에 있어서, 파장 다중화된 신호광이 입사되는 직선형 입력단 광도파로와; 상기 입력단 광도파로의 평행하고 검출된 특정 파장의 신호광의 출사되는 직선형 출력단 광도파로; 및 상기 입력단 및 출력단 광도파로 사이에 위치해서, 두 개의 반-고리형(half-ring) 광도파로의 그 사이에 광의 진행 경로차에 의한 위상-부정합(phase-mismatch)을 이용할 수 있는 코사인-곡선형(cosine-curve) 광도파로 구역(w)으로 구성되어 특정 파장의 신호광만을 공진 및 검출하여 상기 출력단 광도파로에 출사하는 위상-고리형 광도파로 구성된 것이다.
도 1은 본 발명의 위상-고리형 광도파로 구조를 이용한 공진기 구조도,
도 2는 코사인-곡선 구역의 넓이에 따른 위상-고리형 공진기의 결합 계수의 특성을 나타낸 곡선도,
도 3은 코사인-곡선 구역의 넓이에 따른 위상-고리형 공진기 구조의 파장 특성(투과율)을 나타낸 시뮬레이션 결과도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 입력단 광도파로(Input optical waveguide)
20 : 위상-고리형 광도파로(Phase-ring optical waveguide)
30 : 출력단 광도파로(Output optical waveguide)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
파장분할다중방식(WDM)(또는 파장분할 역다중화방식; WDDM)의 광전송 시스템에서 적용되는 본 발명의 위상-고리형 광도파로를 이용한 광공진기 필터구조는, 도 1에 도시된 바와 같이, 파장 다중화된 신호광이 입사되는 직선형 입력단 광도파로(10)와, 상기 입력단 광도파로(10)와 평행하고 검출된 특정 파장의 신호광이 출사되는 직선형 출력단 광도파로(30)와, 상기 입력단 및 출력단 광도파로(10, 30) 사이에 위치해서 그 광도파로들 사이의 거리를 고정하고도 특정 파장을 공진하여 검출하여 상기 출력단 광도파로(30)에 출사하는 위상-고리형 광도파로(20)로 구성된다.
상기에서, 위상-고리형 광도파로(20) 구조는, 두 개의 반-고리형(half-ring) 광도파로 사이에 광의 진행 경로차에 의한 위상-부정합(phase-mismatch)을 이용할 수 있는 코사인-곡선형(cosine-curve) 광도파로 구역(w)을 두는 형태이다. 또 다른 위상-고리형 광도파로(20) 구조로는, 코사인-곡선형 광도파로 구조와 다른 형태인 가우시안 형태의 광도파로 또는 반원 형태의 광도파로로 구성할 수가 있다.
그리고 상기 위상-부정합 효과를 일으키는 광도파로 구조로서, 위와 같이 코사인-곡선형(cosine-curve) 광도파로 구조와 이와 같은 원리로 위상-부정합 효과를 일으키는 여러가지 다양한 광도파로 구조를 만들 수가 있다.
이와 같은 구성에 의해 위상-고리형 광도파로를 이용한 광공진기의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 파장 다중화된 신호광이 입력단 광도파로(10) 내부로 입사되면, 입력단 광도파로 내부를 진행하는 파장다중화된 신호광 중에서 이웃하는 위상-고리형 광도파로(20)의 공진 조건을 만족하는 파장에 대응하는 신호광의 에너지가 이웃하는 위상-고리형 광도파로(20) 내부로 전달된다. 이렇게 위상-고리형 광도파로(20) 내부로 전달된 신호광은 순차적으로 출력단 광도파로(30) 내부로 전달되어 출사된다.
상기에서 파장 다중화된 신호광이 입력단 광도파로(10) 내부로 입사되면, 이웃하는 위상-고리형 광도파로(20)의 공진 특성을 만족하는 특정 파장의 신호광만 선택되어 위상-고리형 광도파로(20) 내부로 전달된다.
이때, 입력단 광도파로(10)에서 위상-고리형 광도파로(20) 내부로 전달되는 파워 비율을 나타내는 결합 계수(coupling coefficient)는 코사인-곡선형 광도파로 구역의 구조에 의하여 결정된다. 이렇게 결정된 결합 계수로부터 공진기의 Q(=λ/Δλ)값이 구해 진다.
그러므로, 입력단/출력단 광도파로(10, 30)와 위상-고리형 광도파로(20) 사이의 거리를 고정하는 경우에도 코사인-곡선 광도파로 구역의 구조를 조정함으로써 공진기의 공진 특성 효율을 선택할 수 있다.
즉, 상기 도 1의 위상-고리형 광도파로(20) 구조에서 두 개의 반-고리형 구조의 반지름은 R이고 두 개의 반-고리형 구조 사이에 있는 코사인-곡선 구역의 넓이는 w, 높이는A라고 둔다. 그래서, 위상-고리형 광도파로의 물리적인 경로 길이L은 아래 수학식 1과 같다.
여기서, E(m)은 타원함수(elliptic function)로서, m은이다. 그래서, 공진 파장 λR은 아래 수학식 2에 의해 계산된다.
여기서,K는 임의의 정수이고,는 위상-고리형 광도파로에서의 유효 굴절률(refractive index)이다.
시뮬레이션에 사용된 구조의 변수는 다음과 같다.
광도파로 구조를 구성하는 매질의 굴절률은 nr=nw=3.3, no=1.0 이고, 광도파로의 폭은 dr=dw= 0.2 ㎛이고, 입력단 및 출력단 광도파로(10, 30)와 위상-고리형 광도파로(20) 사이의 간격은g= 0.15 ㎛이다. 그리고 코사인-곡선 구역의 높이는 A=0.5 ㎛이고, 위상-고리형 광도파로의 물리적 경로 길이는L= 17.58 ㎛으로 고정하였다.
도 2는 상기한 코사인-곡선 구역의 넓이를 w = 2.5 ㎛, 3.0 ㎛, 3.5㎛ , 0.0㎛ 와 같이 두는 경우에 위상-고리형 공진기의 결합 계수(coupling coefficient)에 대한 특성 곡선을 나타낸 것이다. 여기서, 위상-고리형 광도파로(20)의 물리적 길이L은 반-고리형 구조의 반지름(R)을 조정하므로써L= 17.58 ㎛으로 고정하였다. 결합 계수 k는, 입력단 광도파로(10)에서 위상-고리형 광도파로(20) 내부로 전달되는 파워의 비율로 정의된다.
도 2에서 코사인-곡선 구역의 넓이가 w=0.0 ㎛인 경우는 전형적인 고리형 공진기와 같은 형태로써, 결합계수 k는 파장이 증가함에 따라 비례적으로 증가한다. 그러나, 본 발명에서와 같은 위상-고리형 공진기 구조에서는 위상-부정합 조건에 대응하는 파장에서는 결합계수가 10-4정도의 매우 작은 값을 가짐을 알 수 있다. 위상-부정합 조건을 만족하는 파장은, 코사인-곡선의 넓이를 변화함으로써 선택할 수 있다.
또한, 고리형 공진기 구조에서는 매우 작은 k 값은 공진기의 Q값을 높이는 데 매우 중요한 역할을 한다. 도 3은 코사인-곡선 구역의 넓이를 w = 2.5㎛, 3.0 ㎛, 3.5 ㎛, 0.0 ㎛와 같이 두는 경우에 본 발명의 위상-고리형 공진기 구조의 파장 특성(투과율)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
위상-고리형 공진기는 위상-부정합 파장 구간에서의 작은 결합 효율 (coupling efficiency)때문에 높은 Q 값과 많은 신호-제거 특성을 보여 준다.
도 3에서 코사인-곡선 구역의 넓이가 w = 0.0 ㎛인 경우에 측정된 Q 값은 223 정도이고, w = 3.0㎛ 에서 Q 값은 447 정도이고, w = 3.5㎛에서 Q 값은 851 정도이다. 여기서 최대 투과율에 대응하는 파장 위치는 구부러진 광도파로에서 발생하는 유효 굴절율의 변화 효과에 의해서 조금씩 이동한다.
이와 같은 본 발명은 파장분할역다중화(wavelength division demultiplexing : WDDM) 시스템을 설계하는 데 있어서 매우 효과적으로 사용될 수 있다.
이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과들을 갖는다.
첫째로, 집적광 회로망 및 광통신 시스템을 구현하는 데 있어서 광도파로 및 광섬유와의 집적이 쉽다.
둘째로, 방사 손실이 거의 발생하지 않으므로 이론적인 공진 특성의 효율이 100 % 정도 된다.
세째로, 입력단 및 출력단 광도파로와 위상-고리형 광도파로 사이의 거리를 고정하는 경우에도 코사인-곡선 광도파로 구역의 넓이에 대하여 500 nm 이상의 넓은 범위를 조정함으로써 공진기의 공진 특성 효율을 선택할 수 있으므로 제작하는 측면에서 매우 효율적이다.

Claims (3)

  1. 광도파로 공진기 필터구조에 있어서,
    파장 다중화된 신호광이 입사되는 직선형 입력단 광 도파로;
    상기 입력단 광도파로와 평행하고 검출된 특정 파장의 신호광이 출사되는 직선형 출력단 광 도파로; 및
    상기 입력단 및 출력단 광도파로 사이에 위치해서, 두 개의 반-고리형 광도파로와 그 사이에 광의 진행 경로차에 의한 위상-부정합을 이용할 수 있는 코사인-곡선형 광도파로 구역으로 구성되어 특정 파장의 신호광만을 공진 및 검출하여 상기 출력단 광도파로에 출사하는 위상-고리형 광도파로로 구성된 것을 특징으로 하는 위상-고리형 광도파로를 이용한 광공진기 필터구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상-고리형 광도파로는, 상기 코사인-곡선형 광도파 구역을 증가시켜서 공진기의 공진 특성효율을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 위상-고리형 광도파로를 이용한 광공진기 필터구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상-고리형 광도파로는, 가우시안 형태 또는 반원 형태의 곡선형 광도파로 구조로 구성할 수 있는 것을 특징으로 하는 위상-고리형 광도파로를 이용한광공진기 필터구조.
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