KR100358181B1 - 열광학 가변 광감쇄기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 선형성과 밀리초 단위의 동작속도, 편광독립, 35 dB 이상의 감쇄영역을 얻을 수 있고 집적광회로에 적용하는데 적합한 열광학 가변광쇄기에 관한 것으로, 단일모드 채널광도파로, 상기 채널광도파로에 접속되며 두 개의 대칭형 Y-분기로 구성된 마하-젠더 간섭계 광도파로, 및 상기 마하-젠더 간섭계 광도파로 상부에 대칭적으로 위치하여 상기 각 대칭형 Y-분기의 일측에 열을 인가하는 두 개의 금속열선을 포함하여 이루어지며, 상기 금속열선에 인가된 전력에 의해 상기 각 대칭형 Y-분기의 굴절율을 변화시킨다.

Description

열광학 가변 광감쇄기{THERMO-OPTIC TUNABLE OPTICAL ATTENUATOR}

본 발명은 집적광학(Intergrated optics) 기술에 관한 것으로, 특히 입력 전기 신호에 대해 넓은 범위의 광감쇄 영역 및 선형적 동작 특성과 편광 독립 특성을 가지고 밀리초 단위의 속도로 동작가능한 열광학 가변 광감쇄기(Thermo-optic tunable attenuator)에 관한 것이다.

일반적으로 광감쇄기는 입력광 신호의 세기를 감쇄시켜주는 역할을 하며, 가변 광감쇄기는 전기적 또는 기계적인 방법으로 광신호의 감쇄 정도를 외부에서 조절해 줄 수 있는 광감쇄기를 말한다.

통상의 가변 광감쇄기는 광학-기계(Opto-Mechanical)적 광감쇄기, 미소 전기기계시스템(Micro Electro Mechanical System; MEMS)을 이용한 광감쇄기, 열광학 광도파로형 광감쇄기 등이 알려져 있다.

광학-기계적 광감쇄기는 두 개의 광섬유(Optical fiber)를 좁은 간격으로 이격시키고 그 사이에 가변흡수필터(Variable Absorption Filter)나 차폐막을 기계적으로 움직여 빛의 일부를 흡수 또는 차단하는 방법을 사용하거나 측면이 연마된 두개의 광섬유를 나란히 정렬하고 광섬유 사이의 간격을 조절함으로써 투과되는 빛의 세기를 변화시키는 방법을 사용한다. 그러나, 이러한 광학-기계적 광감쇄기는 광감쇄 범위가 50dB 이상이며 삽입손실(Insertion loss)이 작고 0.1dB의 선형성을 갖는 등 매우 좋은 특성을 가지고 있지만, 소자의 부피가 크고 동작 속도가 초단위로 느린 단점이 있다.

미소전기기계시스템(MEMS)으로 제작된 광감쇄기는 광학-기계적 광감쇄기의 우수한 동작 특성을 공유하면서 동시에 동작 속도가 마이크로초 단위로 매우 빠르고 동작전력이 작다. 그러나, 다른 광도파로 소자와의 집적이 어려운 것이 단점이다.

열광학 가변 광감쇄기는 열광학 광변조기(Thermo-optic modulator)나 열광학 스위치(Thermo-optic switch)의 동작 특성을 이용하여 구현되고 집적 광회로에 사용 가능하다. 지금까지 실리카(Silica)나 폴리머(Polymer)를 이용한 열광학 가변 광감쇄기가 발표되었으며, 밀리초의 동작속도, 편광무의존성(Polarization independence), 수백 mW 이하의 전력으로 광감쇄도를 정밀하게 조절할 수 있는 기능을 나타내고 있다.

특히, 비대칭 Y-분기 광스위치를 이용한 광감쇄기는 광학-기계적 광감쇄기나 미소전기기계시스템 광감쇄기와 같이 외부 구동신호에 따라 광감쇄도가 지속적으로 감소하여 포화상태(Saturation)에 이르는 유사 디지털 동작 특성(Digital-like operational characteristic)을 보이고, 광감쇄 범위를 30dB 이상으로 넓게 할 수 있으며 제작 공정상의 허용 오차를 크게 하여 제작을 보다 용이하게 할 수 있는 등 여러 장점을 가지고 있어 최근에 활발한 연구가 진행되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 열광학 소자를 이용한 가변 광감쇄기를 도시한 도면으로서, 비대칭의 Y자형 분기 도파로(11)와 전력인가를 위한 구동전극(12)으로 이루어진 광변조부, 광변조부로부터의 감쇠 출력을 전달하는 주출력 포트(13), 주출력 포트(13)의 일부를 추출하여 모니터하는 모니터포트(14), Y자형 분기 도파로(11)에서 곡선 형태로 분리되어 입력광파워 중 일부를 제거하는 더미 드레인 포트(15)로 구성된다[Sang-shin Lee, et.al, Polymeric Tunable OpticalAttenuator with an Optical Monitoring Tap for WDM Transmission Network, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.11, No.5, p590, May 1999 참조].

상기와 같이 구성된 종래기술의 광감쇄기는 1개의 비대칭 Y분기(11)와 구동전극(12)으로 구성되어 있고, 모드진화 원리로 인가전력에 따라 출력의 세기가 감소하며 출력광의 일부를 피드백시켜 출력을 안정화시킨다.

그러나, 종래기술의 열광학 가변 광감쇄기는 외부 인가전력에 대한 광감쇄도의 변화가 비선형적임으로 말미암아 초기 광감쇄도의 변화에 상대적으로 많은 전력이 소모되어 에너지 효율성이 크게 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 외부 인가전력에 대한 광감쇄도의 변화가 비선형적임에 따른 많은 전력 소모를 방지하여 높은 선형성, 35dB 이상의 광감쇄영역, 밀리초의 동작속도, 편광독립 및 집적광회로에 사용할 수 있는데 적합한 열광학 가변 광감쇄기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래기술에 따른 열광학 가변 광감쇄기의 구조도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열광학 가변 광감쇄기의 구조도,

도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 구조 단면도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열광학 가변 광감쇄기의 인가 전력에 대한 광감쇄도 특성을 나타낸 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20a, 20b : 단일모드 채널광도파로 21a, 21b : 대칭형 Y-분기

21 : 마하-젠더 간섭계 광도파로 30a, 30b : 금속열선

41 : 제 1 금전극 42a, 42b : 제 2 금전극

43a, 43b : 전극패드

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열광학 가변 광감쇄기는 단일모드 채널광도파로, 상기 채널광도파로에 접속되며 두 개의 대칭형 Y-분기로 구성된 마하-젠더 간섭계 광도파로, 및 상기 마하-젠더 간섭계 광도파로 상부에 대칭적으로위치하여 상기 각 대칭형 Y-분기의 일측에 열을 인가하는 두 개의 금속열선을 포함하여 이루어지며, 상기 금속열선에 인가된 전력에 의해 상기 각 대칭형 Y-분기의 굴절율을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 두 개의 금속열선을 직렬 접속시키는 제 1 금전극과 상기 두 개의 금속열선에 각각 접속되어 전력을 공급하는 제 2 금전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열광학 가변 광감쇄기를 도시한 도면으로서, 마하-젠더 간섭계 구조의 광도파로와 금속열선을 구비한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열광학 가변 광감쇄기는 광섬유로부터 입사되는 신호를 단일모드로 결합시키는 두 개의 단일모드 채널광도파로(20a, 20b), 단일모드 채널광도파로(20a, 20b)로부터 출력되는 신호를 두 개의 광으로 분기시키는 두 개의 대칭형 Y-분기(21a, 21b)를 포함하는 마하-젠더 간섭계 구조의 광도파로(21), 각 대칭형 Y-분기(21a, 21b)의 일측 마하-젠더 간섭계 구조의 광도파로(21) 상에 위치하여 광도파로(21)의 굴절율을 변화시키는 두 개의 금속열선(30a, 30b), 마하-젠더 간섭계 구조의 광도파로(21)의 중앙 부분에서 두 금속열선(30a, 30b)을 직렬 접속시켜 전력을 공급하는 제 1 금전극(41), 금속열선(30a,30b)에 각각 접속되어 전력을 공급하는 제 2 금전극(42a, 42b) 및 전극패드(43a,43b)로 이루어진다.

이 때, 대칭형 Y분기(21a, 21b)의 분리각(22)은 0.05°∼0.5°이고, 마하-젠더 간섭계 구조의 광도파로(21) 중 두 대칭형 Y분기(21a, 21b)를 연결하는 전이영역의 길이는 10㎛∼50㎛로 하고, 마하-젠더 간섭계 구조의 광도파로(21)의 중앙부분에서의 두 Y 분기(21a, 21b) 사이의 도파로 간격을 15㎛∼30㎛로 한다.

그리고, 두 대칭형 Y분기(21a, 21b)를 연결하는 전이영역의 길이는 제 1 금전극(41)의 폭보다 크며, 그 길이를 너무 길게 하면 두 도파로간 위상차가 발생할 우려가 있으므로 적절한 길이로 설정된다.

한편, 두 대칭형 Y분기(21a, 21b) 사이의 간격을 좁게 하면 두 도파로간 빛의 상호간섭이 발생될 가능성이 크고, 간격을 넓게 하면 전체적인 소자의 길이가 길어지게 되므로, 적절한 간격을 유지시킨다.

그리고, 각 Y분기(21a, 21b)의 일측 광도파로상에 형성되는 두 개의 금속열선(30a, 30b)은 두 열선의 위치가 서로 대칭적인 위치에 있으며, 단일모드 채널광도파로(20a, 20b)는 광입력단과 광출력단에 접속된다.

도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 열광학 가변 광감쇄기의 구조 단면도로서, 반도체기판(100)상에 클래딩층(110)이 형성되고, 클래딩층(110) 사이에 마하-젠더 간섭계 구조의 광도파로(21)가 형성되며, 클래딩층(110)상에 열을 인가하기 위한 금속열선(30a, 30b)이 형성된다. 이 때, 금속열선(30a, 30b)은 전기도금법(Gold plating)으로 0.3㎛∼1㎛ 두께의 금전극을 입힘으로써 형성하며, 마하-젠더 간섭계 광도파로(21)는 스핀코팅법(Spin coating)으로 형성된 폴리머다층박막을 반응성 이온 식각(Reactive Ion Eethcing; RIE)하여 형성한다.

금속열선(30a, 30b)에 전력을 공급하는 제 1 , 2 금전극(41,42a, 42b) 및 전극패드(43a,43b)는 금속열선(30a, 30b)과 동일하게 전기도금법을 사용하여 3㎛ 이상의 두께로 형성한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열광학 가변 광감쇄기는 대칭형 Y-분기(21a, 21b)에서의 모드진화(Mode evolution)를 이용한 것으로, 모드진화란 일측 도파로에 열을 가하여 온도를 높임으로써 타측 도파로와의 굴절율(Refractive index)차를 유도하고 이 때 굴절율이 큰 쪽으로 빛이 진행해 나가는 원리를 일컫는다.

다시 말하면, 두 대칭형 Y-분기(21a, 21b)에 전압이 인가되지 않을 경우, 입사되는 빛은 정확히 둘로 나뉘어 출력되지만, 금속열선(30a, 30b) 중 어느 하나에 인가되는 전력에 의해 금속열선(30a, 30b)의 온도를 높이므로서 금속열선(30a, 30b) 중 어느 하나에 위치하는 광도파로(21)의 굴절율이 낮아진다. 이처럼 굴절율이 낮아지면, 상대적으로 굴절율이 커진 반대측 광도파로를 통해 빛이 출력된다.

이와 같이, 온도차가 커질수록 굴절율이 작은 도파로를 통과하는 빛의 세기가 지속적으로 감소하며 모드진화 원리가 붕괴하는 온도에 이를 때, 포화상태로 접근하는 동작특성을 보인다.

두 개의 대칭형 Y-분기(21a, 21b)를 연속적으로 연결하면 인가전력에 따라 광감쇄도가 선형적으로 감소하는 동작 특성의 광감쇄기를 구현할 수 있다.

도 4는 상기 구조의 열광학 광감쇄기에서 인가 전력에 따른 광감쇄도의 변화를 전산모사(Simulation)를 통해 계산한 결과로서, 이러한 계산을 위한 변수로는 Y-분기의 분리각(Splitting angle)이 0.1°, 광도파로(21)와 클래딩층(110) 사이의 굴절율 차가 0.6%, 물질의 열광학 계수(Thermo optic coefficient)가 -0.00012K^-1, 그리고 마하-젠더 간섭계의 중앙 부분에서 두 도파로의 간격은 20㎛로 설정하였다.

도 4에 도시된 것처럼, 전산모사 결과, 광감쇄기의 동작영역은 35 dB 이고 2dB∼35dB 구간에서 인가전력이 증가할수록 광감쇄도가 선형적으로 변화하고 있음을 알 수 있다. 한편, 대칭형 Y-분기의 분리각 및 마하-젠더 간섭계의 중앙 부분에서 두 도파로의 간격을 최적화함으로써 35dB 이상의 광감쇄도를 얻을 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 열광학 가변 광감쇄기는 35 dB 이상의 넓은 광감쇄 영역을 가지고, 인가 전력에 대한 광감쇄도의 변화가 선형적이므로 에너지 효율성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 광감쇄기의 밀리초 단위의 동작속도를 확보하고, 독립적인 편광특성을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 열광학 가변 광감쇄기에 있어서,

   단일모드 채널광도파로;

   상기 채널광도파로에 접속되며 두 개의 대칭형 Y-분기로 구성된 마하-젠더 간섭계 광도파로; 및

   상기 마하-젠더 간섭계 광도파로 상부에 대칭적으로 위치하여 상기 각 대칭형 Y-분기의 일측에 열을 인가하는 두 개의 금속열선을 포함하여 이루어지며,

   상기 금속열선에 인가된 전력에 의해 상기 각 대칭형 Y-분기의 굴절율을 변화시키는 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광감쇄기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 개의 대칭형 Y-분기는 각각 그 분리각이 0.05°∼0.5°인 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광감쇄기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 개의 대칭형 Y-분기를 연결하는 전이영역의 길이는 10㎛∼50㎛로 하고, 상기 마하-젠더 간섭계 광도파로의 중앙부분에서의 상기 대칭형 Y분기 사이의도파로 간격은 15㎛∼30㎛인 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광감쇄기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 개의 금속열선은 동일한 길이와 두께, 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광감쇄기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 개의 금속열선을 직렬 접속시키는 제 1 금전극과 상기 두 개의 금속열선에 각각 접속되어 전력을 공급하는 제 2 금전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광감쇄기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 개의 금속열선은 전기도금법으로 금을 입혀 형성되며, 0.3㎛∼1㎛ 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광감쇄기.