KR100380956B1 - 손실 균등 분배 함수를 이용한 광모드 변환기의 최적화설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 설정된 손실에 따른 손실 균등 분배(single step loss)과 광집속도의 연관성을 이용하여 광모드 변환기의 최적화된 함수 형태를 얻을 수 있도록 하기 위한 손실 균등 분배 함수를 이용한 광모드 변환기의 최적화 설계방법에 관한 것으로 손실 균등 분배에 의해 갑작스러운 모드의 변화 없이 균등한 손실만 가지며, 이는 소자내의 모드 변화를 강제적인 변화보다는 자연스러운 변화를 가져오게 하므로, 총 손실 면에서 기존의 경우의 소자보다 작고, 모든 광도파로 구조에 대해서도 광집속도 개념으로 인해 제안된 방법이 적용될 수 있다는 이점이 있다.

Description

손실 균등 분배 함수를 이용한 광모드 변환기의 최적화 설계방법{THE DESIGN OF OPTICAL MODE ADAPTER WITH EVEN LOSS DISTRIBUTION}

본 발명은 설정된 손실에 따른 손실 균등 분배(single step loss)과 광집속도의 연관성을 이용하여 광모드 변환기의 최적화된 함수 형태를 얻을 수 있도록 하기 위한 손실 균등 분배 함수를 이용한 광모드 변환기의 최적화 설계방법에 관한 것이다.

일반적으로 광모드 변환기(Mode Adapter)는 광신호의 이종도파로 전이시에 손실을 줄이기 위한 소자로써, 복잡한 광집적회로의 구성 뿐만아니라, 광소자내에서 손실을 최소로 줄이는 곳에는 모두 응용이 가능한 소자이다. 예로서, Spot Size Converter Laser Diode(SSC-LD), 배열 도파로 소자(Arrayed Waveguide Grating), 필터 등에 널리 이용되고 있다.

따라서, 광모드 변환기는 연결하고자하는 도파로의 폭에 따른 연결부의 함수형태가 광의 손실량을 결정하는 중요요소에 해당되는 데, 기존의 모드변환기의 연결함수는 포물선, 단순화된 직선, 그리고 지수함수가 대부분이다. 이들을 모든 광변환기의 설계에 무차별적으로 적용하는 것은 적당하지 않다.

이는 도파로내의 도파모드가 폭에 따라 광집속도가 달라지므로, 모든 경우를 만족시킬 수 없기 때문이다.

즉, 광이 도파로내에 진행할 때 도파로 구조의 경계조건에 맞는 도파모드를 형성하게 되는데, 이 도파로의 모드는 도파로의 폭(W0, W)에 따라 모드의 형태가 바뀌게 된다.

기존에 방법의 대부분이 가우시안빔(Gaussian Beam) 근사, 간단한 삼각함수의 근사식으로 쉽게 풀이하는 방법을 채택해 왔으나, 이 경우 실제 존재하는 광모드 분포와의 차이로 인해 손실량의 계산이 정확하게 이루어지지 못한 상태에서 모드 변환기가 설계된다.

이는 광의 손실로 유발되며, 이를 최소화하기 위해서는 적절한 연결부 형태를 요구한다. 또한, 기존의 방법들은 일부 특정 광도파로 구조에 해당하므로, 모든 경우에 적용하기에는 불가능하다.

상술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 설정된 손실에 따른 손실 균등 분배(single step loss)와 광집속도의 연관성을 이용하여 광모드 변환기의 최적화된 함수 형태를 얻을 수 있도록 하기 위한 손실 균등 분배 함수를 이용한 광모드 변환기의 최적화 설계방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 광모드 변환기의 함수 형태 설명도.

도 2는 광모드 변환기의 분석 방법 개요도.

도 3은 규격화 주파수에 따른 손실 곡선과 광집속도.

도 4는 규격화 주파수와 도파로 폭에 따른 손실 그래프.

도 5는 진행거리에 따른 반사율 최소화 방식의 개념도.

도 6은 모드 분석 방식에 의한 광모드 변환기의 총 누적 손실 분석 그래프.

도 7은 빔전송 방식에 따른 광모드 변환기의 총 누적 손실 분석 그래프.

도 8은 본 발명에 따른 광모드 변환기의 개요도.

도 9는 본 발명에 따른 광모드 변환기와 종래 광모드 변환기들간의 비교 그래프.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 광모드 변환기의 설계방법에 있어서, 통상의 근사적인 설계 방법 적용시 각 진행축 방향의 단계를 λ/4로 설정하고, 불연속적인 진행거리를 m는 짝수차 정수이며, λ는 파장,는 각각 도파로의 유효 굴절률로 정의할 때 mλ/(4)로 매 순간마다 진행거리에 차이를 두는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은, 광모드 변환기의 설계방법에 있어서, 모드 변환기의 함수를 불연속적인 조각으로 나누어 입사부(1) 도파로내에 존재하는 모드 분포가 확장부(2)로 전이되면서 발생하는 손실과, 확장부(2)에서 출사부(3)로 전이되는 손실이 모드 동일한 값을 갖도록 규격화 주파수(V,는 core 굴절률,는 cladding 굴절률 )를 사용하는 데있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징은, 광모드 변환기의 설계방법에 있어서, 모드 변환기의 함수를 불연속적인 조각으로 나누어 입사부(1) 도파로내에 존재하는 모드 분포가 확장부(2)로 전이되면서 발생하는 손실과, 확장부(2)에서 출사부(3)로 전이되는 손실이 모드 동일한 값을 갖도록 규격화 주파수(V,는 core 굴절률,는 cladding 굴절률 )에 따라 광모드의 집속도를 이용하여 정의된 손실 곡선을 활용하여 도파로 구조를 일반화하는 데 있다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

우선, 본 발명에서 해소하고자 종래 기술의 문제점을 다시 한번 부연하여 살펴보면, 이종 도파로의 구조는 각 도파로내에 존재하는 모드형태가 다르기 때문에 결국은 연결부의 함수형태는 도파로의 광집속도에 따른 도파모드 형태에 근거해야한다.

그러나, 기존의 광모드 변환기의 경우는 도파로의 경계조건에 맞는 도파모드 형태를 그대로 사용하기에는 손실량 계산과 모드 특성분석이 복잡해지므로, 도파모드 형태를 가우시안 빔(Gassian Beam)등의 형태로 단순히 근사하여 사용하여야 하는데, 근사된 모드의 형태는 광집속도에 의존하지 않기 때문에 연결부에서의 손실계산에 있어서 잘못된 결과를 얻는다는 것이 본 발명에서 해소하고자 하는 종래 기술의 문제점이다.

따라서, 본 발명에서는 세 가지 복합 관점에서 접근하였는데, 첫째 손실 균등 분배 함수를 사용하면, 갑작스러운 모드의 변화 없이 균등한 손실만 유도된다. 이는 소자내의 모드 변화를 강제적인 변화보다는 자연스러운 변화를 가져오게 하므로 총 손실면에서 기존의 경우의 소자보다 작다. 둘째, 모든 광도파로구조에 적용하기 위해서 광집속도 개념을 제안하였다. 셋째, 모드 변환기내에서 진행할 때 반사율을 최소화하기 위해서 λ/4(quarter wave) 무반사 개념을 도입하여 설계측면의 간소화와 계산상의 편의성을 도모하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 손실 균등 분배(single step loss)와 광집속도의 상관관계에 대하여 살펴보면, 손실균등분배개념은 모드 변환기의 내부에서 광모드가 진행하면서 유발되는 손실량을 일정한 값으로 고정시킴으로서, 연결부에서의 최소손실을 유지하는 방법이다. 도 2에서는 보다 쉽게 설명 될 수 있는데, 모드 변환기의 함수는 불연속적인 조각으로 나뉘어서 표시하면 (1) 도파로내에 존재하는 모드 분포가 (2)로 전이되면서 발생하는 손실과 (2)-> (3)으로의 전이되는 손실이 모드 동일한 값을 갖도록 설계하는 방법이다.

일반적으로 도파로를 정의하기 위해서 일반화된 지표인 규격화 주파수(V,는 core 굴절률,는 cladding 굴절률 )를 사용하는데, 고안된 방식에서는 도파로 폭(W)을 변화시켜가면서 손실값과 광집속도를 도 3에 보였다.

가장 주목할 점은 도파로의 폭이 증가하면서 손실량이 계속 증가하는 것이 아니라, 최소점을 형성 후에 다시 증가한다는 것이다. 이러한 결과는 도파모드의 광집속도와 관련성을 가지는데, 4가지 위치점에서 모드 분포를 살펴보면 손실이 가장 적은 부분에서 광집속도는 최대를 보이고 있음을 확인하였다.

이는 모드 변환기의 내를 진행하면서 유발되는 손실량이 광모드 분포와 밀접한 관계가 있음을 보여주는 결과이다. 즉 모드 변환기의 설계에 있어서 단순한 함수의 형태에 의존하게 되면 모드의 불일치를 통해 더욱더 많은 손실을 가져오게 된다.

본 발명에 따른 구조는 기준 손실량을 정해놓고 역으로 기준 손실량에 맞는 도파로의 폭을 찾아내는 방법이며, 규격화 주파수 V와 도파로의 폭에 따른 손실량 변화의 양상을 정확히 고려해야 하는데, 여기서는 첨부한 도 4에 도시하였다.

또한, 진행축 방향의 단계를 λ/4로 설정하는 설계방식에 대하여 살펴보면, 광이 모드 변환기내에서 진행하면서 이종 도파로 구조나 다른 매질을 만날 때마다 반사현상이 나타난다. 기존의 방법들에서는 반사에 의한 손실량이 매우 작기 때문에 이를 고려하지 않는다. 사실 이를 고려하는 것도 또한 쉽지는 않다.

이런 점을 감안하여 제안된 모드 변환기에서는 다음과 같은 방법을 도입하였다. λ/4(quarter wave) 무반사 개념을 도입하여, 불연속적인 진행거리를 mlambda/(4)로 매 순간마다 진행거리가 조금씩 차이가 나게 설계하는 방법을 제안한다(도 5 참조). 여기서 m는 짝수차 정수이며, λ는 파장,는 각각 도파로의 유효 굴절률을 의미한다. 이로서 반사율을 최소화하는 모드변환기를 구성하였다.이렇게 제안된 구조와 다른 광모드변환기 구조를 비교하기 위해서 흔히 모드 분석(Mode Propagation Analysis: MPA)과 빔전송방법(Beam Propagation Method: BPM)을 이용하는데, 여기서는 기존의 함수형태들과 최적화된 구조를 비교한 결과를 각각 도 6과 7에 보였다.

도 6, 7에서 알 수 있듯이 여기서 제안된 구조가 모든 W와 L에 대해여 가장 작은 손실을 보이고 있다.

도 8은 본 기술에 대한 모식도로 모드 변환기의 개요도이며, 도 9는 기존에 쓰이고 있는 통상적인 형태의 광모드 변환기 3가지 종류(Parabolic:포물선, Linear: 직선, Exponential: 지수함수 꼴)와 새로 제안된 손실 균등 분배(single step loss)를 이용한 광모드 변환기의 최적구조(Optimum)이다.

그러므로, 광모드 변환기는 소자의 내부에 존재하거나 집적회로 구성에 쓰이고 있다. 그중 대표적인 소자로서는 Laser Diode의 빔 크기를 조절하기 위해서 광모드 변환기를 장착하는데, 이와 같은 소자를 Spot Size Coverter -LD라고 칭하고 있다.

또한 배열 도파로소자(Arrayed Waveguide Grating: AWG)에 광모드변환기를 장착한 소자인 Flat band -AWG가 있다. 이 소자에서는 소자의 필터 후에 스펙트럼 특성에 있어서 채널범위를 넓히고, 밀도 있게 신호처리를 하기 위해서 band를 평탄화하는 소자이다.

따라서, 본 기술을 위에 열거한 광소자와 집적회로에 적용하면 향상된 성능과 안정된 소자를 제작할 수 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 손실 균등 분배 함수를 이용한 광모드 변환기의 최적화 설계방법을 제공하면, 손실 균등 분배에 의해 갑작스러운 모드의 변화 없이 균등한 손실만 가진다. 이는 소자내의 모드 변화를 강제적인 변화보다는 자연스러운 변화를 가져오게 하므로, 총 손실 면에서 기존의 경우의 소자보다 작다. 또한 모든 광도파로 구조에 대해서도 광집속도 개념으로 인해 제안된 방법이 적용될 수 있다.

또한, 광신호 진행축에 따른 반사율 최소화기술은 기존에 모드 변환기에서 고려하지 않은 기술로서 실제 제작된 소자에서 보이지 않게 나타나는 손실 또한 줄일 수 있다는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 광모드 변환기의 설계방법에 있어서,

   통상의 근사적인 설계 방법 적용시 각 진행축 방향의 단계를 λ/4로 설정하고, 불연속적인 진행거리를 m는 짝수차 정수이며, λ는 파장,는 각각 도파로의 유효 굴절률로 정의할 때 mλ/(4)로 매 순간마다 진행거리에 차이를 두는 것을 특징으로 하는 광모드 변환기의 최적화 설계방법.
2. 광모드 변환기의 설계방법에 있어서,

   모드 변환기의 함수를 불연속적인 조각으로 나누어 입사부(1) 도파로내에 존재하는 모드 분포가 확장부(2)로 전이되면서 발생하는 손실과, 확장부(2)에서 출사부(3)로 전이되는 손실이 모드 동일한 값을 갖도록 규격화 주파수(V,는 core 굴절률,는 cladding 굴절률 )를 사용하는 것을 특징으로 하는 광모드 변환기의 최적화 설계방법.
3. 광모드 변환기의 설계방법에 있어서,

   모드 변환기의 함수를 불연속적인 조각으로 나누어 입사부(1) 도파로내에 존재하는 모드 분포가 확장부(2)로 전이되면서 발생하는 손실과, 확장부(2)에서 출사부(3)로 전이되는 손실이 모드 동일한 값을 갖도록 규격화주파수(V,는 core 굴절률,는 cladding 굴절률 )에 따라 광모드의 집속도를 이용하여 정의된 손실 곡선을 활용하여 도파로 구조를 일반화하는 것을 특징으로 하는 광모드 변환기의 최적화 설계방법.