KR100391395B1 - 방향성 결합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입력 도파로 조절을 통하여 두 전이계수 차이를 감소시키기 위한 방향성 결합기에 관한 것으로, 결합기와 결합되는 직선형 입력 도파로의 중심축을 상기 결합기 중심축과 일정 거리 오프셋시켜 두 전이계수 차이를 감소시키거나, 결합기와 결합되는 입력 도파로를 일정한 곡률을 가지도록 설계하여 두 전이계수 차이를 감소시켜 궁극적으로 소멸비와 제작 허용오차를 향상시킴을 특징으로 한다.

Description

방향성 결합기{DIRECTIONAL COUPLER}

본 발명은 방향성 결합기(Directional Coupler)에 관한 것으로, 특히 입력도파로 조절을 통하여 두 개의 기본모드(even, odd) 차이를 감소시킬 수 있는 방향성 결합기에 관한 것이다.

방향성 결합기는 입사된 광신호를 특정한 경우와 조건에 따라 다른 쪽 도파로로 전이시키는 소자로써, 집적광학회로의 구성에 있어서 중요한 역할을 한다. 광에너지의 전이 및 결합 특성은 광 스위치, 파워 분배기, 필터, 변조기 및 광결합/분리기 등에 널리 사용되고 있다.

방향성 결합기는 두 도파로를 근접 배치하여 상호 결합을 일으키게 함으로서 구현할 수 있다. 도 1은 일반적인 방향성 결합기(Directional Coupler)의 동작을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다. 도 1에 도시한 바와 같이 입력 도파로(10)로 광에너지를 입사시키면 결합기(20)의 길이에 따라 두 출력 도파로(30)의 출력비는 다르게 된다. 만약 두 도파로의 완전 결합길이(Lc)에 해당하는 길이 만큼 광에너지가 진행하게 되면 입력쪽이 아닌 다른 쪽 도파로(30)로 출력된다. 그리고 결합영역의 길이를 완전 결합길이의 절반으로 설계하면 두 도파로로 균등한 광에너지 분배가 이루어진다.

따라서 사용목적에 따라 결합기(20)의 길이를 조절하여 두 출력 도파로(30)의 출력비를 다르게 설정할 수 있다. 도 1에서와 같이 대칭형 도파로인 경우에는 두 입력(10,10')중 어느 한쪽으로 광에너지를 입사시켜도 상술한 바와 같은 출력특성을 보이게 된다. 이때 단순한 도파로의 점진적 근접을 위해서만 곡선형 또는 경사진 도파로를 사용하였을 뿐 입력 도파로의 곡률 반경(,)의 최적화에는 많은 연구가 이루어지지 않고 있는 것이 현실이다.

일반적으로 방향성 결합기의 두 기본모드(대칭, 반대칭)중에서 반대칭(odd)모드 전기장은 대칭(even)모드 전기장에 비하여 결합기 외부로 치우쳐 있으므로, 입력 도파모드와의 중첩적분(overlap integration)을 통하여 얻어진 반대칭모드의 전이계수는 대칭모드의 전이계수보다 적다. 이러한 경우 근사적으로는 광에너지가 결합길이를 진행한 후 출력 도파로 쪽으로 전이되지만, 두 모드 사이의 불완전한 상쇄로 인하여 입력 도파로 쪽에도 잔여 광에너지가 남아 있게 된다. 이로 인해 소멸비는 나빠지게 되며 시스템의 요구성능을 맞추기 위한 제작 허용오차 역시 작아지게 된다. 또한 소자 제작 공정에서 도파로 폭의 조절은 0.1㎛ 정도에 지나지 않으므로 이로 인한 도파로의 특성변화와 그로 인한 설계변수의 제작 허용오차가 크지 않아 실제 소자를 구현하기 어려운 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 방향성 결합기에 있어서 대칭모드와 반대칭모드의 전이계수 차이를 감소시킬 수 있는 방향성 결합기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 방향성 결합기에 있어서 소멸비의 향상과 제작 허용오차를 향상시켜 궁극적으로는 성능을 향상시킬 수 있는 방향성 결합기를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 방향성 결합기(Directional Coupler)의 동작을 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 직선형 입력 도파로의 접합 방법을 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 곡선형 입력 도파로의 접합 방법을 설명하기 위한 도면.

도 4는 도 2에 도시된 직선형 입력 도파로의 오프셋량에 따른 소멸비 변화 예시도.

도 5는 도 3에 도시된 곡선형 입력 도파로의 곡률반경에 따른 소멸비 변화 예시도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은;

각기 일정한 도파폭과 길이를 가지고 상호 결합되는 결합기들과,

전이계수 차이를 감소시키기 위해 그 중심축이 상기 결합기의 중심축과 일정 거리만큼 오프셋되어 상기 결합기들의 일단에 결합되는 직선형 입력 도파로와,

그 중심축이 상기 결합기들의 중심축과 일치하도록 상기 결합기들의 나머지 일단과 결합되는 출력 도파로로 제작됨을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징은 각기 일정한 도파폭과 길이를 가지고 상호 결합되는 결합기들과,

전이계수 차이를 감소시키기 위해 상기 결합기와 결합되는 제1끝단과 나머지 제2끝단 사이의 도파로를 일정한 곡률을 주어 형성한 곡선형 입력 도파로와,

그 중심축이 상기 결합기들의 중심축과 일치하도록 상기 결합기들의 나머지 일단과 결합되는 출력 도파로로 제작됨을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 또 다른 특징은;

각기 일정한 도파폭과 길이를 가지고 상호 결합되는 결합기들과,

중심축이 상기 결합기의 중심축과 일정 거리만큼 오프셋되어 결합되며 상기 결합기와 결합되는 제1끝단과 나머지 제2끝단 사이의 도파로를 일정한 곡률을 주어 형성한 곡선형 입력 도파로와,

그 중심축이 상기 결합기들의 중심축과 일치하도록 상기 결합기들의 나머지 일단과 결합되는 출력 도파로로 제작됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

우선 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 직선형 입력 도파로의 접합 방법을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이며, 도 4는 도 2에 도시된 직선형 입력 도파로의 오프셋량에 따른 소멸비 변화 예시도를 도시한 것이다.

우선 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 방향성 결합기는 도 2에 도시한 바와 같이 직선형 입력 도파로(40)와, 출력 도파로(60) 및 상기 입력 도파로(40)와 출력 도파로(60) 일측과 연결되는 결합기(50)로 구성된다.

본 발명의 제1실시예에서는 상기 직선형 입력 도파로(40)의 중심축이 결합되는 하나의 결합기 A(50)의 중심축과 d만큼 오프셋되는 구조를 갖으며, 출력 도파로(60)의 중심축은 결합기A,B(50)의 중심축과 일치하도록 결합되어진다.

이와 같이 직선형 입력 도파로(40)의 중심축과, 이와 결합되는 결합기A(50)의 중심축을 오프셋시키는 이유는 중심축들의 오프셋량(d)에 따라 소멸비와 제작 허용오차가 변하기 때문이다. 오프셋량(d)을 증가시키면 두 전이계수 차이는 감소하여 소멸비와 제작 허용오차가 향상된다. 하지만 오프셋량(d) 증가에 따른 전이손실은 유발된다. 도 4는 도 2에 도시된 직선형 입력 도파로(40)의 오프셋량(d)에 따른 소멸비 변화 예시도를 도시한 것으로, 오프셋량(d)을 증가시킬수록 소멸비가 향상됨을 알 수 있다.

한편 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 곡선형 입력 도파로의 접합 방법을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이며, 도 5는 도 3에 도시된 곡선형 입력 도파로의 곡률반경에 따른 소멸비 변화 예시도를 도시한 것이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 방향성 결합기는 도 3에 도시한 바와 같이 곡선형 입력 도파로(70)와, 출력 도파로(60) 및 상기 곡선형 입력 도파로(70)와 출력 도파로(60) 일측과 연결되는 결합기(50)로 구성된다.

본 발명의 제2실시예에서는 하나의 결합기A(50)와 결합되는 입력 도파로를 도 3에 도시한 바와 같이 곡률방향이 결합기(50) 내부로 되도록 설계하여 제조한다. 즉, 곡선형 입력 도파로(70)의 일단을 하나의 결합기A(50)와 일치시켜 결합하고, 나머지 일단은 결합기(50) 직경내에 위치하도록 입력 도파로(70)의 중앙부분에 곡률을 두어 곡선형 입력 도파로(70)를 설계한다.

이와 같이 입력 도파로(70)의 곡률방향을 도 3에 도시한 바와 같이 결합기(50) 내부로 주면 입력모드의 전기장 분포는 곡선형 도파로의 편향성으로 도파로 외부로 휘어진다. 이는 제1실시예에서와 같은 효과를 얻게 되는데, 곡률반경(R)을 많이 줄수록 편향성이 증가하여 소멸비와 제작 허용오차는 향상된다. 이때 임계 곡률반경이 나타나는데 임계 곡률반경 보다 곡률반경(R)을 더 많이 주면 도파모드가 아닌 방사모드로 전환되기 때문에 도파되지 않는다.

도 5는 도 3에 도시된 곡선형 입력 도파로(70)의 곡률반경(R)에 따른 소멸비 변화를 예시한 것으로, 곡률반경(R)을 감소시킬수록 소멸비가 향상됨을 알 수 있다. 특히 곡률반경(R)이 300㎛이고 입력 도파로의 중심축과 이와 결합되는 결합기의 중심축 사이의 오프셋량(d)을 0.1㎛로 하면 소멸비가 더욱 향상됨을 알 수 있다.

inputwaveguide	extinction ratio(dB)
		Error limit		Error limit
StraightNo shift	-33.37	182.43	294.24	43.29	69.82258065
StraightShift	-35.03	185.99	299.98	49.39	79.66129033
R=300㎛No shift	-37.24	186.39	300.63	53.49	86.27419356
R=300㎛Shift(0.1㎛)	-39.19	192.09	309.82	57.19	92.24193549

상기 표 1은 도 2의 구조에 대하여 1.55㎛ 파장을 사용하여 본 발명의 제1실시예, 제2실시예 및 제1실시예와 제2실시예를 혼용 사용한 경우에 있어서 각각 계산된 소멸비와 결합길이 제작 허용오차 등을 요약한 것이다.

상기 표 1에서 첫 번째 항목은 접합위치의 오프셋이 없는 직선형 입력 도파로에 대한 데이터이며, 두 번째 항목은 0.1㎛의 접합위치 오프셋이 있는 직선형 입력 도파로에 대한 데이터이다. 그리고 세 번째 항목은 접합위치의 오프셋이 없으며 곡률반경이 300㎛인 곡선형 입력 도파로에 대한 데이터이며, 마지막 항목은 0.1㎛의 접합위치 오프셋이 있으며 곡률반경이 300㎛인 곡선형 입력 도파로에 대한 데이터를 나타낸 것이다.

상기 표 1의 마지막에 나타나 있는 바와 같이 혼용 사용일 경우에 가장 우수한 성능 향상을 가져옴을 알 수 있다. 또한 Error limit,는 20dB과 30dB을 만족시키는 결합기의 길이(L) 범위이며,은 ±0.1㎛의 도파폭(W) 변화에 대한 결합길이 변화의 평균으로서 본 발명의 실시예에 따른 구조에서는 약 62㎛이다.

따라서 좋은 성능을 얻고자 할 때 일반적인 조건은 소자길이에 대하여 약 70% 정도의 제작 허용오차를 주지만, 혼용 사용일 경우에는 약 92% 정도의 아주 우수한 제작 허용오차를 줄 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기는 소재의 전기광학적 특성이나 열광학 효과를 이용한 고속 광스위치의 기반이 될 뿐만 아니라 3dB 결합기, 필터, 변조기 및 광결합/분리기 등 각종 수동 및 기능성 광소자에 근간이 되는 기술로 이용되고 있다. 따라서 상술한 광소자에 본 발명을 적용하면 향상된 성능과 안정된 소자를 제작할 수 있을 것이다.

광신호가 방향성 결합기에 진입하여 진행할 때, 일반적으로 정상모드 이론상의 두 전이계수는 작은 차를 보인다. 이러한 차이는 소멸비의 열화를 가져오고 제작상의 허용오차를 매우 작게 하는 나쁜 효과를 보인다.

그러나 상술한 바와 같이 본 발명은 두 전이계수 차이를 감소시키기 위해서 직선형 입력 도파로의 접합위치 오프셋(혹은 수평이동)과 곡선형 입력 도파로를 통한 도파모드의 조절방식을 도입함으로서 소멸비의 향상은 물론 제작 허용오차를 향상시켜 궁극적으로는 방향성 결합기의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한 두 방식의 적절한 혼용 사용으로 각 방식의 단점을 서로 보완하여 한 방식을 사용하였을 때 보다 월등히 나은 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다. 그리고 본 발명은 방향성 결합기의 도파구조를 변화시키지 않으므로 설계의 자유도를 높일수 있는 이점도 있다.

Claims (5)

1. 각기 일정한 도파폭과 길이를 가지고 상호 결합되는 결합기들과,

   전이계수 차이를 감소시키기 위해 그 중심축이 상기 결합기의 중심축과 일정 거리만큼 오프셋되어 상기 결합기들의 일단에 결합되는 직선형 입력 도파로와,

   그 중심축이 상기 결합기들의 중심축과 일치하도록 상기 결합기들의 나머지 일단과 결합되는 출력 도파로로 제작됨을 특징으로 하는 방향성 결합기.
2. 각기 일정한 도파폭과 길이를 가지고 상호 결합되는 결합기들과,

   전이계수 차이를 감소시키기 위해 상기 결합기와 결합되는 제1끝단과 나머지 제2끝단 사이의 도파로를 일정한 곡률을 주어 형성한 곡선형 입력 도파로와,

   그 중심축이 상기 결합기들의 중심축과 일치하도록 상기 결합기들의 나머지 일단과 결합되는 출력 도파로로 제작됨을 특징으로 하는 방향성 결합기.
3. 제2항에 있어서, 상기 곡선형 입력 도파로의 곡률방향은 상기 결합기들 내부가 되도록 설계함을 특징으로 하는 방향성 결합기.
4. 각기 일정한 도파폭과 길이를 가지고 상호 결합되는 결합기들과,

   중심축이 상기 결합기의 중심축과 일정 거리만큼 오프셋되어 결합되며 상기 결합기와 결합되는 제1끝단과 나머지 제2끝단 사이의 도파로를 일정한 곡률을 주어 형성한 곡선형 입력 도파로와,

   그 중심축이 상기 결합기들의 중심축과 일치하도록 상기 결합기들의 나머지 일단과 결합되는 출력 도파로로 제작됨을 특징으로 하는 방향성 결합기.
5. 제4항에 있어서, 상기 곡선형 입력 도파로의 곡률방향은 상기 결합기들 내부가 되도록 설계함을 특징으로 하는 방향성 결합기.