KR100392360B1 - 가변 파브리-페로 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 가변 파브리-페로 필터는 특정한 파장을 선택 또는 투과시키는 광소자로서, 광섬유를 정렬시킬 수 있는 브이-그루브(V-Groove)와, 고반사율 단면을 가진 광섬유와, 박막 공진기 (Resonant Cavity)로 구성되어 있다. 실리콘이나 고분자의 열광학효과 (Thermo-optic effects)를 이용해 파장의 가변이 구현되며, 공진기의 길이 즉, 박막의 길이에 따른 자유 분광 범위(Free Spectral Range ; FSR)는 1 ~ 80 nm, 피네스( Finess)는 100 ~ 200, 반가폭 (3-dB peak Bandwidth 또는 Full Width at Half-Maximum) 은 0.1 nm의 특성을 보인다.

Description

가변 파브리-페로 필터{Method for fabricating Tunable Fabry-Perot Filter}
본 발명은 광 통신에 사용되는 광 소자중 광 필터에 관한 것으로, 특히 가변 파브리-페로 필터에 관한 것이다.
광 필터의 제작 기술, 그 중 가변 광 필터의 기술은 가변 파브리-페로 필터 (Tunable Fabry-Perot Filter), 미세 기계 소자 (Micro Machined Device), 막 젠더 간섭계 (Mach-Zehnder Interferometer), 광섬유 브래그 회절 격자 (Fiber Bragg Gratings), 음향 광학 가변 필터 (Acousto-Optic Tunable Filters), 전기 광학 가변 필터 (Electro-Optic Tunable Filters), 배열 도파로 격자 (Arrayed Waveguide Grating, AWG), 활성 필터 (Active Filter), 링 공진기 가변 필터 (Ring Resonator Tunable Filters) 등이 있다. 이러한 가변 필터에 대한 설명은 D. Sadot과 E. Boimovich가 IEEE Communications Magazine의 1998년 12월호 pp. 50-55에 게시한 "Tunable Optical Filters for Dense WDM Networks"에 잘 설명되어 있다.
가변 파브리-페로 필터의 종래 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 고반사율 단면을 가진 광섬유사이에 있는 매개체 (Cavity Medium)의 광학적 길이(Optical Thickness)를 조절하는 방법으로 압전(Piezo-electric) 기술을 이용하는 방법 (J. Stone과 L.W.Stulz, Pigtailed high finess tunable fiber Fabry-Perotinterferometer with large, medium, and small free spectral range, Electronics Letters, Vol.23. pp.781-783, 1987)과 고반사율 단면을 가진 광섬유사이에 있는 매개체로써 강유전체 액정 (Ferroelectric Liquid Crystal)을 사용하여, 전장을 가했을 때 편광 특성의 변화로 굴절률의 변화를 유도하여 가변 필터하는 기술(A.Sneh과 K.M.Johnson, High-Speed Wavelength Tunable Liquid Crystal Filter, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.7. No.4. pp.379-381, 1995)이 있다.
그러나, 가변을 압전을 이용하는 종래 기술은 페룰(ferrule) 및 슬리브를 이용하여 광섬유를 정렬하고 있으나 정렬이 쉽지 않고 그 제작에 있어 많은 애로점이 있다.
또한, 매개체로서 액정을 사용하는 종래기술은 전기장을 가해 액정의 정열을 바꿈으로써 필터링 속도를 개선하고자 하는 바, 이 역시 광섬유의 정렬 및 제작이 용이하지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 넓은 자유 분광 범위(Free Spectral Range ; FSR), 좋은 피네스( Finess),좁은 반가폭 (3-dB peak Bandwidth 또는 Full Width at Half-Maximum)를 가지며, 실리콘 및 고분자의 열광학 효과를 이용한 큰 가변 범위를 가지면서도, 그 제작이 용이하고 광섬유를 쉽게 정렬시킬 수 있어, 고밀도 파장 분할 다중 (Wavelength Division Multiplexing ; WDM) 광통신망에 사용할 수 있는 가변 파브리-페로 필터를 제공함에 있다.
도 1a 는 공진기 매체의 길이에 따른 FRS의 변화, 도 1b 는 HR 의 변화에 따른 피네스의 변화, 도 1c 및 도 1d 는 고분자와 실리콘 공진기 매체에서 온도에 따른 파장의 가변 범위를 도시
도 2는 브이-그루브 블락과 실리콘을 이용한 가변 파브리-페로 필터 제조 도식
도 3은 브이-그루브와 고분자 박막을 이용한 가변 파브리-페로 필터 제조 도식
도 4는 브이-그루브와 고분자 박편을 이용한 가변 파브리-페로 필터 제조 도식
도 5는 일직선 브이-그루브를 이용한 가변 파브리-페로 필터 제조 도식
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 브이-그루브가 형성된 실리콘 2 : 공진기 박막 매체
3 : 광 섬유 4 : 고반사율박막
5, 6 : 열전극
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 파브리-페로 필터는 광섬유를 정렬시킬 수 있는 브이-그루브(V-Groove)와, 고반사율 단면을 가진 광섬유와, 열광학 계수가 큰 공진기 (Resonant Cavity) 박막 매체(medium)와 박막 매체 위 또는 사이에 형성되는 열 전극으로 구성되어 있다.
상기 본 발명은 쉽고 저렴하게 가변 파브리-페로 필터를 제작할 수 있는 바, 기존의 광섬유 페룰(ferrule) 대신에 브이-그루브(V-Groove)를 이용하여 광섬유-공진 매개체 광섬유간의 일직선 정렬을 쉽게 한다. 또한 공진 매개체로써 저가의 실리콘이나 고분자를 사용하고, 이 실리콘 및 고분자의 큰 열광학 계수를 이용함으로써 넓은 범위의 가변이 쉽다. 또한 대부분의 고분자 박막이 가지는 편광 의존의 문제도 고분자 박편을 고반사율 단면을 가진 광섬유 사이에 끼워 넣어 해결할 수 있다.
본 발명은 실리콘 소자 집적 기술에서 잘 발달된 브이-그루브(V-Groove) 제작 기술을 이용해 브이-그루브를 제작한다. 고반사율(HR, High Reflectance) 단면을 가진 광섬유의 제작은 광섬유 끝면에 유전체 박막를 다층으로 코팅하여 제작한다. 실리콘 공진기의 제작은 양쪽 브이-그루브 사이를 이용하여 제작한다. 고분자 박막 공진기의 제작은, 양쪽 브이-그루브 사이에 일반적인 회전 도포법 (spin coating)과 리소그라피 (lithography) 방법을 이용하여 제작하거나, 일정한 기판에 회전 도포법등으로 고분자 다층 박막을 만든 다음 기판으로부터 분리하여 제작한다. 열 전극은 실리콘 공진 부분위에 금속의 증착법과 전기 도금법을 이용하여 제작하며, 고분자의 경우 다층 박막을 만드는 중이나 만든 후 금속의 증착법과 전기 도금법을 이용 제작한다. 최종적으로 실리콘 공진 부분을 가진 브이-그루브(V-Groove)와 고반사율 단면을 가진 광섬유를 정렬하든가, 브이-그루브(V-Groove)와 고반사율 단면을 가진 광섬유와 고분자 박막 공진기를 정렬하여 결합시켜 가변 파브리-페로 필터를 제작한다.
필터의 특성 중 자유 분광 범위 (Free Spectral Range ; FSR), 피네스(Finess)은 공진기 매체의 길이(l), 고반사율(HR)에 각각 의존하게 된다. 그러나 가변의 범위는 열 광학 계수에 의존하게 된다. 본 발명은 실리콘이나 고분자의 열광학효과 (Thermo-optic effects)를 이용해 파장의 가변이 구현되며, 공진기의 길이 즉, 박막의 길이에 따른 자유 분광 범위(Free Spectral Range ; FSR)는 1 ~ 80 nm, 피네스( Finess)는 100 ~ 200, 반가폭 (3-dB peak Bandwidth 또는 Full Width at Half-Maximum) 는 0.1 nm의 특성을 보인다.
도 1a는 굴절률(n)이 1.50, HR = 0.98 일때l= 50,100,200 um의 공진기 매체의 길이에 따른 FSR의 변화를 보여준다. 따라서 공진기 매체의 길이를 줄이면 큰 FSR을 얻을 수 있으며, 넓은 파장 범위의 WDM 광통신망에 사용할 수 있다. 도 1b는 굴절률(n)이 1.50,l= 100 um 일때 HR = 0.8, 0.9, 0.98 의 변화에 따른 피네스의 변화를 보여준다. 따라서 채널간격 0.8, 0.4 nm의 고밀도WDM도 HR이 0.98 이상이면 쉽게 구현할 수 있다. 도 1c는 굴절률(n)이 1.50, 열광학 계수(dn/dT) 가 -1.2 x 10-4인 고분자를 사용하고 HR = 0.98,l= 100 um 일때 20oC, 40oC, 60oC의 온도에 따른 파장의 변화를 보여준다. 도 1d는 굴절률(n)이 3.50, 열광학 계수(dn/dT)가 1.85 x 10-4인 실리콘을 사용하고 HR = 0.98,l= 25 mm 일때 20oC, 40oC, 60oC의 온도에 따른 파장의 변화를 보여준다. 도 1c와 1d에서와 같이 고분자와 실리콘의 큰 열광학 계수를 이용하기 때문에 100oC의 온도 변화에서도 10 nm 이상의 큰 가변 파장 효과를 볼 수 있으며, 온도의 증가에 따른 가변 파장 범위도 고분자에서는 단파장쪽으로, 실리콘에서는 장파장쪽으로 조절을 가능하게 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 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
(실시예1)
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘(Si)의 열광학 효과를 이용한 가변 파브리-페로 필터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 실리콘 블록(1)의 양단부에 브이-그루브(V-Groove)가 형성되어 있고, 일측 단면에 고반사율박막(4)이 코팅된 가진 두 개의 광섬유(3)가 상기 브이-그루브에 얹어져 정렬된다. 이때 고반율박막(4)이 서로 마주보도록 정렬된다. 양 브이-그루브(V-Groove) 사이에 있는 실리콘은 공진기 박막 매체(2)가 된다. 열전극은 공진기 박막 매체(2)에 상에 형성되는 바, 열선에 전력을 공급하기 위한 박막의 금코팅전극(6) 및 전기도금한 후막의 패드(5)로 구성된다.
(실시예2)
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고분자의 열광학 효과를 이용한 가변 파브리-페로 필터의 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 블록(1)의 양단부에 브이-그루브(V-Groove)가 형성되고, 일측 단면에 고반사율박막(4)이 코팅된 가진 두 개의 광섬유(3)가 상기 브이-그루브에 얹어져 정렬된다. 이때 고반율박막(4)이 서로 마주보도록 정렬된다. 공진기 박막 매체(2)는 브이-그루브 사이의 실리콘에 회전 도포법 등으로 형성된 고분자 다층 박막으로 제작되고 그 상에는 열전극(5,6)이 형성된다. 열전극은 열선에 전력을 공급하기 위한 박막의 금코팅전극(6) 및 전기도금한 후막의 패드(5)로 구성된다.
(실시예3)
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자의 열광학 효과를 이용한 가변 파브리-페로 필터의 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 양단부에 브이-그루브(V-Groove)와 그 사이에 박편을 넣기 위한 홈을 가진 실리콘 블락(1)과, 고반사율박막(4)이 코팅된 두 개의 광섬유(3) 및 상면에 열전극이 형성된 공진기 박막 매체(2)를 각각 제작한 다음, 브이-그루브에 고반사율박막이 마주보도록 광섬유를 얹고 홈에 공진기 박막 매체(2)를 넣어 필터를 제작한다. 공진기 박막 매체(2)는 기판위에 회전 도포법 등으로 고분자 다층 박막 및 열전극을 제작한 후기판과 분리하여 절단하여 제작한다.
(실시예4)
도 5은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 고분자의 열광학 효과를 이용한 가변 파브리-페로 필터의 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일자의 브이-그루브(V-Groove)를 가진 실리콘 블록(1)을 준비한 다음, 일측 단면에 고반사율박막(4)을 가진 두 개의 광섬유를 제작하고, 상기 광섬유(3)의 고반사율박막(4)이 일정거리 이격되도록 상기 브이-그루브에 끼워 넣고, 고반율박막(4) 사이의 브이-그루브 내에 액상의 고분자를 부어 경화 시켜 고분자 공진기 매체를 제작한다. 이후 상부를 평면 연마한 후 고분자 공진기 매체 상에 열전극을 제조하면 필터 제조가 완료된다. 본 실시예의 경우 고분자 박막에서 기인되는 편광 의존성을 없앨 수 있는 장점이 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 필터 제조 방법은 브이-그루브 제작 기술과 재료의큰 열광학 효과를 이용하여 가변 범위가 큰 파브리-페로 필터를 쉽고 정밀하게 제작이 가능하게 한다.
또한 본 발명의 필터는 브이-그루브(V-Groove)를 이용하므로 광섬유와의 정렬이 매우 쉽게 이루어 진다. 제작된 가변 파브리-페로 필터는 고밀도 WDM 광통신망에서 특정 채널 파장의 선택용으로, 또는 채널 감시용으로 사용된다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 가변 파브리-페로 필터에 있어서,
    양단부에 각각 브이-그루브가 형성되고 상기 브이-그루브 사이의 실리콘 영역이 공진기 박막 매체가 되는 실리콘 블록;
    각각 일측단에 고반사율 박막이 코팅되며, 상기 브이-그루브에 상기 고반사율 박막이 마주보도록 끼워져 정렬되는 두 개의 광섬유; 및
    상기 공진기 매체에 열을 인가하기 위하여 형성된 열전극
    을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 실리콘의 열광학 효과를 이용한 가변 파브리-페로 필터.
  3. 가변 파브리-페로 필터에 있어서,
    양단부에 각각 브이-그루브가 형성된 실리콘 블록;
    각각 일측단에 고반사율박막이 코팅되며, 상기 브이-그루브에 상기 고반사율박막이 마주보도록 끼워져 정렬되는 두 개의 광섬유;
    상기 브이-그루브 사이의 실리콘 상에 형성된 고분자로 구성된 공진기 박막 매개체; 및
    상기 공진기 박막 매체에 열을 인가하기 위하여 형성된 열전극
    을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고분자의 열광학 효과를 이용한 가변 파브리-페로 필터.
  4. 가변 파브리-페로 필터에 있어서,
    양단부에 각각 브이-그루브가 형성되고 상기 브이-그루브 사이에 박편을 넣을 수 있는 홈이 형성된 실리콘 블록;
    각각 일측단에 고반사율 박막이 코팅되며, 상기 브이-그루브에 상기 고반사율박막이 마주보도록 끼워져 정렬되는 두 개의 광섬유;
    상기 홈에 끼워지는 고분자로 구성된 공진기 박막 매개체; 및
    상기 공진기 박막 매체에 열을 인가하기 위하여 형성된 열전극
    을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고분자의 열광학 효과를 이용한 가변파브리-페로 필터.
  5. 가변 파브리-페로 필터에 있어서,
    양단부까지 확장되어 브이-그루브가 형성된 실리콘 블록;
    각각 일측단에 고반사율 박막이 코팅되며, 상기 고반사율 박막이 일정 거리 이격되어 마주보도록 상기 브이-그루브에 끼워져 정렬되는 두 개의 광섬유;
    상기 고반사율 박막 사이의 상기 브이-그루브에 형성된 고분자로 구성된 공진기 박막 매개체;
    상기 공진기 박막 매체에 열을 인가하기 위하여 형성된 열전극
    을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고분자의 열광학 효과를 이용한 가변 파브리-페로 필터.
  6. 제2항 내지 제5항중 어느한 항에 있어서,
    상기 고반사율 박막은 다층으로 코팅된 유전체 박막임을 특징으로 하는 고분자의 열광학 효과를 이용한 가변 파브리-페로 필터.
  7. 제5항의 가변 파브리-페로 필터 제조 방법에 있어서,
    양단부까지 확장되어 브이-그루브가 형성된 실리콘 블록을 준비하는 단계;
    각각 일측단에 고반사율 박막이 코팅된 두 개의 광섬유를 준비하는 단계;
    상기 고반사율박막이 일정거리 이격되어 마주보도록 상기 브이-그루브에 끼워 정렬시키는 단계;
    상기 고반사율박막 사이의 상기 브이-그루브에 고분자를 주입한 후 경화시켜 고분자 공진기 박막 매체를 형성하는 단계; 및
    상부를 평면 연마한 후 상기 고분자 공진기 박막 매체 상에 열전극을 형성하는 단계;
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 가변 파브리-페로 필터 제조 방법.
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