KR100451927B1 - 가변 광감쇠기 - Google Patents

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KR100451927B1 KR10-2002-0010379A KR20020010379A KR100451927B1 KR 100451927 B1 KR100451927 B1 KR 100451927B1 KR 20020010379 A KR20020010379 A KR 20020010379A KR 100451927 B1 KR100451927 B1 KR 100451927B1
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Abstract

본 발명은 빛을 송신하는 전송 파이버와; 상기 전송부와 동축으로 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버와; 상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에서 빛을 흡수하여 내부에서 전반사 진행 후 상기 전송 파이버 및 수신 파이버와 무관한 지역에서 소실시키는 차단막과; 상기 차단막을 구동시키기 위한 액츄에이터;를 포함하여 구성된 가변 광감쇠기에 관한 것으로서, 기존의 기계식 커넥터 형 감쇠기에 비해 제품의 크기 및 가격을 현저히 줄여 경쟁력이 우수한 상품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

가변 광감쇠기{Variable optical attenuator}
본 발명은 가변 광감쇠기에 관한 것으로서, 특히 빛을 흡수하여 감쇠하는 가변 도파로를 가지는 가변 광감쇠기를 제공하는 것이다.
일반적으로, 광통신용 광신호 감쇠기는 한 조의 입사단 및 출사단을 가진 광부품으로서, 입사광에 소정의 광 손실을 주고 감쇠된 광 파워를 출사하는 기능의 광 부품이다.
광통신에 있어서, 전송거리의 장단에 의한 광섬유의 전송 손실의 차이, 광섬유 접속부의 수, 전송로에 사용되는 광분기 결합 등의 광부품 수와 성능에 따른 광 수신 파워 수준은 시스템의 구성에 따라 다양하다.
광수신 레벨이 과대일 경우, 광수신 레벨의 조정을 위해 광 감쇠기가 사용된다. 그밖에 대표적인 용도로는 통신기기나 광측정기기에 대한 평가, 조정 및 교정 등이 있다.
광감쇠기는 크게 일정한 감쇠량을 주는 고정 광 감쇠기(fixed optical attenuator)와 감쇠량을 가변할 수 있는 가변 광 감쇠기 (variable optical attenuator)로 나눌 수 있다. 어떠한 타입이든 광 감쇠기는 사용 파장 범위에서, 파장에 따라 감쇠량이 크게 변하지 않을 것이 요구된다.
종래의 일반적인 가변 광감쇠기는 크게 실리콘이나 폴리머(polymer) 계 재질의 열광 효과(thermo optic effect)를 이용한 도파로형 감쇠기, 기계식 커넥터 형 대형 감쇠기 및 MEMS 액츄에이터를 이용한 MEMS 광감쇠기로 구분된다.
이하 각각의 가변 광감쇠기에 대하여 설명하기로 한다.
일반적으로 도파로형 가변 광감쇠기는 실리콘이나 폴리머 등의 재질로 평판형 도파로를 형성하고 전극을 이용해 도파로의 온도 분포를 변화시키면서 도파로재질의 광흡수율을 조절하여 광신호를 감쇠하는 원리를 갖는다. 이러한 도파로형 가변 광감쇠기는 소형화 제품에는 적합하나 편광 의존 손실 및 파장 의존성이 크다는 성능상의 단점이 있다.
한편, 기계식 커넥터 형 감쇠기는 광 파이버에 직접 변형을 주어 매크로 벤딩(macro bending)에 의한 전송 손실을 일으키는 방법과 전송과 수신 광파이버간의 접속 거리에 변화를 주며 삽입 손실을 발생시키는 방법 등이 있다. 그러나 상기 기계식 대형 가변 광감쇠기는 파장 의존성이 없어 사용 가능 파장의 범위는 넓으나 제품의 크기가 커지고 고가화 되는 단점이 있다.
상기 단점을 극복하기 위해서 MEMS 액츄에이터를 이용한 가변 광감쇠기의 개발이 활발히 진행되었는데 최근 연구 개발된 MEMS 가변 광감쇠기는 차단막(shutter)형과 미소 회전 거울(tilting micromirror)형 및 MARS(Mechanical Anti - Reflection Switch)형 등이 있다.
먼저 MARS 가변 광감쇠기는 Fabry-Perot 원리를 이용한 기계적 앤티-리플렉션 스위치(Mechanical Anti-Reflection Switch)의 박막(membrane)을 ON 이나 OFF 상태가 아닌 임의의 변위에 위치시킴으로써 감쇠량을 조절하는 기능을 수행하는 것으로서, 상기 MARS 가변 광감쇠기는 파장에 따라 감쇠량이 달라지게 되는 단점을 갖는다.
다음으로 차단막(shutter)형 MEMS 가변 광감쇠기가 있는데, 이는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 전송 파이버(101, 201) 및 수신 파이버(102, 202) 사이에 차단막(103, 203)을 위치시켜 차단막의 변위에 따라 두 광파이버간의 접속 면적을 조절함으로써 삽입 손실을 제어하는 것으로서, 이러한 차단막형 가변 광감쇠기는 도 1에 의한 종래의 실시예에 의한 경우 차단막으로부터 반사되어 되돌아오는 광신호로 인한 역반사(back reflection)의 문제점이 있으며, 도 2에 의한 실시예인 경우, 난반사에 의한 빛의 산란 및 굴절이 나타나게 된다. 도 3 및 4는 이러한 종래기술에 의한 가변 광감쇠기의 차단막에서의 효과를 각각 나타내고 있다.
종래 기술은 차단막이 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 작동하지만 차단막 표면의 조도 및 공정 불균일성에 의해 산란이 발생할 수있다. 이는 원하지 않는 광량이 전송부 및 다른 곳으로 넘어가 감쇠량에 영향을 주게 되는 역반사 및 난반사의 문제점 야기할 수 있으므로 차단막에 의한 반사량을 최소화해야 하는 과제를 안고 있다.
마지막으로 미소 회전 거울형 가변 광감쇠기는 송수신 광파이버를 거울의 반사를 이용해 접속하고 거울의 각 변위로 삽입 손실을 제어하는 방식을 이용한다. 미소 회전 거울형 가변 광감쇠기는 회전하는 거울의 제조 및 콜리메이터 렌즈의 사용이 필요하여 거울을 기판에 수직하게 배열하는 구조가 요구되기 때문에 광파이버를 기판에 수직하게 정렬하여 조립해야 하는 어려운 패키징(packaging) 작업이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명에서는 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 MEMS 구동 방식을 채택한 것으로서, 종래의 가변 광감쇠기의 성능을 개선하기 위하여 기존의 차단막이 가지는 산란에 의한 효율저하 방지 및 제작구조를 간편화한 가변 도파로를 가지는 가변 광감쇠기를 제공하고자 한다.
도 1 및 2는 종래 기술에 의한 가변 광감쇠기를 나타내는 사시도이며,
도 3 및 4는 종래 기술에 의한 가변 광감쇠기에 의한 빛의 진행을 개략적으로 나타내는 도면이며,
도 5는 본 발명에 의한 가변 광감쇠기를 나타내는 사시도이며,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 광감쇠기의 실리콘 재질의 차단막의 형상을 확대하여 나타내는 도면이며,
도 7은 본 발명에 의한 가변 광감쇠기에 의한 빛의 진행을 개략적으로 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 전송파이버 2 : 수신파이버
3 : 실리콘 재질의 차단막 4 : 액츄에이터
5 : 기판
본 발명은 빛을 송신하는 전송 파이버와; 상기 전송 파이버와 동축으로 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버와; 상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에서 빛을 흡수하여 내부에서 전반사 진행 후 상기 전송 파이버 및 수신 파이버와 무관한 지역에서 소실시키는 차단막과; 상기 차단막을 구동시키기 위한 액츄에이터; 및 이를 포함하는 기판으로 구성된 가변 광감쇠기를 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 차단막은 실리콘을 재질로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 실리콘은 이방성 드라이 에칭(anisotropic dry etching)공정으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 차단막은 선단부로부터 외부 반사영역과, 내부 전반사영역 및 소실영역으로 구분되는 것을 특징으로 하는데, 본 발명의 더욱 바람직스러운 실시형태로서 상기 외부 반사영역은 웨지 형상을 나타내며, 상기 내부 전반사 영역은 직사각형 형상을 나타내며, 상기 소실영역은 웨지 형상을 나타내도록 구성하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명에 의한 가변 광감쇠기는 전송 파이버와 수신 파이버 사이에 실리콘 재질의 도파로를 차단막으로 사용하여 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 가변 광감쇠기는 전송 파이버에서 나오는 빛의 일부분을 흡수하여 통과시키고, 나머지 일부분은 외부로 반사시키는데, 상기 일부분의 흡수하여 통과된 빛은 내부에서 전반사 과정을 통하여 전달되며, 상기 전송 파이버 및 수신 파이버와 무관한 지역에서 소실되게 하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 의한 가변 광감쇠기에 의할 경우, 상기 실리콘 재질의 차단막의 선단부에서 걸러진 부분은 수신 파이버에 입사하여 최종적으로 감쇠효과를 일으키게 되며 이러한 감쇠과정 중에 일어날 수 있는 빛의 회절 및 산란을 방지할 수 있게 된다.
즉 본 발명에 의한 가변 광감쇠기는 금속 박막이 없는 이동 가능한 실리콘 재질의 차단막 형태를 이용한 도파로에서 전송 파이버로 되돌아가는 효율에 영향을 미치는 역반사 및 산란으로 인한 빛을 최소화시키며, 흡수된 광 신호 부분을 미세구조의 실리콘 차단막의 형태로 된 도파로를 따라 소실되게 하는 구조를 특징으로 한다.
본 발명에 의한 가변 광감쇠기는 두개의 고정된 광 파이버가 틈을 가지고 서로 마주보고 있으며 그 사이에 움직일 수 있는 실리콘 재질의 차단막이 위치하는 구조를 가진다. 즉 상기 가변 광감쇠기는 입사하는 빛의 일부를 실리콘 도파로 내부로 흡수하고 입사된 빛이 실리콘 도파로에서 연속적으로 소실되는 원리를 이용하게 된다.
그러나 광선추적(ray-tracing) 방법을 이용하여 광 소실특성을 분석해 보면, 1.05/cm흡수 계수를 가지는 도파로 내부에서만 40dB 감쇠를 얻기 위해서는 80mm이상의 긴 길이가 필요하므로 MEMS공정으로 제작하려 할 경우 많은 어려움이 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 방식의 광 감쇠 방법으로서 도 6처럼 하단부에 일정각을 형성하면 빛이 들어가면서 더 이상 전반사가 일어나지 않는 조건이 성립된다. 그러므로 차단막으로 입사된 빛은 투과와 반사를 전송파이버와 수신파이버와 관계없는 방향으로 실리콘 내부에서 연속적으로 반복하면서 광량을 소실하게 되어 긴 도파로를 형성할 필요없이 원하는 감쇠를 얻을 수 있게 된다.
이하 첨부 도면에 따라 본 발명의 특징을 상세히 설명하고자 한다. 도 5는 본 발명에 의한 가변 광감쇠기의 개략도를 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명에 의한 가변 광감쇠기의 실리콘 재질의 차단막을 확대하여 도시한 것이다.
도 5에서의 차단막은 도시된 바와 같이 웨지 형상을 하고 있는데 이를 상세히 나타낸 것이 도 6이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 차단막의 선단부에 입사되는 빛은 일부가, 예를 들면 약 70%정도가 실리콘 도파로로 구성된 차단막 내부로 입사되고 나머지 약 30%정도는 반사된다. 이때 반사되는 빛의 반사각도는 광 파이버로 진행되지 않도록 설계되어 있으므로 신호의 입출력 단에 영향을 주지 않는다. 실제로는 굴절이나 산란에 의해서 광 파이버의 수광각 내로 형성된 빛이 입출력 단에 영향을 미칠 수 있으나, 본 발명에 의한 실리콘 재질의 차단막을 이용한 도파로를 이용한 가변 광감쇠기는 모든 빛을 반사하는 종래의 반사면이 금속으로 코팅된 차단막형 감쇠기에 비해 반사되는 빛의 양이 30%정도에 불과하므로 산란 및 회절에 의한 영향을 많이 감소시킬 수 있다. 산란 및 회절은 광 감쇠기의 편광 의존 손실 및 파장 의존 손실을 유발할 수 있는 원인이 되므로 이를 최소화하는 것이 성능 향상에 유리하다.
전술한 바와 같이, 실리콘 도파로의 역할을 하는 차단막은 기본적으로 선단부로부터 외부 반사영역과, 내부 전반사영역 및 소실영역으로 구분되는 바, 도 6에 도시된 바와 같이, 웨지 형상의 외부 반사영역과, 감쇠를 위하여 직사각형 형상을 한 내부 전반사영역 및 웨지 형상의 소실영역으로 구분되는 차단막의 경우에 있어서, 상기 웨지 형상의 외부 반사영역 내로 입사된 빛은 전반사 도파되어 내부 전반사 영역으로 진행하는데, 상기 외부 반사 영역에서 빛의 입사각인 { theta }_{ 1} 은 임계각보다 작은 각을 가지므로 연속적으로 감쇠하게 된다. 또한 상기 내부 전반사 영역을 지나면서 연속적인 감쇠와 투과가 발생하여 소실 효율이 높아지게 되는데, 상기 실리콘 가변 도파로는 연속적인 감쇠를 가지기 위하여 상기 내부 전반사 영역과 소실 영역 사이의 경계부에서는 기울임 각도를 갖고 있으며, 이들및는 광 신호의 일부를 실리콘 가변 도파로의 내부로 통과시키며, 통과된 빛을 효과적으로 감쇠하도록 하고 있다.
즉 상기 선단부의 경사 부분 즉 외부 반사 영역에서 굴절된 광 신호가 실리콘 재질의 차단막형 가변 도파로 내로 전달되면 나머지 외부반사영역에서 반사된 신호는 광 파이버에 영향을 주지 않고 반사된다. 전달된 빛은 각각의 단계별로 소실되는 데, 이때 소실된 빛은 입력 출력 단의 광 파이버에 영향이 없는 영역에서 투과하여 방출되므로 송수신 신호와 무관하게 감쇠 가능한 것이다.
한편 본 발명의 구체적인 실시를 위하여 상기 실시예에서의 외부 반사영역과, 내부 전반사영역 및 소실영역의 길이를 각각로 나타내며 이들과 폭을w로 나타내는데 이들의 기하학적인 조합에 의하여 상기 차단막의 형상이 결정되며, 상기 차단막 형상의 설계인자(parameter)들은 광파이버와 공기 및 실리콘재질 차단막의 굴절률에 의해 영향을 받게 된다.
한편 본 발명에 의한 가변 광감쇠기는 실리콘 가변 도파로를 차단막으로 채용함으로서 금속이 입혀져 있지 않기 때문에 본 발명의 실시예에서 반사된 빛은 금속막이 입혀져 있을 경우와 비교했을 때 약 30%로 광량이 적어지게 된다.
도 7은 본 발명에 의한 가변 광감쇠기에 의한 빛의 진행을 개략적으로 나타내는 도면으로서 도시된 바와 같이, 입사하는 빛은 실리콘 도파로에 의해 걸러진 부분과 자유롭게 출력 단으로 나가는 두개의 부분으로 나누어지게 되며, 걸러진 신호는 실리콘 도파로의 선단부에 위치한 경계면에서 다시 부분적으로 통과되거나 반사되는데, 이 때 실리콘 도파로 내부로의 입사율은 약 70% 정도이다.
본 발명에 의한 실리콘 재질의 차단막형 가변 광감쇠기는 전술한 바와 같이 타 구동 방식의 가변 광감쇠기는 물론이고, MEMS 방식의 가변 광감쇠기에 비해서도 손실 특성, 파장 의존성, 소형화 가능성 등에서 월등히 우수한 성능을 가질 수 있게 된다.
즉 본 발명에 의한 가변 광감쇠기는 종래의 차단형 가변 광감쇠기와는 달리 실리콘 가변 도파로에 금속공정이 필요하지 않으며 이로 인한 제조 공정의 간소화를 가져올 수 있다.
본 발명에 의한 가변 광감쇠기는 실리콘 도파로에 의해 반사되는 빛이 기존의 금속 차단막에 비해 약 30%정도이므로 반사된 빛에 의한 역반사 및 감쇠량 변화의 영향을 줄일 수 있고, 실리콘 도파로로 입사된 감쇠 광량은 송신 및 수신부에 영향을 주지 않는 도파로의 감쇠 영역에서 반사와 투과를 반복하며 소멸된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 기재된 사항이외에도 이에 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. 부연하면 차단막 재질의 경우 실리콘을 바람직한 실시예의 하나로 나타내었지만 이는 동일 또는 유사한 성질을 갖는 다른 재질에 의해서도 실현 가능하며, 상기 차단막에서의 반사 및 입사의 비율도 다양한 형태로 실현 가능한 것임을 밝혀 두고자 한다.
본 발명의 광감쇠기는 종래의 PLC 도파로형 가변 광감쇠기나 MARS형 가변 광감쇠기에 비하여 파장 의존성 및 공정삽입 손실이 적고 거울을 사용하는 구조에 비해 반사면에 의한 편광 손실이 적으며 기계식 가변 광감쇠기에 비해 저가 소형화 상품으로 개발이 가능한 것으로서, 금속 박막 코팅과정이 없는 실리콘 재질의 차단막형 가변 도파로를 MEMS 액츄에이터로 구동하는 원리를 이용함으로써, 제작 공정이 간단하고 우수한 성능을 기대할 수 있다.
또한 기존의 기계식 커넥터 형 감쇠기에 비해 제품의 크기 및 가격을 현저히 줄여 경쟁력이 우수한 상품을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 빛을 송신하는 전송 파이버와;
    상기 전송 파이버와 동축으로 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버와;
    상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에서 빛을 흡수하여 전송 광량을 조절하는 차단막과;
    상기 차단막을 광축에 대하여 수직으로 구동시키기 위한 액츄에이터를 포함하고,
    상기 차단막은, 직사각 형상을 갖는 내부 전반사 영역과, 상기 내부 전반사 영역으로부터 차단막의 끝단까지 형성되며 상기 전송 파이버에 인접한 면이 상기 광축에 대하여 소정의 각도로 기울어지 외부 반사영역, 및 상기 내부 전반사 영역으로부터 상기 액츄에이터까지 형성되며 상기 전송 파이버 및 수신 파이버에 인접한 면 중 적어도 일측에 소정의 각도로 기울어진 면을 갖는 소실 영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 광 감쇠기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 차단막은 실리콘을 재질로 하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 차단막은 도파로인것을 특징으로 하는 가변 광 감쇠기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 차단막은 빛의 일부는 광축과 상관없는 방향으로 반사하고, 나머지는 내부로 흡수하여 상기 전송 파이버 및 수신 파이버와 무관한 지역에서 빛을 소실시키는 것을 특징으로 하는 가변 광 감쇠기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 차단막은 약 30%는 반사하고, 약 70%는 내부로 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 반사영역 및 소실영역은 웨지 형상을 나타내며, 내부 전반사 영역은 직사각형 형상을 나타내는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
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