KR100533535B1 - 열구동 파장가변 필터 - Google Patents

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KR100533535B1
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Abstract

본 발명은 미소기전집적시스템(MEMS: Micro-Electro-Mechanical System) 형태의 파장가변 필터에 관한 것으로, 광축이 정렬된 두 개의 광섬유 혹은 광 도파로, 상기 광섬유 혹은 광 도파로 앞단에서 빛을 모아주는 두 개의 렌즈, 하나의 기판에 형성된 두 개 혹은 그 이상의 반사경, 적어도 하나의 상기 반사경을 지지하는 열구동체를 포함하며, 전류의 흐름에 따른 열구동체의 열팽창에 의해 상기 반사경이 구동된다. 반사경들이 하나의 기판에 모두 형성되므로 서로 다른 기판에 형성된 반사경을 조립하는 구조에 비하여 제작 과정이 간단하고 초기 공진 파장을 정밀하게 조절할 수 있으며, 열구동체에 직접 전류를 흘려 열팽창시키므로 적은 소모 전력으로 구동이 가능하다. 또한, 반사경을 움직이는 데 정전력을 이용하지 않으므로 반사경들 사이의 고착 현상이 일어나지 않아 정전구동에 의한 파장가변 필터에 비하여 더 넓은 범위의 파장가변이 가능하며, 평면 형태의 반사경이 서로 평행하게 배열되므로 광정렬이 쉽고 선폭이 일정하며 삽입 손실이 적다.

Description

열구동 파장가변 필터 {Thermally actuated wavelength tunable optical filter}
본 발명은 파장다중분할(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 방식의 광통신 시스템에서 원하는 파장의 광을 입사 또는 출력하기 위한 파장가변 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열구동으로 동작되는 파장가변 필터에 관한 것이다.
하나의 광섬유를 통해 파장이 다른 여러 채널의 광신호를 송수신하는 파장다중분할(WDM) 광통신 시스템에서는 각 단말과 분기점에서 원하는 파장의 빛을 합치거나 분리해내는 과정이 필요하다. 이를 위해 파장가변 필터가 사용된다. 기존의 파장가변 필터는 교대로 적층되며 굴절률이 서로 다른 반도체 혹은 유전체로 이루어지는 분산 브래그 반사경(Distributed Bragg Reflector: DBR) 사이에 전압을 가하여 정전력에 의해 서로 거리가 가까워지도록 구성된다. 이러한 파장가변 필터는 두 반사경 사이의 거리가 처음 간격의 2/3 이하가 되면 서로 달라 붙어 고착되어 버리기 때문에 구동 범위가 처음 간격의 1/3 이하로 한정된다. 또한, 파장 선택성을 높이기 위해서 DBR의 페어(pair) 수를 늘리면 구동체의 두께도 증가되어 구동 전압이 급격하게 증가한다. 이 경우 별도의 고전압 발생 장치를 사용해야 하기 때문에 제작 비용이 상승하며, 구동 전압이 한계치를 넘어서면 두 반사경 사이에 방전이 일어나 절연체가 파손됨으로써 소자를 더 이상 사용하지 못하게 된다. 그래서 이를 방지하기 위해서 반사경과 구동체를 각각 다른 물질이나 다른 두께로 제작하는 방법들이 연구되었는데 제작 과정이 복잡해지는 단점이 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 최근에는 열팽창을 이용한 구동 방식이 연구되고 있다.
그 하나의 방법으로, 열팽창률이 다른 두 물질이 위, 아래로 접합된 캔틸레버(cantilever)에 열을 가해줌으로써 열팽창률이 작은 쪽으로 휘어지는 원리를 이용한다(T. Amano et al., J. Lightwave Technol., vol. 21, pp. 596-601, 2003). 즉, 열팽창률이 다른 두 물질이 위, 아래로 접합된 캔틸레버 형태의 구동체를 만들고, 한 쪽은 고정부에 고정하고 다른 한 쪽에는 하나의 반사경을 연결한다. 고정부에 위치한 두 전극 사이에 전류를 흘리면 발생하는 열에 의해 캔틸레버가 위, 아래 방향으로 휘고, 이에 의해 캔틸레버 끝에 연결된 반사경이 같이 움직여 두 반사경 사이의 거리가 멀어지거나 가까워진다. 따라서 초기 제작 과정에서 캔틸레버 위 혹은 아래 부분의 열팽창률을 상대적으로 높게 함으로써 반사경의 이동 방향을 결정할 수 있다. 이 방법은 반사경이 하나의 캔틸레버에만 고정되기 때문에 캔틸레버가 휘어짐에 따라 처음에는 평행하던 두 반사경이 기울어지며, 이에 따라 선폭이 넓어지고 빛의 투과율이 낮아지는 문제가 있다. 한편, 전류의 흐름에 의해 고정부에서 발생된 열이 캔틸레버로 전도되기 때문에 발생된 열의 일부가 고정부에서 손실되고 나머지 일부만이 반사경을 구동하는 데 사용된다. 따라서 효율이 낮고 전력 소모가 많은 단점이 있다.
다른 하나의 방법으로, 구동체 길이 방향으로의 열팽창을 이용한다. 즉, 하나의 반사경을 지지하는 네 개의 구동체를 각각 두 개씩 같은 전극에 연결하고, 한쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 전류를 흘리면 구동체에서 발생된 열에 의해 구동체의 길이가 늘어나 반사경이 서로 멀어지는 방향으로 움직이게 된다(F. Riemenschneider et al., IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, pp. 1566-1568, 2002). 이 구조는 두 개의 서로 다른 기판에 각각 하나씩의 반사경을 증착한 후 서로 마주보게 접합하고 한 쪽의 기판을 없애는 방법으로 제작된다. 이 때 두 반사경의 고착을 막기 위해 한 쪽 반사경에 고유응력이 다른 두 물질을 증착하여 기판을 제거하는 과정에서 자연적으로 볼록한 형태로 변형되도록 한다. 그러나 이 방법은 볼록하게 변형된 반사경의 곡률반경은 물론 두 기판 사이의 간격을 일정하게 재현시키기 어렵기 때문에 두 반사경 사이의 초기 간격이 일정하지 않은 단점이 있다. 또한, 두 반사경 사이의 거리를 d, 두 반사경 사이에 존재하는 물질의 굴절률을 n이라고 하면, 서로 이웃한 공진 파장의 간격(Free Spectral Range: FSR) 는 로 정의되는데, 두 반사경 사이의 초기 거리 d가 수 십 ㎛에 달하므로 FSR은 수십 ㎚ 이하가 된다. 따라서, 구동 거리는 100㎚ 이상이 되더라도 이용 가능한 파장가변 영역은 FSR에 의해 수십 ㎚로 제한된다. 이와 함께 볼록한 반사경을 사용하기 때문에 곡률 반경에 따른 정확한 입사 광 크기를 맞추어주지 않으면 투과 선폭이 넓어져서 파장 선택성이 떨어지고 삽입 손실도 증가하게 된다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 결정성장법으로 하나의 기판 위에 반사경들을 모두 형성하여 제작 공정을 단순화시키고 초기 공진기 길이를 재현성 있게 구현하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반사경들을 지지하는 열구동체에 직접 전류를 흘려 열팽창에 의해 열구동체가 구동되도록 함으로써 파장가변 범위가 넓고 저전력으로 구동이 가능하도록 하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 평면 형태의 반사경들이 평행을 유지하면서 구동되도록 함으로써 투과 선폭이 좁고 삽입 손실이 적은 특성을 가지도록 하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열구동 파장가변 필터는 광축이 정렬된 두 개의 광섬유 혹은 광 도파로와, 상기 광섬유 혹은 광 도파로 사이에 위치된 입사광용 렌즈 및 출력광용 렌즈와, 상기 렌즈 사이에 위치되며 공기층을 사이에 두고 서로 마주보는 반사경들과, 적어도 하나의 상기 반사경을 지지하는 열구동체를 포함하며, 전류의 흐름에 따른 상기 열구동체의 열팽창에 의해 상기 반사경이 상부 또는 하부 방향으로 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 열구동체가 상기 반사경의 양측에 각각 연결되며, 상기 각 열구동체의 종단부와 인접하는 다른 반사경의 양측 종단부 사이에 일정한 거리 유지를 위해 스페이서가 각각 삽입된 것을 특징으로 한다.
상기 열구동체가 상기 반사경의 양측과 평행하게 형성되되, 지지대에 의해 상기 반사경과 연결되며, 상기 각 열구동체의 종단부와 인접하는 다른 반사경의 양측 종단부 사이에 일정한 거리 유지를 위해 스페이서가 각각 삽입된 것을 특징으로 한다.
상기 열구동체가 상기 반사경의 양측에 각각 연결되고, 상기 반사경의 다른 양측 혹은 상기 열구동체에 기울어짐을 방지하기 위한 탄성체가 연결되며, 상기 각 열구동체의 종단부와 인접하는 다른 반사경의 양측 종단부 사이에 일정한 거리 유지를 위해 스페이서가 각각 삽입된 것을 특징으로 한다.
상기 열구동체를 통해 흐르는 전류의 방향과 수직 방향으로 자기장을 형성하기 위한 영구자석 혹은 전자석을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 구조도이다.
광축이 정렬된 두 개의 광섬유 혹은 광 도파로(11 및 12)가 소정의 거리로 이격되어 위치하고, 상기 광섬유 혹은 광 도파로(11 및 12)의 앞 단에는 빛을 모아주기 위한 렌즈(21 및 22)가 위치된다. 두 개의 렌즈(21 및 22) 사이에는 공기층을 사이에 두고 마주하는 한 쌍의 반사경(31 및 32)이 위치한다. 이 중 하나의 반사경(31)은 구동이 가능하도록 양측이 열구동체(41 및 42)에 의해 지지되며, 다른 하나의 반사경(32)은 열구동체가 없이 고정된 형태로 이루어진다. 상기 열구동체(41 및 42)의 양측 종단부(51 및 52)와 하부 반사경(32)의 양측 종단부 사이에는 스페이서(61 및 62)가 존재하여 외부로부터 힘이 가해지지 않은 상태에서 상기 반사경(31 및 32)이 일정한 간격을 유지하도록 한다. 상기 구동 가능한 상부 반사경(31)의 양측 종단부 표면에는 전극부(71 및 72)가 각각 형성된다.
입력단의 광섬유 혹은 광 도파로(11)를 통해 입사되는 빛은 렌즈(21)에 의해 모아지고, 두 개의 반사경(31 및 32)으로 이루어진 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진기를 지나면서 두 반사경(31 및 32) 사이의 유효 공진기 길이(L eff )에 의해서 공진 파장()의 빛만 투과하게 된다. 이에 따른 유효 공진기 길이와 공진 파장 사이의 관계는 하기의 수학식 1과 같다. 파브리-페로 공진기를 투과한 빛은 다시 반대편 렌즈(22)에 의해 모아져 출력단의 광섬유 혹은 광 도파로(12)로 입사된다.
(단, m은 자연수)
본 발명은 반사경(31 및 32) 사이의 거리를 양 방향으로 조절하기 위해서 열구동체의 열팽창을 이용한다. 양측 전극부(71 및 72)에 전압을 인가하면 저항을 가진 열구동체(41 및 42)와 그 사이에 위치한 반사경(31)을 통하여 전류가 흘러 열이 발생하고, 이 열에 의하여 열구동체(41 및 42)가 열팽창된다. 이 때 열팽창은 열구동체(41 및 42)와 반사경(31)을 포함하는 평면 내부에서 일어나지만 양 쪽 종단부(51 및 52)가 스페이서(61 및 62)에 의해 고정되어 있으므로 열구동체(41 및 42)가 위, 혹은 아래 방향으로 휘게 된다. 따라서 열구동체(41 및 42)에 의해 지지되는 반사경(31)이 위, 혹은 아래 방향으로 움직이므로 결국 두 반사경(31 및 32) 사이의 거리가 멀어지거나 가까워지게 된다. 상기 구조에서는 상기 열구동체(41 및 42)를 통해 전류가 흐르면서 열이 발생되고, 이 열에 의해 열구동체(41 및 42)가 팽창된다. 따라서 고정부에서 발생된 열이 캔틸레버를 통해 전도되는 종래의 구조에 비하여 효율적이며 낮은 소모 전력으로 저전압의 구동이 가능하다.
도 1과 같은 구조의 파장가변 필터를 제작할 때 제작 공정을 간단하게 하고 두 반사경(31 및 32) 사이의 거리를 일정하게 재현하기 위해서, 본 발명에서는 결정성장법을 이용하여 하나의 기판에 두 반사경(31 및 32)을 모두 형성하는 방법을 이용한다. 도 2a 내지 도 2g를 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 제작 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 2a를 참조하면, 기판(도시않됨) 위에 하부 반사경층(103), 희생층(102) 및 상부 반사경층(101)을 순차적으로 형성한다. 상기 하부 반사경층(103), 희생층(102) 및 상부 반사경층(101)은 분자선 증착법(Molecular Beam Epitaxy: MBE), 금속유기 화학기상 증착법(Metal-Organic Chemical-Vapor Deposition: MOCVD), 화학기상 증착법(Chemical Capor Deposition: CVD), 플라즈마 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등의 방법으로 형성한다.
도 2b를 참조하면, 상기 상부 반사경층(101) 위에 감광막(Photo Resist: PR) 혹은 PMMA와 같은 마스크 물질을 도포하고 리소그라피 방법을 이용하여 전극 모양과 반전된 모양의 마스크 패턴(111)을 형성한다.
도 2c를 참조하면, 전체 상부면에 도전물질을 증착한 후 마스크 패턴(111)을 제거하여 상기 상부 반사경층(101)의 표면에 전극(121)이 형성되도록 한다. 일반적인 반도체 소자 제조 공정에서는 전극을 전체 공정의 후반부에서 형성하지만, 본 발명은 고착 현상을 방지하기 위해서 희생층(102)을 제거한 후에는 리소그라피 공정을 진행할 수 없기 때문에 희생층(102) 제거 공정 이전에 전극(121)을 형성한다.
도 2d를 참조하면, 전체 상부면에 마스크 물질을 도포하고 리소그라피 방법을 이용하여 상기 전극(121)을 포함하는 소정 영역, 상부 반사경이 형성될 영역, 그리고 상부 반사경을 지지하는 열구동체가 형성될 영역에만 마스크 패턴(112)이 남도록 한다. 이 때 사용되는 마스크 물질은 그 다음 공정인 1차 식각 공정의 종류에 따라서 열구동 파장가변 필터에 사용된 물질 즉, 하부 반사경층(103), 희생층(102) 및 상부 반사경층(101)과의 식각 선택성이 높아야 한다. 예를 들어, 식각 공정에 따라 감광막이나 PMMA를 사용하거나, 또는 SiNx나 SiOx와 같은 유전체를 사용할 수 있다.
도 2e를 참조하면, 상기 마스크 패턴(112)을 식각 마스크로 이용한 1차 식각 공정으로 마스크 패턴(12)으로 덮이지 않고 노출된 부분의 상기 상부 반사경층(101), 희생층(102) 및 하부 반사경층(103)의 일부 또는 전체 두께를 순차적으로 식각하여 상부 반사경(131)과 상부 반사경(131)의 양측을 지지하는 열구동체(141 및 142)를 형성한다. 이 때 식각이 수직한 방향으로 이루어지도록 하는 것이 중요하므로 습식 식각보다는 건식 식각을 이용하는 것이 바람직하다.
도 2f를 참조하면, 상기 마스크 패턴(112)를 제거한다.
도 2g를 참조하면, 상기 상부 반사경(131) 및 열구동체(141 및 142)와 하부 반사경(103) 사이에 잔류되는 희생층(102)을 제거하기 위해 2차 식각 공정을 실시한다. 이 때 전극(121)이 형성된 열구동체(141 및 142) 종단부와 하부 반사경(103)의 종단부 사이에 잔류되는 희생층(102)은 상부 및 하부 반사경(131 및 103)이 일정한 간격을 유지하도록 하기 위한 스페이서(도 1의 61 및 62)로 이용된다. 2차 식각 공정은 상부 및 하부 반사경(131 및 103)을 구성하는 물질에 대해서는 식각이 진행되지 않으며, 희생층(102)을 구성하는 물질에 대해서만 식각이 진행되는 용액 혹은 기체를 사용하여 진행한다.
도 1에는 반사경(31)의 양측에 열구동체(41 및 42)가 연결된 막대 스프링 구조를 예로 들어 설명하였지만, 전류의 흐름에 의해 발생되는 열팽창에 의해 반사경(31 및 32) 사이의 거리가 조절될 수 있는 조건을 만족하는 모든 열구동체 구조를 적용할 수 있다. 또한, 하나의 반사경(31)만이 열구동체(41 및 42)에 연결되고, 다른 반사경(32)은 고정된 구조를 도시하였지만, 두 반사경(31 및 32)이 각각의 열구동체에 연결되어 있고 개별적으로 움직이는 구조로도 구성할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 구조도로서, 반사경을 통해 전류가 흐르지 않도록 구성된 열구동체를 구비한다.
상기 도 1과 같이 구성된 파장가변 필터는 열구동체(41 및 42) 사이에 반사경(31)이 위치하기 때문에 전류가 흐르면서 전하에 의하여 빛의 흡수가 증가하거나, 반사경(31)을 이루는 물질의 물성 변화로 인해 공진 파장의 변화가 일어날 수 있다. 또한, 열구동체(41 및 42)와 반사경(31)을 포함하는 전체 구조가 휘기 때문에 반사경 내부에서도 변형이 일어나므로 입사되는 빛의 모드에 따라 광특성이 다르게 나타날 수 있다. 따라서 본 발명은 도 3a와 같이 반사경(31)의 양측과 평행하게 열구동체(43 및 44, 45 및 46)를 형성하고, 열구동체(43 및 44, 45 및 46)가 지지대(81 및 82)에 의해 반사경(31)에 연결되도록 한다. 즉, 네 개의 열구동체(43, 44, 45 및 46)와 중앙 부분의 지지대(81 및 82)를 이용하여 반사경을 지지함으로써 전류가 반사경(31)을 직접 통해 흐르는 것을 방지할 수 있으며, 열구동체가 휘더라도 반사경은 평행을 유지하게 된다. 도 3b는 도 3a의 등가 전기회로도이다. 각 열구동체(43, 44, 45 및 46)의 저항을 R1, R2, R3, R4, 지지대(81 및 82)와 반사경(31)의 저항을 R이라 할 때, R1/R2 = R3/R4의 관계가 성립하면 Wheatstone bridge가 형성되어 도 3b의 점 A와 B가 등전위가 되므로 저항 R을 통한 전류의 흐름이 일어나지 않는다.
열팽창에 의해 반사경이 움직이는 방향은 초기에 열구동체(41 및 42)와 반사경(31)을 포함한 전체 구조에 내재되어 있는 미세한 응력 차이나, 전류의 불균일한 흐름에 의한 온도 분포 등에 의해서 결정된다. 이러한 불확실성을 해소하기 위해서는 열구동체의 위, 아래 부분의 저항을 다르게 하여 온도 차이를 주거나, 내재 응력을 의도적으로 만들어 줌으로써 한 방향을 선호하게 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 구조도로서, 외부의 자기장에 의해 구동 방향이 결정되도록 한 구조이다.
열구동체(41 및 42)와 반사경(31)을 포함하는 평면 내부에 자석 혹은 전자석(91 및 92)을 이용하여 전류의 방향과 수직한 외부 자기장을 걸어줌으로써 전류의 방향에 따라 구동 방향이 결정되도록 할 수 있다. 로렌츠 힘을 이용하는 이 방법은 전류의 방향을 외부에서 바꾸어 줌으로써 소자가 제작된 후에도 초기 구동 방향을 선택할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 도 4와 같이 자속선(93)이 뒤에서 앞으로 나오는 경우 왼쪽 전극(71)에서 오른쪽 전극(72) 방향으로 전류를 흘리면 아래쪽 방향으로 로렌츠 힘이 작용하므로 두 반사경(31 및 32)이 가까워지는 방향으로 움직이며, 오른쪽 전극(72)에서 왼쪽 전극(71) 방향으로 전류를 흘리면 위쪽 방향으로 로렌츠 힘이 작용하므로 두 반사경(31 및 32)이 멀어지는 방향으로 움직인다. 열팽창에 의한 구동 방향과 로렌츠 힘의 작용 방향이 동일하기 때문에 외부 자기장이 없는 경우와 비교하여 같은 전류일 때 보다 넓은 파장가변이 가능하다.
또한, 도 1과 같이 2개의 열구동체를 이용하여 반사경의 양측을 지지하는 경우 열팽창 과정에서 반사경이 열구동체를 축으로 회전하여 기울어질 수 있으며, 이로 인하여 투과 파장이 불안정하고 선폭이 넓어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 구조도로서, 반사경의 회전으로 인한 기울어짐을 방지하기 위하여 전류가 흐르는 열구동체(41 및 42)와 수직한 방향으로 새로운 탄성체(47 및 48)를 반사경(31)에 대칭적으로 연결한 구조이다. 또 다른 구조로서, 새로운 탄성체를 열구동체에 대칭적으로 연결하여 열구동체의 비틀림이 방지되도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제작된 열구동 파장가변 필터의 광특성을 도시한 그래프이다.
반사경(31 및 32)은 GaAs/Al0.7Ga0.3As로 제작하고, 상부 반사경(31)은 31.5쌍, 하부 반사경(32)은 37쌍으로 제작하였다. 상부 반사경(31)의 직경은 40㎛이고, 열구동체(41 및 42)의 길이는 230㎛, 폭은 10㎛, 두께는 7.64㎛이다.
구동전압이 1V에서 4.6V로 변하는 동안 전체 파장가변 범위는 47㎚이며, 최대 소비전력은 5㎽ 이하였다. 이 때 상부 반사경(31)의 이동거리는 132㎚에 해당되는데, 같은 구조의 소자를 정전기력으로 구동한다면 최대 전압이 26V 정도 필요할 것으로 예상된다. 따라서 정전기력으로 구동시키는 종래의 구조에 비해 최대 구동전압을 1/5 이하로 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
그래프에서 선 A는 1V, 선 B는 2.5V, 선 C는 3.8V, 선 D는 4.6V의 구동전압에서의 광특성을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 제작된 열구동 파장가변 필터의 광특성을 도시한 그래프이다.
반사경(31 및 32)은 GaAs/Al0.7Ga0.3As로 제작하고, 상부 반사경(31)은 21.5쌍, 하부 반사경(32)은 27쌍으로 제작하였다. 상부 반사경(31)의 직경은 40㎛이고, 열구동체(41 및 42)의 길이는 200㎛, 폭은 7㎛, 두께는 5.2㎛이다.
최대 전압이 1.7V일 때 최대 소비전력은 0.92㎽이며, 전체 파장가변 범위는 69㎚였다. 이 때 상부 반사경(31)의 이동거리는 225㎚에 해당되는데, 같은 구조의 소자를 정전기력으로 구동한다면 최대 전압이 64V 정도 필요할 것으로 예상된다. 따라서 구동전압이 낮아 CMOS 회로만으로도 구동이 가능하며, 소비전력도 종래보다 크게 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 그래프에서 선 E는 0V, 선 F는 1.0V, 선 G는 1.5V, 선 H는 1.7V의 구동전압에서의 광특성을 나타낸다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 하나의 기판 위에 파장가변 필터의 모든 구조를 형성하고, 반사경을 지지하는 열구동체를 통해 전류가 흐르도록 함으로써 열구동체의 열팽창에 의해 반사경이 구동된다. 따라서 위, 아래 반사경은 물론 희생층의 두께도 결정성장 과정에서 정확하게 조절할 수 있고, 고착 현상을 막기 위한 목적으로 진행되는 스트레스를 이용한 볼록한 형태의 반사경 형성 과정이 제작 과정에 포함되지 않는다. 따라서 초기 투과 파장이 모든 소자에 대해서 일정하게 재현되도록 할 수 있다. 또한, 다른 기판에 형성된 반사경을 조립하는 종래의 구조에서는 두 반사경 사이의 거리가 수 십 ㎛가 되기 때문에 구동 범위보다 FSR에 의하여 파장가변 범위가 제한되는 데 반하여, 본 발명에 따른 파장가변 필터의 경우 두 반사경 사이의 거리를 수 ㎛ 두께로 정밀하게 조절할 수 있으므로 FSR이 구동 범위보다 충분히 커서 보다 넓은 파장가변 범위를 구현할 수 있다.
서로 다른 기판에 두 개의 반사경을 제작하여 조립한 형태의 열구동 파장가변 필터는 두 기판을 마주보고 접합하는 조립 과정을 필요로 하며, 이 과정에서 두 반사경의 고착 현상을 방지하기 위해서 한 쪽 반사경을 볼록한 형태로 제작한다. 그러므로 입사되는 빛의 크기를 반사경의 곡률 반경에 따라 특정 값으로 맞추어 주지 않으면 삽입 손실이 증가하고 선폭이 넓어진다. 또한 캔틸레버 형태의 구동체를 사용하는 소자에서는 구동이 커질수록 반사경의 기울어짐으로 인한 선폭 증가가 발생한다. 그러나 본 발명에서는 두 반사경이 희생층 두께만큼 분리되어 형성되고, 건식 식각 공정을 사용하거나 습식 식각 후 승화 혹은 초임계 건조(supercritical drying) 방법으로 식각 용액을 제거하면 고착 현상을 방지할 수 있다. 따라서 두 반사경 모두 평면으로 제작이 가능하고, 모든 구동 범위에서 두 반사경이 평행을 유지하도록 열구동체를 배치함으로써 반사경 직경보다 작은 어떤 크기의 빛에 대해서도 선폭 변화 없이 동일한 광특성을 얻을 수 있다. 그러므로 파장가변 대역에서 동일한 성능을 나타내며, 별도의 정렬이나 모드 조절 과정이 필요하지 않기 때문에 제작과 조립 과정에서 시간과 비용을 절감할 수 있다.
또한, 열구동체에 직접 전류를 흘려 발생하는 열로 열팽창시키므로 매우 낮은 전력으로도 구동이 가능하다. 정전기력으로 구동하는 기존의 방법에 비하여 훨씬 낮은 전압으로 구동이 가능하므로 별도의 고전압 발생 장치를 사용하지 않아도 되며, 구동 중 정전력으로 인한 고착 현상이 발생할 가능성이 최소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 구조도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 열구동 파장가변 필터의 제작 과정을 설명하기 위한 단면도.
도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 구조도.
도 3b는 도 3a의 등가 전기회로도.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 구조도.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 구조도.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 광특성 그래프.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열구동 파장가변 필터의 광특성 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 12: 광섬유 혹은 광도파로 21, 22: 렌즈
31, 32: 반사경
41, 42, 43, 44, 45, 46: 열구동체
47, 48: 탄성체 51, 52: 종단부
61, 62: 스페이서 71, 72: 전극부
81, 82: 지지대 91, 92: 전자석 혹은 영구자석
93: 자기장 101: 상부 반사경층
102: 희생층 103: 하부 반사경층
111, 112: 마스크 물질 121: 전극 물질
131: 상부 반사경 141, 142: 열구동체

Claims (7)

  1. 광축이 정렬된 두 개의 광섬유 혹은 광 도파로와,
    상기 광섬유 혹은 광 도파로 사이에 위치된 입사광용 렌즈 및 출력광용 렌즈와,
    하나의 기판 위에 공기층을 사이에 두고 서로 마주보도록 형성되며, 상기 렌즈 사이에 위치되는 반사경들과,
    적어도 하나의 상기 반사경을 지지하는 열구동체를 포함하며,
    전류의 흐름에 따른 상기 열구동체의 열팽창에 의해 상기 반사경이 상부 또는 하부 방향으로 구동되는 것을 특징으로 파장가변 필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열구동체가 상기 반사경의 양측에 각각 연결되며, 상기 각 열구동체의 종단부와 인접하는 다른 반사경의 양측 종단부 사이에 일정한 거리 유지를 위해 스페이서가 각각 삽입된 것을 특징으로 하는 파장가변 필터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 열구동체가 상기 반사경의 양측과 평행하게 형성되되, 지지대에 의해 상기 반사경과 연결된 것을 특징으로 하는 파장가변 필터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 열구동체가 상기 반사경의 양측에 각각 연결되고, 상기 반사경의 다른 양측 혹은 상기 열구동체에 기울어짐을 방지하기 위한 탄성체가 연결된 것을 특징으로 하는 파장가변 필터.
  5. 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 각 열구동체의 종단부에 전류를 흐르게 하기 위한 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 파장가변 필터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 열구동체는 상부 및 하부의 저항이 서로 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 파장가변 필터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 열구동체를 통해 흐르는 전류의 방향과 수직 방향으로 자기장을 형성하기 위한 영구자석 혹은 전자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장가변 필터.
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