KR100594040B1 - 듀얼 밴드 파장분할 다중화기 - Google Patents

듀얼 밴드 파장분할 다중화기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 제1 및 제2 슬랩 도파로들과, 상기 제1 및 제2 슬랩 도파로들을 연결하는 복수의 채널 도파로들과, 상기 제1 슬랩 도파로와 연결된 입력부와, 상기 제2 슬랩 도파로와 연결된 출력부를 갖는 파장분할 다중화기에 있어서, 상기 입력부는, 외부로부터 광신호를 수신하기 위한 입력 도파로와; 상기 입력 도파로와 연결되며, 제1 밴드의 광신호를 제1 연결 도파로로 출력하고, 제2 밴드의 광신호를 제2 연결 도파로로 출력하기 위한 파장분할다중 필터와; 상기 제1 연결 도파로를 통해 상기 파장분할다중 필터와 연결되고, 입력된 제1 밴드의 광신호를 모드 변환하기 위한 제1 모드 변환기와; 상기 제2 연결 도파로를 통해 상기 파장분할다중 필터와 연결되고, 입력된 제2 밴드의 광신호를 모드 변환하기 위한 제2 모드 변환기를 포함하고, 상기 제1 모드 변환기의 출력 모드의 폭과 상기 제2 모드 변환기의 출력 모드의 폭은 서로 다르다.
파장분할 다중화기, 모드 변환기, 파장분할다중 필터, 듀얼 밴드

Description

듀얼 밴드 파장분할 다중화기{DUAL-BAND WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXER}
도 1은 전형적인 플랫탑 AWG의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 도 1의 입력부를 확대한 도면,
도 3은 도 1의 출력부를 확대한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 밴드 파장분할 다중화기의 구성을 나타내는 도면,
도 5는 도 4에 도시된 파장분할 다중화기의 입력부를 나타낸 도면,
도 6 및 도 7은 도 4에 도시된 파장분할 다중화기의 출력부를 나타낸 도면들,
도 8 및 도 9는 도 4에 도시된 파장분할 다중화기의 출력 특성을 설명하기 위한 그래프들.
본 발명은 광소자에 관한 것으로서, 특히 파장분할 다중화기에 관한 것이다.
광전송망에서 파장분할 (역)다중화기(wavelength division multiplexer/demultiplexer)로 사용되는 광도파로열 격자(arrayed waveguides grating: AWG)가 상자 모양과 같은(box-like) 평탄한 투과 밴드 특성을 갖는 것(이러한 AWG를 플랫탑 AWG라고 함)은 사용되는 광원의 파장의 유동 허용도(drift tolerance)를 증가시키고 연속적으로 AWG를 사용할 경우 전체적인 투과 밴드폭을 유지할 수 있기 때문에 그 필요성이 점점 더 커지고 있다.
도 1은 전형적인 플랫탑 AWG의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 입력부를 확대한 도면이고, 도 3은 도 1의 출력부를 확대한 도면이다. 상기 AWG(100)는 입력 도파로(input waveguide, 110), 모드 변환기(mode converter, 120), 제1 슬랩 도파로(slab waveguide, 130), 복수의 채널 도파로들(channel waveguide, 140), 제2 슬랩 도파로(150) 및 복수의 출력 도파로들(output waveguide, 160)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 모드 변환기(120)는 상기 입력 도파로(110)로부터 입력된 광신호의 모드(170) 폭을 확장시킴으로써 기본 모드(fundamental mode, 172)와 2차 모드(secondary mode, 174)를 발생시키고, 상기 모드들(172,174) 간의 에너지 분포를 적절히 조절하여 상기 제1 슬랩 도파로(130)의 단면(132)에 입사하는 광신호의 모드(176)를 가우시안(Gaussian) 함수 형태에서 플랫탑(flat-top) 형태로 만든다. 즉, 상기 모드(176)는 ΔF5의 폭을 갖는 플랫 존(flat zone)을 갖는다.
상기 플랫탑 AWG(100)를 파장 차이가 크게 나는 두 밴드들(예를 들어, O-밴 드와 C-밴드)에서 사용할 때 투과 밴드폭들의 차이가 발생하게 된다. 도 3을 참조하면, 투과 중심 파장(transmission central wavelength) λc로부터 파장이 Δλ만큼 변할 때 제2 슬랩 도파로(150)의 단면(152)에 맺히는 이미지(image, 178)(상기 제1 슬랩 도파로에 입사하는 광신호의 모드(176) 모양과 유사함)의 공간적인 위치 변화량 Δx는 하기 <수학식 1>로 정의된다.
Figure 112004000697213-pat00001
상기 <수학식 1>에서, dx/dλ는 투과 중심 파장 λc에 대한 단위 파장 변화량 대 이미지의 위치 변화량(또는, 이미지 평면의 초점이 이동하는 거리)을 나타내고 하기 <수학식 2>로 정의된다.
Figure 112004000697213-pat00002
상기 <수학식 2>에서, nC는 상기 채널 도파로들(140)의 유효 굴절률(effective refractive index), f는 상기 제1 및 제2 슬랩 도파로들(130,150)의 길이(또는, 상기 채널 도파로들(140)의 초점 거리(focal length)), ΔL은 인접한 채널 도파로들(140)간의 길이차, ns는 제1 및 제2 슬랩 도파로들(130,150)의 유효 굴절률, d는 인접한 채널 도파로들(140)간의 간격을 나타 낸다.
만약, 상기 제2 슬랩 도파로(150)의 단면(152)에 맺히는 이미지(178)의 플랫 존(flat zone)의 폭이 ΔF6(≒ΔF5)이면, 평탄한 투과 밴드폭 Δf는 하기 <수학식 3>으로 정의된다.
Figure 112004000697213-pat00003
따라서, 상기 플랫탑 AWG(100)를 두 밴드들에서 사용할 경우 Δf들은 차이가 나게 된다. O-밴드와 C-밴드를 예로 들어 설명하면, 두 밴드들에서 dx/dλ의 차이는 대략 17% 정도 되지만, 상기 모드 변환기(120)로 인해 ΔF의 차이는 거의 나지 않는다. 따라서, 투과 밴드폭들이 대략 17% 정도 차이가 나게 된다..
상술한 바와 같이, 전형적인 플랫탑 AWG는 투과 밴드폭들의 차이로 인하여 두 밴드들에서 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 두 밴드들에서 투과 밴드폭들이 서로 동일하거나 근접한 듀얼 밴드 파장분할 다중화기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 제1 및 제2 슬랩 도파로들과, 상기 제1 및 제2 슬랩 도파로들을 연결하는 복수의 채널 도파로들과, 상기 제1 슬랩 도파로와 연결된 입력부와, 상기 제2 슬랩 도파로와 연결된 출력부를 갖는 파장분할 다중화기에 있어서, 상기 입력부는, 외부로부터 광신호를 수신하기 위한 입력 도파로와; 상기 입력 도파로와 연결되며, 제1 밴드의 광신호를 제1 연결 도파로로 출력하고, 제2 밴드의 광신호를 제2 연결 도파로로 출력하기 위한 파장분할다중 필터와; 상기 제1 연결 도파로를 통해 상기 파장분할다중 필터와 연결되고, 입력된 제1 밴드의 광신호를 모드 변환하기 위한 제1 모드 변환기와; 상기 제2 연결 도파로를 통해 상기 파장분할다중 필터와 연결되고, 입력된 제2 밴드의 광신호를 모드 변환하기 위한 제2 모드 변환기를 포함하고, 상기 제1 모드 변환기의 출력 모드의 폭과 상기 제2 모드 변환기의 출력 모드의 폭은 서로 다르다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 밴드 파장분할 다중화기의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 파장분할 다중화기의 입력부를 나타낸 도면이며, 도 6 및 도 7은 도 4에 도시된 파장분할 다중화기의 출력부를 나타낸 도면이다. 상기 파장분할 다중화기(200)는 입력 도파로(210)와, 파장분할다중 필터(WDM filter, 220)와, 제1 및 제2 연결 도파로들(connecting waveguide, 212,214)과, 제1 및 제2 모드 변환기들(230,240)과, 제1 및 제2 슬랩 도파로들(250,270)과, 복수의 채널 도파로들(260)과, 복수의 출력 도파로들(280)을 포함한다.
상기 입력 도파로(210)는 외부로부터 제1 또는 제2 밴드들에 속하는 광신호(290)를 수신한다. 상기 제1 밴드는 상기 제2 밴드보다 단파장 밴드이고, 예를 들어, 상기 제1 밴드는 O-밴드이며, 상기 제2 밴드는 C-밴드일 수 있다.
상기 파장분할다중 필터(220)는 상기 입력 도파로(210)와 상기 제1 및 제2 연결 도파로들(212,214) 사이에 배치되며, 상기 파장분할다중 필터(220)는 상기 입력 도파로(210)로부터 입력된 제1 밴드에 속하는 광신호(292)(이하, 제1 광신호)를 제1 연결 도파로(212)로 출력하고, 제2 밴드에 속하는 광신호(294)(이하, 제2 광신호)를 제2 연결 도파로(214)로 출력한다. 상기 파장분할다중 필터는 방향성 결합기(directional coupler), 다중모드 간섭 결합기(multimode interference coupler), 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer), PLC(planar lightwave circuit) 기판에 삽입된 박막 필터(thin film filter) 등을 포함할 수 있다. 제1 밴드의 중심 파장을 λ1이라고 하고, 제2 밴드의 중심 파장을 λ2라고 하며, 이 때 λ1<λ2의 관계가 있다
상기 제1 모드 변환기(230)는 상기 제1 연결 도파로(212)와 상기 제1 슬랩 도파로(250) 사이에 배치되며, 상기 제1 연결 도파로(212)로부터 입력된 제1 광신호(292)를 모드 변환하여 출력함으로써 상기 제1 슬랩 도파로(250)의 단면(252)에 입사하는 제1 광신호 (296)가 폭 ΔF1의 플랫 존을 갖도록 한다.
상기 제2 모드 변환기(240)는 상기 제2 연결 도파로(214)와 상기 제1 슬랩 도파로(250) 사이에 배치되며, 상기 제2 연결 도파로(214)로부터 입력된 제2 광신호(294)를 모드 변환하여 출력함으로써 상기 제1 슬랩 도파로(250)의 단면(252)에 입사하는 제2 광신호(298)가 폭 ΔF2의 플랫 존을 갖도록 한다. 상기 ΔF1은 상기 ΔF2보다 크다. 즉, 상기 제1 모드 변환(230)기의 출력 모드의 폭과 상기 제2 모드 변환기(240)의 출력 모드의 폭은 서로 다르다. 상기 제1 및 제2 모드 변환기들 각각은 Y-분기 도파로(Y-branch waveguide), 다중모드 간섭 결합기, 포물선 모양의 혼 도파로(horn waveguide), 다항 곡선 도파로(polynomial waveguide) 등을 포함할 수 있다.
상기 제1 슬랩 도파로(250)는 상기 제1 및 제2 모드 변환기들(230,240)과 채널 도파로들(260) 사이에 배치되며, 상기 제1 또는 제2 모드 변환기들(230,240)로부터 입력된 제1 또는 제2 광신호들을 회절시킨다.
상기 채널 도파로들(260)은 상기 제1 슬랩 도파로(250)와 상기 제2 슬랩 도파로(270) 사이에 배치되고, 인접한 채널 도파로들(260)은 기설정된 길이차 ΔL에 따라 서로 다른 길이들을 갖는다. 상기 채널 도파로들(260)의 수는 상기 파장분할 다중화기(200)가 처리해야 할 파장 수를 고려하여 설정한다.
상기 제2 슬랩 도파로(270)는 상기 채널 도파로들(260)과 상기 출력 도파로들(280) 사이에 배치되며, 상기 채널 도파로들(260)로부터 출력된 서로 다른 위상의 광들을 그 단면(272) 상에 수렴시키고, 그 수렴 위치는 파장에 따라 달라지게 된다. 도 6에는 상기 제2 슬랩 도파로(270)의 단면(272)에 맺히며 폭 ΔF3의 플랫존을 갖는 상기 제1 광신호의 이미지(300)가 도시되어 있고, 도 7에는 상기 제2 슬랩 도파로(270)의 단면(272)에 맺히며 폭 ΔF4의 플랫존을 갖는 상기 제2 광신호의 이미지(302)가 도시되어 있다. 이 때, dx/dλ(λ1)>dx/dλ(λ2)의 관계에 있으므로 Δx1>Δx2가 되고, ΔF3≒ ΔF1, ΔF4≒ ΔF 2의 관계에 있으므로 ΔF3>ΔF4가 된다.
상기 출력 도파로들(280)은 상기 제2 슬랩 도파로(270)와 연결되며, 서로 다른 파장의 광신호들을 출력하도록 상기 제2 슬랩 도파로(270)의 단면(272) 상의 수렴 위치들에 배치된다.
본 발명은 밴드에 따른 dx/dλ의 변화량을 제1 슬랩 도파로(250)의 단면(252)에 입사하는 광신호의 플랫존의 폭 ΔF의 변화로(결과적으로, 제2 슬랩 도파로(270)의 단면 (272)상에 맺히는 이미지의 플랫존의 폭 ΔF의 변화로) 상쇄시킴으로써, 일정한 투과 밴드폭 Δf를 얻도록 한다. 상기 파장분할 다중화기(200)의 설계 과정을 설명하자면 하기하는 바와 같다.
먼저, 제1 밴드의 중심 파장을 λ1이라고 하고, 제2 밴드의 중심 파장을 λ2라고 하며, 이 때 λ1<λ2의 관계가 있다. 상기 <수학식 2>에서 n C/ns의 변화량은 무시할만한 수준이므로 dx/dλ는 파장이 작을 수록 커지게 된다. 예를 들어, O-밴드 방향으로 갈 수록 dx/dλ가 커지고 L-밴드 방향으로 갈 수록 dx/dλ가 작아지게 된다. 상기 파장분할 다중화기(200)가 두 중심 파장들에서 동작하기 위한 설계 방 정식은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112004000697213-pat00004
Figure 112004000697213-pat00005
Figure 112004000697213-pat00006
Figure 112004000697213-pat00007
Figure 112004000697213-pat00008
초기값들로서, 상기 채널 도파로들(260)의 유효 굴절률 nC, 제2 밴드에서 동작해야 하는 가상의 채널수 N2, 제2 밴드의 채널간 파장 간격 Δλ2, 제2 밴드의 중심 파장 λ2가 주어진다. 따라서, 상기 <수학식 8>에 의해 m2가 결정되며, 상기 <수학식 5>에 의해 계산된 인접한 채널 도파로들(140)간의 길이차 ΔL을 이용하여 상기 <수학식 4>에서 m1을 정수로 만드는 λ1 및 이에 해당하는 m1 이 결정된다. λ2와 계산된 λ1을 이용하여 상기 <수학식 6>을 통해 Δλ1 값을 얻은 후, 상기 <수학식 7>을 이용하여 N1 값을 구한다. 이 때, 제1 밴드에서 동작해야 하는 가상의 채널수 N1 값은 원래 설계하려는 채널 수보다 커야 하므로 만약 작다면 가상의 채널 수인 N2 값을 증가시켜서 위의 과정들을 반복하여 N1을 원하는 값 이상으로 만들도록 한다.
상술한 설계 과정을 O/C 듀얼 밴드 16채널 AWG 설계에 적용하면 아래와 같다. 초기값들로서 λ2=1552.52㎚, Δλ2=0.8㎚, N2=30.24가 주어지면, m 2=60이 된다. 6.5㎛×6.5㎛의 코어(core) 크기에 Δn=0.75%인 도파로를 가정하면, nc(λ2)=1.4513이므로 ΔL=64.18㎛가 된다. 이를 상기 <수학식 4>에 대입하면 λ1=1315.02㎚가 되고 이때 m1은 71이 된다. 이 결과를 상기 <수학식 6>에 적용하면, Δλ1=0.68㎚이 되고, 이를 상기 <수학식 7>에 대입하여 N1=30.25이 된다. 따라서, 중심 파장들 1315.02㎚ 및 1552.52㎚에서 파장 간격이 각각 0.68㎚ 및 0.8㎚인 16채널 AWG가 설계 가능함을 알 수 있다.
중심 파장들과 파장 간격들이 결정되었으므로 다음으로 결정할 것은 평탄한 투과 밴드폭들을 근접시키기 위해 제1 슬랩 도파로(250)의 단면(252)에 입사하는 광신호의 플랫존의 폭 ΔF를 결정하는 것이다. 상기 제1 및 제2 슬랩 도파로들(250,270)의 길이 f를 8190.11㎛로 하고 인접한 채널 도파로들(260)간의 간격 d를 12㎛로 하면, dx/dλ(λ1)=33.48㎛/㎚, dx/dλ(λ2)=28.34㎛/㎚을 얻게 된다. 따라서, dx/dλ가 대략 17% 정도 차이가 나게 된다. 이러한 차이를 제1 슬랩 도파로(250)의 단면(252)에 입사하는 제1 또는 제2 광신호에 대한 플랫존의 폭 ΔF의 변화로 상쇄시킨다. 상기 제1 및 제2 모드 변환기들(230,240)로서 포물선 모양의 혼 도파로를 사용하는 경우를 예로 들면 아래와 같다.
상기 혼 도파로는 하기 <수학식 9>로 정의된다.
Figure 112004000697213-pat00009
상기 <수학식 9>에서, 0≤t≤1이고, W는 상기 혼 도파로의 선폭, λc는 중심 파장, L은 상기 혼 도파로의 길이, W0는 상기 혼 도파로의 입력단 폭(또는 시작 지점에서의 선폭), α는 선폭의 변화 정도를 결정하는 파라미터(parameter)이다.
O-밴드의 경우에 λc=1315.00㎚, α=0.80, L=372㎛로 되고, C-밴드의 경우에 λc=1552.52㎚, α=0.68, L=248㎛로 한다. 이러한 경우에, 상기 제1 슬랩 도파로(250)로 입사하는 제1 광신호의 모드 모양(420)과 제2 광신호의 모드 모양(410)은 도 8에 도시된 바와 같다. 3㏈ 밴드폭(BW)을 기준으로 O-밴드의 ΔF1(=23.40 μm)이 대략 C-밴드의 ΔF2(=20.35μm)에 비해 15% 가량 증가한 것을 알 수 있다. 이는, dx/dλ의 차이를 상쇄시킬 수 있는 정도이다. 이러한 밴드폭의 증가로 야기되는 투과 밴드의 손실 페널티(penalty)는 대략 1㏈이하이다. 만약, 두 밴드들에서의 손실 수준을 동일하게 하려면, 상기 파장분할다중 필터(220)에서의 삽입 손실을 적절히 조절함으로써, 충분히 손실 수준을 동일하게 구현할 수 있다. 상기 파장분할 다중화기(200)에서 출력되는 상기 제1 광신호의 스펙트럼(520)과 상기 제2 광신호의 스펙트럼(510)은 도 9에 도시된 바와 같다. 제1 광신호의 스펙트럼(520)에서 BW(λ1)=0.6494㎚이고, 제2 광신호의 스펙트럼(510)에서 BW(λ2)=0.6496㎚이므로 유사한 양상을 보임을 알 수 있다. 0.5/30㏈ 밴드폭의 비율을 나타내는 O-밴드 및 C-밴드들의 FOM(figure of merit)들은 각각 0.38, 0.32이며, 서로 유사함을 알 수 있다. 도 9에 삽입된 그래프는 두 밴드들의 투과 손실을 동일하게 한 경우(또는, 옵셋(offset)을 준 경우)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 두 밴드들이 구별이 안 될 정도로 비슷한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 듀얼 밴드 파장분할 다중화기는 밴드에 따라 슬랩 도파로에 입력되는 광신호의 모드폭을 다르게 함으로써, 두 밴드들에서의 투과 밴드폭들을 서로 동일하게 하거나 근접시킬 수 있다는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 제1 및 제2 슬랩 도파로들과, 상기 제1 및 제2 슬랩 도파로들을 연결하는 복수의 채널 도파로들과, 상기 제1 슬랩 도파로와 연결된 입력부와, 상기 제2 슬랩 도파로와 연결된 출력부를 갖는 파장분할 다중화기에 있어서, 상기 입력부는,
    외부로부터 광신호를 수신하기 위한 입력 도파로와;
    상기 입력 도파로와 연결되며, 제1 밴드의 광신호를 제1 연결 도파로로 출력하고, 제2 밴드의 광신호를 제2 연결 도파로로 출력하기 위한 파장분할다중 필터와;
    상기 제1 연결 도파로를 통해 상기 파장분할다중 필터와 연결되고, 입력된 제1 밴드의 광신호를 모드 변환하기 위한 제1 모드 변환기와;
    상기 제2 연결 도파로를 통해 상기 파장분할다중 필터와 연결되고, 입력된 제2 밴드의 광신호를 모드 변환하기 위한 제2 모드 변환기를 포함하고,
    상기 제1 모드 변환기의 출력 모드의 폭과 상기 제2 모드 변환기의 출력 모드의 폭은 서로 다른 것을 특징으로 하는 듀얼 밴드 파장분할 다중화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밴드가 상기 제2 밴드보다 단파장 밴드인 경우에, 상기 제1 모드 변환기의 출력 모드의 폭은 상기 제2 모드 변환기의 출력 모드의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 듀얼 밴드 파장분할 다중화기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파장분할 다중 필터는 방향성 결합기, 다중모드 간섭 결합기, 마흐-젠더 간섭계 및 PLC 기판에 삽입된 박막 필터로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 듀얼 밴드 파장분할 다중화기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 모드 변환기들은 각각 Y-분기 도파로, 다중모드 간섭 결합기, 포물선 모양의 혼 도파로 및 다항 곡선 도파로로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 듀얼 밴드 파장분할 다중화기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밴드가 상기 제2 밴드보다 단파장 밴드인 경우에, 상기 제1 모드 변환기의 출력 모드의 폭은 상기 제2 모드 변환기의 출력 모드의 폭보다 크고, 상기 제1 모드 변환기의 출력 모드가 갖는 플랫존의 폭은 상기 제2 모드 변환기의 출력 모드가 갖는 플랫존의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 듀얼 밴드 파장분할 다중화기.
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