KR100637917B1 - 가변 광감쇄기를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조절가능한 동적 격자를 이용하는 광통신시스템용 가변 광 변조기를 제공한다. 상기 가변 광 변조기는 상기 광통신시스템과 광을 송수신하는 프리즘에 인접하여 부착된 겔 또는 멤브레인과, 복수의 개별적으로 어드레스가능한(addressable) 전극을 갖는 기판과, 상기 겔 또는 멤브레인층의 초기상태 위에 중첩된 상기 겔 또는 멤브레인의 표면 상에 파형패턴을 제공하도록 상기 복수의 전극 각각에 조절된 여기전압을 제공하는 구동수단을 포함한다.
동적격자(dynamic grating), 광통신시스템(optical communication system), 가변광감쇄기(variable optical attenuator: VOA), 광변조기(optical modulator)

Description

가변 광감쇄기를 위한 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE FOR VARIABLE OPTICAL ATTENUATOR}
본 발명은 일반적으로 가변 광감쇄기(VOA)를 위한 장치 및 방법과 그 용도에 관한 것으로서, 특히 광통신시스템에서 조절가능한 동적 격자(tunable dynamic grating)를 이용하여 광파이버의 광감도를 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
통신 및 정보교환을 위한 대역폭에 대한 요구는 기하급수적으로 증가하고 있다. 특히, 이러한 증가는, 협대역으로의 다른 파장의 사용에 의하여, 최소량의 분산(dissipation)을 수반하여 동일한 광파이버에 따라 광학신호를 다중화하기 위해 사용되는 파장분할 멀티플렉싱(wavelength division multiplexing: WDM)기술의 도입으로 가속화되고 있다. 수동부품인 광파이버에는 신호의 생성, 증폭, 라우팅 및 필터링을 위한 능동부품이 요구된다. 이로 인해, 광파이버에서 광을 조작하는 광범위한 기술이 발전되어 왔다. 이러한 광학 부품으로는 필터, 스위치, 증폭기 및 감쇄기가 있다. 하지만, 상기 광학 부품, 특히 다수의 부속품을 갖는 신형 광학부품이 고가이므로, 광통신시스템의 발전속도가 저하되고 이러한 광학부품을 모든 광네트워크에 도입하는 것이 곤란하다. 결과적으로, 필요한 사양을 가지면서도 그 조립 및 제조 비용이 낮은, 효과적인 부품의 발전이 요구된다. 광통신시스템은 원격통신시스템, 근거리 통신망(local area network), 광역통신망(wide area network), 텔레비젼통신망, 계측통신망과 같이, 광수단에 최적으로 제공되는 심벌, 메시지 및 신호 등을 통신하는 다양한 모든 형태의 통신시스템에서 사용된다.
광파이버 통신시스템에서 특별히 요구되는 부품은 가변 광감쇄기이다. 감쇄기는 예를 들어 다른 부품의 열화효과를 보상하고 감지기의 포화를 방지하기 위한 독립형 부품으로서 사용된다. 그러나, 전광 네트워크(all-optical network)와 같이 보다 동적인 네트워크 구조의 경우에, 그 시스템 내에서 다양한 광원 또는 다양한 경로로부터의 신호강도는 폭넓게 변할 것이며, 따라서 재구성가능하거나 동적인 가변 광학감쇄기가 요구된다. 또한, 가변 광감쇄기는 이퀄라이저와 광학적 가산/감산 멀티플렉서(optical add/drop multiplexer)와 같은 모듈의 중요한 부속품이다. 상기한 응용형태에서는, 기술의 규모 크기에 의해 모듈의 최종 가격이 결정될 것이다.
아래 목록의 명세서는 당 기술분야의 종래 기술을 구성한다: - GB 2 265 024(1993.09.15) : 지오프리 마트랜드 프라우드리(Geoffry Martland Proudly), 공간 광 변조기 어셈블리; - US 3,835,346(1974.09.10) 프레드 마스트(Fred Mast) 외 다수, 음극선 튜브; - US 5,867,301(1999.02.02), 그레이그 디 잉글(Graig D. Engle), 위상변조장치; - US 4,879,602(1989.11.07), 윌리엄 이 그렌(William E. Glenn) 외 다수, 고체 광 변조기를 위한 전극패턴; - US 5,116,674(1992.05.26), 비트 쉬미드할터(Beat Schmidhalter) 외 다수, 복합 구조; - US 5,221,747(1993.06.22), 게럴드 알 고(Gerald ) 외 다수, 2,2' 바이피르딜리스(Bipyrdilys)마련을 위한 개선공정 및 촉매제; - US 4,529,620(1985.07.16), 에핌 골드버트(Efim Goldburt) 외 다수, 금속화 겔을 이용한 고체 광 변조기 및 금속화방법; - US 4,900,136(1990.02.13), 에핌 골드버트외 다수, 실리카 함유 겔의 금속화방법 및 금속화 겔을 이용한 고체 광 변조기; WO 99/09440(1999.02.25), 포스터 밀러 인크(Poster Miller Inc.), 스위칭 가능한 광부품; WO 01/48531(2001.07.05), 유리 구쇼(Yury Guscho), 광시스템.
광섬유 부품에 적용되는 튜닝가능한 회절격자(diffraction grating)를 위한 여러가지의 실시형태가 제안되어 왔다. 공지된 일 방법으로는, 회절 MEMS(D-MEMS)가 있다. 이 기술은, 예를 들어 라이트 커넥트(Light Connect) 및 실리콘 라이트 머신(Silicon Light Machine)으로부터 입수될 수 있다. 상기 장치는 적어도 2개로 분리된 부분으로 구성된 이동가능한 회절격자에 기반한다. 고정된 반사 밑면과 이동가능한 세트의 얇은 블레이드(blade), 즉 격자는 실리콘을 식각하여 제조된다. 상기 블레이드는 적절한 전계를 인가함으로써 상하로 움직일 수 있다. 그 결과는 회절 격자이고, 여기서 격자의 유효 위상 시프트(shift)는, 블레이드와 그 아래의 반사면의 상대적 위치에 따라 주어진다. 이로써 단지 수 밀리초에 불과한 응답시간으로 상기 격자는 턴온/오프될 수 있다. 그러나, 블레이드를 변위시키는데 필요한 전압은 수십에서 수백 볼트 정도로, 여전히 높다. 상술된 형태는 효과적인 가변 광감쇄기를 제조하는데 사용될 수 있지만, 블레이드 세트를 실리콘으로 가공해야 하므로, 공정비용이 증가하며, 시스템의 크기가 증가함에 따라 공정수율이 급격히 저하된다. 이와 같이, D-MEMS로 제조된 부품은 효과적이기는 하지만, 비용측면에서 바람직하지 않다.
본 발명은 LCD 또는 LCOS 제조방법과 같이 용이하게 D-MEMS 해결방안을 실행하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 조절가능한 표면 회절 격자(tunable surface diffraction grating)에 기반한다. 이러한 격자는 문헌과 특허에 개시되어 있다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 실시형태는 러시아의 구쇼(Guscho)에 의해 공개된 논문과 문헌(Physics of reliefography, 1992 Nauka Moscow)과 유리 구쇼의 국제특허출원 WO 01/48531호에 기재된 구조를 기반으로 한다. 상기 예시된 광학 시스템은 주로 프로젝터 기술과 관련된 응용형태이다. 그러나, 본 발명에 따른 실시형태는 이글(US 5,867,301)에 의해 개시된 표면코팅을 갖는 변조기(modulator)에 기반할 수도 있다. 상기 변조기의 기본원리는 잘 알려져 있으며, 거의 50년 전에 아이도포어 프로젝트(Eidophor project)가 소개된 이래로 프로젝션 응용형태를 위해 사용되어 왔다. 그러나, 프로젝션 응용에서는, 스크린 상에 비춰진 광의 콘트라스트(contrast)가 중요한다. 결과적으로, 이러한 응용형태는 제1 및 제2 회절차수의 광을 이용하는데 의존하였으며, 대신에 광파이버 부품의 응용에서는, 0차수의 광이 이용된다.
영국특허출원 GB 2 265 024호는 정전기장 온도 또는 전위차의 변화에 응답하여 변형가능한 물질층을 포함하는 어셈블리에 의해 제공된 공간 광 변조기 어셈블리를 기재하고 있다. 상기한 특허출원에 기재된 해결방안은 변조되지 않고 따라서 항상 완전평면인 표면으로부터의 감쇄 내부전반사(frustrated TIR)의 물리적 현상에 기반한다. 상기 특허출원의 p11(하단)과 p12(상단)을 참조하면, "도1 및 2에 도시된 어셈블리의 장점은 빔의 판독은 계면(7)인 평면에만 직면하며, 변형가능층을 이용한 종래의 변조기 어셈블리와 같이 물리적으로 변형된 표면을 통해 진행하거나 그로부터 반사되지 않는다는 점이다."라고 기재되어 있다.
입사하는 판독빔은 내부전반사(TIR)를 실현하기 위한 평면(7)과 소정의 입사각을 갖는다. TIR은 입사빔과 반대측인 반사면측에 소위 감쇄장(evanescent field)의 존재에 의해 특징될 수 있다. 이 감쇄장은 어떠한 에너지 전송도 나타내지 않지만, 반사면(4)까지의 거리를 z로, 기체매질(6)에서의 광파장을 λ로 표시할 때, 식 e(-2πㆍz/λ)에 비례한다(이에 대해, 캠브리지대학발행, Max Born과 Emil Wolf의 광학원리(principle of Optics) 7판, p50를 참조할 것). 기체매질(6)로의 유효 관통깊이는 광파장보다 작은 λ/2π 정도이다.
변조된 표면은 반사면 근처에 존재하지만, 입사 판독빔에 대해서는 그 반대측에 존재한다. 기체매질(6)이 7과 10 사이에 존재하는 것으로 기재되어 있으므로, 변형가능물질(5)과/또는 그 층(10)은 상기 판독빔의 감쇄장에만 접촉한다. 상기 판독빔의 감쇄장이 굴절율의 국부적인 공간변조를 겪게 되고, 이로써 국부적인 굴절율의 국부적인 공간변조가 발생된다. 8페이지의 마지막 문단과 9페이지의 첫째 문단을 참조하면, "빔(2)에서 판독의 증폭변조는 제1층(1)과 갭(6) 내의 기체매질 사이의 계면(7)에서 내부전반사를 겪은 빔의 내부전반사 상태의 국부적인 훼손(local spoiling)에 의해 발생된다....이러한 내부전반사의 국부적인 훼손으로 인해, 감쇄 내부전반사상태와 그 지점에서의 레이저빔 반사계수의 국부적인 변화가 발생된다"라고 기재되어 있다.
감쇄 TIR로 인해 반사되지 않는 입사빔 부분은 층(7)을 통해 전송되어 하부층 및/또는 코팅에 의해 흡수된다(p3에 중간부분 참조).
본 발명의 일 관점은 입사광이 자체가 공간적으로 변조되고 따라서 완전한 TIR이 요구될 때에만 완전한 평면인 표면으로부터 반사되는 것에 기반한다.
본 발명의 다른 관점은 공간적으로 변조된 표면 및/또는 (존재하는 경우) 그 표면코팅이 입사광의 비감쇄장(non-evanescent field)에 항상 접촉된다는데 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 입사광이 해당 부품 내에서 전혀 흡수되지 않는다는데 있다. 모든 광강도는 해당 부품의 외부로 전파되지만, 그 방향은 겔(gel)의 표면변조에 의해 제어된다.
본 발명의 다른 관점은 0차수의 광은 전체 강도에서 20dB의 감쇄, 또는 다중경로구조에서는 그 이상의 감쇄까지 연속적으로 조절될 수 있다는데 있다. 광을 내부로 전송하고 변조기로부터 광을 수집하는 광해결방안과 구동전자장치의 조합을 통해, 본 발명은 조절가능한 표면 회절 격자방법 및 광파이버 원격통신시스템의 가변 광감쇄기와 같이, 응용형태에 사용되는 장치를 제공한다.
도1은 본 발명의 일 실시형태 중 일예에 따른 장치를 도시한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판의 배치의 일예를 도시한다.
도3은 회절차수의 강도의 이론적 계산을 나타낸다.
도4는 도1의 실시형태에 따른 진폭 릴리프(relief) 변조기의 측단면도이다.
도5는 겔 릴리프(gel relief) 변조기의 함수로서 다른 회절차수의 강도를 나타낸다.
도6은 겔 릴리프 변조기의 함수로서 다른 회절차수의 강도를 나타낸다.
도7은 블레이즈 격자(blazed grating) 두께의 함수로서 각 회절차수의 강도를 나타낸다.
도8은 본 발명의 일 실시예를 나타낸다.
도9는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다.
도10은 푸라운호퍼 근사법(Fraunhofer approximation)을 이용하며, 광섬유로 2개 콜리메이터(collimator) 쌍을 연결하는 이중경로구조를 도시한다.
도11은 콜리메이터가 탑재된 프레넬 다중 경로 구조(빔이 0.4㎜이며, 콜리메이터의 직경이 2.8㎜이고, 다중경로의 글래스 두께가 0.7㎜임)를 도시한다.
도12는 본 발명에 따른 2채널 장치의 배치구조를 나타낸다.
도13은 본 발명의 일실시형태에 따른 피드백을 설명하기 위한 개략도이다.
도14는 본 발명의 일실시형태에 따른 피드백시스템의 전형적인 작동시퀀스를 도시한다.
도15는 1 ×2 스위치를 나타낸다
도16은 VOA 소자가 결합된 DGE 소자의 일예를 나타낸다.
도17은 VOA와 스위치기능을 설명하기 위한 개략도이다.
도18은 본 발명에 따른 톱니파형을 나타낸다.
변조기 구조
본 발명은 동일한 광학적/기능적 특성을 갖는, 얇은 겔층 또는 멤브레인에서의 표면변조를 통한 광회절에 기반한다. 기본적인 변조기 구조와 원리는 도1에 도시되어 있다. 상기 변조기는 투명 프리즘에 부착된 얇은 겔층(또는 멤브레인)으로 구성된다. 상기 겔(멤브레인)은 상기 프리즘 글래스에 부합된 굴절률을 가지며, 상기 겔(멤브레인)은 가시광선과 적외선대역 모두에서 낮은 광흡수율(전형적인 시스템에서는 2%미만)을 갖는다. 일반적으로, 상기 겔층은 15∼30㎛의 두께를 갖는다. 전극은 얇은 에어갭(5∼10㎛의 두께)에 의해 겔표면과 분리되도록 평탄한 기판층(도2 참조) 상에서 가공된다. 이러한 공간분리는 당업자에게 공지된 다른 방법으로도 배열될 수 있다.
상기 겔과 상기 에어갭을 통해 바이어스 전압이 인가된다. 그 결과, 전기장으로 인해 상기 겔표면 상에 힘(net force)이 작용한다. 또한, 각 신호전극을 개별적으로 어드레스(address)할 수 있다. 국부적 신호 전압을 인가함으로써, 상기 겔 표면에 힘이 인가되어, 결과적으로 표면변조(surface modulation)가 발생된다. 탄성 표면응답은 수십 마이크로초의 응답시간정도로 신속하다. 그러나, 보다 긴 시간으로 다양한 하전(charging)과 이완(relaxation)과정이 발생될 수 있다. 그 결과, 표면변조시에 수 마이크로 초 내지 수 분의 범위로 느린 이동이 발생될 수 있다. 본 발명은 안정(stable)작동을 위한 피드백 구조를 제공한다(후술될 것임).
도2에 도시된 변조기의 예에서, 활성영역(전극)의 일반적인 크기는 3㎜ ×6㎜이다. 상기 전극은 본 실시예에서 최대해상도로 125라인 쌍/㎜를 갖는, 교차하는 빗(interlacing comb) 형태로 배치된다. 고밀도의 표면변조에서는 얇은 겔 두께와 좁은 에어갭이 요구되며, 상기 해상도의 한계는 이러한 겔두께와 에어갭에서 요구되는 높은 정밀성에 기인한다.
구동 전압의 주기변화는 전압과 동일한 주기로 거의 사인형 변조를 생성한다. 일반적으로, 전극에 인가되는 바이어스와 구동전압값변 100 V이다.
광이 변조된 표면에서 반사될 때에, 상기 변조기는 회절격자로서 작용한다. 편광효과와 전송손실을 감소시키도록, 높인 라인밀도를 위해 원추회절 구성이 사용되어야 한다. 광빔의 입사방향은 전극라인 및 표면변조의 해당 그루브(groove)와 평행하다. 그 결과로, 상기 광이 보다 높은 회절차수로 회절된다.
도3은 이론적 계산에 기초한 0차수, 1차수 및 2차수 회절시에 광강도를 나타낸다. 상기 광강도는 파장에 의존하며, 1차수까지는 상기 위상이동이 a/λ(여기서, a는 표면변조의 진폭, λ는 상기 광의 파장임)에 비례한다. 일반적으로, C대역(C-band)의 파장 변화는 1%의 감쇄변화를 발생시킨다. 이는 오프 스위치에 대해 가장 바람직한 0레벨이 전체 C대역에서는 1%보다 악화될 수 있다는 것을 의미한다. 표면변조의 진폭이 변화함으로써, 0차수의 감쇄가 연속적으로 변화될 수 있다. 1550㎚ 광의 경우에, 0차수에서 완전 감쇄에 도달하기 위해서 300㎚의 표면변조진폭이 요구된다. 도3에 도시된 바와 같이, 0차수에서 완전 감쇄시에 1차수에서 최대 강도가 거의 30%(최대 1에 대비)이다.
상기 프리즘이 높이 5㎜이고 폭 10㎜인 경우에, 1554㎚ 광이 사용된다. 프리즘 굴절율 = 1.45, 아래의 거리는 프리즘면 상에서 측정되었다.
0차수와 1차수 사이의 거리는 0.67㎚이며,
1차수와 2차수 사이의 거리는 0.70㎚이다.
상기 거리는 당업자에게 공지된 바와 같이 프리즘표면에 광파이버의 결합에 대한 위치로 정의된다.
VOA의 다른 배열구조
겔이 배치되는 변조기는 프로그램가능한 회절격자이다. 상기 격자는 가변진폭을 갖는 사인형 겔 릴리프(gel relief)를 포함하도록 배치될 수 있다. 전극에 의해 발생된 전계는 겔의 진폭을 제어하고, 상기 전극 사이의 공간은 격자의 주기를 제공한다. 상기 변조기는 반사격자이며 45°의 입사각을 갖는다(도4 참조).
입사광빔의 방향에 따라서, 상기 회절은 원추회절 또는 평면회절일 수 있다.
구조1 : 원추회절
원추회절은 프리즘 상부가 전극라인과 수직일 때에 발생된다. 도5는 겔 릴리프 진폭의 함수로서 다른 회절 차수의 강도를 나타낸다. 상기 격자의 주기는 8㎛이며, 125라인/㎜에 상응한다.
ㆍ 원추회절의 장점
- 모든 광은 격자에 의해 반사될 것이며, 겔을 통해 전송되는 광은 없다.
- 본 구조는 입사광의 편극에 거의 의존하지 않는다.
- 0차수는 0에 상당히 가깝게 감소될 수 있다.
구조2: 경사진 평면 회절
경사진 평면회절은 프리즘 상부가 전극라인과 평행할 때에 발생된다. 도6은 겔 릴리프 진폭의 함수로서 다른 회절차수의 강도를 나타낸다. 상기 격자의 주기는 8㎛이며, 125라인/㎜에 상응한다.
ㆍ평면회절의 장점
- 회절차수의 방향은 직선이다. 따라서, 평면 회절을 갖는 변조기는 설계 및 조립이 용이하다.
- 상기 양극 및 음극 회절차수는 비대칭형이다. 비대칭형 동작은 특정 차수에서 높은 강도를 가질 수 있으며, 스위치 장치에서 보다 효과적이다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 겔 릴리프는 사인형태에서 경사진 삼각형으로 변화되며, 새로운 회절특성이 발생된다.
경사진 삼각형을 갖는 격자는 블레이즈 격자(blazed grating)이라 한다. 블레이즈 격자에서는, 거의 모든 광이 0차수와 특정 회절차수 사이에 분포될 것이다. 이러한 특성을 통해, 상기 변조기는 스위치로서 작동할 수 있다. 도7은 본 발명의 상술한 실시형태의 일예에서 겔 릴리프 두께의 함수에 따른 각 회절차수의 강도를 나타낸다.
원격통신영역 중 조절가능한 표면회절격자의 특정 응용형태에서는 가능한 회절된 광의 많은 부분이 입력 광파이버로 향하게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 실제로 회절차수에서 출력광파워는 대칭분포이다. 예를 들어, ±1 회절차수에서 광의 최대강도는 +1차수에서 33.9%이며, -1차수에서 33.9%이다(겔층 표면 상에서 단색광(monochromatic light)과 조화 릴리프(harmonic relief)의 경우). 회절차수에서 광의 비대칭분포를 얻기 위해서, 하나는 비대칭 릴리프를 사용할 수 있다. 이러한 릴리프의 가능한 형상 중 하나는 톱니형태이다. 본 발명은 톱니형태를 형성하는, 간단한 장치 및 방법을 제공한다.
수학적 접근
가장 원시적인 톱니형태는 도11과 아래 식(1) 내지 (3)으로부터 2개의 조화(harmonics)의 합으로서 얻을 수 있다.
Figure 112004019053837-pct00001
Figure 112004019053837-pct00002
Figure 112004019053837-pct00003
제2항인 F2(x)의 진폭이 20미만이거나 30이상이면, 도18과 유사하게 그다지 좋지 않은 톱니형태가 될 것이다. 동일한 것이 상기 제2항의 위상이동에 대해서도 유효하다: 상기 값 π/2은 가장 보기 좋은 톱니형태를 제공한다.

실제 구현형태
전극면에서의 전위 분포인 톱니형태(도18)는 도18에 도시된 플롯 아래의 전극구조를 가지고 얻어질 수 있다. 진한 선은 선형 전극을 나타내며, 각 행정(stoke) 하의 값은 전극에 인가되는 전압이다. 상부선은 F1(x)항에 대응하며, 중간선은 F2(x)을 나타내며, 하부선은 FΣ(x)인 합이다.
도18에 도시된 전극면에서의 전위 분포인 톱니형태는 동일한 형태를 갖는 릴리프를 형성하지 않는다는 것을 고려해야 한다. 전위 분포의 공간조화파의 진폭은 전극면에서 겔층 표면으로 감소되며, 이러한 감소율은 공간주파수가 2배로 크기 때문에(공간주기가 2배 작음) 조화항F2(x)에 비해 거의 2배 높다. 또한, 조화롭게 분포된 폰더 동력(ponder motive force)에 의해 발생된 조화 릴리프의 진폭은 그 동력의 일정한 진폭에 대한 공간주파수의 증가(또는, 공간주기의 감소)와 함께 감소된다.
이로 인해, 릴리프의 제1 공간 조화파의 진폭 A1(x)(전위의 제1 공간조화파 F1(x)에 의해 발생됨)은 100/25=4배가 되지 않지만, 예를 들어 제2 공간조화파의 진폭A2(x)(F2(x)에 의해 발생됨)에 비해 6-8배로 클 것이다. 상기 합 A1(x)+A2(x)은 합 F1(x)+F2(x)에 비해 그다지 좋지 않은 톱니형태가 될 것이다.
진폭 F2(x)에서 높은 감소율을 보상하기 위해서, 하나는 F2(x)에 대해서 높은 진폭을 이용해야 한다. 전극면에서 전위 분포의 그다지 좋지 않은 톱니형태에 일치하지 않지만, 릴리프의 "정상" 톱니형태에 일치할 것이다.
구동모드
본 발명에 따른 실시형태 중 상술된 예를 구동할 때에 야기되는 문제는 메모리효과(memory effect)이다. 장시간동안 일정한 상태로 머문다면, 상기 겔은 그 형태로 유지되려고 할 것이다. 이러한 메모리효과를 제거하기 위해서, 다른 접근방법이 사용될 수 있다.
ㆍ교대모드(alternating mode)
상기 전극은 한 전극은 소정의 전압을 갖고 다음 한 전극은 접지되도록 구성된다. 사인형태의 격자주기는 접지된 하나의 전극과 전압이 인가된 하나의 전극에 의해 형성된다. 주기적으로 상기 구조를 전환함으로써, 메모리 효과를 제거할 수 있다. 그러나, 스위칭시간동안에, 변조기를 통과하는 광은 제어할 수 없으며, 당업자에 공지된 바와 같이 상술된 방법에 따른 배열구조는 원격통신 응용형태에서 원하지 않은 광을 방해하는 경로에 온/오프 광차단기를 제공해야 한다.
ㆍ회전형 교대모드(rolling alternating mode)
회전형 교대모드는 동시에 여러 곳에서 2개의 다른 구동전압 사이를 스위칭할 것이다. 정보는 변조기를 통해 연속적으로 전송될 것이다. 위상이동 문제는 그 경로에 후속되는 장치에서 보상될 수 있다.
ㆍ피드백을 갖는 정적모드
정적 구동 모드에서, 메모리효과는 발생될 것이다. 그러나, 피드백 제어시스템을 통해 메모리효과를 고려하여 상기 구동신호가 보상될 것이다.
겔 변조기가 여기전압(excitation voltage)을 겪을 때에, 광신호를 편향시키거나 감쇄시키는데 사용되는, 겔표면 상의 파형이 설정된다. 상기 여기전압을 제거할 때에, 상기 겔은 초기상태로 즉시 복귀하지 않는다.
메모리효과의 결과는 겔 변조기의 VOA 응용형태에서 실행된 감쇄와 인가된 여기전압 사이의 예측가능한 관계가 없다는 점이 있다.
따라서, VOA의 측정된 감쇄레벨은 변조기의 여기전압을 제어하기 위한 피드백신호로서 사용된다. 도13은 피드백시스템을 도시한다.
주제어부는 피드백제어부에 목표 감쇄값을 제공한다. 광입력과 광출력을 측정하고, 피드백 루프 제어부는 변조기의 감쇄를 측정한다. 이 감쇄값은 목표값과 대비하고, 수정신호를 전송한다. 상기 구동전압은 상기 수정신호에 기반하여 조정된다. 도14는 전형적인 작동시퀀스를 도시한다.
좌측축은 여기전극간의 전압차(E=V1-V2)를 나타낸다. 우측축은 겔감쇄레벨을 나타낸다. 최초 감쇄는 안정상태 여기전압 E1에서 A1이다. t1에서, 주제어부는 새로운 목표레벨A2를 수신한다. 피드백제어부는 여기전압을 E2로 조정하여 상기 새로운 목표값이 되도록 한다. 상기 겔에서의 메모리 효과로 인해 상기 여기전압은 안정상태 레벨 E3로 과시간 강하(overtime drop)할 것이다. t2에서, 주제어부는 목표값을 A1로 스위칭한다. 메모리효과로 인해, 상기 피드백은 상기 여기전압을 E4로 감소시킨다. E4는 음의 값일 수 있으며, 이는 V2 전극이 V1 전극에 대해 양이라는 것을 나타낸다. 소정의 시간 후에, 상기 여기전압은 안정상태 값 E5을 접근할 것이다.
본 발명은 여러 전기적 조절가능 원격통신제품을 제조할 수 있는, 발전된 물질 개발안으로서 겔 기술을 제공한다. 원격통신응용형태의 요구에 부합하도록, 원추회절(낮은 삽입손실, 낮은 편극의존손실)과 피드백을 갖는 정적 구동모드(고정밀성, 무(無)데이터손실)이 바람직한 동작모드이다.
본 발명에 따른 상술된 방법과 함께 3개의 주요 기능(광변조, 스펙트럼 필터링과 광학적 스위칭)이 실행될 수 있다. 상술된 기능은 아래의 실시형태에서 확인할 수 있다.
본 발명의 실시형태 중 VOA의 2가지 기본 형태를 예시한다. 이하, 상기 2가지 응용형태를 설명한다.
125라인/㎜기판에 기반한 VOA
본 실시예에서는 하기된 기능이 실행되었다.
- 가변 감쇄
- 가변 커플러/태퍼(tapper)
- 스펙트럼 선택성/필터
- 모니터링(피드백)
본 실시예는 온칩(on-chip) 모니터링부를 갖는 2개의 감쇄기의 배열구조를 포함하며, 2개의 입력 광파이버와 4개의 출력 광파이버를 구비한다(도8 참조).각 입력채널에서 파워를 모니터링하기 위해서 한정된 부분의 에너지를 편향시키는 태퍼로서 +1과 -1차수를 이용하였다. 또한, 스펙트럼 선택성은 콜리메이팅(collimating) 광학장치의 각 선택성을 이용함으로써 실행될 수 있었다.
상기 감쇄범위와 최적의 정밀성을 증가시키는데 상기 +1과 -1차수로부터의 피드백을 이용한다.
33라인/㎜기판에 기반한 실시예
33라인/㎜ 기판은 제조가 용이하고 비용이 저렴하므로, 고려되어야 한다. 본 실시예에서, 회절빔의 각분리(angular separation)가 매우 작으므로, 4개의 광파이버 커플 출력을 실제로 제조하기가 매우 어렵다. 따라서, 33라인/㎜ 변조기를 갖는 본 실시예는 2개의 입력과 2개의 출력채널에 기반하여, 높은 회절차수에 대해서는 무시한다. 상기 장치는 아래의 구성요소를 포함한다.
ㆍ2개의 채널을 위한 겔 릴리프를 제어할 수 있는 변조기.
ㆍ피드백 루프를 갖는 2 채널의 감쇄레벨을 제어하는 프로그램가능한 제어 전자보드.
본 실시예의 개략적인 기능부는 도9에 제공되어 있으며, 그 기판의 배열구조는 도12에 도시되어 있다.
채널당 2개의 광검출기는 상기 변조기의 입출력시에 광출력레벨에 대한 정보를 제공할 것이다. 상기 제어전자장치는 공칭값에 따라 2개의 채널에서 신호가 정확히 감쇄되도록 상기 겔에 인가되는 전압레벨을 최적화하기 위해서 상기 정보를 이용한다.
아래와 같이 2개의 주요 실시형태가 가능하다.
1. 가변 광 감쇄기
2개의 주요 기능부가 요구된다.
- 사용자는 각 채널의 광출력값을 정의하며, 입력수단을 통해 제어전자장치에 그 값을 전송하고, 상기 제어전자장치는 요구 출력값이 얻어질 때까지 상기 신호를 감쇄하기 위해 전압레벨을 최적화시킨다.
예: Pin(채널1)= 12 mW, Pin(채널2)= 10 mW
사용자 설정: Pout(채널1)= 6 mW, Pout(채널2)= 0.1 mW
상기 변조기와 제어전자장치는 사용자설정값, 즉 제1 채널은 6 mW, 제2 채널은 0.1 mW에 도달할 때까지 2개의 신호를 감쇄시킨다. 상기 2개의 출력 포토다이오드로부터 얻어진 값을 상기 피드백 루프에서 최적화하는데 사용한다.
- 사용자는 각 채널에 대한 감쇄의 출력값을 정의한다. 상기 제어전자장치는 요구 감쇄레벨이 얻어질 때까지 상기 신호를 감쇄하기 위해 전압레벨을 최적화시킨다.
예: Pin(채널1)= 12 mW, Pin(채널2)= 10 mW
사용자 설정: 감쇄(채널1)= 3dB, 감쇄(채널2)= 20dB
상기 변조기와 제어전자장치는 사용자설정값, 즉 제1 채널은 6 mW, 제2 채널은 0.1 mW에 도달할 때까지 2개의 신호를 감쇄시킨다. 상기 각 채널의 입력/출력 포토다이오드에 의해 주어진 값의 비율은 상기 피드백 루프에서 최적화하는데 사용한다.
본 발명의 실시형태 중 본 실시예는 동적 채널 등화(dynamic channel equalization)를 제공한다.
시간에 따라 강도가 변화되면, 2개의 채널은 상기 장치에 전송된다. 상기 장치는 동적으로 2개의 채널이 등화될 때까지 가장 높은 광출력을 갖는 채널을 식별하여 감쇄시킨다. 이러한 등화는 1ms 내에 실행된다.
끝으로, 다른 실시형태에서는, 보다 높은 감쇄범위를 얻기 위해 직렬로 채널을 연결하는 방식이 사용될 수 있다.
편광의존손실
상술된 일부 실시예에서 편광의존손실(PLD)의 측정값이 약간 높다. 따라서, 여러종류의 2중 또는 다중경로 구조는 PDL을 저하하기 위해 사용될 수 있다.
변조기를 위한 다중경로 구조를 사용하는데 2개 개념적 방법이 있다.
첫번째 방법은 제1 회절 후에 0차수를 픽업하고, 이어 그 차수를 1회 이상 회절시키는 것이다. 이러한 과정을 통해 상당히 높은 감쇄를 얻는 기회를 갖는다. 단지 0차수만을 픽업하기 위해서는, 프라운호퍼 근사법(Fraunhofer approximation)를 얻기 위한 렌즈 또는 콜리메이터를 사용하여야 한다. 도11은 이중경로 구조를 예시한다.
다중경로 구조를 실행하기 위한 다른 방법은 회절빔을 되반사시켜 다시 회절시키는 것이다. 본 방법에서, 2개의 회절 사이의 거리는 매우 가깝고, 프레넬 근사법(Fresnel approximation)이 사용된다. 이러한 종류의 배열구조를 통해, 전체 위상이동은 광빔이 회절패턴을 히팅할 때에 발생하는 모든 위상이동의 합이 될 것이다. 빔이 회절패턴을 n회 히팅하면, 상기 겔 진폭은 n회보다 낮고, 그 전기장은 거의 n회보다 작어야 한다.
다른 응용
1 ×2 스위치
간단한 1 ×2 스위치는 0차수 위치와 1차수 중 하나의 위치에 콜리메이터를 고정함으로써 실현될 수 있다. 격자를 온/오프 스위칭함으로써, 광을 소정의 위치에서 다른 위치로 스위칭할 수 있다(진폭을 조절함으로써 다양한 탭(tap)으로 제공될 수 있음). 도15는 가능한 실시형태를 개략적으로 도시하고 있다.
그러나, 사인 격자의 다른 회절차수의 강도분포에 기반하여, 원추구조를 갖는 변조기는 약 30%에서 1차수 중 하나의 최대강도를 가질 것이며, 이는 0차수가 최소일 때가 아니다.
블레이즈 격자를 형성함(상술된 부분 참조)으로써, 이러한 특성을 탁월하게, 즉 선택된 1차수에서 효율 90%까지 향상시킬 수 있다(도15 참조).
동적 게인 이퀄라이저(dynamic gain equalizer)
채널 이퀄라이저, 즉 게인 편평화 장치(gain flattening device)는 자유공간 디멀티플렉서(free-space demux)와 VOA 어레이의 조합으로서 제조될 수 있다. 상기 채널 이퀄라이저는 공간에서 개별 파장들로 분리되도록 광신호를 분산시키는, 회절격자 또는 박막필터와 같은, 디멀티플렉서요소가 결합된 VOA요소로 이루어진다. VOA요소와 집적화딘 DGE요소를 나타내는 일 예가 도16에 도시되어 있다.
재구성가능형 광 가산-감산 멀티플렉서(reconfigurable optical add-drop mutiplexer: R-OADM)
겔 변조기의 기본 특성은 자유공간이므로, R-OADM를 구성하기 위한 여러 광학기능부(멀티플렉서(MUX)/디멀티플렉서(DEMUX), 스위치 어레이 및 VOA 어레이)를 혼성 집적화(hybrid integration)할 수 있다.
본 발명에 따른 실시형태 중 일예인 R-OADM 혼성 장치가 도17에 도시되어 있다.
모니터링 장치
회절원리는 모니터링 응용에 적합할 수 있다. 예를 들어, 이러한 모니터링 응용은 변조기가 소정의 다른 광학기능을 제공하는 동안에 모니터링 출력으로 1차수 중 하나를 이용함으로써 적합하게 실현될 수 있다. 광채널 모니터(optical channel moniters: OCM's)는 피드백 시스템에서 탭 상에 켈리브레트 검출기(calibrated detector)를 이용함으로써 실현될 수 있다.

Claims (14)

  1. 광통신시스템의 광변조방법에 있어서,
    상기 광통신시스템으로 광을 전송하거나 그로부터 광을 수신하기 위한 투명 프리즘에 인접하여 부착된 겔층 또는 멤브레인을 제공하는 단계;
    상기 프리즘과 떨어진 상기 겔층 또는 멤브레인의 표면으로부터 거의 분리되어 이격된 개별적으로 어드레스가능한 전극의 세트를 갖는 기판을 제공하는 단계;
    상기 겔 또는 멤브레인층의 초기상태 위에 포개진 상기 겔 또는 멤브레인층의 표면 상에 소정의 파형이 제공되도록, 상기 각각의 전극 상에 여기전압을 인가하는 수단을 제공하는 단계; 및,
    상기 여기전압을 제거할 때에 상기 겔 또는 멤브레인층이 상기 초기상태로 복귀되도록, 상기 전극 상에 여기전압을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘에 부착된 적어도 하나의 광파이버가 상기 광통신시스템으로 광을 전송하거나 상기 광통신시스템으로부터 광을 수신하는 것을 특징으로 하는 광변조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘은, 그 프리즘 상부 방향이 상기 기판 상에 배치된 상기 전극라인과 수직이 되도록 상기 기판 위를 향하는 것을 특징으로 하는 광변조방법.
  4. 제1항 및 제2항에 있어서,
    상기 프리즘은 상기 프리즘의 상부 방향이 상기 기판 상에 배치된 상기 전극라인과 평행이 되도록 상기 기판 위를 향하는 것을 특징으로 하는 광변조방법.
  5. 광통신시스템의 광변조장치에 있어서,
    겔 또는 멤브레인층;
    상기 겔 또는 멤브레인층이 인접하도록 부착된 표면을 가지며, 상기 광통신시스템과 광을 송수신하는 프리즘;
    상기 프리즘 표면과 떨어진 상기 겔 또는 멤브레인층의 표면으로부터 소정의 거리로 이격되어 배치된 복수의 개별적으로 어드레스가능한 전극을 갖는 기판; 및,
    상기 겔 또는 멤브레인층의 초기상태 위에 포개진 상기 겔 또는 멤브레인층의 표면 상에 파형이 제공되도록 상기 복수의 전극 각각에 조절된 여기전압을 제공하고, 상기 여기전압 제거시에 상기 겔 또는 멤브레인층을 상기 초기상태로 복귀시키는 보상수단을 구비한 구동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프리즘에 부착된 적어도 하나의 광파이버가 상기 광통신시스템과 광을 송/수신하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 프리즘은, 그 프리즘 상부 방향이 상기 기판 상에 배치된 상기 전극라인과 수직이 되도록 상기 기판 위를 향하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 프리즘은 상기 프리즘의 상부 방향이 상기 기판 상에 배치된 상기 전극라인과 평행이 되도록 상기 기판 위를 향하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 구동수단은 상기 복수의 전극 각각에 다른 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 구동수단은 상기 복수의 전극 각각에 개별적으로 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 전극은 동일한 양의 어드레스가능한 전극을 포함한 적어도 3개의 인접한 평행열로 배열되며, 이로써 상기 겔층의 표면 상에 동시에 적어도 3개의 파형을 제공하고, 상기 겔층의 상기 적어도 3개의 파형으로부터 반사되거나 감쇄된 광을 함께 광학적으로 결합하는 수단을 제공하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 기판 상의 전극은 교대로 하나의 전극이 접지에 연결되고, 다음 전극은 소정의 전압을 가지며, 상기 접지된 전극이 전압을 갖는 동안에 상기 다음 전극은 접지되도록 주기적으로 상기 배열이 전환되는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 구동수단은 상기 프리즘으로부터 광출력레벨을 측정하여 상기 보상수단과 통신된 보정신호를 제공하는 포토다이오드 또는 포토트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 구동수단은 상기 복수의 전극에 대한 목표전압이 저장된 메모리를 포함하며, 상기 메모리는 상기 보상수단과 통신하는 것을 특징으로 하는 광변조장치.
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