KR100717421B1 - Variable Optical Attenuators Incorporating Large Core Polymer Waveguides - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 재현성과 함께 효율적인 수동 정렬을 위하여 제안된 대형코어 단일모드 폴리머 광도파로를 이용하여 제작 가능한 폴리머 광도파로 소자인 가변 광감쇠기에 관한 것이다. 광도파로 코어의 크기가 일반적인 광섬유에 비하여 훨씬 더 큰 크기를 가지는 대형코어 광도파로는 코어와 클래딩 재료의 굴절률 차이가 매우 작게 제작하게 되면, 외부에서 열을 가하여 조금만의 굴절률 차이만 일으키게 되면 손쉽게 도파광을 감쇠시킬 수 있다. 따라서 일반 광도파로를 이용한 가변 광감쇠기에서 150도 이상의 온도변화를 필요로 하나 대형 코아 광도파로를 이용하면 70도 만의 온도 변화 만으로도 20 dB 이상의 광감쇠를 얻을 수 있어, 대형코아 광도파로가 가지는 장점인 높은 정렬 오차 허용 범위와 더불어 낮은 구동전압으로 동작하는 장점을 함께 가지는 광소자를 제조할 수 있게 된다.The present invention relates to a variable optical attenuator which is a polymer optical waveguide device that can be fabricated using a large core single mode polymer optical waveguide proposed for efficient passive alignment with high reproducibility. The size of the optical waveguide core is much larger than that of a general optical fiber. When a large refractive index difference between the core and the cladding material is made very small, it is easily guided when only a small refractive index difference is generated by external heat. Can be attenuated. Therefore, in the variable optical attenuator using a general optical waveguide, a temperature change of more than 150 degrees is required. However, when a large core optical waveguide is used, an optical attenuation of 20 dB or more can be obtained by a temperature change of only 70 degrees. It is possible to manufacture an optical device having a high alignment error tolerance and an advantage of operating at a low driving voltage.
광 감쇠기, 폴리머 광도파로, 열 확장 코어 광섬유, 대형 코어 광도파로 Optical attenuator, polymer optical waveguide, thermal expansion core optical fiber, large core optical waveguide
Description
도 1은 대형코아 광도파로와 박막 히터를 이용한 폴리머 광도파로 VOA 의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a polymer optical waveguide VOA using a large core optical waveguide and a thin film heater.
도 2는 히터에 열을 가하였을 때 발생하는 굴절률 분포 변화와 이로 인한 광파의 방사 현상을 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a change in refractive index distribution generated when heat is applied to a heater and a radiation phenomenon of light waves.
도 3a는 설계를 위하여 사용된 대형코아 광도파로 VOA의 단면 구조이며, Figure 3a is a cross-sectional structure of a large core optical waveguide VOA used for the design,
도 3b는 성능 비교를 위하여 이용된 일반 코아 광도파로 VOA 의 단면 구조를 나타낸다.3b shows the cross-sectional structure of a typical core optical waveguide VOA used for performance comparison.
도 4는 빔전파 해석을 통하여 구한 결과 중에서 서로 다른 몇가지 진행 거리에 대한 광파워 분포 변화를 보이고 있다.4 shows optical power distribution changes for several different travel distances from the results obtained through beam propagation analysis.
도 5는 진행 방향에 따라 나타나는 광파워 변화를 여러 가지 온도에 대하여 구한 결과이다.5 is a result obtained by obtaining a change in the optical power appearing in accordance with the progress direction for various temperatures.
도 6은 온도 변화로 인해 발생하는 VOA 소자의 최종 출력 광파워 변화를 나타낸다.6 shows the final output optical power change of the VOA device caused by the temperature change.
본 발명은 높은 재현성과 함께 효율적인 수동 정렬을 위하여 제안된 대형코어 단일모드 폴리머 광도파로를 이용하여 제작 가능한 폴리머 광도파로 소자인 가변 광감쇠기에 관한 것이다.The present invention relates to a variable optical attenuator which is a polymer optical waveguide device that can be fabricated using a large core single mode polymer optical waveguide proposed for efficient passive alignment with high reproducibility.
종래에는 평면위에 그려진 다양한 구조의 광도파로를 이용하여 광신호를 제어하는 방식은 마흐-젠더 간섭계, 방향성 결합기, 광스위치 등의 소자를 이용한 다양한 광신호 처리를 가능하게 한다. Conventionally, a method of controlling an optical signal using optical waveguides having various structures drawn on a plane enables processing of various optical signals using elements such as Mach-gender interferometers, directional couplers, and optical switches.
그러나 이러한 다양한 기능을 가진 광도파로 소자는 광섬유 연결 과정에서 필연적으로 발생하는 고가의 패키징 비용으로 인해 유사한 기능을 수행하는 광섬유 소자들에 비하여 가격 경쟁력이 뒤떨어지게 된다. However, the optical waveguide device having such various functions is inferior in price competitiveness to the optical fiber devices which perform similar functions due to the expensive packaging cost inevitably incurred during the optical fiber connection process.
근본적으로 반도체 제작 공정과 유사한 대량 생산 과정을 통하여 핵심 광도파로 칩의 생산이 가능한 점을 생각하면 패키징 공정을 간소화 시킬 수만 있다면 광도파로 소자의 가격은 현재의 수준보다 몇 배나 저렴하게 될 수도 있을 것이다. 또한 최근 들어 각광을 받고 있는 광섬유를 이용한 압력, 스트레인, 화학성분 검출 센서를 대신하여 더욱 다양한 광신호 처리가 가능한 광도파로 소자가 이용될 가능성도 매우 높다.Considering that the core optical waveguide chip can be produced through a mass production process similar to the semiconductor manufacturing process, the price of the optical waveguide device may be several times lower than the current level if the packaging process can be simplified. In addition, it is very likely that an optical waveguide device capable of processing a variety of optical signals in place of pressure, strain, and chemical component detection sensors using optical fibers, which has recently been spotlighted, is very likely to be used.
광도파로 소자의 입출력부에 광섬유를 수동적인 방법으로 연결하기 위한 연구는 기판이 되는 실리콘을 정밀하게 식각하여 광섬유를 심을 수 있는 홈을 파는 방법이 주류를 이루고 있다(IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, no. 1, pp. 62-64, 2000.). 그러나 이 방법은 미세한 정렬 오차로 인해 큰 접속 손실이 발생하는데 기판이 되는 실리콘을 에칭하는 정밀도의 한계로 인해 항상 동일한 수준의 광섬유 접속 손실을 유지하기가 어려운 단점이 있다. 그러므로 실질적인 생산 과정에서 적용시키기에는 아직 미흡한 기술로 사료된다. Research into passive connection of optical fiber to the input / output part of optical waveguide device is the main method to dig the silicon which is the substrate and to dig the groove to plant the optical fiber (IEEE Photon.Technol. Lett., vol. 12, no. 1, pp. 62-64, 2000.). However, this method generates a large splice loss due to fine alignment error, and it is difficult to maintain the same level of fiber splice loss at all times due to the limitation of the precision of etching the silicon as the substrate. Therefore, it is considered to be insufficient technology to be applied in actual production process.
정렬 오차에 따른 손실 증가를 줄이기 위한 방법으로서 광섬유의 코아를 열로 확장하여 모드를 확대시키는 방법이 최근에 제안되었다(IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 6, pp. 825-827, 2003.). 열확장 코아 (Thermally Expanded Core: TEC) 광섬유는 단일 모드 전파 조건을 유지하면서 도파 모드의 크기를 30 mm 이상으로 확대 시킬 수 있다. 이와 같은 TEC 광섬유를 이용하여 광섬유 정렬의 오차 허용 범위가 대폭 증가하는 것을 실험적으로 확인하였다(Optics Communications, vol. 246, pp. 337-343, 2005). 그러므로 TEC 광섬유와 연결 가능한 대형 코아 단일 모드 광도파로의 제작이 가능하면 광도파로 소자에 광섬유를 연결할 때 정렬 오차에 따른 손실을 줄일 수 있게 된다. 또한 궁극적으로 수동 광섬유 연결 공정을 현실적으로 가능하게 할 수 있는 방법을 제공한다.As a method for reducing the increase in loss due to misalignment, a method of expanding a mode by expanding a core of an optical fiber to heat has recently been proposed (IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 15, no. 6, pp. 825-827 , 2003.). Thermally expanded core (TEC) optical fiber can extend the size of the waveguide mode beyond 30 mm while maintaining single-mode propagation conditions. By using such TEC fiber, it was experimentally confirmed that the error tolerance of fiber alignment is greatly increased (Optics Communications, vol. 246, pp. 337-343, 2005). Therefore, if a large core single-mode optical waveguide that can be connected to TEC fiber can be manufactured, the loss due to alignment error can be reduced when connecting the optical fiber to the optical waveguide device. It also provides a way to ultimately make the passive fiber optic connection process practical.
대형 코아 광도파로는 최근 들어 대용량 단거리 데이터 전송을 위한 광연결 시스템에서 필요한 다중모드 광도파로 어레이를 만들기 위하여 연구되어 왔다(IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, no. 8, pp. 1121-1123, Aug. 2002.). 특히 두꺼운 광도파로 코아를 만들 수 있는 폴리머 재료를 이용한 결과가 많이 발표 되었다(IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 6, pp. 825-827, 2003.). 그러나 대 형 코아 구조를 가지면서 단일 모드로 동작하는 광도파로 구조는 최근에 이르러 본 연구실에서 최초로 제안된바 있다 (Optics Comm., vol. 242, pp. 533-540, 2004.). 이러한 대형 코아 광도파로는 TEC 광섬유와 연결이 가능하며 이때 정렬 오차로 인한 손실 증가가 기존의 작은 코아 구조의 광도파로에 비하여 현저히 작게 됨을 볼 수 있었다. 그리고 광섬유 연결 부분을 지나서 추가적인 광도파로 소자를 제작하고자 하는 경우에는 일반적인 광도파로 구조와 대형코아 광도파로를 광파워 보존 테이퍼 구조 (adiabatic taper structure)를 이용하여 서로 다른 광도파로를 연결하는 것도 가능하다(IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, no. 4, pp. 407-409, 2000.).Large core optical waveguides have recently been studied to make multimode optical waveguide arrays required in optical interconnection systems for large-capacity short-range data transmission (IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 14, no. 8, pp. 1121- 1123, Aug. 2002.). In particular, many results using polymer materials capable of producing cores with thick optical waveguides have been published (IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 15, no. 6, pp. 825-827, 2003.). However, the optical waveguide structure, which has a large core structure and operates in a single mode, has recently been proposed for the first time in the laboratory (Optics Comm., Vol. 242, pp. 533-540, 2004.). These large core optical waveguides can be connected to TEC optical fibers, and the loss due to misalignment can be seen to be significantly smaller than that of conventional small core optical waveguides. In addition, in the case where an additional optical waveguide device is to be fabricated through an optical fiber connection portion, it is also possible to connect different optical waveguides using a general optical waveguide structure and a large core optical waveguide using an optical power preservation taper structure ( IEEE Photon.Technol. Lett., Vol. 12, no. 4, pp. 407-409, 2000.).
본 발명은 광도파로 코아-클래딩의 굴절률 차이가 작은 대형 코아 광도파로 구조를 이용하여 지금까지 구현되지 않은 새로운 개념의 폴리머 광도파로 가변 광감쇠기를 제공한다. The present invention provides a novel concept of polymer optical waveguide variable optical attenuator, which has not been implemented until now, by using a large core optical waveguide structure having a small refractive index difference of the optical waveguide core-cladding.
본 발명의 또 다른 목적은 대량 생산을 위해 적합한 수동 정렬이 가능하면서 구동 전력이 낮은 새로운 광감쇠 소자를 제공하는 것이다. It is yet another object of the present invention to provide a new photodamping device with low drive power that is capable of manual alignment suitable for high volume production.
본 발명의 또 다른 목적은 대형코아 광도파로를 이용하여 온도 변화가 적은 경우에도 큰 광감쇠 효과를 가지는 소자를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a device having a large light attenuation effect even when the temperature change is small by using a large core optical waveguide.
본 발명의 또 다른 목적은 광도파로코아의 크기가 15 ~ 25 um 정도로서 일반적인 광도파로 코아 크기 6 ~ 8 ㎛ 에 비하여 현저히 큰 형태를 가지는 대형 코아 광도파로를 이용하여 온도 변화가 적은 경우에도 큰 광감쇠 효과를 가지는 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a large optical attenuation even when the temperature change is small by using a large core optical waveguide having a significantly larger form than the optical waveguide core size of 6 ~ 8 ㎛ as the size of the optical waveguide of 15 ~ 25 um It is to provide an element having an effect.
본 발명의 또 다른 목적은 광도파로의 크기가 15 ~ 25 um 정도로서 일반적인 광도파로 코아 크기 6 ~ 8 ㎛ 에 비하여 현저히 큰 형태를 가지며 코아와 클레드의 굴절율의 차이가 일반적인 광도파로 코아 보다 적은 대형 코아 광도파로를 이용하여 온도 변화가 적은 경우에도 큰 광감쇠 효과를 가지는 소자를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention that the size of the optical waveguide is about 15 to 25 um and has a significantly larger shape than that of the general optical waveguide core size of 6 to 8 μm and the difference in refractive index between core and clad is smaller than that of the general optical waveguide core. It is to provide a device having a large optical attenuation effect even when the temperature change is small by using an optical waveguide.
본 발명에서는 TEC 광섬유와 연결이 가능한 대형코아 단일모드 광도파로 구조를 이용하여 제작 가능한 폴리머 가변 광감쇠기를 제안한다. 대형코아 광도파로는 단일 모드 전파를 만족시키기 위하여 광도파로 코아와 클래딩간의 굴절률 차이를 0.001 이하로 만들어야 하는데 이로 인해 광파의 국한도는 현저히 떨어지게 된다. 이점을 이용하면 열광학 효과에 의한 굴절률 변화를 발생시키는 가변 광감쇠기에서는 매우 작은 구동 파워를 이용하여 도파광을 방사시키고 출력광 세기를 감쇠시킬 수 있다. 그러므로 제안된 대형코아 폴리머 광감쇠기는 구동전력이 낮으면서 대량생산을 위한 수동정렬 가능한 소자가 된다. 제안된 소자의 동작 가능성을 검토하고 소자 구조를 최적화 시키기 위한 삼차원 시뮬레이션을 수행하였다. 소자의 상단부에 제작된 히터로부터 발생하는 열 분포를 3차원 구조상에서 해석하여 열로 인한 굴절률 분포를 구하고, 이를 토대로 삼차원 빔전파 방법을 수행하였다. 유효굴 절률 방법을 이용한 2차원 해석이 아닌 3차원 구조의 직접적인 시뮬레이션을 통하여 실제 소자에서 일어나는 빔전파를 명확하게 규명하여 소자 제작을 위한 최적 구조를 설계하였다. The present invention proposes a polymer variable optical attenuator that can be manufactured using a large core single mode optical waveguide structure that can be connected to a TEC optical fiber. In order to satisfy the single mode propagation of large core optical waveguide, the refractive index difference between optical waveguide core and cladding should be less than 0.001. Taking advantage of this, in a variable optical attenuator that generates a change in refractive index due to the thermo-optic effect, very small driving power can be used to radiate the waveguide light and attenuate the output light intensity. Therefore, the proposed large core polymer optical attenuator becomes a passively alignable device for mass production with low driving power. We reviewed the feasibility of the proposed device and performed three-dimensional simulation to optimize the device structure. By analyzing the heat distribution generated from the heater fabricated in the upper end of the device on a three-dimensional structure to obtain the refractive index distribution due to heat, based on this three-dimensional beam propagation method was performed. Through the direct simulation of the three-dimensional structure rather than the two-dimensional analysis using the effective refractive index method, the beam propagation occurring in the actual device was clearly identified and the optimum structure for the device fabrication was designed.
대형코아 광도파로를 이용한 폴리머 광도파로 광감쇠기의 개략적인 형태를 도 1 에서 보이고 있다. 실리콘 기판위에 굴절률이 다른 두 종류의 폴리머를 이용하여 광도파로 구조를 형성하고 그 위에 금속 박막을 이용하여 전극 구조를 만들게 된다. 이때 열을 발생 시키는 전극은 광도파로와 나란히 정렬되어 제작된다. 이와 같은 구조에서 전극에 전류를 흘리게 되면 열이 발생하게 되며 이로 인해 폴리머 광도파로에 특정한 굴절률 분포가 발생하게 된다. 열선에 가까운 부위의 폴리머 굴절률은 기판에 가까운 부위에 비하여 더 낮게 되며 결국 수직 방향으로 굴절률 값이 서서히 커지는 형태의 굴절률 분포가 형성된다. 이러한 굴절률 분포는 광도파로를 따라 진행하는 광파를 기판쪽으로 회절 시키는 역할을 하게 되며 결론적으로 광도파로를 통과하여 진행하게 되는 광파의 세기를 감쇠시키는 작용을 한다.A schematic view of a polymer optical waveguide optical attenuator using a large core optical waveguide is shown in FIG. 1. Two types of polymers with different refractive indices are formed on a silicon substrate to form an optical waveguide structure, and a metal thin film is used to form an electrode structure. At this time, the electrodes that generate heat are manufactured to be aligned with the optical waveguide. In such a structure, when current flows through the electrode, heat is generated, which causes a specific refractive index distribution to occur in the polymer optical waveguide. The polymer refractive index of the portion close to the hot wire is lower than that of the portion close to the substrate, resulting in a refractive index distribution in which the refractive index value gradually increases in the vertical direction. Such refractive index distribution acts to diffract light waves traveling along the optical waveguide toward the substrate and consequently attenuates the intensity of light waves propagating through the optical waveguide.
광파를 감쇠시키는 효율은 전극의 구조나 광도파로의 구조에 의해서도 영향을 받게 된다. 특히 전극과 평행하게 진행하는 직선 광도파로를 이용한 VOA 는 Gemfire 라는 회사에서 최초로 고안하였다.(IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no. 7, pp. 848-850, July 1999., 특허 번호: US 6,434,318 B1, Bischel et al., Device and method for variable attenuation of an optical channel). 이러한 직선형 광 감쇠기는 Y-분기형 광도파로나 다중모드 광도파로를 이용한 광감쇠기에 비하여 편광의존성과 파장의존성이 우수한 장점을 가지고 있다.(J. Lightwave Technol., vol. 14, no. 10, pp. 2209-1696, Oct. 1996, J. Lightwave Technol., vol. 17, no. 12, pp. 2675-2682, Dec. 1999.) The efficiency of attenuating light waves is also affected by the structure of the electrode and the structure of the optical waveguide. In particular, VOA using a linear optical waveguide traveling parallel to the electrode was first devised by a company called Gemfire (IEEE Photon.Technol. Lett., Vol. 11, no. 7, pp. 848-850, July 1999., Patent No. US 6,434,318 B1, Bischel et al., Device and method for variable attenuation of an optical channel). Such a linear optical attenuator has the advantages of polarization dependence and wavelength dependency superior to that of an optical attenuator using a Y-branch type optical waveguide or a multimode optical waveguide. (J. Lightwave Technol., Vol. 14, no. 10, pp 2209-1696, Oct. 1996, J. Lightwave Technol., Vol. 17, no. 12, pp. 2675-2682, Dec. 1999.)
그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 직선 광도파로 VOA 는 광감쇠를 일으키기 위해 필요한 굴절률의 변화가 다른 종류의 VOA 에 비하여 훨씬 크기 때문에 구동 파워가 커지는 단점을 가지고 있다. 이로 인해 Gemfire 사에서는 유리전이온도(Tg) 가 상온 보다 낮은 폴리머를 개발하여 열광학 계수를 4.0 x 10-4 /°C 이상으로 끌어 올리게 되었다. 하지만 Tg 가 높고 안정성이 뛰어난 저손실 광폴리머는 열광학 계수가 1.5 x 10-4 /°C 정도에 불과하므로 이를 이용하여 직선 광도파로형 VOA 를 제작하게 되면 열선의 온도를 150 °C 이상으로 올려야 하며 이로 인해 전극의 수명이 짧아지고 폴리머 박막이 고온에서 지속됨으로 인해 장시간에 걸친 소자의 안정성을 저해시키는 요인이 된다.However, despite these advantages, the linear optical waveguide VOA has a disadvantage in that the driving power increases because the change in refractive index required to cause optical attenuation is much larger than that of other types of VOA. This led Gemfire to develop a polymer with a lower glass transition temperature (Tg) below room temperature, bringing the thermooptic coefficient above 4.0 x 10-4 / ° C. However, low loss optical polymer with high Tg and excellent stability has only about 1.5 x 10-4 / ° C of thermo-optic coefficient. Therefore, when manufacturing linear optical waveguide type VOA, it is necessary to raise the temperature of heating wire to more than 150 ° C. As a result, the life of the electrode is shortened and the polymer thin film is maintained at a high temperature, thereby degrading the stability of the device for a long time.
대형 코아 광도파로는 도파로 코아의 크기가 15 ~ 25 um 정도로서 일반적인 광도파로 코아 크기 6 ~ 8 um 에 비하여 현저히 큰 형태를 가진다. 이와 같은 큰 코아 크기에도 불구하고 단일 모드 전파 조건을 만족시키기 위하여 광도파로 코아와 클래딩 간의 굴절률 차이를 매우 작게 만들어야 한다. 유한요소법 광도파로 설계를 통하여 코아의 크기가 25 um 인 구조에서 광도파로의 굴절률 차이에 따른 도파모드의 유효굴절률을 계산해 본 결과 굴절률 차이가 1.3 x 10-3 이하인 경우 하나의 모드만이 광도파로에 존재할 수 있음을 확인하였다.The large core optical waveguide has a waveguide core of about 15 to 25 um in size, which is significantly larger than a typical optical waveguide core of 6 to 8 um in size. Despite this large core size, the difference in refractive index between the optical waveguide core and the cladding must be made very small to satisfy the single mode propagation conditions. Calculation of the effective refractive index of the waveguide mode according to the refractive index difference of the optical waveguide in the structure of 25 um core by finite element method optical waveguide design shows that only one mode is applied to the optical waveguide when the refractive index difference is 1.3 x 10-3 or less. It was confirmed that it may exist.
전극에서 발생하는 열로 인해 발생하는 광도파로 굴절률 분포의 변화를 도 2에서 개념적으로 나타내고 있다. 도 2(a) 에서는 광도파로 굴절률 차이가 크고 코 아의 크기가 작은 일반적인 광도파로를 이용한 VOA 소자를 나타내고 있으며 도 2(b) 에서는 굴절률 차이가 작고 코아의 크기가 큰 대형 코아 광도파로 VOA 에 관하여 나타내고 있다. 전극에서 발생하는 열로 인해 폴리머 박막의 표면에 Δn 만큼의 굴절률 변화가 발생하게 되며 깊이 방향으로 서서히 변화가 줄어들다가 기판이 있는 위치에 와서는 원래의 굴절률 값으로 돌아오게 된다. 이때 대형코아 광도파로의 경우 광도파로 굴절률 차이가 작은 값을 가지므로 열로 인한 굴절률 분포가 발생시 도파광이 기판쪽으로 작은 굴절률 언덕을 넘어서 쉽게 빠져나갈 수 있음을 알 수 있다. 이로 인해 대형코아 광도파로의 경우 적은 온도 변화 만으로도 큰 광감쇠 효과를 얻을 수 있게 된다.The change in the optical waveguide refractive index distribution due to the heat generated in the electrode is conceptually shown in FIG. 2. FIG. 2 (a) shows a VOA device using a typical optical waveguide having a large difference in refractive index of the optical waveguide and a small core size. FIG. 2 (b) shows a large core optical waveguide VOA having a small refractive index difference and a large core size. It is shown. The heat generated by the electrode causes the refractive index change of Δn to occur on the surface of the polymer thin film, and the change gradually decreases in the depth direction, and then returns to the original refractive index value when the substrate is located. In this case, the large core optical waveguide has a small difference in the refractive index of the optical waveguide, and thus, when the refractive index distribution due to heat occurs, the waveguide can easily escape beyond the small refractive index hill toward the substrate. As a result, in the case of a large core optical waveguide, a large optical attenuation effect can be obtained with only a small temperature change.
직선 광도파로 VOA 소자의 동작 특성을 파악하고 소자 제작을 위한 구조 설계를 하기 위하여 히터에서 발생하는 열에 의해서 폴리머 박막에 형성되는 삼차원 열분포를 구하고 이로부터 삼차원 굴절률 분포를 구하였다. 계산된 삼차원 굴절률 분포는 삼차원 빔전파방법을 토대로 한 설계 과정에 이용되었으며 이러한 삼차원 해석을 통하여 전반적인 소자 특성을 직접 해석하여 정확한 소자 구조를 설계하였다. In order to understand the operation characteristics of the VOA device and to design the structure for the device fabrication, the three-dimensional heat distribution formed on the polymer thin film by the heat generated from the heater was obtained and the three-dimensional refractive index distribution was obtained from the linear optical waveguide. The calculated three-dimensional refractive index distribution was used in the design process based on the three-dimensional beam propagation method, and the accurate device structure was designed by directly analyzing the overall device characteristics through the three-dimensional analysis.
삼차원 굴절률 분포를 계산하기 위하여 먼저 박막 히터에서 발생하는 열로 인한 폴리머 광도파로 내부의 열 분포를 계산하였다. 계산을 위해 이용된 소자의 구조는 도 3에서 보이고 있으며 (a) 는 대형 코아 광도파로의 구조이며 (b) 는 비교를 위하여 사용된 보통의 광도파로 구조를 나타낸다. 이때 상부 클래딩의 두께는 전극에 의한 광파의 흡수가 일어나지 않을 정도의 두께를 선택하였다. 그리고 하부 클래딩은 열효율을 향상시키기 위하여 상부 클래딩에 비하여 좀 더 두껍게 선택하였다.To calculate the three-dimensional refractive index distribution, first, the heat distribution inside the polymer optical waveguide due to the heat generated from the thin film heater was calculated. The structure of the device used for the calculation is shown in FIG. 3, where (a) is the structure of a large core optical waveguide and (b) is the normal optical waveguide structure used for comparison. At this time, the thickness of the upper cladding was selected such that the absorption of light waves by the electrode does not occur. The lower cladding was chosen thicker than the upper cladding to improve thermal efficiency.
전극에 흐르는 전류로 인하여 열이 발생하여 폴리머 박막 전반에 걸쳐 열분포가 형성되면 이후 더 이상 시간에 따른 온도 변화가 생기지 않는 평형 상태로 접어든다. 이러한 열적 평형 상태에서의 온도 분포는 Laplace 수식을 반복법 (iteration method) 을 이용하여 풀면 구할 수 있다. 열분포 계산을 위한 좌표계는 광도파로 너비 X, 높이 Y, 그리고 진행방향을 Z 축으로 정의한다. 계산을 위한 범위는 X = 60 um, Y = 60 um, Z = 2000 um 로 한정하였다. 열을 발생시키는 히터는 16 x 1000 um2 의 크기를 가지며 소자의 표면상에서 정 중앙부에 위치하고 있다. When heat is generated due to the current flowing through the electrode and a heat distribution is formed throughout the polymer thin film, it enters an equilibrium state where no temperature change occurs over time. The temperature distribution at this thermal equilibrium can be found by solving the Laplace equation using an iteration method. The coordinate system for calculating the heat distribution defines the optical waveguide width X, height Y, and direction of travel as the Z axis. The range for the calculation was limited to X = 60 um, Y = 60 um, Z = 2000 um. The heat generating heater has a size of 16 x 1000 um 2 and is located at the center of the surface of the device.
반복법 계산 과정에서 경계를 포함하는 지점의 계산을 위한 경계 조건은 경계 부위를 전후로 하여 온도의 미분 값이 일정하다고 정의하는 Neumann boundary condition을 적용하였다. 삼차원 열분포를 구하기 위한 손쉬운 방법으로 X-Y 평면과 Y-Z 평면을 따로 분리하여 각각 온도 분포를 계산하였으며 그 결과를 도 6에서 보이고 있다. 히터의 온도가 70도 이고 기판의 온도가 20도 일 때 바닥으로 가면서 서서히 온도가 떨어지는 형태의 분포를 구할 수 있었다. 이렇게 구해진 X-Y, Y-Z 평면에 대한 온도 분포를 서로 곱하여 주게 되면 X-Y-Z 삼차원 공간에 대한 열분포를 구할 수 있다. 구해진 열분포에 폴리머의 열광학 계수인 1.5 x 10-4 를 대입하여 계산하면 광도파로 단면 굴절률 분포를 얻을 수 있다. 70도 정도의 온도가 인가되면 표면의 굴절률 값이 0.005 이상 차이가 나게 되어 광도파로의 초기 굴절률 차 이인 0.001 보다 훨씬 큰 굴절률 변화를 보이게 된다. 이로 인해 광도파로 코아를 통하여 진행하던 광파는 더 높은 굴절률을 보이고 있는 기판 쪽으로 빠져 나가게 된다.The boundary condition for the calculation of the point including the boundary in the iterative calculation process is applied to the Neumann boundary condition which defines that the temperature differential is constant around the boundary. As an easy method for obtaining three-dimensional heat distribution, the temperature distribution was calculated by separating the X-Y plane and the Y-Z plane separately, and the results are shown in FIG. 6. When the temperature of the heater is 70 degrees and the temperature of the substrate is 20 degrees, it was possible to obtain a distribution in the form of temperature gradually falling to the bottom. By multiplying the temperature distributions for the X-Y and Y-Z planes, the heat distribution for the X-Y-Z three-dimensional space can be obtained. The optical waveguide cross-sectional refractive index distribution can be obtained by substituting 1.5 x 10-4, the thermo-optic coefficient of the polymer, into the obtained thermal distribution. When the temperature of about 70 degrees is applied, the refractive index value of the surface is different by 0.005 or more, and the refractive index change is much larger than 0.001 which is the initial refractive index difference of the optical waveguide. As a result, the light waves traveling through the core of the light waveguide exit to the substrate showing higher refractive index.
삼차원 굴절률 분포 계산 결과를 이용하여 대형코어 광도파로를 진행하는 광파의 형태를 살펴보기 위하여 삼차원 빔전파 시뮬레이션을 수행하였다. 계산을 위한 영역은 X, Y 방향 각각 60 um, 그리고 진행 방향 2 mm 에 대하여 빔전파를 계산하였다. 이때 계산을 위한 간격 x, y 는 각각 0.5 um 로 하였으며 진행 방향에 대한 z 는 계산속도를 고려하여 2 um 로 하였다. 도 4에서는 빔전파 방법으로 구한 광파의 변화 과정을 보이고 있다. Z = 0 인 입력 지점에서 대형 코아 광도파로의 기본 모드 (fundamental mode) 가 입력 되었을 때 온도를 70도 만큼 올린 상태에서 빔전파를 수행하였으며 그 결과 중에서 Z = 0.25 mm, 0.50 mm, 0.75 mm, 1.00 mm, 1.25 mm, 1.50 mm 인 지점에서 광파의 파워 분포를 등고선 도으로 보여주고 있다. 히터가 시작되는 위치인 Z = 0.50 mm 인 지점에서부터 광파가 아래쪽으로 밀려나는 현상을 볼 수 있으며 히터가 끝나는 위치인 Z = 1.50 mm 인 지점에서 거의 모든 광파워가 BPM boundary 를 지나서 사라지는 것을 볼 수 있다. Z = 0.50 mm 인 히터 시작점에서부터 광파의 변화가 나타나는 것은 온도 분포로부터 알 수 있듯이 히터에서 발생한 열이 주변으로 많이 퍼져있기 때문이다. 본 BPM 프로그램에서는 경계조건으로서 transparent boundary condition 을 이용하였으며 이로 인해 BPM 경계 부분에서 반사가 거의 일어나지 않게 되었다. 이와 같은 모드 분포 변화 관측과 더불어 각 평면에서 나타나는 광파의 분포를 광도파로의 기본 모드와 overlab integral 를 하여 모드 성분에 해당하는 파워를 계산하였으며 그 결과를 도 5에서 보이고 있다. 광파가 진행해 나아가면서 파워가 서서히 줄어드는 것을 볼 수 있으며 온도의 증가에 따라 광파워 감쇠가 커지는 것을 확인할 수 있다.Three-dimensional beam propagation simulation was performed to investigate the shape of the optical wave traveling through the large core optical waveguide using the three-dimensional refractive index distribution calculation results. For the calculation, beam propagation was calculated for 60 um in the X and Y directions and 2 mm in the travel direction. At this time, the intervals x and y for the calculation were 0.5 um, respectively, and z for the traveling direction was 2 um considering the calculation speed. 4 shows a process of changing the light waves obtained by the beam propagation method. When the fundamental mode of the large core optical waveguide was input at the input point of Z = 0, beam propagation was performed with the temperature increased by 70 degrees. Among them, Z = 0.25 mm, 0.50 mm, 0.75 mm, 1.00 The power distribution of the light waves at the points of mm, 1.25 mm and 1.50 mm is shown in the contour diagram. At the point where the heater starts, Z = 0.50 mm, the light waves are pushed downward, and at the point where the heater ends, Z = 1.50 mm, almost all the light power disappears past the BPM boundary. . The change in light waves from the heater starting point with Z = 0.50 mm is due to the fact that the heat generated from the heater is spreading to the surroundings as can be seen from the temperature distribution. In this BPM program, a transparent boundary condition was used as the boundary condition, which resulted in almost no reflection at the BPM boundary. In addition to the observation of the change in the mode distribution, the power corresponding to the mode component was calculated by overlab integral of the light wave distribution appearing in each plane with the basic mode of the optical waveguide, and the result is shown in FIG. 5. As the light wave progresses, the power decreases gradually, and the light power attenuation increases as the temperature increases.
도 3에서 보인 대형 코아 VOA 와 일반 광도파로 VOA 의 경우에 대하여 각각 BPM 을 수행하였으며 VOA 를 통과하는 최종 광파워를 계산하여 도 6에 나타내었다. 코아와 클래딩의 굴절률 차이가 0.005 이며 코아의 크기가 8 x 8 um2 인 광도파로를 이용한 VOA 에서는 20 dB 이상의 광파워 감쇠를 얻기 위해서 150도 이상의 온도 변화가 필요함을 알 수 있다. 이와 같은 높은 온도 변화는 히터와 폴리머 박막의 안정성을 저해하는 요인이 될 것이다. 반면 20 x 20 um2 크기의 대형 코아 광도파로의 경우에는 훨씬 낮은 온도 변화 만으로도 20 dB 이상의 감쇠를 얻을 수 있음을 보이고 있다. 그 중에서도 굴절률 차이가 0.0005 인 경우는 70도 정도의 온도 변화 만으로 20 dB 이상의 감쇠를 일으킬 수 있게 됨을 확인하였다.BPM was performed for each of the large core VOA and the general optical waveguide VOA shown in FIG. 3, and the final optical power passing through the VOA was calculated and shown in FIG. 6. The difference in refractive index between core and cladding is 0.005 and the VOA using an optical waveguide with a core size of 8 x 8 um 2 requires a temperature change of more than 150 degrees to obtain more than 20 dB of optical power attenuation. This high temperature change will be a factor in the stability of the heater and the polymer thin film. On the other hand, in the case of a large core optical waveguide measuring 20 x 20 um 2 , it is shown that a much lower temperature change can achieve more than 20 dB of attenuation. In particular, when the difference in refractive index is 0.0005, it can be confirmed that attenuation of 20 dB or more can be caused only by a temperature change of about 70 degrees.
본 발명에서는 광도파로 소자와 광섬유 간의 수동 정렬을 위하여 개발된 대형코아 광도파로 구조를 이용하여 제작 가능한 가변 광 감쇠기를 제안하였다. 직선형 대형 코아 광도파로 위에 박막 히터를 제작하여 온도를 증가 시키게 되면 표면에서부터 기판으로 향한 굴절률 경사가 발생하게 되며 이로 인해 광파가 상대적으로 높은 굴절률을 유지하고 있는 기판에 가까운 폴리머 클래딩 쪽으로 빠져 나가 는 원리를 이용하였다. 이와 같은 기본적인 소자의 동작 원리를 규명하고 제작을 위한 설계를 하기 위하여 열분포 해석을 통한 삼차원 굴절률 분포를 계산하였으며 이를 이용하여 삼차원 빔전파 해석을 하였다. 일반적인 광도파로 구조를 이용한 VOA 와 대형 코아 광도파로를 이용한 VOA 의 특성을 비교하여 보았으며 대형코아 광도파로의 경우 코아와 클래딩의 굴절률 차이가 0.0005 에 불과함으로 인해 훨씬 더 낮은 온도 변화 만으로도 효과적인 광감쇠를 얻을 수 있음을 확인하였다. 20 dB 감쇠를 얻기 위하여 일반 광도파로 VOA 의 경우 150 도 이상의 온도 변화가 필요한 반면 제안된 대형 코아 광도파로를 이용하면 필요한 온도 변화가 70 도 이하로 줄어 들게 됨을 확인하였다. 이러한 낮은 구동 온도는 소자의 장기적인 신뢰성 확보를 위하여 중요한 의미를 가진다. 대형코아 광도파로 VOA 는 수동정렬이 손쉬운 잇점과 더불어 구동 온도가 낮은 장점을 가지게 되므로 저가형 VOA 대량생산을 가능하게 할 것이다. In the present invention, a variable optical attenuator that can be manufactured using a large core optical waveguide structure developed for manual alignment between an optical waveguide device and an optical fiber is proposed. Increasing the temperature by fabricating a thin-film heater on a large, linear core optical waveguide results in a refractive index gradient from the surface to the substrate. Was used. In order to clarify the basic principles of operation and design for fabrication, the three-dimensional refractive index distribution was calculated through thermal analysis and three-dimensional beam propagation analysis was used. The characteristics of VOA using a general optical waveguide structure and VOA using a large core optical waveguide were compared. In the case of a large core optical waveguide, the difference in refractive index between core and cladding is only 0.0005. It was confirmed that it can be obtained. In order to obtain 20 dB attenuation, it is confirmed that the temperature change of more than 150 degrees is required for the conventional optical waveguide VOA, while the required temperature change is reduced to less than 70 degrees using the proposed large core optical waveguide. This low driving temperature is important for ensuring long-term reliability of the device. The large core optical waveguide VOA has the advantage of easy manual alignment and low driving temperature, which will enable mass production of low-cost VOA.
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|---|---|---|---|---|
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19980045889A (en) * | 1996-12-11 | 1998-09-15 | 양승택 | Polarized independent variable optical attenuator |
| US6434318B1 (en) * | 2000-08-02 | 2002-08-13 | Gemfire Corporation | Device and method for variable attenuation of an optical channel |
| JP2004286830A (en) | 2003-03-19 | 2004-10-14 | Hitachi Cable Ltd | Waveguide type variable optical attenuator |
| US6856752B2 (en) | 2000-08-02 | 2005-02-15 | William K. Bischel | Device and method for variable attenuation of an optical channel |
| KR20050036404A (en) * | 2003-10-16 | 2005-04-20 | 한국전자통신연구원 | Optical device employing the silica/polymer hybrid optical waveguide |
-
2005
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19980045889A (en) * | 1996-12-11 | 1998-09-15 | 양승택 | Polarized independent variable optical attenuator |
| US6434318B1 (en) * | 2000-08-02 | 2002-08-13 | Gemfire Corporation | Device and method for variable attenuation of an optical channel |
| US6856752B2 (en) | 2000-08-02 | 2005-02-15 | William K. Bischel | Device and method for variable attenuation of an optical channel |
| JP2004286830A (en) | 2003-03-19 | 2004-10-14 | Hitachi Cable Ltd | Waveguide type variable optical attenuator |
| KR20050036404A (en) * | 2003-10-16 | 2005-04-20 | 한국전자통신연구원 | Optical device employing the silica/polymer hybrid optical waveguide |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8615147B2 (en) | 2010-07-21 | 2013-12-24 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Optical switch device and method of manufacturing the same |
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