KR100798914B1 - 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치 및 이를 이용한광모듈 - Google Patents

광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치 및 이를 이용한광모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유의 클래딩 식각을 이용한 파장선별적 광집속장치 및 이를 이용한 광모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치는, 광신호가 전달되는 코어; 및 상기 코어를 둘러싸며, 외주면에 일정한 비율로 변화하는 형태를 갖는 다수의 홈이 형성된 클래딩을 포함하고, 상기 코어로 도파되는 일정한 파장을 갖는 광신호는 상기 홈에 의하여 상기 클래딩 외부로 집속되는 것을 특징으로 한다.
fiber, chirped-Bragg grating, cladding-etched grating, optical focusing, 광송수신

Description

광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치 및 이를 이용한 광모듈{DEVICE FOR WAVELENGTH SELECTIVE OPTICAL BEAM FOCUSING USING OPTICAL FIBER AND OPTICAL MODULE UNSING IT}
도 1은 종래 기술에 따라 광섬유 브래그 격자를 이용하여 인라인(in-line) 형태의 광 신호를 검출할 수 있는 광섬유의 구성도.
도 2는 종래 기술에 따른 광 도파로 격자 커플러의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 홈들의 간격이 감소하는 형태의 광섬유격자를 갖는 광집속장치의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 홈들의 폭이 변하는 형태의 광섬유격자를 갖는 광집속장치의 단면도.
도 6은 본 발명에 실시예에 따라 깊이가 변하는 형태의 광섬유격자를 갖는 광집속장치의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광집속장치를 이용한 광모듈의 구조를 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 기호 설명>
10: 광섬유 11: 브래그 격자
12: 코어 20: 광 도파로 격자 커플러
21: 기판 클래딩 22: 코어층
23: 상부 클래딩 24: 격자렌즈
25: 경사진 출력빔 26: 초점
27: 코어모드 28: 경사진격자
40: 광집속장치 41: 광신호
42: 코어 43: 첩이된 격자
44: 클래딩 45: 코어모드
46: 초점 80: 광모듈
81: 서브마운트 82: 포토 다이오드
83: 레이저 다이오드
본 발명은 광집속장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유의 클래딩 식각을 이용한 파장선별적(wavelength selective) 광집속장치 및 이를 이용한 광모듈 에 관한 것이다.
광섬유 코어를 통해서 진행하는 광 신호를 검출하기 위해서는 코어를 통하여 전송되는 광 신호에 대한 코어모드의 경로를 변경시켜야 한다. 그러나 일반적으로 광섬유 코어는 상대적으로 두꺼운 클래딩에 둘러싸여 있기 때문에 외부에서 영향을 주더라도 코어모드에는 크게 영향을 미치지 않는다. 이러한 이유 때문에 광섬유에서 광 신호를 검출하기 위해서는 광섬유 자체에 물리적인 변형을 주어야 한다. 광섬유에 광 신호를 검출할 수 있도록 물리적인 변형을 주는 방법은 다양하게 제시되고 있으며, 그 중 가장 손쉽고 광섬유 특성을 그대로 이용할 수 있는 방법으로는 광섬유 코어에 광섬유격자(Fiber Bragg Grating: FBG)를 생성하는 방법이 있다.
일예로, 미국 특허 제5,042,897호 'OPTICAL WAVEGUIDE EMBEDDED LIGHT REDIRECTING BRAGG GRATING ARRANGEMENT'에는 광섬유 브래그 격자를 이용하여 인라인(in-line) 형태의 광 신호를 검출할 수 있는 광섬유가 개시되어 있으며, 이는 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 상기 광섬유(10)에는 도파광 신호를 코어 밖으로 빼내기 위하여 경사진 광섬유 브래그 격자(11)가 코어(12) 내에 생성된다. 이와 같은 구조는 추가적인 장치가 필요없이 간단하게 코어로 진행하는 광신호를 광섬유 외부로 방사(radiate)시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이 구조는 코어(12) 내의 광 신호를 빼내기에 효율이 너무 작아 광 신호 감시용으로는 사용이 가능하지만 고결합률을 갖는 광 신호 검출에는 부적합한 단점이 있다. 또한 상기 광섬유(10)외 부로 방사된 빛을 다시 집속하기 위해서는 렌즈와 같이 추가적인 장치가 필요하게 된다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제2005-8280호 '광 도파로 격자 렌즈 및 그 제조방법'에는 광 커플링 효율(coupling efficiency)을 향상시킬 수 있는 광 도파로 격자 커플러(Focusing wavegide grating coupler: FWGC)가 개시되어 있으며, 이는 도 2에 도시된다. 도 2를 참조하면, 상기 광 도파로 격자 커플러(20)은 기판 클래딩(21)과 코어층(22)로 이루어진 평면 도파로 상에 상부 클래딩(23)이 형성되고, 상기 코어층(22)에는 경사진 격자(slanted grating)(28)가 형성되며, 상기 상부 클래딩(23)에는 프레넬 격자 렌즈(24)가 형성된다. 이러한 구조에서 평판 도파로를 따라 코어모드(27)가 진행하다가 경사진 격자(28)을 만나면서 회절되어 경사진 출력빔(25)을 만들게 된다. 그러면, 이러한 경사진 출력빔(25)는 상기 프레넬 격자 렌즈(24)를 만나면서 회절되어 초점(26)으로 모이게 된다. 그러나 이와 같은 평면도파로는 제작과정이 매우 복잡하고, 도파 손실을 최소로 하기 위해 광섬유와의 모드매칭을 정확히 시켜야만 하는 문제가 있다. 또한 도 2와 같은 상기 광 도파로 격자 커플러는 일반적으로 자외선(UV)에 민감한 광섬유 재료를 선택한 후, 위상마스크를 통해 자외선을 입사시켜 굴절률 변화를 유도함으로써 코어층(22)에 광섬유격자(FBG)를 형성하게 된다. 그러나 이와 같이 자외선을 이용하여 형성된 광섬유격자(FBG)는 첫째 제작 재현성이 크게 떨어지고, 둘째 시간이 지남에 따라 굴절률 변화 등 심각한 노화(aging) 현상을 나타내게 되며, 세째 최대 광커플링 효율이 50%를 초과하기 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 광섬유를 이용하여 재작 재현성이 뛰어나면서도 노화 현상을 방지할 수 있는 광집속장치 및 이를 이용한 광모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치는, 광신호가 전달되는 코어; 및 상기 코어를 둘러싸며, 외주면에 일정한 비율로 변화하는 형태를 갖는 다수의 홈이 형성된 클래딩을 포함하고, 상기 코어로 도파되는 일정한 파장을 갖는 광신호는 상기 홈에 의하여 상기 클래딩 외부로 집속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광모듈은, 서브마운트; 상기 서브마운트상에 실장되고, 광신호가 전달되는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸며 외주면에 일정한 비율로 변화하는 형태를 갖는 다수의 홈이 형성된 클래딩을 포함하고, 상기 코어로 도파되는 일정한 파장을 갖는 광신호는 상기 홈에 의하여 상기 클래딩 외부로 집속되는 광집속장치; 및 상기 서브마운트 상에서 상기 광집속장치에 의하여 광신호가 집적되는 부분에 배열되어, 상기 광신호를 수신 또는 송신하는 광소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치의 구성도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 파장선별적 상기 광집속장치(40)의 사시도이고, 도 3b는 상기 광집속장치(40)의 측단면도이다.
본 발명에 따른 광집속장치(40)는 광신호(41)가 전달되는 코어(42)와, 다수의 홈으로 이루어진 광섬유격자(43)가 형성된 클래딩(44)을 포함한다.
상기 광집속장치(40)는 광신호가 전달되는 코어(42)와 상기 코어(42)를 둘러싸는 클래딩(44)으로 이루어지는 광섬유를 이용하여 제작된다.
상기 코어(42)에는 소정의 정보가 포함된 광신호(41)가 도파된다. 또한 상기 코어(42)에 도파되는 광신호(41)를 코어모드라하며, 상기 도 1에서 포물선 모양의 모드패턴(45)으로 나타나고 있다.
상기 클래딩(44)의 외주면에 부분 식각(etching)을 통하여 일정한 비율로 변화하는 형태를 갖는 다수의 홈으로 이루어진 광섬유격자(fiber grating)(43)가 형성된다. 본 발명에서는 포토리소그래피(PR) 방법에 의한 건식식각 또는 습식식각 방법을 통하여 상기 클래딩(44)의 외주면에 마이크로 홈을 만듦으로써 상기 광섬유격자(43)를 형성한다.
상기 광섬유격자(43)에 형성된 다수의 홈은 상기 광섬유의 길이 방향으로 진행하는 광신호(41)의 진행방향을 기준으로 점차 증가 또는 감소하는 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 도 3에는 상기 광섬유격자(43)의 홈들이 광신호(41)의 진행방향을 기준으로 점차 증가하는 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이 상기 광섬유격자(43)의 홈들이 광신호(41)의 진행방향을 기준으로 점차 감소하는 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이 일정한 비율로 간격이 점차 증가 또는 감소하는 형태를 갖는 홈의 열(arrays)을 첩(chirp)이라 하며, 이러한 격자를 첩이된 격자(chirp grating)라 한다. 상기 다수의 홈들은 광섬유의 피복을 벗겨낸 후 클래딩(44)의 외주면을 요철(凹凸)모양으로 미세 식각하여 패턴을 형성함으로써 제조될 수 있다.
상기 식각 패턴, 즉 상기 홈들의 폭(w)은 사용하는 파장(λ0)마다 다르나, 1550nm의 파장에 해당하는 광신호(41)를 가정한다면 1μm 정도 또는 그 이하의 크기로 형성될 수 있다. 이 때 상기 홈들의 깊이(d)는 코어(42)에 도파되는 코어모드(45)가 클래딩(44)에 영향을 미치고 있는 거리(l)로서 광섬유 코어(42)에 가장 가 까운 거리까지 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 홈들은 상기 광섬유의 횡방향을 기준으로 상기 코어(42)의 외부에 형성된다.
그리고, 상기 각각의 홈은 폴리머 물질 또는 상기 클래딩(44) 물질과 굴절률이 상이한 굴절률 매칭(index matching) 물질로 채울 수 있다.
이와 같은 구조에서 상기 광집속장치(40)의 코어(42)로 도파되는 광신호(41)의 파장이 λ0라고 할 때, 상기 광신호(41)가 광섬유 클래딩 부분 식각을 통하여 형성된 격자(cladding-etched-chirp grating), 즉 상기 광섬유격자(43)를 만나게 되면, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유 외부로 빠져나오게(radiated) 될 뿐만 아니라, 일정한 한 점(46)으로 모이게(focused) 된다. 더욱 상세히 설명하면, 상기 코어(42)로 도파되는 광신호(41)는, 상기 도 3에 나타난 바와 같이 코어모드(45)의 옆부분 일부가 상기 클래딩(44)으로 전파해가게 되며, 상기 첩이된 광섬유격자(43)를 만나게 되면 각 홈들의 위치(point)에서 모멘텀보존법칙(momentum conservation)을 만족시키기 위해 각각의 산란각을 만들게 된다. 그리고 이러한 산란각은 거시적으로 볼 때 한 점(46)에 집속되어(focusing) 초점이 형성된다. 이 때, 광섬유 횡방향이 실린더 형태를 띠고 있어 공간적인 렌즈 역할을 하고 있기 때문에 다수의 홈으로 이루어진 광섬유격자(43)의 길이와 상기 홈들의 간격 또는 폭의 변화율(chirp rate)에 대한 적절한 조절이 필요하다. 예를 들어, 상기 광섬유격자(43)는 광섬유에 열이나 전압 등 외부 영향에 가함으로써 격자의 길이를 변화시킬 수 있고, 또한 이를 이용하여 광초점 위치(46)를 조절할 수 있다.
상기 도 3 및 도 4에는 상기 광섬유격자(43)의 홈들이 동일한 폭(w)을 갖으면서, 각 홈들간의 간격이 증가 또는 감소하는 구조를 갖고 있다. 또한 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 또한 상기 광섬유격자(43)에 형성된 다수의 홈은 각 홈 중심간의 간격(t)은 일정하게 배열되고, 각 홈의 폭(w)이 광신호(41)의 진행방향을 기준으로 점차 증가 또는 감소하도록 구성될 수도 있다. 도 5a는 상기 광섬유격자(43)의 홈들이, 각 홈 중심간의 간격(t)은 일정하게 유지하면서, 광신호(41)의 진행방향에 따라서 증가하는 구조를 나타낸다. 그리고 도 5b는 상기 광섬유격자(43)의 홈들이, 각 홈 중심간의 간격은 일정하게 유지하면서, 광신호(41)의 진행방향에 따라서 감소하는 구조를 나타낸다.
또한 상기 도 3 내지 도 5에는 상기 광섬유격자(43)의 홈들의 깊이(d)가 동일하게 형성된 경우를 나타내고 있다. 나아가 본 발명에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 광섬유격자(43)에 형성된 다수의 홈들은 광신호(41)의 진행방향을 기준으로 그 깊이(d)가 일정하게 증가 또는 감소하도록 구성될 수 있다. 도 6a는 상기 광섬유격자(43)의 홈들의 깊이(d)가 광신호(41)의 진행방향을 기준으로 점차 감소하는 구조를 나타낸다. 그리고 도 6b는 상기 광섬유격자(43)의 홈들의 깊이(d)가 광신호(41)의 진행방향을 기준으로 점차 증가하는 구조를 나타낸다.
이와 같이 본 발명에 따른 광집속장치(40)는 광섬유 클래딩 부분 식각을 통하여 형성된 격자(cladding-etched-chirp grating)를 이용함으로써, 클래딩 식각 (cladding-etching)의 영향에 의하여 광신호(41)를 광섬유 외부로 방사(radiating)할 수 있을 뿐만 아니라, 첩이된 격자(chirp-grating)의 기능에 의하여 외부로 방사된 광신호를 일정부분(46)에 집적시는 기능을 갖는다.
따라서 본 발명에 따른 광집속장치(40)는 광섬유의 길이방향에 대하여 수직방향의 광커플링을 가능하게 함으로써, 광소자의 제작이 용이하게 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광집속장치를 이용한 광모듈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 광모듈(80)은 서브마운트(submount)(81) 상에 본 발명에서 제안하는 광섬유 클래딩 부분 식각을 통하여 형성된 격자를 갖는 광집속장치(40)를 탑재한다. 그리고 상기 서브마운트(submount)(81) 상에서 상기 광집속장치(40)에 의하여 광신호가 집적되는 부분에 광신호를 수신 또는 송신할 수 있는 광소자(82,83)를 배열한다. 여기서, 상기 서브마운트(81)는 SiOB(Silicon Optical Bench) 등으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이 상기 서브마운트(81) 상에서 상기 광집속장치(40)에 의하여 광신호가 집적되는 부분에 포토다이오드(photo diode)와 같이 광신호를 감지할 수 있는 광소자(82)을 배열하여 광수신기를 형성함으로써, 광신호의 세기를 감지할 수 있다. 또한 도 7b에 도시된 바와 같이 상기 서브마운트(submount)(81) 상에서 상기 광집속장치(40)에 의하여 광신호가 집적되는 부분에, 예를 들어, 레이저 다이오드(laser diode)와 같은 광원(light source)(83)을 배열하면 역시 광섬유에 수직 커플링이 가능하므로 광송신기를 형성할 수도 있다. 상기 본 발명에 따른 광모듈(80)은, 예를 들어, WDM-PON 시스템에서 광트랜시버로 이용될 수 있다. BiDi 또는 Duplex 광송수신기는 1.55um 파장의 다운스트림(downstream)과 1.31um의 업스트림(upstream) 구조를 갖는데, 상기 본 발명에 따른 광모듈(80)과 같이 서브마운트(81) 상에 포토다이오드 또는 레이저 다이오드를 플립칩 방법으로 집적화시킴으로써 패키징 작업을 단순화 시킬 수 있다. 또한 이러한 광모듈(80)은 향후 부품시장에서 요구하는 필수요소로서의 고성능, 고집적화, 소형화 및 저가격화 추세에 부응하여 널리 활용될 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 초점렌즈와 같은 별도의 장치를 사용하지 않고서도, 광섬유 클래딩 부분 식각을 통하여 광섬유 자체에 파장선택성 뿐만 광집속 기능을 부여할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 광집속장치를 이용할 경우 평면도파로와 비교하여 제작공정이 간편하면서도 저비용으로 광송신기, 광수신기, 광센서 및 다양한 광통신 모듈을 형성할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 광섬유 클래딩에 포토리소그래피(PR) 방법을 이용하여 미세 홈 패턴을 형성함으로써, 종래의 자외선(UV)을 이용하여 광섬유격자 형성방법과 비교하여, 제작 재현성이 크게 향상되고, 시간이 지남에 따라 발생하는 노화(aging) 현상을 방지할 수 있는 이점이 있다.

Claims (11)

  1. 광신호가 전달되는 코어; 및
    상기 코어를 둘러싸며, 외주면에 점차 증가 또는 감소하는 간격을 갖는 홈 또는 중심 간의 간격은 일정하게 배열되고 각각의 넓이가 점차 증가 또는 감소하는 홈이 형성된 클래딩을 포함하고,
    상기 코어로 도파되는 일정한 파장을 갖는 광신호는 상기 홈에 의하여 상기 클래딩 외부로 집속되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 홈은 동일한 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 각각의 홈의 깊이가 점차 증가 또는 감소하는 것을 특 징으로 하는 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 각각의 홈은 상기 코어의 윗부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 각각의 홈은, 폴리머 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 각각의 홈은, 상기 클래딩 물질과 굴절률이 상이한 굴절률 매칭(index matching) 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 각각의 홈은 포토리소그래피(PR) 작업방법에 의하여 상기 클래딩의 외주면을 일정한 깊이로 부분 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 파장선별적 광집속장치.
  10. 서브마운트;
    상기 서브마운트상에 실장되고, 광신호가 전달되는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸며, 외주면에 점차 증가 또는 감소하는 간격을 갖는 홈 또는 중심 간의 간격은 일정하게 배열되고 각각의 넓이가 점차 증가 또는 감소하는 홈이 형성된 클래딩을 포함하고, 상기 코어로 도파되는 일정한 파장을 갖는 광신호는 상기 홈에 의하여 상기 클래딩 외부로 집속되는 광집속장치; 및
    상기 서브마운트 상에서 상기 광집속장치에 의하여 광신호가 집적되는 부분에 배열되어, 상기 광신호를 수신 또는 송신하는 광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광소자는 포토 다이오드 또는 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 광모듈.
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