KR100875926B1 - Wavelength Multiplexing and Demultiplexing Optical Filter Modules and Manufacturing Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈 및 그 제작방법은 적어도 하나 이상의 입력 도파로; 입력 도파로와 연결된 슬랩 도파로 형태의 입력단 스타 커플러; 각각 소정의 차이가 나는 광경로를 가지며, 도파로 코아의 굴절율이 서로 다른 이종 도파로 구간을 구비한 복수개의 개별 도파로가 순차적으로 배열되어 있으며, 입력단 스타 커플러와 연결된 배열 도파로; 배열 도파로와 연결된 슬랩 도파로 형태의 출력단 스타 커플러; 및 출력단 스타 커플러와 연결된 적어도 하나 이상의 출력 도파로;를 가진다. 본 발명은 배열 도파로의 일부 영역에 기존 도파로와 코아 물질이 다른 이종 도파로 구간을 도입하여, 편광 및 온도 의존성을 약화시킴과 동시에 이종 도파로 구간 양단에서 발생하는 광결합 손실을 추가의 도파로 형성 공정 없이 효과적으로 제거할 수 있다.A wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module and a method of manufacturing the same according to the present invention include at least one input waveguide; An input stage star coupler in the form of a slab waveguide connected to the input waveguide; An arrayed waveguide having an optical path having a predetermined difference therebetween, a plurality of individual waveguides having a heterogeneous waveguide section having different refractive indices of waveguide cores sequentially arranged, and connected to an input star coupler; An output stage star coupler in the form of a slab waveguide connected to the array waveguide; And at least one output waveguide coupled to the output stage star coupler. The present invention introduces a heterogeneous waveguide section in which the existing waveguide and the core material are different in some regions of the arrayed waveguide, thereby reducing polarization and temperature dependence, and at the same time, effectively eliminating the optical coupling loss occurring at both ends of the heterogeneous waveguide section without additional waveguide forming process. Can be removed.
Description
도 1은 일반적인 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈의 일 실시예를 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module having a general configuration of waveguide gratings.
도 2는 일반적인 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈에 이종 도파로 구간을 도입한 일 실시예를 보여주는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment in which hetero waveguide sections are introduced into a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module having a general configuration of waveguide gratings.
도 3은 본 발명에 의하여 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈에 이종 도파로 구간을 도입한 일 실시예를 보여주는 도면이다.FIG. 3 is a view illustrating an embodiment in which a heterogeneous waveguide section is introduced into a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module having an arrayed waveguide grating according to the present invention.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의하여 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈의 전이 도파로 구간을 구성하는 일 실시예를 보여주는 도면이다.4A and 4B are diagrams illustrating an exemplary embodiment of configuring a transition waveguide section of a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module having an arrayed waveguide grating according to the present invention.
본 발명은 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파장분할다중화(Wavelength Division Multiplexing)방식을 이용하는 광통신 시스템에 사용되는 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역 다중화 광 필터 모듈 및 그 제작방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to an array waveguide lattice-type wavelength multiplexing and demultiplexing optical beam used in an optical communication system using a wavelength division multiplexing method. The present invention relates to a filter module and a method of manufacturing the same.
도 1은 일반적인 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈의 일 실시예를 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module having a general configuration of waveguide gratings.
도 1을 참조하면, 입력 도파로(101)를 통해 파장다중화된 신호광들은 슬랩 도파로 형태의 입력단 스타 커플러(102)에 광결합된 후 진행하다가 배열 도파로(103)과 광결합하게 된다.Referring to FIG. 1, signal signals multiplexed through the
배열 도파로(103)를 구성하는 개별 도파로들은 자신의 광경로가 일정한 간격으로 차이가 나도록 순차적으로 배열되어 있으며, 각각의 개별 도파로를 진행하는 신호광들은 슬랩 도파로 형태의 출력단 스타 커플러(104)에 광결합되어 진행하다가 출력 도파로(105)와 광결합하게 된다.The individual waveguides constituting the
입력 도파로(101)에 들어온 파장다중화된 신호광들은 이러한 일련의 과정을 거쳐 각각의 출력 도파로(105)를 통해 파장별로 분리되어 출력되게 된다.The wavelength multiplexed signal light entering the
각각의 출력 도파로(105)에 대응하는 파장의 신호광들이 출력 도파로(105)에 입력될 경우에는 파장다중화된 신호광들이 입력 도파로(101)를 통해 모아져 나오게 되므로 광 필터 모듈은 파장다중화 기능을 수행하게 된다.When signal light having a wavelength corresponding to each
광 필터 모듈의 성능이 제대로 발휘되기 위해서는, 상기와 같은 다수의 연속적인 광결합 및 도파 과정에서 누적되는 신호광의 광파워 손실 및 배열 도파로(103)를 진행하는 과정에서 누적되는 신호광의 위상오차를 최대한 줄이는 것이 요구된다.In order for the performance of the optical filter module to be properly exhibited, the optical power loss of the signal light accumulated in the plurality of continuous optical coupling and waveguide processes as described above and the phase error of the signal light accumulated in the process of the
본 발명은 배열 도파로의 일부 영역에 기존 도파로와 코아 물질이 다른 이종 도파로 구간을 도입하여, 편광 및 온도 의존성을 약화시킴과 동시에 이종 도파로 구간 양단에서 발생하는 광결합 손실을 추가의 도파로 형성 공정 없이 효과적으로 제거하는 것을 그 기술적 과제로 한다.The present invention introduces a heterogeneous waveguide section in which the existing waveguide and the core material are different in some regions of the arrayed waveguide, thereby reducing polarization and temperature dependence, and at the same time, effectively eliminating the optical coupling loss occurring at both ends of the heterogeneous waveguide section without additional waveguide forming process. It is a technical subject to remove.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈은 적어도 하나 이상의 입력 도파로; 상기 입력 도파로와 연결된 슬랩 도파로 형태의 입력단 스타 커플러; 각각 소정의 차이가 나는 광경로를 가지며, 도파로 코아의 굴절율이 서로 다른 이종 도파로 구간을 구비한 복수개의 개별 도파로가 순차적으로 배열되어 있으며, 상기 입력단 스타 커플러와 연결된 배열 도파로; 상기 배열 도파로와 연결된 슬랩 도파로 형태의 출력단 스타 커플러; 및 상기 출력단 스타 커플러와 연결된 적어도 하나 이상의 출력 도파로;를 가진다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module including at least one input waveguide; An input stage star coupler in the form of a slab waveguide connected to the input waveguide; An arrayed waveguide having a light path having a predetermined difference therebetween, a plurality of individual waveguides having a heterogeneous waveguide section having different refractive indices of waveguide cores sequentially arranged, the arrayed waveguides connected to the input star coupler; An output stage star coupler in the form of a slab waveguide connected to the arrayed waveguide; And at least one output waveguide coupled to the output stage star coupler.
보다 바람직하게는 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈에 있어서, 상기 이종 도파로 구간은 굴절율이 작은 코아 물질이 굴절율이 큰 코아의 클래드이다.More preferably, in the wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module according to the present invention for achieving the above technical problem, the hetero waveguide section is a core of a core having a high refractive index.
보다 바람직하게는 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈에 있어서, 상기 각 개별 도파로는 코아의 굴절율이 서로 다르며 굴절율이 작은 코아 물질이 굴절율이 큰 코아의 클래드인 이종 도파로 구간; 및 상기 이종 도파로 구간과 연결되어 있으며, 상기 굴절율이 큰 코아의 폭이 상기 굴절율이 작은 코아로 이루어진 도파로 방향으로 점차 감소하는 전이 도파 로 구간;을 가진다.More preferably, in the wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module according to the present invention for achieving the above technical problem, each of the individual waveguides is different from the refractive index of the core and the core material having a small refractive index is a clad of the core having a large refractive index Waveguide section; And a transition waveguide section connected to the hetero waveguide section, wherein a width of the core having a large refractive index gradually decreases in a waveguide direction consisting of a core having a small refractive index.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 배열 도파로는 각각 소정의 차이가 나는 광경로를 가지는 복수개의 개별 도파로가 순차적으로 배열되어 있으며, 상기 각 개별 도파로는 코아의 굴절율이 서로 다른 이종 도파로 구간을 구비하고 있으며, 상기 이종 도파로 구간에서 굴절율이 작은 코아 물질이 굴절율이 큰 코아의 클래드이다.Array waveguides according to the present invention for achieving the above technical problem are arranged in a plurality of individual waveguides each having a light path having a predetermined difference, each individual waveguide is provided with a heterogeneous waveguide section having a different refractive index of the core In the hetero waveguide section, a core material having a small refractive index is a core of a core having a large refractive index.
보다 바람직하게는 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 배열 도파로에 있어서, 상기 각 개별 도파로는 코아의 굴절율이 서로 다르며, 굴절율이 작은 코아 물질이 굴절율이 큰 코아의 클래드인 이종 도파로 구간; 및 상기 이종 도파로 구간과 연결되어 있으며, 상기 굴절율이 큰 코아의 폭이 상기 굴절율이 작은 코아로 이루어진 도파로 방향으로 점차 감소하는 전이 도파로 구간;을 가진다.More preferably, in the arrayed waveguides according to the present invention for achieving the above technical problem, each of the individual waveguides has different refractive indexes of the cores, and a heterogeneous waveguide section in which a core material having a small refractive index is a clad of the core having a large refractive index; And a transition waveguide section connected to the hetero waveguide section, wherein a width of the core having a large refractive index gradually decreases in a waveguide direction consisting of a core having a small refractive index.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈 제작방법은 (a) 적어도 하나 이상의 입력 도파로를 구비하는 단계; (b) 슬랩 도파로 형태의 입력단 스타 커플러를 상기 입력 도파로에 연결하는 단계; (c) 소정의 차이가 나는 광경로를 가지며, 도파로 코아의 굴절율이 서로 다른 이종 도파로 구간을 구비한 복수개의 개별 도파로를 순차적으로 배열하여 배열 도파로를 형성하고, 상기 입력단 스타 커플러와 연결하는 단계; (d) 슬랩 도파로 형태의 출력단 스타 커플러를 상기 배열 도파로와 연결하는 단계; 및 (e) 적어도 하나 이상의 출력 도파로를 상기 출력단 스타 커플러와 연결하는 단계;를 가진다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module, including: (a) providing at least one input waveguide; (b) connecting an input stage star coupler in the form of a slab waveguide to the input waveguide; (c) forming an arrayed waveguide by sequentially arranging a plurality of individual waveguides having heterogeneous waveguide sections each having a different optical path having a predetermined difference therebetween, and connecting the input waveguide with a star coupler; (d) connecting an output stage star coupler in the form of a slab waveguide with the arrayed waveguide; And (e) connecting at least one output waveguide with the output stage star coupler.
보다 바람직하게는 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 파장 다 중화 및 역다중화 광 필터 모듈 제작방법에 있어서, 상기 이종 도파로 구간은 굴절율이 작은 코아 물질을 굴절율이 큰 코아의 클래드로 하여 생성한다.More preferably, in the wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module manufacturing method according to the present invention for achieving the above technical problem, the hetero waveguide section is generated by the core of the core having a large refractive index.
보다 바람직하게는 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈 제작방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 (c1) 상기 각 개별 도파로의 코아의 굴절율을 서로 다르게 형성한 이종 도파로 구간을 구비하고, 상기 이종 도파로 구간은 굴절율이 작은 코아 물질을 굴절율이 큰 코아의 클래드로 형성하는 단계; 및 (c2) 상기 굴절율이 큰 코아의 폭이 상기 굴절율이 작은 코아로 이루어진 도파로 방향으로 점차 감소하는 전이 도파로 구간을 형성하여 상기 이종 도파로 구간과 연결하는 단계;를 가진다.More preferably, in the wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module manufacturing method according to the present invention for achieving the above technical problem, the step (c) is (c1) heterogeneous different refractive index of the core of each individual waveguide A waveguide section, wherein the hetero waveguide section comprises: forming a core material having a low refractive index into a clad of cores having a high refractive index; And (c2) forming a transition waveguide section in which a width of the core having a large refractive index gradually decreases in a waveguide direction made of a core having a small refractive index, and connecting the hetero waveguide section with the hetero waveguide section.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 배열 도파로 제작방법에 있어서, (a) 상기 각 개별 도파로는 코아의 굴절율을 서로 다르게 형성한 이종 도파로 구간을 구비하고 있으며, 상기 이종 도파로 구간은 굴절율이 작은 코아 물질을 굴절율이 큰 코아의 클래드로 형성하는 단계; 및 (b) 상기 굴절율이 큰 코아의 폭을 상기 굴절율이 작은 코아로 이루어진 도파로 방향으로 점차 감소하도록 하는 전이 도파로 구간을 형성하여 상기 이종 도파로 구간과 연결하는 단계;를 가진다.In the method of manufacturing an arrayed waveguide according to the present invention for achieving the above technical problem, (a) each of the individual waveguides has a heterogeneous waveguide section having a different refractive index of the core, the hetero waveguide section is a core having a small refractive index Forming the material into a clad of core having a high refractive index; And (b) forming a transition waveguide section for gradually decreasing the width of the core having the large refractive index in the direction of the waveguide composed of the core having the small refractive index and connecting the hetero waveguide section with the hetero waveguide section.
이하 첨부한 도면을 사용하여 본 발명에 의한 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈 및 그 제작방법을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 일반적인 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈에 이종 도파로 구간을 도입한 일 실시예를 보여주는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment in which hetero waveguide sections are introduced into a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module having a general configuration of waveguide gratings.
제안된 방법들 중에서 도 2와 같이 배열 도파로(103)내부에 도파광 특성이 서로 다른 이종 도파로 구간(113)을 도입하여 배열 도파로(103) 격자를 설계하는 기술(예를 들면, 일본공개특허 1998-307219 에 의한 광 도파로형 필터 및 그 제조방법)은 동일 기판상에 서로 다른 기능을 수행하는 다양한 광소자를 단일 집적한다는 측면에서 바람직하다.Among the proposed methods, a technique for designing the
또한, 이종 도파로 구간(113) 역시 자신의 광경로가 일정한 간격으로 차이가 나도록 순차적으로 배열되며, 이종 도파로의 측면 클래드 부위에 응력 해소용 홈을 형성하거나(C. K. Nadler et al, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, No. 5, p.1407-1412 (1999))이종 도파로의 열광학계수에 변화를 줌으로서(예를 들면, 미국등록특허 6118909 에 의한 a thermal optical device) 광 필터 모듈의 편광 및 온도 의존성을 줄이는 것이 가능하다.In addition, the
도파로의 열광학계수는 도파로 기본모드의 유효 굴절율이 온도에 따라 변화하는 정도를 의미하며 도파로 코아 물질의 열광학계수에 의해 자신의 부호와 크기가 대부분 결정된다.The thermo-optic coefficient of the waveguide is the degree to which the effective refractive index of the waveguide basic mode changes with temperature, and its sign and size are largely determined by the thermo-optic coefficient of the waveguide core material.
그렇지만 코아 물질과 클래드 물질 사이의 굴절율 차이가 작거나 코아의 단면적이 작아 도파광의 전자기장이 코아 내부에 집중되는 정도가 작을 경우에는 코아 물질과 열광학계수의 부호가 반대이면서 절대값이 큰 물질을 클래드에 적용함으로써 도파모드의 열광학계수 절대값을 낮출 수 있으며 특별한 경우에는 열광학계수의 부호가 역전될 수도 있다.However, if the difference in refractive index between the core material and the clad material is small or the cross-section of the core is small and the degree to which the electromagnetic field of the waveguide is concentrated is small, the core material and the thermo-optic coefficient have opposite signs and have a large absolute value. It is possible to lower the absolute value of the thermo-optic coefficient of the waveguide mode by applying to. In special cases, the sign of the thermo-optic coefficient may be reversed.
이러한 현상은 무기질 실리카와 같이 열광학계수의 부호가 양인 물질과 유기질 폴리머와 같이 열광학계수의 부호가 음인 물질을 각각 도파로 코아와 클래드로 사용할 경우 발생할 수 있으며, 이러한 하이브리드 형태의 도파로를 배열 도파로(103)의 전체 또는 일부 영역에 도입함으로써 광 필터 모듈의 온도 의존성을 줄이려는 시도들이 있었다 (김덕준 et al, Optical Fiber Communications Conference 2003, vol. 1, p.61-62 (2003) 및 한국등록특허 10-0597232).This phenomenon may occur when a positive sign of thermo-optic coefficient such as inorganic silica and a negative sign of thermo-optic coefficient such as organic polymer are used as waveguide cores and clads, respectively. by introducing on the whole or partial region of 103), there have been attempts to reduce the temperature dependence of the optical filter module (gimdeokjun et al , Optical Fiber Communications Conference 2003, vol. 1, p. 61-62 (2003) and Korean Patent No. 10-0597232).
유기질 폴리머를 클래드로 사용하는 이러한 방법은 도파로 형성 공정이 비교적 단순하여 구현이 용이하다는 장점이 있지만 유기질 폴리머의 낮은 열분해 온도 때문에 후속 공정온도를 충분히 높일 수 없다는 단점이 있다.This method using an organic polymer as a clad has the advantage that the waveguide forming process is relatively simple and easy to implement, but has a disadvantage in that the subsequent process temperature cannot be sufficiently increased due to the low pyrolysis temperature of the organic polymer.
이러한 이유로 유기질 폴리머와 달리 고온에서 견딜 수 있으면서 열광학계수의 부호가 음인 물질이 필요하지만 현실적으로 이러한 물질을 탐색하기 어렵다. 그런데, 코아 물질 자체의 열광학계수 차이가 상대적으로 큰 도파로를 이종 도파로 구간(203)에 적용할 경우에는 코아와 클래드 물질의 열광학계수 부호가 모두 양인 상황에서도 광 필터의 온도 의존성을 제거하는 것이 이론적으로는 가능하다.For this reason, unlike organic polymers, a material that can withstand high temperatures and has a negative thermo-optic coefficient is required, but it is difficult to find such a material in reality. However, in the case where a waveguide having a relatively large difference in thermo-optic coefficient of core material itself is applied to the hetero waveguide section 203, it is necessary to remove the temperature dependency of the optical filter even when both the core and clad materials have positive thermo-optic coefficient codes. In theory, it is possible.
하지만, 상기와 같이 코아 물질 자체의 열광학계수 차이에 의해 온도의존성을 줄이는 것은 H. Tanobe 등이 제안한 바와 같이 슬랩 물질인 InGaAsP의 조성이 1.1Q와 1.3Q로 서로 다르지만 상부에 존재하는 립이 1.1Q로 동일한 립 구조 형태의 도파로 에서만 구현된 적이 있으며 (H. Tanobe et al, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 2, p.235-237 (1998)), 코아 전체가 클래드로 둘러싸여 있는 채널 또는 매립형 도파로에서는 도파로 형성 공정의 복잡성 때문에 현실적으로 구현되기 어렵다.However, as described above, reducing the temperature dependence due to the difference in thermo-optic coefficient of core material itself, as proposed by H. Tanobe, et al. It has been implemented only in waveguides with the same rib structure as Q (H. Tanobe et. al , IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 2, p. 235-237 (1998)), in a channel or buried waveguide in which the entire core is clad, it is difficult to realize in reality because of the complexity of the waveguide forming process.
한편, 광 필터 모듈은 제조공정상 실리콘 또는 유리와 같은 물질의 기판 상 부에 광도파로를 형성함으로써 구현되는데, 도파로 코아 물질과 클래드 물질과의 굴절율 차이가 클수록 곡선 도파로의 곡률반경을 작게 설계할 수 있기 때문에 광소자의 소형화 및 집적도 향상 측면에서 도파로 코아 물질과 클래드 물질과의 굴절율 차이가 큰 것이 바람직하다.On the other hand, the optical filter module is implemented by forming an optical waveguide on the substrate of a material such as silicon or glass in the manufacturing process, the larger the difference in refractive index between the waveguide core material and the clad material, the smaller the radius of curvature of the curved waveguide can be designed For this reason, it is preferable that the refractive index difference between the waveguide core material and the clad material is large in terms of miniaturization and integration of the optical device.
이처럼 기판 상부에 형성되는 도파로 코아 물질과 클래드 물질과의 굴절율 차이가 큰 것은 광소자의 소형화 및 집적도 향상 측면에서 바람직하지만, 실제적으로 제작되는 도파로의 도파광 손실은 코아 물질과 클래드 물질과의 굴절율 차이가 커질수록 급격히 증가하는 경향이 있다.Such a large difference in refractive index between the waveguide core material and the clad material formed on the substrate is preferable in terms of miniaturization and improvement of the degree of integration of the optical device. However, the actual waveguide loss of the waveguide that is manufactured has a difference in refractive index between the core material and the clad material. It tends to increase rapidly as it gets larger.
도파로 코아와 클래드와의 굴절율 차이가 커질수록 단일모드 조건을 만족하는 도파로 코아의 단면적이 줄어들게 되는데, 이러한 경우 식각 공정에 의해 유발되는 코아 측면의 물리적인 거칠기가 도파광의 손실 증가에 크게 기여하는 것으로 알려져 있다.As the difference in the refractive index between the waveguide core and the cladding increases, the cross-sectional area of the waveguide core satisfying the single mode condition decreases. In this case, the physical roughness of the core side caused by the etching process contributes to an increase in the loss of the waveguide light. have.
그리고 이러한 거칠기 증가는 배열 도파로 격자형 광 필터 모듈에서 배열 도파로 자체의 광손실 증가와 더불어 개별 도파로 간 위상오차 증가를 초래하여 궁극적으로 광 필터 모듈의 광누화 특성이 심하게 열화되는 문제점도 추가로 발생한다.In addition, this roughness increases the optical loss of the arrayed waveguide itself in the arrayed waveguide grating type optical filter module, and also increases the phase error between individual waveguides, resulting in further deterioration of the optical crosstalk characteristics of the optical filter module. .
한편, 실리콘과 실리카와 같이 굴절율 차이가 2 이상으로 매우 큰 물질들이 각각 채널 또는 매립형 단일모드 도파로의 코아와 클래드로 사용될 경우 실리콘 코아의 두께와 폭이 모두 300 nm인 정사각형 형태보다 두께는 220 nm정도이고 폭은 500 nm정도인 직사각형 형태가 선호된다.On the other hand, when materials with a very large refractive index difference of 2 or more, such as silicon and silica, are used as cores and clads in a channel or buried single mode waveguide, respectively, the thickness of the silicon core is about 220 nm than that of the square form, which is 300 nm thick And a rectangular shape with a width of about 500 nm is preferred.
이와 같이 코아의 두께에 비해 상대적으로 폭을 늘리는 기법은 측면 거칠기 에 기인하는 광손실 증가를 억제하는 효과가 있는 반면 TE 모드와 TM 모드간 도파로의 유효 굴절율이 심하게 차이 나는 주요한 원인이 된다.As such, the technique of increasing the width relative to the thickness of the core has the effect of suppressing the increase in light loss due to the side roughness, whereas the effective refractive index of the waveguide between the TE mode and the TM mode is a major cause.
그리고, 필터파장은 배열 도파로를 구성하는 도파로의 유효 굴절율에 의해 직접적으로 결정되기 때문에, 직사각형 모양의 실리콘 도파로로 구현된 배열 도파로 격자형 광 필터 모듈에 있어서 필터파장의 편광의존성은 심각한 문제가 된다.In addition, since the filter wavelength is directly determined by the effective refractive index of the waveguide constituting the arrayed waveguide, the polarization dependence of the filter wavelength in the arrayed waveguide lattice type optical filter module implemented with the rectangular silicon waveguide becomes a serious problem.
이처럼 배열 도파로 격자형 광 필터 모듈에 있어서 배열 도파로(103)의 일부 영역에 대해서만 도파로의 광학적인 특성 변화를 주는 방법은 광 필터 모듈의 편광 및 온도 의존성을 줄이기 위한 설계뿐 아니라 서로 다른 기능을 수행하는 다양한 광소자의 단일집적을 위해 바람직하다.As such, in the arrayed waveguide grating type optical filter module, the method of changing the optical characteristics of the waveguide only for a part of the
그리고, 배열도파로의 일부 영역에 대하여 클래드 물질을 변경하는 방법은 도파로 형성 공정상 구현이 비교적 쉽지만, 도파광의 에너지가 코아에 집중된다는 점을 고려하면 코아 물질 자체를 변경하는 것이 효과적인 편광 및 온도 의존성 억제 측면에서 유리하다.In addition, the method of changing the clad material for a portion of the arrayed waveguide is relatively easy to implement in the waveguide forming process, but considering that the energy of the waveguide is concentrated in the core, it is effective to change the core material itself to suppress polarization and temperature dependency. It is advantageous from the side.
그러나 코아 전체가 클래드로 둘러싸여 있는 채널 또는 매립형 도파로를 고려하면, 도파로 형성 공정의 복잡성 때문에 코아 물질이 서로 다른 이종 도파로 구간을 배열 도파로 영역에 도입하기가 현실적으로 어렵다.However, considering the channel or the embedded waveguide in which the entire core is surrounded by cladding, it is practically difficult to introduce heterogeneous waveguide sections having different core materials into the arrayed waveguide region due to the complexity of the waveguide forming process.
그리고 도입된 후에도 기존 도파로 구간과 이종 도파로 구간과의 경계부에서 광결합 손실이 추가로 발생하는 문제점이 있다.And even after being introduced, there is a problem in that the optical coupling loss is additionally generated at the boundary between the existing waveguide section and the heterogeneous waveguide section.
도 3은 본 발명에 의하여 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈에 이종 도파로 구간을 도입한 일 실시예를 보여주는 도면이다.FIG. 3 is a view illustrating an embodiment in which a heterogeneous waveguide section is introduced into a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module having an arrayed waveguide grating according to the present invention.
따라서 본 발명은 배열 도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈의 편광 및 온도 의존성을 동시에 또는 개별적으로 약화시킬 목적으로 배열 도파로의 일부 영역에 기존 도파로의 코아에 비해 굴절율이 크거나 작은 물질의 코아로 이루어진 이종 도파로 구간(113)을 도입하면서, 기존 배열 도파로와의 경계부에 도파모드의 무손실 변환을 위한 전이 도파로 구간(123)을 이종 도파로 구간(113)을 형성하는 과정에서 추가의 도파로 형성 공정 없이 자연스럽게 형성되도록 한다.Accordingly, the present invention provides a method for reducing the polarization and temperature dependence of wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter modules in the form of an arrayed waveguide grating simultaneously or separately. Additional waveguide forming process in the process of forming the
본 발명은 2 종류의 코아 중에서 굴절율이 작은 코아가 다른 도파로의 클래드로 작용하며 굴절율이 상대적으로 큰 코아의 폭이 상대 도파로 방향으로 서서히 줄어드는 구조를 채택하여 도파모드의 무손실 변환이 가능토록 한다. 이하, 도 4a 및 도 4b에서 이를 상세히 설명하도록 한다.The present invention adopts a structure in which a core having a small refractive index acts as a cladding of another waveguide among two kinds of cores, and the width of the core having a relatively large refractive index gradually decreases in the direction of the relative waveguide to allow lossless conversion of the waveguide mode. Hereinafter, this will be described in detail with reference to FIGS. 4A and 4B.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의하여 배열도파로 격자 형태의 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈의 전이 도파로 구간을 구성하는 일 실시예를 보여주는 도면이다.4A and 4B are diagrams illustrating an exemplary embodiment of configuring a transition waveguide section of a wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module having an arrayed waveguide grating according to the present invention.
도 4a 및 도 4b는 전이 도파로 구간을 실리콘과 같은 기판(401) 상에 구현한 것으로서,하부 클래드(402) 막 상부에 굴절율이 작은 코아(404) 막과 굴절율이 큰 코아(403) 막을 순차적으로 형성한 후 굴절율이 큰 코아(403) 막을 원하는 형상으로 식각한 다음, 굴절율이 작은 코아(406) 막을 추가로 형성한 후 다시 원하는 형상으로 식각하고, 마지막으로 상부 클래드(405) 막을 증착하는 일련의 도파로 형성 과정을 통해 구현 가능하다.4A and 4B illustrate a transition waveguide section formed on a
이처럼 본 발명은 기존 배열 도파로 내에 도파광 특성이 서로 다른 이종 도파로 구간과 도파모드의 무손실 변환을 위한 전이 도파로 구간이 존재하며, 전이 도파로 구간을 추가의 도파로 형성 공정 없이 이종 도파로 구간을 형성하는 과정에서 자연스럽게 형성되도록 한다.As described above, the present invention has a heterogeneous waveguide section having different waveguide characteristics and a transition waveguide section for lossless conversion of the waveguide mode in the existing arrayed waveguide, and in the process of forming the heterogeneous waveguide section without the additional waveguide forming process. Allow it to form naturally.
만약, 배열 도파로에 단면 형태가 직사각형인 실리콘 코아 도파로가 적용되어 필터파장의 편광의존성이 심각한 상황에서는 이종 도파로 구간을 구성하는 정사각형 도파로 코아에 실리콘보다 굴절율이 작은 실리콘질화물 계열의 물질을 적용함으로써 필터파장의 편광의존성을 약화시킬 수 있다.If a silicon core waveguide having a rectangular cross-sectional shape is applied to an arrayed waveguide, and the polarization dependence of the filter wavelength is severe, the filter wave length is applied to a square waveguide core constituting a heterogeneous waveguide section by applying a silicon nitride-based material having a smaller refractive index than silicon. Can weaken the polarization dependence.
물론, 이 경우 기존 배열 도파로를 구성하는 개별 도파로의 광경로 길이는 전이 도파로 구간에서와 마찬가지로 모두 동일한 반면에, 이종 도파로 구간을 구성하는 도파로들은 자신의 광경로가 일정한 간격으로 차이가 나도록 순차적으로 배열되어 파장 필터 기능을 수행하도록 설계되어야 한다.Of course, in this case, the optical path lengths of the individual waveguides constituting the existing arrayed waveguides are all the same as in the transition waveguide section, whereas the waveguides constituting the heterogeneous waveguide sections are sequentially arranged so that their optical paths differ at regular intervals. It must be designed to perform the wavelength filter function.
그리고, 기존 배열 도파로 구간을 구성하는 도파로 코아의 열광학계수에 비해 이종 도파로 구간을 구성하는 도파로 코아의 열광학계수가 크거나 작을 경우 적절한 배열 도파로 온도보상 설계에 의해 필터 파장의 온도의존성을 약화시킬 수 있다.In addition, when the thermo-optic coefficient of the waveguide core constituting the heterogeneous waveguide section is larger or smaller than the thermo-optic coefficient of the waveguide core constituting the arrayed waveguide section, the temperature dependence of the filter wavelength may be weakened by an appropriate arrayed waveguide temperature compensation design. have.
기본모드의 유효굴절율이 n1이고 이 유효굴절율이 온도 T에 따라 변화하는 정도를 의미하는 열광학계수가 dn1/dT로 정의되는 도파로들의 광경로가 ΔL1 만큼씩 차이가 나도록 순차적으로 배열되어 있는 기존 배열도파로의 일부 영역에 열광학계 수가 dn2/dT로 서로 다른 이종 도파로들을 자신들의 광경로가 ΔL2 만큼씩 차이가 나도록 순차적으로 배열하여 회절차수가 m인 배열도파로 격자를 형성할 경우, 이종 도파로의 유효굴절율 n2가 기존 도파로의 유효굴절율n1보다 큰 상황에서 상기 배열도파로 격자형 광 필터 모듈의 중심파장 λ0 은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.The effective refractive index of the basic mode is n 1, and the optical optical coefficients of the waveguides defined by dn 1 / dT, which represent the degree to which the effective refractive index changes with temperature T, are arranged in sequence so as to be different by ΔL 1 . Heterogeneous waveguides with different thermo-optic coefficients of dn 2 / dT in some regions of the existing arrayed waveguides are sequentially arranged such that their optical paths are different by ΔL 2 to form a lattice of arrayed waveguides having a diffraction order of m. In a situation where the effective refractive index n 2 of the waveguide is larger than the effective refractive index n 1 of the existing waveguide, the center wavelength λ 0 of the arrayed waveguide grating type optical filter module may be expressed by Equation 1 below.
그리고 상기 수학식 1의 중심파장 λ0 이 온도무의존 특성을 갖도록 하기 위해서는 상기 언급된 2종류의 열광학계수들과 광경로들이 수학식 2를 만족하도록 설계되어야 한다.In order for the center wavelength λ 0 of Equation 1 to have a temperature-independent characteristic, the above-mentioned two types of thermo-optic coefficients and optical paths must be designed to satisfy Equation 2.
한편, 이종 도파로의 유효굴절율 n2이 기존 도파로의 유효굴절율n1보다 작은 상황에서는 수학식 1과 수학식 2는 각각 수학식 3과 수학식 4와 같이 표현된다.On the other hand, in the situation where the effective refractive index n 2 of the heterogeneous waveguide is smaller than the effective refractive index n 1 of the existing waveguide, Equations 1 and 2 are expressed as Equations 3 and 4, respectively.
이처럼 본 발명은 배열 도파로의 일부 구간에 기존 도파로의 코아에 비해 굴절율이 크거나 작은 물질의 코아로 이루어진 이종 도파로 구간를 도입하며 상기 언급된 2 종류의 코아 중에서 굴절율이 작은 코아가 다른 도파로의 클래드로 작용하며 굴절율이 상대적으로 큰 코아의 폭이 상대 도파로 방향으로 서서히 줄어드는 형태를 갖도록 한다.As described above, the present invention introduces a hetero waveguide section composed of cores of a material having a larger or smaller refractive index than a core of an existing waveguide in a portion of the arrayed waveguide, and among the two kinds of cores mentioned above, a core having a small refractive index acts as a cladding of another waveguide. And the width of the core with a relatively large refractive index is gradually reduced in the direction of the relative waveguide.
이를 통하여, 본 발명은 이종 도파로 자체의 편광 및 온도 특성에 부합하도록 배열도파로 격자 설계를 최적화함으로써 상기 광 필터 모듈의 편광 및 온도 의존성을 개별적으로 또는 동시에 약화시키는 것이 가능하다.Through this, the present invention can individually or simultaneously weaken the polarization and temperature dependence of the optical filter module by optimizing the arrayed waveguide grating design to match the polarization and temperature characteristics of the heterogeneous waveguide itself.
또한, 기존 배열 도파로와의 경계부에 도파모드의 무손실 변환을 위한 전이 도파로 구간이 이종 도파로 구간을 형성하는 과정에서 추가의 도파로 형성 공정 없이 자연스럽게 형성된다.In addition, the transition waveguide section for lossless conversion of the waveguide mode at the boundary with the existing arrayed waveguide is naturally formed without an additional waveguide forming process in the process of forming the heterogeneous waveguide section.
한편, 기존 배열 도파로를 구성하는 코아의 굴절율이 이종 도파로 구간을 구성하는 코아에 비해 매우 클 경우, 본 발명은 코아 측면의 물리적인 거칠기에 기인하는 배열도파로 자체의 광손실 증가 및 개별 도파로 간 위상오차 증가를 억제한다.On the other hand, when the refractive index of the core constituting the conventional arrayed waveguide is very large compared to the core constituting the heterogeneous waveguide section, the present invention increases the optical loss of the arrayed waveguide itself due to the physical roughness of the core side and phase error between the individual waveguides. Suppress the increase.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.
본 발명에 의한 파장 다중화 및 역다중화 광 필터 모듈 및 그 제작방법은 배열 도파로의 일부 영역에 기존 도파로와 코아 물질이 다른 이종 도파로 구간을 도입하여, 편광 및 온도 의존성을 약화시킴과 동시에 이종 도파로 구간 양단에서 발생하는 광결합 손실을 추가의 도파로 형성 공정 없이 효과적으로 제거할 수 있다.The wavelength multiplexing and demultiplexing optical filter module and a method for fabricating the same according to the present invention introduce heterogeneous waveguide sections having different waveguides and core materials into a portion of an arrayed waveguide, thereby reducing polarization and temperature dependence, and at the same time both ends of the heterogeneous waveguide section. The optical coupling loss occurring at can be effectively removed without additional waveguide formation process.
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