KR101636940B1 - 파장 가변 필터 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 이용하여 구성되는 입출력 분리형 파장 가변 필터에 관한 것으로, 기판과 하부 클래딩층(120), 상부 클래딩층(140), 하부 클래딩층(120)과 상기 상부 클래딩층(140) 사이의 일측에 구비되는 브래그 격자 패턴(150), 마이크로 히터(160,170) 및 코어(130)로 구성되어 브래그 격자에서 반사되어 돌아오는 파장 신호를 입력 광도파로와 분리된 출력 광도파로로 진행하도록 하기 위하여 본 발명에서는 모드 분류기를 이용하는 것이 특징이다. 또한 두개의 동일한 브래그 격자를 제작하여 이로부터 반사되는 두 파동의 상대적인 위상차를 열광학 위상 변조기를 이용하여 맞추어 줌으로써 출력광이 입력광과 다른 광도파로로 진행해 나아갈 수 있도록 한다.

Description

파장 가변 필터 및 그의 제조방법 {Polymeric Bragg reflection tunable wavelength filters and its Manufacturing method}

본 발명은 파장 분할 다중화 광통신 시스템에서 특정 파장에 담긴 신호를 선택적으로 추출해내기 위하여 필요로 하는 파장 가변 필터에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 모드 분류 광도파로를 이용한 입출력 분리형 폴리머 브래그 격자 파장 가변 필터에 관한 것이다.

파장 분할 다중화 (Wavelength Division Multiplexing: WDM) 방식의 광통신 시스템은 나날이 증대하는 인터넷 트레픽 용량을 처리하기 위하여 매우 중요한 기술적인 해결 방법을 제공하였다. 한 개의 파장으로 초당 10 Giga Bit 의 데이터를 전송할수 있을 때, 40개의 파장을 이용하여 데이터를 생성하고 이를 다중화 (multiplexing) 하여서 하나의 광섬유를 통하여 보낼 수 있는 WDM 광통신 시스템에서는 400 Giga bit 의 데이터를 1초에 전송할 수 있는 능력을 가지게 된다. 여러개의 다른 파장을 이용한 WDM 광통신 시스템에서는 파장이 다른 여러개의 광원을 이용하여 데이터 전송 속도를 높이고자 하는데, 이중 하나의 파장이 가지고 있는 데이터를 추출하기 위해서는 먼저 하나의 파장만 선택적으로 가려낼 수 있는 파장 필터가 필요하게 된다.

파장 필터로 가장 많이 사용되는 부품은 굴절률이 다른 유전체 (dielectric) 재료를 주기적으로 쌓아서 만든 평판형 필터 부품이 있다. 그러나 이 부품은 광섬유와 연결시키기 위해서는 자유공간상에서 콜리메이션되어 퍼지지 않고 진행하는 빛을 형성해 주어야 사용 가능한 단점이 있다.

그러나 광도파로 구조를 이용하게 되면 광섬유에서 나온 빛을 곧바로 광도파로 소자에 입사 시켜서 원하는 기능을 수행할 수 있는 장점을 가진다. Arrayed Waveguide Grating (AWG) 같은 광도파로 소자는 입사된 다양한 파장의 광원을 파장별로 나누어서 출력시켜주는 기능을 가지고 있다. 그러나 AWG 소자를 통하여 분리된 각각의 다른 파장 성분들은 공간적으로 나뉘어져서 다른 출력 광섬유로 나아가게 되므로, 하나의 광섬유 출력부를 통하여 원하는 특정한 광파장을 출력시키기에는 부적합한 소자이다. 또한 필터링하여 추출하기 원하는 파장을 변화시킬 수 있는 가변 파장 필터를 구현하기에는 AWG 는 부적합한 소자이다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 폴리머 광도파로 소자를 이용한 가변 파장 필터와 관련한 종래기술들은 폴리머 광도파로의 도파 모드는 기본적으로 광섬유의 도파모드와 동일하게 일치시킬 수 있으며 굴절률까지도 유사하게 맞출 수 있게 되므로 광섬유와 연결시 추가적인 손실이 발생하지 않는다. 또한 폴리머 광도파로 소자는 광스위치, 광감쇠기와 같은 광신호 제어를 위한 기본적인 소자들을 제작하기에 적합하므로 이들과 함께 다양한 기능의 광소자들을 집적화시켜서 제작하기에도 적합한 플랫폼을 제공한다. 또한 폴리머 광소자는 우수한 단열성과 높은 열광학 특성으로 인해 열을 이용한 광신호 제어를 하기에 매우 적합한 소자이다. 또한 열광학 효과의 크기가 실리카나 다른 재료에 비하여 10배 이상 크기 때문에 적은 열을 이용하여 효율적인 광신호 제어를 달성할 수 있다.

파장 필터 소자를 폴리머 광도파로를 이용하여 제작하는 경우 브래그 격자의 반사율을 100%에 가깝게 높이는 것이 필요하다. 그런데 브래그 격자는 광도파로 코아부의 두께를 주기적으로 변화시키는 방법으로 형성하게 되므로 코아부가 두꺼운 부분과 얇은 부분에 대한 유효굴절률의 차이로 인해 브래그 격자의 반사율이 결정된다. 그러므로 격자로 인한 코아부의 두께 차이를 크게 만들어 주어서 반사율을 키워야 한다. 이때 코아부의 두께 변화를 크게 하는 것이 제작 공정상 어려우므로 이를 대신하여 코아층와 클래딩을 이루는 폴리머들의 굴절률 차이를 키우기도 한다.

일반적인 브래그 격자 기반의 파장 필터 구조를 살펴보면 도 1을 참조하여 확인할 수 있다. 도 1을 참조하면, 브래그 격자에 의해 반사되는 파장이 입력 포트와 동일한 포트로 출력되므로 외부 서큘레이터(2)를 사용하여 브래그 격자에 의해 반사되는 파장을 분리해야 한다. 그러므로 이과 같은 종래기술은 외부 서큘레이터(2)가 필수적이므로 다른 광도파로 소자들과 집적시 소자의 크기가 커지는 문제점이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 폴리머 광도파로 소자를 활용하여 광섬유를 통하여 전달된 빛을 소자의 내부에서 다양한 형태로 제어하고 변형시켜서 출력하며 입력부와 출력부가 분리되는 형태의 광도파로 소자를 사용함으로써 써큘레이터와 같은 부수적인 장치 없이도 사용가능한 새로운 형태의 파장 가변 필터 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 베이스가 되는 기판(110)과; 상기 기판(110)의 상면에 접하는 하부 클래딩층(120)과; 상기 하부 클래딩층(120)의 상면에 접하는 상부 클래딩층(140)과; 상기 하부 클래딩층(120)과 상기 상부 클래딩층(140) 사이의 일측에 구비되는 브래그 격자 패턴(150)과; 상기 상부 클래딩층(140)의 상면에 구비되며 상기 브래그 격자 패턴(150)에 열을 가하는 마이크로 히터(160,170) 및; 상기 하부 클래딩층(120)과 상기 상부 클래딩층(140)의 중심부를 관통하며 다중 모드 구조와 비대칭 X-분기 구조로 구비되어 광이 지나가는 광도파로를 형성하는 코어(130)를; 포함하여 상기 코어(130)의 일측에 상기 코어(130)의 상부 또는 하부 어느 곳에 배치되는 상기 브래그 격자 패턴에서 반사된 신호를 다른 출력 광도파로로 진행하도록 하여 입력광과 출력광을 내부에서 분리하도록 함으로써 상기 브래그 격자 패턴(150)에서 반사된 특정 파장에 담긴 신호를 선택적으로 추출할 수 있다.

이와 같은 파장 가변 필터에서 상기 마이크로 히터(160,170)는 상기 브래그 격자 패턴(150)의 일측에 구비되어져 상기 광도파로의 위상을 조절하는 위상조절기(160) 및 열에 의해 굴절률을 다르게 하여 상기 브래그 격자 패턴(150)의 반사 파장을 변화하는 파장가변기(170)를 사용할 수 있다.

이와 같은 파장 가변 필터에서 상기 코어(130)는 굽힘 구조가 형성되어 상기 입력광이 입력되는 입력단부(131), 상기 입력단부(131)에 입력된 광이 통화하며 상기 다중 모드 구조와 비대칭 X-분기 구조에 의해 모드 진화가 되는 바디부(132), 상기 바디부(132)를 통과한 상기 광이 상기 브래그 격자 패턴(150)이 배치되어진 위치에 구비되며 상기 광이 브래그 격자에 의해 반사되는 출력단부(133)로 구비될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 베이스가 되는 기판을 구비하고 상기 기판의 상면에 접하며 폴리머를 스핀코팅하고 경화하여 박막을 형성함으로써 하부 클래딩층(120)을 형성하는 하부 클래딩층 형성단계와; 상기 하부 클래딩층(120)의 상부에 브래그 격자 패턴(150)을 형성하는 브래그 격자 패턴 형성단계와; 상기 브래그 격자 패턴 형성단계 후에 코어(130)를 구성하게 되는 폴리머를 코팅하여 상기 브래그 격자 패턴(150)을 덮고 상기 폴리머에 패턴을 만들고 식각을 하여 비대칭 X-분기 형태의 코어(130)를 형성하는 코어 형성단계와; 상기 코어(130)의 상부에 클래딩 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩층(140)을 형성하는 상부 클래딩 형성단계 및; 상기 상부 클래딩층(140)을 코팅한 후 상면에 파장 가변 역할을 하는 전극층인 마이크로 히터(160,170)를 형성하는 마이크로 히터 접착단계를; 포함하고 상기 마이크로 히터(160,170)는 상기 브래그 격자 패턴(150)과 정렬되게 구비되며 열을 가함으로써 상기 폴리머의 굴절률을 바꾸어 브래그 반사 파장을 변화시키며 상기 브래그 격자 패턴에서 반사된 신호를 다른 출력 광도파로로 진행하도록 하여 입력광과 출력광을 내부에서 분리하도록 함으로써 특정 파장에 담긴 신호를 선택적으로 추출할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 파장 가변 필터 및 그의 제조방법에 따르면, 기판과 하부 클래딩층, 상부 클래딩층, 하부 클래딩층과 상기 상부 클래딩층 사이의 일측에 구비되는 브래그 격자 패턴, 마이크로 히터 및 코어로 구성되어 브래그 격자에서 발사되는 특정 파장의 신호를 입력 광도파로와 분리된 출력 광도파로를 통하여 진행할 수 있도록 함으로써 써큘레이터와 같은 별도의 광부품이 필요없이 브래그 격자형 가변 파장 필터를 구현할 수 있게 되면 제품의 생산성과 가격 경쟁력을 높일 수 있게 된다.

또한, 이를 통하여 WDM 광통신 시장에서 핵심적인 역활을 담당하게 될 가변 파장 필터를 폴리머 브래그 격자 소자를 이용하여 저렴하게 제작 공급할 수 있다.

도 1은 종래기술의 브래그 격자 기반 필터 소자의 구조를 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 기술사상에 따른 브래그 격자 기반 필터 소자를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터를 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 브래그의 깊이와 길이변화에 따른 격자의 반사율 변화 그래프를 도시한 도면;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 X-분기 구조에서 폭이 넓은 도파로와 폭이 좁은 도파로의 크기에 따라 분기각의 변화에 따른 모드 진화의 수치해석 결과를 나타내는 그래프를 도시한 도면;
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반사되는 두 도파모들의 위상 차이에 따라 광이 출력되는 포트의 변화 결과를 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광도파로 소자에서의 비대칭 X-분기 구조의 동작 특성을 확인한 실험 결과를 도시한 도면;
도 8은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광도파로 소자의 브래그 격자의 파장 특성을 도시한 도면;
도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광도파로 소자의 파장 가변 특성을 확인한 실험 결과를 도시한 도면;
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터의 제조방법을 도시한 도면;
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터의 제조방법에 따라 구성된 파장 가변 필터를 도시한 도면이다.

본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 2는 본 발명의 기술사상에 따른 브래그 격자 기반 필터 소자를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 브래그 격자 기반 필터 소자를 서큘레이터를 사용하지 않고 입, 출력 포트 분리 가능한 사시도이다. 이와 같은 브래그 격자 기반 필터 소자는 브래그 격자에서 반사되는 특정 파장의 신호를 입력 광도파로와 분리된 출력 광도파로를 통하여 진행할 수 있도록 함으로써 써큘레어터와 같은 별도의 광부품이 필요없이 브래그 격자형 가변 파장 필터를 구현할 수 있게 된다. 이처럼 단일 폴리머 광소자를 이용하여 파장 가변 필터를 구현할 수 있게 되면 제품의 생산성과 가격 경쟁력을 높일 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터를 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 브래그의 깊이와 길이변화에 따른 격자의 반사율 변화 그래프를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 X-분기 구조에서 폭이 넓은 도파로와 폭이 좁은 도파로의 크기에 따라 분기각의 변화에 따른 모드 진화의 수치해석 결과를 나태는 그래프를 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반사되는 두 도파모들의 위상 차이에 따라 광이 출력되는 포트의 변화 결과를 도시한 도면이다.

도 3 내지 6을 참조하면, 입, 출력 포트가 분리된 파장 가변 필터(100)는 기판(110), 하부 클래딩층(120), 코어(130), 상부 클래딩층(140), 브래그 격자 패턴(150), 위상 조절기(160), 파장 가변 전극(170)으로 구성된다.

도 3 에서 나타낸 비대칭 X-분기 구조 광도파로에서 입력 광도파로를 통하여 빛을 입사시키게 되면 이 빛은 모드 진화를 통하여 반반씩 둘로 갈라져서 브래그 격자가 새겨진 광도파로 쪽으로 나아가게 된다. 브래그 격자의 기능은 특정한 파장의 광신호만 반사를 시켜 주게 되며, 두개의 브래그 격자가 동일한 파장을 반사시키도록 만들어 주면 특정 파장은 두 브래그 격자에서 동시에 반사되어 입력부로 돌아가게 된다. 이렇게 반사되어 돌아온 두개의 빛은 다시금 비대칭 X-분기에서 만나게 되어 서로 간섭을 하게 되며, 이때 브래그 반사기 옆에 위치한 위상 변조기를 이용하여 두 빛의 상대적인 위상 차이를 180도로 맞추어 주게 되면 간섭하여 완성되는 파동은 출력부 광도파로를 통하여 모드 진화 현상을 일으키면서 나아가게 된다.

특정 파장의 신호를 선택적으로 필터링하기 위해서는 브래그 반사파장을 조절하여 주면 되며, 이를 위해서 브래그 격자 상부에 위치한 마이크로 히터에 열을 가하여 주면 폴리머가 지닌 우수한 열광학 효과에 의해 브래그 반사 파장이 변하게 된다. 폴리머가 지닌 열광학 효과는 실리카 재료에 비하여 10배 이상이 되며 10 nm 정도의 파장 가변을 일으키기 위해서 200 mW 정도의 전력을 소모하여 100도 정도의 온도 변화를 일으켜 주는 것이 일반적이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판(110)은 유리재질 또는 실리콘 재질 등과 같이 빛이 투과하거나 경도가 어느 정도 있어 물질을 지지하는 재질로 형성될 수 있다. 이때, 기판(110)은 제조 시 사용된 후 제조가 완료되면 제거될 수 있으며, 제조 후에도 하부 클래딩층(120)에 접착된 상태로 존재하는 것도 가능하다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 기판(110)이 제조 후 하부 클래딩층(120)에 접착된 상태인 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.

하부 클래딩층(120)은 기판(110) 상에 형성될 수 있으며 상부 클래딩층(140)과 결합하여 내부에 코어(130)를 밀봉하며 이때, 클래딩층(120,140)은 폴리머 재질로 형성될 수 있다.

코어(130)는 광이 지나가는 광도파로를 형성하고 브래그 격자(150)의 반사율을 증가시키기 위해 고굴절률의 폴리머 재질로 형성될 수 있으며, 클래딩층(120,140)의 중심 부분을 관통하도록 배치된다. 이와 같은 코어(130)에는 브래그 격자 패턴(150)이 형성되며 이때, 브래그 격자 패턴(150)은 코어(130)의 하부에 배치되거나, 상부에 배치가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 브래그 격자 패턴(150)이 코어(130)의 하부에 형성되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.

한편, 코어(130)는 굽힘 구조가 형성되어 입력단을 형성하는 입력단부(131), 입력단부(131)에서 입력된 광이 통과하며, 다중 모드 구조와 비대칭 X-분기 구조에 의해 모드 진화가 되는 바디부(132) 및 일부분에 브래그 격자 패턴 (150)이 배치되어 바디부를 통과한 상기 광이 브래그 격자에 의해 반사되는 출력단부(133)를 구비하도록 한다.

좀 더 구체적으로 도 3을 참조하면, 입력단부(131)의 코어(130) 광도파로 중 하나의 광도파로(130 a)로 입력된 광은 굽혀진 광도파로를 통해 다중 모드로 동작하는 코어 광도파로(130 b)로 입력된다. 입력된 도파 모드는 우모드(even mode)와 기모드(odd mode)를 동일하게 여기하게 되며 우모드는 비대칭 X-분기 구조에서 도파로 폭이 넓은 쪽(130 c)으로 기모드는 비대칭 X-분기 구조에서 도파로 폭이 좁은 쪽(130 d)으로 모드가 분류 된다. 그러므로 비대칭 X-분기 구조는 3-dB 분배기 역할을 하게 된다. 비대칭 X-분기는 구조는 방향성 결합기에 비해 파장 및 편광에 대한 의존성이 작은 장점이 있다. 비대칭 X-분기 구조에 의해 나눠진 우모드와 기모드는 출력 도파로(130 e)의 도파 모드로 진화하여 진행한 후 브래그 격자를 통과하게 된다. 이 때 브래그 격자에 의해 특정 파장만 반사되고 다른 파장은 브래그 격자를 통과하여 진행하게 된다. 브래그 격자에 의해 반사된 두 도파 모드는 비대칭 X-분기 구조를 통해 다시 다중 모드 광도파로(130 b)로 입력된다. 브래그 격자에 의해 반사된 두 도파 모드는 다중 모드 광도파로에서 우모드와 기모드를 여기한다. 이때 다중 모드 광도파로(130 b)로 입력되는 두 반사된 도파모드의 위상차이가 180 도 되면 입력단부(131)의 입력 포트(130 a)와는 다른 하나의 포트로 출력된다. 하지만 브래그 격자(150)를 제작할 경우 광도파로에 수직 방향으로 정확히 형성되기 힘들기 때문에 반사된 두 도파 모드의 위상이 동일하지 않게 된다. 또한 광도파로 제작 공정시 공정 오차로 인해 광도파로의 폭을 정확히 제작할 수 없으므로 도파 모드의 위상 차이가 발생하게 된다. 그러므로 브래그 격자에 의해 반사된 두 도파 모드의 위상 차이를 동일하게 만들기 위한 위상 조절기(160)가 필요하며 이를 위해 브래그 격자가 형성되어 있는 영역 앞쪽에 두 광도파로(130 e)와 정렬된 전극 패턴을 상부 클래딩층 (140)에 형성하였다. 위상 조절을 위한 두 개의 전극 패턴 중 하나의 전극 패턴에만 전압을 가하게 되면 열 광학 효과에 의해 광도파로의 굴절률 변화가 발생하게 되어 도파 모드의 위상을 조절할 수 있다. 이를 통해 외부 서큘레이터를 사용하지 않고 입력과 출력 포트를 분리할 수 있는 필터 구조를 구현할 수 있다.

파장 가변 필터를 구현하기 위해서는 브래그 격자에 의해 반사되는 파장을 가변해야 하며 이를 위해 열 광학 효과를 이용한 파장 가변 필터를 제안한다. 열 광학 효과를 주기 위해 브래그 격자 위에 파장 가변을 위한 전극 패턴(170)을 형성하였다. 브래그 격자에 의해 반사되는 파장은 동일하게 가변 되어야 하므로 위상 조절기 (160)와는 달리 두 전극 패턴은 연결되어 있다.

따라서 본 발명의 일 실시예에서는 비대칭 X-분기 구조를 이용하여 모드 진화를 통한 3-dB 분배기를 구현하여 동일한 크기의 두 도파 모드로 분리한 후 브래그 격자에 의해 특정 파장만 반사된다. 위상 조절기를 이용하여 반사되는 두 도파모드의 위상을 동일하게 조절해 입,출력 포트가 분리 가능한 구조를 구현하고 열 광학 효과를 이용하여 브래그 격자에 의해 반사되는 파장을 가변하여 입,출력이 분리된 파장 가변 필터를 구현할 수 있다.

도 4를 참조하면, 브래그 격자(150)의 깊이와 길이의 변화에 따른 격자의 반사율 변화가 어떻게 나타나는가를 살펴보기 위해 전송행렬법을 이용하여 반사율을 계산한 그래프이다. 브래그 격자의 식각 깊이(de)가 증가할수록 반사율이 증가함을 알 수 있으며 브래그 격자의 길이가 길어질수록 반사율이 증가함을 알 수 있다. 도 4를 결과를 통해 브래그 격자의 반사율을 증가시키기 위해서는 격자의 길이를 증가시키거나 브래그 격자의 식각 깊이를 증가 시키면 된다. 하지만 격자의 길이를 증가시킬 경우 전체적인 소자의 크기가 커지므로 도파로의 코어(130)로 사용되는 물질을 높은 굴절률을 가지는 폴리머 재질을 사용하여 격자에 의한 굴절률 변화를 크게 하는 방법을 통해 브래그 격자의 반사율을 증가시키는 방법을 적용하였다.

도 5는 비대칭 X-분기 구조에서 폭이 넓은 도파로와 폭이 좁이 도파로의 크기에 따라 분기각의 변화에 따른 모드 진화가 어떻게 되는지에 대한 2차원 Beamm propagation method를 이용한 수치 해석 결과이다. 다중 모드로 동작하는 도파로 (130 b)의 폭은 폭이 넓은 도파로(130 c)와 폭이 좁은 도파로(130 d)의 폭의 합과 같다. 다중 모드로 동작하는 도파로(130 b)에 우모드(even mode)를 여기할 경우 비대칭 X-분기 구조에서 도파로 폭이 넓은 쪽(130 c)으로만 모드 진화하게 되며 기모드를 여기할 경우 도파로 폭이 좁은 쪽(130 d)으로만 모드 진화하게 된다. 그러므로 비대칭 X-분기 구조의 성능을 확인하기 위해 우모드 또는 기모드를 여기한 후 비대칭 X-분기 도파로의 출력 파워비를 이용하여 누화비(crosstalk)를 수치모사 하였다. 도 5를 참조하면, 비대칭 X-분기 구조의 분기각이 커질수록 누화비가 커지는 것을 알 수 있다.

도 6을 참조하면, 반사되는 두 도파 모드의 위상 차이에 따라 광이 출력 되는 포트의 변화를 2차원 Beam propagation method를 이용하여 계산한 결과로 두 도파 모드의 위상 차이에 의해 광이 출력되는 포트가 서로 다른 것을 알 수 있으며 이를 통해 앞서 제안한 위상 조절기(160)를 통해 출력 포트를 변화 시킬 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 외부 서큘레이터를 사용하지 않고 입력과 출력을 분리할 수 있는 필터 구조를 구현할 수 있다.

도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광도파로 소자에서의 비대칭 X-분기 구조의 동작 특성을 확인한 실험 결과를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 위상 조절기를 이용하여 도파 모드의 위상 변화에 따른 입,출력 포트의 분리 특성 변화를 살펴본 측정 결과로 위상 조절기에 가하는 전압의 변화에 따라 출력 포트 1과 2의 파워가 변화하는 것을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광도파로 소자의 브래그 격자의 파장 특성을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 직선 광도파로의 브래그 격자의 파장 특성을 살펴본 결과로 제작된 브래그 격자의 반사 파장은 1562.4 nm 이며 3-dB 대역폭은 0.2 nm 이다. 제작된 브래그 격자의 깊이는 130 nm 이며 누화비는 15 dB 이상이 됨을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광도파로 소자의 파장 가변 특성을 확인한 실험 결과를 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 제안한 파장 변화는 8 nm 이며 이를 통해 파장 가변 필터를 구현할 수 있을 것이다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터의 제조방법을 도시한 도면이다. 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터의 제조방법에 따라 구성된 파장 가변 필터를 도시한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터(100)는 베이스가 되는 기판(110)을 구비하고 기판(110)의 상면에 접하며 폴리머를 스핀코팅하고 경화하여 박막을 형성함으로써 하부 클래딩층(140)을 형성하는 하부 클래딩층 형성단계(a)와 하부 클래딩층(140)의 상부에 브래그 격자 패턴(150)을 형성하는 브래그 격자 패턴 형성단계(b)와 브래그 격자 패턴 형성단계 후에 코어(130)를 구성하게 되는 폴리머를 코팅하여 브래그 격자 패턴(150)을 덮고 폴리머에 패턴을 만들고 식각을 하여 비대칭 X-분기 형태의 코어(130)를 형성하는 코어 형성단계(c)와 코어(130)의 상부에 클래딩 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩층(140)을 형성하는 상부 클래딩 형성단계(d) 및 상부 클래딩층(140)을 코팅한 후 상면에 파장 가변 역할을 하는 전극층인 마이크로 히터(160,170)를 형성하는 마이크로 히터 접착단계(e)를 포함하여 입력광과 출력광을 내부에서 분리하도록 함으로써 특정 파장에 담긴 신호를 선택적으로 추출하도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터(100)의 제조 방법을 살펴보면, 파장 가변 필터(100)는 기판(110) 상에 제작할 수 있으며, 기판(110)은 전술한 바와 같이 유리재질 또는 실리콘 재질을 적용가능하다. 기판(110)의 상부에 폴리머를 스핀코팅하고 경화하여 박막을 형성함으로써 하부 클래딩 층인 하부 클래딩층(120)을 형성한다. 하부 클래딩층(120)의 두께는 기판(110)으로 빛이 빠져나가지 않을 정도로 두껍게 형성하게 되는데 10 um 정도의 두께면 적당하다.

하부 클래딩층(120) 상부에 브래그 격자 패턴(150)을 형성한다. 브래그 격자 패턴(150)은 주기가 500 nm 정도이며 듀티비율(duty ratio)이 50% 이면 선폭(line width)이 250 nm 가 된다. 반사율을 높이기 위해서는 주기적인 브래그 격자 패턴(150)이 많이 필요하게 되며 10,000개 정도의 브래그 격자 패턴(150)을 형성하게 되면 격자의 총 길이는 5 mm 정도가 된다. 이와 같은 미세하면서도 넓은 범위에 펼쳐져 있는 구조는 포토리소그라피(photolithograph)공정으로 제작할 수 있으나 정밀도를 위하여 광간섭계를 이용하여 제작할 수 있다. 또한 반사율을 높이기 위해서는 브래그 격자 패턴(150)의 깊이가 깊게 형성이 되어야 하는데, 제작 공정상 250 nm 선폭의 브래그 격자 패턴(150)을 깊이 형성하기에는 어려움이 따른다. 넓은 범위에 걸쳐서 균일하게 제작가능한 브래그 격자 패턴(140)의 경우 깊이가 200 nm 정도로 제한되는 것이 일반적이다.

브래그 격자 패턴(150)을 형성한 후 그 위에 코어(130)를 구성하게 되는 고굴절률 폴리머를 코팅하여 브래그 격자 패턴(150)을 덮어주게 된다. 이후 고굴절률 폴리머층에 패턴을 만들고 식각을 하여 코어(130)를 형성한다. 코어(130)의 크기는 두께는 2~3 um 정도 폭은 2~3 um 정도가 적절하다.

코어(130)의 상부에 클래딩 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩층(140)을 형성한다. 상부 클래딩(140)의 두께는 전극으로 빛이 빠져나가지 않을 정도로 7 um 정도의 두께면 적당하다.

상부 클래딩층(140)을 코팅한 후 그 위에 파장 가변 역할을 할 수 있는 금을 증착하여 전극층을 형성한다. 금은 전자 빔 박막장치를 이용하여 증착하며 그 두께는 전극의 저항을 고려해 약 100 nm 정도가 적당하다. 이때 상부 클래딩층(140)과 전극층 사이에 10 nm 정도 두께의 크롬을 증착하여 폴리머로 이루어진 상부 클래딩층(140)과 금으로 된 전극층의 접착력을 강화하여 준다.

마이크로 히터(160, 170)는 금속 재질로 형성될 수 있다. 이때, 마이크로 히터(170)는 브래그 격자 패턴(150)에 열을 가하여 폴리머의 굴절률을 바꾸어 줌으로서 브래그 반사 파장을 변화 시킬 수 있다. 이때, 마이크로 히터(170)에 전류를 흘려주면 열이 발생하게 되고, 이로 인해 폴리머의 굴절률이 줄어들게 되어 초기 브래그 반사 파장에 비하여 청색편향 (blue shift)이 나타나게 된다. 이를 통하여 가변 파장 필터를 구현할 수 있게 된다.

이와 같은 마이크로 히터(160, 170)는 클래딩층 (140)의 상부에 브래그 격자 패턴과 정렬되어 제작되며 금속증착, 포토리소그라피 등의 공정을 통하여 광도파로 소자(100)의 마지막 제작 단계에 추가하여 제작할 수 있다.

따라서 광도파로 소자(100)는 상기 코어층(130) 및 브래그 격자 패턴(150) 중 적어도 하나에 열을 가함으로써 브래그 격자 패턴(150)에서 반사되는 광의 파장을 변화시킴으로써 파장을 가변적으로 제거하여 광을 통과시킬 수 있다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변 필터 및 그의 제조방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시 하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

100: 파장 가변 필터
110: 기판
120: 하부 클래딩층
130: 코어층
140: 상부 클래딩층
131: 입력단부
132: 바디부
133: 출력단부
150: 브래그 격자 패턴
160: 마이크로 히터 (위상조절기)
170: 마이크로 히터 (파장 가변)

Claims (4)

1. 베이스가 되는 기판(110)과;
   상기 기판(110)의 상면에 접하는 하부 클래딩층(120)과;
   상기 하부 클래딩층(120)의 상면에 접하는 상부 클래딩층(140)과;
   상기 하부 클래딩층(120)과 상기 상부 클래딩층(140) 사이의 일측에 구비되는 브래그 격자 패턴(150)과;
   상기 상부 클래딩층(140)의 상면에 구비되며 상기 브래그 격자 패턴(150)에 열을 가하는 마이크로 히터(160,170) 및;
   상기 하부 클래딩층(120)과 상기 상부 클래딩층(140)의 중심부를 관통하며 다중 모드 구조와 비대칭 X-분기 구조로 구비되어 광이 지나가는 광도파로를 형성하는 코어(130)를; 포함하여
   상기 코어(130)의 일측에 상기 코어(130)의 상부 또는 하부 어느 곳에 배치되는 상기 브래그 격자 패턴에서 반사된 신호를 상기 비대칭 X-분기 구조를 통해 다중 모드 광도파로로 입력되어지고 다른 출력 광도파로로 진행하도록 하여 입력광과 출력광을 내부에서 분리하도록 함으로써 상기 브래그 격자 패턴(150)에서 반사된 특정 파장에 담긴 신호를 선택적으로 추출하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 마이크로 히터(160,170)는 상기 브래그 격자 패턴(150)의 일측에 구비되어져 상기 광도파로의 위상을 조절하는 위상조절기(160) 및 열에 의해 굴절률을 다르게 하여 상기 브래그 격자 패턴(150)의 반사 파장을 변화하는 파장가변기(170)인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 코어(130)는 굽힘 구조가 형성되어 상기 입력광이 입력되는 입력단부(131), 상기 입력단부(131)에 입력된 광이 통화하며 상기 다중 모드 구조와 비대칭 X-분기 구조에 의해 모드 진화가 되는 바디부(132), 상기 바디부(132)를 통과한 상기 광이 상기 브래그 격자 패턴(150)이 배치되어진 위치에 구비되며 상기 광이 브래그 격자에 의해 반사되는 출력단부(133)로 구비된 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터.
   
4. 베이스가 되는 기판을 구비하고 상기 기판의 상면에 접하며 폴리머를 스핀코팅하고 경화하여 박막을 형성함으로써 하부 클래딩층(120)을 형성하는 하부 클래딩층 형성단계와;
   상기 하부 클래딩층(120)의 상부에 브래그 격자 패턴(150)을 형성하는 브래그 격자 패턴 형성단계와;
   상기 브래그 격자 패턴 형성단계 후에 코어(130)를 구성하게 되는 폴리머를 코팅하여 상기 브래그 격자 패턴(150)을 덮고 상기 폴리머에 패턴을 만들고 식각을 하여 비대칭 X-분기 형태의 코어(130)를 형성하는 코어 형성단계와;
   상기 코어(130)의 상부에 클래딩 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩층(140)을 형성하는 상부 클래딩 형성단계 및;
   상기 상부 클래딩층(140)을 코팅한 후 상면에 파장 가변 역할을 하는 전극층인 마이크로 히터(160,170)를 형성하는 마이크로 히터 접착단계를; 포함하고
   상기 마이크로 히터(160,170)는 상기 브래그 격자 패턴(150)과 정렬되게 구비되며 열을 가함으로써 상기 폴리머의 굴절률을 바꾸어 브래그 반사 파장을 변화시키며 상기 브래그 격자 패턴에서 반사된 신호를 상기 비대칭 X-분기 구조를 통해 다중 모드 광도파로로 입력되어지고 다른 출력 광도파로로 진행하도록 하여 입력광과 출력광을 내부에서 분리하도록 함으로써 특정 파장에 담긴 신호를 선택적으로 추출하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제조방법.

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