KR19990038490A - 광파워 분할기 및 그 제작방법 - Google Patents

광파워 분할기 및 그 제작방법 Download PDF

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KR19990038490A
KR19990038490A KR1019970058240A KR19970058240A KR19990038490A KR 19990038490 A KR19990038490 A KR 19990038490A KR 1019970058240 A KR1019970058240 A KR 1019970058240A KR 19970058240 A KR19970058240 A KR 19970058240A KR 19990038490 A KR19990038490 A KR 19990038490A
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이태형
신상영
송현채
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윤종용
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Abstract

본 발명은 빔분할자 및 빔확장자를 이용한 광파워 분할기 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 그 광파워 분할기는 입력광을 받아들이는 입력포트를 구비하며, 입력포트로 입사된 입력광을 도파하는 입력 광도파로; 적어도 두 개의 출력포트를 구비하며, 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 출력포트들로 출력하는 출력포트와 같은 개수의 출력 광도파로; 및 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역에 위치하고, 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 출력 광도파로들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 하는 빔분할자를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 소자의 길이가 짧아지고, 삽입손실을 줄일 수 있다. 그리고 빔분할자와 빔확장자의 길이를 조절하여 내외측 출력간의 분할비가 다른 특별한 용도의 광파워 분할기를 쉽게 설계할 수 있으며, 광파워 분할기의 출력 광파워 분할비를 조정할 수 있다. 또한 광파워 분할기의 제작에 드는 비용을 줄일 수 있다.

Description

광파워 분할기 및 그 제작방법
본 발명은 광파워 분할기에 관한 것으로서, 특히 빔분할자 및 빔확장자를 이용한 광파워 분할기 및 그 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로 광파워 분할기(optical power divider)는 입력광을 한 곳에서 원하는 여러 곳으로 분배하는 소자로서, 광통신시스템(optical communication system)이나 광가입자망(optical access network) 등 그 응용분야가 넓으며, 광통신에서 사용되는 기본 소자 중 하나이다. 광파워 분할기는 출력단의 수에 따라 1x2, 1x4, 1x8, ..., 1xN(여기서 N = 2m, m은 자연수)으로 구분된다. 각 출력단에서 출력광 비는 일반적으로 균일하게 하지만 특별한 목적을 위해 분할비(splitting ratio)를 불균일하게 하는 경우도 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 일반적으로 광파워 분할기는 두 개의 출력단을 갖는 Y자형 분기 광도파로를 나무(tree) 모양으로 직병렬 연결하여 확장한다. 즉 1x4는 3개의 1x2 Y자형 분기 광도파로를 직,병렬 연결하고, 1x8는 7개의 1x2 Y자형 분기 광도파로를 직,병렬 연결하여 구성할 수 있다. 이런 방법으로 확장할 경우, 출력단의 수가 많아질수록 계속해서 직렬연결이 필요하며, 1x2 Y자형 분기 광도파로를 직,병렬 연결하여 구성할 수 있다.
이런 방법으로 확장할 경우, 출력단의 수가 많아질수록 계속해서 직렬연결이 필요하여 1x2를 기준으로 1x4는 2배이상, 1x8은 3배이상 소자의 길이가 길어진다. 뿐만아니라 소자의 길이가 길어지면서 이를 전파해 가는 광의 전파손실(propagation loss) 또한 커지게 된다. 이 구조에서 분기각(branch angle)의 크기를 크게 함으로써 Y자형 분기 광도파로의 길이를 줄일 수 있으나 분기각이 커짐에 따라 분기점에서의 복사손실(radiation loss)이 커지게 되어 길이 축소에 한계가 있다. 따라서 복사손실을 작게 유지하면서 분기각을 크게하기 위하여 분기영역(branch region)을 특별한 구조로 설계하거나, 분기영역에 마이크로 프리즘 구조를 삽입하여 복사손실이 작으면서도 분기각을 크게할 수 있는 연구 결과가 발표되기도 하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광파워 분할기의 출력을 1x4로 확장할 때 종래기술에서 나타나는 이 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 광파워 분할기의 출력단을 확장할 때, 소자길이의 증가가 없을 뿐만 아니라 큰 추가 손실이 발생하지 않도록 하기 위해, 빔 분할자(beam separator) 및 빔 확장자(beam expander)를 이용한 광파워 분할기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 상기 광파워 분할기를 제작하는 광파워 분할기 제작방법을 제공하는 것이다.
도 1a는 종래의 1x4 광파워 분할기를 도시한 것이다.
도 1b는 종래의 1x8 광파워 분할기를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 확장된 Y자형 분기 광도파로를 이용한 1x4 광파워 분할기의 기본 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 1x4 광파워 분할기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 1x4 광파워 분할기를 도시한 것이다.
도 5a는 본 발명에 의한 빔분할자와 빔확장자의 길이(x1, x2)에 따른 광파워 분할비를 도시한 것이다.
도 5b는 본 발명에 의한 빔분할자와 빔확장자의 길이(x1, x2)에 따른 추가손실을 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200, 300, 400 : 빔 분할자
210, 310, 410 : 빔 확장자
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 광파워 분할기는, 입력광을 받아들이는 입력포트를 구비하며, 상기 입력포트로 입사된 입력광을 도파하는 입력 광도파로; 적어도 두 개의 출력포트를 구비하며, 상기 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 상기 출력포트들로 출력하는 상기 출력포트와 같은 개수의 출력 광도파로; 및 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역에 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 출력 광도파로들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 하는 빔분할자를 포함함이 바람직하다.
상기 광파워분할기는, 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역보다 높은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 출력포트들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 하는 빔확장자를 더 구비함이 바람직하다.
상기 빔분할자의 형태는 삼각형이고, 상기 출력포트들로 출력되는 광은 상기 빔분할자의 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 의해 소정의 비율로 분배됨을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 광파워분할기는, 입력광을 받아들이는 입력포트를 구비하며, 상기 입력포트로 입사된 입력광을 도파하는 입력 광도파로; 적어도 두 개의 출력포트를 구비하며, 상기 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 상기 출력포트들로 출력하는 상기 출력포트들과 같은 개수의 출력 광도파로; 및 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역보다 높은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 출력포트들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 하는 빔확장자를 포함함이 바람직하다.
상기 빔확장자의 형태는 삼각형이고, 상기 출력포트들로 출력되는 광은 상기 빔확장자의 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 의해 소정의 비율로 분배됨을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 광파워분할기는, 입력광을 받아들이는 입력포트를 구비하며, 상기 입력포트로 입사된 입력광을 도파하는 입력 광도파로; 4개의 출력포트를 구비하며, 상기 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 상기 출력포트로 출력하는 4개의 출력 광도파로; 및 상기 입사광이 입력 광도파로에서 4개의 출력 광도파로로 분기되는 영역의 상하대칭되는 지점에 삼각형 형태로 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 따라 상기 4개의 출력포트로 출력되는 광을 소정의 비율로 분배되게 하는 빔분할자; 및 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역보다 높은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 따라 상기 4개의 출력포트로 출력되는 광을 소정의 비율로 분배되게 하는 빔확장자를 포함함이 바람직하다.
상기 빔분할자의 굴절율은 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역의 굴절율과 동일하며, 상기 빔확장자의 굴절율은 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 코아 굴절율과 동일함을 특징으로 한다.
상기 4개의 출력 광도파로는 그 사이의 사잇각이 동일함을 특징으로 한다.
상기 4개의 출력광도파로를 위에서부터 제1, 제2, 제3 및 제4 출력 광도파로, 상기 입력 광도파로의 폭 방향이고 상기 제1출력 광도파로와 제4출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 b를 지나는 가상 선분을 AA', 상기 입력 광도파로의 폭 방향이고 상기 제2출력 광도파로와 제3출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 c를 지나는 가상 선분을 BB'라 할 때, 상기 빔분할자는 상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 분기영역의 중앙에 위치한다. 상기 빔분할자의 모양은 밑변의 중앙이 상기 점 c이고, 길이가 같은 양 옆변이 만나는 꼭지점이 점 b인 이등변 삼각형임을 특징으로 한다.
상기 빔확장자는 상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 제1출력 광도파로 및 제4출력 광도파로 양 옆에 삼각형모양으로 위치하고, 상기 삼각형의 밑변이 상기 가상성분 BB'의 일부분이고, 상기 삼각형의 한 꼭지점이 상기 가상성분 AA' 상에 위치함을 특징으로 한다.
상기 4개의 출력광도파로를 위에서부터 차례대로 제1,제2,제3 및 제4 출력 광도파로라 하고, 상기 제1출력 광도파로와 제4출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 b를 상기 입력 광도파로의 폭 방향으로 지나는 가상 선분을 AA', 상기 제2출력 광도파로와 제3출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 c를 상기 입력 광도파로의 폭 방향으로 지나는 가상 선분을 BB'라 할 때, 상기 빔분할자는 상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 분기영역의 상하 대칭되는 중앙에 위치하며, 상기 빔분할자의 모양은 길이가 같은 양 옆변이 만나는 꼭지점이 상기 점 b이고, 높이가 상기 가상성분 AA' 및 BB' 간격보다 큰 이등변 삼각형임을 특징으로 한다.
상기 빔확장자는 상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 제1출력 광도파로 및 제4출력 광도파로 양 옆에 삼각형모양으로 위치하고, 상기 삼각형의 한 꼭지점이 상기 가상성분 AA' 상에 위치하고, 상기 삼각형의 한 꼭지점에서 밑변으로 내린 높이가 상기 가상선분 AA' 와 BB' 간격보다 큼을 특징으로 한다.
상기 빔분할자는 상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 분기영역의 중앙에 위치하며, 상기 빔분할자의 모양은 밑변의 중앙이 상기 점 c이고, 길이가 같은 양 옆변이 만나는 꼭지점이 점 b인 이등변 삼각형이며, 상기 가상성분 BB' 상에서의 제2출력 광도파로 및 제3출력 광도파로 간의 간격이 상기 빔분할자의 밑변의 길이와 동일함을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 광파워 분할기 제작방법은, 입사되는 광을 도파하는 입력 광도파로와, 상기 입력 광도파로를 통해 도파된 입력광을 도파하여 출력하는 적어도 2개의 출력 광도파로와, 입사광을 분배시키기 위해 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역에 위치하여 상기 광도파로 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 물질로 된 빔분할자와, 입사광을 분배시키기 위해 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하며 상기 광도파로의 클래딩 영역의 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 빔확장자로 이루어지는 광파워분할기의 제작방법에 있어서, 기판 위에 하부클래딩으로 사용될 박막을 형성하는 하부클래드형성과정; 상기 박막위에 상기 박막보다 굴절율이 높은 코아 박막을 성장시키는 코아 과정; 선택적 식각공정을 사용하여 상기 광파워 분할기 구조를 형성하는 과정; 및 상기 결과물위에 성장시키는 상부클래드층을 형성하는 상부클래드형성과정을 포함함이 바람직하다.
상기 기판의 재질은 Si, GaAs 및 InP 중 어느 하나이고, 하부클래드, 코아 및 상부클래드는 반도체 박막으로 이루어짐이 바람직하다.
상기 기판의 재질은 실리콘 또는 용융실리카이고, 상기 하부클래드, 코아 및 상부클래드의 재질은 실리카 또는 폴리머 박막임을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 광파워 분할기 제작방법은, 강유전체 기판 위에 상기 강유전체보다 굴절율이 큰 코아 층을 형성하는 제1과정; 식각공정을 사용하여 상기 광파워 분할기 구조를 형성하는 제2과정; 및 상기 제2과정에서 형성된 광도파로 위에 상부클래딩층을 형성하는 제3과정을 포함함이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 광파워 분할기 제작방법은, 강유전체 기판 위에 상기 광파워분할기 구조를 갖는 광도파로가 위치할 영역의 굴절율을 증가시켜 광도파로를 형성하는 과정; 및 상기 광도파로 위에 상부클래딩층을 형성하는 과정을 포함함이 바람직하다.
상기 강유전체는 LiNbO3및 LiTaO3중 어느 하나임을 특징으로 한다.
상기 굴절율 증가는 상기 강유전체 기판 내의 리튬이온을 수소이온으로 치환하는 양자교환 방법 또는 금속박막의 내부확산을 통해 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 금속박막은 티타늄 박막 및 니켈 박막 중 어느 하나이고, 상기 상부클래딩층은 실리카 박막 및 알루미나 박막 중 어느 하나임을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에 의한 광파워 분할기는 입력 광도파로, 복수의 출력 광도파로, 빔 분할자(beam separator) 및 빔 확장자(beam expander)를 포함하여 이루어진다. 상기 입력 광도파로는 입력광을 받아들이는 입력포트를 구비하며, 상기 입력포트로 입사된 입력광을 도파한다. 상기 복수의 출력 광도파로는 적어도 두 개의 출력포트를 구비하며, 상기 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 상기 출력포트들로 출력한다.
상기 빔 분할자는 상기 입력광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역에 삼각형 모양으로 위치한다. 빔 분할자는 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로 코아의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 출력 광도파로들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 한다. 여기서 상기 출력포트들로 출력되는 광의 분배 비율은 상기 빔분할자의 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 따라 달라진다.
상기 빔 확장자는 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 삼각형 모양으로 위치한다. 또한 빔 확장자는 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역의 굴절율보다 높은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 출력포트들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 한다. 여기서 상기 출력포트들로 출력되는 광의 분배 비율은 상기 빔확장자의 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 따라 달라진다.
상기 광파워 분할기를 설명하기 전에 본 발명의 기본적인 개념을 먼저 설명하기로 한다. 입력포트로 입사되는 광이 입력 광도파로에 의해 도파된 후, 적어도 두 개 이상의 출력 광도파로로 분할되어 출력될 때, 상기 분할되는 비율은 상기 빔 분할자 및 빔 확장자를 통해 조절된다는 것이 본 발명의 기본 개념이다. 즉 입사되는 광이 하나의 입력 광도파로로부터 다수의 출력 광도파로로 분기할 때, 분기되는 영역에 상기 도파로의 코아보다 굴절율이 낮은 빔분할자를 둠으로써 상기 입력광이 분기할 때 발생하는 빛의 중앙으로의 쏠림현상을 완화한다. 그리고 상기 분기영역 바깥 인접한 곳에 상기 광도파로의 클래딩 영역의 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 빔 확장자를 둠으로써, 빛이 여러 출력 광도파로로 분기할 때 중앙으로 쏠리지 않고 바깥으로 벌어지게 한다. 따라서 상기 출력 광도파로의 개수와 굴절율에 따라 상기 빔분할자 및 빔확장자 중 어느 하나만을 사용할 수도 있다.
도 2는 상기 광파워 분할기의 바람직한 실시예로 1x4 광파워분할기의 기본구조를 도시한 것이다. 이는 종래의 Y자형 분기 광도파로 상하 측면에 2개의 광도파로를 추가한 구조이다.
종래의 Y자형 분기 광도파로(1x2 광파워 분할기)는 폭이 w인 단일모드(single mode) 직선 광도파로의 한 종단(aa')에 사잇각을 θ로 하여 같은 폭의 두 광도파로 즉 제2포트 및 제3포트를 서로 연결한 구조이다. 상기 Y자형 분기 광도파로의 상하 외측면에 두 광도파로, 즉 제1포트와 제4포트를 aa' 기준으로 사잇각이 3θ가 되도록 덧붙이면 4 분기 광도파로가 된다. 이 때 각각의 광도파로와 인근 광도파로와의 사잇각은 도 2에 도시된 바와 같이 θ가 된다. 추가된 출력단 제1포트 및 제4포트에 해당하는 광도파로의 내측면이 교차하는 점 b를 지나고, 광의 진행방향과 수직인 선 AA'과 제2 및 제3포트의 분기점 c를 지나고 광의 진향방향과 수직인 선 BB'를 가정한다. 가상선 AA'과 BB' 사이의 분기영역 내에 빔분할자(beam separator, 200)와 빔확장자(beam expander, 210)로 명명된 삼각형 모양의 구조를 삽입한다.
상기 빔 분할자(200)는 일면의 길이가 x1 인 이등변 삼각형으로 분기 영역내의 정중앙에 위치하고, 그 굴절율(refractive index)은 광이 지나가는 광도파로 부분이 아닌 클래딩 영역과 같다. 그리고 상기 빔확장자(210)는 빔분할자(200)를 중심으로 대칭적으로 분기지역 양측 부분에 밑면의 길이가 x2인 삼각형 모양으로 위치하고 있고, 그 굴절율은 광이 지나는 광도파로 부분인 코아영역과 같다. 이러한 빔분할자(200)와 빔확장자(210)의 배치로 인해 얻어지는 모양은 가상선 AA' 과 BB' 사이의 사다리꼴 모양의 분기영역을 가상선분 bc를 따라 둘로 쪼개어 특정 각도로 벌려 놓은 구조와 유사하다.
도 3 및 도 4는 도 2의 1x4 광분할기의 변형된 예를 도시한 것이다. 빔분할자와 빔확장자를 이용하여 소자 길이의 변화없이 출구를 확장한 것들이다. 도 3은 도 2의 구조와 같으나 빔분할자(300)와 빔확장자(310)가 가상선 BB'을 넘어 광의 진행방향으로 더 길게 연장되어 있다. 이 구조는 도 2와 동작원리는 같지만 도 2의 제2포트와 제3포트 사이의 첨단점 c를 제거함으로 쇄기모양의 뾰족한 부분의 수를 줄여 소자 제작을 용이하게 한 예이다. 도 4는 도 2의 구조에서 좌측(제1, 제2포트)과 우측(제3, 제4포트) 출구를 빔분할자 밑변의 길이인 x1과 같은 거리 만큼 떨어뜨려 놓은 것으로, 도 3에 도시된 구조의 잇점과 같이 쇄기 모양의 첨단점 수를 줄여준다.
도 2에 도시된 1x4 광파워 분할기의 동작을 설명하기로 한다. 먼저 빔분할자와 빔확장자가 없을 때 입력포트에 입사된 입력광은 입구에서 볼 때 분기각이 작은 내측출구(제2, 제3 포트)로 몰리게 된다. 따라서 본 광파워 분할기의 대칭적 구조로 인해 내측출구(제2, 제3포트)가 외측출구(제1, 제4포트) 보다 큰 출력광 세기를 갖게 된다. 그러나 적당한 길이 x1, x2를 가지는 빔분할자(200)와 빔확장자(210)는 4개의 출구에 입력광을 균등하게 분배시켜 준다. 빔분할자(200)는 입력광을 분기점 중심으로 각각 양쪽 두 개의 출구(제2, 제3포트)로 균등하게 나누어 주고, 빔확장자(210)는 이렇게 양쪽으로 분리된 입력광이 내측출구(제2, 제3포트)로 쏠리지 않게 빔을 바깥쪽으로 벌려주는 역할을 한다. 이렇게 함으로써 외측 및 내측 출구에서 출력광이 균일하게 나올 수 있도록 조절하여 준다. 도파광의 도파모드 크기와 분리각의 크기에 따라 적절한 빔분할자와 빔확장자의 길이 x1, x2 가 다르며 분리각이 작은 경우에는 빔분할자, 빔확장자 중 하나만을 사용하여서도 균등한 출력 특성을 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 도 2에 도시된 구조를 갖는 1x4 광파워 분할기를 설계하기 위하여 2차원 유한차분 빔전파방법(2 dimensional finite difference beam propagation method)을 사용하여 광도파로 소자를 해석하였다. 수치 모사(simulation)를 하기 위하여 설정된 설계 파라미터는 채널 광도파로 폭 w = 6㎛, 분기각 θ= 1°, 클래딩과 코아의 유효굴절율은 각각 Ncl= 1.5248, Nc= 1.5276으로 하였다. 빔분할자와 빔확장자의 길이 x1, x2 에 따른 외측(제1, 제4포트)과 내측(제2, 제3포트) 출구간의 출력 광파워의 대수비(단위 dB) 10 x Log10(P1,4/ P2,3)를 도 5a에 도시하였다. 도 5a에 도시된 바와 같이 빔분할자와 빔확장자의 길이가 적절할 때 각 출력포트에서 균등한 출력광을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 또한 수치모사 결과로부터 특별한 목적을 위해 출력 광파워 비를 특정값으로 설계할 수 있음도 알 수 있다. 도 5b는 빔분할자와 빔확장자의 각각의 길이에 따른 추가손실의 대수값(단위 dB) 10 x Log10(P1+ P2+ P3+ P4)의 크기를 나타내고 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이 빔확장자의 길이가 작을수록 추가손실이 작음을 알 수 있다. 균등한 출력광을 얻기 위한 빔분할자와 빔확장자 길이 조합값에서 발생하는 추가손실은 - 0.09 ∼ -0.17 dB 정도로 비교적 작은 값임을 알 수 있다.
한편 본 발명에 의한 광파워 분할기의 제작방법에 대해 설명하기로 한다. 상기 광파워 분할기는 여러 가지 재료를 이용하여 다양한 방법으로 제작할 수 있다. 우선 근간이 되는 광도파로의 기판 재질로서 Si, GaAs 및 InP 등의 반도체를 사용할 수 있다. 반도체 기판 위에 하부 클래딩으로 사용될 반도체 박막을 형성시키고 그 위에 굴절율이 다소 높은 코아 반도체 박막을 성장시킨다. 그리고 나서 습식 또는 건식 식각을 통해 광파워 분할기 구조를 형성한 후, 그 위에 다시 상부 클래딩 층으로 사용될 반도체 막을 성장시켜 소자를 제작한다.
또한, 기판재료로서 LiNbO3, LiTaO3등의 강유전체를 사용할 수 있다. 이 경우 기판위에 별도의 하부 클래딩 형성없이 기판을 바로 하부 클래딩으로 사용한다. 광도파로는 굴절율이 기판보다 큰 코아층을 기판 전면에 형성한 후 건식 또는 습식 식각에 의해 형성할 수 있다. 그러나 이 보다는 광도파로가 될 기판의 일부 영역에 굴절율을 증가키켜 광도파로를 형성하는 방법을 사용한다. 대표적인 방법으로는 기판 내의 리튬이온을 수소이온으로 치환하여 굴절율을 증가시키는 양자교환(Proton Exchange) 방법과 타타늄(Ti)이나 니켈(Ni) 박막과 같은 금속 박막을 내부확산(Indiffusion)시켜 굴절율을 증가시키는 방법이 있다. 이 방식으로 제작된 광도파로는 전자의 반도체 광도파로에서의 계단형 굴절율 분표(step index profile)와는 달리 경사형 굴절율 분포(graded index profile)를 갖는다. 광도파로를 형성한 후 코아층 위에 별다른 상부 클래딩층 없이 공기를 상부 클래딩층으로 사용하기도 하지만 특수한 경우에 상부 클래딩으로 실리카(SiO2)나 알루미나(Al2O3) 박막을 사용하기도 한다.
그리고 또 다른 광파워 분할기를 제작하기 위해, 실리콘 또는 용융 실리카 기판위에 다층으로 형성된 실리카 박막 또는 폴리머 박막을 이용해 광파워 분할기를 제작할 수 있다. 제작방법은 반도체 기판을 사용한 광파워 분할기 제작방법과 유사하다. 우선 기판 위에 하부 클래딩 층을 형성한 후, 굴절율이 클래딩 층보다 큰 코아 층을 형성한다. 코아층에서 광도파로가 될 부분을 제외한 나머지 영역을 선택적으로 식각해 내고, 이 위에 상부 클래딩 층을 형성하여 광파워 분할기를 제작한다.
본 발명에 의하면, 소자의 길이가 짧아진다. 종래기술로는 1x2에서 1x4로 확장시 Y자형 분기 광도파로를 직렬로 2단을 연결해햐 하는 반면, 본 발명에 의한 광파워 분할기는 1x2의 Y자형 분기 광도파로를 1단만 사용하여 확장하므로 길이면에서 종래의 1x4 광파워 분할기와 비교하여 1/2미만으로 소자 길이를 줄일 수 있다.
즉, 1x2 광파워 분할기를 직, 병렬 연결하여 1x4 광파워 분할기를 구성하는 종래의 방법과 달리 1x2 광파워 분할기의 양측면에 두 개의 광도파로를 첨가하여 1x4 광파워 분할기를 구성하기 때문에 소자길이가 종래의 방법에 비해 1/2 미만이다. 단위 광파워 분할기를 직, 병렬 연결하여 1xN 광파워 분할기를 구성할 때 본 발명에 의한 1x4 광파워 분할기를 단위 광파워 분할기로 사용하면 1xN 광파워 분할기 소자의 길이를 크게 줄일 수 있는 잇점이 있다. 예를 들어, 1x16 광파워 분할기의 경우 본 발명에서 제안한 1x4 광파워 분할기 5개를 2단 직, 병렬 연겨하여 간단히 구성할 수 있다. 반면, 종래의 기술로는 1x2 광파워 분할기 15개를 4단 직병렬 연결해야 하기 때문에 구조가 대단히 복잡해지며 아울러 소자 길이가 매우 길어지게 된다.
둘째, 삽입손실(도파손실+복사손실)을 줄일 수 있다. 본 발명에 의한 광파워 분할기는 소자의 길이를 줄일 수 있어 광이 광도파로를 지나가면서 겪는 도파손실(propagation loss)이 종래기술에 비해 작다. 그리고 분기영역 및 분기점의 개수가 줄어 복사손실(radiation loss)이 준다. 따라서 광도파로 진행시 발생하는 전파손실과 분기점에서의 복사손실이 작기 때문에 전체적인 소자의 삽입손실이 작다. 광은 Y자형 분기 광도파로와 같은 분기점을 지날 때 원하지 않는 모드결합(mode coupling)으로 인해 분기점에서 광의 일부가 복사되어 손실로 작용한다. 종래기술로는 1x4를 구성시 입구에서 출구까지의 경로에서 2개의 분기점을 가지는 반면 본 발명에 의한 광파워분할기는 1개의 분기점만을 가지므로 복사손실도 종래기술에 비해 작다.
셋째, 빔분할자와 빔확장자의 길이를 조절하여 내외측 출력간의 분할비가 다른 특별한 용도의 광파워 분할기를 쉽게 설계할 수 있다. 또한 광파워 분할기의 출력 광파워 분할비를 조정할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 1x4 광파워 분할기는 출력 광파워 분할비를 튜닝(tuning)하기 위하여 빔분할자와 빔확장자를 갖고 있다. 이들의 크기를 조절함으로써 광파워 분할비를 소자 기능에 적합하게 튜닝할 수 있어 소자의 활용범위를 넓힐 수 있다.
넷째, 광파워 분할기의 제작에 드는 비용을 줄일 수 있다. 본 발명에 의한 광파워 분할기는 종래의 방법에 비해 짧은 길이를 갖고 있기 때문에 동일한 기판 면적에 많은 소자를 집적할 수 있다. 따라서 제작 비용이 감소하는 잇점을 갖는다. 일반적으로 광파워 분할기 제작에 있어 가장 유의해야 할 사항은 광도파로들이 분기되는 분기 영역을 오차없이 제작해야 하는 것이다. 본 발명에서 제공하는 광파워 분할기는 분기 영역이 종래의 방법에 비해 매우 협소하고 또한 한곳밖에 없기 때문에 제작공정상에 흔히 있을 수 있는 여러 가지 결함 예를 들어 먼지나 박막의 불순물에 의한 결함 등에 비교적 둔감하다. 따라서 소자 제작시 양품 수율을 높일 수 있기 때문에 소자 제작비용을 절감할 수 있다.

Claims (25)

  1. 입력광을 받아들이는 입력포트를 구비하며, 상기 입력포트로 입사된 입력광을 도파하는 입력 광도파로;
    적어도 두 개의 출력포트를 구비하며, 상기 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 상기 출력포트들로 출력하는 상기 출력포트와 같은 개수의 출력 광도파로; 및
    상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역에 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 출력 광도파로들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 하는 빔분할자를 포함함을 특징으로 하는 광파워분할기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역보다 높은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 출력포트들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 하는 빔확장자를 더 구비함을 특징으로 하는 광파워 분할기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 빔분할자의 형태는 삼각형이고,
    상기 출력포트들로 출력되는 광은
    상기 빔분할자의 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 의해 소정의 비율로 분배됨을 특징으로 하는 광파워 분할기.
  4. 입력광을 받아들이는 입력포트를 구비하며, 상기 입력포트로 입사된 입력광을 도파하는 입력 광도파로;
    적어도 두 개의 출력포트를 구비하며, 상기 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 상기 출력포트들로 출력하는 상기 출력포트들과 같은 개수의 출력 광도파로; 및
    상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역보다 높은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 출력포트들로 출력되는 광이 소정의 비율로 분배되게 하는 빔확장자를 포함함을 특징으로 하는 광파워분할기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 빔확장자의 형태는 삼각형이고,
    상기 출력포트들로 출력되는 광은
    상기 빔확장자의 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 의해 소정의 비율로 분배됨을 특징으로 하는 광파워 분할기.
  6. 입력광을 받아들이는 입력포트를 구비하며, 상기 입력포트로 입사된 입력광을 도파하는 입력 광도파로;
    4개의 출력포트를 구비하며, 상기 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 상기 출력포트로 출력하는 4개의 출력 광도파로; 및
    상기 입사광이 입력 광도파로에서 4개의 출력 광도파로로 분기되는 영역의 상하대칭되는 지점에 삼각형 형태로 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 따라 상기 4개의 출력포트로 출력되는 광을 소정의 비율로 분배되게 하는 빔분할자; 및
    상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하고, 상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역보다 높은 굴절율을 가진 물질로 이루어지며, 상기 굴절율, 상기 삼각형의 높이 및 밑변의 길이에 따라 상기 4개의 출력포트로 출력되는 광을 소정의 비율로 분배되게 하는 빔확장자를 포함함을 특징으로 하는 1x4 광파워분할기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 빔분할자의 굴절율은
    상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 클래딩 영역의 굴절율과 동일하며,
    상기 빔확장자의 굴절율은
    상기 입력 광도파로 및 출력 광도파로의 코아 굴절율과 동일함을 특징으로 하는 1x4 광파워 분할기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 4개의 출력 광도파로는
    그 사이의 사잇각이 동일함을 특징으로 하는 1x4 광파워분할기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 4개의 출력광도파를 위에서부터 제1,제2,제3 및 제4 출력 광도파로, 상기 입력 광도파로의 폭 방향이고 상기 제1출력 광도파로와 제4출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 b를 지나는 가상 선분을 AA', 상기 입력 광도파로의 폭 방향이고 상기 제2출력 광도파로와 제3출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 c를 지나는 가상 선분을 BB'라 할 때,
    상기 빔분할자는 상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 분기영역의 중앙에 위치하며,
    상기 빔분할자의 모양은 밑변의 중앙이 상기 점 c이고, 길이가 같은 양 옆변이 만나는 꼭지점이 점 b인 이등변 삼각형임을 특징으로 하는 1x4 광파워분할기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 빔확장자는
    상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 제1출력 광도파로 및 제4출력 광도파로 양 옆에 삼각형모양으로 위치하고, 상기 삼각형의 밑변이 상기 가상성분 BB'의 일부분이고, 상기 삼각형의 한 꼭지점이 상기 가상성분 AA' 상에 위치함을 특징으로 하는 1x4 광파워분할기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 4개의 출력광도파로를 위에서부터 차례대로 제1,제2,제3 및 제4 출력 광도파로라 하고, 상기 입력 광도파로의 폭 방향이며 상기 제1출력 광도파로와 제4출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 b를 지나는 가상 선분을 AA', 상기 입력 광도파로의 폭 방향이며 상기 제2출력 광도파로와 제3출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 c를 지나는 가상 선분을 BB'라 할 때,
    상기 빔분할자는 상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 분기영역의 상하 대칭되는 중앙에 위치하며,
    상기 빔분할자의 모양은 길이가 같은 양 옆변이 만나는 꼭지점이 상기 점 b이고, 높이가 상기 가상성분 AA' 및 BB' 간격보다 큰 이등변 삼각형임을 특징으로 하는 1x4 광파워분할기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 빔확장자는
    상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 제1출력 광도파로 및 제4출력 광도파로 양 옆에 삼각형모양으로 위치하고, 상기 삼각형의 한 꼭지점이 상기 가상성분 AA' 상에 위치하고, 상기 삼각형의 한 꼭지점에서 밑변으로 내린 높이가 상기 가상선분 AA' 와 BB' 간격보다 큼을 특징으로 하는 1x4 광파워분할기.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 4개의 출력광도파로를 위에서부터 차례대로 제1, 제2, 제3 및 제4 출력 광도파로라 하고, 상기 입력 광도파로의 폭 방향이며 상기 제1출력 광도파로와 제4출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 b를 지나는 가상 선분을 AA', 상기 입력 광도파로의 폭 방향이며 상기 제2출력 광도파로와 제3출력 광도파로의 내측면이 교차하는 점 c를 지나는 가상 선분을 BB'라 할 때, 상기 빔분할자는,
    상기 가상선분 AA'와 상기 가상선분 BB' 사이의 분기영역의 중앙에 위치하며,
    상기 빔분할자의 모양은, 밑변의 중앙이 상기 점 c이고, 길이가 같은 양 옆변이 만나는 꼭지점이 점 b인 이등변 삼각형이며,
    상기 가상성분 BB' 상에서의 제2출력 광도파로 및 제3출력 광도파로 간의 간격이 상기 빔분할자의 밑변의 길이와 동일함을 특징으로 하는 1x4 광파워분할기.
  14. 입사되는 광을 도파하는 입력 광도파로와, 상기 입력 광도파로를 통해 도파된 입력광을 도파하여 출력하는 적어도 2개의 출력 광도파로와, 입사광을 분배시키기 위해 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역에 위치하여 상기 광도파로 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 물질로 된 빔분할자와, 입사광을 분배시키기 위해 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하며 상기 광도파로 클래딩 영역의 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 빔확장자로 이루어지는 광파워분할기의 제작방법에 있어서,
    기판 위에 하부클래딩으로 사용될 박막을 형성하는 하부클래드형성과정;
    상기 박막위에 상기 박막보다 굴절율이 높은 코아 박막을 성장시키는 코아형성과정;
    선택적 식각공정을 사용하여 상기 광파워 분할기 구조를 형성하는 과정; 및
    상기 결과물위에 성장시키는 상부클래드층을 형성하는 상부클래드형성과정을 포함함을 특징으로 하는 광파워분할기 제작방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 기판의 재질은 Si, GaAs 및 InP 중 어느 하나이고,
    하부클래드, 코아 및 상부클래드는 반도체 박막으로 이루어짐을 특징으로 하는 광파워분할기 제작방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 기판의 재질은 실리콘 또는 용융실리카이고,
    상기 하부클래드, 코아 및 상부크래드의 재질은 실리카임을 특징으로 하는 광파워분할기 제작방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 기판의 재질은 실리콘 또는 용융실리카이고,
    상기 하부클래드, 코아 및 상부크래드의 재질은 폴리머임을 특징으로 하는 광파워분할기 제작방법.
  18. 입사되는 광을 도파하는 입력 광도파로와, 상기 입력 광도파로를 통해 도파된 입력광을 도파하여 출력하는 적어도 2개의 출력 광도파로와, 입사광을 분배시키기 위해 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역에 위치하여 상기 광도파로 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 물질로 된 빔분할자와, 입사광을 분배시키기 위해 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하며 상기 광도파로의 클래딩 영역 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 빔확장자로 이루어지는 광파워분할기의 제작방법에 있어서,
    강유전체 기판 위에 상기 강유전체보다 굴절율이 큰 코아 층을 형성하는 제1과정;
    식각공정을 사용하여 상기 광파워 분할기 구조를 형성하는 제2과정; 및
    상기 제2과정에서 형성된 광도파로 위에 상부클래딩층을 형성하는 제3과정을 포함함을 특징으로 하는 광파워분할기 제작방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 강유전체는 LiNbO3및 LiTaO3중 어느 하나임을 특징으로 하는 광파워분하기 제작방법.
  20. 입사되는 광을 도파하는 입력 광도파로와, 상기 입력 광도파로를 통해 도파된 입력광을 도파하여 출력하는 적어도 2개의 출력 광도파로와, 입사광을 분배시키기 위해 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역에 위치하여 상기 광도파로 코아 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 물질로 된 빔분할자와, 입사광을 분배시키기 위해 상기 입사광이 입력 광도파로에서 출력 광도파로들로 분기되는 영역의 바깥으로 인접한 곳에 위치하며 상기 광도파로의 클래딩 영역 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 빔확장자로 이루어지는 광파워분할기의 제작방법에 있어서,
    강유전체 기판 위에 상기 광파워분할기 구조를 갖는 광도파로가 위치할 영역의 굴절율을 증가시켜 광도파로를 형성하는 과정; 및
    상기 광도파로 위에 상부클래딩층을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로하는 광파워 분할기 제작방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 강유전체는 LiNbO3및 LiTaO3중 어느 하나임을 특징으로 하는 광파워분하기 제작방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 굴절율 증가는 상기 강유전체 기판 내의 리튬이온을 수소이온으로 치환하는 양자교환 방법으로 이루어짐을 특징으로 하는 광파워 분할기 제작방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 굴절율 증가는 금속박막의 내부확산을 통해 이루어지을 특징으로 하는 광파워 분할기 제작방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 금속박막은 티타늄 박막 및 니켈 박막 중 어느 하나임을 특징으로 하는 광파워 분할기 제작방법.
  25. 제20항에 있어서, 상기 상부클래딩층은 실리카 박막 및 알루미나 박막 중 어느 하나임을 특징으로 하는 광파워 분할기 제작방법.
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