KR19990080829A - 양방향 광파장 다중화기/분할기 - Google Patents

양방향 광파장 다중화기/분할기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 광파장 다중화기/분할기에 관한 것으로, 제1광도파로열, 제1광도파로열에 연결되는 제1평면 도파로 영역, 제1평면 도파로 영역에 연결되는 광도파로열 격자, 광도파로열 격자에 연결되는 제2평면 도파로 영역 및 제2평면 도파로 영역에 연결되는 제2광도파로열을 구비하여 입력되는 광파장을 다중화하거나 분할하는 광파장 다중화기/분할기에 있어서, 제1광도파로열과 제1평면 도파로 영역간 경계면상에서 광도파로열 격자로부터 제1평면 도파로 영역으로 입사되는 광이 집속되는 위치에 형성되는 제1중심 도파로; 및 제2광도파로열과 제2평면 도파로 영역간 경계면상에서 광도파로열 격자로부터 제2평면 도파로 영역으로 입사되는 광이 집속되는 위치에 형성되는 제2중심 도파로를 포함함을 특징으로하고, 제1중심 도파로에 복수의 파장을 갖는 제1광을 입력하면 제2광도파로열의 각 도파로로 파장을 분할하여 출력하고, 제1광도파로열의 각 도파로로 파장별로 제2광을 입력하면 제2중심 도파로로 다중화하여 출력하며, 그 반대로도 동작한다.
본 발명에 의하면, 종래의 광파장 다중화기/분할기에서 입출력을 담당하는 광도파로열 외에 별도의 광도파로를 구비함으로써 동시에 양방향으로 광파장의 분할 또는 다중화가 가능하다.

Description

양방향 광파장 다중화기/분할기
본 발명은 양방향 광파장 다중화기/분할기(Optical Wavelength Multiplexer and Demultiplexer)에 관한 것으로, 광의 다중화 및 분할을 동시에 수행하는 양방향 광파장 다중화기/분할기에 관한 것이다.
일반적으로 광도파로열 격자(Arrayed Waveguide Grating, 이하 AWG라 약함)를 이용한 광파장 다중화기/분할기는 기본적으로 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)의 원리를 응용한 것으로, 위상차를 이용하여 광을 다중화/분할하는 장치이다.
도 1은 종래의 광파장 다중화기/분할기에 대한 구조도로서, 도 1에 따른 광파장 다중화기/분할기는 광섬유에 연결되어 광이 입력되는 N개의 제1광도파로열(100), 입력된 광을 배분하는 제1평면 도파로 영역(Free space region 또는 Slab waveguide 또는 Star coupler, 102), 제1평면 도파로 영역으로부터 나오는 광을 각기 다른 위상차를 갖게하는 AWG(104), AWG(104)로부터 나오는 각각 다른 위상차를 갖는 광을 파장에 따라 보강, 간섭을 일으켜서 반대편의 각각 다른 위치에 맺히게하는 제2평면 도파로 영역(106) 및 파장에 따라 나누어진 광을 출력시키는 M개의 제2광도파로열(108)로 이루어져있다.
이러한 광파장 다중화기/분할기의 동작은 입사하는 광에 대해 회절 격자(Diffraction Grating)로 동작하는 AWG에 의한 분산 특성(Dispersion Characteristic)을 기술한 격자 방정식으로 설명할 수 있다.
격자 방정식은 상술한 바와 같이 제1평면 도파로 영역(102), AWG(104) 및 제2평면 광도파로 영역(106)에서의 위상변화를 모두 합한 뒤, 이 위상변화의 합이 제2평면 광도파로 영역(106)과 제2광도파로열(108)간 경계면에서 보강 간섭을 일으키는 조건에 대한 식으로, 중앙의 입력 도파로를 통해 입사하는 광에 대해 다음과 같이 표현된다.
nsdsinθ+ncΔL=mλ
여기서, ns는 평면 도파로 영역의 유효 굴절률, nc는 AWG의 유효 굴절률, d는 AWG의 피치, m은 회절 차수, ΔL은 인접한 AWG간 길이 차 및 λ는 파장이다.
중심 동작 주파수 λ0는 θ가 0인 경우의 파장이며, 다음과 같은 식으로 정의된다.
ncΔL=mλ0
수학식 1로부터 각 분산(angular dispersion), 즉, 파장변화에 따른 광의 회절 각도의 변화식을 다음과 같이 얻을 수 있다.
즉, 서로 다른 파장을 가진 광은 수학식 3에 따라 광파장 다중화기/분할기의 제2평면 도파로 영역에서 서로 다른 각도로 상이 맺히게 된다. 따라서 제2평면 도파로 영역내에서 사용하는 파장을 갖는 광의 회절 각도에 해당하는 위치에 출력 도파로를 연결함으로써 그 파장에 대한 광파장 분할의 기능을 수행하게 되는 것이다.
AWG의 구조를 이용한 광파장 다중화기/분할기는 일반적으로 좌우대칭인 구조로 되어있으므로 소자의 연결방향에 관계없이 동일한 기능을 수행한다는 특징이 있다. 또한, 일반적인 대칭구조의 광파장 다중화기/분할기는 입,출력 도파로가 그 구조상으로 차이가 있는 것이 아니고 연결방향에 따라 결정되는 것이므로 하나의 광도파로열이 입력 또는 출력 도파로의 역할을 모두 수행할 수 있도록 되어있다.
이러한 광파장 다중화기/분할기의 한 번에 한 방향으로만 사용할 수 밖에 없는 특성에 착안하여 제1 및 제2광도파로열의 간격을 서로 다르게 배치함으로써 연결방향에 따라 서로 다른 채널간격을 가지고 동작하도록 하는 방법이 있다. 그러나 이 경우에도 하나의 광도파로열이 연결방향에 따라 입력 또는 출력 도파로의 역할을 수행한다는 면에 있어서는 종래의 방법과 동일하다.
또한, 이러한 광파장 다중화기/분할기를 실제 시스템에 적용하는 경우 한 방향으로만 연결하여 사용하는 것이 보통이므로 상술한 바와 같이 양방향으로 동일한 동작 특성을 갖도록 제작하는 것은 주어진 사양을 만족하는 최적화된 소자를 설계하는 필요조건은 될 수 없다는 측면이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 각 평면 도파로 영역과 광도파로열간 경계면에 중심 도파로를 연결함으로써 동시에 광의 다중화와 분할이 가능한 양방향 광파장 다중화기/분할기를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 광파장 다중화기/분할기의 구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양방향 광파장 다중화기/분할기의 구조도이다.
도 3은 도 2의 중심 도파로를 도시한 것이다.
도 4는 도 2를 이용한 양방향 광파장 분할기를 도시한 것이다.
도 5는 도 2를 이용한 양방향 광파장 다중화기를 도시한 것이다.
도 6은 도 2를 이용한 양방향 광파장 다중화기 및 분할기를 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명은 제1광도파로열, 상기 제1광도파로열에 연결되는 제1평면 도파로 영역, 상기 제1평면 도파로 영역에 연결되는 광도파로열 격자, 상기 광도파로열 격자에 연결되는 제2평면 도파로 영역 및 상기 제2평면 도파로 영역에 연결되는 제2광도파로열을 구비하여 입력되는 광파장을 다중화하거나 분할하는 광파장 다중화기/분할기에 있어서, 상기 제1광도파로열과 상기 제1평면 도파로 영역간 경계면상에서 상기 광도파로열 격자로부터 상기 제1평면 도파로 영역으로 입사되는 광이 집속되는 위치에 형성되는 제1중심 도파로; 및 상기 제2광도파로열과 상기 제2평면 도파로 영역간 경계면상에서 상기 광도파로열 격자로부터 상기 제2평면 도파로 영역으로 입사되는 광이 집속되는 위치에 형성되는 제2중심 도파로를 포함함을 특징으로하고, 상기 제1중심 도파로에 복수의 파장을 갖는 제1광을 입력하면 상기 제2광도파로열의 각 도파로로 파장을 분할하여 출력하고, 상기 제1광도파로열의 각 도파로로 파장별로 제2광을 입력하면 상기 제2중심 도파로로 다중화하여 출력하며, 그 반대로도 동작한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 양방향 광파장 다중화기/분할기의 구조도이다. 도 2에 따른 광파장 다중화기/분할기는 제1중심 도파로(200)를 구비한 제1광도파로열(202), 제1평면 도파로 영역(204), 광도파로열 격자(206), 제2평면 도파로 영역(208) 및 제2중심 도파로(210)를 구비한 제2광도파로열(212)을 포함한다. 이 때, 제1중심 도파로(200)는 제1광도파로열(202)과 제1평면 도파로 영역(204)간 경계면상의 초점(F1)에 형성된다. F1은 AWG(206)로부터 제1평면 광도파로 영역(204)로 입사되는 광이 집속되는 위치를 말한다. 제2중심 도파로(210)는 제2평면 광도파로 영역(208)과 제2광도파로열(212)간 경계면상의 초점(F2)에 형성된다. F2는 AWG(206)로부터 제2평면 광도파로 영역(208)로 입사되는 광이 집속되는 위치를 말한다.
도 3은 상술한 제2중심 도파로를 도시한 것이다. 참조번호 300은 AWG, 304는 평면 도파로 영역, 306은 8개의 출력 도파로를 갖는 광도파로열, 308은 초점위치 F2에 형성된 중심 도파로, 302는 AWG(300)와 평면 도파로 영역(304)과의 경계면을 나타낸다.
도 2에 따른 양방향 광파장 다중화기/분할기는 양쪽의 광도파로열에 형성된 중심 도파로를 통해 여러 파장의 광을 동시에 입력시키면 반대방향의 광도파로열의 서로 다른 도파로로 파장에 따라 출력된다.
그 동작을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 제1중심 도파로(200)를 통해 여러 파장의 광을 입력하면 제1평면 도파로 영역(204)는 입력된 광을 분배하고, AWG(206)는 제1평면 도파로 영역(204)으로부터 나오는 광을 각기 다른 위상차를 갖게한다. 제2평면 도파로 영역(208)은 AWG(206)로부터 나오는 각각 다른 위상차를 갖는 광을 파장에 따라 보강, 간섭을 일으켜서 제2광도파로열(212)로 각 파장에 따라 출력한다. 그 반대의 경우도 성립하며, 제1중심 도파로(200)와 제2중심 도파로(210)로 동시에 여러 파장의 광을 입력하면 양방향 광파장 분할기로서 동작하게 된다. 도 4는 이러한 동작을 도시한 것이다.
마찬가지로, 제1광도파로열(202)의 각 도파로로 파장이 서로 다른 광을 입력하면 제2중심 도파로(210)를 통해 각 파장의 광이 다중화되어 출력된다. 반대의 경우도 성립하며, 동시에 서로 다른 파장의 광을 제1 및 제2광도파로열(202, 212)로 입력하면 양방향 광파장 다중화기로 동작한다. 도 5는 이러한 동작을 도시한 것이다.
또한, 제1중심 도파로(200)로 여러 파장의 광을 입력하고 제1광도파로열(202)의 각 도파로로 서로 다른 파장의 광을 입력하면, 제2중심 도파로(210)로 다중화된 광이 출력되고 제2광도파로열(212)로 분할된 광이 출력되어 양방향 광파장 다중화기 및 분할기로 동작한다. 도 6은 이러한 동작을 도시한 것이다.
이렇게 양방향 광파장 다중화기 또는 분할기로 사용되는 경우, 반대편쪽으로부터의 출력으로인한 간섭이나 리턴 로스(return loss)를 막기위해 입력 도파로측에 광 아이솔레이터를 연결하여 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 양방향 광파장 다중화기/분할기를 양방향으로 서로 다른 채널간격을 가지도록 하려면 패키징 단계에서 출력 도파로를 선택적으로 광섬유와 연결시키는 것이 바람직하다. 이 때 칩단계에서의 소자의 구성이나 설계변수 등은 종래의 광파장 다중화기/분할기와 동일하게 사용하여도 무방하다.
본 발명에 의하면, 종래의 광파장다중화기/분할기에서 입출력을 담당하는 광도파로열 외에 별도의 광도파로를 구비함으로써 동시에 양방향으로 광파장의 분할 또는 다중화가 가능하다.

Claims (3)

  1. 제1광도파로열, 상기 제1광도파로열에 연결되는 제1평면 도파로 영역, 상기 제1평면 도파로 영역에 연결되는 광도파로열 격자, 상기 광도파로열 격자에 연결되는 제2평면 도파로 영역 및 상기 제2평면 도파로 영역에 연결되는 제2광도파로열을 구비하여 입력되는 광파장을 다중화하거나 분할하는 광파장 다중화기/분할기에 있어서,
    상기 제1광도파로열과 상기 제1평면 도파로 영역간 경계면상에서 상기 광도파로열 격자로부터 상기 제1평면 도파로 영역으로 입사되는 광이 집속되는 위치에 형성되는 제1중심 도파로; 및
    상기 제2광도파로열과 상기 제2평면 도파로 영역간 경계면상에서 상기 광도파로열 격자로부터 상기 제2평면 도파로 영역으로 입사되는 광이 집속되는 위치에 형성되는 제2중심 도파로를 포함함을 특징으로하고,
    상기 제1중심 도파로에 복수의 파장을 갖는 제1광을 입력하면 상기 제2광도파로열의 각 도파로로 파장을 분할하여 출력하고, 상기 제1광도파로열의 각 도파로로 파장별로 제2광을 입력하면 상기 제2중심 도파로로 다중화하여 출력하며, 그 반대로도 동작하는, 양방향 광파장 다중화기/분할기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2광을 동시에 입력하면, 상기 제1광도파로열과 상기 제2중심 도파로열은 동시에 상기 제1광을 분할하고 상기 제2광을 다중화함을 특징으로하는 양방향 광파장 다중화기/분할기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각 입력 도파로는 상기 각 평면 도파로 영역으로부터 들어오는 광을 막기위해 광 아이솔레이터를 더 구비함을 특징으로하는 양방향 광파장 다중화기/분할기.
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