KR20000004596A - 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기 - Google Patents

파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기 Download PDF

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이계철
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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야
본 발명은 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기에 관한 것임.
2. 발명이 해결하고자하는 기술적 과제
본 발명은 두 광도파로간의 광 전달상수를 다르게 하므로써, 넓은 파장범위에서 성능의 저하없이 사용할 수 있고, 또한 두 광도파로에서 진행하는 광파의 위상정합을 방지할 수 있는 마하 젠더 간섭기를 제공하는데 그 목적이 있다.
3. 발명의 해결 방법의 요지
본 발명은, 입력 광신호를 분기하여 전달하는 입력 커플링수단; 상기 입력 커플링수단을 통해 분기되어 전달된 광신호들의 위상을 변환시켜 전달하는 광신호 전송수단; 및 상기 광신호 전송수단으로부터 전달된 광신호들을 커플링(coupling)하여 출력하는 출력 커플링수단을 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 광파장범위에서 사용 가능한 마하 젠더 간섭기를 설계하는데 이용됨.

Description

파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기
본 발명은 광스위치 및 WDM(Wavelength Division Multiplexer) 등에 사용되는 마하 젠더(Mach Zehnder) 간섭기에 관한 것으로서, 특히 파장무관형 커플러를 채용하여 넓은 광파장범위에서 사용할 수 있는 마하 젠더 간섭기에 관한 것이다.
도 1은 종래의 마하 젠더(Mach Zehnder) 간섭기의 구조도로서, 입력포트(I1, I2)들에 각각 연결된 입력 광도파로(11, 12)와, 출력포트(O1, O2)들에 각각 연결된 출력 광도파로(13, 14)와, 입력 광도파로(11, 12)들에 연결된 3dB 커플러(15)와, 출력 광도파로(13, 14)에 연결된 3dB 커플러(16)와, 3dB 커플러(15, 16)들 사이에 곡선으로 연결되어 입력 광도파로(11)를 통해 전달된 광신호를 출력 광도파로(13)로 전달하는 곡선 광도파로(17)와, 3dB 커플러(15, 16)들 사이에 직선으로 연결되어 입력 광도파로(12)를 통해 전달된 광신호를 출력 광도파로(14)로 전달하는 직선 광도파로(18)로 구성된다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 종래의 마하 젠더 간섭기에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
곡선 광도파로(17)의 길이는 L+ΔL이라 하고, 직선 광도파로(18)의 길이는 L이라 하며, 3dB 커플러(15, 16)들의 결합길이는 d라고 가정한다. 여기서, ΔL은 곡선 광도파로(17)와 직선 광도파로(18) 간의 광경로차이다.
곡선 광도파로(17)와 직선 광도파로(18)는 ΔL만큼의 경로차를 주면서 3dB 커플러(15, 16)들을 연결하고 있다. 입력 광도파로(11, 12)들을 통해 전달된 광신호는 3dB 커플러(15)를 통해 50%씩 분기되어 곡선 광도파로(17)와 직선 광도파로(18)로 전달된다. 이렇게, 3dB 커플러(15)를 통해 분기된 광신호는 ΔL만큼의 경로차를 갖는 곡선 광도파로(17)와 직선 광도파로(18)를 통과한 후, 후단부의 3dB 커플러(16)에서 다시 결합한다. 이때, 곡선 광도파로(17)와 직선 광도파로(18) 간의 경로차에 의해 발생한 위상차이가 180°의 홀수배이면, 입력된 광도파로의 반대쪽 출력포트로 출력되고, 위상차이가 180°의 짝수배이면 입력된 광도파로 방향의 출력포트로 출력된다. 그리고, 3dB 커플러(15, 16)들은 분기비가 파장에 따라 매우 민감하게 변하여서 50%의 분기비를 유지할 수 있는 파장이 고정되어 있다. 이러한, 3dB 커플러들의 동작은 다음 [수학식 1]로 나타내어질 수 있다.
여기서, δ는 결합상수로서 파장, 굴절율차, 간격 등에 의해서 결정된다.
만일, 입력 광신호가 입력포트(I1)를 통해 입력될 경우에 상기 [수학식 1]에서 알 수 있는 바와 같이 출력 광신호는 사인(sin)곡선으로 나타내어지고, 결합상수(δ)는 파장에 따라 변하게 된다. 참고문헌(Norio Takato 외, 'Silica-based Single-Mode Waveguides on Silicon and their Application to Guides-Wave Optical Interferometers', Journal of Lightwave Technology, Vol.6, No.6, June 1988)에 의하면, 마하 젠더 간섭기가 동작하려면 3dB의 분기비가 0.5±0.35 범위에 있어야 동작이 가능하고, 또한 이 범위에 있더라도 0.5에서 벗어남에 따라 광파워의 감쇄비가 급격히 저하된다. 예들 들어, 분기비가 0.55일 경우 감쇄비가 17dB인데 비하여 분기비가 0.67일 경우 감쇄비는 8.2dB로 저하된다. 즉, 마하 젠더 간섭기에 있어서 감쇄비는 가장 중요한 성능 특성이므로 3dB의 분기비를 최대한 0.5로 유지하는 것이 중요하다.
그러나, 상기와 같이 3dB 커플러를 이용한 종래의 마하 젠더 간섭기의 경우, 상기 3dB 커플러는 파장에 따라 분기비가 변하기 때문에, 넓은 파장영역에서 성능이 현격하게 저하되고, 심하게는 사용이 불가능하게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 파장무관형 커플러를 이용하여 두 광도파로간의 광 전달상수(광의 유효 굴절율)를 다르게 하므로써, 넓은 파장범위에서 성능의 저하없이 사용할 수 있고, 또한 두 광도파로에서 진행하는 광파의 위상정합을 방지할 수 있는 마하 젠더 간섭기를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 마하 젠더(Mach Zehnder) 간섭기의 구조도.
도 2a는 일반적인 마하 젠더형 파장무관형 커플러의 구조도.
도 2b는 본 발명에 적용되는 테이퍼형 파장무관형 커플러의 구조도.
도 3은 종래의 마하 젠더 간섭기에 적용된 3dB 커플러와 본 발명에 적용되는 파장무관형 커플러의 파장에 따른 광신호 분기비를 나타내는 비교도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기의 구조도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
41, 42, 47, 48: 테이퍼형 광도파로
43, 48: 파장무관형 커플러
44, 45: 광도파로
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부로부터 입력된 광신호를 분기하여 광파의 위상차를 발생시키는 마하 젠더(Mach Zehnder) 간섭기에 있어서, 외부로부터 입력된 광신호를 파장에 관계없이 분기하여 전달하는 입력 커플링(coupling)수단; 상기 입력 커플링수단을 통해 분기되어 전달된 광신호들의 위상이 다르게 되도록 위상을 변환시켜 전달하는 광신호 전송수단; 및 상기 광신호 전송수단으로부터 전달된 광신호들을 위상이 정합되지 않도록 커플링하여 출력하는 출력 커플링수단을 포함한다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2a는 일반적인 마하 젠더형 파장무관형 커플러의 구조도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 일반적인 마하 젠더형 파장무관형 커플러는, 전단부의 커플러에서 나오는 광파의 위상을 조절하여 후단부의 커플러에서 광결합이 이루어질 때, 광파의 위상 정합이 이루어지지 않도록 하여 광신호가 한쪽 광도파로로 모이는 것을 방지하므로써, 광분기비를 넓은 파장영역에서 일정하게 유지하는 것이다.
도 2b는 본 발명에 적용되는 테이퍼형 파장무관형 커플러의 구조로서, 두 개의 테이퍼형 광도파로가 소정의 간격으로 이격되어 상하로 배치된 것이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 테이퍼형 파장무관형 커플러는, 두 광도파로간의 광 전달상수를 다르게 하여, 넓은 파장영역에서 두 광도파로에 진행하는 광파의 위상 정합을 방지한다.
도 3은 종래의 마하 젠더 간섭기에 적용된 대칭형 3dB 커플러와 본 발명에 적용되는 테이퍼형 파장무관형 커플러의 파장에 따른 광신호 분기비를 나타내는 비교도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, (a)는 종래의 대칭형 3dB 커플러의 분기비이고, (b)는 파장무관형 커플러의 분기비로서, 파장에 따라 테이퍼형 파장무관형 커플러의 분기비(b)는 완만하에 변화하는 반면에, 3dB 커플러의 분기비(a)는 급격하게 변환하는 것을 알 수 있다.
따라서, 종래의 대칭형 3dB 커플러는 파장에 따라 분기비가 급격하게 변환므로써, 넓은 파장의 WDM(Wavelength Division Multiplex) 소자로서 사용은 불가능한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기의 구조도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기는, 테이퍼형 광도파로(41, 42)들을 갖으며, 외부로부터 광신호를 입력받는 입력 파장무관형 커플러(43)와, 입력측이 입력 파장무관형 커플러(43)의 테이퍼형 광도파로(41)의 출력측에 연결되어, 테이퍼형 광도파로(41)를 통해 전달된 광신호를 전달하는 광도파로(44)와, 입력측이 입력 파장무관형 커플러(43)의 테이퍼형 광도파로(42)의 출력측에 연결되어, 테이퍼형 광도파로(42)를 통해 전달된 광신호를 전달하는 광도파로(45)와, 광도파로(44, 45)들에 각각 연결된 테이퍼형 광도파로(46, 47)들을 갖으며, 광도파로(44, 45)들을 통해 전달된 광신호를 외부로 출력하는 출력 파장무관형 커플러(48)를 구비한다.
광도파로(44)는, 하측단이 파장무관형 커플러(43)의 테이퍼형 광도파로(41)의 출력측에 연결되며, 상방향으로 배치된 곡선 광도파로(49)와, 하측단이 곡선 광도파로(49)의 상측단에 연결되며, 상방향으로 배치된 직선 광도파로(50)와, 하측단이 직선 광도파로(50)의 상측단에 연결되며, 상방향으로 배치된 곡선 광도파로(51)와, 상측단이 곡선 광도파로(51)의 상측단에 연결되며, 하방향으로 배치된 곡선 광도파로(52)와, 상측단이 곡선 광도파로(52)의 하측단에 연결되며, 하방향으로 배치된 직선 광도파로(53)와, 상측단이 직선 광도파로(53)의 하측단에 연결되며, 하측단이 파장무관형 커플러(48)의 테이퍼형 광도파로(46)의 입력측에 연결되고, 하방향으로 배치된 곡선 광도파로(54)의 구조를 갖는다.
광도파로(45)는, 입력측이 파장무관형 커플러(43)의 테이퍼형 광도파로(42)의 출력측에 연결되며, 수평으로 배치된 직선 광도파로(55)와, 하측단이 직선 광도파로(55)의 출력측에 연결되며, 상방향으로 배치된 곡선 광도파로(56)와, 상측단이 곡선 광도파로(56)의 상측단에 연결되며, 하방향으로 배치된 곡선 광도파로(57)와, 입력측이 곡선 광도파로(57)의 하측단에 연결되며, 수평으로 배치된 곡선 광도파로(58)의 구조를 갖는다.
여기서, 광도파로(44)의 구조를 이루는 곡선 광도파로(49, 51, 52, 54)들은 길이가 모두 동일하다. 광도파로(45)의 구조를 이루는 직선 광도파로(55, 58)들은 길이가 동일하고, 또한 광도파로(45)의 구조를 이루는 곡선 광도파로(56, 57)들도 길이가 동일하다.
그리고, 광도파로(45)의 구조를 이루는 곡선 도파로(56, 57)들은 각각, 곡선 광도파로(49, 51)들을 합한 길이 및 곡선 광도파로(52, 54)들을 합한 길이와 동일하다.
예를 들어, 광도파로(44)의 직선 광도파로(50, 53)의 길이가 L이라고 가정하면, 광도파로(45)의 직선 광도파로(55, 58)의 길이는 Lcosθ이다. 여기서, θ는 직선 광도파로(50, 55)들 간에 이루어지는 각도 및 직선 광도파로(53, 58)들 간에 이루어지는 각도이다. 이때, 광도파로(44, 45)들 간의 광경로차는 다음 [수학식 2]와 같다.
2 × L × (1 - cosθ) = LH/R
여기서, H는 직선 광도파로(55, 58)로부터 곡선 광도파로(56, 57)들이 연결되는 곳까지의 수직 높이이고, R은 곡선 광도파로(49, 51, 52, 54, 56, 57)들의 곡율 반경이다.
그리고, 본 발명의 마하 젠더 간섭기의 광도파로들을 진행하는 광파의 위상은 다음 [수학식 3]과 같다.
360 × S/(λ/neff)
여기서, S는 마하 젠더 간섭기에 입력된 광신호가 광원(도시되지 않았음)으로부터 진행되어 온 진행 거리, λ는 마하 젠더 간섭기에 입력된 광신호의 파장, neff는 마하 젠더 간섭기에 입력된 광신호가 직선 광도파로 및 곡선 광도파로를 진행하는 동안 실질적으로 굴절되는 유효 굴절율이다. 그런데, 이 유효 굴절(neff)은 광파가 진행하는 광도파로의 구조 및 굴절율 등에 의해 결정된다. 이러한, 직선 광도파로에서의 광신호의 유효 굴절율(neff)은 FEM(Finite Element Method) 및 FDM(Finite Division Method) 등에 의해서 쉽게 구할 수 있으나, 곡선 광도파로에 대해서는 유효 굴절율을 구하는 방법이 용이하지 않다. 따라서, 곡율이 큰 경우 유효 굴절율을 알기 힘드므로, 도 1의 종래의 마하 젠더 간섭기의 구조에서는 두 광도파로간의 광경로차에 의해서 원하는 위상차를 주기 힘들다. 하지만, 본 발명의 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기와 같이 광경로차를 구성할 경우, 곡선 광도파로 부분은 두 광경로가 동일하고 직선부분에서만 경로차가 형성되기 때문에 동일한 유효 굴절율을 이용하여 광경로차를 계산할 있으며, 또한 원하는 위상차를 용이하게 줄 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기의 동작을 설명하면 다음과 같다.
입사된 광은 전단부의 파장 무관형 3dB 커플러를 거치면서 파장에 관계없이 50%씩 분기된 후 경로차가 다른 두 도파로를 거치게 된다. 경로차에 의해 상대적 위상이 변한 두 광파는 후단부의 파장 무관형 3dB 커플러를 거치면서 두 광파의 위상차에 따라 출력 도파로를 선택할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 파장무관형 커플러를 이용하므로써, 매우 넓은 파장범위에서도 감쇄비 및 손실 등 마하 젠더 간섭기의 성능 저하없이 사용될 수 있으며, 현재 가장 적합한 광가입자망으로 제시되고 있는 WDM-PON(Wavelength Division Multiplexer-Passive Optical Network)의 경우 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기를 이용하여 WDM 필터를 구성하면 1500 내지 1600nm의 전 파장 구간을 이용할 수 있고, 또한 WDM 통신망에서 필요로 하는 파장무관형 광스위치를 용이하게 구현할 수 있다.

Claims (8)

  1. 외부로부터 입력된 광신호를 분기하여 광파의 위상차를 발생시키는 마하 젠더(Mach Zehnder) 간섭기에 있어서,
    외부로부터 입력된 광신호를 파장에 관계없이 분기하여 전달하는 입력 커플링(coupling)수단;
    상기 입력 커플링수단을 통해 분기되어 전달된 광신호들의 위상이 다르게 되도록 위상을 변환시켜 전달하는 광신호 전송수단; 및
    상기 광신호 전송수단으로부터 전달된 광신호들을 위상이 정합되지 않도록 커플링하여 출력하는 출력 커플링수단
    을 포함하여 이루어진 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 커플링수단 및 상기 출력 커플링수단은 각각,
    파장무관형 3dB 커플러인 것을 특징으로 하는 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광신호 전달수단은,
    상기 입력 커플링수단에 의해 분기된 광신호들을 입력받아, 위상차가 발생되도록 상기 출력 커플링수단으로 전달하는 제 1 및 제 2 광도파로
    를 포함하여 이루어진 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 광도파로는,
    소정의 각도로 이격되어 상방향과 하방향으로 배치된 제 1 및 제 2 직선 광도파로;
    상기 제 1 직선 광도파로의 하측단과 상측단에 각각 연결되어 상방향으로 배치된 제 1 및 제 2 곡선 광도파로;
    상기 제 2 직선 광도파로의 상측단과 상기 제 2 곡선 광도파로의 상측단 사이에 연결되어 하방향으로 배치된 제 3 곡선 광도파로; 및
    일측단이 상기 제 2 직선 광도파로의 하측단에 연결되어 하방향으로 배치된 제 3 곡선 광도파로를 포함하여 이루어지고,
    상기 제 2 광도파로는,
    이격되어 수평방향으로 배치된 제 3 및 제 4 직선 광도파로;
    하측단이 상기 제 3 직선 광도파로의 일측단에 연결되어 상방향으로 배치된 제 5 곡선 광도파로; 및
    상측단이 상기 제 5 곡선 광도파로의 하측단에 연결되고, 하측단이 상기 제 4 직선 광도파로의 일측단에 연결되며, 상기 제 5 곡선 광도파로와 소정의 각도로 이루어 하방향으로 배치된 제 6 곡선 광도파로
    를 포함하여 이루어진 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 직선 광도파로의 길이는 동일하고,
    상기 제 3 및 제 4 직선 광도파로의 길이는 동일하고, 상기 제 1 및 제 2 직선 광도파로의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 곡선 광도파로의 길이는 동일하고, 상기 제 1 및 제 2 직선 광도파로의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 5 및 제 6 곡선 광도파로의 길이는 각각,
    상기 제 1 및 제 2 곡선 광도파로의 길이를 가산한 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광도파로의 경로차는,
    수식 2 × L × (1 - cosθ) = LH/R [단, L은 상기 제 1 및 제 2 직선 광도파로의 길이, H는 상기 제 3 및 제 4 직선 광도파로로부터 상기 제 5 및 제 6 광도파로가 연결되는 곳까지의 높이, R은 상기 곡선 광도파로들의 곡율반경, θ는 상기 제 1 직선 광도파로와 상기 제 3 직선 광도파로 간의 각도 및 상기 제 2 직선 광도파로와 상기 제 4 직선 광도파로 간의 각도]에 의하여 정해지는 것을 특징으로 하는 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기.
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KR1019980026040A KR20000004596A (ko) 1998-06-30 1998-06-30 파장무관형 커플러를 이용한 마하 젠더 간섭기

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100365637B1 (ko) * 1999-12-01 2002-12-26 서일석 컴퓨터일체형 테이블
CN109283616A (zh) * 2018-12-10 2019-01-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 温度不敏感马赫曾德尔干涉仪
CN114485743A (zh) * 2022-01-14 2022-05-13 中央民族大学 非对称型马赫曾德尔干涉结构光波导聚合物传感器

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