KR20000032672A

KR20000032672A - 광 결합기 및 그 제작방법

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Publication number: KR20000032672A
Application number: KR1019980049219A
Authority: KR
Inventors: 김덕봉; 조정환; 이상윤; 이태형
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2000-06-15
Also published as: WO2000029882A1; AU766878B2; CA2349602C; CN1153990C; JP2002530690A; RU2215311C2; CN1332855A; CA2349602A1; EP1131660A1; AU6371199A; KR100310086B1; US6282343B1

Abstract

본 발명은 광 결합기 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 하나의 입력 광도파로 및 N개의 출력 광도파로를 구비하여 입력 광도파로로부터 입사된 광신호를 N개의 광신호로 분할하는 광 결합기에 있어서, 입사된 광신호를 2분기하여 각 출력 광도파로로 출력하도록 m단으로 구성되는 복수의 Y-접합 광도파로; 및 Y-접합 광도파로들과 교번하여 연결되고, m번째 단의 Y-접합 광도파로들과 상기 출력 광도파로들과의 사이에는 1개 이상이 연속으로 연결되는 복수의 곡선 광도파로를 포함하고, 광신호의 도파 방향을 종축으로하고 상기 입력 광도파로와 Y-접합 광도파로의 접속점을 원점으로 할 때, Y-접합 광도파로들의 위치, 곡선 광도파로들의 위치 및 크기는 원점에서부터 각 출력 광도파로까지 형성된 N개 경로들중 최대 길이의 경로를 최소화하도록 결정됨을 특징으로한다.

본 발명에 의하면, Y-접합 광도파로 모듈과 연결 광도파로 모듈을 이용하여 광 결합기를 구성하기 때문에 다양한 구조의 Y-접합 광도파로 구조를 설계할 수 있고, 모듈 배치의 자유도가 커져서 광 결합기의 설계가 용이하다.

Description

광 결합기 및 그 제작 방법

본 발명은 광 결합기 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 특히 입출력 광도파로들 사이에 Y-접합(Y-junction) 광도파로와 그에 연결되는 곡선 광도파로를 구비하는 광 결합기 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

광 결합기는 하나의 광신호를 다수개의 광신호로 나누어주는 광소자로서, 광 가입자망의 핵심소자이다. 초기의 광 결합기는 광섬유 두 가닥을 서로 열접합시키는 방법으로 제작되었으나, 제작과정에서 많은 수작업이 동반되어 제작 단가가 높고, 직접 광섬유를 사용하기 때문에 제작된 광결합기의 부피가 큰 단점이 있었다.

이러한 단점들을 극복하기 위하여 집적광학 기술을 이용한 광 결합기가 제안되었다. 집적광학 기술을 이용한 광 결합기의 제작 방법은 반도체 집적회로 제작 방법과 유사하게 평판에 광 결합기를 구성하는 미세패턴을 형성하는 것이다. 이 방법은 대량생산에 적합하기 때문에 제작 단가가 낮고 제작된 광 결합기의 부피가 작은 장점이 있다. 또한, 광섬유 광 결합기로는 제작이 어려운 다출력 광 결합기(16개 이상의 출력)도 큰 어려움 없이 제작할 수 있다.

1개의 입력 개수에 대해 출력 개수가 N인 광 결합기를 1xN 광 결합기라고 한다. 1xN 광 결합기를 구성하는 한 방법으로서 1x2 광 결합기를 직렬 연결하여 구성하는 방법을 들 수 있다. 이 경우, 광 결합기의 출구 수 N은 2^m(여기서 m은 1x2 광 결합시 직렬 연결되는 단수(段數)로서 자연수이다) 개가 된다. 예를 들어, 1x4 광 결합기는 1x2 광 결합기의 두 출력단에 각각 1x2 광 결합기를 직렬 연결하여 구성된다. 이 때 1x2 광 결합기는 영문자 Y와 같은 모양의 Y-접합 광도파로와 이를 출력단까지 연결하는 곡선 도파로로 구성된다. 현재, Y-접합 광도파로를 배치하는 방법에 따라 2가지 광 결합기 구조가 제안되었다. 그 중 하나는 평행축(on-axis) 광 결합기로서, Y-접합 광도파로를 광의 진행방향인 종축과 평행하게 배치하는 구조이다.

다른 하나는 비낌축(off-axis) 광 결합기로서, Y-접합 광도파로가 종축과 평행하지않은 상태로 배치되는 구조이다.

도 1a는 평행축 광 결합기의 구조를 도시한 것으로, 미국 특허 제 4,165,225호에 개시되어 있다. 도 1a에 따른 광 결합기는 Y-접합 광도파로를 단수에 맞게 종축 Z에 평행하게 배치하고 이들의 입출력을 곡선 도파로인 연결 광도파로(connection optical waveguide)로 연결하여 구성된다. 도 1a에서 Y-접합 광도파로는 I_xy로 표시되었고, 연결 광도파로는 A_xy로 표시되었다. x_x는 출력 광도파로를 표시한다.

그러나, 도 1a에 도시된 광 결합기는 소자의 길이가 길다는 문제점이 있다. 일반적으로 곡선 광도파로의 휨손실(bending loss)을 줄이기위해서는 횡방향 변위의 변화율을 작게 유지해야한다. 평행축 광 결합기에서 종축에 평행한 두 Y-접합 광도파로를 연결하기위해서는 연결 도파로의 종단을 종축 Z에 평행하게 만들어야 한다. 이 때, 횡방향 변위의 변화율을 작게 유지하면 연결 광도파로의 종방향 길이가 길어지고, 결과적으로 Y-접합 광도파로를 평행화하는데 필요한 길이만큼 전체 소자 길이가 길어진다. 소자 길이가 길어지면 수율이 떨어져 제작단가가 상승하며, 소자 내의 패턴 균일도가 증가되어 소자 성능이 저하된다.

도 1b는 비낌축 광 결합기의 구조를 도시한 것으로, 미국 특허 제5,222,167호에 개시되어 있다. 도 1b에 따른 광 결합기는, 광 결합기의 최외각 광도파로 경로를 설정하고 이 경로 위에 Y-접합 광도파로들이 놓일 위치를 결정한 다음, 이 점에서 광도파로 경로와 접하는 가상의 대칭축 W를 그리고 반대편에 이와 대칭되는 곡선을 그려서 Y-접합 광도파로를 형성하여 제작된다. 도 1b에서 Y-접합 광도파로는 K_xy로 표시되었다. R_x는 곡선 광도파로의 반경이다. x_x는 출력 광도파로를 표시한다.

일반적으로 최외각 광도파로는 원호 광도파로(Circular arc optical waveguide)를 사용하기 때문에 이 곡선상에 형성되는 Y-접합 광도파로는 도 1b에 도시된 바와 같이 외접하는 두 원 사이에 형성되게된다. 이 때, Y-접합 광도파로의 중심축은 더 이상 종축 Z에 평행하지않다.

그러나, 도 1b에 도시된 광 결합기는 Y-접합 광도파로와 곡선 광도파로가 일체형이기 때문에 곡선 광도파로에 의해 Y-접합 광도파로의 구조가 획일적으로 구성된다는 문제점이 있다. 또한, 최외각 곡선 광도파로에서 Y-접합 광도파로의 위치는 이곳에서 분기(branch)되는 각 경로의 끝단이 출력 광도파로와 정확하게 일치하도록 설정되어야 한다. 그런데 이러한 위치 설정은 계속해서 연결되는 뒷단의 Y-접합 광도파로에서도 요구되므로 각 경로위에서 Y-접합 광도파로의 위치는 매우 제한된다. 따라서, 반드시 정해진 위치에 Y-접합 광도파로가 놓여야하기 때문에 약간의 위치 조절도 매우 어렵게 되어 설계성의 자유도가 낮아진다. 이러한 어려움은 출력 광도파로의 개수가 증가될 수록 심화된다. 즉, 출력 광도파로의 개수를 확장하기 위해서는 더 많은 경로들이 최외각 광도파로의 내측에서 분기된다. 이 때, 각 분기된 광도파로에서 Y-접합 광도파로의 위치는 이를 포함하는 각 경로의 끝단이 일정한 간격으로 떨어져있는 출력 광도파로의 입력과 정확히 일치하도록 결정되어야 한다. 그러나 비낌축 광 결합기의 경우 Y-접합 광도파로의 위치 결정은 직관적 판단에 의한 시행착오를 통해 이루어진다. 따라서, 출력 광도파로의 개수가 증가할수록 결정되어야 할 Y-접합 광도파로의 개수가 많아지므로 이와 같은 방법에 의한 Y-접합 광도파로의 위치 결정은 어렵다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 Y-접합 광도파로와 이를 연결하는 곡선 광도파로로 비낌축 광 결합기를 모듈화하여 출력 광도파로의 개수를 용이하게 확장할 수 있는 광 결합기 및 그 제작 방법을 제공하는데 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 광 결합기의 구조를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 광 결합기의 구조를 도시한 것이다.

도 3은 도 2의 Y-접합 광도파로 모듈의 구조를 도시한 것이다.

도 4는 원호 광도파로를 이용한 연결 광도파로 모듈을 나타낸다.

도 5a 내지 도 5d는 도 2에 보인 광결합기의 시작점 I에서 끝점 E₁내지 E₄까지의 제1 내지 제4경로를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 1x8 광 결합기를 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 1x32 광 결합기와 종래 방법에 따른 1x32 광 결합기의 길이를 비교하여 도시한 것이다.

도 8은 P-커브 광도파로의 일부를 도시한 것이다.

도 9는 곡률반경이 R=50000㎛이고, 내각이 90°인 원호 광도파로와 다항 호 (Polynomial Arc) 광도파로를 도시한 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 하나의 입력 광도파로 및 N개의 출력 광도파로를 구비하여 상기 입력 광도파로로부터 입사된 광신호를 N개의 광신호로 분할하는 광 결합기에 있어서, 상기 입사된 광신호를 2분기하여 상기 각 출력 광도파로로 출력하도록 m단으로 구성되는 복수의 Y-접합 광도파로; 및 상기 Y-접합 광도파로들과 교번하여 연결되고, m번째 단의 Y-접합 광도파로들과 상기 출력 광도파로들과의 사이에는 1개 이상이 연속으로 연결되는 복수의 곡선 광도파로를 포함하고, 상기 광신호의 도파 방향을 종축으로하고 상기 입력 광도파로와 Y-접합 광도파로의 접속점을 원점으로 할 때, 상기 Y-접합 광도파로들의 위치, 상기 곡선 광도파로들의 위치 및 크기는 상기 원점에서부터 상기 각 출력 광도파로까지 형성된 N개 경로들중 최대 길이의 경로를 최소화하도록 결정됨을 특징으로한다.

상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 하나의 입력 광도파로, N개의 출력 광도파로, 상기 입력 광도파로로 입사된 광신호를 2분기하여 상기 각 출력 광도파로로 출력하도록 m단으로 구성되는 복수의 Y-접합 광도파로 및 상기 Y-접합 광도파로들과 교번하여 연결되고, m번째 단의 Y-접합 광도파로들과 상기 출력 광도파로들과의 사이에는 1개 이상이 연속으로 연결되는 복수의 곡선 광도파로를 구비하는 광 결합기의 패턴 마스크를 설계하여 제작하고 상기 마스크 패턴에 따라 광 결합기를 제작하는 방법에 있어서, 상기 패턴 마스크의 설계 방법은 상기 Y-접합 광도파로의 길이, 폭 및 분기각을 결정하고, 상기 각 Y-접합 광도파로에 대해 상기 결정된 값에 따른 크기를 갖는 Y-접합 광도파로 모듈을 형성하는 제1단계; 상기 각 곡선 광도파로에 대해 상기 각 곡선 광도파로의 곡률반경 및 내각에 따라 결정되는 크기를 갖고, 상기 Y-접합 광도파로 모듈들간을 연결하며 상기 m번째 Y-접합 광도파로 모듈들과 상기 각 출력 광도파로를 연결하는 연결 광도파로 모듈을 형성하는 제2단계; 상기 입력 광도파로와 상기 Y-접합 광도파로 모듈들중 하나가 연결되는 접속점을 원점이라하고, 광의 도파방향을 종축이라 할 때, 상기 입력 광도파로와 상기 각 출력 광도파로 사이에 상기 Y-접합 광도파로 모듈들 및 상기 연결 광도파로 모듈들을 배치하되, 상기 원점에서 상기 각 출력 광도파로까지의 종축거리가 최소가 되도록 상기 연결 광도파로 모듈의 길이, 상기 Y-접합 광도파로 모듈 및 상기 연결 광도파로 모듈의 위치를 결정하여 배치하는 제3단계; 및 상기 배치된 구조에 따라 상기 패턴 마스크를 제작하는 제4단계를 포함함을 특징으로한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 1xN광 결합기의 구조를 도시한 것이다. 도시된 광 결합기는 한 예로서 1x8 구조이다. 본 발명에 따른 광 결합기는 상하대칭 구조이므로, 도 2에는 상부 4개의 출력 광도파로만 도시되어있다. 도 2에 따른 광 결합기는 하나의 입력 광도파로(I), N개의 출력 광도파로(O_x), 복수의 Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy), 복수의 연결 광도파로 모듈(B_xy)을 포함한다. 도시된 원⒪들은 접속점을 나타낸다. Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)은 m단 연결된다. 예를 들어 1x8 광 결합기인 경우, Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)은 3단 연결된다.

입력 광도파로(I)는 종축 Z에 놓인 직선 광도파로이다.

출력 광도파로들(O_x)은 등간격(Δx)의 직선 광도파로로서 광신호를 출력 광섬유로 전달한다. 출력 광도파로들(O_x)의 횡축 위치는 각각 x₁, x₂, x₃, x₄이다.

Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)은 하나의 입구 및 두 개의 출구를 구비하며, 길이, 폭 및 분기각에 의해 모듈로 표현된다. 각 Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)은 입력 광도파로(I)와 각 출력 광도파로(O_x)간 경로상에 위치하며 입력 광신호를 2개로 분기한다. 이 때, Y-접합 모듈(Y_xy)은 Z축과 평행하지않을 수 있다.

연결 광도파로 모듈(B_xy)은 각 Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)들을 연결하고, m번째 단과 출력 광도파로(O_x)간에는 1개 이상이 연결된다. 본 발명에서는 m번째 단과 출력 광도파로(O_x) 사이에 2개의 연결 광도파로 모듈이 연결된다. 각 연결 광도파로 모듈(B_xy)은 Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)에서 분할된 광신호를 다음 단의 Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy) 또는 출력 광도파로들(O_x)로 출력한다.

E_x는 출력 광도파로들과 연결되는 연결 광도파로 모듈의 끝점을 나타낸다.

접속점⒪들은 입력 광도파로와 Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)간의 접속점, Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)과 연결 광도파로 모듈(B_xy)간 접속점들, 연결 광도파로 모듈들(B_xy)간의 접속점들이다. 이들 접속점들⒪은 도파광의 산란과 도파광 파면의 왜곡을 방지하기위해서 소정의 제한조건들, 예를 들어 1) 앞단 모듈 출구의 좌표와 다음 단 모듈 입구 좌표의 일치(좌표정합) 2) 앞단 모듈 출구의 접선 기울기와 다음 단 모듈 입구의 접선 기울기의 일치(기울기 정합) 3) 앞단 모듈 출구의 곡률과 다음 단 모듈 입구 곡률의 일치(곡률 정합)의 조건을 만족해야한다.

상술한 구조를 갖는 광 결합기를 제작하기위해서는 먼저, 광 결합기의 출력 광도파로의 개수 N 및 출력 광도파로 간격 Δx를 결정하여야한다.

다음, Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)의 길이 L_J, 절반 폭 P_J, 그리고 분기각 θ_J를 결정하여 Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)을 설계한다. 도 3은 Y-접합 광도파로 모듈(Y_xy)의 구조를 도시한 것이다. 여기서, 는 입구, , 는 출구이다. 여기서, 분기각 θ_J는 Y-접합 모듈의 상측 출구점 에서의 접선과 대칭축 W와의 사이각이다.

θ_R만큼 회전된 Y-접합 모듈의 출구좌표( , )는 다음과 같이 결정된다.

여기서, θ_R만큼 회전된 Y-접합 모듈의 출구 에서의 출구 각은 θ_R+θ_J, 출구 에서의 출구 각은 θ_R-θ_J이다.

다음으로, 연결 광도파로 모듈의 설계를 위해 원호 광도파로의 반지름 R을 결정한다. 각 원호 광도파로의 반지름을 서로 다르게 설정하거나 또는 반지름 자체를 미지수로 할 수 있지만, 본 발명에서는 모든 원호 광도파로가 동일한 반지름을 갖는다고 가정한다.

본 발명에 사용되는 연결 광도파로는 원호 광도파로가 사용될 수 있고, 바람직하기로는 다항 호 광도파로(Polynomial arc waveguide, 이하 PA 광도파로라 함)가 적절하다. PA 광도파로는 원호 광도파로의 장점은 그대로 갖고 있고, 단점은 수정보완된 곡선 광도파로이다. 원호 광도파로는 곡률반경이 R인 원의 일부분을 광도파로로 이용하는 것으로, 경로 방정식을 쉽게 표현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 서로 다른 곡률을 갖는 원호 광도파로가 연결되는 경우, 접속점에서 곡률 부정합에 의한 천이손실과 파면 왜곡이 발생하는 문제점이 있다.

PA 광도파로는 매개 변수 t에 대해 5차 다항식으로 표현되는 종축 다항식 z(t)과 횡축 다항식 x(t)에 의해 경로가 정의된다. 각 방정식의 각 항에 대한 계수는 곡선 광도파로 입/출구에서의 경계 조건들, 즉, 좌표 정합, 기울기 정합 그리고 곡률 정합으로부터 결정된다. 그러나 도출해야할 파라미터가 많아서 광 결합기를 위한 연결 광도파로 모듈로서 PA 광도파로를 이용하기가 쉽지 않다. 따라서 본 발명에서는, 광 결합기 설계시 파라미터 도출단계에서 원호 광도파로를 연결 광도파로로 선택하고 파라미터가 도출된 후 원호 광도파로를 곡률 정합된 PA 광도파로로 대체하기로 한다.

도 4는 원호 광도파로를 이용한 연결 광도파로 모듈을 나타낸다. 여기서, 는 입구, 는 출구이다. 연결 광도파로 모듈은 연결 광도파로를 원호의 일부로 갖는 원의 곡률반경 R과 내각 θ_B(광도파로 출구의 접선각 θ_o에서 입구의 접선각 θ_I를 뺀 각도) 에 의해 표현된다. θ_l만큼 회전된 연결 광도파로의 출구 위치 는 입구 에 대해 R과 θ_B에 의해 다음 식과 같이 결정된다.

여기서, r은 부호를 갖는 곡률반경이며,

r=R·sign(θ_B)

로 정의된다. r의 부호는 곡률의 부호로서, 경로를 따라 연결 광도파로의 접선각이 증가하면 양(+)으로, 감소하면 음(-)으로 표현된다. 즉, 다음과 같다.

수학식 2 및 3으로부터 Y-접합 광도파로 모듈 및 연결 광도파로 모듈을 순차적으로 접속하여 형성되는 광 결합기의 경로를 방정식으로 표현할 수 있다. 수학식 2 및 3에 따르면, 이 방정식은 원호 광도파로의 내각에 대한 방정식이다. 따라서, 방정식의 해를 구함으로써 연결 광도파로의 크기를 구할 수 있고, 경로에 따른 Y-접합 광도파로 모듈의 위치 및 연결 광도파로 모듈의 위치를 결정할 수 있다.

도 5a는 시작점 I에서 끝점 E₁까지의 제1경로를 도시한 것이다. 도 5a에 따르면, 제1경로는 J₁₁→B₁₁→J₂₁→B₂₁→J₃₁→B₃₁→B₄₁→E₁로 구성된다. 연결 광도파로 모듈 B₁₁, B₂₁, B₃₁및 B₄₁에 대한 원호의 곡률반경 R_B11, R_B21, R_B31및 R_B41, 원호 내각

θ_B11

,

θ_B21

,

θ_B31

및

θ_B41

로부터 제1경로의 종점 좌표(z₁,x₁)은 다음과 같이 기술된다.

입력 광도파로와 출력 광도파로가 종축 Z에 평행하므로 제1경로를 따라 누적한 각도 θ₁는 0이 되어야 한다. 즉, 다음 식과 같다.

도 5b는 시작점 I에서 끝점 E₂까지의 제2경로를 도시한 것이다. 도 5b에 따르면, 제2경로는 J₁₁→B₁₁→J₂₁→B₂₁→J₃₁→B₃₂→B₄₂→E₂로 구성된다. 연결 광도파로 모듈 B₁₁, B₂₁, B₃₂및 B₄₂에 대한 원호의 곡률반경 R_B11, R_B21, R_B32및 R_B42, 원호 내각

θ_B11

,

θ_B21

,

θ_B32

및

θ_B42

로부터 제2경로의 종점 좌표(z₂,x₂)은 다음과 같이 기술된다.

입력 광도파로와 출력 광도파로가 종축 Z에 평행하므로 제2경로를 따라 누적한 각도 θ₂는 0이 되어야한다. 즉, 다음 식과 같다.

도 5c는 시작점 I에서 끝점 E₃까지의 제3경로를 도시한 것이다. 도 5c에 따르면, 제3경로는 J₁₁→B₁₁→J₂₁→B₂₂→J₃₂→B₃₃→B₄₃→E₃로 구성된다. 연결 광도파로 모듈 B₁₁, B₂₂, B₃₃및 B₄₃에 대한 원호의 곡률반경 R_B11, R_B22, R_B33및 R_B43, 원호 내각

θ_B11

,

θ_B22

,

θ_B33

및

θ_B43

로부터 제3경로의 종점 좌표(z₃,x₃)은 다음과 같이 기술된다.

입력 광도파로와 출력 광도파로가 종축 Z에 평행하므로 제3경로를 따라 누적한 각도 θ₃은 0이 되어야한다. 즉, 다음 식과 같다.

도 5d는 시작점 I에서 끝점 E₄까지의 제4경로를 도시한 것이다. 도 5d에 따르면, 제4경로는 J₁₁→B₁₁→J₂₁→B₂₂→J₃₂→B₃₄→B₄₄→E₄로 구성된다. 연결 광도파로 모듈 B₁₁, B₂₂, B₃₄및 B₄₄에 대한 원호의 곡률반경 R_B11, R_B22, R_B34및 R_B44, 원호 내각

θ_B11

,

θ_B22

,

θ_B34

및

θ_B44

로부터 제4경로의 종점 좌표(z₄,x₄)은 다음과 같이 기술된다.

입력 광도파로와 출력 광도파로가 종축 Z에 평행하므로 제4경로를 따라 누적한 각도 θ₄는 0이 되어야한다. 즉, 다음 식과 같다.

수학식 4 내지 수학식 11로부터 11개의 미지수를 갖는 8개의 비선형 연립 방정식을 구한다. 11개의 미지수들은 각 연결 광도파로 모듈의 내각들이며, 이들 집합을 U={θ_B11, θ_B21, θ_B22, θ_B31, θ_B32, θ_B33, θ_B34, θ_B41, θ_B42, θ_B43, θ_B44}로 나타내기로 한다. 8개의 비선형 연립 방정식중 4개는 출력 광도파로의 횡방향 변위에 대한 경계조건으로부터 얻어지는 횡축 이동거리 방정식 x_i=g_i(…)=((N+1)/2-i)·Δx이며, 나머지 4개는 입력 광도파로에서 출력 광도파로까지의 각도 누적치가 0이 된다는 조건으로부터 얻어지는 누적 각도 방정식 θ_i=ψ_i(…)=0 이다. 이 경우, 미지수의 개수가 방정식의 개수보다 많으므로 여러 개의 해집합이 얻어진다.

복수의 해집합중에서 수학식 4 내지 수학식 11의 종축 이동거리 방정식 z_i=f_i(…)를 최소로하는 해의 집합 U_i를 구한다. 해의 집합은 여러 방법으로 구할 수 있으며, 본 발명에서는 수학적 최적화 기법을 사용하였다.

각 경로(i=1,2,3,4)를 최소화하는 해집합을 구한 다음, 구해진 해집합을 이용하여 구한 4개의 경로중 최대 종축 이동거리를 갖는 경로를 서로 비교하여 이중 최소의 길이를 갖는 해집합을 선택한다. 즉, 최소{ 최대[f₁(U₁), f₂(U₁), f₃(U₁), f₄(U₁)], 최대[f₁(U₂), f₂(U₂), f₃(U₂), f₄(U₂)], 최대[f₁(U₃), f₂(U₃), f₃(U₃), f₄(U₃)], 최대[f₁(U₄), f₂(U₄), f₃(U₄), f₄(U₄)]} 가 되는 해집합을 선택한다.

구해진 해집합으로부터 연결 광도파로 모듈의 크기를 결정하여 각 Y-접합 광도파로 모듈과 연결 광도파로 모듈들을 연결 배치한다.

광 결합기의 하부는 지금까지 구한 Y-접합 모듈들 및 연결 광도파로 모듈들을 종축에 대해 대칭이 되도록 배치하여 구성된다.

도 6은 본 발명에 따른 1x8 광 결합기를 도시한 것이다. 입력 광도파로와 출력 광도파로들은 종축과 평행하며, 출력 광도파로들의 간격은 250μm이다. 각 Y-접합 광도파로 모듈은 길이 L_J= 1700μm, 절반 폭 P_J=14.81μm 그리고 분기각

θ_J

=1.028°로 구성되었다. 연결 광도파로 모듈의 곡률반경은 R=50mm이다. 광 결합기의 길이(I에서 E₁까지)는 최외각 경로에 의해 결정되었으며, 그 길이는 15mm이다. 이 길이는 종래 방법에 의한 광 결합기의 길이(22mm)보다 짧다.

도 7은 본 발명의 1x32 광 결합기와 종래의 1x32 광 결합기의 길이를 비교하여 도시한 것이다. 도 7a가 종래의 광 결합기로서, 그 길이는 67mm이다. 도 9b는 본 발명의 광 결합기로서, 그 길이는 31mm 이다.

본 발명에서는 연결 광도파로 모듈로서 PA 광도파로를 이용한다. PA 광도파로는 원호 광도파로의 시작점과 끝점을 다항 곡선 광도파로(Polynomial curve waveguide, 이하 P-커브 광도파로라 함)로 대체한 것이다.

P-커브 광도파로는 F.Ladoucer에 의해 제안된 것으로, 광도파로의 경로를 따라 곡률을 변화시킬 수 있다. 도 8은 P-커브 광도파로의 일부를 도시한 것이다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 두 직선 광도파로를 잇는 곡선 도파로가 천이 손실을 겪지 않기 위해서는 제1직선 광도파로(800)의 끝점과 곡선 광도파로(802)의 시작점과의 접속점(A), 곡선 광도파로(802)의 끝점과 제2직선 광도파로(804)의 시작점(B)과의 접속점(B)에서 제1직선 광도파로(800)와 곡선 광도파로(802), 곡선 광도파로(802)와 제2직선 광도파로(804) 각각의 좌표, 기울기 및 곡률이 일치해야 한다. 상기한 경계조건을 적용하기 위해서 경로 벡터 R(t)를 다음 식과 같이 매개변수 t에 대한 다항식으로 표현한다.

여기서, _z, _x는 z축, x축의 단위벡터이다.

상술한 경계조건은 각 좌표에 대해 6개의 경계조건을 제공하므로, 다항식의 차수는 5차가 적절하다. 따라서, z(t), x(t)는 다음과 같다.

접속점 A에서 t값이 0, 접속점 B에서 t값이 L이라면 상술한 경계조건으로부터 다음 식과 같은 대수 방정식이 얻어진다.

여기서, 우측 행렬의 각 항에서 상부의 도트(dot) 표시는 t에 대한 미분을 나타내며 그 값은 다음과 같다.

수학식 14 및 15로부터 a₀내지 a₅를 구할 수 있다.

동일한 방법으로 b₀내지 b₅도 다음과 같이 구해진다.

PA 광도파로는 원호 광도파로의 시작점과 끝점을 P-커브로 이어 만든 곡선 광도파로이다. 도 9는 곡률반경이 R=50000μm이고, 내각이 90°인 원호 광도파로와 PA 광도파로를 도시한 것이다. 점선은 원호 광도파로이고, 실선은 PA 광도파로를 나타낸다. 접속점 A 및 B에서의 경계 조건은 수학식 15에 의해 다음과 같이 결정된다.

L=R×θ이므로, 수학식 13, 16, 17 및 18로부터 z(t), x(t)는 다음 식과 같이 결정된다.

연결 광도파로의 시작점에서부터 수학식 19의 매개변수 t를 0에서 L(7.854×10⁴)까지 변화시키면서 수학식 12의 경로벡터 R(t)의 궤적을 그리면 도 9에 도시된 PA 광도파로가 얻어진다.

광 결합기의 제작은 입력 광도파로, 복수의 출력 광도파로 그리고 상술한 바에 따라 설계된 위치 및 길이를 갖는 Y-접합 광도파로 모듈들과 연결 광도파로 모듈들을 구비한 패턴 마스크를 제작하고 기판에 상기 마스크 패턴을 형성하여 제작된다.

본 발명에 의하면, Y-접합 광도파로 모듈과 연결 광도파로 모듈을 이용하여 광 결합기를 구성하기 때문에 다양한 구조의 Y-접합 광도파로 구조를 설계할 수 있고, 모듈 배치의 자유도가 커져서 광 결합기의 설계가 용이하다. 따라서, 짧은 길이의 광 결합기를 제작할 수 있으므로 수율이 높다.

Claims

하나의 입력 광도파로 및 N개의 출력 광도파로를 구비하여 상기 입력 광도파로로부터 입사된 광신호를 N개의 광신호로 분할하는 광 결합기에 있어서,

상기 입사된 광신호를 2분기하여 상기 각 출력 광도파로로 출력하도록 m단으로 구성되는 복수의 Y-접합 광도파로; 및

상기 Y-접합 광도파로들과 교번하여 연결되고, m번째 단의 Y-접합 광도파로들과 상기 출력 광도파로들과의 사이에는 1개 이상이 연속으로 연결되는 복수의 곡선 광도파로를 포함하고,

상기 광신호의 도파 방향을 종축으로하고 상기 입력 광도파로와 Y-접합 광도파로의 접속점을 원점으로 할 때, 상기 Y-접합 광도파로들의 위치, 상기 곡선 광도파로들의 위치 및 크기는 상기 원점에서부터 상기 각 출력 광도파로까지 형성된 N개 경로들중 최대 길이의 경로를 최소화하도록 결정됨을 특징으로하는 광 결합기.
제1항에 있어서, 상기 각 Y-접합 광도파로는

하나의 입구 및 두 개의 출구를 구비하며, 길이, 폭 및 상기 두 출구의 분기각에 의해 그 구조가 결정됨을 특징으로하는 광 결합기.
제1항에 있어서, 상기 각 곡선 광도파로는

상기 각 곡선 광도파로의 곡률 반경 및 내각에 의해 그 구조가 결정됨을 특징으로하는 광 결합기.
제3항에 있어서, 상기 곡선 광도파로의 궤적은

상기 곡선 광도파로의 접속점에서 광신호의 천이손실이 일어나지않도록 소정의 경계 조건을 만족하는 계수를 갖는 종축 및 횡축 다항식에서 상기 다항식의 변수값을 0부터 상기 연결 광도파로의 길이까지 변화시키면서 구해진 값에 따라 형성됨을 특징으로하는 광 결합기.
하나의 입력 광도파로, N개의 출력 광도파로, 상기 입력 광도파로로 입사된 광신호를 2분기하여 상기 각 출력 광도파로로 출력하도록 m단으로 구성되는 복수의 Y-접합 광도파로 및 상기 Y-접합 광도파로들과 교번하여 연결되고, m번째 단의 Y-접합 광도파로들과 상기 출력 광도파로들과의 사이에는 1개 이상이 연속으로 연결되는 복수의 곡선 광도파로를 구비하는 광 결합기의 패턴 마스크를 설계하여 제작하고 상기 마스크 패턴에 따라 광 결합기를 제작하는 방법에 있어서, 상기 패턴 마스크의 설계 방법은

상기 Y-접합 광도파로의 길이, 폭 및 분기각을 결정하고, 상기 각 Y-접합 광도파로에 대해 상기 결정된 값에 따른 크기를 갖는 Y-접합 광도파로 모듈을 형성하는 제1단계;

상기 각 곡선 광도파로에 대해 상기 각 곡선 광도파로의 곡률반경 및 내각에 따라 결정되는 크기를 갖고, 상기 Y-접합 광도파로 모듈들간을 연결하며 상기 m번째 Y-접합 광도파로 모듈들과 상기 각 출력 광도파로를 연결하는 연결 광도파로 모듈을 형성하는 제2단계;

상기 입력 광도파로와 상기 Y-접합 광도파로 모듈들중 하나가 연결되는 접속점을 원점이라하고, 광의 도파방향을 종축이라 할 때, 상기 입력 광도파로와 상기 각 출력 광도파로 사이에 상기 Y-접합 광도파로 모듈들 및 상기 연결 광도파로 모듈들을 배치하되, 상기 원점에서 상기 각 출력 광도파로까지의 종축거리가 최소가 되도록 상기 연결 광도파로 모듈의 길이, 상기 Y-접합 광도파로 모듈 및 상기 연결 광도파로 모듈의 위치를 결정하여 배치하는 제3단계; 및

상기 배치된 구조에 따라 상기 패턴 마스크를 제작하는 제4단계를 포함함을 특징으로하는 광 결합기 제작 방법.
제5항에 있어서, 상기 제3단계는

상기 각 연결 광도파로 모듈의 곡률반경을 결정하고, 상기 결정된 곡률반경 및 미지수인 상기 내각으로부터 상기 연결 광도파로 모듈의 길이를 구하는 단계;

상기 각 Y-접합 광도파로 모듈의 길이 및 상기 각 연결 광도파로 모듈의 길이로부터 상기 원점에서 상기 각 출력 광도파로까지의 횡축 및 종축거리를 구하는 단계;

상기 각 출력 광도파로의 횡축거리가 상기 출력 광도파로간 간격에 따라 결정될 때, 소정의 제한조건을 만족하면서 상기 각 종축거리를 최소화하는 내각들을 구하는 단계; 및

상기 구해진 내각들로부터 상기 각 Y-접합 광도파로 모듈의 위치, 상기 각 연결 광도파로 모듈들의 위치 및 길이를 구하는 단계를 구비함을 특징으로하는 광 결합기 제작방법.
제6항에 있어서, 상기 제한 조건은

상기 원점과 상기 각 출력 광도파로 사이의 각 경로에 포함되는 Y-접합 모듈들의 분기각 및 연결 광도파로 모듈들의 내각을 누적한 각도가 각각 0임을 특징으로하는 광 결합기 제작방법.
제7항에 있어서, 상기 내각들을 구하는 단계는

상기 최소화 단계를 만족하는 복수의 내각들 집합을 구하고, 상기 집합들중에서 상기 각 내각들 집합으로부터 얻어지는 경로중 최대 길이의 경로를 최소화하는 내각들 집합을 구함을 특징으로하는 광 결합기 제작방법.
제8항에 있어서, 상기 각 연결 광도파로 모듈의 배치는

상기 각 연결 광도파로 모듈의 접속점에서 제2제한조건을 만족하도록 배치하는 단계를 구비함을 특징으로하는 광 결합기 제작방법.
제9항에 있어서, 상기 제2제한조건은

상기 각 접속점에서 접속되는 각 모듈의 입구 및 출구에서 좌표 일치, 접선 기울기 일치 및 곡률 일치임을 특징으로하는 광 결합기 제작방법.
제10항에 있어서, 상기 각 연결 광도파로의 궤적은

상기 각 연결 광도파로의 접속점에서 상기 제2제한조건에 의해 결정되는 계수를 갖는 횡축 및 종축 다항식으로부터 상기 다항식의 변수값을 0부터 상기 연결 광도파로의 길이까지 변화시켜서 구해진 값에 따라 결정됨을 특징으로하는 광 결합기 제작 방법.
제5항에 있어서, 각 모듈의 배치는

상기 원점에서 상기 각 출력 광도파로까지의 경로중에서 N/2개에 대해서만 설계하고 이들을 상기 종축에 대칭시켜 나머지를 배치함을 특징으로하는 광 결합기 제작 방법.