KR20000039804A - 비대칭 y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기 - Google Patents

비대칭 y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작은 전압으로도 높은 소멸비를 갖는 광변조 파형을 얻을 수 있도록 하고, 별도의 외부 바이어스 회로를 이용하지 않고서도 동작점을 조절할 수 있도록 하여 시스템의 구성을 간단화한 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기에 관한 것으로, 외부 바이어스 회로가 필요없고, 디지털 응답 특성을 이용하여 입력광의 파장 및 편광에 무관하게 동작시킬 수 있기 때문에 단일 모드 광섬유에 기반한 파장 분할 다중화 방식의 광전송망에 사용될 경우 시스템의 구성이 간단해 진다. 그리고, 광변조 신호의 소멸비가 높아지고 파형의 왜곡이 줄기 때문에 시스템의 성능도 개선이 된다.

Description

비대칭 Ｙ분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기
본 발명은 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광통신 시스템에서 광신호를 변조하기 위해 사용되는 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기에 관한 것이다.
도파로형 광변조기는 광통신 시스템의 송신부에서 광신호를 변조하기 위해 사용되는 소자로서, 현재까지는 광의 간섭 현상을 이용하는 마흐 젠더(Mach-Zehnder) 광변조기가 가장 널리 사용되고 있다.
그러나, 마흐 젠더 광변조기는 광의 간섭현상을 이용하기 때문에 구동 전압은 작지만 입력광의 파장에 따라 그 동작 특성이 변하고, 주기적인 동작 특성을 가지고 있기 때문에 동작점과 인가 전압을 잘 조절해야 왜곡이 없고 소멸비가 큰 광변조 파형을 얻을 수 있다. 따라서 외부 바이어스 회로와 광출력을 모니터하여 피드백(feedback)하는 회로 등이 필요하기 때문에 시스템의 구성이 복잡해질 수 있다. 반면에, 모드 진화 현상(mode evolution effect)을 이용한 디지털 광변조기는 입력광의 파장에 무관하게 동작하고, 인가 전압에 대해 디지털 응답 특성을 가지며, 소자 제작이 비교적 용이하다.
디지털 광변조기는 기본적으로 Y분기 광도파로와 이와 정렬된 구동 전극으로 구현할 수 있다. 그런데, Y분기 광도파로의 두 암(arm)을 대칭적으로 제작하게 되면 높은 소멸비를 얻기 위해 큰 구동 전압이 필요하게 되고, 전압을 가하지 않을 때도 항상 광출력이 나오기 때문에 실제로 소자를 사용할 때에 동작점을 조절하기 위한 바이어스 회로를 생각해야 한다.
따라서 본 발명은 상기한 종래 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 작은 전압으로도 높은 소멸비를 갖는 광변조 파형을 얻을 수 있도록 한 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기를 제공함에 목적이 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 별도의 외부 바이어스 회로를 이용하지 않고서도 동작점을 조절할 수 있도록 하여 시스템의 구성을 간단화한 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기는, 단일의 입력포트와 복수의 출력포트를 갖추어서 상기 입력포트로 광이 입력되면 택일하여 어느 한 출력포트로 출력시키되, 상기 각각의 출력포트는 상호 차등적인 폭을 지닌 도파로의 종단에 각각 설치된 Y분기 광도파로와;
상기 각각의 도파로상에 설치되어 전압인가시 상기 Y분기 광도파로내의 굴절율 변화를 일으키는 구동 전극을 구비하고,
초기 동작점을 오프상태로 한 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기의 구조도,
도 2는 도 1에 도시된 Y분기 광도파로의 비대칭 척도의 변화에 따른 광변조 출력 포트의 전달 특성도,
도 3은 도 1에 도시된 Y분기 광도파로의 비대칭 척도의 변화에 따른 소멸비의 변화도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 광변조기를 폴리머를 재료로 하여 제작한 경우의 구조도,
도 4c는 도 4a 및 도 4b에 도시된 디지털 광변조기의 전달 특성도,
도 4d는 도 4a 및 도 4b에 도시된 디지털 광변조기의 출력 파형도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : Y분기 광도파로 2, 3 : 구동 전극
10 : 하부 클래딩층 11 : 코아층
12 : 상부 클래딩층 13 : 립 도파로
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기의 구조도로서, 참조부호 1은 Y자 형태로 분기된 광도파로를 나타내는데, 이 Y분기 광도파로(1)는 단일의 입력포트(port0)와 복수의 출력포트(port1, port2)를 갖추어서 상기 입력포트(port0)측의 도파로로 광이 입력되면 택일하여 어느 한 출력포트(본 발명에서는 port2)측의 도파로로 출력시킨다. 그리고, 상기 각각의 출력포트(port1, port2)는 상호 차등적인 폭을 지닌 도파로(암(arm)이라고도 함)의 종단에 각각 설치된다.
참조부호 2, 3은 상기 출력포트(port1, port2)측의 각 도파로상에 설치되어 전압인가시 상기 Y분기 광도파로(1)내의 굴절율 변화를 일으키는 구동 전극을 나타낸다.
즉, 도 1에 도시된 디지털 광변조기는 비대칭의 Y 분기 광도파로(1)와 이와 정렬된 푸쉬 풀(push-pull) 형태(즉, 인가되는 전압의 극성을 서로 반대로 하는 형태)의 구동 전극(2, 3)으로 구성되는데, 본 발명의 실시예의 경우 광변조 출력 포트(port2)로 사용되는 도파로의 폭이 다른 편 포트(port1)의 도파로 폭보다 ΔW만큼 작다. 도파로의 폭(W)은 수 μm이고, 도파로 폭의 차인 ΔW는 1 mm 이하이다. 그리고 상기 Y 분기 광도파로(1)의 분기각(θB)은 약 0.1o정도이다.
상기의 구성에 따르면, 구동 전극(2, 3)에 전압을 인가하지 않았을 때 광변조 출력 포트(port2)에서의 광파워는 상기 Y분기 광도파로(1)의 비대칭 척도(α, α= ΔW/W)에 의해 결정된다. 상기 비대칭 척도(α)를 조절함으로써 초기 동작점을 OFF 상태로 이동시킬 수 있다. 구동 전극(2, 3)에 전압을 인가하지 않으면 광변조 출력 포트(port2)로는 광파워가 나오지 않고 입력광은 모두 다른 편 포트(potr1)로 전달된다. 구동 전극(2, 3)에 전압을 인가하면 전기광학 효과로 인해 상기 Y분기 광도파로(1)의 두 암(arm)에 양(positive)과 음(negative)의 굴절율 변화가 생기게 되고, 광파워는 모드 진화 현상에 의하여 굴절율이 증가한 암(arm)으로 스위칭되어 나오게 된다.
도 2는 각기 다른 비대칭 척도(α)값에 대한 광변조기의 전달 특성을 빔전파방법(beam propagation method)을 이용하여 수치모사한 결과를 나타낸 도면으로서, 비대칭 척도(α)가 증가함에 따라 동작점이 오프(OFF)상태로 점차 이동해감을 알 수 있다. 계산시 도파로 폭(W)은 6 μm, 분기각(θB)은 0.06o로 놓았다.
도 2에 나타낸 전달 특성 계산 결과를 이용하여 상기 Y분기 광도파로(1)의 두 암의 유효 굴절율 변화에 따른 소멸비의 변화를 계산할 수 있다. 예를 들어 상기 Y분기 광도파로(1)의 유효 굴절율이 +Δn과 Δn 사이에서 주기적으로 변한다고 가정할 때, 광변조 파형의 소멸비는 유효 굴절율 변화가 +Δn일 때의 광파워와 Δn일 때의 광파워의 비로써 계산하게 된다. 이 결과를 도 3에 나타내었는데, 비대칭 척도(α)가 1/10일 때 Y분기 광도파로(1)의 유효 굴절율 변화량이 5x10-5정도만 되어도 약 30 dB 정도의 소멸비를 얻게 됨을 알 수 있다. 따라서 상기 Y분기 광도파로(1)의 비대칭 정도를 잘 조절하면 좋은 소멸 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 실제로 제작된 비대칭 Y 분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기의 구조와 특성 측정 결과를 나타내는데, 본 발명에서는 전기광학 폴리머를 이용하여 디지털 광변조기를 구현하였다. 전기광학 폴리머를 이용한 도파로형 집적광학 소자는 스핀 코팅(spin-coating)된 다층 구조의 도파로로 이루어져 있으며, 저렴한 가격으로 손쉽게 제작할 수 있다. 또한, 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 등의 다양한 기판을 사용할 수 있기 때문에 다른 집적 전자회로나 광소자와의 결합이 용이하다. 더욱이, 마이크로파(microwave)와 광파(optical wave)와의 속도 부정합이 작기 때문에 고속 동작에 유리하며, 광섬유와의 결합시 귤절율 차이로 인한 반사 손실(Fresnel reflection loss)이 작다는 등의 장점이 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 광변조기를 폴리머를 재료로 하여 제작한 경우의 구조도로서, 개략적인 제작 과정을 설명하면 다음과 같다.
기판으로는 결정성을 갖는 반도체 웨이퍼(wafer)를 사용한다. 먼저 하부 전극을 금속을 증착하여 형성한다. 그 위에 하부 클래딩층(lower cladding layer; 10)과 코아층(core layer; 11)을 차례로 스핀 코팅하여 형성한다. 다음, 표준 리쏘그라피(lithography) 공정과 산소 플라즈마(oxygen plasma)에 의한 반응이온식각(reactive ion etching) 공정을 도입하여 도파층을 식각함으로써 립(rib) 도파로(13)를 형성한다. 그위에 상부 클래딩층(upper cladding layer; 12)을 스핀 코팅하여 제작한 후에 상부 전극을 하부 전극과 같은 방법으로 형성한다. 전기광학 폴리머에 전기광학 효과를 유발시키기 위해 전계 폴링(poling)을 수행하고 립 도파로 마스크 패턴과 전극 마스크 패턴을 정렬하여 구동 전극을 만든다. 마지막으로 입력광을 결합시키기 위하여 단면을 클리빙(cleaving)한다.
도 4c는 도 4a 및 도 4b에 도시된 디지털 광변조기가 TM(Transverse Magnetic)모드 입력광에 대한 전달 특성도로서, 초기 동작점이 오프(OFF)상태에 있고, 인가전압에 대한 디지털 동작 특성이 관측되었다. 도 4d는 도 4a 및 도 4b에 도시된 디지털 광변조기가 TM모드 입력광에 대하여 정현파 전압을 인가하였을 때 광변조 신호를 측정한 결과도로서, ±5 V와 ±30 V 전압을 인가한 경우 소멸비가 각각 10dB, 27dB로 측정된다.
인가된 전압이 작더라도 초기 동작점이 오프(OFF)상태에 있기 때문에 10 dB이상의 소멸비를 쉽게 얻을 수 있으나, 이 경우 입력 광파워를 모두 사용하지 못하게 되므로 소자의 삽입 손실(insertion loss)이 커진다. 즉, 구동 전압이 커질수록 소멸비는 커지고 손실은 작아진다. 구동 전압이 충분히 크지 않아서 생기는 손실을 추가 손실(excess loss)이라 정의한다.
전기광학 폴리머를 이용하여 구현된 본 발명의 소자는 구동 전압이 ±20 V 일 때 소멸비가 25 dB, 추가 손실은 3 dB이고, 구동 전압이 ±30 V 일 때 소멸비가 27 dB, 추가 손실은 0.8 dB이다. 전기광학 계수가 보다 큰 물질을 사용하여 소자를 제작하면 구동 전압을 상당히 낮출 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 외부 바이어스 회로가 필요없고, 디지털 응답 특성을 이용하여 입력광의 파장 및 편광에 무관하게 동작시킬 수 있기 때문에 단일 모드 광섬유에 기반한 파장 분할 다중화 방식의 광전송망에 사용될 경우 시스템의 구성이 간단해 진다.
그리고, 광변조 신호의 소멸비가 높아지고 파형의 왜곡이 줄기 때문에 시스템의 성능도 개선이 된다. 특히 폴리머를 재료로 하여 저가로 대량 생산이 가능해 지면 앞으로 FTTH(Fiber-To-The-Home) 광전송망에 대량으로 사용되기에 유리하다.
한편 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있다.

Claims (6)

  1. 단일의 입력포트와 복수의 출력포트를 갖추어서 상기 입력포트로 광이 입력되면 택일하여 어느 한 출력포트로 출력시키되, 상기 각각의 출력포트는 상호 차등적인 폭을 지닌 도파로의 종단에 각각 설치된 Y분기 광도파로와;
    상기 각각의 도파로상에 설치되어 전압인가시 상기 Y분기 광도파로내의 굴절율 변화를 일으키는 구동 전극을 구비하고,
    초기 동작점을 오프상태로 한 것을 특징으로 하는 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도파로들중에서 광변조 출력 포트로 사용되는 도파로의 폭이 다른 편 포트의 도파로 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 도파로간의 폭의 차는 1μm이하인 것을 특징으로 하는 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 초기 동작점은 상기 Y분기 광도파로의 비대칭 척도를 조절함에 의해 오프상태로 이동하는 것을 특징으로 하는 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 Y분기 광도파로는 폴리머를 재료로 하여 제작되는 것을 특징으로 하는 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 구동 전극은 푸시풀 구동에 의해 상기 Y분기 광도파로내의 굴절율을 변화시키는 것을 특징으로 하는 비대칭 Y분기 광도파로를 이용한 디지털 광변조기.
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