KR20000042818A - 높은 아이솔레이션을 갖는 평면도파로형 다단계 파장분할다중필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광통신 기술에 관한 것으로, 특히 높은 아이솔레이션(isolation)을 갖는 평면도파로(Planar Light-wave Circuit, PLC)형 다단계 파장분할다중(Wavelength Division Multiplex, WDM) 필터(filter)에 관한 것이며, PLC형 WDM 필터를 다단으로 구성함에 있어서, 방사 모드 또는 클래드 모드로 클래드에 존재하는 광에 의한 아이솔레이션의 저하를 최소화할 수 있는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 PLC형 WDM 필터를 다단계로 구성함에 있어서, 전단 필터의 출력단에 연결되지 않은 후단 필터의 입력단을 전단 필터의 입력단까지 연장하거나, 전단 필터의 출력단에 연결되지 않은 후단 필터 앞 부분에 클래드와 굴절률이 다른 물질층을 삽입하는 방법으로, 전단 필터에서 방사되어 클래드에 방사 모드 또는 클래드 모드로 존재하는 광이 후단 필터의 입력단으로 입사되는 것을 최소화하는 기술이다.

Description

높은 아이솔레이션을 갖는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터

본 발명은 광통신 기술에 관한 것으로, 특히 높은 아이솔레이션(isolation)을 갖는 평면도파로(Planar Light-wave Circuit, PLC)형 다단계 파장분할다중(Wavelength Division Multiplex, WDM) 필터(filter)에 관한 것이다.

광통신망에서 WDM 방식의 광신호 전송은 일반화되었다. WDM 방식의 전송에서 중요한 성능 특성의 하나가 다른 파장이 광신호를 분리해내는 정도를 나타내는 아이솔레이션(isolation)이다. WDM용 필터에는 여러 종류가 있다. 즉, 파브리-페로 공진기(Fabry-Perot resonator)의 원리에 의한 박막형의 필터가 있고, 광섬유를 융해(fusion) 결합에 의해 형성한 광섬유형 필터가 있다. 또한, FHD(Flame Hydro Deposition)에 의한 증착 및 ICP(Inductively Coupled Plasma)에 의한 패터닝을 통해 제작되는 평면도파로형 필터가 있다.

이와 같은 WDM용 필터 형태 중 아이솔레이션이 가장 좋은 것은 박막형 필터이다. 그러나, 이는 양산에 적합하지 않으므로 저가격화에 한계가 있고, 집적화가 어려우므로 부피가 큰 단점이 있다. 한편, 광섬유형 필터 및 평면도파로형 필터는 아이솔레이션이 상대적으로 떨어지는 단점이 있으나, 이 중 평면도파로형 필터는 양산에 적합하고 집적화가 가능하여 그 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.

한편, 평면도파로형 필터로 구성할 수 있는 WDM 필터로는 방향성 결합기(directional coupler)가 있고, 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer), AWG(Arrayed Waveguide Grating) 등이 있다. 다중화되는 파장간의 간격에 따라 사용되는 필터의 종류가 다른데, 1.31㎛/1.55㎛와 같이 파장 간격이 클 때 사용될 수 있는 형태가 방향성 결합기, 마하-젠더 간섭계이고, 파장 간격이 0.01㎛ 정도로 작은 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex)에 사용될 수 있는 형태가 마하-젠더 간섭계, AWG이다.

첨부된 도면 도 1은 일반적인 방향성 결합기의 구조를 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 종래의 평면도파로형 필터에 대하여 살펴본다.

광도파로의 동작특성은 매트릭스(matrix)를 이용하여 설명할 수 있다. 도 1에서 입력단 I₁, I₂에서의 전자파를 라 하고, 출력단 O₁, O₂에서의 전자파를 라고 하면 입출력 전자파 사이에는 다음의 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.

여기서, M_coupler는 결합기의 전송 매트릭스로서 다음의 수학식 2와 같이 나타낸다.

여기서, l 은 결합기의 결합부분의 길이를 나타내며, k는 결합세기로서 다음의 수학식 3과 같이 정의된다.

여기서, n_eff 는 유효 굴절율, λ는 파장을 나타낸다.

결합세기 k가 파장에 따라 다른 이유는 결합기의 결합부분의 두 도파로간의 간격이 같더라도, 파장이 크면 도파로 밖에 존재하는 전자장 부분이 많으므로 두 도파로에 존재하는 전자장간의 간섭이 강하게 되기 때문이다. 즉, 파장이 클수록 간섭은 강하게 된다.

광의 세기는 전자파에 의하여 다음의 수학식 4와 같이 표현된다.

P=EE^*

따라서, 각 출력단 O₁, O₂에서의 출력광의 세기 (PO₁,PO₂) 와 각 입력단 I₁, I₂에서의 입력광의 세기 (PI₁,PI₂) 는 다음의 수학식 5와 같은 관계를 가진다.

PO₁=cos²(kl)PI₁+sin²(kl)PI₂

PO₂=sin²(kl)PI₁+cos²(kl)PI₂

상기 수학식 5에서 알 수 있는 바와 같이 출력단에서의 광의 세기는 파장의 함수로 나타난다. 방향성 결합기를 이용하는 필터는 각 단자에서의 광의 세기가 파장에 따라 다르다는 현상을 이용하는 것으로서, 예를 들어, 입력단 I₁로 λ₁,λ₂ 의 파장을 갖는 광이 입사되었을 때 결합기의 길이, 도파로 간의 간격 등의 구조를 적당히 조절하여 λ₁ 의 광은 출력단 O₁로, λ₂ 의 광은 출력단 O₂로 나오게 함으로써 다른 파장의 광을 분리하는 것이다.

첨부된 도면 도 2a는 1.31㎛/1.55㎛의 광이 분리될 때 1.31㎛ 파장 광의 진행 경로(1→2')를, 도 2b는 1.55㎛ 파장 광의 진행 경로(2→1')를 각각 도시한 것이다.

이상과 같이 광섬유형 또는 평면도파로형의 필터를 구현할 수 있으나, 앞서 설명한 바와 같이 광섬유형 또는 평면도파로형의 필터는 아이솔레이션이 박막형 필터에 비해서 떨어지기 때문에, 이를 보완하기 위하여 필터를 다단계로 구성하여 아이솔레이션을 높이고자 하는 시도가 있었다[IEEE Electronics Letters vol23, No.9, 1987 참조].

첨부된 도면 도 3은 방향성 결합기가 2단계로 구성된 다단계 필터를 도시한 것으로, 입력단 1로 1.31㎛/1.55㎛ 파장의 광이 입사하여 도파로 4로 1.55㎛ 광이 주로 나오고, 도파로 5로 1.31㎛ 광이 주로 나온다. 이때, 결합기의 아이솔레이션이 20dB라면 도파로 4로 나오는 1.31㎛ 광은 도파로 5로 나오는 1.31㎛ 광에 비해서 1/100이 된다. 이는 1.55㎛ 광에 대해서도 마찬가지가 성립된다. 또한, 도파로 4를 통하여 결합기 2로 입력된 1.55㎛ 광은 주로 출력단 8로 나가고, 1.31㎛ 광은 출력단 7로 나간다. 도파로 4를 통하여 커플러 2로 입력되는 1.31㎛ 광의 1/100은 출력단 8로 출력된다. 따라서, 입력단 1로 입사되는 1.31㎛ 광의 1/(100x100)이 출력단 8로 출력된다. 이는 1.55㎛ 광에 대해서도 같은 현상을 보이게 된다. 결국 필터를 2단으로 구성함으로 인해 아이솔레이션이 2배로 향상되었다.

일견 이와 같은 방법으로 여러 단으로 구성하면 아이솔레이션을 계속 증가시킬 수 있을 것으로 생각할 수 있으나, 사실은 이와 다르다. 그 이유는 광이 도파로에 완전히 구속되지 않고 미세한 량이 도파로 밖의 클래드(clad) 부분에 방사 모드 또는 클래드 모드로 존재하게 된다. 특히, 벤드(bend)와 같은 곡선 도파로 부분에서 많이 빠져나가는데, 도 3에서 보면 S 벤드(A)에서 가장 많은 광이 빠져나간다. 이처럼 도파로 밖으로 빠져나간 광은 그 후단에 있는 결합기 2, 3의 입력단인 입력단 3, 6으로 입사하게 되므로 이러한 방사광에 의하여 결합기를 여러 단으로 구성하더라도 아이솔레이션의 증가에 있어서는 제한을 받게 된다. 즉, 1.31/1.55㎛ 파장의 광이 입력단 1로 입사하면 1.31㎛ 파장은 이상적으로는 도파로 5를 거쳐서 출력단 10으로 나와야 하고 1.55㎛ 파장은 도파로 4를 거쳐서 출력단 8로 나와야 한다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 클래드에 존재하는 광 후단의 결합기의 입력단 중 전단의 결합기에 연결되지 않은 입력단(3, 6)으로 입사되면, 아이솔레이션이 감소할 수 있다. 1.31㎛ 파장의 경우, 클래드에 존재하는 광이 입력단 3으로 입사되면 1.55㎛ 파장의 출력단 8로 나오게 되어 아이솔레이션을 저하시키게 된다.

본 발명은 PLC형 WDM 필터를 다단으로 구성함에 있어서, 방사 모드 또는 클래드 모드로 클래드에 존재하는 광에 의한 아이솔레이션의 저하를 최소화할 수 있는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 방향성 결합기의 구성도.

도 2a는 1.31㎛/1.55㎛의 광이 분리될 때 1.31㎛ 파장 광의 진행 경로(1→2')를 도시한 도면.

도 2b는 1.55㎛ 파장 광의 진행 경로(2→1')를 도시한 도면.

도 3은 방향성 결합기가 2단계로 구성된 다단계 필터의 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 2단계 파장분할다중 필터의 예시도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단계 파장분할다중 필터의 구성도.

도 6은 도 5에 도시된 필터의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

70 : 실리콘 기판

71 : 클래드

72 : 코아

80 : 후단 결합기의 입력단

90 : 공기층

본 발명은 PLC형 WDM 필터를 다단계로 구성함에 있어서, 전단 필터의 출력단에 연결되지 않은 후단 필터의 입력단을 전단 필터의 입력단까지 연장하거나, 전단 필터의 출력단에 연결되지 않은 후단 필터 앞 부분에 클래드와 굴절률이 다른 물질층을 삽입하는 방법으로, 전단 필터에서 방사되어 클래드에 방사 모드 또는 클래드 모드로 존재하는 광이 후단 필터의 입력단으로 입사되는 것을 최소화하는 기술이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 단위 필터를 다단계로 구비한 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터에 있어서, 전단 필터에 연결되지 않은 후단 필터의 입력단이 실질적으로 상기 전단 필터의 입력단까지 연장되어 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 단위 필터를 다단계로 구비한 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터에 있어서, 전단 필터에 연결되지 않은 후단 필터의 입력단 앞 부분의 클래드에 상기 클래드와 다른 굴절률을 가지는 물질층이 삽입된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

첨부된 도면 도 4는 본 발명에 따른 2단계 파장분할다중 필터의 예시도로서, 이하 이를 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명한다.

도시된 2단계 필터는 전단의 결합기 1에 연결되지 않은 후단 결합기 2, 3의 입력단(13, 16)을 전단의 결합기 1의 입력단(11, 12)까지 연장시킨 구성을 가지고 있다. 이에 따라, S 벤드 부분(B)에서 광이 도파로 밖으로 빠져나가더라도 후단 결합기로 입사되는 광을 최소화할 수 있다.

클래드에 존재하는 방사 모드 또는 클래드 모드는 도파로에 존재하는 코아 모드와 결합하기가 쉽지 않으나, 상기 도 3에서와 같이 후단 결합기의 입력단이 중간에 있을 경우 클래드에 존재하는 광 중에서 입력단의 NA(Numerical Aperture) 조건을 만족하면 클래드에 존재하는 방사광이 후단의 입력단으로 입사될 수 있는 것이다.

그러나, 상기의 도 4와 같이 후단의 결합기 2, 3의 입력단(13, 16)이 전단 결합기 1의 입력단(11, 12)까지 연장되어 있으면, 입력단(13, 16)을 통하여 입사되는 방사광을 최소화 할 수 있다. 도면에서 도면 부호 '14', '15'는 도파로, '17', '18', '19', '20은 출력단을 각각 나타낸 것이다.

첨부된 도면 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단계 파장분할다중 필터를 도시한 것으로, 도시된 2단계 필터는 후단의 결합기 2, 3의 입력단(53, 56) 앞 부분에 공기층을 배치한 구성을 가지고 있다. 이에 따라, 전단의 결합기 1의 S 벤드 부분(C)에서 광이 도파로 밖으로 빠져나가더라도 후단의 결합기 2, 3으로 입사되는 광을 최소화할 수 있다. 도면 부호 '51', '52'는 입력단, '54', '55'는 도파로, '57', '58', '59', '60'은 출력단을 각각 나타낸 것이다.

이를 첨부된 도면 도 6을 통해 좀 더 자세히 설명하면, 도시된 바와 같이 평면도파로의 구조는 실리콘 기판(70) 상에 클래드(71)/코아(72)/클래드(71)의 구조로 되어 있는데, 클래드는 주로 실리카(silica)로 제작한다. 이때, 후단 결합기의 입력단(80) 앞 부분의 클래드(71)의 일부분을 식각하여 중간에 공기층(90)을 만들면 전단의 결합기(도시되지 않음)의 S 벤드 부분에서 빠져나와 방사 모드 또는 클래드 모드로 클래드(71)에 존재하는 광이 실리카와 공기의 굴절율 차에 의해 그 계면에서 반사되기 때문에 후단 결합기의 입력단(80)으로 입사되는 광을 최소화할 수 있다. 여기서, 공기층(90)은 진공 상태로 구성할 수 있으며, 공기층(90)을 대신하여 클래드(71)와 굴절율이 다른 물질로 대체할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

예를 들어, 전술한 실시예에서는 2단계 방향성 결합기를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 그 이상의 단으로 다단계 필터를 구성하는 경우에 적용할 수 있으며, 마하-젠더 간섭계, AWG 등의 다른 평면도파로형 필터에도 적용 가능하다.

전술한 본 발명은 평면도파로형 다단계 WDM 필터의 아이솔레이션을 개선할 수 있으며, 그 구현에 있어서 고난이도의 공정이나 추가적인 장비를 필요로 하지 않아 경제성 측면에서도 유리하다.

Claims (9)

1. 단위 필터를 다단계로 구비한 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터에 있어서,

   전단 필터에 연결되지 않은 후단 필터의 입력단이 실질적으로 상기 전단 필터의 입력단까지 연장되어 배치된 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 단위 필터가,

   방향성 결합기인 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 단위 필터가,

   마하-젠더 간섭계인 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 단위 필터가,

   AWG(Arrayed Waveguide Grating)인 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.
5. 단위 필터를 다단계로 구비한 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터에 있어서,

   전단 필터에 연결되지 않은 후단 필터의 입력단 앞 부분의 클래드에 상기 클래드와 다른 굴절률을 가지는 물질층이 삽입된 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 물질층이,

   공기층(진공 포함)인 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 단위 필터가,

   방향성 결합기인 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 단위 필터가,

   마하-젠더 간섭계인 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.
9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 단위 필터가,

   AWG(Arrayed Waveguide Grating)인 것을 특징으로 하는 평면도파로형 다단계 파장분할다중 필터.