KR20000059708A - 가변광감쇠기의 차단형 광변조기 - Google Patents

Abstract

테이퍼된 폴리머 도파로를 갖는 차단형 광변조기를 이용한 가변광감쇠기에 관한 것으로, 광의 진행 방향과 동일한 방향 또는 광의 진행 방향과 수직한 방향으로 그래디언트(gradient)하게 테이퍼된 폴리머 도파로를 이용하여 열광학 차단형 광변조기를 제작함으로써, 구동전력을 줄이고 제작을 용이하게 한다. 이 가변광감쇠기는 각 채널의 광신호를 균일하게 하여 장거리 광신호 전송을 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

가변광감쇠기의 차단형 광변조기{cutoff modulator of variable optical attenuator}

본 발명은 파장분할 다중화 광통신 시스템의 가변광감쇠기에 관한 것으로, 특히 테이퍼된 폴리머 도파로를 갖는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기에 관한 것이다.

최근 급증하는 다양한 형태의 정보를 효과적으로 전송하기 위하여 파장 분할 다중화 광통신 시스템(wavelength division multiplexed optical communication system)이 활발히 개발 및 보급되어 왔다.

이러한 광통신시스템에서는 파장이 각기 다른 여러 개의 광원에 각각 다른 정보를 저장한 후, 이를 다중화하여 하나의 광섬유를 통하여 전송한다.

그리고, 수신단에서는 이 다중화된 신호를 역다중화하여 분리한 후 각 파장별로 광신호를 수신한다.

한편, 광신호를 장거리 전송하기 위해서는 광신호가 감소되는 것을 감안하여 전송 중간중간에 광 증폭기(optical amplifier)를 사용하는 것이 필수적이다.

이때, 광 증폭기의 이득과 역다중화기의 특성이 파장에 따라 다르기 때문에 각 파장별 광 출력이 서로 다르게 된다.

만일 이러한 상태로 다중화된 후, 전송된다면 파장별 광 출력의 불균일성이 더욱 심화되어 신호의 특성이 저하되어 궁극적으로 전송이 불가능해진다.

그러므로, 각 파장별 광신호의 세기를 균일하게 하게 위해서는 가변광감쇠기가 필요하다.

일반적으로 광감쇠기는 광신호가 가장 작은 파장을 기준으로 하여 다른 파장의 신호를 감소시키는 역할을 한다.

종래 기술의 광감쇠기는, 예를 들면 모터를 이용하여 기계적으로 광섬유를 움직이는 소자, 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system : MEMS) 액츄에이터(actuatuor)를 이용한 소자, 광섬유의 일부를 갈아낸 후 그 표면에 특수 물질을 코팅한 소자, 그리고 실리카(silica)기판 위에 열광학 효과(thermooptic effect)를 이용한 마하젠더 간섭계형 광 변조기(Mach-Zehnder interferometric modulator) 소자 등이 알려져 있다.

그러나, 기계적인 광감쇠기와 광섬유를 갈아서 만든 광감쇠기 등은 크기가 크고 다른 광소자와의 집적이 불가능한 문제점이 있다.

그리고 MEMS 소자와 실리카 소자를 이용한 광감쇠기는 구동 전압 및 전력이 많이 드는 문제점이 각각 있다.

반면에, 최근에 광소자 제작을 목적으로 활발히 연구되어온 폴리머는 열광학 효과가 크고 소자의 구조가 간단하고 제작이 용이한 장점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 테이퍼된 폴리머 광도파로를 이용하여 구동 전력을 줄이고 다른 소자와의 집적이 용이한 가변광감쇠기의 차단형 광변조기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 횡방향 테이퍼 광도파로를 갖는 차단형 광변조기를 보여주는 도면

도 2a 및 도 2b는 수직 방향 테이퍼 광도파로를 갖는 차단형 광변조기를 보여주는 도면

도 3은 본 발명에 따른 차단형 광변조기의 전달 특성을 보여주는 그래프

본 발명에 따른 가변광감쇠기의 차단형 광변조기의 특징은 하부 클래드층, 코어층, 상부 클래드층이 순차적으로 형성된 광도파로를 갖는 광변조기에 있어서, 광도파로는 광의 진행 방향과 동일한 방향, 광의 진행 방향과 수직한 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 그래디언트(gradient)하게 테이퍼되는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 광도파로를 도파로 패턴의 안쪽 부분의 코어층은 광의 진행 방향으로 동일한 두께를 가지고 그 폭이 서서히 변하며, 도파로 패턴 바깥 부분의 코어층은 중심부분의 코어층 보다 두께가 작으며 광의 진행 방향으로 동일한 두께를 가지고 그 폭이 서서히 변하도록 형성하는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 광도파로를 도파로 패턴 안쪽 부분의 코어층은 광의 진행 방향으로 동일한 두께 및 폭을 가지고, 도파로 패턴 바깥 부분의 코어층은 중심부분의 코어층 보다 두께가 작으며 광의 진행 방향으로 동일한 폭을 가지고 그 두께가 서서히 변하도록 형성하는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 가변광감쇠기의 차단형 광변조기를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 개념은 광의 진행 방향과 동일한 방향 또는 광의 진행 방향과 수직한 방향으로 그래디언트(gradient)하게 테이퍼된 폴리머 도파로를 이용하여 열광학 차단형 광변조기를 제작함으로써, 구동전력을 줄이고 제작을 용이하게 하는데 있다.

도 1 및 도 2a, 도 2b는 본 발명에 따른 가변광감쇠기의 차단형 광변조기의 구조를 보여주는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 가변광감쇠기의 차단형 광변조기의 전달특성을 보여주는 그래프이다.

먼저, 도 1은 광의 진행방향(z 방향)을 따라서 도파로의 폭이 서서히 변하는 횡방향 테이퍼 도파로(laterally tapered waveguide)를 갖는 소자를 보여주는 도면이며, 테이퍼 영역에는 Ⅰ-Ⅰ, Ⅱ-Ⅱ, Ⅲ-Ⅲ 선상에 따른 단면 모양의 변화도 함께 보여주고 있다.

여기서, 도파로는 하부 클래딩(lower cladding), 코어(core), 그리고 상부 클래딩(upper cladding) 세 개의 폴리머층들을 순차적으로 스핀코팅하여 형성된다.

이때, 도파로 패턴 밖의 코어층은 적절하게 식각되기 때문에 도파로 패턴 내의 코어층의 두께가 바깥의 코어층의 두께보다 크다.

따라서, 도파로 패턴 내의 유효굴절률이 바깥보다 커지게 되어 도파 모드 조건이 만족된다.

이 소자의 기본 동작원리를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 전극에 외부 전력이 인가되지 않은 경우, 도파로 패턴 내의 유효굴절률이 밖보다 충분히 크기 때문에 입력된 광이 손실 없이 도파된다.

이때, 초기 동작점이 도 3에서 b 지점에 위치하게 된다.

한편, 전력이 인가되면 열광학효과에 의하여 폴리머의 굴절률이 감소하고 이로 인하여 도파로의 유효굴절률도 감소한다.

따라서, 도파 모드의 손실이 증가하고 출력광 파워가 감소한다.

인가전력이 더욱 증가하면 도파 모드가 사라지는 차단 영역(d 지점)으로 접어들게 되어 출력광 파워가 급격히 감소한다.

만약 테이퍼가 되지 않은 단순 직선광도파로를 사용하면 초기 동작점이 도 3에서 a 지점에 위치하게 된다.

반면에 테이퍼된 도파로의 경우, 초기 동작점이 b 지점으로 이동하게 된다.

결과적으로 테이퍼된 도파로를 도입함으로써, 일정한 양만큼 광신호의 세기를 줄이는데 필요한 전력을 줄일 수 있다.

그리고, 도 2a는 수직 방향으로 테이퍼된 폴리머 도파로(vertically tapered waveguide)로 이루어진 차단형 광변조기의 구조를 보여주는 도면이고, 테이퍼 영역에는 Ⅰ-Ⅰ, Ⅱ-Ⅱ, Ⅲ-Ⅲ 선상에 따른 단면 모양의 변화도 함께 보여주고 있다.

여기서, 도파로의 폭은 일정하고 도파로 패턴 밖의 코어층의 식각 깊이가 점차적으로 변화한다.

또한, 도 2b는 도 2a의 도파로 영역에서 코어층의 식각 깊이 변화를 보여주는 측면도이다.

먼저, 입력단 영역 A에서의 식각 깊이는 광섬유와의 결합손실이 최소가 되도록 결정된다.

전극이 존재하는 소자의 가운데 영역 C에서는 식각 깊이를 영역 A에 비해 감소시켜 도파로의 유효굴절률을 줄인다.

따라서, 초기 동작점이 도 3의 a 지점에서 b 지점으로 이동된다.

그리고, 테이퍼 영역 B에서는 영역 A과 영역 C가 추가손실 없이 자연스럽게 연결되도록 식각 깊이가 점진적으로 변화된다.

광의 진행방향으로 도파로 패턴 밖에서 코아층의 식각 깊이가 입출력단에서는 크고 테이퍼 영역에서는 점점 변화하고 전극이 있는 가운데 영역에서는 작음을 알 수 있다.

이러한 수직방향 테이퍼 구조를 도입함으로써, 도 1의 구조와 유사하게 초기 동작점의 위치가 도 3의 a 지점에서 b 지점으로 이동하게 되어 일정한 광감쇠에 필요한 구동전력을 줄일 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 테이퍼된 폴리머도파로를 이용하여 열광학 차단형 광변조기를 제작하기 때문에 구동전력을 줄일 수 있는 잇점이 있다.

또한, 구조가 간단하고 제작이 용이하며 다른 소자와의 집적이 용이한 장점도 있다.

그리고, 수동 폴리머 대신에 전계에 따라 굴절률이 변하는 특성을 갖는 전기광학폴리머를 이용하면 전기광학효과에 의해 수십 GHz대역의 고속에서 동작하는 가변광감쇠기도 동일한 구조로 제작이 가능하다.

본 발명은 파장분할다중화 광통신 시스템에서, 각 파장에 따라 불균일한 광신호의 세기를 적절하게 감소시킬 수 있는 저속 및 고속용 가변광감쇠기에 관한 것으로, 각 채널의 광신호를 균일하게 하여 장거리 광신호 전송을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 하부 클래드층, 코어층, 상부 클래드층이 순차적으로 형성된 광도파로를 갖는 광변조기에 있어서,

   상기 광도파로는 광의 진행 방향과 동일한 방향, 광의 진행 방향과 수직한 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 그래디언트(gradient)하게 테이퍼되어 형성되는 것을 특징으로 하는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로는 상기 광의 진행 방향을 따라서 도파로의 폭이 서서히 변하는 횡방향 테이퍼 도파로인 것을 특징으로 하는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 횡방향 테이퍼 도파로는 중심부분의 코어층은 광의 진행 방향으로 동일한 두께를 가지고 그 폭이 서서히 변하며, 도파로 패턴 바깥 부분의 코어층은 상기 도파로 패턴 안쪽 부분의 코어층 보다 두께가 작으며 광의 진행 방향으로 동일한 두께를 가지고 그 폭이 서서히 변하는 것을 특징으로 하는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 횡방향 테이퍼 도파로에서, 테이퍼된 영역의 도파로 폭은 도파로 폭이 가장 작은 영역을 중심으로 서로 대칭되도록 변하는 것을 특징으로 하는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로는 상기 광의 진행 방향과 수직한 방향으로 단면의 크기가 서서히 변하는 수직 방향 테이퍼 도파로인 것을 특징으로 하는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 수직 방향 테이퍼 도파로는 도파로 패턴 안쪽 부분의 코어층은 상기 광의 진행 방향으로 동일한 두께 및 폭을 가지고, 도파로 패턴 바깥 부분의 코어층은 상기 도파로 패턴 안쪽 부분의 코어층 보다 두께가 작으며 광의 진행 방향으로 동일한 폭을 가지고 그 두께가 서서히 변하는 것을 특징으로 하는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 수직 방향 테이퍼 도파로에서, 테이퍼된 영역의 도파로 두께는 도파로 두께가 가장 작은 영역을 중심으로 서로 대칭되도록 변하는 것을 특징으로 하는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 광도파로는 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변광감쇠기의 차단형 광변조기.