KR20010011526A - 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기에 있어서, 광민감성 도파로열 격자를 구비한 칩을 제조하는 제1과정과; 상기 제1과정에서 제조된 칩의 도파로열 격자에 자외선을 조사하는 제2과정을 포함하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법을 제공한다.

Description

평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법{CENTER WAVELENGTH CONTROL METHOD IN WAVELEGTH DIVISION MULTI/DEMULTIPLEXER WITH PLANAR ARRAYED WAVEGUIDE GRATING}
본 발명은 파장분할 다중/역다중화기에 관한 것으로서, 특히 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법에 관한 것이다.
파장분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 시스템은 다수 채널의 광 신호를 하나의 광섬유 케이블을 통해 전송함으로써 초고속, 대용량 정보 전송을 가능케 하고 있다. 상기 파장분할 다중화 시스템은 다수 채널의 광 신호를 하나의 광섬유에 다중화하고, 다중화된 광 신호를 다시 여러 개의 하위 노드로 역다중화하기 위해 파장분할 다중/역다중화기(Wavelegth division multi/demultiplexer)를 구비한다.
상기 파장분할 다중/역다중화기는 박막 필터(Thin film filter)나 양각 격자(Relief grating) 혹은 패브리-페롯 공진기(Fabry-Perot resonator) 등을 이용한 방식도 있으나, 보다 실용적이고 경제적인 방식으로서 1995년 반포된 논문 OPTICS LETTERS VOL.20, NO.1 p.43 ~ 45 등에 개시된 바 있는 평면 도파로열 격자(Planar Arrayed Waveguide Grating)를 구비한 파장분할 다중/역다중화기가 널리 적용되고 있다.
상기 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기는 입력 도파로(Input waveguides), 출력 도파로(Output waveguides), 제1슬랩(First slab), 제2슬랩(Second slab) 및 도파로열 격자(Arrayed waveguide grating)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 파장분할 다중/역다중화기에 의한 파장 다중화 과정을 살펴보면, 상기 입력 도파로를 통해 입력된 광은 제1슬랩을 통과하면서 각 채널별로 다중화되어 도파로열 격자의 해당 도파로에 입사된다. 상기 도파로를 통과한 광들은 각각 제2슬랩의 해당 포컬 포지션(Focal position)에 맺히게 되고, 출력 도파로를 통해 출력된다. 반면, 파장 역다중화 과정은 상기 파장 다중화 과정의 역순으로 진행된다.
상기 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기는 채널 간격 1nm 내외로 다수 채널의 광 신호가 밀집되어 있다. 따라서, 파장분할 다중화 시스템의 안정성을 위해, 파장분할 다중/역다중화기로부터 출력되는 각 채널별 광 신호의 중심파장을 조절하는 것은 매우 중요하다. 만약, 파장분할 다중/역다중화기에서 출력되는 각 채널의 중심파장이 미리 설계된 중심파장에서 조금만 이동(Shift)한다하더라도, 채널간 누화(Crosstalk)에 따른 광신호 대 잡음비(Optical Signal-to-Noise Ratio, OSNP)의 증가 등으로 인해 파장분할 다중화 시스템의 전체 성능을 저하시키게 된다.
뿐만 아니라, 국제통신연합(International Telecommunication Union, 이하 ITU)에서는 파장분할 다중화 시스템에 적용되는 각 채널의 중심파장을 전체 채널수에 따라 통일하여 정해놓고 있으며, 각 시스템 설계자들은 ITU에서 정한 각 채널별 중심파장을 기준으로 하여 파장분할 다중화 시스템을 설계하고 있다.
예를 들어, 16채널을 사용하는 파장분할 다중화 시스템에 있어서, ITU는 열번째 채널의 중심파장을 1552.52nm로 정해놓고 있으며, 그에 따라 각 파장분할 다중화 시스템은 열번째 채널의 중심파장을 1552.52nm(허용한도 ±0.04nm)에 맞춰 설계되고 있다. 따라서, 상기 파장분할 다중화 시스템에 적용되는 파장분할 다중/역다중화기는 각 채널별 중심파장을 미리 설계된 시스템의 각 채널별 중심파장과 일치시키거나, 최소한 시스템의 허용한도 이내에 맞추어야 한다.
한편, 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법에 적용되는 배경 원리에 대해 설명하기로 한다. 도파로열 격자의 중심파장은 다음에 제시된 수학식 1에 의해 정의된다.
(여기서, λ0는 도파로열 격자의 중심파장, nc는 도파로열 격자의 유효 굴절율, m은 회절 차수, ΔL은 인접한 도파로열간의 길이차를 말한다.)
상기 수학식 1에 의해 알 수 있는 바와 같이 도파로열 격자의 중심파장 λ0은 회절 차수 m을 상수로 볼 때, 도파로열 격자의 유효 굴절율 nc과 인접한 도파로열간의 길이차 ΔL로 결정된다. 따라서, 파장분할 다중화 시스템에 적용되는 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장을 시스템에서 요구하는 중심파장의 허용한도 이내에 맞춰 주기 위해서는 상기 도파로열 격자의 유효 굴절율 nc과 인접한 도파로열간의 길이차 ΔL를 조절해야 함을 알 수 있다.
종래 평면도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장을 조절하는 방법에는 평면도파로열 격자의 주변 온도(Ambient temperature)를 조절하는 방법과 광섬유 블럭(Optical fiber block)의 위치를 조절하는 방법이 있다. 상기 주변 온도 조절에 의한 중심파장 조절 방법은 1997년 반포된 바 있는 논문 IEICE Trans. Electron. VOL.E80 C, NO.5, p.622 ~ 623 등에, 상기 광섬유 블럭 위치 조절에 의한 중심파장 조절 방법은 1995년 반포된 바 있는 논문 IEEE Photon Technol. Lett.,VOL.7, p.1040 ~ 1041 등에 상세히 개시되어 있다.
도 1은 종래 주변 온도 조절에 의해 중심파장을 조절하는 파장분할 다중/역다중화기를 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 주변 온도 조절에 의해 중심파장을 조절하는 파장분할 다중/역다중화기는 모듈(10) 내부에 설치된 평면 도파로열 격자칩(12)과, 상기 평면 도파로열 격자칩(12)의 하부에 설치된 히터(14)를 포함한다.
상기 파장분할 다중/역다중화기는 주변 온도에 따라 도파로열 격자의 유효굴절율 nc이 변하는 특성을 이용하여, 히터(14) 구동에 의해 주변 온도를 변화시킴으로써 평면 도파로열 격자칩(12)에 형성된 도파로열의 중심파장을 조절한다.
그러나, 상술한 주변 온도 조절에 의한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법은 파장분할 다중/역다중화기 내의 적정 작동 온도 및 온도 변화에 따른 손실을 고려하여, 중심파장 조절범위를 0.02nm 정도 이내로 한정할 수 밖에 없어 중심파장 조절에 한계가 있었다.
도 2는 종래 광섬유 블럭에 의해 중심파장을 조절하는 파장분할 다중/역다중화기를 나타낸 일부 절개 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 광섬유 블럭에 의해 중심파장을 조절하는 파장분할 다중/역다중화기는 평면 도파로열 격자칩의 슬랩(2)과 연결된 입력측 성형 결합기(3)와, 상기 성형 결합기(3)와 결합된 광섬유 블럭(4)을 포함한다. 상기 파장분할 다중/역다중화기는 광섬유 블럭(4)의 좌우 위치를 변경함으로써 도파로열의 중심파장을 조절한다.
그러나, 상술한 광섬유 블럭을 이용한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법은 입력측 성형 결합기(3)를 제작하기가 어려울 뿐만 아니라, 입력측 성형 결합기(3)와 입력측 광섬유 블럭(4)과의 정렬이 난해하여 파장분할 다중/역다중화기의 가격 경쟁력 및 신뢰성에 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 넓은 중심파장 조절 범위를 가지는 한편 기본 구조 및 주변 온도의 변화없이 중심파장을 조절할 수 있는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기에 있어서, 광민감성 도파로열 격자를 구비한 칩을 제조하는 제1과정과; 상기 제1과정에서 제조된 칩의 도파로열 격자에 자외선을 조사하는 제2과정을 포함하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기에 있어서, 광민감성 도파로열 격자를 구비한 칩을 제조하는 제1과정과; 상기 제1과정에서 제조된 칩을 챔버 내에서 수소 처리하는 제2과정과; 상기 제2과정에서 수소 처리된 칩의 도파로열 격자에 자외선을 조사하는 제3과정을 포함하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법을 제공한다.
도 1은 종래 주변 온도 조절에 의해 중심파장을 조절하는 파장분할 다중/역다중화기를 나타낸 사시도,
도 2는 종래 광섬유 블럭에 의해 중심파장을 조절하는 파장분할 다중/역다중화기를 나타낸 일부 절개 사시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법을 나타낸 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도파로열 격자칩에 자외선을 조사하는 모습을 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도파로열 위에 위치한 마스크를 나타낸 평면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
310 : 레이저 광원 320 : 반사 거울
330 : 렌즈 340 : 마스크
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도파로열 격자칩에 자외선을 조사하는 모습을 나타낸 개략도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도파로열 위에 위치한 마스크를 나타낸 평면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 특징에 따른 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법은 크게 도파로열 격자칩 제조 과정(100), 격자칩 특성 측정 과정(200), 자외선 조사 과정(300) 및 중심파장 측정 과정(400)으로 이루어지며, 실시예에 따라 상기 자외선 조사(300) 과정 전에 수소 처리 과정(250)이 추가된다.
상기 도파로열 격자칩 제조 과정(100)은 실리콘(Silicon) 재질의 웨이퍼(Wafer)상에 도파로 패턴(Waveguide pattern)을 형성하는 과정이다. 상기 도파로열 격자칩 제조 과정(100)은 FHD(Flame Hydrosis Deposition), CVD(Chemical Vapor-phase Deposition) 또는 Sol-gel 공법 및 식각(Etching) 공정 등에 의해 이루어진다. 상기 도파로열 격자칩의 도파로에는 도파로의 굴절률을 높임과 동시에 광민감성(Photosensitivity)을 가지도록 게르마늄(Germanium)을 도핑(Doping)한다.
상기 격자칩 특성 측정 과정(200)은 제조된 도파로열 격자칩의 출력 중심파장을 측정하는 과정이다. 상기 격자칩 특성 측정 과정(200)은 제조된 도파로열 격자칩의 입력 도파로에 측정용 광원의 광을 입력하고, 상기 도파로열 격자칩의 출력 도파로를 스펙트럼 분석기 등의 측정 수단에 연결하여 이루어진다. 상기 격자칩 특성 측정 과정(200)을 통해 측정된 출력 중심파장은 후술할 자외선 조사 과정에 있어 자외선 조사 시간 및 레이저빔의 세기를 조절하는데 기준이 된다.
상기 수소 처리 과정(250)은 도파로열 격자의 광민감성을 증가시키기 위해 도파로열 격자칩에 수소를 로딩(Loading)하는 과정이다. 상기 수소 처리 과정(250)은 고온 고압의 수소 챔버 내에 상기 도파로열 격자칩을 넣고 일정 시간동안 방치함으로써, 상기 수소 챔버 내의 수소 분자가 도파로열 격자칩의 도파로열 내에 디퓨징(Diffusing)되도록 함으로써 이루어진다. 실험에 의하면, 상기 수소 처리 과정(250)을 거친 도파로열 격자는 수소 처리하지 않은 도파로열 격자에 비해 같은 세기, 같은 시간의 자외선 조사에 의해 100배 정도 굴절율 변화량이 더 증가된다.
상기 자외선 조사 과정(300)은 도파로열 격자칩의 도파로열 격자 해당 부분에 레이저 광원에서 방사되는 자외선을 조사하는 과정이다. 상기 자외선은 도파로열의 굴절률을 변화시켜, 결국 도파로열의 중심파장을 이동시킨다. 이때, 자외선의 조사 시간 및 레이저빔의 세기는 상기 격자칩 특성 측정 과정(200)을 통해 측정된 도파로열 격자의 중심파장을 기준으로 하여 결정한다.
상기 자외선 조사 과정(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 레이저빔을 방사하는 레이저 광원(310), 상기 레이저 광원(310)에서 방사된 레이저 빔을 반사시키는 반사 거울(320), 상기 반사 거울(320)을 통해 반사된 레이저 빔을 집중시키는 렌즈(330) 및 상기 레이저 빔을 평면 도파로열 격자칩(350)의 특정 부분에만 조사될 수 있도록 슬롯을 가진 마스크(340)로 구성된 자외선 조사 장치를 이용하여 시행한다. 상기 레이저 광원(310)으로는 248 nm KrF 엑시머 레이저(Eximer laser)나 193 nm ArF 엑시머 레이저를 사용할 수 있다.
특히, 상기 마스크(340)는 도 5에 도시된 바와 같이 소정의 중심각(θ)을 가진 삼각형 모양의 슬롯(341) 또는 역삼각형 모양의 슬롯(342) 또는 부채꼴 모양의 슬롯(344)을 가진다. 상기 슬롯(341, 342, 344)의 중심각(θ)은 도파로열 격자(352)의 중심파장 이동에 직접적인 영향을 미친다.
그러면, 상술한 바와 같이 본 발명의 특징에 따른 자외선 조사 및 마스크의 슬롯 중심각 변화에 따른 도파로열 격자의 중심파장 조절 원리를 다음에 제시되는 수학식 2를 통해 설명하기로 한다.
(여기서, Ln은 도파로열 격자의 n번째 도파로의 길이, L'n은 n번째 도파로의 전체 길이 중 자외선에 조사된 부분의 길이, n'c는 자외선 조사후 변화된 굴절율을 말한다.)
상기 수학식 2의 좌변을 정리한 뒤, 상기 수학식 2에서 상술한 바 있는 수학식 1을 빼면 다음과 같은 수학식 3을 얻을 수 있다.
(여기서, Δnc는 n'c- nc이고, ΔL'는 L'n- L'n+1, Δλ0는 λ'0- λ0을 말한다.)
수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이 도파로열 격자의 중심파장 변화 Δλ0는 굴절율의 변화량 Δnc와 굴절율이 변한 길이의 차 ΔL'에 의해 조절될 수 있다. 상기 굴절율의 변화량 Δnc는 자외선 레이저의 세기 및 자외선 조사 시간에 의해 조절되며, 상기 자외선 레이저의 세기를 높일수록 혹은 자외선 조사 시간을 늘릴수록 굴절율의 변화량이 증가한다.
또한, 역삼각형 모양의 슬롯(342)을 가진 마스크(340) 사용시 상기 굴절율이 변한 길이의 차 ΔL'는 마스크에 형성된 슬롯의 중심각(θ)을 증가시킬수록 증가한다. 왜냐하면, 상기 슬롯의 중심각(θ)을 증가시킬수록 자외선에 노출되어 굴절율이 변하는 도파로열 격자간의 길이 차이가 더욱 늘어나기 때문이다. 반면, 삼각형 모양의 슬롯(341)을 가진 마스크(340) 사용시 상기 굴절율이 변한 길이의 차 ΔL'는 마스크에 형성된 슬롯의 중심각(θ)을 증가시킬수록 감소한다.
본 발명의 특징에 따른 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법은 상기 자외선 레이저의 세기, 자외선 조사 시간 및 마스크의 중심각 조절을 통해 도파로열 격자의 중심파장을 원하는 파장으로 조절할 수 있는 것이다.
한편, 상기 중심파장 측정 과정(400)은 자외선 조사 과정(300)을 통해 굴절률이 변화된 출력 중심파장을 측정하는 과정이다. 상기 중심파장 측정 과정(400)은 도파로열 격자칩의 입력 도파로에 측정용 광원의 광을 입력하고, 상기 도파로열 격자칩의 출력 도파로를 스펙트럼 분석기 등의 측정 수단에 연결하여 행한다.
제조자는 측정된 출력 중심파장을 파장분할 다중/역다중화기가 적용될 파장분할 다중화 시스템의 설계값과 비교하여 허용한도 이상의 오차가 있을 경우, 상기 자외선 조사 과정(300)을 반복하여 추가로 도파로열 격자의 중심파장을 조절할 수도 있다.
〈 실시예 〉
FHD 공법과 ICP(Inductively Coupled Plasma) 식각 공정을 거쳐 평면 도파로열 격자칩을 제조하였다. 이어, 제조된 평면 도파로열 격자칩을 측정용 광원 및 스펙트럼 분석기에 연결하여 도파로열의 굴절률 및 출력 중심파장 등의 특성을 측정하였다. 이어, 상기 도파로열 격자칩을 100 ℃, 100 기압 환경의 수소 챔버 내에 넣고 48시간동안 수소 처리하였다.
그 다음, 500 mJ/cm2, 248 nm의 KrF 엑시머 레이저를 이용하여 30 Hz의 레이저빔을 상기 수소 처리된 도파로열 격자칩에 5분간 조사하였다. 이때, 상기 레이저빔은 역삼각형 모양의 슬롯을 구비한 마스크를 통과하도록 하였으며, 사용된 마스크의 슬롯 중심각은 60도였다.
상술한 실시예에 따라 제조된 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 특성을 측정해 본 결과, 도파로열 격자칩의 도파로열 중심파장은 자외선을 조사하기 전에 비해 약 1.3 nm 정도 장파장 쪽으로 이동하였다.
상기 실시예에서도 알 수 있는 바와 같이 도파로열 격자칩에 자외선을 조사함으로써 도파로열의 중심파장이 이동되며, 이때 상기 도파로열의 중심파장이 이동하는 정도는 자외선 조사 시간, 자외선 조사 범위 및 자외선 세기에 의해 결정된다. 또한, 상기 자외선 조사 과정 전에 도파로열 격자칩을 수소 처리하게 되면, 상기 도파로열의 광민감성이 증대되어 더욱 효율적으로 도파로열의 중심파장을 이동시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법은 기본 구조의 변화없이도 도파로열 격자의 출력 증심파장을 조절할 수 있어 생산성 및 신뢰성이 향상되고, 주변 온도의 변화없이 중심파장 조절이 가능하므로 보다 넓은 범위에 걸쳐 도파로열 격자의 출력 중심파장을 조절할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기에 있어서,
    광민감성 도파로열 격자를 구비한 칩을 제조하는 제1과정과;
    상기 제1과정에서 제조된 칩의 도파로열 격자에 자외선을 조사하는 제2과정을 포함하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제2과정의 자외선은 슬롯을 가진 마스크를 통과하여 도파로열 격자의 해당 부분에 조사되는 것을 특징으로 하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 마스크는 소정의 중심각을 가진 역삼각형 모양의 슬롯을 구비한 것을 사용함을 특징으로 하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 마스크로는 소정의 중심각을 가진 부채꼴 모양의 슬롯을 구비한 것을 사용함을 특징으로 하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법.
  5. 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기에 있어서,
    광민감성 도파로열 격자를 구비한 칩을 제조하는 제1과정과;
    상기 제1과정에서 제조된 칩을 챔버 내에서 수소 처리하는 제2과정과;
    상기 제2과정에서 수소 처리된 칩의 도파로열 격자에 자외선을 조사하는 제3과정을 포함하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제3과정의 자외선은 슬롯을 가진 마스크를 통과하여 도파로열 격자의 해당 부분에 조사되는 것을 특징으로 하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 마스크는 소정의 중심각을 가진 역삼각형 모양의 슬롯을 구비한 것을 사용함을 특징으로 하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 마스크는 소정의 중심각을 가진 부채꼴 모양의 슬롯을 구비한 것을 사용함을 특징으로 하는 평면 도파로열 격자를 구비한 파장분할 다중/역다중화기의 중심파장 조절 방법.
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