KR20010025422A - 측면 연마된 광섬유 상에 형성된 평면 도파로의 굴절률변화에 의한 격자형 광섬유 필터의 파장 가변기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광통신의 파장분할 다중화(wavelength Division Multiplexing) 및 파장 가변형 광섬유 레이저 등에 응용할 수 있는 격자형 광섬유(Fiber bragg grating)의 파장 가변 방법에 관한 것이며, 격자가 주기적으로 형성된 광섬유의 코어에 외부에서 적당한 섭동을 가함으로서 파장 가변을 시킬 수 있는 새로운 형태의 구조이다.

이를 위하여 본 발명은 격자가 형성된 곳의 클래딩 층을 적당한 깊이로 측면 연마하고 그 위에 폴리머 기반의 평면 도파로를 만들어 격자의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있도록 함으로서 중심 파장을 가변시킬 수 있도록 하였다.

Description

측면 연마된 광섬유 상에 형성된 평면 도파로의 굴절률 변화에 의한 격자형 광섬유 필터의 파장 가변기{Turnable fiber bragg grating filters using refractive index change of the multimode optical waveguide fabricated on the side polished fiber}

오늘날 광통신 시스템은 파장분할 다중화(Wavelength division multiplexing, WDM)를 위한 완전 광 능동 소자의 필요성이 매우 증대되고 있다. 그 중에서, 광섬유의 코어에 주기적인 굴절률의 변화를 준 격자형 광섬유(Fiber bragg grating, FBG)는 센서 뿐만 아니라 광통신 시스템에도 다양한 기능으로 폭 넓게 활용하고 있다. 그러나, 광통신의 파장분할 다중화 및 파장 가변형 광섬유 레이저 등에 응용하기 위해서는 중심 파장의 빠른 가변이 필요하지만 격자의 주기는 물리적으로 고정되기 때문에 적절한 파장 가변 기술이 적용되어야 한다. 광섬유에 길이 방향으로 기계적인 힘을 가하여 격자의 주기를 변화시키는 방법과 열팽창 계수를 이용하기 위해 격자 부분에 열을 가하여 중심파장을 가변시키는 방법, 높은 전장에 의한 광섬유의 전기광학 효과를 이용하는 방법이 있다. 모터를 이용하여 기계적인 인장을 가할 경우 가변되는 파장의 범위는 다른 방법보다 넓지만 동작속도가 느리고, 연속적인 동작에 의해서 광섬유의 내구성에 문제가 발생할 수 있다. 열에 의한 필터의 파장 가변은 광섬유의 열팽창 계수가 작을 뿐만 아니라 광섬유의 두께로 인하여 효과적으로 가변시킬 수 있는 파장의 범위가 매우 제한적이다. 광섬유의 전기광학계수를 이용하는 방법은 수kV 이상의 높은 구동전압이 필요하다. 따라서 본 발명은 측면 연마된 광섬유의 연마된 부위에 UV 광원과 위상 마스크를 이용하여 브래그 격자를 만들고 상부에 폴리머 기반의 평면 도파로를 형성시킴으로서 수 V 정도의 저 전력으로 빠른 파장 가변 특성을 얻는데 있다.

본 발명은 비교적 제작 공정이 단순하고 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 측면 연마기법을 격자형 광섬유에 적용하여 효율적으로 파장을 가변시키고자 한다. 먼저 실리콘 V-홈에 고정된 광섬유를 연마분말과 연마 필름을 이용하여 클래딩 층을 측면 연마한다. 이때 연마되고 남은 클래딩의 두께는 광섬유 코어의 감쇠장(Evanescent field)이 연마된 부위 상부층의 섭동에 충분히 민감하게 변할 수 있을 정도로 조절 되어야한다. 두꺼운 커버 글라스를 이용하여 광 결합 정도를 관측함으로서 연마된 정도를 측정한다. 그 다음 이 부분에 원하는 파장대의 필터 특성이 나타나게 브래그 격자를 형성시킨다. 브래그 격자는 통신용 광섬유의 코어에 UV(자외선) 광원을 위상 마스크에 조사함으로서 간섭무늬에 의한 일정한 주기의 굴절률 변화가 광섬유 코어에 생기고 주기적인 격자가 형성된다. 파장을 가변 시키기 위해서 연마된 후 형성된 광섬유의 편편한 면 위에 폴리머 계열의 물질로 폴리머 기반의 평면 도파로를 제작함으로서 가능하다. 평면 도파로의 두께는 스핀 코딩 의 속도로 조절하고 폴리머의 전기광학 효과를 이용하는 경우 폴링 과정이 수반되어야 하며 이미 형성된 상하부 전극을 이용하여 접촉 폴링(contact polling)을 한다. 파장 가변 원리는 전기광학 효과나 열 광학 효과에 의한 평면 도파로의 굴절률의 변화가 광섬유 코어의 유효 굴절률에 변화를 줌으로서 격자의 주기에 의해 결정된 중심 파장이 가변되는 원리이다. 폴리머 기반의 평면 도파로의 제작 조건에 따라서 열 광학 효과를 이용하는 구조와 전기광학 효과를 이용하는 구조로 두 가지 제작 방법이 가능하다.

도 1은 본 발명에서 제안된 측면 연마된 광섬유 상에 형성된 폴리머 기반의 평면 도파로를 이용한 격자형 광섬유 필터의 파장 가변기의 길이 방향 단면도

도 2는 측면 연마된 광섬유 코어에 자외선 광원과 위상 마스크를 이용하여 주기적인 격자를 형성하는 과정

도 3은 전기광학 효과를 이용하는 구조도 (도 1의 A-A'에서 절단한 단면도)

도 4는 열 광학 효과를 이용하는 구조도 (도 1의 A-A'에서 절단한 단면도)

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 광섬유 휨 유지 실리콘 V-홈 2 : 격자형 광섬유

3 : 반공진 반사형 평면 도파로 4 : 광섬유에 새겨진 격자 무늬

5 : 자외선 빛(UV beam) 6 : 위상 마스크(Phase mask)

7 : 투명 전극(하부 전극) 8 : 전기광학 효과를 가진 폴리머 층

9 : 상부 전극 10 : 열광학 효과를 가진 폴리머 층

11 : 열 전극

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 측면 연마된 격자형 광섬유의 상부에 폴리머 기반의 평면 도파로를 형성시킨 파장 가변형 격자형 광섬유 필터 소자의 개략도이다. 먼저, 반도체용 실리콘 기판에 광섬유가 약간의 곡률 반경이 유지되게 V-홈을 형성시키고 광섬유가 완전히 접착된 후 연마분말을 이용하여 광섬유의 클래딩층을 적당히 연마하되 코어층이 공기중에 노출되지 않을 정도로 연마한다. 연마된 부위의 코어층에는 도 2와 같이 UV 광선을 적당 시간 조사하여 주기적으로 배열된 격자를 형성시킨다. 그 위에 폴리머 기반의 평면 도파로를 형성하여 상부 클래딩 층의 굴절률 변화로 코어의 굴절률 변화를 유도할 수 있게 한다. 폴리머 기반의 평면 도파로는 제작 조건에 따라 열광학 효과와 전기광학 효과를 이용할 수 있다. 전기 광학 효과를 이용할 경우 광섬유의 연마된 부위에 ITO를 이용하여 투명 전극을 형성하고 그 위에 코어보다 굴절률이 높은 폴리머 물질을 스핀 코팅하고 상부에 금속 전극층을 형성하면 소자가 완성이 된다.

제작된 소자의 투과 특성은 진행방향에 대해서는 대역 제거 필터 특성이 나타나며, 반대방향으로는 대역 제거된 파장의 광이 진행하여 대역 통과 필터 특성을 보여준다. 중심파장, λ_Bragg,은 격자 간격, Λ, 과 코어의 유효굴절률, n_eff.에 의해서 결정된다.

여기서 연마된 클래딩 층위에 형성된 도파로에 굴절률의 변화를 주면 코어의 유효 굴절률이 변하고 파장 가변을 가능하게 한다. 폴리머의 전기광학 효과를 이용하는 경우는 도 3과 같이 도파로의 상 하부에 전극이 형성된 반공진 반사형 평면 도파로 구조를 형성한다. 이 전극에 가해지는 전압에 의한 평면 도파로의 굴절률의 변화,는 다음과 같이 표현된다.

여기서, n_eff는 전압을 인가하지 않았을 때의 평면 도파로의 유효 굴절률, r₃₃는 폴링 후의 폴리머의 전기광학계수, t는 평면 도파로의 두께, Vπ는 전극사이에 인가한 구동전압, Γ는 전계와 도파모드 사이의 중첩 상수이다. 식 (1)과 식(2)로부터 전기광학 효과에 의한 고속의 파장 가변이 가능함을 알 수 있다.

평면 도파로의 열광학 효과를 이용한 구조는 도 4에서 보여준다. 준비된 격자형 광섬유 블록의 연마된 부위에 열광학 계수가 큰 폴리머 층을 형성하고 폴리머 층위에 열 전극을 제작한다. 열 전극에 가해진 전력에 의한 저항열에 의해서 폴리머의 굴절률이 변하고 광섬유 코어의 유효 굴절률의 변화를 유도하므로 도 3의 원리와 같이 파장 가변 특성을 얻는다. 파장 가변 속도는 전기광학 효과보다는 느리다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 측면 연마된 격자형 광섬유의 연마된 부위에 폴리머 기반의 평면 도파로를 형성함으로서 저 전력에 의한 파장 변환을 얻을 수 있고 기존에 제안된 형태의 구조보다 제작 방법이 간단하면서 파장 가변 특성이 뛰어난 소자를 만들 수 있다. 고속의 파장 가변 특성은 전기광학 효과를 가지는 반공진 반사형 평면 도파로를 제작함으로서 가능하고, 저속의 파장 가변 특성은 열 광학 효과를 이용하는 평면 도파로를 제작함으로서 가능하여 선택적으로 이용할 수 있다. 따라서 본 발명에서 제안한 구조의 필터는 광통신 시스템의 고속 및 저속의 파장 가변형 필터로서 유용하게 이용될 수 있다.

Claims (2)

1. 측면 연마된 격자형 광섬유를 이용하여 파장 가변형 필터를 만드는 데 있어 서,

   격자 무늬가 새겨진 광섬유(Fiber bragg grating)를 V-홈의 중심에 정확하게 고정하는 단계,

   격자형 광섬유의 외피를 벗겨 내지 않고 측면 연마된 광섬유를 만드는 단계,

   측면 연마된 부위에 UV 광원를 조사하여 광섬유의 코어에 격자를 형성하는 단계,

   연마된 층위에 광섬유 코어의 유효귤절률 변화를 얻기위한 평면 도파로를 제작하는 단계

   상기 단계 후 저전력으로 파장을 가변하는 격자형 광섬유를 완성하는 단계
2. 측면 연마된 광섬유 제작에 있어서,

   연마된 부위에 나타나는 감쇠되는 광의 정도를 측정하는 단계,

   커버 유리를 상부 도파로로 사용하여 광섬유 모드의 감쇠장과 상부 도파로의 광 결합 정도를 최적의 상태로 제어하는 단계.

   남아있는 광섬유 클래딩층의 두께를 조절하여 격자에 의한 공진파장과의 간섭을 없애는 단계.

   폴리머 기반의 평면도파로 제작에 있어서,

   폴리머를 이용한 반공진 반사형 구조의 평면도파로를 형성하는 단계.

   전기광학 효과를 얻기 위한 폴리머 물질을 폴링하는 단계.

   열광학 효과를 얻기위한 폴리머 평면도파로를 형성하고 상부전극을 제작하는 단계

   상기 단계 후 전압을 인가하여 코어의 유효 굴절률 변화에 의한 파장 가변 특성을 측정하는 단계.