KR20020028551A - 가변 광 감쇄기가 결합된 디지털 열광학 광 스위치 - Google Patents

가변 광 감쇄기가 결합된 디지털 열광학 광 스위치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제작공정상의 어려움을 줄이면서 우수한 광누화율을 얻기 위한 열광학 광스위치의 구조에 관한 것이다. 본 발명의 광스위치는 종래의 모드진화를 이용한 Y-분기형 도파로로 이루어진 열광학 1x2 디지털 광스위치의 출력단 양팔에 고차모드 발생기를 이용한 가변 광감쇄기를 연결함으로써, Y-분기 각이 커지더라도 스위칭 파워의 증가없이 우수한 광누화율을 유지할 수 있는 장점을 가진다. 특히 큰 Y-분기각은 제작 공정상의 어려움을 줄여줘 소자의 생산 수율을 높이는 장점을 갖는다.
1x2 광스위치는 광통신, 광교환, 광센서 등 다방면의 광신호 처리 시스템에 응용되는 매우 기본적인 필수 소자이다.

Description

가변 광감쇄기가 결합된 디지털 열광학 광스위치{Digital thermo-optic switch coupled with a variable optical attenuator.}
본 발명은 열광학 1x2 광스위치에 관한 것으로, 특히 제작공정상의 어려움을 줄이면서 구동전압의 손실 없이 우수한 광누화율을 얻을 수 있는 열광학 광스위치의 구조에 관한 것이다. 모드 진화 특성을 이용한 Y-분기형 1x2 디지털 광도파로 스위치 소자는 모드의 간섭현상(interference)을 이용하는 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 변조기 등과 비교해 볼 때, 모드의 간섭 현상이 아닌 모드의 전개(mode evolution)를 이용하므로 파장과 편광에 무관한 디지털 스위칭 특성을 가지는 장점이 있다. 그러나 상대적으로 디지털 광스위치는 모드의 전개현상을 이용하므로 도파로 내에서 도파로의 기본 모드 (0차) 와 고차 (1차) 모드가 분리되는 영역인 Y-분기영역에서의 분기각도가 매우 작아야만 (일반적으로 약 0.1o) 진행하는 모드의 손실 없이 우수한 광누화 특성을 얻을 수 있으므로 소자의 제조공정이 매우 어려워지는 단점이 있다.
본 발명은 Y-분기형 디지털 광스위치의 제작공정상의 어려움을 줄이면서도 누화율을 높일 수 있는 광스위치에 관한 것으로, 1x2 광스위치의 출력단 양팔에 가변 광감쇄기를 결합함으로서 광스위치 Y-분기에서 Off-state 팔로 빠져나간 잔여 광의 세기를 가변 광감쇄기를 이용하여 제거하는 방법을 사용한다. 따라서 Y-분기 각이 커서 스위치 자체의 누화가 큰 경우에도 높은 광누화 특성을 얻을 수 있다.그러나 이 방법은 광스위치 뿐만 아니라 광감쇄기도 작동시켜야 하기 때문에 일반적으로는 매우 큰 구동전압이 요구되지만, 본 발명은 소형이면서도 비교적 동작 전력이 낮은 고차모드 발생기를 이용한 가변 광감쇄기를 사용함으로서 소자의 크기 및 동작 전력이 높아지지 않는 장점이 있다.
본 발명은 우수한 광누화율을 얻는 동시에 Y-분기각을 크게하여 소자의 제조 공정상의 어려움을 줄일 수 있는 디지털 열광학 광스위치의 새로운 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위한 발명의 열광학 광스위치의 구조는, 기존의 모드 진화 특성을 이용한 Y-분기 열광학 광스위치에 열광학 가변 광감쇄기를 연결하여서 완성되므로 종래의 광스위치의 출력부분의 광누화율이 좋지 않더라도 광감쇄기 부분에서 잔류하는 광을 제거시킴으로써 최종 광스위치의 출력부분에서는 우수한 광누화율을 얻는 것을 특징으로 한다.
또한 이 때, 종래의 광스위치 부분에서 Y-분기영역의 분기 각도를 크게 하면, 이로 인하여 줄어든 전극의 길이가 열광학 변조 광감쇄기에 의해 늘어난 전극의 길이와 비슷하므로 결과적으로 소자 전체의 구동전압은 증가하지 않으면서 우수한 광누화율을 얻는 장점이 있다. 더불어 Y-분기의 분기각도의 증가로 인해서 제조 공정시의 어려움이 감소되며 소자의 전체 크기 또한 줄어드는 장점이 있다.
[도 1] 종래의 Y-분기를 이용한 열광학 디지털 광스위치의 평면도.
nclad;클래드 굴절율, ncore; 코아 굴절율, Ew; 열선 너비, w;도파로 너비, α; Y 분기각, P ; 외부 인가 전력, Pin: 입력광 파워, P3: Y-분기 상단부 팔 (3) 으로 빠져나가는 광의 파워, P4: Y-분기 하단부 팔 (4) 로 빠져나가는 광의 파워,.
[도 2] 고차모드 발생기를 이용한 열광학 가변 감쇄기의 평면도.
Ew; 열선 너비, w;도파로 너비, β; 열선과 도파로가 이루는 각, d ; 다중모드 광도파로 너비, P ; 외부 인가 전력, P7: 가변 광 감쇄기로 입력 되는 광의 파워, P11: 가변 광 감쇄기로 출력 되는 광의 파워
[도 3] 본 발명의 열광학 디지털 광스위치의 평면도로서 도 1 의 Y-분기를 이용한 열광학 디지털 광스위치와 도 2 의 가변 광 감쇄기가 결합된 구조이다.
Pin: 입력광 파워, P16, 18, 19, 21: 도파로 각 부분에서의 진행광 파워.
[도 4] BPM 전산 시늉을 이용한 종래의 Y-분기 광스위치와 본 발명의 광스위치 특성 비교.
(가); Y-분기 각이 α= 0.11o인 경우 종래의 Y-분기 광스위치의 특성,
Y-분기 스위치의 계산값: 파장 λ0=1.55um, nclad=1.4856, ncore=1.4937, δ=7um, w=7um, α= 0.11o, Ew=7um.
(나); α= 0.11o이면서 출력단에 가변 광 감쇄기가 있는 본 발명의 광스위치 특성,
Y-분기 스위치의 계산값: 파장 λ0=1.55um, nclad=1.4856, ncore=1.4937, d=7um, w=7um, α= 0.11o, Ew=7um.
가변 광감쇄기의 계산값: β=1.6o, d=40um, Ew=7um, 열선의 길이는 4000um
(다); α= 0.2o이면서 출력단에 가변 광 감쇄기가 있는 본 발명의 광스위치 특성,
Y-분기 스위치의 계산값: 파장 λ0=1.55um, n1=1.4856, n2=1.4937, δ=7um, w=7um, α= 0.2o, Ew=7um.
가변 광감쇄기의 계산값: β=1.6o, d=40um, , Ew=7um, 열선의 길이는 4000um
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 종래의 Y-분기 열광학 스위치 입력부
2 : 각도 α를 갖는 Y-분기도파로
3 : 스위치 출력부 상단 팔
4 : 스위치 출력부 하단 팔
5 : 상부 열선
6 : 하부 열선
7 : 가변 광감쇄기의 단일모드 입력부
8 : 입력부와 다중모드 지역을 연결하는 태프링 지역
9 : 다중모드 도파로 지역
10 : 다중모드 도파로와 출력부 단일모드 도파로를 연결하는 태프링 지역
11 : 출력부 단일 모드 광도파로
12 : 열선
13 : 본 발명의 1x2 스위치를 구성하는 기본 Y-분기 1x2 스위치
14 : 기본 1x2 스위치의 상부 열선
15 : 기본 1x2 스위치의 하부 열선
16 : 본 발명의 1x2 스위치를 구성하는 상부 가변 광감쇄기
17 : 상부 가변 광감쇄기의 열선
18 : 상부 가변 감쇄기의 출력단 팔
19 : 본 발명의 1x2 스위치를 구성하는 하부 가변 광감쇄기
20 : 하부 가변 광감쇄기의 열선
21 : 하부 가변 감쇄기의 출력단 팔
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구조를 상세히 설명한다.
본 발명은 열광학 광스위치 소자의 특성 중에서 가장 중요한 요소인 구동전력의 큰 증가 없이 우수한 광누화율을 얻는 동시에 소자의 제작 공정상 어려움을 줄이는 광스위치의 구조에 관한 것이다. 본 발명은 기존의 Y-분기를 이용한 광스위치와 고차모드 발생기를 이용한 광 감쇄기가 결합된 구조 이므로 먼저 광스위치와 가변 광감쇄기에 대한 설명을 한다.
도 1 은 모드 진화특성을 이용한 Y-분기 형태의 기존의 1x2 광스위치의 구조를 나타낸다. 기존의 Y-분기의 열광학 광스위치의 도파로 구조는 단일모드 입력부 (1) 와 각도 α의 Y-분기 도파로부 (2), 출력부의 상 하단 단일모드 도파로 부 (3),(4) 로 이루어 진다. 그리고 도파하는 빛의 경로를 제어하기 위한 상하부 열선 (5), (6)이 Y-분기 양팔의 온도 차이를 최대화시키는 거리 δ만큼 떨어져 있다. 여기서 δ는 한쪽 팔의 열선에 전력이 가해졌을 때 양팔의 굴절률 차이가 가장 크게 생기는 거리로 최적화 되어있고, Y-분기 도파로의 분기각도 α는 Y-분기에 의한 손실이 손실이 작으면서 열광학 스위치의 최종 출력단에서 (3), (4)에서의 광누화율이 가장 우수하게끔 설계된다.
모드진화란 도파로의 진행 방향을 따라서 도파로 구조의 점진적인 굴절율 변화가 있을 때 도파하는 빛이 광파워의 손실없이 하나의 도파모드에서 다른 도파파모드로 변환되는 현상이며, Y- 분기형 광도파로의 분기점에서 모드 진화 현상이 일어나기 위해서는 분기각 α가 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.
여기서는 Y-분기 지역에서 0차와 1차모드의 전파상수 차이이며,는 Y-분기 클래드 지역의 감쇄 상수 이다
상부 열선(5) 에 전력이 인가되면 팔 (3) 의 온도가 팔 (4)에 비하여 상대적으로 증가 되며, 열광학 효과에 의하여 도파로의 상부 팔 (3) 의 굴절률이 팔 (4) 에 비하여 상대적으로 감소하게 된다(폴리머 물질인 경우). 이경우 Y-분기를 지난 빛 중 0 차 모드는 전력이 인가되지 않은 굴절율이 높은 팔 (4) 의 0 차 모드로 모드변환 되며, 1차 모드는 굴절율이 낮은 팔 (3) 의 0 차 모드로 모드변환 된다. 이 때 입력광의 모두가 0 차의 도파모드이면 입사광은 모두 팔 (4) 로 진행한다. 그러나 입력광은 Y-분기점에서 일반적으로 미량의 1차 도파광이 여기되며 이는 도파로 (3) 으로 진행하여 광누화의 원인이 된다. 열광학 광스위치에서 가장 중요한 특성인 우수한 광누화율 즉, 전력이 가해진 한 쪽 팔 (3) 과 나머지 팔 (4) 간의 광출력비를 극대화하기 위해서는 전력을 가하지 않은 도파로의 출력단 (4) 으로 도파하는 빛의 양을 최대화하고 나머지 도파로의 출력단 (3) 으로 도파하는 빛의 양을 최소화하여야 한다.
광누화율 X 은 양팔의 출력광 파워의 차이로서 스위치의 하단 부 팔 (4) 로 입력광이 스위칭 되었을 경우 다음과 같이 정의 된다.
X = 10*Log(P3/P4) ------------------------------- (2)
반대로 하부 열선 (6) 에 전력이 인가되면 입력광은 상부 광도파로 (3) 으로 출력 된다. 이러한 모드 진화를 이용한 광스위치는 일반적으로 분기각 α가 0.1o정도로 매우 작아서 실제 제작상 많은 어려움이 있다.
도 2 는 본 발명의 스위치에 사용되는 고차모드 발생기를 이용한 열광학 가변 광감쇄기의 구조를 나타낸다. 가변 광감쇄기는 단일모드 입출력 수동형 광도파로(7, 11), 고차 모드를 도파시킬 수 있는 다중모드 광도파로 영역(9), 단일모드 광도파로와 다중모드 광도파로를 광손실 없이 연결하는 테이퍼 영역(8, 10), 그리고 광도파로와 각도 β를 갖고 비스듬이 놓인 열선 등으로 구성되어 있다.
가변 광감쇄기의 동작 원리를 설명하기 위하여 본 예에서 사용하는 광도파로 물질은 폴리머이며, 이 경우 온도가 증가하면 굴절율이 감소하는 열광학 효과를 가지고 있다. 도 2 에 나타낸 가변 광감쇄기의 동작원리는 다음과 같다. 입력부의 단일모드 광도파로 (7) 을 통과한 빛은 횡방향으로 테프링 된 지역 (8) 을 지나면서 광 파워의 손실 없이 다중모드 발생기 영역의 (9) 의 0차 모드로 입사된다. 열선에 (12) 외부 전력이 인가되지 않을 경우는 다중모드 발생기 영역 (9) 을 통과한 빛은 다시 출력부의 테프링된 지역 (10) 을 지나면서 출력부 단일모드 광도파로(11) 의 0 차 도파모드로 광파워 손실없이 변환된다. 따라서 빛은 감쇄없이 소자를 통과하게 된다. 그러나 열선을 따라서 전류를 흘리면 열선 하부의 광도파로의 온도가 증가하게 되고, 따라서 도파로의 굴절율은 온도에 비례하여 낮아지게 된다. 이 경우 열선 하부를 지나는 진행광의 일부가 열선 (12) 의 경계면에서 입사각 만큼의 각도 β로서 열선에서 반사하게 된다. 따라서 반사된 빛은 광도파로의 진행 방향에 대해서는 2β의 각도로 진행하게 된다. 만약 2β의 각도로 반사된 빛이 다중모드 광도파로의 1 차 도파모드 진행각도 이상이면 다중모드 지역에서는 1차 이상의 고차모드가 여기 되게 되고, 이러한 고차모드는 출력부의 테프링된 지역 (10) 및 출력부의 단일모드 광도파로 (11) 에서 제거되어 결과적으로 입력광의 감쇄를 가져온다.따라서 열선에 흐르는 전류량이 많아지면 반사되는 빛의 양도 많아져서 더 많은 입력광이 감쇄되며, 결국 열선에 인가되는 전력양에 따라서 입력광의 세기를 조절할 수 있는 가변 광감쇄기로 동작한다. 이때 가변 광감쇄기의 감쇄정도 Y 는 다음과 같이 표현 된다.
Y=10*Log(P7/P11) ------------------------------------(3)
도 3은 본 발명의 구조에 따른 열광학 광스위치의 평면도를 나타낸다. 앞서 설명한 Y-분기의 열광학 광스위치(13)와 두개의 고차모드 발생기를 이용한 열광학 가변 광감쇄기(16), (19) 로 이루어진 본 발명의 열광학 광스위치의 작동 원리는 다음과 같다.
본 열광학 광스위치의 열선(14, 15, 17, 20)에 전력이 인가 되지 않았을 때엔, 입사된 빛은 Y-분기 광스위치를 통하여 Y-분기 출력단 두 개의 도파로에 3dB로 분기되고, 분기된 이후에는 가변 광감쇄기에서 감쇄없이 도파되어 출력되는 3dB 광분배기로서 동작한다. 그러나 종래의 Y-분기 광스위치의 열선 (14) 에 전력을 인가 하면 앞서 설명한 바와 같이 빛은 종래 Y-분기 광스위치의 하단으로 스위칭 되어 가변 광감쇄기 (19) 로 진행한다. 그러나 언급한 바와 같이 입력광이 모두 Y-분기 광스위치의 하단으로 빠져나가지 않고, 그 중의 일부는 종래의 Y-분기 광스위치의 기본적인 누화 때문에 감쇄기(16) 으로 입사된다. 이때 감쇄기 (16) 의 전극 (17) 에 외부 전력을 인가하면 누화된 빛이 감쇄기 (16) 에서 제거되어 전체적인 소자의 누화가 감소하게 된다. 따라서 최종적인 본 발명의 광스위치 누화 Z 는 종래의 Y-분기 스위치의 누화 X 와 광감쇄기의 감쇄량 Y 의 합으로 표현된다.
Z = X+Y ---------------------------------- (4)
X = 10*Log(P16/P18),
Y = 10*Log(P18/P16)
즉 스위치의 전체 누화는 감쇄기에 의한 감쇄량 Y 가 더해지기 때문에 그만 큼 증가하게 된다. 즉, 전극 (14) 와 (17) 에만 동시에 외부 전력을 인가하면 빛은 하단의 감쇄기 (19) 를 통하여 출력되며, 감쇄기 (16) 번으로 입사된 잔여 빛은 (16) 번 감쇄기에서 2 차로 제거 되므로 소자의 누화 특성이 향상된다. 반대로 전극 (15),(20) 에 외부 전력을 인가한 경우도 위의 경우와 동일 하다.
따라서 Y-분기 각도가 커짐으로 해서 나타나는 광손실이 허용하는 한도 내에서 Y-분기의 분기각도 α를 크게 하여도 우수한 광누화율 특성을 유지할 수가 있다. 또한 Y-분기의 분기각도를 크게 하면 Y-분기 광스위치의 길이가 짧아지는 효과가 존재한다.
[실시예1]
도 4 는 동일한 종래의 Y-분기 1x2 스위치와 본 발명의 스위치 특성을 BPM (Beam Propagation Method) 전산 시늉을 통하여 비교한 것이다. 그래프 (가) 는 α= 0.11o을 갖는 종래의 Y-분기 스위치의 특성 곡선이며, 그래프 (나) 는 α= 0.11o을 갖는 종래의 스위치와 스위치 끝 단에 가변 광감쇄기가 결합된 본 발명의 스위치특성을 나타낸 것이다. 종래의 스위치는 약 60 mW 의 스위칭 파워에서 -30 dB 정도의 누화를 나타내며, 본 발명의 스위치 경우 약 70 mW 정도에서 가 -40 dB이하의 향상된 향상된 누화특성을 보임을 알 수 있다. 그래프 (다) 의 경우는 Y-분기각이 α= 0.2o인 본 발명의 1x2 광스위치로서 각도의 커짐에 무관하게 스위칭 파워와 누화가 유지됨을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 열광학 광스위치는, 종래의 Y-분기 광스위치와 분기 각이 같거나 클 경우에도 향상된 광누화 특성과 일정한 스위칭 파워가 유지되는 특성을 나타낸다. 따라서 모든 특성을 유지하면서 Y-분기각을 커게 할 수 있기 때문에 이 공정시 소자의 수율을 상당히 향상 시킬 수 있어 생산 수율 및 대량 생산에 많은 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 열광학 광스위치의 구동전력의 큰 변동없이 우수한 광누화율을 얻는 동시에 소자의 Y-분기의 분기각을 크게하여 제작공정상의 어려움을 줄이기 위한 열광학 스위치 구조에 있어서,
    기존의 Y-분기 열광학 광스위치 (13) 의 출력 단에 고차 모드 발생기를 이용한 열광학 가변 광감쇄기 (16), (19) 이 Y-분기 양팔에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 아래의 열광학 광스위치의 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 입력광을 (21) 번 출구로 스위칭 시키고자 할 때 전극(14) 와 (17) 에 동시에 전력을 인가하며, (18) 번 출구로 스위칭 시키고자 할 때 전극 (15) 와 (20) 에 전력을 동시에 인가하여 동작하는 광스위치 소자
  3. 제 1항에 있어서도파로 물질을 폴리머나 실리카로 하여 제작하고 도파로의 열광학 효과를 이용하여 제 2 항과 같이 동작하는 광스위치.
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