KR200222414Y1 - 비선형 방향성 광커플러 - Google Patents

Abstract

본 고안은 비선형 방향성 광커플러를 개시한다. 이에 의하면, 광도파로의 커플링영역의 하면에 그레이팅(grating)이 형성되거나 광도파로의 커플링영역의 상면에 그레이팅이 형성된다. 이때, 양측 광도파로중 일측의 광도파로에만 그레이팅이 형성된다. 또한, 양측 광도파로 모두에 그레이팅이 형성될 수도 있다. 더욱이, 그레이팅의 간격이나 광도파로간의 간격, 비선형상수 등의 변수를 조절할 수 있다.

따라서, 본 고안은 비선형 방향성 광커플러의 특성을 향상할 수 있을 뿐만 아니라 제조공정상의 한계도 보상할 수 있다. 또한, 광게이트소자 등의 응용에도 적용할 수 있다.

Description

비선형 방향성 광커플러{nonlinear directional optic coupler}

본 고안은 비선형 방향성 광커플러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광도파로의 하면 또는 상면에 그레이팅을 형성함으로써 커플링특성을 향상시키도록 한 비선형 방향성 광커플러에 관한 것이다.

일반적으로 광도파로를 전송매개체로 사용하는 광통신시스템은 기술이 발전할수록 한 가닥의 광도파로에 많은 정보를 전송하는데 많은 시간과 노력을 투자하고 있으며, 좁은 선폭을 가지는 광원의 발달로 인해 광통신의 특징인 넓은 주파수대역을 효율적으로 이용할 수 있게 되었다. 그러나, 지금까지는 음성이나 동화상과 같은 고용량의 데이터를 실시간으로 전송할 수가 없었다. 이에 대한 방안으로서 여러개의 파장을 각각 다르게 변조시키고 다중화하여 동일한 광도파로를 통해 전송시키고 검출단에서 원하는 파장의 신호만을 선택한 후 복조시키는 파장분할다중방식의 필요성이 점점 더 요구되고 있다. 따라서, 지금의 광통신망에서 광전변환/전광변환 횟수를 최소화하는 전광통신망으로의 발전은 파장분할다중방식을 기반으로 하는 전광통신망의 실현이 예상된다.

이와 같은 파장분할다중방식의 전송시스템은 통상 각각 다른 파장을 발광하는 여러개의 광원과, 이를 묶어서 보내는 광커플러, 전송매체인 광도파로, 묶여진 파장을 각각 분리해내는 파장분리기 그리고 이들 광을 수신하는 광검출기로 구성된다. 그리고, 파장분할다중방식에서는 여러개의 파장으로 이루어진 신호가 전달되므로 특정파장을 선택적으로 추출할 수 있는 기능을 하는 광필터가 필요하게 되었다. 지금까지 다파장 채널을 동시에 분리할 수 있는 광필터로서 여러 가지 광필터가 연구되어 왔으며, 실리카 웨이퍼상에 배열된 도파로 격자(arrayed-waveguide grating)를 이용한 간섭계(interferometer)형 광필터와, 벌크형 반사 또는 투과성 회절격자에서 회절되는 각각의 다른 파장의 신호를 광섬유나 광도파로의 공간적인 배치로 분리해내는 구조의 광필터, 여러개의 다른 파장특성을 가진 광섬유 브리그격자(fiber Bragg grating)를 2X1 광커플러나 광서큘레이터(optical circulator)로 묶어서 사용하는 광필터 등이 그것이다.

종래의 실리카 웨이퍼상에 배열된 도파로격자를 이용한 간섭계형 광필터, 편광유지 광섬유를 이용한 간섭계형 광필터 및 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계형 광필터 등 간섭계형 광필터들은 최근에 많은 발전을 보여 일정한 주파수 간격으로 분리하는 특성은 양호하나 불일정한 파장 간격으로 분리하는 특성과 원하는 채널을 선택적으로 추출하는 것이 다소 어렵다.

벌크형 반사 또는 투과성 회절격자에서 회절되어지는 각각의 다른 파장신호를 광섬유나 광도파로의 공간적인 배치로 분리해내는 구조의 광필터 구조에서는 회절격자에서 회절되는 각 파장 채널을 받아내는 광섬유 또는 광도파로의 위치가 아주 민감하여 광필터 제조가 매우 어렵고, 아울러 광신호의 커플링 효율이 아주 낮은 점이 가장 큰 단점이다. 또한 위와 같은 구조는 다파장신호를 각각 분리해내는 기능은 있으되, 다파장 채널을 동시에 하나의 광도파로로 분리해내는 기능은 없다.

도 1은 종래 기술에 의한 비선형 방향성 광커플러를 나타낸 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 평면 광도파로(10),(30)가 클래드층(40) 상에서 이격하여 배열된다. 광도파로(10),(30) 및 클래드층(40)에 커(Kerr) 타입 비선형 매질이 첨가된다. 여기서, L은 커플링영역(20)의 길이를 나타낸 것이다.

이러한 구성의 비선형 방향성 광커플러에서는 커플링길이(L)가 광도파로(10),(30) 사이의 위상정합(phase matching) 조건에 맞게 결정되어 있다고 가정하면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 약한 파워의 입사광이 광도파로(10)의 입력단에 입사된 후 광커플링길이(L)를 갖는 커플링영역(20)을 지나가면서 광도파로(30) 측으로 거의 전달되어서 광도파로(30)의 출력단으로 출력광이 출력되므로 광도파로(10)의 출력단으로 출력되지 않는다. 하지만, 도 2b에 도시된 바와 같이, 강한 파워의 입사광이 광도파로(10)의 입력단에 입사된 후 상기 커플링영역(20)을 지나가더라도 광도파로(30)로 전달되지 않고 광도파로(10)의 출력단으로 전달된다.

즉, 입사광의 파워가 점점 증가하면서 광도파로의 비선형 매질의 굴절율이 변화하고 위상 비정합(phase mismatching)이 일어난다. 더욱이, 입사광의 파워가 임계치를 초과하면 입사광이 더 이상 광도파로(10)에서 광도파로(30) 측으로 전달되는 커플링이 일어나지 않게 된다. 따라서, 입사광 파워 및 출력광 파워의 관계는 도 3에 도시된 바와 같이 나타난다. 이와 같은 특성을 이용함으로써 비선형 방향성 광커플러를 광파워필터나 광게이트소자 등에 사용할 수가 있다.

그런데, 종래의 비선형 방향성 광커플러는 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에 클래드층(40)이 형성되고, 클래드층(40) 상에 코아층인 광도파로(10)가 형성되는 구조를 갖는다. 이때, 광도파로(10)의 커플링영역(20)의 하면이나 상면에 그레이팅(grating)이 전혀 형성되어 있지 않다.

이러한 구조를 갖는 종래의 비선형 방향성 광커플러의 경우, 제조공정상의 한계로 인하여 기하학적인 비정합이 발생하기 쉽다. 즉 제조공정상 커플링영역의 길이나 커플링영역에서의 광도파로들 사이의 간격과 같은 변수나, 광도파로의 비선형성 매질의 특성, 예를 들어 도핑농도가 일정하지 않고 가변하기 쉽다.

이러한 상태에서는 약한 파워의 입사광이 입사됨에도 불구하고 광커플링특성이 일어나지 않는 등의 성능저하가 다발한다. 특히, 광도파로가 비선형 매질인 경우, 비선형 매질의 비선형성이 강할수록 광 흡수(absorption) 등의 손실이 많이 발생한다.

따라서, 본 고안의 목적은 제조공정상의 한계로 인한 기하학적인 비정합을 보상하여 광의 세기에 따른 커플링특성을 조정할 수 있도록 한 비선형 방향성 광커플러를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 비선형 방향성 광커플러를 나타낸 평면도.

도 2a는 종래 기술에 의한 비선형 방향성 광커플러에 있어서, 광도파로간의 커플링이 발생함을 나타낸 상태도.

도 2b는 종래 기술에 의한 비선형 방향성 광커플러에 있어서, 광도파로간의 커플링이 발생하지 않음을 나타낸 상태도.

도 3은 종래 기술에 의한 비선형 방향성 커플러의 입사광 파워 및 출력광 파워의 관계를 나타낸 그래프.

도 4는 종래 기술에 의한 비선형 방향성 광커플러의 광도파로에 그레이팅이 형성되지 않음을 나타낸 단면도.

도 5는 본 고안에 의한 비선형 방향성 광커플러를 나타낸 평면도.

도 6은 도 5의 광도파로의 하면에 그레이팅이 형성된 예를 나타낸 단면도.

도 7은 도 5의 광도파로의 상면에 그레이팅이 형성된 다른 예를 나타낸 단면도.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 의한 비선형 방향성 광커플러는

기판;

상기 기판 상에 형성된 클래드층; 그리고

상기 클래드층 상에 이격하여 배열되며, 적어도 어느 하나의 커플링영역에 그레이팅이 형성된 2개의 광도파로들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 그레이팅이 상기 커플링영역의 상면에 형성될 수 있다. 또한, 상기 그레이팅이 상기 커플링영역의 하면에 형성될 수도 있다.

따라서, 본 고안에 의하면, 광도파로의 커플링영역에 그레이팅이 형성되므로 커플링특성을 향상시키고, 제조공정상의 한계를 보상할 수 있다.

이하, 본 고안에 의한 비선형 방향성 광커플러를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 고안에 의한 비선형 방향성 광커플러를 나타낸 평면도이고, 도 6은 도 5의 광도파로의 하면에 그레이팅이 형성된 예를 나타낸 단면도이고, 도 7은 도 5의 광도파로의 상면에 그레이팅이 형성된 다른 예를 나타낸 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 광도파로(110),(130)가 클래드층(140) 상에서 이격하여 배열된다. 광도파로(110),(130) 및 클래드층(140)에 커(Kerr) 타입의 비선형 매질이 첨가된다. 여기서, L1은 커플링영역(120)의 길이를 나타낸다. 물론, 별도의 클래드층(도시 안됨)이 평면 광도파로(110),(130)와 클래드층(140) 상에 함께 형성되어 있을 수도 있다.

이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에 클래드층(140)이 형성되고, 클래드층(140) 상에 코아층인 광도파로(110)가 형성된다. 그리고, 커플링영역(120)의 광도파로(110)의 하면에 길이방향을 따라가면서 그레이팅(111)이 형성된다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에 클래드층(140)이 형성되고, 클래드층(140) 상에 코아층인 광도파로(110)가 형성되고, 커플링영역(120)의 광도파로(110)의 상면에 길이방향을 따라가면서 그레이팅(113)이 형성될 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 고안에 의한 광커플러의 경우, 커플링영역(120)의 광도파로(110)의 하면에 형성된 그레이팅(111) 또는 광도파로(110)의 상면에 형성된 그레이팅(113)은 제조공정상의 한계로 인한 기하학적인 비정합을 어느 정도 보상함으로써 입사광의 파워에 따른 커플링특성을 원하는 바와 같이 조정할 수가 있다.

즉, 본 고안의 광커플러는 광도파로(110)에 입사된 약한 파워의 입사광이 커플링영역(120)을 지나가면서 광도파로(130) 측으로 전달되므로 선형 방향성 커플러에서와 같은 특성을 나타낸다. 광도파로(110)에 입사된, 임계치를 초과한 강한 파워의 입사광은 굴절율의 변조로 정합조건이 변화하므로 커플링영역(120)을 지나가더라도 광도파로(130) 측으로 전달되지 않고 광도파로(110)의 출력단으로 전달된다. 그러므로, 광커플러특성이 그레이팅(111),(113)의 간격이나 도파로들간의 간격, 비선형상수 등의 변수들의 조정에 의해 향상될 수 있다. 또한, 제조공정상의 한계도 마찬가지로 보상될 수 있다.

따라서, 본 고안은 제조공정상에서 비정합이 발생하더라도 종래와는 달리 약한 파워의 입사광이 정상적으로 커플링을 일으키므로 광커플러의 광흡수 등의 손실을 줄이고 성능향상을 도모할 수 있다.

한편, 설명의 편의상 설명의 중복을 피하기 위해 본 고안에서는 일측 광도파로의 커플링영역에만 그레이팅이 형성된 것만을 설명하였으나 실제로는 양측 광도파로의 커플링영역 모두에 그레이팅이 형성되는 것도 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안에 의한 비선형 방향성 광커플러에서는 광도파로의 커플링영역의 하면에 그레이팅이 형성되거나 광도파로의 커플링영역의 상면에 그레이팅이 형성된다. 이때, 양측 광도파로중 일측의 광도파로에만 그레이팅이 형성된다. 또한, 양측 광도파로 모두에 그레이팅이 형성될 수도 있다. 더욱이, 그레이팅의 간격이나 광도파로간의 간격, 비선형상수 등의 변수를 조절할 수 있다.

따라서, 본 고안은 비선형 방향성 광커플러의 특성을 향상할 수 있을 뿐만 아니라 제조공정상의 한계도 보상할 수 있다. 또한, 광게이트소자 등의 응용에도 적용할 수 있다.

한편, 본 고안은 도시된 도면과 상세한 설명에 기술된 내용에 한정하지 않으며 본 고안의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형도 가능함은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.

Claims (3)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 클래드층; 그리고

   상기 클래드층 상에 이격하여 배열되며, 적어도 어느 하나의 커플링영역에 그레이팅이 형성된 2개의 광도파로들을 포함하는 비선형 방향성 광커플러.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 그레이팅이 상기 커플링영역의 상면에 형성된 것을 특징으로 하는 비선형 방향성 광커플러.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 그레이팅이 상기 커플링영역의 하면에 형성된 것을 특징으로 하는 비선형 방향성 광커플러.