KR20030072129A - 가변 광감쇠기 - Google Patents

Abstract

빛을 전송하는 전송 파이버와; 전송된 빛을 수신하는 수신 파이버와; 상기 전송파이버 및 수신파이버 사이에서 빛 전송용 전송부와, 빛을 감쇠시키는 감쇠부, 감쇠부의 빛을 수신하는 수신부로 형성된 감쇠모듈부와; 상기 감쇠부를 구동시키기 위한 액츄에이터; 및 이를 포함하는 기판으로 구성된 가변 광감쇠기에 관한 것으로서, 상기 감쇠부는 측 방향 또는 각 방향으로 오프 셋 구동하여 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 하며, 상기 전송부, 감쇠부, 수신부가 하나의 모듈로 형성되어 광파이버의 상대적 광축 정렬이 용이하고 광 신호 간섭과 삽입손실, 파장 및 편광 의존성이 낮은 새로운 구조의 가변 광감쇠기를 제공하고자 한다.

Description

가변 광감쇠기{Variable optical attenuator}

본 발명은 MEMS 구동기로 작동하는 가변 광감쇠기에 관한 것으로서, 특히 하나의 모듈로 감쇠모듈부를 구성하여 광 파이버간의 상대적 광축정렬이 용이한 가변 광감쇠기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히 상기 감쇠모듈부를 도파로로 제작하여 고 삽입손실, 편광에 의한 영향, 파장 독립성 등의 우수한 광학 특성과 내구성을 구비한 가변 광감쇠기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 MEMS 구동기로 작동하는 가변 광감쇠기의 감쇠모듈부를 제작하는 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.

일반적으로 광 통신용 광감쇠기는 광 신호의 크기를 조절하는 광 부품으로서, 상기 광 신호의 크기는 전송거리에 따른 광파이버의 전송 손실과 광파이버의 접속부의 수, 전송로에 사용되는 중개기의 광분기 결합과 광 부품 결합에 따라 불연속적인 요인이 발생될 수 있으며, 이로 인해 광 신호의 크기는 채널에 따라 각기 다를 수 있다. 이러한 값의 차이로, 광 신호의 증폭이 필요한 경우 증폭하기 전에 각 채널에 따른 이득을 같게 하고 증폭 후에 일정한 수준의 광 신호를 얻기 위해 광감쇠기를 사용하게 된다.

광감쇠기는 용도에 따라, 정해진 값으로 광량을 감쇠시키는 고정 광감쇠기(fixed type attenuator)와 감쇠시킬 수 있는 값의 범위를 조절할 수 있는 가변 광감쇠기(variable optical attenuator)로 분류된다.

상기 고정 광감쇠기는 한번 설치한 후 사용 환경이 변화되면 이에 대처하기위해 추가적인 비용이 소요되는 단점이 있으나, 가변 광감쇠기는 환경에 따라 능동적으로 감쇠 이득을 변화시킬 수 있으므로 대용량 또는 고속을 요구하는 광 네트워크 시스템에 필수적인 요소가 된다.

또한 제안된 구조나 방식에 따라 부품의 스케일과 사이즈에 영향을 미칠 수 있는데, 최근 연구되는 MEMS 기술로 제작된 가변 광감쇠기는 성능, 가격, 스케일 및 부품의 크기 등의 측면에서 기존의 기계식 가변 광감쇠기와 비교해 소형화 및 집적화에 우수한 장점을 지니고 있다.

이러한 가변 광감쇠기는 작동하는 동안 파장에 의한 값의 변화나 편광에 의한 영향, 삽입 손실, 광신호의 시간응답 같은 광통신용 광학 특성을 만족할 것이 요구된다.

종래의 가변 광감쇠기는 크게 실리콘(silicon)이나 폴리머(polymer)계 재질의 열광 효과(thermo-optic effect)를 이용한 도파로형 감쇠기, 기계식 커넥터 형 대형 감쇠기 및 MEMS 액츄에이터(actuator)를 이용한 MEMS 감쇠기로 나뉜다.

이하 상기 각각의 감쇠기에 대하여 설명하기로 한다.

도파로형 가변 광감쇠기는 실리콘이나 폴리머 등의 재질로 평판형 도파로를 형성하고 전극을 이용해 도파로의 온도 분포를 변화시키면서 도파로 재질의 광 흡수율을 조절하여 광 신호를 감쇠시키는 원리를 이용한다. 도파로형 가변 광감쇠기는 소형화 제품에는 적합하나 편광 의존 손실 및 파장 의존성이 큰 성능상의 단점이 있다.

기계식 커넥터 형 감쇠기는 광 파이버에 직접 변형을 주어 매크로밴딩(macro bending)에 의한 전송 손실을 일으키는 방법과 전송과 수신 광 파이버간의 접속 거리에 변화를 주며 삽입 손실을 발생시키는 방법 등을 이용하고 있다. 그러나 기계식 대형 가변 광감쇠기는 파장 의존성이 없어 사용 가능 파장의 범위는 넓으나 제품의 크기가 커지고 고가화 되는 단점이 있다.

따라서, 상기 단점을 극복하기 위해서 MEMS 액츄에이터를 이용한 가변 광감쇠기의 개발이 진행되고 있는데, 최근 연구 개발된 MEMS 가변 광감쇠기는 차단막(shutter)형과 미소 회전 거울(tilting micro mirror)형 및 MARS(Mechanical Anti-Reflection Switch)형 등이 있다.

우선, MARS 가변 광감쇠기는 Fabry-Perot 원리를 이용한 기계식 앤티-리플렉션 스위치(Mechanical Anti-Reflection Switch)의 박막(membrane)을 ON이나 OFF 상태가 아닌 임의의 변위에 위치시켜 감쇠량을 조절하는 기능을 수행하는 것으로써, MARS 가변 광감쇠기의 경우 파장에 따라 감쇠량이 달라지게 되는 문제점이 있다.

다음으로 차단막(shutter)형 MEMS 가변 광감쇠기는 한 쌍의 송수신 광파이버 사이에 차단막을 위치시켜 차단막의 변위에 따라 두 광파이버간의 접속 면적을 조절함으로써 삽입 손실을 제어한다. 그런데 상기 차단막형 가변 광감쇠기의 경우 차단막으로부터 반사되어 되돌아오는 광신호의 영향을 최소화해야 하는 문제점이 있다.

마지막으로, 미소 회전 거울형 가변 광감쇠기는 송수신 광파이버를 거울의 반사를 이용해 접속하고 거울의 각 변위로 삽입 손실을 제어하는 방식을 이용한다. 미소 회전 거울형 가변 광감쇠기는 거울을 기판에 평행하게 제작하기 때문에 광파이버를 기판에 수직하게 정렬(alignment)하여 조립해야 하며 이러한 패키징(packaging)작업이 어렵다는 것이 문제점으로 지적되고 있다.

본 발명에서는 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 MEMS 기술을 이용해 가변 광감쇠기를 제작하고 광파이버의 상대적 광축 정렬이 용이하고 광 신호 간섭과 삽입손실, 파장 및 편광 의존성이 낮은 새로운 구조의 가변 광감쇠기를 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 가변 광감쇠기의 구성도를 나타내는 사시도이며.

도 2는 본 발명에 의한 일 실시예에 의한 가변 광감쇠기의 도파로를 나타내는 개략도이며.

도 3은 본 발명에 의한 다른 실시예에 의한 가변 광감쇠기의 도파로를 나타내는 개략도이며.

도 4는 본 발명에 의한 가변 광감쇠기의 제조 공정을 순차적으로 나타내는 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 기판 2 : 희생층

3 : 실리콘 소자층 4 : 평면 도파로 층

5 : 전송파이버 6 : 수신파이버

7 : MEMS 액츄에이터 T : 전송부

A : 감쇠부 R : 수신부

: 측 방향 오프셋: 각 방향 오프셋

본 발명은 빛을 전송하는 전송 파이버와; 전송된 빛을 수신하는 수신 파이버와; 상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에서 빛을 감쇠시키기 위하여 전송부와, 빛을 감쇠시키는 감쇠부 및 상기 전송부와 동축에 위치한 수신부로 형성된 감쇠모듈부와; 상기 감쇠부를 구동시키기 위한 액츄에이터; 및 이를 포함하는 기판으로 구성된 가변 광감쇠기에 관한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 감쇠모듈부는 전송부와, 감쇠부 및 수신부가 하나의 모듈로 형성되어 광축의 상대적 정렬이 용이한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 감쇠모듈부는 도파로로 제작되어 전송부, 감쇠부, 수신부간의 정렬 오차의 감소로 인하여 광전송 손실이 감소되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 감쇠부는 측 방향으로 오프 셋 구동하여 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기인 것을 특징으로 한다.

경우에 따라서는 본 발명의 다른 실시예로서, 상기 감쇠부는 각 방향으로 오프 셋 구동하여 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 한다.

또한 이러한 상기 가변 광감쇠기와는 달리 본 발명은 또 다른 실시예로서, 빛을 전송하는 전송 파이버와; 전송된 빛을 수신하는 수신 파이버와; 상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에서 빛을 전송용 전송부와, 빛을 감쇠시키는 감쇠부와, 상기 전송부와 오프셋 되게 위치하여 감쇠부의 빛을 수신하는 수신부로 형성된 감쇠모듈부와; 상기 감쇠부를 구동시키기 위한 액츄에이터; 및 이를 포함하는 기판으로 구성된 가변 광감쇠기에 관하여 함께 기재하고자 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 감쇠모듈부는 전송부와, 감쇠부 및 수신부가 하나의 모듈로 형성되어 광축의 상대적 정렬이 용이한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 감쇠모듈부는 도파로로 제작되어 전송부, 감쇠부, 수신부간의 정렬 오차가 줄어듦으로 인하여 광전송 손실이 줄어드는 것을 특징으로 한다.

이러한 가변 광감쇠기에 있어서, 상기 감쇠부는 측 방향 또는 각 방향으로 오프 셋 되어 구동하여 감쇠하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서는 상기 가변 광감쇠기를 제조하기 위하여 다음의 제조 공정을 함께 제공한다.

즉 본 발명은 기판에 희생층을 증착하는 단계와; 상기 증착된 희생층 위에 실리콘 소자 층을 형성하는 단계와; 상기 형성된 실리콘 소자 층에 평면 도파로 층을 형성하는 단계와; 상기 평면 도파로 층을 에칭으로 패터닝하여 세 부분으로 나누는 단계와; 상기 실리콘 소자 층을 에칭으로 패터닝하여 세 부분으로 나누는 단계와; 상기 세 부분으로 구분된 부분 중 가운데 부분을 희생층 식각하는 단계; 및 상기 세 부분으로 구분된 부분 중 나머지 양측의 부분에 광파이버를 본딩하는 단계를 포함하는 가변 광감쇠기의 제조 방법을 동시에 제공하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부 도면을 통하여 본 발명의 실시예를 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 가변 광감쇠기의 구성도를 나타내는 사시도이며, 도 2 및 3은 상술한 바와 같은 MEMS 가변 광감쇠기의 구조를 나타내기 위한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가변 광감쇠기는 상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에서 빛을 감쇠시키기 위하여 전송부(T)와, 오프 셋 위치로 동작되는 감쇠부(A) 및 수신부(R)로 구성된 감쇠모듈부를 나타낸다.

상기 감쇠모듈부는 전송부(T), 감쇠부(A) 및 수신부(R)가 하나의 모듈로 형성되어 광축의 상대적 정렬이 용이하도록 구성가능하다.

또한 상기 감쇠모듈부는 도파로로 형성되어 광 전송 손실이 줄어들어 전송효율이 높아진다.

상기 감쇠모듈부는 평면 기판과 수평 정렬이 가능하고, 상기 감쇠모듈부에는 평면 도파로(planar waveguide)등이 사용된다. 상기 감쇠모듈부는 각각의 평면 도파로의 간격을 조절하면 삽입손실을 개선할 수 있고, 열 효과나 반사가 없는 구조이므로 편광이나 파장에 따른 의존성이 적으며, 하나의 모듈로 만듦으로써 소형화 및 집적화 할 수 있다는 장점이 있다.

일반적으로 광감쇠기는 도파로 간의 정렬이 전송과 수신부의접속효율(coupling efficiency)에 영향을 미치므로 중요한 성능인 삽입 손실을 결정할 수 있다.

그런데 종래의 MEMS 광감쇠기는 송수신 광파이버간의 정렬 및 광파이버와 액츄에이터 사이의 정렬 등 패키징 공정에서 미세 정렬을 요하게 되는 반면, 본 발명에 의한 광감쇠기는 감쇠모듈부와 MEMS 액츄에이터가 동일 노광 공정에 의해 제작되므로 감쇠모듈부 및 액츄에이터 간의 정렬이 칩제조 공정에서 동시에 수행된다. 또한 패키징 공정에서 수동으로 광파이버를 정렬할 경우에 비해 감쇠모듈부가 단일 칩 공정으로 제작되므로 광파이버간의 정렬이 더욱 정밀하게 수행된다.

감쇠원리는 두 가지로 크게 분류되는데, 첫 번째 방식은 도 2에 도시된 바와 같이, 최초에는 전송부(T), 감쇠부(A) 및 수신부(R)를 일직선으로 정렬시킨 상태에서 감쇠부(A)에 해당하는 광 도파로를 전송부(T)와 수신부(R)의 정렬에 대해, 측 방향(lateral motion)이나 각 방향(angular motion)으로 오프셋(offset)되게 구동하여 광량을 감쇠시키는 방법이다.

두 번째 방식은 도 3에 도시된 바와 같이, 처음부터 전송부(T)와 수신부(R)를 일직선으로 정렬하지 않고 초기에 어긋난 상태로 정렬하고, 첫 번째 방식과 같이 측 방향과 각 방향으로 오프 셋(offset)을 각각,로 나타내게끔 구동하여 광량을 감쇠시킨다.

첫 번째 방식에 비해 두 번째 방식은 광량을 최소화하는 최대 오프 셋의 경우에 역반사 영향을 최소화하고 광량 감쇠 영역을 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다.

도 4는 본 발명에 의한 상기 가변 광감쇠기를 제조하는 방법인 공정을 순차적으로 나타내고 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 우선 기판(1)에 희생층(2)을 증착하게 된다. 상기 증착된 희생층(2) 위에 실리콘 소자층(3)을 형성하며 상기 형성된 실리콘 소자층(3)에 평면 도파로층(4)을 형성한다.

상기 평면 도파로층(4)을 에칭으로 패터닝하여 세 부분으로 나누는데 이 때 상기 부분들 사이의 간격은 2~10㎛로 한다. 또한 상기 실리콘 소자층(3)을 에칭으로 패터닝하여 세 부분으로 나누며 간격은 상기 2~10㎛ 수준으로 하며 이 때 구동부가 제작된다.

상기 세 부분으로 구분된 실리콘 소자층(3)과 평면 도파로층(4) 중 가운데 부분(3b, 4b)을 희생층 식각하는 단계를 통하여 구동부가 완성된다.

마지막으로 상기 세 부분으로 구분된 실리콘 소자층(3) 및 평면 도파로층(4)중 가운데 부분을 제외한 나머지 양측의 부분(3a, 3c 및 4a, 4c)에 광파이버(5, 6)를 본딩하게 되면 상기 도 1에 도시된 바와 같이 전송부(T), 감쇠부(A) 및 수신부(R)를 구비한 가변 광감쇠기를 완성하게 된다.

이 때 상기 도파로의 감쇠부는 기판으로부터 떨어져 움직임이 가능하므로 송수신부 정렬에 대한 측방향 선형 이동이나 각방향 회전 운동이 가능하도록 하며 도파로의 전송부 및 수신부는 칩공정에서 노광 정밀도로 정렬되어 제작되는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이, MEMS 가변 광감쇠기는 타 구동 방식의 가변 광감쇠기에비해 손실 특성, 파장 의존성, 소형화 가능성 등에서 월등히 우수한 성능을 가진다.

본 발명의 MEMS 가변 광감쇠기는 광 도파로가 오프 셋 되는 양에 따라 감쇠가 일어난다. 따라서 기존의 열광학적 성질에 의한 굴절률 변화로 광감쇠가 일어나는 가변 광감쇠기나 회전거울을 이용한 가변 광감쇠기와는 달리 파장이나 편광에 의한 영향이 개선되며, 감쇠모듈부에서 전송부, 감쇠부, 수신부간의 정렬이 하나의 노광 공정으로 제조되므로 정렬 효율이 우수하여 삽입손실을 개선할 수 있는 구조이다.

도 3은 전송부와 수신부의 초기 offset으로 감쇠부가 기울어져 감쇠부에서 역반사(back reflection)의 영향이 적고 광량 감쇠 영역이 크다. 도 2의 경우 역반사의 영향은 굴절률 맞춤 용액 등을 사용하여 개선할 수 있다.

상기 도 2와 도 3에서 역반사의 영향을 줄이기 위해 전송부와 수신부와 감쇠부의 끝단에 앵글 클리빙(angle cleaving)을 주는 것이 가능하며, 보통 임계각 이상의 각을 주는데 실험적으로 약 8˚의 각도를 갖도록 하여 역반사의 영향을 줄이게 된다.

또한 소형화나 용이한 패키징을 위해 기판에 평행하게 광도파로를 배열할 수 있고 콜리메이터(collimator)가 필요하지 않도록 가까이 배치할 수 있으므로 회전 거울형 MEMS 가변 광감쇠기가 갖는 구조상의 복잡성을 회피하는 효과를 갖는다. 따라서 기계식 가변 광감쇠기에 비해 저가 및 소형화된 상품으로의 개발이 가능하게 된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 기재된 사항이외에도 이에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 가변 광감쇠기는 MEMS 구동기로 작동하고 삽입손실, 편광에 의한 영향, 파장 독립성 등의 우수한 광학 특성과 내구성을 구비함으로써, 기존의 기계식 광감쇠기에 비해 소형화 및 대량생산이 가능하며 MEMS 기술의 장점을 최대한 살려 경쟁력 있는 상품을 개발할 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

1. 빛을 전송하는 전송파이버와 빛을 수신하는 수신파이버 및 그 사이에서 빛을 감쇠하는 감쇠모듈부를 포함하여 구성된 가변 광감쇠기에서,

   상기 감쇠모듈부는 전송부와, 감쇠부 및 수신부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 감쇠모듈부에서 전송부와, 감쇠부 및 수신부는 도파로로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 감쇠모듈부는 전송부와, 감쇠부 및 수신부가 하나의 모듈로 형성되어 광축의 상대적 정렬이 용이한 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 감쇠모듈부는 상기 감쇠부를 구동하는 MEMS 액츄에이터를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전송부는 상기 전송파이버와 연결되고, 상기 수신부는 상기 수신파이버와 연결되고, 상기 감쇠부는 상기 전송부와 상기 수신부의 사이에서 MEMS 액츄에이터에 의해 구동되어 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 수신부는 전송부와 동축에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 수신부는 전송부와 오프셋(offset) 되게 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 감쇠부는 측 오프 셋(lateral offset) 방향으로 구동하여 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 감쇠부는 각 방향으로 오프 셋 구동하여 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
10. 빛을 전송하는 전송 파이버와;

    상기 전송파이버에서 전송된 빛을 수신하는 수신 파이버와;

    상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에서 빛을 감쇠시키기 위하여전송부와, 감쇠부 및 수신부로 형성된 감쇠모듈부와;

    상기 감쇠부를 구동시키기 위한 액츄에이터; 및

    이를 포함하는 기판으로 구성된 가변 광감쇠기.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 감쇠모듈부는 전송부와, 감쇠부 및 수신부가 하나의 모듈로 형성되어 광축의 상대적 정렬이 용이한 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 감쇠모듈부에서 전송부와, 수신부와 감쇠부는 도파로로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 수신부는 전송부와 동축에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
14. 제 10 항에 있어서, 상기 수신부는 전송부와 오프셋(offset) 되게 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
15. 제 10 항에 있어서, 상기 감쇠부는 측 방향으로 오프 셋 구동하여 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
16. 제 10 항에 있어서, 상기 감쇠부는 각 방향으로 오프 셋 구동하여 빛을 감쇠하는 것을 특징으로 하는 가변 광감쇠기.
17. 기판에 희생층을 증착하는 단계와;

    상기 증착된 희생층 위에 실리콘 소자 층을 형성하는 단계와;

    상기 형성된 실리콘 소자 층에 평면 도파로 층을 형성하는 단계와;

    상기 평면 도파로 층을 에칭으로 패터닝하여 세 부분으로 나누는 단계와;

    상기 실리콘 소자 층을 에칭으로 패터닝하여 세 부분으로 나누는 단계와;

    상기 세 부분으로 구분된 부분 중 가운데 부분을 희생층 제거하는 단계; 및

    상기 세 부분으로 구분된 부분 중 나머지 양측의 부분에 광파이버를 본딩하는 단계를 포함하는 가변 광감쇠기의 제조 방법.