KR20040017539A

KR20040017539A - 3분기형 광 도파로

Info

Publication number: KR20040017539A
Application number: KR1020020049660A
Authority: KR
Inventors: 박해령; 김동근; 이용태; 이성원
Original assignee: 우리로광통신주식회사
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-02-27

Abstract

본 발명은 3분기형 광 도파로에 관한 것으로, 상세하게는 단일 모드 입사광이 입사되도록 직사각형으로 형성되는 입사 도파로와, 입사 도파로를 통해 입사된 단일 모드 입사광이 확장되도록 입사 도파로측과 접합되도록 이와 대응되는 입구를 가지며, 입구를 기준으로 출구측으로 갈수록 외측 폭방향으로 경사를 가지며 확장되는 모드 확장형 경사 도파로와, 모드 확장형 경사 도파로를 통해 확장된 단일 모드 입사광을 안정화시키도록 모드 확장형 경사 도파로의 출구와 접합되도록 이와 대응되는 입구를 가지며, 입구와 동일 크기의 출구를 가지는 파장 안정화 직선 도파로와, 파장 안정화 직선 도파로를 통과한 광의 파워를 1:2:1의 비를 가지고 분기되도록 3분기하는 3분기형 분기 도파로를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면 분기 구조를 3분기 구조로 하여 분기수를 줄임으로써 광 도파로 소자 크기를 40% 이상으로 축소할 수 있고, 설계상의 분배비를 조절함으로서 통상적인 광 파워 분배기의 출력단 개수(2ⁿ개, n=1,2,3,...)가 아닌 자유로운 출사 도파로의 수를 가질 수 있다.

Description

3분기형 광 도파로{THREE BRANCHING TYPE OPTICAL WAVEGUIDE}

본 발명은 분기형 광 도파로에 관한 것으로, 상세하게는 3분기형 광 도파로를 제공하여 광이 여러 갈래로 분리될 때 광의 손실을 최소로 하면서 도파하고, 안정되게 분배되도록 하는 3분기형 광 도파로에 관한 것이다.

일반적으로 유선, 무선의 전기 통신은 음성의 파형과 강약을 전류나 전파 파형의 강약으로 변환한 아날로그 전송을 행하고 있다.

이에 비해 광통신은 정보(신호)를 빛의 점멸(점이 1, 멸이 0)로 변환한 디지털 전송을 행하고 있으며, IM(INTENSITY MODULATION: 강도 변조)방식이라 한다. 이 광통신은 THz대를 이용할 수 있기 때문에 전체 영역의 활용이 가능하다면 다룰 수 있는 정보량이 엄청나게 크다.

광통신중 광섬유를 이용한 통신 방식은 전화를 예를 들면, 음성은 아날로그 전기신호(전류)로 변환된다. 그리고 PCM(PULSE CODE MODULATION)에 의해 아날로그 전기신호가 디지털 전기신호로 변환된다. 디지털 전기신호는 발광소자에 의해 빛으로 바꿀 수 있다. 이 발광소자 즉, 레이저 다이오드는 화합물 반도체로 불리는 소자로 갈륨비소(GaAs) 또는 갈륨, 비소, 인듐, 인(InGaAsP)으로 구성되어 입력된 전류가 일정한 값을 넘으면 레이저 광이 발생한다.

이 레이저 광이 광섬유를 통해 전달되어 수신 장치에 설치된 수광 소자에 의해 전류로 변환하여 돌아오게 된다. 수광 소자는 실리콘 또는 게르마늄으로 만들어진 포토 다이오드 또는 애벌런치 포토 다이오드(AVALANCHE PHOTO DIODE)이다. 그리고 다시 아날로그 전기 신호, 음성으로 변환되어 상대방의 귀에 도달되는 것이다.

초고속 광통신망에서 집적광학 소자를 이루는 필수적인 소자인 광 도파로는 광 파워 분배기, 광 결합기, 모듈레이터, 스위치 간섭계 형태의 소자, 반도체 배열 레이저, 평판형 파장 다중화 소자(WAVELENGTH DIVISION MULTPLEXING) 등에서 폭넓게 이용되고 있다. 상기와 같이 다양한 분야에서 사용되는 광 도파로의 특성은 산란 손실 및 편광 손실을 최소화시켜야만 향상시킬 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 이러한 광 도파로중 Y분기형 광 도파로(10)는, 1개의 입사 도파로(11)와, 모드 확장형 경사 도파로(12)와, 2개의 분기 도파로(13, 14)로 구성된다. 여기에서 2개의 분기 도파로(13, 14)는 분기되는 모양을 가진다. 입사 도파로(11)에 인입된 광은 모드 확장형 경사 도파로(12)를 지나, 2개의 분기 도파로(13, 14)로 이동한다. 이때 입사 도파로(11)의 입사된 광 모드의 광 파워가 분기 도파로(13, 14)로 균등하게 분배해야 한다. 이를 위한 방법으로 여러 가지 형태의 분기형 도파로가 제안되었으며, 기본적으로 Y 모양의 분기 구조가 주로 사용되고 있다.

이러한 Y분기형 광 도파로가 직렬로 n개 연결되면 1 ×n(n=2, 4, 8, 16, 32, …,n) 광 파워 분배기라고 한다.

그러나 이러한 광 파워 분배기는 Y분기형 광 도파로가 직렬 형태로 여러개 결합되기 때문에 상대적으로 길이가 커지는 문제점이 있다.

또한 광 파워 분배기의 성능 평가는 주로 출력단의 광 파워와, 출력단의 광 파워의 균일도와, 각 출력단의 편광 의존 손실(POLARIZATION DEPENDENCE LOSS) 등을 들 수 있다. 따라서 광 파워 분배기는 낮은 삽입손실을 가져야만 하고, 또 파장의 변화에 따라 균일한 광 분배 특성을 가져야 할 뿐만 아니라 적은 편광 의존성을 가져야만 하는 설계상의 어려운 문제점이 있다.

또 분기수가 커질수록 입사 도파로를 통해 인입되는 단일 모드 입사 광을 모드의 변화없이 출사 도파로로 전파시키기 위해서는 보다 많은 분기를 거치게 되며, 분기를 지날 때마다 모드가 흐트러지기 때문에 광학적 특성 중 특히, 편광 의존 손실이 나빠지는 다른 문제점이 있다.

또 상기의 광 파워 분배기는 출력단 개수가 2ⁿ개(n=1,2,3...)로 고정되어 있기 때문에 자유로운 출사 도파로 수를 가질 수 없는 또 다른 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 분기 구조를 3분기 구조로 하여 분기수를 줄임으로써 광 도파로 소자 크기를 40% 이상으로 축소하도록 하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 도파로 길이를 축소시킴으로써 편광 의존 손실, 삽입 손실 등 광학적 특성 측면에서 안정성있는 설계 기술을 제공하는데 있다.

또 본 발명의 다른 목적은, 설계상의 분배비를 조절함으로서 통상적인 광 파워 분배기의 출력단 개수(2ⁿ개, n=1,2,3...)가 아닌 자유로운 출사 도파로 수를 가질 수 있도록 하는데 있다.

도 1은 종래의 Y분기형 광 도파로의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도

도 2는 본 발명의 3분기형 광 도파로의 구성을 나타낸 사시도

도 3은 본 발명의 3분기형 광 도파로가 적용된 광 파워 분배기의 일예의 구성을 나타낸 평면도

<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 3분기형 광 도파로110, 211, 221 : 입사 도파로

120 : 모드 확장형 경사 도파로130 : 파장 안정화 직선 도파로

140 : 3분기형 분기 도파로141 : 중심 분기 도파로

142, 143 : 측면 분기 도파로200 : 광 파워 분배기

201 : 곡선 도파로202 : 출사 도파로

210 : Y분기형 광 도파로220 : 제 2의 3분기형 광 도파로

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

분기형 광 도파로에 있어서,

단일 모드 입사광이 입사되도록 직사각형으로 형성되는 입사 도파로와,

상기 입사 도파로를 통해 입사된 상기 단일 모드 입사광이 확장되도록 상기입사 도파로측과 접합되도록 이와 대응되는 입구를 가지며, 상기 입구를 기준으로 출구측으로 갈수록 외측 폭방향으로 경사를 가지며 확장되는 모드 확장형 경사 도파로와,

상기 모드 확장형 경사 도파로를 통해 확장된 상기 단일 모드 입사광을 안정화시키도록 상기 모드 확장형 경사 도파로의 출구와 접합되도록 이와 대응되는 입구를 가지며, 상기 입구와 동일 크기의 출구를 가지는 파장 안정화 직선 도파로와,

상기 파장 안정화 직선 도파로를 통과한 광의 파워를 1:2:1의 비를 가지고 분기되도록 3분기하는 3분기형 분기 도파로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서 상기 3분기형 분기 도파로는,

중앙에 위치하고, 직사각형으로 형성되며, 상기 파장 안정화 직선 도파로를 통과한 광의 파워를 1/2의 비를 가지고 분기하는 중심 분기 도파로와,

상기 중심 분기 도파로의 양 측면에 위치하고, 각각 외측으로 벌어지도록 곡면을 가지며 형성되고, 상기 파장 안정화 직선 도파로를 통과한 광의 파워를 각 1/4의 비를 가지고 분기하는 측면 분기 도파로로 구성된다.

여기에서 또한 상기 중심 분기 도파로는,

제 2의 다른 분기 도파로의 입사 도파로와 연결되거나 또는 제 2의 다른 분기 도파로의 입사 도파로로 사용된다.

이하, 본 발명에 의한 3분기형 광 도파로의 구성을 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 3분기형 광 도파로의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 3은본 발명의 3분기형 광 도파로가 적용된 광 파워 분배기의 일예의 구성을 나타낸 평면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 3분기형 광 도파로(100)는, 입사 도파로(110)와, 모드 확장형 경사 도파로(120)와, 파장 안정화 직선 도파로(130)와, 3분기형 분기 도파로(140)로 구성된다.

입사 도파로(110)는 단일 모드 입사광이 입사되도록 직사각형으로 형성된다.

모드 확장형 경사 도파로(120)는 입사 도파로(110)에 입사하는 단일 모드 광이 여러 모드가 생성되지 않으면서 점진적으로 모드가 확장되도록 입사 도파로(110)측과 접합되도록 이와 대응되는 입구를 가지며, 입구를 기준으로 출구측으로 갈수록 외측 폭방향으로 경사를 가지며 확장, 즉 입구가 좁고 출구측으로 갈수록 점진적으로 넓어지도록 형성된다.

파장 안정화 직선 도파로(130)는 모드 확장형 경사 도파로(120)를 통해 확장된 단일 모드 입사광을 안정화시키도록 모드 확장형 경사 도파로(120)의 출구와 접합되도록 이와 대응되는 입구를 가지며, 입구와 동일 크기의 출구를 가진다.

3분기형 분기 도파로(140)는 파장 안정화 직선 도파로(130)를 통과한 광의 파워를 1:2:1의 비를 가지고 3분기되도록 중심 분기 도파로(141)와, 2개의 측면 분기 도파로(142, 143)로 구성된다. 중심 분기 도파로(141)는 중앙에 위치하고, 직사각형으로 형성되며, 파장 안정화 직선 도파로(130)를 통과한 광의 파워를 1/2의 비를 가지고 분기하도록 구성된다. 측면 분기 도파로(142, 143)는 중심 분기 도파로(141)의 양 측면에 위치하고, 각각 외측으로 벌어지도록 곡면을 가지며 형성되고, 파장 안정화 직선 도파로(130)를 통과한 광의 파워를 각 1/4의 비를 가지고 분기하도록 구성된다. 여기에서 중심 분기 도파로(141)는 도 3에 도시된 바와 같이 Y분기형 광 도파로(210) 또는 제 2의 3분기형 분기 도파로(220)의 입사 도파로(211, 221)로 사용된다.

이하 본 발명에 따른 3분기형 광 도파로의 설계 방법 및 동작을 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 입사 도파로(110)의 출구에는 모드 확장형 경사 도파로(120)의 입구가 연결되어 입사 도파로(110)를 통해 인입된 광이 여러 모드가 생성되지 않고, 점진적으로 모드를 확장하며 모드 확장형 경사 도파로(120)의 출구를 통해 인출된다.

그러면 모드 확장형 경사 도파로(120)의 출구와 입구가 연결된 파장 안정화 직선 도파로(130)에 의해 모드 확장형 경사 도파로(120)를 통과하여 모드가 확장되어 나온 광이 각 파장에 따른 모드가 일정하게 유지된 채로 파장 안정화 직선 도파로(130)의 출구와 연결된 3분기형 분기 도파로(140)로 인입된다.

그러면 3분기형 분기 도파로(140)를 통과한 광은 중심 분기 도파로(141)와 2개의 측면 분기 도파로(142, 143)에 의한 분기 구조에 의해 광의 파워가 1:2:1의 비를 가지고 분기된다. 이때 2개의 측면 분기 도파로(142, 143)에서 광 파워는 인입된 광 파워의 1/4씩을 각각 갖게되며, 중심 분기 도파로(141)는 인입된 광 파워의 1/2를 갖게 된다. 한편 중심 분기 도파로(141)를 통과한 1/2의 광 파워를 갖는 광은 Y분기형 광 도파로(210) 또는 제 2의 3분기형 분기 도파로(220)에 전달된다.

한편 상기에 설명한 바와 같이 분기 도파로의 분기를 3분기로 제작함으로서광 파워 분배기(200)의 길이를 상대적으로 축소시킬 수 있다. 그 이유로 도파로의 길이는 입사 도파로(110)와, 모드 확장형 경사 도파로(120)와, 파장 안정화 직선 도파로(130)와, 3분기형 분기 도파로(140) 및 3분기형 분기 도파로(140)와 연결되는 곡선 도파로(201) 및 출사 도파로(202)로 길이의 합이다. 여기에서 입사 도파로(110)와, 모드 확장형 경사 도파로(120)와, 파장 안정화 직선 도파로(130) 및 3분기형 분기 도파로(140)의 길이는 설계상 모든 광 파워 분배기에서 사용하는 분배구조와 어느 정도 비슷하게 된다. 따라서 분기 도파로 및 이와 연결되는 곡선 도파로의 길이에 영향을 받게 된다. 종래에 사용되어온 Y분기형 광 도파로를 직렬로 연결하는 구조를 사용하는 광 파워 분배기의 경우에는, 입사 직선 도파로와 모드 확장형 경사 도파로가 각각 사용되고, 곡선 도파로 및 출사 도파로를 갖게 되므로 도파로의 전체 길이가 상대적으로 길어지게 된다.

그러나 본 발명에 의한 3분기 구조를 갖는 3분기형 광 도파로(100)를 광 파워 분배기(200)에 적용하면 중심 분기 도파로(141)가 Y분기형 광 도파로(210) 또는 제 2의 3분기형 광 도파로(220)의 입사 도파로(211, 221)의 역할을 하므로 두 번째 분기점에서는 입사 도파로가 필요 없게 되기 때문에 도파로 길이가 짧아지게 된다.

그리하여 4채널 광 파워 분배기에서 3분기 구조를 사용하면 Y분기 구조를 사용한 소자의 경우에 비하여 약 40%의 길이를 줄일 수 있으며, 채널 수가 8, 16, 32...등으로 증가됨에 따라 채널수에서 3분기 구조를 몇 번을 사용하느냐에 따라 도파로 길이는 Y분기형 구조에 비하여 상당히 줄일 수 있다.

또한 분기를 한번 지나면서 측면 분기 도파로(142, 143)에서는 1/4의 광 파워를 갖는 광이 나오게 되고, 중심 분기 도파로(141)에서는 1/2의 광 파워를 갖는 광이 나오지만, 중심 분기 도파로(141)에서 출사되는 광은 곡선 도파로(201)를 지나지 않기 때문에 모드가 흐트러지지 않게 된다. 그리하여 Y분기형 광 도파로(210) 또는 제 2의 3분기형 광 도파로(220)의 입사 도파로(211, 221)에 인입된 광이 첫 번째 3분기형 분기 도파로(140)의 3분기와 두 번째 Y분기형 광 도파로(210) 또는 제 2의 3분기형 광 도파로(220)의 분기를 지날 때 항상 동일한 비를 가지고 분기되기 때문에 광학적 특성은 하나의 분기 구조를 지나는 것과 동일한 효과를 얻을 수가 있다. 한편 이러한 결과는 BPM(BEAM PROPAGATION METHOD) 설계 프로그램을 이용하여 모의 실험을 한 결과 동일하게 나누어진다는 것을 확인할 수 있다.

또한 광통신에서 사용하는 파장은 1250nm에서 1650nm로서 이 파장에서 분배비가 일정 해야 한다는 것이다. 3분기형 광 도파로(100)의 입사 도파로(110)에 인입된 광은 모드 확장형 경사 도파로(120)에서 단일 모드를 유지하면서 점점 커지게 되고, 파장에 따라 광의 커지는 정도가 약간씩 달라지게 되는데, 퍼짐의 차이가 있는 광이 3분기형 분기 도파로(140)를 따라 도파하게 되면 파장에 따라 분배비가 달라지게 된다. 이때 광의 파장이 약간 길다면 중심에 좀 더 많은 광 파워가 진행할 것이며, 광의 파장이 약간 짧다면 광이 중심보다 다소 가장자리로 치우치게 될 것이다. 상기에서 언급한 바와 같이 다소 치우친 광은 광통신에 사용되고 있는 1310nm일 경우와 1550nm일 경우에 BPM 모의 실험을 한 결과 1310nm일 때에는 중심 분기 도파로(141)로, 1550nm일 때에는 측면 분기 도파로(142, 143)로 광 파워가 많이 지나가게 됨을 알 수 있다. 그리하여 모드 확장형 경사 도파로(120)의 뒷단에파장 안정화 직선 도파로(130)를 삽입함으로써 파장에 따라 다소 치우친 광의 파워를 일정하게 만들어줌으로서 3분기형 광 도파로(100)로 인입된 광의 파워가 균일하게 된다. 이렇게 파장 안정화 직선 도파로(130)를 삽입하여 BPM 모의 실험을 수행한 결과 1250nm에서 1650nm의 파장 대역에서 0.05dB이하의 균일하게 나타났다.

또한 종래의 Y분기형 광 도파로를 갖는 광 파워 분배기는 1개의 입사 도파로와 2^n개(n=1,2,3...)의 출사 도파로를 갖게 되어 광 파워 분배기를 시스템에 응용 할 때 출사 도파로의 숫자에 많은 제약이 있을 수도 있는 데, 본 발명에서와 같이 3분기형 구조를 이용하여 분배비를 조절한다면 10분기, 20분기, 40분기 등의 10의 배수뿐만 아니라 홀수의 분배 개수를 갖는 구조를 갖는 분배기 소자의 제조도 가능하게 된다.

따라서 광 파워 분배기에서 첫 번째 분기를 3분기 구조로 설계함으로서 두 번째 분기에서의 입사 도파로를 생략할 수 있어 광 도파로 소자의 길이를 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라 동일한 채널 수를 갖는 광 파워 분배기 소자에서 소자 길이가 줄어듦으로서 편광 의존 손실, 삽입 손실 등 광학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 광 파워 분배기 소자 길이를 짧게 함으로 동일한 기판 내에 유효 개수를 늘릴 수 있어 생산량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 광 파워 분배기의 출력단의 개수를 임의적으로 유연하게 설정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 3분기형 광 도파로에 의하면, 분기 구조를 3분기 구조로 하여 분기수를 줄임으로써 광 도파로 소자 크기를 40% 이상으로 축소할 수 있고, 도파로 길이를 축소시킴으로써 편광 의존 손실, 삽입 손실 등 광학적 특성 측면에서 안정성있는 설계 기술을 제공할 수 있으며, 설계상의 분배비를 조절함으로서 통상적인 광 파워 분배기의 출력단 개수(2ⁿ개, n=1,2,3...)가 아닌 자유로운 출사 도파로의 수를 가질 수 있다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

분기형 광 도파로에 있어서,

단일 모드 입사광이 입사되도록 직사각형으로 형성되는 입사 도파로와,

상기 입사 도파로를 통해 입사된 상기 단일 모드 입사광이 확장되도록 상기 입사 도파로측과 접합되도록 이와 대응되는 입구를 가지며, 상기 입구를 기준으로 출구측으로 갈수록 외측 폭방향으로 경사를 가지며 확장되는 모드 확장형 경사 도파로와,

상기 모드 확장형 경사 도파로를 통해 확장된 상기 단일 모드 입사광을 안정화시키도록 상기 모드 확장형 경사 도파로의 출구와 접합되도록 이와 대응되는 입구를 가지며, 상기 입구와 동일 크기의 출구를 가지는 파장 안정화 직선 도파로와,

상기 파장 안정화 직선 도파로를 통과한 광의 파워를 1:2:1의 비를 가지고 분기되도록 3분기하는 3분기형 분기 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 3분기형 광 도파로.
제 1 항에 있어서,

상기 3분기형 분기 도파로는,

중앙에 위치하고, 직사각형으로 형성되며, 상기 파장 안정화 직선 도파로를 통과한 광의 파워를 1/2의 비를 가지고 분기하는 중심 분기 도파로와,

상기 중심 분기 도파로의 양 측면에 위치하고, 각각 외측으로 벌어지도록 곡면을 가지며 형성되고, 상기 파장 안정화 직선 도파로를 통과한 광의 파워를 각 1/4의 비를 가지고 분기하는 측면 분기 도파로로 구성되는 것을 특징으로 하는 3분기형 광 도파로.
제 2 항에 있어서,

상기 중심 분기 도파로는,

제 2의 다른 분기 도파로의 입사 도파로와 연결되거나 또는 제 2의 다른 분기 도파로의 입사 도파로로 사용되는 것을 특징으로 하는 3분기형 광 도파로.