KR20050065906A - Straight-waveguide type variable optical attenuator based on thermo-optic effect - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단순한 직선 도파로 구조에서도 선형적인 감쇄 특성과 넓은 감쇄 영역을 얻을 수 있어 광 감쇄기 어레이(array)를 비롯한 집적 소자의 구성에 효율적으로 적용시킬 수 있는 열광학적 가변 광 감쇄기에 관한 것으로, 도파로 상부에 도파로와 적절한 각도를 이루는 금속 열선이 한쪽으로 치우쳐 있는 특징적인 구도를 채용한다. 이러한 구도에 의해 유도되는 열광학적 굴절률 변화의 공간적 분포는 도파로 내를 진행하는 빛을 클래딩 영역으로 결합시켜 빛의 편향을 일으키게 되므로, 기판과 금속 열선의 온도 차이를 조절함으로써 도파로의 코어 영역에 남는 빛의 출력을 조절하여 가변적인 광 감쇄 효과를 얻을 수 있다.The present invention relates to a thermo-optical variable optical attenuator that can be efficiently applied to the configuration of an integrated device including an optical attenuator array since a linear attenuation characteristic and a wide attenuation area can be obtained even in a simple linear waveguide structure. A characteristic composition is adopted in which the metal heating wires at an angle with the waveguide are biased to one side. The spatial distribution of the thermo-optic refractive index change induced by this composition causes light deflection by combining the light propagating in the waveguide into the cladding region, so that the light remaining in the core region of the waveguide by controlling the temperature difference between the substrate and the metal hot wire. By controlling the output of the variable light attenuation effect can be obtained.
Description
본 발명은 가변 광 감쇄기에 관한 것으로, 특히 직선 도파로에 간단한 열선 구조를 채용함으로써 선형적인 감쇄 특성과 넓은 감쇄 영역을 얻을 수 있어 효율적인 집적 소자 구성에 용이한 열광학 가변 광 감쇄기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a variable optical attenuator, and more particularly, to a thermo-optical variable optical attenuator that can obtain linear attenuation characteristics and a wide attenuation area by employing a simple hot wire structure in a linear waveguide, and is easy for efficient integrated device construction.
가변 광 감쇄기는 전기적 또는 기계적인 방법을 이용하여 입력광 신호의 감쇄 정도를 조절할 수 있는 소자로, 파장 분할 다중(wavelength-division multiplexing, WDM) 시스템의 각 채널간 출력 균등화에 많이 이용되는데, 서로 다른 파장 채널의 광 출력을 병렬적으로 손쉽게 조절하기 위해서는 일반적으로 병렬적 집적화에 용이한 직선 도파로 구조를 갖고 또한 dB 단위에서 선형적으로 변하는 감쇄 특성이 요구된다.A variable optical attenuator is an element that can control the attenuation of an input optical signal by using an electrical or mechanical method. It is widely used for output equalization between channels of a wavelength-division multiplexing (WDM) system. In order to easily adjust the light output of the wavelength channel in parallel, a linear waveguide structure, which is easy for parallel integration in general, and attenuation characteristic that varies linearly in dB is required.
현재 사용되는 대부분의 가변 광 감쇄기들은 광섬유의 손실 또는 두 광섬유 사이의 결합(coupling)을 기계적으로 조절하는 방식, 미소전기기계시스템(micro-electro-mechanical system, MEMS)을 이용하는 방식 또는 도파로를 구성하는 물질의 열광학 효과를 이용하는 방식을 택하고 있는데, 광섬유를 이용하는 방식은 광 감쇄의 범위가 매우 넓고 감쇄 특성의 선형성이 좋지만 소자의 부피가 크고 동작 속도가 느리며 기본적인 손실이 높다는 단점들을 갖고 있으며, MEMS 방식의 경우 동작 속도가 매우 빠르고 동작 전력도 적은 장점이 있으나 다른 도파로 소자와의 집적이 어렵다는 단점을 갖는다. 한편 본 발명에서 채택하고 있는 열광학 효과를 이용하는 방식의 경우에는 밀리초 정도의 적당한 동작 속도를 갖고 편광에 무관한 동작 특성을 보이며 집적화에 있어 매우 용이하다는 장점을 갖는다.Most of the variable optical attenuators in use today have a method of mechanically controlling the loss of a fiber or the coupling between two fibers, a method using a micro-electro-mechanical system (MEMS), or a waveguide. It uses the thermo-optic effect of the material, but the optical fiber method has a wide range of light attenuation and good linearity of the attenuation characteristics, but has the disadvantages of large volume of device, slow operation speed and high basic loss. In the case of the method, the operating speed is very fast and the operating power is low, but it is difficult to integrate with other waveguide devices. On the other hand, the method using the thermo-optic effect adopted in the present invention has an advantage of having an appropriate operating speed of about milliseconds, showing an operation characteristic irrespective of polarization, and very easy in integration.
열광학 효과를 이용한 가변 광 감쇄기는 그 구조에 따라 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계형, 다중 모드 도파로형, 단일 모드 직선 도파로형 등으로 구분할 수 있는데, 마하-젠더 간섭계형의 경우 선형적인 감쇄 특성을 갖는 가변 광 감쇄기가 제안되기도 하였지만 일반적으로 소자의 기본 손실이 크고 출력의 안정성에 있어서 문제가 있으며, 여타의 방식의 경우에는 선형적 감쇄 특성을 얻는 것이 여전히 중요한 문제가 되고 있다.Variable optical attenuator using thermo-optic effect can be classified into Mach-Zehnder interferometer type, multimode waveguide type, single mode linear waveguide type, etc. according to its structure. Although a variable optical attenuator having characteristics has been proposed, in general, the basic loss of the device is large, there is a problem in the stability of the output, and in other cases, it is still an important problem to obtain the linear attenuation characteristics.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 직선 도파로 구조에서 넓은 감쇄 영역에 걸쳐 선형적 감쇄 특성을 갖는 열광학적 가변 광 감쇄기를 제공하는 데 그 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermo-optic variable optical attenuator having linear attenuation characteristics over a wide attenuation region in a linear waveguide structure.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 기판, 상기 기판 위에 위치한 클래딩, 상기 클래딩 내부에 위치한 코어, 상기 클래딩 위에 위치하되, 상기 코어의 길이 방향과 소정 각도로 기울어져 있으며, 상기 코어의 좌측 또는 우측으로 치우쳐 있는 단수개 또는 복수개의 열선을 포함하는 가변 광 감쇄기를 제공한다.As a technical means for achieving the above object, the first aspect of the present invention is a substrate, a cladding positioned on the substrate, a core located inside the cladding, positioned on the cladding, inclined at a predetermined angle with a longitudinal direction of the core The present invention provides a variable optical attenuator including a single or a plurality of hot wires oriented to the left or right side of the core.
발명의 기본 원리는 다음과 같다. 특징적 구도의 금속 열선에 전류를 흘릴 때, 금속 열선의 온도 상승에 의해 유도되는 상기 도파로 구조 내의 온도 분포와 이에 따른 굴절률 변화의 공간적 분포로 인하여, 도파로 구조 내를 진행하는 빛이 느끼는 도파 조건이 변화하여 빛의 굴절 및 편향이 발생하고, 그 결과로 상기 도파로의 코어 영역을 진행하는 빛의 출력에 변화가 발생한다. 이 때 빛의 굴절 및 편향 특성과 이로 인한 감쇄 특성은 상기 금속 열선의 구도와 위치에 따라 다른 양상을 보이므로, 효율적인 광 감쇄기의 구동을 위해서는 적절한 구도와 위치의 선택이 필요하다The basic principle of the invention is as follows. When a current flows through a metallic hot wire of a characteristic composition, the waveguide condition of the light traveling in the waveguide structure is changed due to the temperature distribution in the waveguide structure induced by the temperature rise of the metal hot wire and thus the spatial distribution of the refractive index change. Refraction and deflection of light occur, resulting in a change in the output of light traveling through the core region of the waveguide. At this time, the refraction and deflection characteristics of the light and the attenuation characteristics thereof are different depending on the composition and position of the metal heating wire, so it is necessary to select an appropriate composition and position to drive an efficient optical attenuator.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열광학 가변 광 감쇄기의 평면도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1의 A-A'선을 따른 단면도를 도시한 것이다. 도 1 및 2에서, 광 감쇄기는 입력 도파로(11), 출력 도파로(12) 및 광 감쇄부(13)의 도파로(14)가 모두 단일 모드의 직선형 채널 도파로로 구성되고, 도파로 상부에 하나 또는 연속적으로 위치한 다수의 금속 열선(15)이 광 감쇄부의 도파로 코어(14)와 각 α를 이루면서 도파로 코어(14)에 대해서 한쪽 영역으로 완전히 치우쳐 있는 구조를 갖는다. 도 2에서, 열광학 가변 광 감쇄기는 기판(17), 기판(17)위에 위치한 클래딩(16), 클래딩(16) 내부에 위치한 도파로 코어(14), 클래딩(16) 위에 위치한 금속 열선(15)으로 구성된다.1 is a plan view of a thermo-optic variable optical attenuator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1. 1 and 2, the optical attenuator comprises an input waveguide 11, an output waveguide 12 and a waveguide 14 of the optical attenuator 13 all composed of a straight channel waveguide in a single mode, one or continuous on top of the waveguide. The plurality of metal heating wires 15, which are positioned at sq., Form an angle with the waveguide core 14 of the light attenuation portion, and are completely biased toward one region with respect to the waveguide core 14. In FIG. 2, the thermo-optic variable light attenuator includes a substrate 17, a cladding 16 located on the substrate 17, a waveguide core 14 located inside the cladding 16, and a metal heating wire 15 located on the cladding 16. It consists of.
도 3 및 4는 도 1 및 2에 표현된 광 감쇄기 구조에서 코어(14)와 클래딩(16)의 열광학 계수가 -0.00012 K-1로 동일할 때, 코어(14)의 중심과 같은 높이에서 온도 상승이 가장 큰 위치에서의 온도 증가(이하 △T라고 함)가 각각 10 K와 30 K인 경우의 유효 굴절률(effective index)의 분포를 나타낸 것으로, 이 때의 계산은 클래딩(16)의 굴절률이 1.500, 코어(14)의 굴절률이1.503이고, 도파로 코어(14)의 폭과 높이 및 금속 열선(15)의 폭이 각각 5 μm, 코어(14) 상단에서 금속 열선(15)까지의 높이가 6 μm, 코어(14) 하단에서 기판(17)까지의 높이가 12 μm이며, 금속 열선의 길이가 4 mm, 코어(14)와 금속 열선(15)의 사이각 α가 0.3°인 조건에서 얻어진 결과이다. 도 3 및 4에서, z 축의 방향은 코어의 길이 방향과 일치하고, x 축의 방향은 코어의 길이 방향과 수직인 방향으로 x=0의 위치는 코어의 중심에 해당하는 위치이다. 도 3에서 보는 바와 같이 △T가 10 K인 경우, 코어(14)의 굴절률에 비해 주위의 굴절률이 여전히 낮아 코어(14)로 진행하는 빛의 감쇄 효과는 크게 나타나지 않지만, △T가 30 K인 도 4의 경우, 코어(14)에 비해 주위의 굴절률이 높아 코어(14)로 진행하는 빛이 오히려 클래딩(15)으로 결합되어 굴절률의 분포를 따라서 +x의 방향으로 빛이 편향되어 진행하게 된다.3 and 4 illustrate the same height as the center of the core 14 when the thermo-optic coefficients of the core 14 and the cladding 16 are equal to −0.00012 K −1 in the light attenuator structure represented in FIGS. 1 and 2. The distribution of the effective indexes when the temperature increase (hereinafter referred to as ΔT) at the position where the temperature rise is greatest is 10 K and 30 K, respectively, and the calculation at this time is the refractive index of the cladding 16. The refractive index of the 1.500 and the core 14 is 1.503, the width and height of the waveguide core 14 and the width of the metal heating wire 15 are 5 μm, respectively, and the height from the top of the core 14 to the metal heating wire 15 is 6 μm, the height from the bottom of the core 14 to the substrate 17 is 12 μm, the length of the metal heating wire is 4 mm, and the angle α between the core 14 and the metal heating wire 15 is 0.3 °. The result is. 3 and 4, the direction of the z axis coincides with the longitudinal direction of the core, and the direction of the x axis is perpendicular to the longitudinal direction of the core, where x = 0 is the position corresponding to the center of the core. As shown in FIG. 3, when ΔT is 10 K, the peripheral refractive index is still low compared to the refractive index of the core 14, so that the attenuation effect of the light traveling to the core 14 does not appear much, but ΔT is 30 K. In the case of FIG. 4, since the refractive index of the surroundings is higher than that of the core 14, the light traveling to the core 14 is coupled to the cladding 15, so that the light is deflected in the direction of + x along the distribution of the refractive indexes. .
도 5 및 6은 각각 도 3 및 4의 유효 굴절률 조건에서 빛의 진행을 계산한 결과이다. △T가 30 K인 도 6이 △T가 10 K인 도 5에 비하여 빛의 감쇄 효과가 크게 나타남을 알 수 있다. 5 and 6 show the results of calculating light propagation under the effective refractive index conditions of FIGS. 3 and 4, respectively. It can be seen that FIG. 6 having ΔT of 30K exhibits a larger light attenuation effect than FIG. 5 having ΔT of 10K.
도 7은 이상의 방법으로 금속 열선(15)의 길이 L과 각 α, 그리고 금속 열선의 수가 서로 다른 값을 가질 때의 광 감쇄 특성을 계산한 결과들을 정리하여 나타낸 것인데, 각각의 계산 조건들에서 선형적인 감쇄 특성이 잘 나타남을 알 수 있다. 계산에서 사용된 α의 값 0.3°와 1.1°는 각각 L이 4 mm 또는 1 mm의 값을 가질 때 가장 큰 감쇄를 얻을 수 있는 조건인데, α의 값을 1.1°로 유지하며 1 mm의 금속 열선을 연속적으로 네 개 배열한 총 길이 4 mm의 구조와 α = 0.3° L = 4 mm의 구조에서 거의 비슷한 감쇄 특성을 얻을 수 있으며, 이 때의 광 감쇄기 동작 영역은 약 37 dB, 선형적 감쇄를 보이는 구간은 대략 2 내지 35 dB 범위임을 확인할 수 있다. 그러나 도 7에서 얻은 감쇄 영역이 본 발명을 통해 얻을 수 있는 최대의 범위는 아니며, 광 감쇄부(13)를 더욱 길게 활용함으로써 50 dB 이상의 더 넓은 범위의 감쇄 영역을 얻는 것도 가능하다.FIG. 7 summarizes the results of calculating the light attenuation characteristics when the length L, the angle α, and the number of the metal heating wires of the metal heating wire 15 have different values, and are linear in the respective calculation conditions. It can be seen that the attenuation characteristics are well represented. The values of α used in the calculation, 0.3 ° and 1.1 °, are the conditions under which the largest attenuation can be obtained when L has a value of 4 mm or 1 mm, respectively. In the structure of 4 mm in length and 4 in length and α = 0.3 ° L = 4 mm, the attenuation characteristics are almost similar, and the optical attenuator operating area is about 37 dB and linear attenuation is obtained. It can be seen that the visible section is in the range of approximately 2 to 35 dB. However, the attenuation region obtained in FIG. 7 is not the maximum range that can be obtained through the present invention, and it is also possible to obtain a wider attenuation region of 50 dB or more by utilizing the light attenuation portion 13 longer.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아니므로, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 또한 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 전술한 구도의 금속 열선을 도 8과 같이 곡선 형태로 변형하거나, 도 9와 같이 꺾인 직선 형태로 변형하거나, 도 10과 같이 금속 열선이 치우친 정도를 바꾸거나, 상기의 금속 열선과는 별도로 도파로와 나란한 열선을 함께 채용하는 등의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.The embodiments described above are for the purpose of explanation of the invention and are not intended to be limiting, and various substitutions, modifications, and changes are possible without departing from the spirit of the invention. In addition, if the ordinary expert in the technical field of the present invention, within the scope of the technical idea of the present invention, the metal hot wire of the above-described composition is deformed into a curved shape as shown in FIG. It will be appreciated that various embodiments are possible, such as changing the degree of bias of the metal heating wire, or employing a heating wire in parallel with the waveguide separately from the metal heating wire.
상술한 바와 같은 특징적인 금속 열선 구도를 갖는 열광학 가변 광 감쇄기는 직선 도파로 구도에서도 37 dB 이상의 넓은 광 감쇄 영역을 가지며, 2 내지 35 dB 범위에서 선형적 감쇄 특성을 보이므로, 이를 이용하여 가변 광 감쇄기 및 그 어레이를 포함하는 효율적인 집적 광학 소자를 구현할 수 있다.The thermo-optic variable optical attenuator having the characteristic metal hot wire composition as described above has a wide light attenuation area of more than 37 dB even in a straight waveguide composition, and shows a linear attenuation characteristic in the range of 2 to 35 dB, thereby using the variable light Efficient integrated optical devices including attenuators and arrays thereof can be implemented.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열광학 가변 광 감쇄기의 평면도이다.1 is a plan view of a thermo-optic variable optical attenuator according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 A-A'선에 따른 구조 단면도이다.2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1.
도 3 및 4는 도 1 및 2에 표현된 구조에 대해 도파로 코어의 중심 높이에서 온도 상승이 가장 큰 위치에서의 온도 증가가 각각 10 K와 30 K인 경우의 유효 굴절률의 분포도이다.3 and 4 are distribution charts of the effective refractive indices when the temperature increase at the position where the temperature rise is greatest at the center height of the waveguide core is 10 K and 30 K, respectively, for the structure shown in FIGS.
도 5 및 6은 각각 도 3 및 4의 유효 굴절률 분포 조건에서 빛의 진행을 계산한 결과를 나타낸 도면이다. 5 and 6 are graphs showing the results of calculating light propagation under the effective refractive index distribution conditions of FIGS. 3 and 4, respectively.
도 7은 도 1 및 2에 예시된 구조의 변화에 따른 가변 광 감쇄기의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.7 is a graph illustrating output characteristics of a variable optical attenuator according to a change in the structure illustrated in FIGS. 1 and 2.
도 8 내지 10은 도 1에 표현된 가변 광 감쇄기의 변형례이다.8 to 10 show modifications of the variable light attenuator shown in FIG. 1.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
11: 입력 도파로11: input waveguide
12: 출력 도파로12: output waveguide
13: 광 감쇄부13: light attenuation
14: 광 감쇄부의 도파로 코어14: waveguide core of the optical attenuation portion
15: 금속 열선15: metal heating wire
16: 클래딩16: cladding
17: 기판17: substrate
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Legal Events
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20110511 Year of fee payment: 6 |
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