KR20050090013A - 광 도파로 및 광 송수신 모듈 - Google Patents

광 도파로 및 광 송수신 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 다른 광학 부품을 이용하지 않고, 송신과 수신의 동시 동작을 행하는 것이 가능한 광 도파로 및 광 송수신 모듈을 제공한다. 직선 형상의 제1 도파로(21)의 일단이 광 파이버(3)에 결합되고 타단이 수광 소자(4)에 결합되어 있다. 그리고, 수광 소자(4)에 결합되는 측의 제1 도파로(21)에 대하여 예각 θ로 일단이 결합되고, 타단이 발광 소자(5)에 결합되는 제2 도파로(22)가 설치되어 있다. 이 제2 도파로(22)의 형상을 제어함으로써, 광 파이버(3)로부터의 수신 신호 광은 제2 도파로(22)에 도파되지 않고, 수광 소자(4)에 수광된다. 따라서, 수신 동작과 동시에 송신 동작이 가능하게 된다. 즉, 발광 소자(5)로부터의 송신 신호 광이 제2 도파로(22)에 입사되면, 해당 신호 광은, 제2 도파로(22)에 의해 제1 도파로(21)를 향해 도파되고, 제1 도파로(21)에 결합되어 광 파이버(3)에 향해 도파된다.

Description

광 도파로 및 광 송수신 모듈{OPTICAL WAVEGUIDE AND OPTICAL TRANSMITTING/RECEIVING MODULE}
본 발명은, 광 도파로 및 광 송수신 모듈에 관한 것으로, 특히 광 파이버와 광 소자를 접속하는 광 도파로 및 해당 광 도파로를 구비한 광 송수신 모듈에 관한 것이다.
최근, 광 액세스계 시스템에 사용되는 광 모듈의 소형화와 코스트 저감을 도모하기 위해, 광 도파로 등을 사용하여 송신 기능과 수신 기능을 일체화한 광 송수신 모듈의 적용이 주류로 되고 있다. 이 배경으로서 인터넷의 폭발적인 보급으로 인해 정보 전송 용량의 확대에의 요구가 있다. 광 송수신 모듈에서는, 송신용 발광 소자와 수신용 수광 소자가 하나의 광 송수신 모듈 내에 실장되어 있다.
종래예의 광 송수신 모듈에서는, 광 파이버로부터 보내져 온 신호 광이 Y 분기 도파로에서 나뉘어져서, 수광 소자와 발광 소자의 각각에 전송된다(일본 특개 제2000-206349호 공보, 일본 특개 제2002-169043호 공보 참조).
또한, 광 파이버로부터 수신받은 신호 광을 파장 선택 필터를 통해 수광 소자에만 보내는 구성의 광 송수신 모듈도 있다(일본 특개 제2001-133642호 공보 참조).
일본 특개 제2000-206349호 공보 및 일본 특개 제2002-169043호 공보에 기재된 광 송수신 모듈에서는, Y 분기 도파로를 이용하기 때문에, 광 파이버로부터 보내져 온 신호 광은, 일대일의 비율로 2개의 분기 도파로의 각각에 도파된다. 따라서, 신호 광을 수신하고 있을 때에는, 발광 소자에도 수신한 신호 광이 도파되어 있어서, 동시에 신호 광을 송신할 수 없다.
또한, 특허 문헌 3에 기재된 광 송수신 모듈에서는, 송신과 수신의 동시 동작을 행할 수 있는데, 파장 선택 필터 등의 다른 광학 부품을 광 송수신 모듈에 조립해야만 하기 때문에, 코스트나 생산성의 면에서 불리하게 된다.
〈발명의 개시〉
본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 다른 광학 부품을 이용하지 않고, 송신과 수신의 동시 동작을 행하는 것이 가능한 광 도파로 및 광 송수신 모듈을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 광 도파로는, 일단이 공통 송수신 포트로 되고 타단이 수신 포트로 되는, 양방향으로 신호 광을 도파 가능한 직선 형상으로 신장된 제1 도파로와, 상기 수신 포트에 대하여 예각으로 되도록 상기 제1 도파로로부터 분기하며, 상기 제1 도파로에 일단이 결합되고 타단이 송신 포트로 되는, 상기 제1 도파로를 향해 신호 광을 도파하는 제2 도파로를 갖는다.
상기한 본 발명의 광 도파로에서는, 공통 송수신 포트로부터 입사한 신호 광은 제1 도파로에 의해 도파되어 수신 포트에 도달한다. 이 때, 제1 도파로가 직선 형상으로 연장되어 있기 때문에, 공통 송수신 포트로부터 입사한 신호 광의 대부분이 제2 도파로에 도파되지 않고 수신 포트에 도달한다. 따라서, 공통 송수신 포트로부터 신호 광을 입사하고 있을 때에도, 제2 도파로의 송신 포트로부터 신호 광을 입사하는 것도 가능하게 된다.
제2 도파로의 송신 포트로부터 입사한 광은 제1 도파로를 향해 도파되고, 제1 도파로에 결합되어 공통 송수신 포트까지 도파된다. 제2 도파로는 수신 포트에 대하여 예각으로 되도록 제1 도파로로부터 분기되어 있기 때문에, 수신 포트측으로 광은 도파되지 않으며, 제2 도파로에 의해 도파된 신호 광의 대부분이 제1 도파로의 공통 송수신 포트에 도파된다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 광 송수신 모듈은, 광 파이버, 발광 소자 및 수광 소자가 광 도파로를 통해 결합된 광 송수신 모듈로서, 일단이 상기 광 파이버에 결합되고 타단이 상기 수광 소자에 결합되는, 직선 형상으로 신장된 제1 도파로와, 상기 제1 도파로의 타단측에 대하여 예각으로 되도록 상기 제1 도파로로부터 분기되며, 상기 제1 도파로에 일단이 결합되고 타단이 상기 발광 소자에 결합되는 제2 도파로를 갖는다.
상기한 본 발명의 광 송수신 모듈에서는, 광 파이버로부터의 신호 광이 제1 도파로에 입사되면, 해당 신호 광은 제1 도파로에 의해 도파되고 수광 소자에 의해 수광된다. 이 때, 제1 도파로가 직선 형상으로 연장되어 있기 때문에, 광 파이버로부터 입사한 신호 광의 대부분이 제2 도파로에 도파되지 않고 수광 소자에 수광된다. 따라서, 광 파이버로부터 신호 광을 입사하고 있을 때에도, 발광 소자로부터의 신호 광을 제2 도파로에 입사하는 것도 가능하게 된다.
발광 소자로부터의 신호 광이 제2 도파로에 입사되면, 해당 신호 광은, 제2 도파로에 의해 제1 도파로를 향해 도파되고, 제1 도파로에 결합되어 광 파이버를 향해 도파된다.
제2 도파로는, 제1 도파로의 타단측에 대하여 예각으로 되도록 제1 도파로로부터 분기되어 있기 때문에, 제1 도파로의 타단측에 결합된 수광 소자에 신호 광은 도파되지 않고, 제2 도파로에 의해 도파된 신호 광의 대부분이 제1 도파로의 광 파이버측으로 도파된다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 광 도파로를 구비한 광 송수신 모듈의 구성의 일례를 도시하는 평면도.
도 2는, 도 1에 도시하는 광 도파로의 A-A'선에서의 단면도.
도 3A는, 도파로 형상을 나타내는 도면이며, 도 3B는, 도 3A에 나타내는 광 도파로에 의한 수신 동작 시의 도파 광의 강도 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
도 4A는, 도파로 형상을 나타내는 도면이며, 도 4B는 도 4A에 나타내는 광 도파로에 의한 송신 동작 시의 도파 광의 강도 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
〈발명을 실시하기 위한 최량의 형태〉
이하에, 본 발명의 광 도파로 및 광 송수신 모듈의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 광 도파로를 구비한 광 송수신 모듈의 구성의 일례를 도시하는 평면도이다. 도 2는, 도 1에 도시하는 광 도파로의 A-A'선에서의 단면도이다.
도 1에 도시하는 본 실시 형태에 따른 광 송수신 모듈은, 실리콘 기판이나 사파이어 기판 등으로 이루어지는 기판(1) 상에 형성된 광 도파로(2)와, 기판(1) 상에 실장된 광 파이버(3), 수광 소자(4) 및 발광 소자(5)를 갖는다.
광 도파로(2)에는, 직선 형상으로 연장된 제1 도파로 코어부(제1 도파로)(21)와, 제1 도파로 코어부(21)에 대하여 각도 θ로 일단이 결합된 제2 도파로 코어부(제2 도파로)(22)를 갖는다. 도 2의 단면도에 도시한 바와 같이, 각 도파로 코어부(21, 22)는, 기판(1) 상에 형성된 클래드부(20) 상에 형성되어 있다. 각 도파로 코어부(21, 22)를 피복하도록 클래드부(23)가 형성되어 있다.
제1 도파로 코어부(21)는, 일단이 공통 송수신 포트(21a)를 구성하고, 타단이 수신 포트(21b)를 구성하고 있으며, 양방향으로 신호 광을 도파한다. 제1 도파로 코어부(21)는, 멀티 모드 도파로인 것이 바람직하며, 예를 들면 50㎛ 직경으로 형성되어 있다. 그 이유는, 비스듬하게 분기된 제2 도파로 코어부(22)로부터 도파된 신호 광을 저손실로 결합하여 공통 송수신 포트(21a)에로 도파하기 위해서는, 직경이 커서 광이 들어가기 쉬운 멀티 모드 도파로로 하는 것이 바람직하기 때문이다. 멀티 모드 도파로란, 신호 광의 복수의 모드(광선의 통과 방향)를 도파 가능한 치수를 갖는 도파로로 정의한다.
제2 도파로 코어부(22)는, 수신 포트(21b) 측의 제1 도파로 코어부(21)에 대하여 각도 θ로 일단이 결합됨으로써 분기부(22a)를 구성하고, 타단이 송신 포트(22b)를 구성하고 있다. 제1 도파로 코어부(21)에 대하여 비스듬하게 분기된 제2 도파로 코어부(22)의 각도 및 치수는, 광 파이버(3)로부터 도파된 신호 광이 제2 도파로 코어부(22)에 도파되지 않는 각도 및 치수로 규정되어 있다.
이를 위한 조건으로서, 각도 θ는 예각일 필요가 있으며, 바람직하게는, 5° 이상 60° 이하인 것이 바람직하다. 이러한 각도로 규정함으로써, 제1 도파로 코어부(21)의 공통 송수신 포트(21a)로부터 도파된 신호 광의 대부분은, 직선 형상의 제1 도파로 코어부(21) 내를 도파하여 수신 포트(21b)에로 도파된다. 또한, 송신 포트(22b)로부터 도파된 신호 광은, 제1 도파로 코어부(21)에 저손실로 결합되어 도파되어, 공통 송수신 포트(21a)에로 도파된다.
또한, 제2 도파로 코어부(22)의 분기부(22a)에서의 치수, 즉 도파로의 폭 혹은 막 두께는, 직선 형상의 제1 도파로 코어부(21)에 비해 작게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 분기부(22a)에서의 도파로 폭 혹은 막 두께를 작게 함으로써, 제1 도파로 코어부(21)의 공통 송수신 포트(21a)로부터 도파된 신호 광이 제2 도파로 코어부(22)에 도파되는 것이 방지된다.
도 1에 나타내는 예에서는, 또한, 광의 산란이 없도록 제1 도파로 코어부(21)와 제2 도파로 코어부(22)를 연결시키기 위해, 제2 도파로 코어부(22)는 완만한 곡선 형상을 갖고 있다.
각 도파로 코어부(21, 22)는, 사용하는 광에 대하여 흡수가 없으며, 또한 클래드부(20, 23)보다도 사용하는 광에 대한 굴절률이 높은 재료로 형성되어 있다. 도파로 코어부(21, 22)는, 예를 들면 에폭시 수지나 불소화 폴리이미드 등의 고분자 재료로 형성되며, 이들에 불순물을 가함으로써 굴절률이 조정된다.
클래드부(20, 23)는, 사용하는 광에 대하여 흡수가 없으며, 또한 도파로 코어부(21, 22)보다도 사용하는 광에 대한 굴절률이 낮은 재료로 형성되어 있다. 클래드부(20, 23)는, 예를 들면 에폭시 수지나 불소화 폴리이미드 등의 고분자 재료로 형성되며, 이들에 불순물을 가함으로써 굴절률이 조정된다. 또한, 클래드부(20, 23)와 도파로 코어부(21, 22)는, 동종 재료이어도 되며 이종 재료이어도 된다.
광 파이버(3)는, 해당 광 파이버(3)의 단부면이 제1 도파로 코어부(21)의 공통 송수신 포트(21a)와 광학적으로 결합되며, 기판(1) 상에 탑재되어 있다. 광 파이버(3)는, 멀티 모드 파이버 또는 싱글 모드 파이버 중 어느 것이어도 된다.
수광 소자(4)는, 해당 수광 소자(4)의 수광면이 제1 도파로 코어부(21)의 수신 포트(21b)에 광학적으로 결합되며, 기판(1) 상에 실장되어 있다. 수광 소자(4)는, 예를 들면 포토다이오드로 이루어진다.
발광 소자(5)는, 해당 발광 소자(5)의 발광면이 제2 도파로 코어부(22)의 송신 포트(22b)에 광학적으로 결합되며, 기판(1) 상에 실장되어 있다. 발광 소자(5)로서는, 반도체 레이저인 패브리-페로 레이저(FP-LD)나 분포 귀환형 레이저(DFB-LD) 등을 이용할 수 있다.
다음으로, 상기 구성의 본 실시 형태에 따른 광 송수신 모듈의 동작에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다.
광 파이버(3)로부터 입사한 수신 신호 광은, 제1 도파로 코어부(21)의 공통 송수신 포트(21a)로부터 수신 포트(21b)까지 제1 도파로 코어부(21)에 의해 도파되고, 수광 소자(4)에 의해 수광된다. 이 수광 소자(4)에 의해 신호 광이 전기 신호로 변환되고, 수광 소자(4)에 접속된 수신 회로(도시 생략)에 입력된다. 상기의 수신 동작에서, 제1 도파로 코어부(21)에 의해 도파된 수신 신호 광은, 제2 도파로 코어부(22) 및 발광 소자(5)에는 도파되지 않기 때문에, 동시에 발광 소자(5)에 의한 송신 신호 광의 송신이 가능해진다.
즉, 상기의 수신 동작 시에, 발광 소자(5)에 의해 발광된 송신 신호 광은, 송신 포트(22b)로부터 분기부(22a)까지 제2 도파로 코어부(22)에 의해 도파되고, 제1 도파로 코어부(21)에 결합하여, 제1 도파로 코어부(21)에 의해 공통 송수신 포트(21a)까지 도파되며, 광 파이버(3)에 결합된다. 제2 도파로 코어부(22)는, 수신 포트(21b)에 대하여 예각의 각도 θ로 되도록 제1 도파로 코어부(21)로부터 분기되어 있기 때문에, 송신 신호 광은 수광 소자(4)측에는 도파되지 않아, 수광 소자(4)에의 수광 동작에 영향을 미치지도 않는다.
광 파이버(3)에 결합된 송신 신호 광은, 광 파이버(3)에 의해 도파되어 외부의 광전자 회로 장치에 보내진다. 또한, 상기의 수신 신호 광과 송신 신호 광의 파장을 바꾸어도 된다.
다음으로, 상기의 본 실시 형태에 따른 광 송수신 모듈의 제조 방법의 일례에 대하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
먼저, 기판(1) 상에 에폭시 수지 혹은 불소화 폴리이미드 등의 고분자 재료를 전면에 도포하여 클래드부(20)를 형성한 후에, 에폭시 수지 혹은 불소화 폴리이미드 등의 고분자 재료를 또한 전면에 도포하여 코어부로 되는 고굴절률층을 형성한다. 클래드부(20)와 고굴절률층의 굴절률 차는, 불순물을 함유시켜 조정한다.
다음으로, 고굴절률층 상에 포토리소그래피에 의해 원하는 패턴을 갖는 레지스트를 형성하고, 해당 레지스트를 마스크로 하여 고굴절률층의 반응성 이온 에칭을 행함으로써, 도 1에 도시한 바와 같은 형상의 제1 도파로 코어부(21)와 제2 도파로 코어부(22)를 패턴 형성한다.
레지스트를 제거한 후에, 도파로 코어부(21, 22)를 피복하도록 에폭시 수지 혹은 불소화 폴리이미드 등의 고분자 재료를 전면에 도포하여 클래드부(23)를 형성함으로써, 도 2에 도시한 바와 같이 기판(1) 상에 클래드부(20, 23) 내에 매립된 도파로 코어부(21, 22)를 갖는 광 도파로(2)가 형성된다.
마지막으로, 광 파이버(3)의 단부면이 제1 도파로 코어부(21)의 공통 송수신 포트(21a)에 광학적으로 결합되도록, 기판(1) 상에 광 파이버(3)를 탑재한다.
또한, 수광 소자(4)의 수광면이 제1 도파로 코어부(21)의 수신 포트(21b)에 광학적으로 결합되도록, 수광 소자(4)를 기판(1) 상에 실장한다. 또한, 발광 소자(5)의 발광면이 제2 도파로 코어부(22)의 송신 포트(22b)에 광학적으로 결합되도록, 발광 소자(5)를 기판(1) 상에 실장한다.
다음으로, 상기의 본 실시 형태에 따른 광 도파로 및 광 송수신 모듈의 효과에 대하여 설명한다.
도 3A는 도파로 형상을 나타내는 도면이며, 도 3B는 도 3A에 도시하는 광 도파로에 의한 수신 동작 시의 도파 광의 강도 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 3A에 도시한 바와 같이, 직선 형상의 제1 도파로 코어부(21)의 길이가 7㎜, 제1 도파로 코어부(21)의 수신 포트(21b)와, 제2 도파로 코어부(22)의 송신 포트(22b) 간의 간격이 250㎛로 되는 광 도파로에 대하여 시뮬레이션하였다. 각 도파로 코어부(21, 22)는 50㎛ 각으로 하고, 클래드부와의 굴절률 차를 1.5%로 하였다. 또한, 도 3A 및 도 3B에서, X 좌표 및 Z 좌표는, 광 도파로의 형상을 ㎛ 단위로 분할한 위치 좌표를 나타낸다.
도 3B에 도시한 바와 같이 수신 동작에서, 수신 신호 광의 97.6%가 제1 도파로 코어부(21)의 수신 포트(21b)에 도파되며, 수신 신호 광의 0.0015%가 제2 도파로 코어부(22)의 송신 포트(22b)에 도파되어 있고, 수신 신호 광은 직선 형상의 제1 도파로 코어부(21)를 거의 직진하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 제1 도파로 코어부(21)에 입사한 수신 신호 광은, 1.0㏈ 이하인 0.10㏈의 저손실로 수신 포트(21b)에 도파되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 제2 도파로 코어부(22)에 도파되는 신호 광의 강도는, -28㏈로서 거의 도파되지 않은 것을 알 수 있다.
도 4A는, 도파로 형상을 나타내는 도면이며, 도 4B는 도 4A에 도시하는 광 도파로에 의한 송신 동작 시의 도파 광의 강도 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 4A에 도시하는 광 도파로는, 도 3A에 도시한 것과 동일한 것으로 되어 있다. 또한, 도 4A 및 도 4B에서, X 좌표 및 Z 좌표는, 광 도파로의 형상을 ㎛ 단위로 분할한 위치 좌표를 나타낸다.
도 4B에 도시한 바와 같이 송신 동작에서, 제2 도파로 코어부(22)로부터의 송신 신호 광의 87.8%가 제1 도파로 코어부(21)에 결합되어 공통 송수신 포트(21a)에 도파되어 있다. 따라서, 제2 도파로 코어부(22)로부터의 송신 신호 광은 1.0㏈ 이하인 0.57㏈의 저손실로 제1 도파로 코어부(21)에 도파되어 있는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 광 도파로 및 광 송수신 모듈에 따르면, 1개의 광 파이버를 이용한 동시 양방향 송수신을 파장 선택 필터 등의 광학 부품을 사용하지 않고, 실현할 수 있다.
또한, 광 도파로의 각 도파로 코어부(21, 22)는, 전술한 바와 같이 패터닝 등을 이용하여 일괄하여 형성할 수 있으므로, 파장 선택 필터 등의 광학 부품을 삽입하는 홈도 필요하지 않기 때문에, 저손실의 광 도파로를 높은 수율로 제작할 수 있다. 이것은, 파장 선택 필터 등의 광학 부품을 넣은 경우에는, 거기에서의 광 산란 손실이나 접착 강도의 신뢰성 등 특성을 열화시키는 요인이 많아지기 때문이다.
본 발명은, 상기의 실시 형태의 설명에 한정되지 않는다.
예를 들면, 기판(1)이나, 광 도파로(2)를 구성하는 클래드부(20, 23) 및 도파로 코어부(21, 22)를 구성하는 재료에는 특별히 한정되지 않고, 또한, 광 파이버(3)를 구성하는 재료에도 특별히 한정되지 않는다.
기타, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러가지의 변경이 가능하다.
본 발명의 광 도파로 및 광 송수신 모듈은, 예를 들면 광 액세스계 시스템에 적용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 일단이 공통 송수신 포트로 되며 타단이 수신 포트로 되는, 양방향으로 신호 광을 도파 가능한 직선 형상으로 신장된 제1 도파로와,
    상기 수신 포트에 대하여 예각으로 되도록 상기 제1 도파로로부터 분기되며, 상기 제1 도파로에 일단이 결합되고 타단이 송신 포트로 되는, 상기 제1 도파로를 향해 신호 광을 도파하는 제2 도파로
    를 갖는 광 도파로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도파로는, 신호 광의 복수의 모드를 도파 가능한 치수에 의해 형성되어 있는 광 도파로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광 도파로는, 상기 제1 도파로에 결합되는 일단부의 치수가, 상기 제1 도파로측만큼 작아지도록 형성되어 있는 광 도파로.
  4. 광 파이버, 발광 소자 및 수광 소자가 광 도파로를 통해 결합된 광 송수신 모듈로서,
    일단이 상기 광 파이버에 결합되며 타단이 상기 수광 소자에 결합되는, 직선 형상으로 신장된 제1 도파로와,
    상기 제1 도파로의 타단측에 대하여 예각으로 되도록 상기 제1 도파로로부터 분기되며, 상기 제1 도파로에 일단이 결합되고 타단이 상기 발광 소자에 결합되는 제2 도파로
    를 갖는 광 송수신 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 도파로는, 신호 광의 복수의 모드를 도파 가능한 치수에 의해 형성되어 있는 광 송수신 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 광 도파로는, 상기 제1 도파로에 결합되는 일단부의 치수가, 상기 제1 도파로측만큼 작아지도록 형성되어 있는 광 송수신 모듈.
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