KR20180114559A - 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편광이 서로 다른 광신호를 서로 합쳐 주거나 분리하기 위하여 사용되는 편광 분리 광도파로 소자에 관한 것으로, 광통신 시스템에서 서로 다른 편광을 이용하여 다양한 형태의 광신호처리를 수행할 수 있는 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 입력단과 출력단을 연결하는 Y-분기 형상의 편광 무의존 광도파로와, 상기 편광 무의존 광도파로 내부에 구비되며, 일측 분기 경로에 정렬되도록 제작되는 복굴절 폴리머 광도파로와, 상기 복굴절 폴리머 광도파로의 입/출력 측에 테이퍼 구조로 형성되는 모드변환기를 포함하며, 상기 모드변환기에서는 입력 측에서 TE/TM 편광 중 TE 편광에 한하여 모드 변환을 일으키며 복굴절 광도파로 내부로 집속 시키고, Y-분기 형상의 분기점을 통과한 이후에는 역상으로 배치된 출력 측에서 TE 편광 도파광이 상기 편광 무의존 광도파로를 따라 진행함으로써 TE편광과 TM 편광이 서로 분리된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 복굴절이 큰 반응성메조겐 재료와 복굴절이 낮은 CO-폴리머(CO-polymer) 재료 및 Y-분기 형상과 굴절률의 차이에 의해 특정 편광을 추출해 낼 수 있으므로 우수한 편광분리 특성을 가질 수 있으며, 이로 인해 다양한 기능의 광도파로 소자들과 집적하여 제작하기 용이하며, 이로 인해 양자통신 시스템에도 적용 가능한 이점이 있다.

Description

편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자 및 이의 제조방법{ Broadband integrated optic polarization splitters by incorporating polarization mode extracting waveguide and manufacturing method of the same}

본 발명은 편광이 서로 다른 광신호를 서로 합쳐 주거나 분리하기 위하여 사용되는 편광 분리 광도파로 소자에 관한 것으로, 광통신 시스템에서 서로 다른 편광을 이용하여 다양한 형태의 광신호처리를 수행할 수 있는 편광 모드 추출 구조를 적용함으로써 넓은 파장 범위에 걸쳐서 동작 가능한 편광 분리 광도파로 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

나날이 증가 되어가는 통신용량과 인터넷 서비스의 다양화 추세에 부합하여 데이터 암호화의 필요성이 대두 되면서 최근에는 양자통신 관련 기술들이 주목받고 있다.

이와 관련하여 선행기술문헌 중 비 특허문헌 [1] 및 [2]에는 양자통신 기술에 있어서 암호화된 키를 생성하기 위하여 빛의 편광상태를 조절하는 방식이 게시되어 있으며, 이와 같은 방식은 암호화 기술에서 이미 널리 이용되고 있다.

그리고, 암호화를 위해 이용되는 특정편광상태(orthogonal Bell state polarization)를 검출하기 위해서는 편광분리기를 비롯한 몇 가지 광 부품들이 요구된다.

이와 관련하여 비 특허문헌 [3] 및 [4]에는 광 부품들을 집적화시킨 광집적회로의 개발을 위한 기술의 첫 번째 단계로 편광분리 효율이 높고 제작이 간단하며 재현성이 뛰어난 편광분리기가 제안되고 있다.

한편, 편광분리기와 관련한 연구들은 지금까지 실리콘, 실리카, 폴리머와 같은 여러 가지 광 소재들을 바탕으로 연구가 진행되어 왔다.

일 예로 실리콘 광도파로 방향성 결합기를 이용한 편광분리기에서는 실리콘 광도파로의 구조를 변화시켜 편광에 따른 유효굴절률 차이를 증가하는 방법을 이용하고 있다.(비 특허문헌 [5] 및 [6] 참조)

하지만, 이와 같은 경우 광도파로의 단면구조가 조금만 변할 경우에도 편광분리특성에 아주 큰 영향을 미치게 되며, 공정 허용오차의 범위가 좁은 단점을 가진다.

그리고, 비 특허문헌 [7]을 참조하면 스트레스광학효과를 이용한 실리카 평면광도파로 편광분리기에서는 마흐젠더 구조의 한쪽 경로에 비정질 실리콘필름을 증착함으로써 광도파로에 스트레스를 인가하는 경우 편광에 따른 굴절률변화가 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

하지만, 이와 같은 경우에도 TE와 TM 편광간의 위상차이가 정확히 180°를 형성하도록 레이저를 이용한 트리밍처리가 필요하며, 제작 공정이 복잡해지는 단점을 가진다.

한편, 폴리머 재료의 경우 굴절률 조절이 쉽고 스핀코팅과 같은 간단한 공정으로 다양한 기판 위에 여러 가지 형태의 광도파로 제작이 가능한 장점이 있다.

폴리머 재료의 복굴절은 유기분자의 구조와 연관성이 있으며, 특정 방향으로 분자를 배향시키게 되면 높은 복굴절을 얻을 수 있다.

따라서, 이와 같은 특성을 이용하여 비 특허문헌 [8] 및 [9]에는 복굴절 폴리머를 이용하여 비대칭형 Y-분배광도파로를 형성하여 편광분리기를 제조하는 기술이 게시되어 있다.

그리고, 비 특허문헌[10]에는 복굴절 폴리머를 이용한 소자의 경우 작은 삽입손실과 높은 편광분리비를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 가장 최근의 연구에서 실제 광통신시스템에 적용하였으나 장시간 사용 시 가는 선으로 제작된 복굴절 폴리머의 복굴절 특성이 줄어들게 되어 소자의 성능이 저하되는 것이 관찰되었다.

JP 1998-260329 A JP 1999-237517 A KR 1998-0010466 A

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본 발명의 목적은 광통신, 광센서, 양자암호화 등의 목적에 이용 가능하며, 소형이고 편광소멸비가 높으며 제작이 용이한 편광 분리 광도파로 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 복굴절이 큰 폴리머 재료를 이용하여 특정 편광을 추출해낼 수 있는 기능의 광도파로 구조를 형성함으로써 입사된 편광성분을 분리하기 위한 편광 분리 광도파로 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 다양한 기능의 광도파로 소자들과 함께 집적하여 제작될 수 있도록 상대적으로 넓은 허용 오차범위를 가지는 편광 분리 광도파로 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 특성을 가지는 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 입력단과 출력단을 연결하는 Y-분기 형상의 편광 무의존 광도파로와, 상기 편광 무의존 광도파로 내부에 구비되며, 일측 분기 경로에 정렬되도록 제작되는 복굴절 폴리머 광도파로와, 상기 복굴절 폴리머 광도파로의 입/출력 측에 테이퍼 구조로 형성되는 모드변환기를 포함하며, 상기 모드변환기에서는 입력 측에서 TE/TM 편광 중 TE 편광에 한하여 모드 변환을 일으키며 복굴절 광도파로 내부로 집속 시키고, Y-분기 형상의 분기점을 통과한 이후에는 역상으로 배치된 출력 측에서 TE 편광 도파광이 상기 편광 무의존 광도파로를 따라 진행함으로써 TE편광과 TM 편광이 서로 분리되는 것을 특징으로 한다.

다른 측면에서 본 발명은 입력단과 제1 및 제2 출력단을 포함하는 Y-분기 형상의 편광 무의존 광도파로와, 상기 편광 무의존 광도파로 내부에서 상기 입력단과 제1 출력단으로 이어지는 분기 경로 상에 정렬되도록 제작되며, 테이퍼 구조를 가지는 입력측 모드변환기와 출력측 모드 변환기를 포함하는 복굴절 폴리머 광도파로를 포함하며, 상기 편광 무의존 광도파로의 분기 경로 중 제1 출력단으로 이어지는 분기 경로는 Y-분기 형상의 분기점 이후 단절되도록 형성되고, 상기 복굴절 폴리머 광도파로는 단절된 부분을 연결하도록 배치되어 입력측 모드 변환기에서 TE 편광에 한하여 복굴절 폴리머 광도파로 내부로 집속 시키고, 역상으로 배치되는 출력측 모드 변환기에서 TE 편광 도파광이 상기 편광 무의존 광도파로를 따라 진행하도록 함으로써 TE 편광과 TM 편광이 서로 분리되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자를 제조하는 방법은 기판에 하부 클래딩층을 형성하는 단계와, 상기 하부 클래딩층의 상측에 폴리이미드 박막을 형성하고, 러빙(rubbing)을 수행하여 배향막을 형성하는 단계와, 상기 배향막의 상측에 복굴절 폴리머 용액을 코팅하고 경화하여 복굴절 폴리머층을 형성하는 단계와, 상기 복굴절 폴리머층에 마스킹을 수행한 이후 식각하여 복굴절 폴리머 광도파로를 형성하는 단계와, 상기 복굴절 광도파로의 상측에 복굴절이 작은 폴리머를 코팅하여 코어층을 형성하는 단계와, 상기 코어층에 입력단과 2개의 출력단에 대응되는 Y-분기 형상의 패턴을 형성한 이후 식각하여 상기 복굴절 폴리머 광도파로를 내부에 수용하는 편광 무의존 광도파로를 형성하는 단계 및 상기 편광 무의존 광도파로의 상측에 상부 클래딩층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 편광 무의존 광도파로를 형성하는 단계에서는, 상기 복굴절 폴리머 광도파로가 입력단으로부터 어느 하나의 출력단을 향하도록 정렬되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자는 복굴절이 큰 반응성메조겐(Reactive Mesogen: RM) 재료와 복굴절이 낮은 CO-폴리머(CO-polymer) 재료를 이용하여 특정 편광을 추출해 낼 수 있는 Y-분기 형상의 편광 분리 구조를 제공한다.

즉, 본 발명의 Y-분기 구조에서는 분기 지점에 복굴절 폴리머 광도파로를 구비하고, 복굴절 폴리머 광도파로가 일측 분기 경로를 따라 정렬되도록 함으로써 굴절률의 차이에 의해 특정 편광을 추출해 낼 수 있으므로 우수한 편광분리 특성을 가진다.

또한, 본 발명의 Y-분기 구조에서는 복굴절 폴리머 광도파로가 정렬되는 분기 경로 상의 일부분이 단절되고, 상기 단절 부분이 복굴절 폴리머 광도파로에 의해 연결됨으로 인하여 편광 분리 효율이 보다 향상될 수 있다.

그리고, 상기 복굴절 폴리머 광도파로는 양단에 테이퍼 형상의 모드변환기가 형성됨에 따라 CO-폴리머 광도파로를 지나온 빛이 복굴절 폴리머 광도파로의 모드로 변환되어 가는 과정에서 모드 변환 손실을 최소화시킬 수 있으며, 이때 복굴절 폴리머 광도파로와 CO-폴리머 광도파로의 정렬 오차가 발생하더라도 큰 문제 없이 모드 변환을 얻을 수 있으며, 이로 인해 제작과정에서 넓은 허용 오차 범위를 가질 수 있다.

따라서, 다양한 기능의 광도파로 소자들과 집적하여 제작하기 용이하며, 이로 인해 다양한 광부품을 필요로 하는 양자통신 시스템에도 적용 가능한 이점이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자의 일실시 예를 보인 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자의 제조과정을 설명하기 위한 도면.
도 3 은 도 1의 L1 및 L2 에 따른 단면도.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 요부구성인 복굴절 폴리머 광도파로에서 테이퍼부의 길이에 따라 편광무의존 광도파로(CO-polymer waveguide)와 복굴절 폴리머 광도파로 사이의 결합손실을 계산한 결과를 보이기 위한 도면.
도 6 은 도 2에 따른 제작과정에서 SEM 장비를 이용하여 촬영한 테이퍼(taper) 되어 제작된 복굴절 폴리머 광도파로의 사진.
도 7 은 본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자를 거쳐 출력되는 편광을 보인 도면.
도 8 은 도 7 에 도시되는 각 출력단에서 나온 모드별 CCD 사진으로, (a)는 TE 편광입력 사진이고, (b)는 TM 편광입력 사진.
도 9 는 본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자의 동작 대역폭에 따른 특성 변화를 보이기 위한 도면.
도 10 은 본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자의 고온 특성 변화를 보이기 위한 도면.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.

도 1 에는 본 발명에 따른 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자의 일실시 예를 보인 도면이 도시되어 있고, 도 2 에는 본 발명에 따른 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자의 제조과정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있으며, 도 3 에는 도 1의 L1 및 L2 에 따른 단면도가 도시되어 있다.

그리고, 도 4 및 도 5 에는 본 발명의 요부구성인 복굴절 폴리머 광도파로에서 테이퍼부의 길이에 따라 편광무의존 광도파로(CO-polymer waveguide)와 복굴절 폴리머 광도파로 사이의 결합손실을 계산한 결과를 보이기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 6 에는 도 2에 따른 제작과정에서 SEM 장비를 이용하여 촬영한 테이퍼(taper) 되어 제작된 복굴절 폴리머 광도파로의 사진이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자(이하‘편광 분리 광도파로 소자’라 함)는 높은 복굴절의 반응성 메조겐(Reactive Mesogen: RM) 재료를 Y-분기 형상의 편광무의존 광도파로(700) 특정 부위에 삽입하여 TE 편광을 추출할 수 있도록 구성된다.

이를 위해 본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자는 아래와 같은 과정으로 제조된다.

설명에 앞서, 폴리머(Polymer)는 분자 구조에 따라 복굴절의 크기가 다양한 재료가 존재하며, 스핀 코팅(Spin coation)과 같은 간단한 공정으로 다양한 기판 위에 제작이 가능한 장점을 가진다.

본 실시 예에서는 편광 분리 광도파로 소자를 제작하기 위하여 TE, TM 굴절률이 각각 1.6457과 1.5205인 반응성 메조겐(Reactive Mesogen, RM) 재료와 함께 켐옵틱스사에서 제작된 복굴절이 0.001 정도의 작은 값을 가지는 CO-polymer series가 사용되었다.

본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자를 제작하기 위해서는 우선, 실리콘 웨이퍼 등의 기판(100)에 소정 두께로 소정의 굴절률을 가지는 폴리머를 스핀 코팅한 이후 UV 경화를 진행하여 하부 클래딩층(200)을 형성하는 단계가 수행된다.

상기 하부 클래딩층(200)을 형성하는 단계에서는 기판(100)의 상측에 굴절률이 1.520인 CO-폴리머를 8㎛ 두께로 코팅하게 되며, 하부 클래딩층(200)의 형성 이후에는 폴리이미드 박막을 0.2㎛ 두께로 코팅하고 벨벳 롤러(320)를 이용하여 러빙(Rubbing)하는 배향막(300)을 형성하는 단계가 수행된다.

상기 배향막(300)을 형성하는 단계에서는 폴리이미드 박막을 소정 두께로 코팅한 이후 벨벳 롤러(320)를 이용하여 폴리이미드 층의 표면을 문질러주어서(rubbing) 액정 재료를 정렬(aline) 시킬 수 있는 표면 상태를 얻게 된다.

그리고, 상기와 같이 러빙된 폴리이미드층 위에는 반응성 메조겐(RM) 재료를 코팅하여 복굴절 폴리머층(400)을 형성하는 단계가 수행된다.

액정(Liquid crystal)의 일종인 반응성 메조겐(Reactive Mesogen: RM)은 광학적 단축 물질(uniaxial material)로서 액체상태의 올리고머(oligomer)를 스핀코팅 후 UV 경화를 하게 되면 평면 방향과 이에 수직한 방향에 대하여 복굴절을 띄는 얇은 막을 형성할 수 있으며, 본 실시 예에서는 이와 같은 반응성 메조겐 재료를 이용하여 복굴절 폴리머층(400)이 형성된다.

상기 복굴절 폴리머층(400)을 형성하는 단계에서는 분자들의 방향이 러빙(Rubbing) 방향으로 정렬되고 이로 인해 평면에 평행한 TE 편광에 대한 굴절률이 증가하며, 평면에 수직한 TM 편광에 대한 굴절률은 감소하게 된다.

배향이 완료된 복굴절 폴리머층(400)에는 포토리소그래피를 통하여 복굴절 광도파로 패턴이 제작되고, 제작된 복굴절 광도파로 패턴과 산소플라즈마 식각 장치를 이용하여 복굴절 폴리머 광도파로(500)를 형성하는 단계가 수행된다.

본 실시 예에서 복굴절 폴리머 광도파로(500)의 폭은 4㎛ 이고 두께는 1.1㎛이며, 편광 무의존 광도파로(700)의 Y-분기 형상의 분기 경로 중 일측 경로를 향해 휘어진 형상을 가진다.

그리고, 상기 Y-분기 형상의 분기 경로 중 일측은 분기 지점으로부터 절단된 형태로 형성되며, 상기 복굴절 광도파로(500)에 의해 연결된다.

상세히, 본 발명에 따른 편광 무의존 광도파로(700)는 하나의 입력단(720)과 2개의 출력단(740, 760)을 포함하는 Y-분기 형상으로 형성되며, 입력단(720)에서 제1출력단(740)으로 이어지는 경로(이하‘제1경로’라 함)는 분기 지점 이후 단절되고, 입력단(720)에서 제2출력단(760)으로 이어지는 경로(이하‘제2경로’라 함)는 이어지도록 형성된다.

상기와 같이 형성되는 제2경로는 굴절률의 차이에 의해 TM 편광이 입력되었을 때 상기 복굴절 폴리머 광도파로(500)와 상관없이 TM 편광을 출력하게 된다.

이에 반해, 상기 제1경로는 단절된 부분을 포함하여 입력단(720)으로부터 분기 경로를 거쳐 제1출력단(740)을 향하도록 복굴절 폴리머 광도파로(500)가 정렬된다. 따라서, TE 편광을 입력하였을 때 입력단(720)을 통해 진행하던 빛이 복굴절 폴리머 광도파로(500) 내부로 커플링되어 진행하면서 TE 편광을 출력하게 되며, 이로 인해 편광 분리 효율이 보다 향상될 수 있다.

또한, 상기 복굴절 폴리머 광도파로(500)의 양단에는 테이퍼 구조의 모드 변환기(520, 540)가 더 형성된다.

상기 모드 변환기(520, 540)는 편광 무의존 광도파로(700)와 커플링이 이루어지도록 하면서 광 손실을 줄이기 위한 것으로, 설명의 편의를 위해 형성 위치에 따라 입력측 모드 변환기(520)와 출력측 모드 변환기(540)로 구분될 수 있으며, 상기 입력측 모드 변환기(520)와 출력측 모드 변환기(540)는 역상으로 배치된다.

상기 모드 변환기(520, 540)는 3차원 BPM 시뮬레이션을 통해 테이퍼 구조의 설계가 이루어질 수 있으며, 도 5 에 도시된 바와 같이 복굴절 폴리머 광도파로(500)의 두께가 얇고 테이퍼 형상의 길이가 길수록 전송 손실이 줄어든다.

하지만, 복굴절 폴리머 광도파로(500)의 두께가 너무 얇아지게 되면 반사 효율이 저하됨에 따라 본 실시 예에서는 1.1㎛ 정도의 두께를 가지며 테이퍼부의 길이를 600㎛ 이상으로 형성함으로써 모드 변환손실을 줄일 수 있다.

한편, 상기와 같이 복굴절 폴리머 광도파로(500)가 형성되면, 편광 무의존 광도파로(700)를 형성하는 단계가 수행된다.

본 실시 예에서는 상기 편광 무의존 광도파로(700)를 형성하는 단계에서 굴절률이 1.540인 CO-폴리머를 4.2㎛ 두께로 스핀 코팅하여 코어층(600)을 형성하고, 포토리소그래피 공정을 통해 Y-분기 형상의 패턴을 제작한다. 여기서, 상기 Y-분기 형상의 패턴에서는 전술한 바와 같이 분기점 이후 제1출력단(740)으로 이어지는 경로 일부분이 단절되도록 패턴이 제작된다.

그리고, 상기와 같이 형성되는 패턴을 이용하여 산소 플라즈마 식각을 통해 광도파로의 폭이 6㎛이고, 측면 코어부의 두께가 1.8㎛인 립구조의 코어부를 형성하게 된다.

상기와 같이 코어부가 형성되면, 그 위에 굴절률이 1.520인 클래딩용 CO-폴리머 재료를 8㎛ 두께로 코팅하여 상부 클래딩층(800)을 형성하는 단계가 수행되어 본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자의 제작이 완료된다.

이하에서는 상기와 같이 제작된 편광 분리 광도파로 소자의 특성을 확인한다.

도 7 에는 본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자를 거쳐 출력되는 편광을 보인 도면이 도시되어 있고, 도 8 에는 도 7 에 도시되는 각 출력단에서 나온 모드별 CCD 사진으로, (a)는 TE 편광입력 사진이고, (b)는 TM 편광입력 사진이 도시되어 있으며, 도 9 에는 본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자의 동작 대역폭에 따른 특성 변화를 보이기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 10 에는 본 발명에 따른 편광 분리 광도파로 소자의 고온 특성 변화를 보이기 위한 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 제작된 편광 분리 광도파로 소자의 특성을 확인하기 위하여 중심파장이 1550㎛ 인 DFB 레이저를 사용하였고, 편광조절기를 이용하여 입력단(720)에 TE/TM 편광을 선택적으로 입력하였다.

상기 편광 분리 광도파로 소자를 거쳐 각 출력단(740, 760)으로 나온 빛은 도 8에 도시된 바와 같이 나타났으며, TE 편광을 입력하였을 때, 편광 무의존 광도파로(700)에서 진행하던 빛이 복굴절 폴리머 광도파로(500) 내부로 커플링되어 진행하면서 제1출력단(740)으로 출력되고, TM 편광을 입력하였을 때 복굴절 폴리머 광도파로(500)와 상관없이 제2출력단(760)으로 출력되는 것이 확인되었다.

그리고, TE 모드를 입력하였을 때 제1출력단(740)과 제2출력단(760)에서의 삽입손실은 각각 4.7 dB, 32.0 dB이고, 크로스톡(Crosstalk)은 -27.3 dB로 나타났으며, TM 모드를 입려하였을 때 제1출력단(740)과 제2출력단(760)에서의 삽입손실은 각각 31.3 dB, 4.3 dB였으며, 크로스톡(Crosstalk)은 -27.0 dB가 되었다.

입력측의 편광 무의존 광도파로(700)는 6.0×4.2㎛의 크기를 가지므로 일반적인 단일모드 광섬유와의 모드 결합손실이 1.7 dB로 크게 나타나는 반면, 편광 무의존 광도파로(700)와 복굴절 폴리머 광도파로(500)의 커플링 손실은 BPM 설계에 따르면 0.2 dB 이하이므로 테이퍼 구조의 모드변환기(520, 540)에 의해 결합손실이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

또한, Cutback 방법을 이용하여 측정한 복굴절 폴리머 광도파로(500)의 직선 단위 길이당 전파손실은 3.2 dB/㎝ 이며, 제작된 소자의 복굴절 폴리머 광도파로(500)의 길이를 고려한 전파손실은 0.9 dB 정도가 되며, 편광 무의존 광도파로(700)의 직선 광도파로의 삽입손실 측정을 통해 편광 무의존 광도파로(700)의 전파손실은 0.7 dB/㎝ 인 것을 확인할 수 있다.

한편, WDM 광통신 시스템의 통신용량을 늘리기 위해서는 넓은 범위에 걸친 서로 다른 파장들을 이용하게 되며, 이로 인해 편광분리기의 동작 대역폭에 대한 특성이 중요하다.

본 발명이 적용된 편광분리기의 파장 전송을 확인하기 위해 대역폭이 45.6㎚이고, 중심파장이 1559.7㎚인 SLED 광원을 이용하여 1500 내지 1600㎚ 파장범위에 걸친 소자특성을 측정하였다.

넓은 파장 대역에 걸쳐서 입력광의 편광을 정확히 맞추어주기 위해 편광소멸비가 30 dB인 편광유지 광섬유 편광기를 통과시킨 다음 편광기의 출력부에 연결된 PM fiber를 측정 대상인 편광분리기 소자에 정렬시킨 후 편광유지 광섬유를 회전시키는 방법으로 입력 편광을 조절하였다.

측정 결과, 도 9 에 도시된 바와 같이 제작된 편광분리기는 넓은 파장 대역에 걸쳐서 -20 dB 이하의 크로스톡(Crosstalk)을 지니고 있는 것으로 확인되었다.

또한, 복굴절 폴리머 광도파로(500)를 따라서 발생하는 모드 진화(mode evolution) 현상이 분기(branch) 구조에 따라 나타나는 현상을 비교해 보기 위해 Y-분기 형태는 S-bend와 0.5°, 1°인 직선 분기 형태로 제작되었다.

그리고, 고온에서 소자특성의 변화가 나타나는지를 확인하기 위하여 100℃ 오븐을 이용하여 특성 변화를 살펴보았다.

각각 3, 6, 12 시간 동안 방치해 두었다가 꺼내어 측정한 특성을 도 10에서 비교 도시하였으며, 소자의 삽입손실과 누화값의 변화는 나타나지 않았고, 이로부터 반응성 메조겐(RM) 재료를 이용하여 제작된 편광분리기 소자의 온도 안정성이 확인되었다.

100........ 기판 200........ 하부 클래딩층
300........ 배향막 320........ 벨벳 롤러
400........ 반응성 메조겐층 500........ 복굴절 폴리머 광도파로
600........ 코어층 700........ 편광 무의존 광도파로
800........ 상부 클래딩층

Claims (3)

1. 입력단과 출력단을 연결하는 Y-분기 형상의 편광 무의존 광도파로;
   상기 편광 무의존 광도파로 내부에 구비되며, 일측 분기 경로에 정렬되도록 제작되는 복굴절 폴리머 광도파로;
   상기 복굴절 폴리머 광도파로의 입/출력 측에 테이퍼 구조로 형성되는 모드변환기;를 포함하며,
   상기 모드변환기에서는 입력 측에서 TE/TM 편광 중 TE 편광에 한하여 모드 변환을 일으키며 복굴절 광도파로 내부로 집속 시키고, Y-분기 형상의 분기점을 통과한 이후에는 역상으로 배치된 출력 측에서 TE 편광 도파광이 상기 편광 무의존 광도파로를 따라 진행함으로써 TE편광과 TM 편광이 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자
   
2. 입력단과 제1 및 제2 출력단을 포함하는 Y-분기 형상의 편광 무의존 광도파로;
   상기 편광 무의존 광도파로 내부에서 상기 입력단과 제1 출력단으로 이어지는 분기 경로 상에 정렬되도록 제작되며, 테이퍼 구조를 가지는 입력측 모드변환기와 출력측 모드 변환기를 포함하는 복굴절 폴리머 광도파로;를 포함하며,
   상기 편광 무의존 광도파로의 분기 경로 중 제1 출력단으로 이어지는 분기 경로는 Y-분기 형상의 분기점 이후 단절되도록 형성되고,
   상기 복굴절 폴리머 광도파로는 단절된 부분을 연결하도록 배치되어 입력측 모드 변환기에서 TE 편광에 한하여 복굴절 폴리머 광도파로 내부로 집속 시키고, 역상으로 배치되는 출력측 모드 변환기에서 TE 편광 도파광이 상기 편광 무의존 광도파로를 따라 진행하도록 함으로써 TE 편광과 TM 편광이 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자.
   
3. 기판에 하부 클래딩층을 형성하는 단계;
   상기 하부 클래딩층의 상측에 폴리이미드 박막을 형성하고, 러빙(Rubbing)을 수행하여 배향막을 형성하는 단계;
   상기 배향막의 상측에 복굴절 폴리머 용액을 코팅하고 경화하여 복굴절 폴리머층을 형성하는 단계;
   상기 복굴절 폴리머층에 마스킹을 수행한 이후 식각하여 복굴절 폴리머 광도파로를 형성하는 단계;
   상기 복굴절 광도파로의 상측에 복굴절이 작은 폴리머를 코팅하여 코어층을 형성하는 단계;
   상기 코어층에 입력단과 2개의 출력단에 대응되는 Y-분기 형상의 패턴을 형성한 이후 식각하여 상기 복굴절 폴리머 광도파로를 내부에 수용하는 편광 무의존 광도파로를 형성하는 단계; 및
   상기 편광 무의존 광도파로의 상측에 상부 클래딩층을 형성하는 단계;를 포함하며,
   상기 편광 무의존 광도파로를 형성하는 단계에서는,
   상기 복굴절 폴리머 광도파로가 입력단으로부터 어느 하나의 출력단을 향하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 편광 모드 추출 구조를 적용한 광대역 편광 분리 광도파로 소자의 제조방법.
   

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