KR100433900B1 - 다항식 커브 테이퍼형 도파로 및 이를 이용한 광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조가 서로 다른 도파로를 광학적으로 연결하기 위한 테이퍼형 도파로(tapered waveguide) 및 이를 이용한 광소자에 관한 것으로, 테이퍼형 도파로의 곡률이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 연결 도파로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

(r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)

Description

다항식 커브 테이퍼형 도파로 및 이를 이용한 광소자{POLYNOMIAL CURVE TAPERED WAVEGUIDE AND OPTICAL DEVICE USING THEREOF}

본 발명은 도파로에 관한 것으로, 특히 구조가 서로 다른 도파로를 광학적으로 연결하기 위한 다항식 커브 테이퍼형 도파로(tapered waveguide) 및 이를 이용한 광소자에 관한 것이다.

광 도파로는 초고속 광 통신망에서 집적광학 소자를 이루는 필수적인 소자로써 광 분배기, 광 결합기, 모듈레이터, 간섭계형 스위치, 반도체 레이저 및 평면형 고밀도 파장분할 다중화(Dense Wavelength Division Multiplexing: DWDM) 통신용 소자 등에 폭넓게 이용되고 있다.

일반적으로, 평면 광 도파로(PLC)를 이용한 광소자에는 원하는 성능을 구현하기 위해 여러 가지 구조의 도파로가 포함된다.

도 1은 도파로열격자(Arranged Waveguide Grating; AWG)를 이용한 파장분할 다중화기의 개략도로써, 입/출력 도파로(11a,11b)와 두 개의 평면 도파로(13a,13b) 및 도파로열 격자(15)로 구성된다. 이때, 도 1에서 점선원으로 표현된 부분 즉, 소자 내 도파로의 폭이 급격히 변하는 부분들은 반드시 도파로의 변화가 필요하다. 만일, 구조가 서로 다른 도파로를 직접 연결할 경우 도파로 폭의 차이는 광 손실을 유발시키고, 급격한 구조 변화로 인해 광신호가 도파로를 따라 도파 되지 않고 복사(radiation)되는 현상이 초래된다. 이로 인해 전체 광 소자의 추가 손실이 발생하고 노이즈가 생겨나게 되어 서로 다른 채널간의 간섭(crosstalk)을 유발시킨다.

이와 같은 문제점을 보완하기 위해 폭이 다른 두 도파로 사이에 새로운 도파로를 삽입하여 광학적으로 연결해 주는 테이퍼형 도파로(taped waveguide)가 주로 사용되고 있다.

도 2는 종래 일반적인 선형 테이퍼형 도파로의 개략 도면으로써, 이를 통해 종래기술을 간단히 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이 시작 도파로(21)의 폭에서 목표 도파로(23) 폭으로 테이퍼형 도파로(22)의 폭을 선형적으로 늘려주거나 줄여주는 선형 테이퍼형 도파로(linear tapered waveguide) 구조를 갖는다.

그러나 상기와 같은 선형 테이퍼형 도파로는 광손실과 노이즈를 줄이기 위해 아주 작은 기울기를 가지면서 테이퍼형 도파로의 폭을 서서히 변화시켜야 하기 때문에 도파로의 길이가 매우 길어지게 된다. 이에 따라 테이퍼형 도파로를 무한정 길게 가져가지 않는 한 어느 정도의 광 손실과 노이즈 발생은 피할 수 없는 문제점을 안고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 평면 도파로형 광소자에서 서로 구조가 다른 도파로를 연결할 때 발생하는 손실과 노이즈를 최소화하면서, 테이퍼형 도파로의 길이 또한 줄일 수 있는 다항식 커브 테이퍼형 도파로 및 이를 이용한 광소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구조가 서로 다른 도파로를 광학적으로 연결하기 위한 테이퍼형 도파로(tapered waveguide)에 있어서, 상기 테이퍼형 도파로는 곡률이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 테이퍼형 도파로인 것을 특징으로 한다.

(r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)

또한, 본 발명은 기판 위에 박막을 증착하고 식각하는 공정으로 만들어지는 평면 도파로형 광소자에 있어서, 빛의 진행방향에 따라 변화하는 도파로의 폭이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 테이퍼형 도파로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

(r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)

또한, 본 발명은 다항식 커브 테이퍼형 도파로를 이용한 파장분할 다중화기/역다중화기에 있어서, 다수의 위상 변조 도파로로 구성된 도파로열 격자와; 상기 도파로열 격자로 파장에 따른 다채널의 광신호를 입력시키는 제1 도파로열과; 각각 상기 도파로열 격자를 통과하여 역다중화된 각 채널이 출력되는 다수의 제2 도파로열을 구비하며, 소자 내 도파로의 폭이 급격히 변하는 부분이, 곡률이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 테이퍼형 도파로로써 광학적으로 연결된 것을 특징으로 한다.

(r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)

또한, 본 발명은 기판 위에 박막을 증착하고 식각하는 공정으로 만들어지고, 그루브를 형성하여 파장다중화/역다중화 기능을 하는 반사형 회절격자필터형 소자에 있어서, 입력 또는 출력 광도파로의 연결 부분이, 곡률이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 테이퍼형 도파로로써 이루어진 것을 특징으로 한다.

(r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)

도 1은 도파로열 격자 다중화기(AWG multiplexer)의 개략도,

도 2은 종래의 선형 테이퍼형 도파로의 구조를 나타내는 도면,

도 3는 본 발명에 따른 다항식 커브 테이퍼형 도파로의 구조를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 다항식 커브 테이퍼형 도파로와 종래기술에 따른 선형 테이퍼형 도파로를 각각 적용한 광 도파로를 빛이 통과한 후의 손실 및 노이즈를 나타내는 도면,

도 5는 도파로열격자(AWG) 소자에 본 발명에 따른 다항식 커브 테이퍼형 도파로와 종래기술에 따른 선형 테이퍼형 도파로를 각각 적용한 경우의 손실 비교 스펙트럼.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 다항식 커브 테이퍼형 도파로의 구조를 나타내는 도면으로써, 시작 도파로(31)의 폭에서 목표 도파로(33) 폭으로 테이퍼형 도파로(32)의 폭을 비선형적인 커브 구조를 갖도록 한다. 이와 같은 커브 구현을 위해 적용된 다항식은 아래 수학식 1로 나타낼 수 있다.

<수학식 1>

상기 수학식 1에서 다항식 커브가 가지는 곡률은 r=(x,z)에 의해 결정되며 각각의 x 좌표와 z 좌표는 다항식으로 이루어진다. 이에 대한 상세한 내용은 "A New General Approach to Optical Waveguide Path Design"라는 제목으로 JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.13, NO. 3, MARCH 1995에 실린 논문에 기재되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

또한, 다항식 커브가 가지는 길이 s 는 아래 수학식 2와 같다.

<수학식 2>

이때, 도파로를 s 의 길이만큼 지날 때 각 지점의 파워(power)는 수학식 3과같다.

<수학식 3>

상기 수학식 3에서 P(0)는 빛의 초기 파워이고는 로컬 파워(local power) 감소계수이다. 그리고 적분 값은 진행하면서 발생하는 손실을 모두 합한 값을 나타낸다.

또한, 손실 계수의 합은 수학식 4와 같다.

<수학식 4>

상기 수학식 4에서 I는 손실 계수의 합을 나타내며 이것의 미분이 0이 될 때 도파로는 가장 작은 손실을 가지게 된다. 이때의 L 값으로써 수학식 1의 각각의 지점의 다항식 커브의 계수들을 구해 도파로를 구성한다.

도 4는 본 발명에 따른 다항식 커브 테이퍼형 도파로와 종래기술에 따른 선형 테이퍼형 도파로를 각각 적용한 광 도파로를 빛이 통과한 후의 광 손실과 노이즈를 각각 계산하여 동시에 나타낸 비교 도면이다. 도면에서 L은 선형 테이퍼형 도파로에 적용한 결과를, P는 다항식 커브 테이퍼형 도파로에 적용한 결과를 나타내며, 가로 축은 도파로의 폭(㎛)을, 세로 축은 파워(log scale)를 각각 나타낸다.

각각의 도파로를 통과한 후의 광 손실은 값이 작아 도면상으로는 잘 구별되지 않으나 약 1/50로 줄어들며, 도파로의 양 끝 부분에 생기는 노이즈도 크게 감소하는 것을 알 수 있다.

도 5는 도파로열 격자(Arrayed Waveguide Grating) 소자에 본 발명에 따른 다항식 커브 테이퍼형 도파로와 종래기술에 따른 선형 테이퍼형 도파로를 각각 적용하여 계산된 한 채널의 손실특성을 나타내는 스펙트럼 비교 도면이다. 도면에서 L은 선형 테이퍼형 도파로에 적용한 결과를, P는 다항식 커브 테이퍼형 도파로에 적용한 결과를 나타내며, 가로 축은 파장(㎚)을, 세로 축은 손실(dB)을 각각 나타낸다.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이 다항식 커브 테이퍼형 도파로를 적용할 경우, 다른 채널에 영향을 줄 수 있는 양 끝 부분의 노이즈가 감소된다. 이에 따라 이웃한 채널간의 간섭(crosstalk)이 감소하게 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를 들면, 본 발명의 적용에 있어 도파로열격자 다중화기, 회절격자필터형 소자뿐만 아니라 기존의 선형 테이퍼형 도파로(linear tapered waveguide)를 다항식 커브 테이퍼형 도파로(polynomial curve waveguide)로 모두 대체하여 확장 적용할 수 있다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 평면 광 도파로 소자의 도파로가 급격히 변하는 부분에 다항식 커브 테이퍼형 도파로를 구현함으로써 소자의 손실과 노이즈를 크게 감소시킨다. 이에 따라 이웃한 채널간의 크로스토크를 감소시켜 소자의 성능을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명은 테이퍼형 도파로의 크기를 대폭 줄임으로써 광 소자의 크기를 줄이고, 원가 절감 및 생산성 향상의 이점이 있다.

Claims (7)

1. 구조가 서로 다른 도파로를 광학적으로 연결하기 위한 테이퍼형 도파로(tapered waveguide)에 있어서,

   상기 테이퍼형 도파로는 곡률이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 테이퍼형 도파로인 것을 특징으로 하는 다항식 커브 테이퍼형 도파로.

   (r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)
2. 제 1 항에 있어서, 상기 테이퍼형 도파로의 커브 길이는 하기 수학식에 의해 결정됨을 특징으로 하는 다항식 커브 테이퍼형 도파로.

   (s : 커브의 길이)
3. 제 2 항에 있어서, 광 신호가 상기 테이퍼형 도파로를 S의 길이만큼 지날 때 각 지점의 파워는 하기 수학식에 의해 결정됨을 특징으로 하는 다항식 커브 테이퍼형 도파로.

   (P(0) : 빛의 초기 파워,: 로컬 파워 감소계수, 상기 적분 값은 진행하면서 발생하는 손실을 모두 합한 값을 나타낸다)
4. 제 3 항에 있어서, 상기 테이퍼형 도파로의 손실계수의 합은 하기 수학식에 의해 결정됨을 특징으로 하는 다항식 커브 테이퍼형 도파로.

   (I : 손실계수의 합, L : 도파로 내로 진행하는 채널을 그 내부로 결합시키기 위한 격자의 길이)
5. 기판 위에 박막을 증착하고 식각하는 공정으로 만들어지는 평면 도파로형 광소자에 있어서,

   빛의 진행방향에 따라 변화하는 도파로의 폭이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 테이퍼형 도파로를 구비하는 것을 특징으로 하는 다항식 커브 테이퍼형 도파로를 이용한 평면 도파로형 광소자.

   (r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)
6. 다수의 위상 변조 도파로로 구성된 도파로열 격자와;

   상기 도파로열 격자로 파장에 따른 다채널의 광신호를 입력시키는 제1 도파로열과;

   각각 상기 도파로열 격자를 통과하여 역다중화된 각 채널이 출력되는 다수의 제2 도파로열을 구비하며,

   소자 내 도파로의 폭이 급격히 변하는 부분이, 곡률이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 테이퍼형 도파로로써 광학적으로 연결된 것을 특징으로 하는 다항식 커브 테이퍼형 도파로를 이용한 광소자.

   (r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)
7. 기판 위에 박막을 증착하고 식각하는 공정으로 만들어지고, 그루브를 형성하여 파장다중화/역다중화 기능을 하는 반사형 회절격자필터형 소자에 있어서,

   입력 또는 출력 광도파로의 연결 부분이, 곡률이 하기 수학식에 의해 결정되는 다항식 커브 테이퍼형 도파로로써 이루어진 것을 특징으로 하는 다항식 커브 테이퍼형 도파로를 이용한 평면 광도파로 소자.

   (r : 곡률, x : 세로축, z : 빛의 진행 방향)