KR100724683B1 - 도파로형 가변광감쇠기 - Google Patents

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다카시 사이다
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니폰덴신뎅와 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 편파의존성이 작은 도파로형 가변광감쇠기를 제공한다. 제 1 및 제 2 광커플러부에서의 도파로 복굴절율(절대값)을 3.5×기호 10-4 이상으로 설정함으로써 편파모드결합을 -25dB 이하로 하고, 제 1 및 제 2 광커플러에서의 크로스포트의 편파모드결합에 기인하는 편파의존성의 영향을 억제한다. 이에 더하여 또는 단독으로, 암도파로 길이를 사용광파장을 도파로 복굴절로 나누어 구해지는 비트길이의 정수배로 설계하여도 좋다.
편파의존성, 가변광감쇠기

Description

도파로형 가변광감쇠기{Planar Lightwave Circuit Type Variable Optical Attenuator}
본 발명은 기판 위의 광도파로로 구성된 도파로형 가변광감쇠기에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 그 구성요소인 광커플러에서의 도파로 복굴절(複屈折)을 일정 값 이상으로 설정하여 편파모드결합을 억제하거나, 혹은 암도파로의 길이를 복굴절 비트길이의 정수배로 설정함으로써 편파의존성을 억제한 편파무의존 도파로형 가변광감쇠기에 관한 것이다.
근래, 통신용량이 확대됨에 따라 여러 광파장을 사용한 광파장 다중통신 시스템(WDM 시스템)의 개발이 활발해지고 있다. 광파장 다중통신 시스템에서는 비선형 억압이나 크로스토크 억압의 관점에서 각 파장신호의 레벨을 동등하게 하는 것이 요구된다. 현재, 이러한 레벨의 동등화를 위하여 도파로형 가변광감쇠기가 널리 사용되고 있다. 도파로형 가변광감쇠기는 어레이화 등의 집적화가 용이하기 때문에, 경제화나 소형화의 관점에서 그 이외의 벌크형·자기광학형·MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)형 가변광감쇠기보다 유리하다.
도면을 사용하여 도파로형 가변광감쇠기를 설명한다. 도 8에 종래의 대표적인 도파로형 가변광감쇠기의 평면도를 나타낸다. 이 도파로형 가변광감쇠기(100)는 입력도파로(101a,101b), 제 1 광커플러(102), 2개의 암도파로(103,104), 이 암도파로들 위에 배치된 위상제어기(105), 제 2 광커플러(106), 출력도파로(107a,107b), 및 박막히터(108)를 가진다. 110은 후술하는 응력해방홈이다.
도 9는 상술한 응력해방홈(110)이 형성되지 않은 종래예를 상정한 경우의 도 8의 IX-IX 절단선에 따른 확대단면도이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 도파로형 가변광감쇠기(100)의 기판으로서 열전도성이 뛰어난 실리콘 기판(109)이 사용되고, 매립된 석영계 도파로(103,104)의 표면에 박막히터(108)가 설치된 구성으로 되어 있다.
그 도파로형 가변광감쇠기(100)의 동작원리를 아래에 간단히 설명한다. 입력도파로(101a)로부터 입사된 광은 제 1 광커플러(102)에서 2분기되어 2개의 암도파로(103,104)로 나뉜다. 그리고, 위상제어기(105)를 구비한 암도파로(103,104)를 전파한 광은 다시 제 2 광커플러(106)에서 합파(合波)됨으로써 서로 간섭하여, 상호 위상이 일치하고 있는 경우에는 크로스포트 출력도파로(107b)로, 상호 위상이 π 어긋나 있는 경우에는 쓰루포트 출력도파로(107a)로, 그리고 그 중간 상태인 경우에는 상호의 위상차에 따라 양쪽의 출력도파로(107a,107b)로부터 각각 광이 출력된다. 제 2 광커플러(106)에 입사할 때의 2개의 광의 위상관계는, 암도파로(104)에 설치된 위상제어기(105)로 제어된다. 위상제어기(105)로서 석영계 도파로(103,104) 위에 배치된 박막히터(108)로 이루어지는 열광학 위상제어기가 자주 사용된다. 열광학 효과는 원리적으로는 편파의존성이 없는 현상이기 때문에, 전기광학 효과나 광탄성(光彈性) 효과에 비하여 편파의존성이 적다는 특징을 가지고 있다.
상술한 바와 같이, 열광학 효과를 사용한 종래의 도파로형 가변광감쇠기는 어레이화 등 집적화가 용이하기 때문에, 전기광학 효과나 광탄성 효과 등의 다른 기술을 사용한 가변광감쇠기에 비하여 경제화·소형화의 관점에서 유리하다.
하지만, 실제로는 열광학 효과를 사용한 종래의 도파로형 가변광감쇠기는, 가변광감쇠기의 감쇠량을 늘렸을 때 편파의존성(polarization dependent loss: PDL)이 커진다는 문제점을 가지고 있다. 도 9의 단면구조를 가지는 가변광감쇠기의 광감쇠량과 PDL의 관계를 도 10에 나타낸다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 15dB의 광감쇠량에 있어서 4dB에 가까운 커다란 PDL이 발생하였다. 광감쇠시의 PDL이 크다는 것은, 광화이버 안의 편파상태를 규정하지 않은 현행 광통신 시스템 운용상 매우 커다란 문제이며, 이것이 도파로형 가변광감쇠기의 보급을 방해하고 있는 최대의 원인이다.
이와 같이, 종래의 도파로형 가변광감쇠기는 가변광감쇠기의 광감쇠량을 늘렸을 때, 광감쇠기의 편파의존성이 크다는 해결해야 할 과제를 가지고 있다.
비특허문헌 1: 이노우에 외 '편판형 광통신소자용 실리카 도파로 열광학 위상천이기의 편광감도(Polarization sensitivity of a silica waveguide thermo-optic phase shifer for planar lightwave circuits)', IEEE Photon. Technol.Lett., Vol.4, no.1, 36-38 페이지, 1992년 1월.
비특허문헌 2: 김 외 '고속광학 전송링크에서 편파의존성에 기인하는 PMD 보정의 한계(Limitation of PMD Compensation Due to Polarization-Dependent Loss in Higt-Speed Optical Transmission Links)', IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.14, NO.1, 2002년 1월.
본 발명의 목적은 도파로형 가변광감쇠기의 편파의존성의 문제를 해결함으로써, 편파의존성이 작은 도파로형 가변광감쇠기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 태양은 기판 위에 형성된 도파로로 구성되는 도파로형 가변광감쇠기에 있어서, 상기 가변광감쇠기가 입력도파로, 제 1 광커플러, 제 2 광커플러, 상기 제 1, 제 2 광커플러를 잇는 2개의 암도파로, 및 출력도파로로 구성되어 있으며, 상기 제 1, 제 2 광커플러는 상기 2개의 암도파로가 근접하는 영역을 포함하여 구성되는 방향성 결합기로서, 특히 상기 제 1, 제 2 광커플러에서의 편파모드결합이 -25dB 이하인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1, 제 2의 광커플러를 구성하는 상기 광커플러 부분에서의 도파로의 복굴절율의 절대값이 3.5×10-4 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 2 광커플러가 상기 2개의 암도파로를 근접하여 구성하는 방향성 결합기인 것을 특징으로 할 수 있다.
더욱이, 상기 암도파로의 길이가 사용광파장을 도파로 복굴절로 나누어 구해지는 비트길이의 정수배로 설계되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 2개의 암도파로의 적어도 한 쪽에 위상제어기를 구비하고, 가변광감쇠기 또는 광스위치로서 기능하게 할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 기판이 실리콘 기판이며, 상기 도파로가 석영계 글라스 도파로인 것으로 할 수 있다.
상기 구성에 의해 본 발명에 따르면, 광감쇠시의 PDL(편파의존성)이 작은 도파로형 가변광감쇠기, 광스위치, 및 광필터를 실현할 수 있게 된다. 결과적으로 본 발명에 따르면, 소형으로 집적성이 뛰어난 도파로형 가변광감쇠기, 광스위치 및 광필터가 실용적으로 되어, 그 때문에 본 발명은 광파장 다중통신 시스템의 통신장치 등의 경제화 등에 기여한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 단면구조를 확대하여 나타내는 단면확대도이다.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 도파로 제작공정을 나타내는 공정도이다.
도 3b는 본 발명의 제 1 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 도파로 제작공정을 나타내는 공정도이다.
도 3c는 본 발명의 제 1 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 도파로 제작공정을 나타내는 공정도이다.
도 3d는 본 발명의 제 1 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 도파로 제작공정을 나타내는 공정도이다.
도 3e는 본 발명의 제 1 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 도파로 제작공정 을 나타내는 공정도이다.
도 4는 도파로 복굴절과 방향성 결합기 크로스포트에서의 편파모드결합량의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예의 도파로형 가변광감쇠기에서의 광감쇠량과 편파의존손실(PDL)의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예의 가변광감쇠기에서의 광감쇠량과 편파의존손실(PDL)의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예의 도파로형 가변광감쇠기에서의 광감쇠량과 편파의존손실(PDL)의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 8은 종래기술에 따른 도파로형 가변광감쇠기의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 9는 종래기술에 따른 도파로형 가변광감쇠기의 단면구조를 확대하여 나타내는 단면확대도이다.
도 10은 종래기술의 도파로형 가변광감쇠기에서의 광감쇠량과 편파의존손실(PDL)의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 11은 종래기술에 따른 응력해방홈이 설치된 도파로형 가변광감쇠기의 단면구조를 확대하여 나타내는 단면확대도이다.
도 12는 종래기술의 응력해방홈이 설치된 가변광감쇠기에서의 광감쇠량과 편파의존손실(PDL)의 관계를 나타내는 특성도이다.
(편파의존성 발생모델과 편파의존성을 억압하기 위한 필요조건)
구체적인 본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 도파로형 가변광감쇠기의 편파의존성의 원인을 해석한 결과를 설명한다.
석영계 글라스 안의 열광학 효과가 기본적으로 편파의존성을 가지지 않는 현상인 것은 종래기술에서 설명하였다. 그럼 왜 도파로형 가변광감쇠기가 편파의존성을 가지는가를 도 8과 도 9를 사용하여 아래에 설명한다. 편파의존성의 주된 원인으로서는 다음의 2가지를 생각할 수 있다. 하나는 열광학 위상제어기(105)의 편파의존성이며, 또 다른 하나는 광커플러(102,106)에서의 편파모드결합이다.
먼저, 첫번째의 열광학 위상제어기(105)의 편파의존성에 대한 보고가 비특허문헌 1에 나타나 있다. 그 보고내용을 간단히 설명하면 다음과 같다. 박막히터(108)에서 국소적으로 가열된 석영계 도파로(103,104)는 팽창하려고 한다. 이 경우, 기판(109)과 수직한 방향(도 9의 윗방향)으로는 팽창할 수 있지만, 기판(109)과 평행한 방향(도 9의 가로방향)으로는 주위가 가열되지 않은 석영계 글라스(클래드(clad))(111)로 둘러싸여 있기 때문에 팽창할 수 없다. 결과적으로 기판(109)의 표면과 평행한 방향으로 강한 압축응력이 발생한다. 이 압축응력은 광탄성 효과 때문에 도파로(코어)(103,104)의 굴절율을 증가시킨다. 따라서, 박막히터(108) 바로 아래의 도파로(103,104)는 온도상승에 따른 열광학 효과와 함께, 국소적인 글라스의 열팽창에 기인하는 광탄성 효과에 의해 굴절율이 증가한다. 이 때문에, 열광학 효과 자체에는 편파의존성이 없음에도 불구하고, 열팽창으로 발생하는 응력에 이방성이 있기 때문에, 광탄성 효과에 의한 굴절율 변화가 편파의존성을 가지게 된다.
이 광탄성 효과에 의한 열광학 위상제어기의 편파의존성은, 도 11에 나타내는 바와 같이, 열광학 위상제어기(105)(및 박막히터(108))의 양쪽에 응력해방홈(110)을 형성함으로써 어느 정도 억제할 수 있다. 도 11에 나타내는 응력해방홈(110)을 형성한 가변광감쇠기의 광감쇠량과 PDL의 관계를 도 12에 나타낸다. 도 9의 단면구조의 가변광감쇠기에서는 15dB 감쇠시의 PDL이 3.8dB였던 것이(도 10 참조), 도 11의 응력해방홈이 설치된 가변광감쇠기에서는 1.7dB로 PDL이 절반 이하의 값으로 저감되어 있다. 하지만, 15dB 감쇠시의 PDL이 1.7dB라는 값은, 현행 광통신 시스템의 운용상 충분한 값이 아니어서 PDL의 억제가 더욱 필요하였다. 본 발명에서는 15dB 감쇠시의 PDL이 실제로 현행 광통신 시스템의 운용상 필요한 값으로 요구되고 있는 0.5dB 이하가 되는 것을 목표로 하였다(비특허문헌 2).
박막히터(108)의 양측에 배치한 도 11의 응력해방홈(110)은 박막히터(108)에서 발생한 열이 도파로 이외의 영역을 가열하는 것을 억제하는 단열홈으로서의 기능도 가지고 있기 때문에, 열광학 위상제어기의 저소비전력화에도 효과적이다.
이어서, 광커플러의 편파모드결합에 의한 편파의존성에 대하여 설명한다. 여기서는, 광커플러로서 도 8에 나타내는 바와 같은 2개의 도파로를 근접하여 구성되는 방향성 결합기(102,106)를 상정한다. 일반적으로 평면기판 위의 도파로에서는 통상 편파모드 사이의 결합이 생기지 않는다. 하지만, 방향성 결합기부에서는 코어가 근접하기 때문에, 코어를 상부 클래드층에서 매립할 때, 그 2개의 코어가 서로 근접하는 방향으로 힘을 받는다. 또한, 구체적으로 설명하면 아래와 같다. 화염퇴적법을 사용하여 상부 클래드를 형성할 때, 글라스 미립자를 코어의 위나 주위에 퇴적한 후에 행하는 투명화 열처리 과정에서, 글라스 미립자가 녹아 수축하면서 코어를 덮는다. 그런데, 2개의 코어에 끼워진 영역에서는 글라스 미립자의 공급이 부족하기 때문에 글라스가 적어져, 2개의 코어는 양 바깥쪽으로부터 안쪽으로 눌린다. 이 압력이 도파로의 광학주축을 기울이기 때문에, 편파모드 사이의 결합이 발생한다. 이 때문에, 방향성 결합기에서 결합한 크로스포트 광의 일부가 편파모드결합을 일으킨다. 한편, 2개의 코어가 멀어짐에 따라 광학주축은 원래대로 상하좌우로 되돌아가기 때문에, 쓰루포트 광은 편파모드결합을 일으키지 않는다. 이와 같은 현상은 방향성 결합기의 경우로 한정되지 않고, 2개의 암도파로가 근접하는 경우에는 반드시 일어난다. 즉, 다중모드 간섭커플러나 비대칭 X형 분기기에서도, 입출력단에서는 2개의 암도파로가 근접하기 때문에 편파모드결합이 일어난다. 이어서, 광커플러에서의 편파모드결합이 존재하는 경우의 광의 전파를 해석한다. 이 경우를 이하 도 8을 사용하여 설명한다. 제 1 입력도파로(입력포트)(101a)로부터 제 1 암도파로(103)를 거쳐 제 1 출력도파로(출력포트)(107a)로 전파하는 광은 하기 수학식 1로, 제 1 입력도파로(101a)로부터 제 2 암도파로(104)를 거쳐 제 1 출력도파로(107a)로 전파하는 광은 하기 수학식 2로, 제 1 입력도파로(101a)로부터 제 1 암도파로(103)를 거쳐 제 2 출력도파로(107b)로 전파하는 광은 하기 수학식 3으로, 제 1 입력도파로(101a)로부터 제 2 암도파로(104)를 거쳐 제 2 출력도파로(107b)로 전파하는 광은 하기 수학식 4로 각각 나타낸다.
단, 하기 식의 행렬의 제 1 행은 TE 성분을, 제 2 행은 TM 성분을 나타낸다. 또한, ITE(TM): 입력광의 TE(TM) 성분, κ: 광커플러의 결합효율, α: 광커플러에서의 광학주축의 기울기, θ1(2)TE(TM): 제 1(2) 암도파로(103,104)에서의 TE(TM) 성분의 위상변화량으로 정의한다. 여기서, 광커플러에서의 크로스포트 편파모드결합량은 sin2α로 나타내어진다.
Figure 112006066053280-pct00001
Figure 112006066053280-pct00002
Figure 112006066053280-pct00003
Figure 112006066053280-pct00004
제 1 입력도파로(101a)로부터 제 1 출력도파로(107a)로의 쓰루포트 출력은, 상기 수학식 1과 수학식 2의 합을 구하여 하기 수학식 5가 된다.
Figure 112006066053280-pct00005
상기 수학식 5에서 보기쉽게 하기 위하여 광커플러의 결합율로서 하기 수학식 6을 가정한다.
Figure 112006066053280-pct00006
쓰루포트 출력이 가장 감쇠하는 조건은 2개의 암도파로 길이가 동등할 때이므로, 그 조건은 하기 수학식 7로 나타내어진다.
Figure 112006066053280-pct00007
상기 수학식 5에 수학식 6과 수학식 7을 대입했을 때, 편광상태에 의존하지 않고 항상 상기 수학식 5=0이 성립하기 위한 조건을 구한다. 이것이 편광무의존 조건이 된다. 여기서 편광상태에 의존하지 않는다는 것은, ITE와 ITM의 강도비 및 위상차에 의존하지 않는다 것을 의미한다.
Figure 112006066053280-pct00008
상기 수학식 8로부터 편파무의존 조건으로서 하기 수학식 9가 도출된다. 단, m은 정수이다.
Figure 112006066053280-pct00009
Figure 112006066053280-pct00010
또는
여기서, 제 1 암도파로(103)에서의 암도파로의 길이를 L, 사용파장을 λ, TM광의 실효굴절율을 n1TM, TE광의 실효굴절율을 n1TE, 도파로 복굴절을 B로 해두면, θ1TE, θ1TM 및 B는 각각 다음 수학식 10, 11, 및 12와 같이 정의된다.
Figure 112006066053280-pct00011
Figure 112006066053280-pct00012
Figure 112006066053280-pct00013
이 수학식 10, 11을 상기 수학식 9의 하단의 식(이하, 제 2식이라고 함)에 대입하여 수학식 12를 적용하면 다음 수학식 13이 얻어진다.
Figure 112006066053280-pct00014
즉, 상기 수학식 9, 13으로부터 광커플러에서의 편파모드결합(sin 2α)이 0이 되거나, 혹은 암도파로의 길이(L)가 사용광파장(λ)을 도파로 복굴절(B)로 나누어 구해지는 비트길이의 정수배(m)이면 쓰루포트 출력의 편파의존성은 해소된다.
마찬가지로, 제 1 입력도파로(101a)로부터 제 2 출력도파로(107b)로의 크로스포트 출력은 상기 수학식 3과 수학식 4의 합을 구하여 하기 수학식 14가 된다.
Figure 112006066053280-pct00015
크로스포트 출력이 가장 감쇠하는 조건은, 2개의 암도파로 길이의 차이가 사용광 파장의 1/2 파장인 경우이다. 이 조건은 하기 수학식 15로 나타내어진다.
Figure 112006066053280-pct00016
상기 수학식 14에 수학식 15를 대입했을 때, 편광상태에 의존하지 않고 항상 상기 수학식 14=0이 성립하기 위한 조건을 구한다. 이것이 편파무의존 조건이 된다.
Figure 112006066053280-pct00017
상기 수학식 16으로부터 편파무의존 조건으로서 하기 수학식 17이 도출된다.
Figure 112006066053280-pct00018
Figure 112006066053280-pct00019
또는
상기 수학식 17과 수학식 9는 동등하다. 따라서, 상기 수학식 17로부터 수학 식 13도 얻어진다. 즉, 광커플러에서의 편파모드결합(sin 2α)이 0이 되거나, 혹은 암도파로의 길이(L)가 사용광파장(λ)을 도파로 복굴절(B)로 나누어 구해지는 비트길이의 정수배(m)이면 쓰루포트 출력 및 크로스포트 출력의 편파의존성이 해소된다.
이상의 고찰에 의해 도파로형 가변광감쇠기 및 광스위치의 편파의존성을 억압하기 위한 필요조건이 구해진다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
[제 1 실시예]
도 1에 본 발명의 제 1 실시예인 도파로형 가변광감쇠기의 구성을 나타낸다. 이 도파로형 가변광감쇠기(100)는 입력도파로(101a), 제 1 광커플러(102), 2개의 암도파로(103,104), 이 암도파로들 위에 배치된 위상제어기(105), 제 2 광커플러(106), 출력도파로(107b), 박막히터(108), 및 응력해방홈(110)을 가진다. 본 실시예에서는 입력도파로(101a)에 대하여 크로스포트에 위치하는 도파로(107b)를 출력도파로로서 사용한다. 크로스포트 출력을 사용하는 이유는, 제 1 및 제 2 광커플러(102,106)로서 사용하는 방향성 결합기를 동일 설계로 한 경우에, 양자의 결합율이 거의 같아져, 결과적으로 높은 가변광감쇠량을 얻을 수 있기 때문이다.
도 2에 도 1의 II-II 절단선에 따른 확대단면도를 나타낸다. 기본적인 회로구성은 종래기술에 설명한 도 11의 구성과 마찬가지이다. 본 실시예와 종래기술의 차이점은 제 1 및 제 2 광커플러를 구성하는 방향성 결합기(102,106)의 도파로 복 굴절율의 절대값을 3.5×10-4 이상으로 설정하고 있는 것이다 여기서, 도파로 복굴절(B)은 수학식 12로 정의한 바와 같이, TM 모드의 실효굴절율(nTM)과 TE 모드의 실효굴절율(nTE)의 차이(B=nTM-nTE)이다.
본 실시예의 도파로 제작공정을 도 3a 내지 도 3e의 공정도를 사용하여 간단히 설명한다. 실리콘 기판(109) 위에 화염퇴적법(FHD)으로 SiO2를 주성분으로 한 하부 클래드 글라스 미립자(301), SiO2에 GeO2를 첨가한 코어 글라스 미립자(302)를 각각 퇴적한다(도 3a 참조). 이 단계에서는 글라스 미립자(301,302)는 광을 산란하기 때문에, 하얀 막으로 보인다.
그 후, 1000℃ 이상의 고온에서 글라스를 투명화한다. 글라스 미립자(301,302)를 표면에 퇴적한 실리콘 기판(109)을 서서히 가열해가면, 글라스 미립자가 녹아 투명한 글라스막이 형성된다. 이 때, 하부 클래드 글라스층(303)의 두께가 30㎛가 되도록, 또한 코어글라스층(304)의 두께가 7㎛가 되도록 글라스 미립자의 퇴적량을 각각 조정한다(도 3b 참조).
이어서, 포토리소그래피 기술과 반응성 이온에칭(RIE)에 의해 코어 글라스층(304)을 패턴화한다. 이에 의해 하부 클래드 글라스층(303) 위에 코어(305)가 형성된다(도 3c 참조).
SiO2 상부 클래드 글라스 미립자(306)를 화염퇴적법(FHD)에 의해 하부 클래드 글라스층(303)과 코어(305)의 상부에 퇴적한다(도 3d 참조).
마지막으로 고온투명화하여, 투명한 상부 클래드 글라스층(307)이 형성된 매립도파로를 제작한다(도 3e 참조). 상부 클래드 글라스층(307)에는 도펀트를 첨가함으로써 글라스 전이온도를 낮추어, 상부 클래드 글라스층(307)의 고온투명화 공정에서 코어(305)가 형성되지 않도록 하고 있다. 또한, 도 3e에 나타내는 상부 클래드 글라스층(307)(이하, 상부 클래드층이라고 함)(307)과 하부 클래드 글라스층(이하, 하부 클래드층이라고 함)(303)이 도 2의 클래드(111)에 대응하고, 코어(305)가 도 2의 도파로(코어)(103,104)에 대응하고 있다.
도파로 복굴절은 코어(305)의 가로세로비나, 기판(109), 코어글라스(305), 클래드글라스(303,307) 등의 열팽창계수, 및 이 글라스들의 연화온도에 의존한다. 이 때문에, 이 값들을 적절히 선택함으로써 도파로 복굴절을 제어할 수 있다.
도파로형 가변광감쇠기를 제작하기 위하여 도 3a 내지 도 3e에서 설명한 공정과 함께, 상부 클래드층(307)의 표면으로 도 1과 도 2에 도시한 박막히터(08) 및 배선전극을 형성하고, 또한 열광학 위상제어기(105)에서 발생하는 열응력에 의한 편파의존성을 억제하기 위하여 도 1과 도 2에 도시한 응력해방홈(110)을 형성한다.
본 발명의 실시예의 구체적인 예를 설명하기 전에, 앞서 논한 편파의존성 발생모델을 실증하기 위하여, 먼저 방향성 결합기부에서의 편파모드결합을 평가하였다. 또한, 그 편파모드결합량이 도파로 복굴절에 의존하는 것이 아니가하는 관점에서, 그 양자의 상관관계를 구하였다. 방향성 결합기부에서의 편파모드결합량과 도파로 복굴절의 관계를 도 4에 나타낸다. 여기서, 가로축은 도파로 복굴절을, 세로축은 방향성 결합기 1단을 투과한 후의 크로스포트 출력에서의 편파모드결합량을 나타낸다. 도 4로부터 크로스포트 출력에서의 편파모드결합량과 도파로 복굴절의 사이에 강한 상관이 있는 것을 알 수 있다. 이 현상은 '모드결합량은 결합을 일으키는 2모드(여기서는 2개의 편파모드) 사이의 전파정수차(도파로 복굴절)에 반비례하기 때문'이라고 해석할 수 있다. 또한, 도 4에서 동일한 도파로 복굴절에 대하여 편파모드결합량이 어느 정도 불규칙적인 것은, 편파모드결합이 여러가지 변화요인에 의해 변동하기 때문이라고 해석할 수 있다.
광커플러(102,106)에서의 편파모드결합량 즉, │ sin2α│를 -25dB 이하로 하면, 상기 수학식 16의 왼쪽 변의 값은 가장 커도 입력레벨에 대하여 -25dB 이하가 된다. 바꿔말하면, 입력광의 편파에 의존한 광레벨은, 입력레벨에 대하여 -25dB이다. 따라서, 광감쇠량 15dB에서의 PDL은 하기 수학식 18에서 구해지는 PDL 이하로 억압할 수 있다.
Figure 112006066053280-pct00020
즉, 광감쇠량 15dB에서의 PDL을 0.5dB 이하로 억압할 수 있다.
도 4에 따르면, 도파로 복굴절의 절대값을 3.5×10-4 이상으로 설정함으로써 편파모드결합량을 -25dB 이하로 할 수 있다. 즉, 광감쇠량 15dB에서의 PDL을 0.5dB 이하로 억압할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 특징을, 제 1 및 제 2 광커플 러(102,106)의 편파모드결합량을 -25dB 이하로 하는 것이며, 또한 제 1 및 제 2 광커플러를 구성하는 방향성 결합기의 도파로 복굴절율(절대값)을 3.5×10-4 이상으로 할 수 있다.
도 5에 본 발명의 제 1 실시예로서 실제로 제작한 도파로형 가변광감쇠기의 감쇠량과 PDL의 상관관계를 나타낸다. 본 실시예에서는 후술하는 제 3 실시예와의 비교를 위하여, 일부러 암도파로 길이를 비트길이의 정수배의 조건으로부터 가장 떨어져 있는 약 2.5배인 11mm로 하였다.
실제로 제작한 도파로의 복굴절을, 별도로 세나몬트(senarmont) 측정계로 구하였더니 3.5×10-4 였다. 이 때, 도 5에 나타내는 바와 같이 15dB 감쇠시의 PDL은 0.4dB가 되어 당초 목표로 한 0.5dB 이하를 실현하였다.
본 실시예에서는 도 1과 도 2에 도시된 다중 디바이스를 도파로형 가변광감쇠기로서 설명하고 있지만, 제 2 광커플러(106)에 입사할 때의 2개의 광의 위상차이를 0 또는 π의 2값으로 사용함으로써, 도 1과 도 2에 나타내는 디바이스는 광스위치로서도 이용할 수 있다. 이와 마찬가지로, 아래에서 설명하는 본 발명의 다른 실시예도 광스위치로서 이용할 수 있다.
[제 2 실시예]
본 발명의 제 2 실시예는 상술한 본 발명의 제 1 실시예와 마찬가지로, 입력도파로에 대하여 크로스포트 출력을 출력도파로로서 사용하는 가변광감쇠기이며, 그 기본구성은 도 1 및 도 2와 같다. 제 1 실시예와 제 2 실시예의 차이점은, 제 1 실시예의 특징이 '제 1 및 제 2 광커플러를 구성하는 방향성 결합기의 도파로 복굴절율의 절대값을 3.5×10-4 이상으로 설정한 것'이었던데 대하여, 제 2 실시예의 특징은 '암도파로의 길이를 사용광파장을 도파로 복굴절로 나누어 구해지는 비트길이의 정수배로 설정하고 있는 것'이다.
제 2 실시예에서는 상기 수학식 17의 제 2 식의 편파의존조건에 상당한다.
본 실시예에서 제작한 도파로의 굴절율은 1.2×10-4였다. 이 경우, 도파로 복굴절로 사용광파장 1.55㎛의 편파가 1회전하는 비트길이는 12.9mm이라고 계산된다. 그래서, 본 실시예에서는 암도파로(104)의 길이를 비트길이에 상당하는 12.9mm로 설계하였다.
도 6에 상기 설계조건을 적용하여 실제로 제작한 본 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 감쇠량과 PDL의 상관관계를 나타낸다. 도 6으로부터 15dB 감쇠시의 PDL이 0.9dB로, 종례예와 비교하여 작은 값으로 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
[제 3 실시예]
본 발명의 제 3 실시예도 상술한 본 발명의 제 1, 제 2 실시예와 마찬가지이며, 입력도파로(101a)에 대하여 크로스포트 출력(107a)을 출력도파로로서 사용하는 가변광감쇠기이다. 그 기본구성은 도 1 및 도 2와 같다. 제 3 실시예의 특징은 제 1 실시예의 특징인 '제 1 및 제 2 광커플러를 구성하는 방향성 결합기의 도파로 복굴절율(절대값)을 3.5×10-4 이상으로 설정한 것'과, 제 2 실시예의 특징인 '암도파로의 길이를, 사용광파장을 도파로 복굴절로 나누어 구해진 비트길이의 정수배로 설정하고 있는 것' 모두를 겸비하고 있다는 것이다.
실제로 제작한 도파로의 복굴절은 3.5×10-4 였다. 암도파로의 길이는 비트길이의 3배인 13.3mm로 설정하였다.
도 7에 실제로 제작한 제 3 실시예의 도파로형 가변광감쇠기의 감쇠량과 PDL의 상관관계를 나타낸다. 15dB 감쇠시의 PDL은 0.2dB, 또한 25dB 감쇠시에도 PDL은 0.6dB로 매우 작은 값으로 억제되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 '제 1 및 제 2 광커플러를 구성하는 방향성 결합기의 도파로 복굴절율(절대값)을 3.5×10-4 이상으로 설정하는 것'과 '암도파로의 길이를, 사용광파장을 도파로 복굴절로 나누어 구해진 비트길이의 정수배로 설정하고 있는 것'은 독립적으로 설계할 수 있는 것이기 때문에, 바람직하게는 양자를 동시에 만족하도록 가변광감쇠기를 제작하는 것이 바람직하다.
[그 밖의 실시예]
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하여 설명하였는데, 본 발명의 실시예는 상기 예시에 한정되지 않고, 특허청구 범위에 기재된 범위내라면 그 구성부재 등의 치환, 변경, 추가, 갯수의 증감, 형상의 설계변경 등의 각종 변형은 모두 본 발명의 실시예에 포함된다.
예를 들어, 상술한 본 발명의 각 실시예에서는 제작법으로서 화염퇴적법을 상정하고 있는데, 매립 도파로의 제작법으로서는 화염퇴적법 이외에도 CVD법(Chemical Vapor Deposition), VPE법(Vapor Phase Epitaxy) 등의 기상성장법이 나, 스퍼터법 등의 물리퇴적법도 있으며, 이들 제작법을 적용한 경우에도 본 발명은 유효하다.
또한, 상술한 본 발명의 각 실시예에서는 광커플러로서 방향성 결합기를 상정하고 있는데, 다중모드 간섭형(Multi-Mode Interference) 합분파기, 비대칭 X형 분기기 등에서도 코어가 근접하는 영역에서 편파모드결합이 발생하고, 본 발명을 구성하는 광커플러로서 효과적이다. 즉, 광합분파기에 있어서 편파모드결합을 발생시키는 광커플러에 대해서는 그 형상에 의존하지 않고 효과적이다.
또한, 상술한 본 발명의 각 실시예에서는 실리콘 기판 위에 형성한 석영계 글라스 도파로를 사용한 광간섭계를 나타내었지만, 그 도파로 재료가 글라스 이외의 예를 들어 폴리이미드, 실리콘(Silicone), 반도체, LiNbO3 등이어도 본 발명의 상기 원리는 적용가능하다. 또한, 기판의 재질도 실리콘으로 한정되지 않는다.
본 명세서 내용 중에 포함되어 있음.

Claims (6)

  1. 기판 위에 형성된 도파로로 구성되는 도파로형 가변광감쇠기에 있어서,
    상기 가변광감쇠기가 입력도파로, 제 1 광커플러, 제 2 광커플러, 상기 제 1, 제 2 광커플러를 잇는 2개의 암도파로, 및 출력도파로로 구성되어 있으며, 상기 제 1, 제 2 광커플러는 각각 상기 2개의 암도파로가 근접하는 영역을 포함하여 구성되는 방향성 결합기로서, 특히 상기 제 1, 제 2 광커플러에서의 편파모드결합이 -25dB 이하인 것을 특징으로 하는 도파로형 가변광감쇠기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 광커플러를 구성하는 상기 광커플러 부분에서의 도파로의 복굴절율의 절대값이 3.5×10-4 이상인 것을 특징으로 하는 도파로형 가변광감쇠기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 암도파로의 길이가 사용광파장을 도파로 복굴절로 나누어 구해지는 비트길이의 정수배로 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 도파로형 가변광감쇠기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 암도파로의 길이가 사용광파장을 도파로 복굴절로 나누어 구해지는 비트길이의 정수배로 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 도파로형 가변광감쇠기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 암도파로의 적어도 한 쪽에 위상제어기를 구비하고 있으며, 가변광감쇠기 또는 광스위치로서 기능하는 것을 특징으로 하는 도파로형 가변광감쇠기.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판이 실리콘 기판이며, 상기 도파로가 석영계 글라스 도파로인 것을 특징으로 하는 도파로형 가변광감쇠기.
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