KR100293954B1 - 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 AWG 광파장 분할기에 관한 것으로서, 복수의 입력 광도파로에서 입력되는 서로 다른 광신호들의 파장을 분리 또는 결합하여 다수의 출력 광도파로로 출력하는 AWG 광파장 분할/다중화기에 있어서, 입력 광도파로로부터 입력되는 입력 광신호들의 파워를 분할하는 제1슬라브 도파로; 상기 제1슬라브 도파로로부터 입력된 광신호들이 서로 다른 위상차를 갖도록 도파하는 광도파로열 격자; 상기 광도파로열 격자로부터 출력되는 광신호들의 파장을 분리 또는 결합하여 상기 출력 도파로들로 출력하는 제2슬라브 도파로; 및 상기 제2슬라브 도파로와 출력 도파로사이에 삽입되어 평탄한 주파수 응답을 얻기위한 테이퍼 도파로로 구성된다. 본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 평탄한 주파수 응답을 얻고, 손실을 최소화한다.

Description

평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기{LOW LOSS AWG DEMULTIPLEXER WITH FLAT SPECTRAL RESPONSE}

본 발명은 파장 분할 다중화 시스템(WDM system:wavelength division multiplexing system)에서 사용하는 광파장 분할/다중화기(optical wavelength multiplexer/demultiplexer)에 관한 것으로서, 특히 평탄한 주파수 응답을 가짐과 동시에 소자의 삽입 손실을 최소화할 수 있는 광파장 분할기(optical wavelength demultiplexer)에 관한 것이다.

광도파로열 격자(Arrayed Waveguide Grating, 이하 AWG라 함)를 이용한 파장 분할/다중화기(이하 AWG 광파장 분할기라 함.)의 동작은 광도파로열을 회절 격자(diffraction grating)로 간주하고, 입사하는 광의 회절에 따른 분산 특성(dispersion characteristic)을 기술한 격자 방정식(grating equation)으로 설명할 수 있다.

이러한 AWG 광파장 분할/다중화기는 WDM 시스템에서 서로 다른 파장의 광신호를 합파하거나 분할하기 위한 광학장치이다. 격자 방정식은 AWG 광파장 분할/다중화기를 구성하는 세부분, 즉 제1슬라브 도파로(slab waveguide)와, 광도파로열 격자(AWG) 및 제2슬라브 도파로의 위상변화를 모두 합한 후, 이 위상변화의 합이 최종 출력 평면에서 보강 간섭을 일으키는 조건을 구한 식이다. 여기서 최종 출력 평면이란 제2슬라브 도파로와 출력 도파로와의 경계면을 말한다. 빛이 중앙의 입력 도파로로 입사한다고 가정할 때, 격자 방정식은 수학식 1로 표현된다.

,는 각각 제1,2슬라브 도파로와 광도파로열 격자의 유효 굴절률,는 광도파로열 격자의 피치,은 회절 차수,은 인접한 광도파로열 격자사이의 길이 차이,는 파장을 나타낸다.

중심 동작 주파수는 수학식 1에서가 0인 경우의 파장으로 정하며, 다음과 같은 수학식 2로 정의된다.

=

수학식 1로부터 각분산(angular dispersion) 즉, 파장변화에 따른 빛의 회절각도의 변화식을 얻을 수 있다. 수학식 1의 양변을 파장에 대해 미분하면 다음과 같은 수학식 3을 얻는다.

위와 같이 광의 파장이 변화함에 따라서 파두면(wavefront)의 방향이 변화하고, 따라서 제2슬라브 도파로내의 이미지 플레인상에서의 간섭패턴의 메인 로브(mainlobe)의 위치가 변화한다.

광파장 분할기의 주파수 응답은 제2슬라브 도파로의 이미지 플레인상에서의 간섭 패턴과 제2슬라브 도파로에 연결된 출력 도파로의 모드사이의 중첩적분으로 구해진다.

그러나, 일반적인 광파장 분할기의 경우, 간섭 패턴과 출력 도파로 모드이 모양이 가우시안(Gausian) 형태를 가지고 있으므로, 주파수 응답 역시 가우시안 형태를 가지고 있다. 이와 같은 가우시안 주파수 응답을 가진 광파장 분할기가 시스템에 적용되었을 경우, 시스템의 소스역할을 하는 레이져 다이오드(LD:Laser Diode)의 주파수 변화를 정확히 제어해야 하고, 직렬로 연달아 연결하여 사용할 경우, 주파수 응답의 밴드 폭(bandwidth)을 점점 감소시키므로, 시스템의 설치 및 유지비용을 상승시키는 단점을 가지고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 각 채널의 주파수 응답이 평탄해야 하며, 이를 구현하기 위한 대표적인 두가지 예를 설명하면 다음과 같다.

첫번째 종래의 실시예로, 광도파로열 격자 영역(AWG region)에서의 광경로차(optical path length)를 조절하는 것이다. 루슨트 테크놀러지(Lucent Technologies)의 코라도 드라곤(Corrado Dragone)에 의해 발명되어 허여된 이러한 방법은 미국특허번호 제 5,467,418 호에 상세히 개시되어 있다. 이는 제2슬라브 도파로로 입사하는 빛의 프로파일(profile)을 싱크 함수(sinc function)의 형상으로 만들어 준다. 제2슬라브 도파로내에서의 회절 현상은 입사광이 출력면에서 푸리에 변환(Fourier Transform)으로 생각할 수 있으므로, 평탄한 출력 프로파일을 얻기 위하여 입사광의 모양을 원하는 출력의 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)에 해당하는 싱크 함수의 모양을 갖게 하는 것이다. 이러한 방법에 의한 입사광의 모양을 얻기 위해서는 광도파로열 격자의 길이가 부분적으로 반파장에 해당하는 길이만큼 차이나게 하고, 엔벨로프(envelope)에 맞추어서 손실을 의도적으로 주어야 한다. 따라서 이러한 방법은 광도파로열 격자에서 주는 의도적인 손실에 해당하는 양만큼 전체 소자의 삽입손실을 일으키는 단점이 있다.

두번째 종래의 실시예로, 소자의 제1슬라브 도파로에 연결되는 입력 도파로(input waveguide)에 파라볼릭 혼 도파로(parabolic horn waveguide)를 적용하여 평탄한 주파수 응답특성을 얻은 경우이다. 이 방법은 일본 NTT의 K. Okamoto에 의해 일본에 출원된 바 있으며, Okamoto등이 제안한 방법은 'Flat spectral response arrayed waveguide grating multiplexer with parabolic waveguide horns', Electronics, 32, pp. 1961-1962,1996에 상세히 개시되어 있다.

이 방법에서 파라볼릭 혼 도파로(Parabolic horn waveguide)의 역할은 광파장 분할기가 제1슬라브 도파로의 입력면에서의 도파로 모드 프로파일이 제2슬라브 도파로의 출력 이미지 플레인(image plane)에서 그대로 재생(reconstruction)되는 성질을 이용하여, 입력 도파로 모드의 모양을 더블 피크(double peak)모양으로 만들어 주고, 출력면에서 중첩적분에 의한 최종 주파수 응답이 평탄하도록 만들어 주는 방법이다. 이 방법의 경우는 첫번째 실시예에서 처럼 의도적인 손실은 줄 필요가 없으나, 이미지 플레인상에서의 더블 피크 이미지(double peak image)와 출력 도파로의 로컬 모드(local mode)의 불일치에서 오는 손실은 피할 수 없게 된다.

결과적으로, 상기 기술한 두가지 방법은 출력 도파로의 모드는 그대로 두고, 이미지 플레인(image plane)에서의 이미지만을 변화시켰기 때문에 가우시안 주파수 응답(Gaussin spectral response)을 가진 경우에 비해 2-4dB의 추가 손실을 피할 수 없게 된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 제2슬라브 도파로와 출력 도파로사이에 테이퍼 도파로를 적용하여 저손실을 추구한 AWG 광파장 분할기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 제2슬라브 도파로와 출력 도파로사이에 테이퍼 도파로를 적용하여 평탄한 주파수 응답을 가진 AWG 광파장 분할기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 제2슬라브 도파로와 출력 도파로사이에 테이퍼 도파로를 적용하여 평탄한 주파수 응답을 가짐과 동시에 기존의 방법이 가진 추가적인 삽입 손실을 제거한 AWG 광파장 분할기를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 복수의 입력 광도파로에서 입력되는 서로 다른 광신호들의 파장을 분리 또는 결합하여 다수의 출력 광도파로로 출력하는 AWG 광파장 분할/다중화기에 있어서,

입력 광도파로로부터 입력되는 입력 광신호들의 파워를 분할하는 제1슬라브 도파로;

상기 제1슬라브 도파로로부터 입력된 광신호들이 서로 다른 위상차를 갖도록 도파하는 광도파로열 격자;

상기 광도파로열 격자로부터 출력되는 광신호들의 파장을 분리 또는 결합하여 상기 출력 도파로들로 출력하는 제2슬라브 도파로; 및

상기 제2슬라브 도파로와 출력 도파로사이에 삽입되어 평탄한 주파수 응답을 얻기위한 테이퍼 도파로로 구성된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AWG 광파장 분할/다중화기의 칩을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 AWG 광파장 분할/다중화기의 도파로 패턴을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 출력 테이퍼 도파로를 나타내는 도면.

도 4a는 종래의 실시예에 따른 이미지 플레인에 나타난 포컬 필드와 출력도파로의 0차 로컬모드필드의 비교를 나타내는 그래프.

도 4b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 이미지 플레인에 나타난 포컬 필드와 출력테이퍼의 0차 로컬모드필드의 비교를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 출력 도파로의 로컬 모드와 포컬 필드의 파워 중첩 적분을 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 손실 특성을 나타내는 그래프.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 AWG 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할/다중화기의 칩을 나타내는 도면이다. 도 2은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 AWG 광파장 분할 다중화기의 패턴을 나타내는 도면이다. 도 1, 도 2에 도시된 AWG 광파장 분할/다중화기는 확대된 도면이다.

도 1에 도시된 바와같이, 광파장 분할/다중화기는 기판(10)상에 여러 공정을 거쳐서 도파로 패턴이 형성된다. 여기서 의미하는 도파로 패턴이란 광신호가 경유하는 도파로를 말한다. AWG 광파장 분할/다중화기는 서로 다른 파장을 갖는 광신호가 입력되는 적어도 한개이상의 입력 도파로(110)와, 상기 입력 도파로(110)로 부터 입력되는 광파워를 분리하는 제1슬라브 도파로(112)와, 상기 제1슬라브 도파로(112)의 출력단에 연결되어 입력된 광신호들이 서로 다른 위상차를 갖도록 도파하는 광도파로열 격자(114:AWG)와, 상기 도파로열 격자(114)의 출력단에 연결되어 출력되는 광신호들의 파장을 분리 또는 결합하여 출력 도파로(118)들로 출력하는 제2슬라브 도파로(116)와, 상기 제2슬라브 도파로(116)의 출력단과 출력 도파로(118) 사이에 삽입되어 평탄한 주파수 응답을 얻기위한 테이퍼 도파로 (도 2, 도 3에 도시됨)를 포함한다.

AWG 광파장 분할기의 동작을 보면 다음과 같다. 적어도 한개이상의 입력 도파로(110)로 입력된 광신호는 제1슬라브 도파로(112)를 통과하여 서로 길이다 다른 복수의 광도파로를 구비한 광도파로열 격자(114)로 입사된다. 상기 광도파로열 격자(114)를 통과한 광신호의 위상은 서로 달라지게 된다. 서로 다른 위상을 갖고, 상기 제2슬라브 도파로(116)에 입사된 광신호는 보강, 간섭에 의해 복수의 출력 도파로중 하나에 그 상(self-imaging)이 맺히게 되어 출력된다.

도 2를 참조하여 본 발명의 AWG 광파장 분할/다중화기의 동작원리를 상세히 설명하면 다음과 같다.

AWG 광파장 분할기는 파장변화에 따라 파두면(wavefront)의 방향이 바뀌는 역할을 하는 격자를 평면 도파로 기술을 사용하여 구현한 것이다. 파장 변화에 따라 상이 맺히는 초점 평면(또는 이미지 플레인)에서 간섭 패턴의 메인 피크(main peak)가 이동하는 정도를 나타내는 선형 분산은 수학식 4로 표현될 수 있다.

여기서는 슬라브 도파로의 초점 거리,은 회절 차수,는 광도파로열 격자의 피치,는 슬라브 도파로의 유효 굴절률이다.

상기 수학식 4에 따르면, 광신호의 파장 분포가 제2슬라브 도파로(216)의 이미지 플레인(image plane)상에 공간적으로 맺히게 됨으로서, 상기 이미지 플레인에 미리 정해진 간격으로 다수개의 출력 도파로(218)를 연결하면 그에 따라 정해진 파장간격을 갖는 광파장 분할기(AWG optical wavelength demultiplexer)를 구현할 수 있다.

복수개의 광도파로열 격자(214)에서 출력된 광신호(optical signal)는 프라운 호퍼 회절(Fraunhofer diffraction)에 의해 제2슬라브 도파로(216)내에서 진행하고, 입력된 위상(phase)이 서로 상이한 광신호는 출력되어 이미지 플레인에서 간섭 패턴을 형성한다. 프라운 호퍼 회절은 입력 광신호들과 회절 패턴의 관계가 푸리에 변환으로 기술되므로, 입력 광신호와 출력 회절 패턴중 어느 한쪽만 알고 있다면, 푸리에 변환 또는 역 푸리에 변환을 이용하여 나머지 한쪽 광신호의 크기와 위상을 계산할 수 있다.

도 3에 도시된 바와같이, 본 발명은 상기 제2슬라브 도파로(316)와 출력 도파로(318)사이에는 테이퍼 도파로(317)가 삽입된다. 상기 테이퍼 도파로(317)는 광파장 분할기의 평탄한 주파수 응답을 얻고, 저손실을 구현하기 위해 삽입된다.

상기 테이퍼 도파로(317)를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 테이퍼 도파로(317)는 제2슬라브 도파로의 출력단과 출력 도파로(318)사이에 삽입된 테이퍼 도파로가 적용된다. 본 발명의 출력 도파로(318)의 선단은 여러개의 도파 모드를 갖는 다중모드 테이퍼 도파로(317)이다.

더욱이, 상기 테이퍼 도파로(317)는 광신호가 도파되면서 모드간 파워 교환이 일어나지 않도록 단열(adiabatic) 구조가 바람직하다. 이러한 테이퍼 도파로(317)는 입사광의 수광각(acceptance angle)을 확대시키게 되어 광손실을 최소화할 수 있다.

상기 제2슬라브 도파로와 대면한 테이퍼 도파로의 선단(317a)은 다중모드를 가지는 구조이며, 출력 도파로(318)와 연결된 후단(317b)은 출력 도파로(318)와 동일한 크기로 연결된다.

도 4a, 도 4b에 도시된 바와같이, 기존의 광파장 분할기가 이미지 플레인에서의 간섭 패턴을 더블 피크(double peak)를 가진 모양으로 만들어 주는 방법인데 비하여, 본 발명의 AWG 광파장 분할기는 간섭 패턴의 모양은 그대로 둔채, 출력 도파로의 모양을 제2슬라브 도파로에 연결된 면에 테이퍼 구조로 한데 기술적 특징이 있다. 도면에 도시된 그래프의 가로축은 이미지 플레인 상에서의 위치를 의미한다. 이러한 이미지 플레인에 제2슬라브 도파로의 출력광의 이미지가 맺히게 된다.

상기 이미지 플레인에서 출력 도파로는 여러개의 도파모드를 갖는 다중 모드 도파로가 된다. 예를들어, 0차 모드(fundamental mode)인 경우, 본 발명은 도파 모드의 넓이가 충분히 넓기 때문에 간섭 패턴의 포컬 필드(focal field)와의 모드 불일치를 최소화하게 되어 손실을 최소화할 수 있다.

도 2, 도 3에 도시된 바와같이, 본 발명의 AWG 광파장 분할기의 경우, 평탄한 주파수 응답을 구하기 위하여 1.5μm 파장대의 16채널 AWG 광파장 분할기를 설계하였다. 그리고, 채널 도파로의 폭은 6.5μm , 코어층과 클래드층의 굴절률 차이는 0.75%로 가정하였다. 출력 도파로 부분으로서 선형 테이퍼의 폭(W)은 25.3μm, 테이퍼 부분의 길이(L)는 4800μm로 가정하였다. 본 발명에서는 주파수 응답 특성을 계산하기 위하여 이차원 빔 전달 방법(beam propagation method)을 이용하였다.

본 발명에서 상기와 같이 테이퍼 도파로의 크기는 특정 크기로 한정할 필요는 없으며, 다양한 테이퍼 도파로의 크기를 변형함으로서, 다양한 실시예에 따를 테이퍼 도파로를 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라서 이미지 플레인(image plane)에서의 간섭 패턴과 여러개의 다중 도파모드 중첩적분(overlap integral)을 파장에 따라 나타낸 그래프이다. 도 5에서 제시한 예에서 이미지 플레인에서의 간섭 패턴은 출력 도파로를 만나면서 다섯개의 모드들(0차 모드에서 4차 모드까지)과 각각 결합되면서 도파된다. 여기서 도파 모드는 다섯개의 모드를 예로 든다. 도면에 도시된 그래프의 가로축은 정규화된 파장의 길이를 나타낸다.

본 발명은 다중모드 결합을 위해 테이퍼 도파로의 선단 즉, 이미지 플레인상에 단열성 테이퍼(adiabatic taper) 도파로 구조를 적용함으로서, 광신호가 도파로를 진행하면, 점차 0차 모드를 제외한 고차 모드가 차단(cut-off) 또는 방사되면서 최종적인 주파수 응답특성을 이루게 된다. 이 과정에서 각 채널의 중앙 파장에서 짝수 모드가 결합된 파워가 차단된 것이 결과적으로 최종 주파수 응답에서 가운데가 들어간 딥(dip)형상을 만들게 된다. 이같은 딥형상은 주파수 응답의 평탄성을 증가시키는데 도움을 주게 된다.

도 6은 계산으로 얻은 본 발명의 주파수 응답 특성을 나타낸 그래프이다. 도 6의 가로축은 정규화된 파장의 크기를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와같이, 본 발명의 AWG 광파장 분할기의 실시예에서 계산으로 얻은 삽입 손실은 1.16dB이고, 3dB 밴드 폭은 72.3㎓이다. 본 발명에서는 최종 광섬유 결합 손실과 곡선 도파로의 손실, 도파 손실을 제외하였으나, 기존의 방법에 비하여 상당히 개선된 삽입 손실을 보여주고 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 당해분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

이상으로 살펴본 바와같이, 본 발명은 제2슬라브 도파로와 출력 도파로사이에 테이퍼 도파로를 적용함으로서, 이미지 플레인에서 평탄한 주파수 응답을 얻으면서 추가적인 손실 발생을 최소화하게 되었다. 또한, 본 발명에 적용된 테이퍼는 공정상에서도 기존의 광학 소자에 비해 아무런 어려움없이 적용할 수 있다.

Claims (5)

1. 복수의 입력 광도파로에서 입역되는 서로 다른 광신호들의 파장을 분리 또는 결합하여 다수의 출력 광도파로로 출력하는 AWG 광파장 분할/다중화기에 있어서,

   입력 광도파로로부터 입력되는 입력 광신호들의 파워를 분할하는 제1슬라브 도파로;

   상기 제1슬라브 도파로로부터 입력된 광신호들이 서로 다른 위상차를 갖도록 도파하는 광도파로열 격자;

   상기 광도파로열 격자로부터 출력되는 광신호들의 파장을 분리 또는 결합하여 상기 출력 도파로들로 출력하는 제2슬라브 도파로; 및

   상기 제2슬라브 도파로와 출력 도파로사이에 삽입되어 평탄한 주파수 응답을 얻기위한 테이퍼 도파로로 구성되어짐을 특징으로 하는 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 테이퍼 도파로는 선형 테이퍼 도파로임을 특징으로 하는 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 테이퍼 도파로는 광신호가 도파되면서 모드간 파워 교환이 일어나지 않도록 단열 구조임을 특징으로 하는 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2슬라브 도파로와 대면한 테이퍼 도파로의 선단은 다중모드를 가진 구조임을 특징으로 하는 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 테이퍼 도파로의 후단은 출력 도파로와 동일한 크기로 연결되어 광신호가 도파되는 구성임을 특징으로 하는 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기.