KR100970927B1

KR100970927B1 - 열광학 가변 광 감쇄기

Info

Publication number: KR100970927B1
Application number: KR1020080052424A
Authority: KR
Inventors: 이지훈; 김영식; 김진봉
Original assignee: 주식회사 피피아이
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2010-07-20
Anticipated expiration: 2028-06-04
Also published as: KR20090126376A

Abstract

본 발명은 광섬유 통신에서 광선의 세기를 감쇄시키는 가변형 광 감쇄기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리카 직선 도파로를 형성하는 코어에 광신호가 통과되도록 트렌치를 형성하고, 형성된 트렌치에 클래드와 상이한 굴절률을 갖는 폴리머를 삽입하여 상기 코어를 통과하는 광신호의 세기를 폴리머의 온도를 가변시켜 조절할 수 있는 열광학 가변 광 감쇄기에 관한 것이다.

본 발명은 열광학 가변 광 감쇄기로 , 기판(10)과 클래드(20) 및 코어(30)로 형성된 실리카 직선 도파로의 코어(30)가 불연속하도록 형성된 적어도 하나의 트렌치(52; trench)와, 상기 형성된 트렌치(52)에 충만하게 삽입된 음의 열광학계수를 가진 폴리머(50)와, 상기 삽입된 폴리머(50)의 상부를 커버하도록 장착되는 히터(60)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 트렌치(52)는, 상기 코어(30)의 하부에 형성된 클래드에 상기 폴리머(50)가 일정 부분 삽입되도록 형성되고, 상기 폴리머(50)는, 상기 코어(30)의 상부에 형성된 클래드와 상기 히터(60) 사이에 더 적층되도록 형성될 수 있다.

감쇄기, 폴리머, 실리카, 클래드, 열광학, 트렌치, 히터

Description

열광학 가변 광 감쇄기{VARIABLE OPTICAL ATTENUATOR BASED ON THERMO-OPTIC EFFECT}

일반적으로 광 감쇄기는 입력광 신호의 세기를 감쇄시켜주는 역할을 하며, 가변 광 감쇄기는 전기적 또는 기계적인 방법으로 광신호의 감쇄 정도를 외부에서 조절해 줄 수 있는 광 감쇄기를 말한다.

광 감쇄기의 용도는 시스템 또는 소자의 광 세기에 대한 특성분석뿐만 아니라 파장다중통신 기반의 광 교차 접속에 이르는 다양한 적용 범위를 갖는다.

파장다중통신의 경우 다수의 파장을 다중화하여 전송하며, 각 파장 별로 그 신호의 세기가 특정 수준 내에서 균일한 크기를 가져야 하나 신호 전달 과정 중 파장 별로 증폭되거나 감소되어 통신 품질의 열화를 가져오므로 가변형 광 감쇄기를 이용하여 각 파장의 신호의 세기를 균일화 시켜줌으로써 통신 품질을 향상시키게 된다.

통상의 가변 광 감쇄기는 광학-기계(Opto-Mechanical)적 광 감쇄기, 미소 전기기계시스템(Micro Electro Mechanical System; MEMS)을 이용한 광 감쇄기, 열광학 광도파로형 광 감쇄기 등이 알려져 있다.

광학-기계적 광 감쇄기는 두 개의 광섬유(Optical fiber)를 좁은 간격으로 이격시키고 그 사이에 가변흡수필터(Variable Absorption Filter)나 차폐막을 기계적으로 움직여 빛의 일부를 흡수 또는 차단하는 방법을 사용하거나 측면이 연마된 두 개의 광섬유를 나란히 정렬하고 광섬유 사이의 간격을 조절함으로써 투과되는 빛의 세기를 변화시키는 방법을 사용한다. 그러나, 이러한 광학-기계적 광 감쇄기는 광 감쇄 범위가 50dB 이상이며 삽입손실(Insertion loss)이 작고 0.1dB의 선형성을 갖는 등 좋은 특성을 갖는 반면에, 소자의 부피가 크고 동작 속도가 초단위로 느린 단점이 있다.

미소전기기계시스템(MEMS)으로 제작된 광 감쇄기는 광학-기계적 광 감쇄기의 우수한 동작 특성을 공유하면서 동시에 동작 속도가 마이크로초 단위로 매우 빠르고 동작전력이 적다. 그러나, 다른 광도파로 소자와의 집적이 어려운 것이 단점이다.

열광학 가변 광 감쇄기는 열광학 광변조기(Thermo-optic modulator)나 열광 학 스위치(Thermo-optic switch)의 동작 특성을 이용하여 구현되고 집적 광회로에 사용이 가능하다. 지금까지 실리카(Silica)나 폴리머(Polymer)를 이용한 열광학 가변 광 감쇄기는, 밀리초의 동작속도, 편광무의존성(Polarization independence), 수백 mW 이하의 전력으로 광 감쇄도를 정밀하게 조절할 수 있는 기능을 나타내고 있다.

그러나, 이러한 평면도파로 가변형 광 감쇄기는 저가이며, 소모 전력이 낮은 장점이 있으나, 광섬유 연결시 큰 손실을 갖으며, 편광 의존 손실이 크다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광섬유와 동일한 재료인 실리카 광도파로에 폴리머를 손실과 재현성 등이 우수하고 응답속도가 빠르고 소비전력이 낮은 폴리머 직선형 구조의 열광학 가변 광 감쇄기를 제공하는 것이다. 또한, 다채널 어레이 구조를 형성하기 용이하고, 소자의 크기를 최소로 할 수 있는 열광학 가변 광 감쇄기를 제공하는 목적이 있다.

또한, 광 감쇄 비율과 소비전력 및 구동온도를 용이하게 제어할 수 있으면서 집적화가 가능한 열광학 가변 광 감쇄기를 제공하는 것이다.

이때, 상기 트렌치(52)는, 상기 코어(30)의 하부에 형성된 클래드에 상기 폴리머(50)가 일정 부분 삽입되도록 형성되고, 상기 폴리머(50)는, 상기 코어(30)의 상부에 형성된 클래드와 상기 히터(60) 사이에 더 적층되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 폴리머는, 상기 히터(60)의 구동온도 내에서 상기 실리카로 형성된 클래드의 굴절률과 굴절률이 동일하게 되는 전이포인트를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 광섬유와 동일한 재료인 실리카 광도파로에 폴리머를 삽입하여 응답속도가 빠르고 소비전력이 낮은 폴리머와 실리카의 장점을 취한 것으로, 실리카 재료가 모체이기 때문에 실리카 재료를 사용하는 평판형 수동소자에 집적화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 직선형 구조이므로 공정의 용이성과 재현성이 우수하여 다채널 어레이 구조를 형성하기가 쉬우며 최소의 크기로 구현이 가능하다.

한편, 트렌치의 길이, 간격, 개수에 의해 광 감쇄 비율과 소비전력 및 구동온도를 용이하게 제어할 수 있어 신뢰성과 효율성이 크게 향상된 가변 광 감쇄기를 제공하는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 열광학 가변 광 감쇄기를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 열광학 가변 광 감쇄기의 개략적인 구조도이고, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 의한 열광학 가변 광 감쇄기의 제조방법을 설명하기 위한 개요도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 열광학 가변 광 감쇄 기에서 히터의 동작에 따라 코어로 전송되는 광신호를 보인 광섬유의 단면 모식도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 열광학 가변 광 감쇄기에서 히터의 동작에 따라 코어로 전송되는 광신호를 보인 광섬유 길이방향의 모식도이며, 도 5는 본 발명에 의한 열광학 가변 광 감쇄기에서 트렌치와 온도의 변화에 따른 감쇄특성을 보인 그래프이다.

상기 도면의 구성 요소들에 인용부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있으며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 열광학 가변 광 감쇄기는 상기 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 실리카 직선 도파로의 코어(30)가 불연속하도록 1개 또는 다수개 형성된 트렌치(52; trench)와, 상기 트렌치(52)에 삽입되는 폴리머(50)와, 상기 폴리머(50)에 열을 가하기 위한 히터(60)를 포함하여 구성된다.

다시 말해, 상기 실리카 직선 도파로는 공지된 바와 같이 기판(10)과, 실리카로 형성된 클래드(20)와, 상기 클래드(20)를 관통하여 형성되는 코어(30)로 구성된다.

이때, 상기 코어(30)를 통해 전달되는 광신호는 상기 트렌치(52)를 통과하게 되고, 상기 트렌치(52)는 상기 코어(30)의 하부에 형성된 클래드(20)의 일부분에 삽입되도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 트렌치(52)는, 상기 클래드(20)와 폴리머(50)의 굴절률에 따라 다수개 형성될 수 있고, 또한 코어(30)의 길이방향에 해당되는 트렌치(52)의 폭은 다양하게 형성될 수 있다.

상기 폴리머(50)는, 상기 히터(60)의 구동온도 내의 어느 일정한 온도에서 상기 실리카로 형성된 클래드(20)의 굴절률과 동일하도록 형성된다. 이러한 클래드(20)와 폴리머(50)의 굴절률이 동일하게 되는 히터(60)의 구동온도를 이하 본 발명에서 '전이포인트'라 칭한다.
상기 히터(60)는 상기 도 1에 도시된 바와 같이 상기 코어(30)의 상부에 형성된 클래드(20)의 상단에 밀접하게 장착된다.

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또한, 상기 폴리머는, 상기 코어(30)의 상부에 형성된 클래드(20)와 상기 히터(60) 사이에 더 충진된 형태로 형성될 수 있다.

일반적인 광섬유의 코어의 굴절률은 약 1.48이고 클래드의 굴절률은 1.46으로 광섬유를 통과하는 신호는 대부분 코어와 클래드의 경계면에서 전반사가 발생함으로 손실없이 광섬유 내를 통과한다.

한편, 상기 실리카는 일반적으로 온도가 올라감에 따라 굴절률이 상승하고, 반면에 상기 폴리머는 온도가 올라감에 따라 굴절률이 하강한다. 이러한 폴리머ㅇ의 온도 변화에 따른 굴절률의 변화는 -1 Ｘ 10^-4/℃내지 -4 Ｘ 10^-4/℃의 특성을 보이고 있으며, 몇 가지 폴리머를 적당히 혼합하면 폴리머의 굴절률을 조절할 수 있다.

따라서, 트렌치(52)에 삽입될 폴리머의 굴절률은 어떤 굴절률에서도 감쇄특성을 보여주지만, 폴리머 재료의 열광학계수를 고려하면 굴절률이 동일하게 만들 수 있다.

다시 말해, 도 3a에 도시된 바와 같이 트렌치에 삽입된 폴리머 영역에서 히터가 오프(Turn off)상태가 되면 일반적인 광의 도파현상과 같이 폴리머를 투과하여 광이 도파되나, 도 3b에 도시된 바와 같이 히터가 온(Turn on)상태가 되면 폴리머의 굴절률은 하강하고 실리카 클래드의 굴절률은 상승하여, 결국 폴리머가 실리카 클래드의 굴절률보다 낮아지는 온도에서는 실리카 클래드와 폴리머의 굴절률이 반전되면서 광의 도파모드가 폴리머보다 상대적으로 굴절률이 높아진 실리카 클래드로 전이되게 된다.

따라서, 트렌치의 길이와 간격 및 개수에 의해 감쇄비율을 용이하게 제어할 수 있게 된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 열광학 가변 광 감쇄기의 제작 공정을 상기 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 2의 (I)과 같이 공지된 공정에 의한 평판형 광도파로 소자로 기판(10)과, 기판(10)의 상부에 형성된 실리카 클래드(20)와, 상기 클래드(20)를 관통하여 형성된 코어(30)로 실리카 직선 도파로가 형성된다.

그 후 코어(30)의 상부에 포토리소그래피 공정 또는 다이싱 공정방법으로 코어(30)가 불연속하도록(이격되도록) 1개 또는 다수개의 트렌치(52)를 형성한다(II).

그리고 스핀코팅 또는 블레이드 방법으로 트렌치(52)에 음의 열광학계수를 가진 폴리머를 삽입하고, 표면연마공정 또는 플라즈마 식각방법을 이용하여 클래드(20)의 상부에 적층된 폴리머를 연마 또는 식각한다(III).

그 후 식각된 폴리머를 커버하도록 상기 코어(30)가 형성된 상부의 클래드(20)의 상단에 히터(60)를 올려 완성한다.

한편, 상기 트렌치(52)에 삽입되는 폴리머는 평탄화를 조절하여 잔여 폴리머 가 클래드의 상부에 적층되지 않도록 하고, 상기 히터(60)를 올려 놓을 수 있다.

상기 히터(60)는 공지된 구조를 사용한다. 상기 도 4a는 히터에 전원을 인가하지 않는 경우이고, 도 4b는 히터를 100K로 한 상태이고, 도 4c는 히터를 240K로 설정한 상태의 광의 도파모드 모식도이다.

본 발명은 상기 도 5에 도시된 바와 같이, 트렌치 개수를 증가할수록 감쇄특성이 우수함을 알 수 있고, 또한 같은 온도에서 상대적으로 민감하게 감소하는 특성을 보여주고 있어 소비전력을 효과적으로 낮출 수 있게 된다.

한편, 도 5는 폴리머의 굴절률을 열광학계수를 계산하여, 60℃까지 손실의 변화가 거의 없도록 구성한 것으로, 상기 60℃가 후술하는 청구항 3의 전이포인트가 될 것이다. 따라서, 히터를 상기 전이포인트 이상으로 구동하게 되면 광신호가 감쇄되어 광 감쇄기로써 기능하게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 경우에는 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 열광학 가변 광 감쇄기의 개략적인 구조도,

도 2는 본 발명의 일실시 예에 의한 열광학 가변 광 감쇄기의 제조방법을 설명하기 위한 개요도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 열광학 가변 광 감쇄기에서 히터의 동작에 따라 코어로 전송되는 광신호를 보인 광섬유의 단면 모식도,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 열광학 가변 광 감쇄기에서 히터의 동작에 따라 코어로 전송되는 광신호를 보인 광섬유 길이방향의 모식도,

도 5는 본 발명에 의한 열광학 가변 광 감쇄기에서 트렌치와 온도의 변화에 따른 감쇄특성을 보인 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 기판 20: 클래드(실리카)

30: 코어 40: 입력도파로

42: 감쇄부 44: 출력도파로

50: 폴리머 52: 트렌치(trench)

60: 히터(Heater)

Claims

기판(10)과 클래드(20) 및 코어(30)로 형성된 실리카 직선 도파로의 코어(30)가 불연속하도록 형성된 적어도 하나의 트렌치(52; trench)와, 상기 형성된 트렌치(52)에 충만하게 삽입된 음의 열광학계수를 가진 폴리머(50)와, 상기 삽입된 폴리머(50)의 상부를 커버하도록 장착되는 히터(60)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광 감쇄기.
제1항에 있어서,

상기 트렌치(52)는, 상기 코어(30)의 하부에 형성된 클래드에 상기 폴리머(50)가 일정 부분 삽입되도록 형성되고,

상기 폴리머(50)는, 상기 코어(30)의 상부에 형성된 클래드와 상기 히터(60) 사이에 더 적층되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광 감쇄기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 폴리머(50)는, 상기 히터(60)의 구동온도 내에서 상기 실리카로 형성된 클래드의 굴절률과 굴절률이 동일하게 되는 전이포인트를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 열광학 가변 광 감쇄기.