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KR20210023511A - 배열도파로 격자 형태의 파장역다중화 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

배열도파로 격자 형태의 파장역다중화 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20210023511A
KR20210023511A KR1020190103786A KR20190103786A KR20210023511A KR 20210023511 A KR20210023511 A KR 20210023511A KR 1020190103786 A KR1020190103786 A KR 1020190103786A KR 20190103786 A KR20190103786 A KR 20190103786A KR 20210023511 A KR20210023511 A KR 20210023511A
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김형문
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(주)웨이옵틱스
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Abstract

본 발명은 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자는 입력도파로(10)에 연결되는 제1슬라브(20), 상기 제1슬라브(20)에 연결되는 배열도파로(30), 상기 배열도파로(30)에 연결되는 제2슬라브(40), 상기 제2슬라브에 연결되는 출력도파로(50)로 구성된 배열도파로 격자(AWG) 형태의 광분배장치를 포함하며, 코어(core)층(60)과 클래드(clad) 층(70)과의 굴절률 차이 (n)가 적어도 1%인 고굴절률 구조 (n: 적어도 1%)를 가지는 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자에 관한 것이다.

Description

배열도파로 격자 형태의 파장역다중화 소자 및 그 제조방법{WAVELENGTH DEMULTIPLEXER WITH ARRAYED WAVEGUIDE GRATING AND METHODS OF MANUFACTURING}
본 발명은 파장역다중화 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 배열도파로 격자 형태의 파장역다중화 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
인터넷의 대중화로 인하여 대용량의 정보나 데이터의 전송 요구에 의해 대용량 통신이 폭발적으로 증가하고 있고, 최근에는 100Gbps급, 200Gbps급, 또는 그 이상의 광송수신 모듈의 사용을 통한 대용량 비디오 데이터 전송 수요가 증가하고 있다.
이에 따라, 광모듈의 전송 속도가 급격하게 증가하고 있고, 아울러 저가 및 초소형 광 수신기 모듈 구현 기술이 절실하게 요구되고 있다.
이와 같이, 대용량의 데이터를 전송하기 위하여, 다중화(Mux)/역다중화(Demux) 장치를 이용한 다채널 (4채널 또는 그 이상 채널) 광송신 모듈과 광수신 모듈을 사용하게 된다.
파장분할다중화 (WDM:　Wavelength Division Multiplexing) 방식은 단일 코어를 통하여 복수 개(4채널 또는 그 이상 채널)의 광 신호 파장을 동시에 전송하므로, 대용량 고속 전송이 용이하여 많이 사용되고 있다.
WDM 방식은 파장간격에 따라, 약 20nm의 파장간격을 사용하는 CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) 방식과 약 0.8nm이하의 파장간격을 사용하는 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) 방식으로 구별될 수 있다.
특히, CWDM 방식은 O-band (1300nm 대역) 파장대역에서 단거리 대용량 전송으로 데이터 센터에 주로 사용되고 있다.
파장분할다중화 시스템에 있어서 일반적인 배열도파로 격자 (AWG: Arrayed Waveguide Grating) 소자의 경우, 주파수 응답 (spectral response)은 가우시안 (Gaussian) 모양을 가지며, 시스템의 광원인 레이저 다이오드 (LD: Laser Diode)의 주파수 제어를 정확하게 하여야 한다.
이러한 배열도파로 격자 소자를 직렬로 연달아 연결하여 사용하게 되는 경우, 두 개 또는 그 이상의 동일한 가우시안 응답 함수에 대한 주파수 응답의 밴드 폭 (bandwidth)이 점차 협소하게 되어, 레이저 다이오드의 정확한 주파수 제어가 어렵게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 각 채널의 주파수 응답이 평탄하게 (flattened)해야 하며 이를 구현하기 위한 여러 방법들이 시도되었다,
도 1은 일반적인 배열도파로 형태의 파장역다중화 소자를 보여 주고 있다.
첫째는 일본 NTT의 K. Okamoto 에 의해 제안된 방법으로, 도 2와 같이, AWG 소자의 제1 슬라브 도파로에 연결되는 입력도파로에 파라볼릭 혼 (parabolic horn) 도파로를 적용하고, 제2 슬라브 도파로의 출력도파로는 직선 (straight) 도파로를 적용하여 평탄한 주파수 응답 특성을 얻게 하는 것이다.
이때, 입력도파로 와 출력도파로는 단일모드(SM: single mode) 도파로로 형성한다. K. Okamoto 에 의해 제안된 방법은 "Flat spectral response arrayed waveguide grating multiplexer with parabolic waveguide horns", Electron. Lett. 32, pp.1961~1962, (1996)에 상세히 개시되어 있다.
두번째는 도 3과 같이 제1 슬라브 도파로에 연결되는 입력도파로에는 단일모드 (SM: sing mode) 도파로를 형성하고 제2 슬라브 도파로에 연결되는 출력도파로에는 다중모드 (MM: multimode)를 적용하여, 평탄한 주파수 응답 특성을 얻게 하는 방식이다.
세번째는 미국 Bellcore의 M.R.Amersfoort에 의해 제안된 방법으로, 도 4에서와 같이, AWG 소자의 제1 슬라브 도파로에 연결되는 입력도파로에 다중모드 간섭 커플러 (MMI: multimode interference coupler)를 적용하여, 평탄한 주파수 응답 특성을 얻게 하는 것이다. M.R.Amersfoort에 의해 제안된 방법은 "Passband broadening of integrated arrayed waveguide filters using multimode interference couplers", Electron. Lett. 32, pp.449~451, (1996)에 상세히 개시되어 있다.
네번째는 싱크함수 (sinc function) 및 광 도파로열 격자 영역에서의 광경로차 (phase path) length)를 조절하는 것으로, 미국 Lucent Technologies의 Corrado Dragone에 의해 제안된 방법으로 [미국특허번호, 제 5,467,418 호], 제2 슬라브 도파로로 입사하는 빛의 프로파일 (profile)을 싱크함수 (sinc function)의 형상으로 만들어 준다. 제2 슬라브 도파로 내에서의 회절현상은 입사각이 출력면에서 푸리에변환 (Fourier Transform)으로 생각할 수 있으므로, 평탄한 출력 프로파일을 얻기 위하여 입사광의 모양을 원하는 출력의 역 푸리에 변환 (Inverse Fourier Transfer)에 해당되는 싱크함수의 모양을 갖게 하는 것이다.
이러한 방법에 의한 입사광의 모양을 얻기 위해서는 광도파로열 격자의 길이가 부분적으로 반파장에 해당하는 길이만큼 차이 나게 하고, 엔벨로프 (envelope)에 맞추어서 손실을 의도적으로 주어야 한다.
파장분할다중(WDM) 시스템에서 대용량의 데이터 전송을 위하여 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자의 저전력, 소형화, 고속화가 요구되고 있다.
배열도파로격자(AWG: Arrayed Waveguide Gratings) 형태의 파장역다중화 소자의 소형화를 위해서는 광도파로에서 코어층 (core)과 클래드층 (clad)과의 굴절률 차이 (Δn)가 2% 이상인 고굴절률 구조를 형성하는 것이다. 이때, 고굴절률 구조를 통한 소형화의 장점은 있으나, 방사각 (divergence angle)이 증가한다는 단점이 야기되게 된다. 방사각은 개구수 (NA: numerical aperture)로도 표현되며, NA ~ Δn 와 같은 관계가 있으므로, 굴절률차이가 클수록 방사각이 크게 된다.
파장역다중화(Wavelength Demux) 소자의 고속화를 위해서는, 고굴절화 및 수광 포토다이오드 (PD: photo-diode)의 수광부를 소형화하여 커패시턴스(capacitance)를 작게 하여 속도를 높이는 방법이다.
예를 들면, 2.5Gbps ~ 10Gbps급 PD 의 경우, 수광부의 크기는 직경 30um ~ 50um 정도 되므로, 고굴절률 구조의 광도파로에서의 방사각에서도 충분히 광신호를 받아 들이므로 동작 반응도 (R: responsivity, A/W)에 문제가 없다.
그러나, 25Gbps 급 이상의 PD의 경우, 수광부 크기가 직경 20um 이거나 그 이하이므로, 고굴절률 구조의 방사각에서는 광신호를 충분히 받아 들이지 못하여 동작 반응도(responsivity)에 미치지 못하는 경우가 발생하기도 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 여러 방법들이 시도하게 되었으며, 그 중한 방법으로는 PD 칩 뒷면에 렌즈(lens)를 형성하여 광신호를 충분히 받아 들여 동작 반응도(responsivity)를 만족시키는 수광칩을 제작하여 사용하기도 한다.
또 다른 방법은 광전송수단의 광신호가 출력되는 지점에 렌즈(lens)를 형성하여 광신호를 집속시켜서 동작 반응도(responsivity)를 만족케 하는 것이다.
그러나, 이러한 방법들은 추가적인 렌즈(lens)를 형성하게 하는 추가 공정이 필요하게 되어, 수광칩이 크게 되거나, 제작 수율 문제 및 제작 단가가 높아질 수 있는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 특2000-0073473 (공고일자: 2000년 12월05일, 발명의 명칭: 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기, 출원인: 삼성전자주식회사)
따라서 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 배열도파로 격자(AWG) 형태의 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자의 소형화 및 고속화를 구현하여, 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자의 제2 슬라브에 연결되는 출력도파로에 고굴절률 구조 (Δn: 적어도 1%, A 구조)와 저굴절률 구조(B 구조)를 주기적으로 최적 배치함으로써, 동작 반응도 (responsivity)를 만족시키는 방사각(divergence angle)을 구현함과 동시에 저가 소형화 및 고속화를 구현할 수 있는 배열도파로 격자 형태의 파장역다중화 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 한 실시예에 따른 배열도파로 격자(AWG) 형태의 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자는 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자의 제2 슬라브에 연결되는 출력도파로에 고굴절률 구조 (Δn: 적어도 1%)를 적용하되, 출력도파로 특정 영역에 고굴절률 구조(A 구조, x% 길이) 와 저굴절률 구조(B 구조, y% 길이)가 한 주기(A/B 구조, x% + y% =100%)가 되게 형성하며, 여러 주기(A/B 구조)가 되도록 최적 배치하여, 동작 반응도 (responsivity)를 만족시키는 방사각(divergence angle)을 구현함과 동시에 저가 소형화 및 고속화를 구현할 수 있는 배열도파로 격자 형태의 파장역다중화 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자는 입력도파로(10)에 연결되는 제1슬라브(20), 상기 제1슬라브(20)에 연결되는 배열도파로(30), 상기 배열도파로(30)에 연결되는 제2슬라브(40), 상기 제2슬라브에 연결되는 출력도파로(50)로 구성된 배열도파로 격자(AWG) 형태의 광분배장치를 포함하며, 코어(core)층(60)과 클래드(clad) 층(70)과의 굴절률 차이 (n)가 적어도 1%인 고굴절률 구조 (n: 적어도 1%)를 가지도록 한다.
이러한 특징에 따르면, 본 발명의 배열도파로 격자(AWG) 형태의 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자 및 그 제조방법은 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자의 제2 슬라브에 연결되는 출력도파로에 고굴절률 구조 (Δn: 적어도 1% 이상, A 구조, x% 길이)와 저굴절률 구조(B 구조, y% 길이)를 주기적으로 형성하되, x% 와 y% 를 최적화하는 구조로 배치하여, 동작 반응도 (responsivity)를 만족시키는 방사각(divergence angle)을 구현하고, 이로 인하여, 수광 포토다이오드 (PD: photo-diode)의 수광부를 소형화함으로써 고속 전송이 가능한 효과가 있다.
또한, PD 칩 뒷면에 렌즈(lens)가 형성된 수광칩 사용과 비교해 볼 때, PD 칩을 소형화 할 수 있고, lens가 필요 없으므로 제작 단가가 저렴하여, 저가 소형화 및 고속화를 구현할 수 있는 파장역다중화 소자의 제품 경쟁력을 갖는 제품을 제작하기에 용이한 효과가 있다.
도 1은 종래의 실시예로 일반적인 배열도파로 형태를 나타낸 모식도이다.
도 2는 종래의 다른 실시예로 AWG 소자의 제1 슬라브 도파로에 연결되는 입력도파로에 파라볼릭 혼 도파로를 적용한 모식도이다.
도 3은 종래의 또 다른 실시예로 제1 슬라브 도파로에 연결되는 입력도파로에는 단일모드 도파로를 형성하고 제2 슬라브 도파로에 연결되는 출력도파로에는 다중모드를 적용한 모식도이다.
도 4는 종래의 또 다른 실시예에 따른 AWG 소자의 제1 슬라브 도파로에 연결되는 입력도파로에 다중모드 간섭 커플러를 적용한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력도파로에 다중모드 도파로를 형성한 다중모드도파로의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중모드 도파로의 측면 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 다중모드 도파로의 측면 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중모드 도파로의 구성원리를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 다중모드 도파로의 구성원리를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
그러면, 도 5 ~ 도 7을 참고로 하여 본 발명의 배열도파로 격자(AWG) 형태의 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자 및 그 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다.
먼저, 도 5를 참조하면, 배열도파로 격자(AWG) 형태의 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자의 제1 슬라브(20) 도파로에 연결되는 입력 도파로(10)에는 단일모드 (SM: sing mode) 도파로를 형성하고, 제2 슬라브(40)에 연결되는 출력 도파로(50)에는 다중모드 (MM: multimode) 도파로를 형성하며, 코어(core)층(60)과 클래드(clad) 층(70)과의 굴절률 차이 (Δn)가 적어도 1%인 고굴절률 구조 (Δn: 적어도 1%)를 가지게 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구성은, 고굴절률 구조 형성에 있어서, 출력도파로(50) 특정 영역에 고굴절률 구조(A 구조, Δn: 적어도 1%, x% 길이)와 저굴절률 구조(B 구조, Δn: 0%, y% 길이)가 한 주기(A/B 구조, x% + y% =100%)가 되게 형성하며, 본 발명서 한 주기는 50μm 가 되도록 하였으며, 여러 주기(A/B 구조)가 되도록 최적 배치하며, 이러한 여러 주기를 다 합쳐서 1000μm 내지 2000μ가 되도록 구성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 구성은, 고굴절률 구조 형성에 있어서, 출력도파(50)로 특정 영역에 고굴절률 구조(A 구조, Δn: 적어도 1%), 두께(tA)를, x% 길이로 형성하고, 저굴절률 구조(B 구조)의 경우 y% 길이로 하되, 두께를 tA 보다 얇은 tB 로 하여, 고굴절률/저굴절률이 혼합 형태가 되게 하고, 여러 주기(A/B 구조)가 되도록 최적 배치하여 종래의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 배열도파로 격자(AWG) 형태의 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자의 제2 슬라브(40)에 연결되는 출력도파(50)로 끝단은 필요에 따라 8도 절단 모양, 혹은 40 ~ 44도 절단된 모양 등으로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 입력도파로 20: 제1슬라브
30: 배열도파로 40: 제2슬라브
50: 출력도파로 60: 코어층
70: 클래드층

Claims (3)

  1. 입력도파로(10)에 연결되는 제1슬라브(20),
    상기 제1슬라브(20)에 연결되는 배열도파로(30),
    상기 배열도파로(30)에 연결되는 제2슬라브(40),
    상기 제2슬라브에 연결되는 출력도파로(50)로 구성된 배열도파로 격자(AWG) 형태의 광분배장치에 있어서,
    코어(core)층(60)과 클래드(clad) 층(70)과의 굴절률 차이 (Δn)가 적어도 1%인 고굴절률 구조 (Δn: 적어도 1%)를 가지는 것을 특징으로 하는 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    출력도파(50)로 특정 영역에 고굴절률 구조(A 구조, Δn: 적어도 1%), 두께(tA)를, x% 길이로 형성하고, 저굴절률 구조(B 구조)의 경우 y% 길이로 하되, 두께를 tA 보다 얇은 tB 로 하여, 고굴절률/저굴절률이 혼합 형태가 되게 하고 것을 특징으로 하는 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    제2 슬라브에 연결되는 출력도파(50)로의 끝단은 8도, 혹은 40 내지 44도로 절단된 형상인 것을 특징으로 하는 파장역다중화(Wavelength Demux) 소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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KR20000073473A (ko) 1999-05-11 2000-12-05 윤종용 평탄한 주파수 응답을 가진 저손실 광파장 분할기

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PE0601 Decision on rejection of patent

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Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20210119

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I