KR100342533B1 - Tunable optical wavelength demultiplexer and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파장 분할 다중화 시스템에 있어서, 기판과; 상기 기판 위에 형성하며, 입력단과 출력단을 가진 주 광도파로와; 상기 기판 위에 형성하며, 일단에는 상기 주 광도파로로부터 분기된 광신호가 입력되는 분기 입력단과, 타단에는 분기 입력단을 통해 입력된 광신호가 출력되는 분기 출력단을 가진 다수개의 분기 광도파로와; 상기 주 광도파로와 각 분기 광도파로의 분기 입력단을 결합하며, 미리 설정된 중심 파장의 광신호만을 결합하는 격자도움형 방향성 결합부를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 파장 가변형 광파장 분할기를 제공한다.The present invention provides a wavelength division multiplexing system comprising: a substrate; A main optical waveguide formed on the substrate and having an input end and an output end; A plurality of branched optical waveguides formed on the substrate and having a branched input terminal at one end to which an optical signal branched from the main optical waveguide is input, and a branched output terminal at the other end to output an optical signal inputted through the branched input terminal; It provides a wavelength tunable optical wavelength divider which combines the main optical waveguide and the branch input terminal of each branch optical waveguide, and comprises a lattice-shaped directional coupling unit for combining only the optical signal of a predetermined center wavelength.
Description
본 발명은 파장 분할 다중화 광통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 파장 가변형 광파장 분할기에 관한 것이다.The present invention relates to a wavelength division multiplexing optical communication system, and more particularly, to a wavelength tunable optical wavelength divider.
파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 광통신 시스템은 다수 채널의 광 신호를 하나의 광섬유를 통해 전송함으로써 초고속, 대용량 정보 전송을 가능케 하고 있다. 상기 파장 분할 다중화 시스템은 다수 채널의 광 신호를 하나의 광섬유에 다중화하기 위한 광 파장 분할 다중화기와, 다중화된 광 신호를 다시 다수 채널의 광신호로 분리해 내기 위한 광 파장 분할기(광 파장 분할 역다중화기)를 구비한다.Wavelength Division Multiplexing (WDM) optical communication systems enable high-speed, high-capacity information transmission by transmitting multiple-channel optical signals over a single fiber. The wavelength division multiplexing system includes an optical wavelength division multiplexer for multiplexing an optical signal of a plurality of channels to a single optical fiber, and an optical wavelength splitter for separating the multiplexed optical signal into an optical signal of a plurality of channels (optical wavelength division demultiplexer). ).
상기 광 파장 분할기는 박막 필터(Thin film filter), 양각 격자(Relief grating), 패브리-페롯 공진기(Fabry-Perot resonator) 및 평면 도파로열 격자(Planar Arrayed Waveguide Grating) 등을 이용한 광 파장 분할기가 널리 적용되고 있다.The optical wavelength splitter is widely applied by an optical wavelength splitter using a thin film filter, relief grating, fabric-perot resonator, and planar arrayed waveguide grating. It is becoming.
도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 1×2 광파장 분할기를 나타낸 사시도이고, 도 2는 종래 기술의 실시예에 따른 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도이며, 도 3은 종래 기술의 실시예에 따른 광파장 분할기에 의한 광파장 분할 과정을 나타낸 도면이다.1 is a perspective view illustrating a 1 × 2 optical wavelength divider according to an exemplary embodiment of the prior art, FIG. 2 is a plan view illustrating a 1 × N optical wavelength divider according to an exemplary embodiment of the prior art, and FIG. A diagram illustrating an optical wavelength division process by an optical wavelength divider.
종래의 광파장 분할기는 하나의 기판 위에 광도파로를 배열하여 광소자를 구성하는 트리(tree) 구조의 평면 도파 회로(Planar Lightwave Circuit, PLC) 형태로구성된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 분기 영역(D)과 평행 영역(P)을 가진 1×2 광파워 분할기(10)를 캐스케이드(cascade) 형태로 접속하여, 도 2에 도시된 바와 같은 1×N 광파워 분할기를 형성하고, 상기 1×N 광파워 분할기의 폴리싱된 각 출력단에 상이한 중심 파장을 갖는 다층 박막 형태의 광파장 필터(22)를 부착함으로써 광파장 분할기(20)가 제조되었다.The conventional optical wavelength splitter is configured in the form of a planar lightwave circuit (PLC) of a tree structure in which an optical waveguide is arranged on one substrate to form an optical device. That is, as shown in FIG. 1, a 1 × 2 optical power splitter 10 having a branched area D and a parallel area P is connected in a cascade form, thereby connecting 1 × as shown in FIG. 2. The optical wavelength divider 20 was manufactured by forming an N optical power divider and attaching an optical wavelength filter 22 in the form of a multilayer thin film having a different center wavelength to each polished output end of the 1 × N optical power divider.
상기와 같이 제조된 광파장 분할기(20)에 입력된 광은 첫 번째 단의 1×2 광파워 분할기에 의해 광파워가 반으로 나뉘어져 두 번째 단으로 입력되고, 두 번째 단에 입력된 광은 다시 각각 광파워가 반으로 나뉘어져 세 번쩨 단으로 입력되는 방식으로, N개의 출력단에 균일한 광파워로 나뉘어져 입사된 광은 각 출력단에 부착된 광파장 필터(22)에 의해 도 3에 도시된 바와 같이 필터링되어 특정 파장의 광신호만이 출력단을 통해 출력된다.The light input to the optical wavelength divider 20 manufactured as described above is split into half by the 1 × 2 optical power divider of the first stage, and is input to the second stage, and the light input to the second stage is again respectively. In such a way that the optical power is divided in half and input into the third stage, the light incident and divided into uniform optical power at the N output stages is filtered as shown in FIG. 3 by an optical wavelength filter 22 attached to each output stage. Only an optical signal of a specific wavelength is output through the output terminal.
한편, 상기 광파장 분할기의 분기각(θ)은 1도 미만의 작은 값을 가진다. 이는 상기 분기각(θ)이 클 경우 광신호의 휨 손실(bending loss)이 발생하거나, 다음 단 분기점에서 광이 한쪽 방향으로 치우치는 현상이 발생되어 광파워의 1:1 균등 분할이 이루어지지 않기 때문이다.On the other hand, the branch angle θ of the optical wavelength divider has a small value of less than 1 degree. This is because when the divergence angle θ is large, bending loss of the optical signal occurs, or light is shifted in one direction at the next branch point, thereby preventing 1: 1 equal division of optical power. to be.
그러나, 상술한 바와 같이 종래의 트리 구조의 광파장 분할기(20)는 각 단의 분기각이 1도 미만으로 매우 작아야 하므로 소자의 길이가 매우 길어져 기판을 제작하는 공정이 까다롭다. 또한, 종래의 광파장 분할기(20)는 출력단에 부착된 다층 박막 형태의 광파장 필터를 이용하여 파장 분할이 이루어지므므로 파장 가변성이 없어 특정 파장의 광신호 밖에 분리할 수 없는 한계를 가지고 있으며, 출력된 신호가 입력된 각 파장 광신호의 1/N의 광 파워를 가지므로 광손실이 매우 큰 문제점이 있었다.However, as described above, in the conventional tree structured optical wavelength divider 20, the branch angle of each stage should be very small, less than 1 degree, so that the length of the device is very long, which makes the process of manufacturing a substrate difficult. In addition, the conventional optical wavelength splitter 20 has a limit that cannot be separated only by an optical signal having a specific wavelength because wavelength division is performed by using an optical wavelength filter of a multilayer thin film type attached to an output terminal. Since the signal has an optical power of 1 / N of each wavelength optical signal inputted, there is a problem in that the optical loss is very large.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 소자의 길이는 줄이면서도 균일한 출력 파워를 얻을 수 있는 파장 가변형 광파장 분할기를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a tunable optical wavelength divider capable of obtaining a uniform output power while reducing the length of the device.
본 발명의 다른 목적은 출력 광신호의 손실은 작고 제조 공정이 간단한 파장 가변형 광파장 분할기를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a wavelength tunable optical wavelength divider having a small loss of an output optical signal and a simple manufacturing process.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 파장 분할 다중화 시스템에 있어서, 기판과; 상기 기판 위에 형성하며, 입력단과 출력단을 가진 주 광도파로와; 상기 기판 위에 형성하며, 일단에는 상기 주 광도파로로부터 분기된 광신호가 입력되는 분기 입력단과, 타단에는 분기 입력단을 통해 입력된 광신호가 출력되는 분기 출력단을 가진 다수개의 분기 광도파로와; 상기 주 광도파로와 각 분기 광도파로의 분기 입력단을 결합하며, 미리 설정된 중심 파장의 광신호만을 결합하는 격자도움형 방향성 결합부를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 파장 가변형 광파장 분할기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a wavelength division multiplexing system comprising: a substrate; A main optical waveguide formed on the substrate and having an input end and an output end; A plurality of branched optical waveguides formed on the substrate and having a branched input terminal at one end to which an optical signal branched from the main optical waveguide is input, and a branched output terminal at the other end to output an optical signal inputted through the branched input terminal; It provides a wavelength tunable optical wavelength divider which combines the main optical waveguide and the branch input terminal of each branch optical waveguide, and comprises a lattice-shaped directional coupling unit for combining only the optical signal of a predetermined center wavelength.
도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 1×2 광파장 분할기를 나타낸 사시도,1 is a perspective view illustrating a 1 × 2 light wavelength divider according to a prior art embodiment;
도 2는 종래 기술의 실시예에 따른 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도,2 is a plan view illustrating a 1 × N optical wavelength divider according to an embodiment of the prior art;
도 3은 종래 기술의 실시예에 따른 광파장 분할기에 의한 광파장 분할 과정을 나타낸 도면,3 is a view showing an optical wavelength division process by an optical wavelength divider according to an embodiment of the prior art;
도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도,4 is a plan view showing a 1 × N optical wavelength divider according to a first embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도,5 is a plan view illustrating a 1 × N optical wavelength divider according to a second preferred embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 반원형 광도파로에 배치된 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도,6 is a plan view showing a 1 × N optical wavelength divider disposed in a semi-circular optical waveguide according to a third preferred embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 바람직한 제4실시예에 따른 반원형 광도파로에 배치된 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도,7 is a plan view illustrating a 1 × N optical wavelength divider disposed in a semi-circular optical waveguide according to a fourth preferred embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 구성도,Figure 8 is a block diagram of a lattice help type directional coupling according to a preferred embodiment of the present invention,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 작동 원리를 나타내기 위한 평면도,9 is a plan view for showing the principle of operation of the lattice-shaped directional coupling according to a preferred embodiment of the present invention,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 단면도,10 is a cross-sectional view of the lattice-shaped directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention;
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부에서의 두 채널도파로의 유효 굴절율을 비교한 그래프,11 is a graph comparing effective refractive indices of two channel waveguides in a lattice assisted directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention;
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부에서의 두 채널도파로간 위상 정합에 따른 필터 동작 특성을 나타낸 그래프,12 is a graph showing filter operation characteristics according to phase matching between two channel waveguides in a grating assist directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention;
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 중심 파장 가변 특성을 나타내기 위한 평면도,FIG. 13 is a plan view for showing a center wavelength tunable characteristic of a lattice assisted directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention; FIG.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 전극을 나타낸 도면,14 is a view showing the electrode of the lattice help type directional coupling according to a preferred embodiment of the present invention,
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 중심 파장 가변 특성을 나타내기 위한 단면도,15 is a cross-sectional view for showing a center wavelength variable characteristic of the lattice assisted directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention;
도 16은 본 발명의 격자도움형 방향성 결합부에서 전극에 가해진 인가전류에 따른 매질의 굴절율 변화를 나타낸 그래프,FIG. 16 is a graph showing a change in refractive index of a medium according to an applied current applied to an electrode in a lattice-shaped directional coupling part of the present invention;
도 17은 본 발명의 격자도움형 방향성 결합부에서 두 채널 도파로간의 유효굴절율 변화에 의한 중심 파장의 변화를 나타낸 그래프.FIG. 17 is a graph showing the change of the center wavelength due to the change in effective refractive index between two channel waveguides in the lattice assisted directional coupler of the present invention. FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명은 기판과, 상기 기판에 형성한 주 광도파로와, 상기 주 광도파로와 격자도움형 방향성 결합부에 의해 접속된 N-1개의 분기 광도파로로 이루어진 스타(star) 구조의 1×N 광파장 분할기를 제공한다. 상기 기판으로는 실리콘 웨이퍼 혹은 화합물 반도체 웨이퍼를 사용하며, 상기 주 광도파로와 분기 광도파로는 다층 폴리머 박막, 다층 실리카 박막 또는 다층 화합물 반도체 박막으로 형성한다.The present invention provides a 1 × N optical wavelength having a star structure consisting of a substrate, a main optical waveguide formed on the substrate, and N-1 branched optical waveguides connected by the main optical waveguide and the lattice assist directional coupling portion. Provide a divider. A silicon wafer or a compound semiconductor wafer is used as the substrate, and the main optical waveguide and the branch optical waveguide are formed of a multilayer polymer thin film, a multilayer silica thin film, or a multilayer compound semiconductor thin film.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 1×N 광파장 분할기(1000)는 직선형 주 광도파로(100)와, 일단이 상기 주 광도파로(100)의 일측에 순차적으로 배열된 다수개의 분기 광도파로(200)와, 상기 다수개의 분기 광도파로(200)의 일단과 주 광도파로(100)를 결합하여 미리 설정된 파장의 광신호만을 분기시키는 다수개의 격자도움형 방향성 결합부(300)로 구성된다.4 is a plan view illustrating a 1 × N optical wavelength divider according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the 1 × N optical wavelength divider 1000 according to the first exemplary embodiment of the present invention is a linear main optical waveguide 100 and one end thereof is sequentially arranged on one side of the main optical waveguide 100. A plurality of grating assist directional coupling units for coupling only one of the plurality of branched optical waveguides 200, one end of the plurality of branched optical waveguides 200, and the main optical waveguide 100 to branch only an optical signal having a predetermined wavelength ( 300).
상기 주 광도파로(100)는 다중화된 광신호가 입력되는 입력단과, 각 분기 광도파로로 분기되고 난 잔여 광신호가 출력되는 출력단을 가진다. 상기 분기 광도파로(200)는 일단에 상기 주 광도파로로부터 분기된 광신호가 입력되는 분기 입력단과, 상기 분기 입력단과 연결된 사선 광도파로부(210)와, 타단에는 사선 광도파로부를 통과한 광신호가 출력되는 분기 출력단을 가진다.The main optical waveguide 100 has an input terminal to which a multiplexed optical signal is input and an output terminal to output a residual optical signal branched to each branch optical waveguide. The branch optical waveguide 200 outputs a branch input terminal through which an optical signal branched from the main optical waveguide is input at one end, an oblique optical waveguide unit 210 connected to the branch input terminal, and an optical signal passing through the diagonal optical waveguide unit at the other end thereof. Has a branch output stage.
상기 주 광도파로와 분기 광도파로의 사선 광도파로부가 이루는 분기각은 산란 손실이 허용되는 수준에서는 종래의 1×N 광파장 분할기의 분기각보다 크게 형성할 수 있다. 왜냐하면, 본 발명의 1×N 광파장 분할기는 종래의 1×N 광파장 분할기와는 달리, 하나의 분기 광도파로의 다음 단에 새로운 분기단이 없기 때문에 광파의 동위상면 진행 방향을 사선 광도파로 진행방향과 일치시킬 필요가 없기 때문이다.The divergence angle formed by the diagonal optical waveguide portion of the main optical waveguide and the branch optical waveguide may be larger than the divergence angle of the conventional 1 × N optical wavelength divider at a level where scattering loss is allowed. Because the 1 × N optical wavelength divider of the present invention is different from the conventional 1 × N optical wavelength divider, since there is no new branching end in one branch optical waveguide, the in-phase propagation direction of the light wave is different from the diagonal waveguide propagation direction. It does not need to match.
상기 격자도움형 방향성 결합부(300)는 주 광도파로(100)로부터 특정 파장의 광신호만을 분기 광도파로(200)로 결합시키기 위해 각각의 격자 주기(Λ1~ ΛN)와 결합 길이(L1~ LN)를 가진다. 따라서, 각각의 격자도움형 방향성 결합부(300)는 상기 격자 주기 및 결합 길이에 의해 설정된 중심 파장의 광신호만을 분기 광도파로로 결합시킨다. 본 발명에서 적용되고 있는 격자도움형 방향성 결합부의 구성 및 작동 원리는 후술할 도 8 이하에서 상세히 설명되어질 것이다.The grating assist directional coupler 300 has a grating period Λ 1 to Λ N and a coupling length L to couple only the optical signal of a specific wavelength from the main optical waveguide 100 to the branched optical waveguide 200. 1 to L N ). Accordingly, each grating assist directional coupler 300 couples only the optical signal of the center wavelength set by the grating period and the coupling length into the branched optical waveguide. The configuration and operating principle of the lattice-shaped directional coupling part applied in the present invention will be described in detail later with reference to FIG. 8.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 1×N 광파장 분할기(2000)는 직선형 주 광도파로(100)와, 일단이 상기 주 광도파로(100)의 일측과 타측에 각각 교대로 배열된 다수개의 분기 광도파로(200)와, 상기 다수개의 분기 광도파로(200)의 일단과 주 광도파로(100)를 각각 결합하여 미리 설정된 파장의 광신호만을 분기시키는 다수개의 격자도움형 방향성 결합부(300)로 구성된다.5 is a plan view illustrating a 1 × N optical wavelength divider according to a second exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the 1 × N optical wavelength divider 2000 according to the second exemplary embodiment of the present invention includes a linear main optical waveguide 100 and one end of each of the main optical waveguides 100 on one side and the other side of the main optical waveguide 100. A plurality of lattice assist types that alternately arrange a plurality of branched optical waveguides 200, one end of the plurality of branched optical waveguides 200, and a main optical waveguide 100, respectively, to branch only an optical signal having a predetermined wavelength. It consists of a directional coupling portion 300.
본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 1×N 광파장 분할기(2000)는 도 4에도시된 1×N 광파장 분할기(1000)와는 달리 분기 광도파로(200)를 주 광도파로의 일측과 타측에 번갈아 배치함으로써, 첫 번째 격자도움형 방향성 결합부가 설치된 분기 광도파로의 분기 출력단과 주 광도파로의 출력단 사이의 거리가 1/2로 줄어들며, 그에 따라 광파장 분할기를 보다 소형화할 수 있다.Unlike the 1 × N optical wavelength divider 1000 illustrated in FIG. 4, the 1 × N optical wavelength divider 2000 according to the second embodiment of the present invention alternately divides the branched optical waveguide 200 into one side and the other side of the main optical waveguide. By arranging, the distance between the branch output end of the branched optical waveguide provided with the first grating assist directional coupler and the output end of the main optical waveguide is reduced to 1/2, thereby making the optical wavelength divider more compact.
한편, 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 1×N 광파장 분할기는 모두 주 광도파로가 직선형이다. 그런데, 광파장 분할기의 제조에 사용되는 기판의 모양은 대부분 원형이므로, 분기 광도파로의 개수가 많아질 경우 단위소자 길이가 길어져 원형 기판의 가장자리를 활용하기가 용이하지 않다. 따라서, 후술할 본 발명의 다른 실시예들에서는 원형 기판을 효율적으로 활용할 수 있는 실시예들을 제시한다.On the other hand, in the 1xN optical wavelength divider according to the first and second embodiments of the present invention, the main optical waveguide is linear. However, since the shape of the substrate used in the manufacture of the optical wavelength divider is mostly circular, when the number of branch optical waveguides increases, the length of the unit element is long, making it difficult to use the edge of the circular substrate. Therefore, other embodiments of the present invention to be described later suggest embodiments that can effectively utilize the circular substrate.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 반원형 광도파로에 배치된 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 1×N 광파장 분할기(3000)는, 원형 기판(300)과, 상기 원형 기판(300)에 형성한 반원형 주 광도파로(400)와, 일단이 상기 주 광도파로(400)의 일측에 순차적으로 배열된 다수개의 곡선형 분기 광도파로(500)와, 상기 다수개의 분기 광도파로(500)의 일단과 주 광도파로(400)를 결합하여 미리 설정된 파장의 광신호만을 분기시키는 다수개의 격자도움형 방향성 결합부(600)로 구성된다.FIG. 6 is a plan view illustrating a 1 × N optical wavelength divider disposed in a semi-circular optical waveguide according to a third preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the 1 × N optical wavelength divider 3000 according to the third exemplary embodiment of the present invention includes a circular substrate 300 and a semicircular main optical waveguide 400 formed on the circular substrate 300. And a plurality of curved branched optical waveguides 500 having one end sequentially arranged on one side of the main optical waveguide 400, and one end of the plurality of branched optical waveguides 500 and the main optical waveguide 400. It consists of a plurality of grating help directional coupling unit 600 for branching only the optical signal of a predetermined wavelength.
본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 1×N 광파장 분할기(3000)는 원형 기판의 반쪽을 효율적으로 활용하고 있다. 이와 같은 1×N 광파장 분할기(3000)는 입력과 출력이 기판의 같은 면에서 이루어지므로, 제조시 입출력 경면 처리를 한 번만 하면 되는 장점이 있다.The 1 × N optical wavelength divider 3000 according to the third preferred embodiment of the present invention effectively utilizes half of the circular substrate. Since the 1 × N optical wavelength divider 3000 is formed on the same side of the substrate as the input and the output, there is an advantage in that only one input / output mirror treatment is required during manufacturing.
도 7은 본 발명의 바람직한 제4실시예에 따른 반원형 광도파로에 배치된 1×N 광파장 분할기를 나타낸 평면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 1×N 광파장 분할기(4000)는, 원형 기판(300)과, 상기 원형 기판(300)에 형성한 반원형 주 광도파로(400)와, 일단이 상기 주 광도파로(400)의 일측과 타측에 각각 배열된 다수개의 곡선형 분기 광도파로(500)와, 상기 다수개의 분기 광도파로(500)의 일단과 주 광도파로(400)를 결합하여 미리 설정된 파장의 광신호만을 분기시키는 다수개의 격자도움형 방향성 결합부(600)로 구성된다.7 is a plan view illustrating a 1 × N optical wavelength divider disposed in a semi-circular optical waveguide according to a fourth preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the 1 × N optical wavelength divider 4000 according to the third exemplary embodiment of the present invention includes a circular substrate 300 and a semicircular main optical waveguide 400 formed on the circular substrate 300. And a plurality of curved branched optical waveguides 500 having one end arranged on one side and the other side of the main optical waveguide 400, and one end and the main optical waveguide 400 of the plurality of branched optical waveguides 500, respectively. It is composed of a plurality of grating help directional coupling unit 600 to couple only the optical signal of a predetermined wavelength by combining.
본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 1×N 광파장 분할기(4000)는 원형 기판의 보다 효율적인 활용을 위해 본 발명의 제3실시예에 따른 1×N 광파장 분할기(3000)와는 달리, 반원형 주 광도파로(400)의 일측과 타측 양쪽에 각각 분기 광도파로(500)를 형성하고 있다. 상기 1×N 광파장 분할기(4000)는 휨 손실 및 분기 광도파로의 길이에 따른 전파 손실을 고려하여, 주 광도파로의 외측에는 곡률 반경이 크고 길이가 긴 분기 광도파로를 배치하고, 주 광도파로의 내측에는 곡률 반경이 작고 길이가 짧은 분기 광도파로를 배치한다.The 1 × N optical wavelength divider 4000 according to the third preferred embodiment of the present invention is different from the 1 × N optical wavelength divider 3000 according to the third exemplary embodiment of the present invention for more efficient utilization of a circular substrate. Branch optical waveguides 500 are formed on both one side and the other side of the waveguide 400, respectively. The 1 × N optical wavelength divider 4000 considers the bending loss and the propagation loss according to the length of the branched optical waveguide, and arranges the branched optical waveguide having a large radius of curvature and a long length outside the main optical waveguide, Inward, a branch optical waveguide having a small radius of curvature and a short length is disposed.
한편, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 구성도이고, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 작동 원리를 나타내기 위한 평면도이며, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 단면도이다.On the other hand, Figure 8 is a block diagram of the lattice-shaped directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 9 is a plan view showing the operating principle of the lattice-shaped directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention, 10 is a cross-sectional view of the lattice-shaped directional coupling portion according to a preferred embodiment of the present invention.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 주 광도파로(100)에서 분기광도파로(200)로 결합되는 광신호의 중심 파장(λi)은 격자도움형 방향성 결합부(300)의 격자 주기(Λi)에 의해 결정된다. 또한, 격자도움형 방향성 결합부(300)의 격자(310) 위치는 주 광도파로(100)와 분기 광도파로(200), 즉 두 채널도파로(WG a, WG b) 간의 결합 계수 세기에 따라 도 9 및 도 10에서와 같이 분기 광도파로(200, WG b)의 위에 형성할 수도 있고, 주 광도파로(100, WG a)나 분기 광도파로(200, WG b) 주위에 형성할 수도 있다.As shown in FIGS. 8 to 10, the center wavelength λ i of the optical signal coupled from the main optical waveguide 100 to the branched optical waveguide 200 is the lattice period Λ of the lattice assisted directional coupling unit 300. i ) In addition, the position of the grating 310 of the grating assist directional coupling part 300 is determined according to the coupling coefficient strength between the main optical waveguide 100 and the branch optical waveguide 200, that is, the two channel waveguides WG a and WG b. As shown in FIG. 9 and FIG. 10, it may be formed on the branched optical waveguides 200 and WGb, or may be formed around the main optical waveguides 100 and WGa and the branched optical waveguides 200 and WGb.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부에서의 두 채널 도파로의 유효 굴절율을 비교한 그래프이며, 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부에서의 두 채널 도파로간 위상 정합에 따른 필터 동작 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 11 is a graph comparing effective refractive indices of two channel waveguides in a lattice-shaped directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a graph in the lattice-shaped directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention. This is a graph showing filter operation characteristics according to phase matching between two channel waveguides.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부는 <수학식 1>에 나타난 바와 같이 위상 부정합량에 의해 결합 효율이 결정되며, 그에 따라 <수학식 2>, <수학식 3> 및 <수학식 4>와 같이 위상 부정합량, 격자의 주기 및 완전 결합 길이가 결정된다.As shown in Equation 1, the lattice assisted directional coupling unit according to the preferred embodiment of the present invention determines the coupling efficiency by the amount of phase mismatch, and accordingly, Equation 2, Equation 3, and As shown in Equation 4, the amount of phase mismatch, the period of the lattice, and the perfect coupling length are determined.
(여기서, η는 주 광도파로에 입력되는 광신호와 분기 광도파로로 출력되는광신호간의 결합 효율, Ki는 결합 계수, δi는 위상 부정합량에 해당하는 전파 상수 차이, Li는 완전 결합 길이를 각각 나타낸다.)Where η is the coupling efficiency between the optical signal input to the main optical waveguide and the optical signal output to the branch optical waveguide, K i is the coupling coefficient, δ i is the difference in propagation constants corresponding to the amount of phase mismatch, and L i is perfect coupling. Each length is shown.)
(여기서, λ는 중심 파장, Neff,a, Neff,b는 주 광도파로와 분기 광도파로의 유효 굴절율, Λi는 격자의 주기를 각각 나타낸다.)(Where λ represents the center wavelength, N eff, a , N eff, b represents the effective refractive indices of the main and branched optical waveguides, and Λ i represents the period of the grating, respectively.)
도 11 및 <수학식 2>에서 알 수 있는 바와 같이 주 광도파로와 분기 광도파로의 유효 굴절률은 파장 의존성을 가지며, 중심 파장(λi)에서 위상 부정합량(δi)이 0이 되고, 결합 효율(η)은 최대가 된다. 반면, 상기 중심 파장(λi)에서 벗어난 파장에서는 위상 부정합량(δi)이 0이 되지 않으며, 그에 따라 결합 효율(η)은 줄어든다. 이와 같은 원리를 이용하여 본 발명의 격자도움형 방향성 결합부는 도 12에 나타난 바와 같이 결합 효율(η)이 최대가 되는 파장(λi)에 대한 파장 선택성을 갖는 필터로서 작용한다.As can be seen from FIG. 11 and Equation 2, the effective refractive indices of the main optical waveguide and the branched optical waveguide have wavelength dependence, and the phase mismatch amount δ i becomes 0 at the center wavelength λ i , The efficiency η is maximum. On the other hand, at the wavelength outside the center wavelength λ i , the phase mismatch amount δ i does not become zero, and thus the coupling efficiency η decreases. Using this principle, the lattice-shaped directional coupling portion of the present invention functions as a filter having a wavelength selectivity with respect to the wavelength λ i , where the coupling efficiency η is maximum, as shown in FIG. 12.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 중심 파장 가변 특성을 나타내기 위한 평면도이고, 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 전극을 나타낸 도면이며, 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부의 중심 파장 가변 특성을 나타내기 위한 단면도이고, 도 16은 본 발명의 격자도움형 방향성 결합부에서 전극에 가해진 인가전류에 따른 매질의 굴절율 변화를 나타낸 그래프이고, 도 17은 본 발명의 격자도움형 방향성 결합부에서 두 채널 도파로간의 유효굴절율 변화에 의한 중심 파장의 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 13 is a plan view illustrating the central wavelength tunable characteristic of the lattice-shaped directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a view showing an electrode of the lattice-shaped directional coupler according to a preferred embodiment of the present invention. 15 is a cross-sectional view illustrating the central wavelength tunable characteristic of the lattice-shaped directional coupler according to the preferred embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a medium according to an applied current applied to an electrode in the lattice-shaped directional coupler of the present invention. Figure 17 is a graph showing the change in refractive index, Figure 17 is a graph showing the change in the center wavelength due to the change in the effective refractive index between the two channel waveguide in the lattice-shaped directional coupling portion of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자도움형 방향성 결합부는 전극 구조를 이용하여 분기 광도파로에 결합되는 광신호의 중심 파장을 가변시킬 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이 광신호가 전달되는 매질인 주 광도파로나 분기 광도파로의 일측에 전극을 설치한 후 상기 전극을 통해 전류를 인가하면, 인가되는 전류량에 따라 주 광도파로나 분기 광도파로의 굴절율이 변한다. 이와 같이 주 광도파로나분기 광도파로의 굴절율이 변하게 되면, 도 17에 도시된 바와 같이 광도파로 유효 굴절율의 변화에 의해 중심 파장이 이동한다. 즉, 초기 중심 파장인 λ1에서 λ1+Δλ혹은 λ1-Δλ으로 중심 파장이 변한다.The grating assist directional coupling unit according to the preferred embodiment of the present invention may vary the central wavelength of the optical signal coupled to the branch optical waveguide using an electrode structure. As shown in FIG. 16, when an electrode is installed on one side of the main optical waveguide or the branch optical waveguide which is a medium through which the optical signal is transmitted, and current is applied through the electrode, the main optical waveguide or the branch optical waveguide may be The refractive index changes. As described above, when the refractive index of the main optical waveguide or branching optical waveguide is changed, the center wavelength is shifted by the change of the effective waveguide refractive index as shown in FIG. 17. That is, the center wavelength varies by Δλ + λ 1 or λ 1 -Δλ from the initial center wavelength of λ 1.
상술한 바와 같은 전극 구조에 의한 광도파로의 중심 파장 가변 원리를 이용하여 도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이 본 발명의 격자도움형 방향성 결합부는 분기 광도파로(200, WG b)의 분기 입력단에 격자(310)를 형성하며, 주 광도파로(100, WG a) 일측에 전극(E)을 배치한다. 상기 전극(E)을 통해 전류를 인가하면, 상기 주 광도파로(100, WG a)의 유효 굴절율이 변한다. 이어, 상기 주 광도파로(100, WG a)의 유효 굴절율 변화에 의해 격자도움형 방향성 결합부의 중심 파장, 즉 주 광도파로(100, WG a)에서 분기 광도파로(200, WG b)로 결합되는 광신호의 파장이 가변된다.As shown in FIGS. 13 to 15, the grating assist directional coupling portion of the present invention is connected to the branch input terminal of the branched optical waveguide 200 (WG b) using the center wavelength variable principle of the optical waveguide according to the electrode structure described above. The grating 310 is formed, and the electrode E is disposed on one side of the main optical waveguide 100 (WG a). When a current is applied through the electrode E, the effective refractive index of the main optical waveguide 100 (WG a) changes. Subsequently, due to the change in the effective refractive index of the main optical waveguides 100 and WG a, the center wavelengths of the lattice assisted directional coupling units, that is, the main optical waveguides 100 and WG a, are coupled to the branched optical waveguides 200 and WG b. The wavelength of the optical signal is variable.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변형 광파장 분할기의 설계 과정을 순서대로 살펴보면 다음과 같다.Meanwhile, the design process of the tunable optical wavelength divider according to the preferred embodiment of the present invention will be described in order.
1. 격자도움형 방향성 결합부의 형성을 위해 두 채널 도파로의 구조, 즉 굴절율, 폭, 길이를 결정한다.1. Determine the structure of the two-channel waveguide, i.e., refractive index, width, and length, to form the grating help directional coupling.
2. 각 격자도움형 방향성 결합부의 결합 계수와 결합 길이를 결정한다. 이때, 상기 결합 계수가 너무 커지면 격자도움형 방향성 결합부의 파장 대역폭이 넓어지고, 상기 결합 계수가 너무 작으면 결합 길이가 증가하여 소자의 길이가 길어지므로, 주 광도파로와 분기 광도파로 사이의 간격, 격자의 두께 및 위치를 고려하여 최적의 결합 계수를 결정한다.2. Determine the coupling factor and coupling length of each lattice-shaped directional coupling. At this time, if the coupling coefficient is too large, the wavelength bandwidth of the lattice-shaped directional coupling portion is widened, and if the coupling coefficient is too small, the coupling length is increased to increase the length of the device, and thus, the distance between the main optical waveguide and the branch optical waveguide, Considering the thickness and position of the grating, determine the optimum coupling coefficient.
3. 각 격자도움형 방향성 결합부의 전극 구조를 결정한다.3. Determine the electrode structure of each grating assisted directional joint.
4. 주 광도파로 및 분기 광도파로를 배치한다. 이때, 주 광도파로는 유효 굴절율이 높을 것을, 분기 광도파로는 유효 굴절율이 낮은 것을 선택한다. 직선형 주 광도파로의 경우 전파 손실이 작지만, 분기 광도파로의 경우 곡선 부분을 포함하고 있어 유효 굴절율이 높을 경우 전파 손실이 커질 수 있다.4. Arrange the main optical waveguide and branch optical waveguide. At this time, the main optical waveguide has a high effective refractive index, and the branch optical waveguide has a low effective refractive index. Although the propagation loss is small in the case of the linear main optical waveguide, the propagation loss may be increased when the effective refractive index is high because the branch optical waveguide includes a curved portion.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변형 광파장 분할기는 소자의 길이를 짧게 할 수 있으며, 원형 기판을 사용할 경우 원형 기판의 영역을 효율적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.As described above, the wavelength tunable optical splitter according to the embodiment of the present invention can shorten the length of the device, and when the circular substrate is used, the area of the circular substrate can be effectively utilized.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변형 광파장 분할기는 주 광도파로로부터 각각의 다른 파장을 갖는 광신호를 선택하기 위해 이에 대응하는 주기를 갖는 격자와 완전 결합 길이를 가진 격자도움형 방향성 결합부를 사용하므로 출력의 균일성을 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, the wavelength tunable optical splitter according to the embodiment of the present invention uses a lattice assisted directional coupler having a perfect coupling length and a grating having a corresponding period to select optical signals having different wavelengths from the main optical waveguide. Therefore, the uniformity of output can be obtained.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변형 광파장 분할기는 N-1개의 격자도움형 방향성 결합부의 설계만으로 1×N 광파장 분할기를 구성할 수 있으므로, 광파장 분할기의 설계에 소요되는 노력과 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, the wavelength tunable optical wavelength divider according to the embodiment of the present invention can configure the 1 × N optical wavelength divider only by designing the N-1 lattice assisted directional coupling units, thereby reducing the effort and cost for designing the optical wavelength divider. It has an effect.
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