파장 가변 광송신 모듈

파장 가변 광송신 모듈{Tunable wavelength optical transmission module}

도 1은 파장분할다중화 방식 수동 광가입자망의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 의한 파장가변원리를 설명하기 위한 광송신모듈의 기본구성도이다.

도 3은 브래그격자의 구조를 나타낸 블럭도이다.

도 4는 폴리머 물질에 대한 온도대비 굴절율 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 제1실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 구조를 나타낸 구성도이다.

도 6은 본 발명의 제1실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 다른 구성을 보인 도면이다.

도 7은 본 발명의 제2실시형태에 의한 파장가변 원리를 설명하기 위한 구조도이다.

도 8은 상기 도 7의 AB 절단면을 보인 수직 단면도이다.

도 9의 (a),(b)는 상기 도 8에서 CD 라인의 열광학계수 및 굴절율 분포를 나타낸 그래프이다.

도 10은 도 7의 구조에 있어서 히터의 온도변화에 따른 브래그격자의 반사스펙트럼도이다.

도 11은 본 발명의 제2실시형태에 의한 파장가변 광송신 모듈의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 12는 도 11에 보인 파장가변 광송신모듈에 있어서, 온도변화에 의한 브래그격자에서의 반사스펙트럼 변화를 나타낸 그래프이다.

도 13은 본 발명의 제2실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 다른 구조를 나타낸 단면도이다.

도 14는 상기 도 13에 보인 파장가변 광송신모듈에서의 온도증가에 따른 반사스펙트럼 변화를 나타낸 그래프이다.

도 15는 위상조절수단이 포함된 본 발명의 제2실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 구성도이다.

도 16의 (a) 및 (b)는 SiO ₂ 와 SiN의 온도대비 굴절율 변화 및 열광학계수를 나타낸 그래프이다.

도 17은 본 발명의 제3실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 기본 구조를 설명하는 도면이다.

도 18은 도 17에 보인 파장가변 광송신모듈의 AB절단면의 단면도이다.

도 19는 도 17에 보인 파장가변 광송신모듈의 변형예를 나타낸 도면이다.

도 20은 도 17에 보인 파장가변 광송신모듈의 다른 변형예를 나타낸 도면이다.

도 21은 본 발명의 제3실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 다른 구조를 나타낸 단면도이다.

도 22는 도 21에 보인 파장가변 광송신모듈의 AB 단면도이다.

도 23은 위상조절수단을 구비한 본 발명의 제3실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈을 나타낸 도면이다.

도 24는 본 발명에 의한 파장가변 광송신모듈의 광섬유와의 결합 구조를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

51,61,72 : 레이저다이오드 52,55, 62,66 : 광스위치

53,54,63,64,65 : 도파로 53a,54a,63a,64a,65a : 브래그격자

53b,54b,63b,64b,65b : 히터 71 : 기판

73 : 도파로 77,79,81,96 : 브래그격자

78,80,82,99 : 히터 83,100 : 위상조절수단

91,91' : 제1도파로(SiO ₂ ) 95 : 제2도파로(SiN)

본 발명은 파장분할다중화방식 수동 광가입자망의 광종단장치에 사용되는 파장가변 광송신 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 넓은 파장 영역에서 파장가 변이 가능하면서, 저가로 구현 가능한 파장가변 광송신 모듈에 관한 것이다.

최근 들어, 디지털 그루브 서비스가 확대됨에 따라서, 가입자당 대략 100Mbps의 대역폭이 요구될 것으로서 전망되고 있으며, 이에 따라서, 50Mbps 이상의 대역폭을 제공할 수 없는 기존의 통신방식, 예를 들어, DSL 방식 및 케이블 방식을 대신하여 100Mbps의 대역폭을 제공할 수 있는 FTTH(Fiber to the home)이 제안되었다. 상기 FTTH는 각 가입자 집앞까지 광섬유를 부설하여 전화, 팩스, 데이터, TV영상까지를 모두 하나의 광섬유로 전송토록 한 가입자망을 말한다. 상기 FTTH을 실현하기 위해서는, 가입자수가 증가되더라도 광섬유의 포설 규모를 크게 증가하지 않은 상태에서 수용할 수 있으면서, 가입자에게까지 광섬유를 연결하는데 따른 비용이 저렴하여야 한다는 조건을 충족해야 한다.

이러한 조건을 만족하는 FTTH를 구현한 광가입자망으로서, 파장분할다중화방식 수동 광가입자망(Wavelength Division multiplexing-passive optical network, 이하 WDM-PON이라한다)을 들 수 있는데, 이는 한 가닥의 광섬유에 복수의 광파장을 다중화하여 송출하기 때문에, 광파장의 수만큼의 가입자를 하나의 광선로에 수용할 수 있고, 그 결과 선로 비용 절감 및 헤드-엔드에서의 집중 운용 관리에 의한 비용절감이 가능해진다. 더불어, 가입자별로 각각 서로 다른 파장의 광채널 할당에 의해 가입자 트래픽을 분리하기 때문에, 보안 및 프로토콜 투명성 측면에서 강점을 갖는다.

상기 WDM-PON의 특성 및 비용에 가장 큰 영향을 미치는 구성요소로서, 가입자측에 설치되는 광망종단장치(Optical network terminal, 이하 ONT라 함)의 파장가변가능한 광원을 들 수 있다.

기존의 파장 가변 광원은 예를 들어, InP 기판상에 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier, SOA)와, 전자 흡수 변조기(electro-absorption modulator, EA)등을 집적하여 하나의 칩으로 구현한 것으로서, 서로 다른 기능을 수행하는 소자를 하나의 기판에 집적함으로서 소자의 크기를 줄일 수는 있었으나, 가격을 결정짓는 소자의 수율이 매우 낮고, 원하는 파장을 얻기 위하여 제어해야 하는 부분이 많아 고가의 40-pin 버터플라이 타입(butterfly type)의 패키지를 사용하여야 하기 때문에, 가격이 비싸다는 단점이 있다.

다른 예로서, 집적형 구조가 아닌 개별소자를 능동정렬 방식을 이용하여 제작된 파장가변 LD가 있으나, 이는 개별소자를 능동정렬하기 때문에, 패키지 가격이 높아지고, 집적화가 안되어 기계적/열적 안정성이 떨어진다는 문제점이 있다.

이와 같이, 장거리 통신망 운용에서 요구되는 파장가변 LD의 규격은 기본적으로 DFB-LD 소자의 광학/기계적/열적 특성에 C-밴드의 파장가변 특성이 결합된 것이기 때문에, 대량생산 및 저가형이 요구되는 광가입자망용으로는 적합하지 않다.

따라서, 광가입자망의 ONT에 적합한, 대량생산이 가능한 저가형의 광송신모 듈에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 C 밴드의 넓은 파장 영역에서 파장가변이 가능하면서, 저가로 구현 가능한 파장가변 광송신 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제조단계가 아니 설치시 파장을 세팅하여, 재고 문제를 해결할 수 있는 파장가변 광송신 모듈을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 파장가변 광송신 모듈은, 광을 생성하여 소정 방향으로 출력하는 레이저다이오드; 상기 레이저다이오드로부터 출력된 광신호를 복수의 광경로로 선택분배하는 제1광스위치; 상기 제1광스위치의 복수의 출력 경로상에 각각 결합되는 복수의 평판형 도파로; 서로 다른 격자주기를 갖고 상호 병렬로 배치되도록, 상기 복수의 평판형 도파로상에 각각 형성되어, 해당 평판형 도파로를 통과하는 광신호의 파장을 가변하는 복수의 브래그 격자; 상기 복수의 평판형 도파로 상의 각 브래그격자와 대향하는 위치에 형성되어, 열광학효과에 의해 해당 브래그 격자의 반사도 및 반사 대역을 조정하는 다수의 히터; 및 상기 복수의 평판형 도파로를 통해 파장가변된 광신호중 하나를 선택 출력하는 제2광스위치를 포함하여 이루어진다.

상기 본 발명의 제1 실시형태에 의한 파장 가변 광 송신 모듈에 있어서, 제1,2광스위치는 광도파로 타입인 것이 바람직하며, 이에 파장 가변 광 송신 모듈을 하나의 PLC 플랫폼상에 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 파장 가변 광송신 모듈은, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 구성수단으로서, 광을 생성하여 소정 방향으로 출력하는 레이저다이오드; 상기 레이저다이오드로부터 출력된 광이 입사되는 평판형 도파로; 서로 다른 격자주기를 갖고 상호 직렬로 배치되도록 상기 평판형 도파로에 형성되어, 해당 평판형 도파로를 통과하는 광신호의 파장을 가변하는 다수의 브래그 격자; 상기 평판형 도파로의 상기 다수 브래그 격자 각각의 상부에 형성되어, 열광학 효과에 의하여 상기 브래그격자의 반사도 및 반사 대역을 변화시키는 다수의 히터를 포함하여 이루어진다.

상기의 파장 가변 광송신모듈에 있어서, 브래그 격자가 형성되는 평판형 도파로는 폴리머 물질로 이루어지며, 상기 평판형 도파로에 형성된 복수의 브래그격자는 열광학계수와 굴절율이

혹은

(여기서,

또한, 본 발명에 의한 파장 가변 광송신 모듈은 상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 구성수단으로서, 광을 생성하여 소정 방향으로 출력하는 레이저다이오드; 상기 레이저다이오드로부터 출력된 광이 입사되고, SiO ₂ 로 형성된 제1 도파로; 상기 제1 도파로의 내부에 형성되며 SiN으로 이루어진 제2도파로; 상기 제2도파로 상에 직렬로 형성되며 각각 서로 다른 격자주기로 형성되어 광신호의 파장을 가변시키는 다수의 브래그 격자; 상기 제1도파로 상부의 상기 다수 브래그 격자에 대향하는 위치에 각각 형성되어, 열광학 효과에 의하여 각 브래그격자의 동작파장을 변화시키는 다수의 히터를 포함한다.

상기 파장 가변 광 송신 모듈에 있어서, 상기 제2 도파로는 양단 또는 광이 입사되는 방향의 한쪽 단부에 단부방향으로 선폭이 좁아지는 커플링영역을 구비하여, 광결합효율을 높이는 것이 바람직하다.

또한, 상기 파장 가변 광송신 모듈에 있어서, 상기 제2도파로 하부에 위치한 제1도파로 소정 영역을 제거하여, 제1도파로를 통한 광전달을 저지함으로서, 제1도파로를 그대로 투과한 광에 의한 간섭현상을 최소화하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 파장 가변 광송신 모듈에 있어서, 상기 상기 제1 도파로는 하부클래드층과, 상기 하부클래드층의 상부에 소정 폭으로 형성된 코어층과, 상기 코어층의 상부를 커버하는 상부클래드층으로 이루어진 채널 도파로이며, 이때, 제2도파로는 상기 제1도파로의 코어층으로부터 소정 높이 위의 상부클래드층 내에 위치하 거나, 제1도파로의 코어층내에 위치할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명에 의한 파장 가변 광 송신 모듈은 열광학 효과에 의하여 도파로의 모드조건을 가변시켜 미세 파장 조절을 수행하는 위상 조절 수단을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 파장 가변 광송신모듈은 광이 출력되는 도파로의 끝단에 광섬유를 결합할 수 있도록 V-그루브를 형성하여, 수동정렬방식을 구현함으로서 비용절감효과를 높일 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 의한 파장 가변 광송신모듈이 적용되는 광가입자망의 일반적인 구조를 보인 것이다. 광가입자망은 중앙국(central office)에서 가입자단의 사이에 능동소자를 포함하지 않는 수동광가입자망(Passive optical network) 구조를 갖는다. 도 1을 참조하면, 중앙국측에는 광선로종단장치(Optical line terminal, 이하 OLT라 한다)가 구비되고, 가입자단에는 광망종단장치(Optical network terminal, 이하 ONT라 한다)가 구비된다.

상기 OLT의 광송신모듈(11)은 각각 서로 다른 파장의 광신호를 출력하는 외부공진레이저(external cavity laser, 이하 ECL이라 한다)어레이 (11a)와, 상기 ECL 어레이(11a)로부터 출력된 광신호들을 파장 다중화하여 광섬유(13)로 출력하는 다중화기(11b)가 하나의 기판상에 집적되어 형성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 OLT의 광수신모듈(12)은 광섬유(13)로부터 입력된 상향신호를 파장별로 역다중화하여 다수 파장의 광신호로 분배하는 역다중화기(12b)와 상기 역다중화기(12b)의 출력단에 각각 구비되어 다수 파장의 광신호를 각각 수신하여 전기신호로 변환하는 포토다이오드(photo diode, 이하 PD라 한다)어레이(12a)가 하나의 기판상에 집적되어 단일 칩으로 형성될 수 있다.

상기 OLT의 광송신모듈(11)로부터 출력되는 파장다중화 광신호는 가입자 주거지 근처에 위치한 주배선반(Main distributed frame, 이하 MDF라 한다)의 역다중화기(14)에서 파장별로 분리된 후, 각 가입자의 ONT로 분배된다.

상기 가입자의 ONT에는 광수신기(photo diode, PD)(16)를 구비하고 있어, 상기 역다중화기(14)에서 분배받은 소정 파장의 광신호를 전기신호로 변환하고, 상기 변환된 전기신호는 데이터제어부(data control center, 이하 DCC)(17)로 입력되어 데이터 처리된다.

또한, 상기 ONT의 파장가변 광송신모듈(19)은 상향스트립 데이타를 설정된 파장의 광신호로 변환하여 송출하며, 이렇게 다수 가입자의 ONT로부터 송출된 서로 다른 파장의 광신호들은 MDF의 다중화기(15)에 의하여 파장다중화된 후 광섬유(13)를 통해 OLT의 광수신모듈(12)로 전송된다.

상기 파장가변 광송신모듈(19)은 이하 설명되는 본 발명에 의한 파장 가변 광송신 모듈로 구비될 수 있으며, 본 발명에 의한 파장 가변 광송신 모듈은 저가로 구현되어 C밴드의 전영역에 걸쳐 파장가변이 가능하다는 장점과 함께, 설치시 설치 자의 조작 또는 OLT측으로부터 전송된 제어정보에 따라서 파장을 가변할 수 있다는 장점이 있다.

따라서, 본 발명의 파장가변 광송신모듈을 적용하는 경우, OLT측에서 하향스트림 데이타와 함께 수신된 광출력 및 파장의 분석에 따라서 소정의 파장 제어 정보를 실어 송출하면, 상기 DCC(17)에서 수신된 신호에서, 일반 데이타와 파장 제어정보를 분리시키고, 분리된 파장 제어 정보를 파장제어부(Wavelength control center, WCC)(18)로 보내고, 상기 파장제어부(18)가 입력된 파장 제어 정보와 광송신모듈(19)로부터 출력된 피드백광신호의 비교를 통해 파장가변 광송신모듈(19)의 파장을 가변시키도록 구성할 수 있다.

본 발명에 의한 파장 가변 광송신모듈은 열광학 효과에 의하여 파장을 가변하는 방식으로 이루어진다.

일반적으로 열광학 효과에 의한 파장 가변 구조는 도 2에 도시된 바와 같이,광원(21)로부터 생성된 광신호가 전달되는 도파로(22) 상에 소정 격자주기를 갖는 브래그 격자(23)를 형성한 후, 히터(24)를 이용하여 브래그격자(23)에 국부적으로 열을 가함으로서, 상기 브래그 격자(11) 부분의 굴절율을 변화시키고, 그 결과 브래그격자(11)의 반사대역 중심파장이 변하게 되어, 신호 파장을 가변시키는 것이다.

이어서, 도 3은 본 발명에 의한 열광학 효과를 이용한 파장 가변 광송신 모듈에서 사용되는 브래그격자의 기본 구조를 나타낸 것으로서, 브래그격자(34)는 하부클래드층(32), 코어층(33), 상부클래드층(35)으로 이루어지는 채널 도파로의 코어층(33) 상에 형성되어, 코어층(33)의 선폭을 소정 주기로 변화시킨다.

이때, 상기 브래그격자(34)가 형성되어 도파로는 폴리머 물질로 구현된다.

도 4는 폴리머의 온도에 따른 굴절률 변화를 나타낸 그래프로서, 폴리머 물질은 온도가 상승함에 따라서 굴절률이 감소되는 음성적(negative) 열광학계수값을 갖는다. 상기 도 4에 그래프에서, 점은 5도씨의 간격별 굴절률을 측정하여 나타낸 것이다. 상기 측정결과로부터 온도변화에 대한 굴절률 변화율을 계산한 결과, 열학계수는 약 -1.82ㅧ10 ^-4 /K로 측정되었다. 상기 열광학계수값은, 폴리머물질의 조성을 달리할 경우 변화될 수 있으며, 통상적으로 그 변화범위는 -0.7 ~ -2.2ㅧ10 ^-4 /K 정도로 나타난다.

이와 같은 폴리머물질을 이용하여 상기 도 3과 같은 도파로의 상,하부클래드층(32,35)과 코어층(33)을 형성하고, 상기 코어층(33)상에 브래그격자(34)를 형성한 경우, 상기 브래그격자(34)에서의 온도 변화로 조정가능한 파장 범위는 다음의 수학식 1과 같이 나타난다.

상기 수학식 1에서,

예를 들어, dn/dT=-1.5ㅧ10 ^-4 /K 이고, 온도상승값 ΔT를 약 100도라고 가정하였을 경우,

이에, 본 발명의 제1실시형태에 의한 파장 가변 광 송신 모듈은 폴리머로 이루어진 소자의 열적/기계적 안정적 동작을 유지하면서, C 밴드 전체 영역을 커버하기 위하여, 상기 도 3에 도시된 바와 같은 브래그격자를 서로 다른 격자주기를 갖도록 둘 이상 형성한 후, 이를 광스위치를 통해 병렬로 연결한다. 도 5 내지 도 6은 이러한 구조로 이루어진 본 발명의 제1실시형태에 의한 파장 가변 광송신 모듈의 여러 가지 구성 예를 보인 것이다.

도 5는 두개의 브래그격자를 구비한 파장 가변 광송신모듈의 블럭구성도로서, 소정 전기신호에 따라서 빛을 생성시키는 레이저다이오드(51)와, 상기 레이저다이오드(51)로부터 생성된 빛을 두 개의 경로로 다중화하여 선택 분배하는 제1광스위치(52)와, 상기 제1광스위치(52) 두 출력 경로 상에 각각 결합되며, 서로 다른 격자주기의 브래그격자(53a,54a)와, 외부 제어신호에 따라서 소정 온도로 가열되어 하부 브래그격자(53a,54b) 부근의 온도를 조절하는 히터(53b,54b)를 각각 구비하고 있는 폴리머로 구현된 제1,2도파로(53,54)와, 상기 제1,2도파로(53,54)의 광축에 각각 두 입력단자가 결합되어 외부 제어신호에 따라서 상기 제1,2도파로(53,54)중 한 쪽의 광신호를 선택하여 출력하는 제2광스위치(55)를 포함한다.

상기에서, 제1,2도파로(53,54)는 폴리머 물질로 이루어진 평판형 도파로로서, 도 3의 구조로 형성되며, 레이저다이오드(51)는 예를 들어, 페브리-페롯 레이저다이오드(FP-LD)를 사용할 수 있으며, 상기 제1,2광스위치(52,55)도 열광학 효과에 의해 광경로를 변환하는 폴리머 도파로 구조로 구현함으로서, 제1,2광스위치(52,55)를 상기 제1,2도파로(53,54)의 PLC(plana lightwave circuit) 플랫폼상에 동시에 형성하고, 레이저다이오드(51)를 해당 PLC 플랫폼상에 플립칩본딩등에 의하여 실장함으로서, 사이즈의 감소를 도모할 수 있다.

상기에서, 제1,2도파로(53,54)에 형성된 브래그격자(53a,54a)의 중심파장 및 히터(53b,54b)의 온도 가변 범위는 소정의 요구되는 파장 가변 대역(예를 들어, C밴드)을 이등분한 후, 상기 등분된 두 구역을 각각 커버할 수 있도록 설정한다.

또한, 요구되는 파장가변대역이 더 넓은 경우, 도 6에 도시한 바와 같이, 1×3 광스위치와, 세개의 브래그격자를 이용하여, 열적/기계적 안정 범위내에서 파장 가변범위를 증가시킬 수 있다.

도 6을 참조하면, 상기 파장 가변 광송신모듈은 소정 전기신호에 따라서 빛을 생성시키는 레이저다이오드(61)와, 상기 레이저다이오드(61)로부터 생성된 빛을 세 개의 경로로 다중화하여 선택 분배하는 제1광스위치(62)와, 상기 제1광스위치(62) 출력 경로 상에 각각 결합되며, 서로 다른 격자주기의 브래그격자(63a,64a,65b)와, 외부 제어신호에 따라서 소정 온도로 가열되어 하부 브래그격자(63a,64b,65b) 부근의 온도를 조절하는 히터(63b,64b,65b)를 각각 구비하고 있는 폴리머로 구현된 제1~3도파로(63~65)와, 상기 제1~3도파로(63~65)의 광축에 세 광입력단자가 각각 결합되어 외부 제어신호에 따라서 상기 제1~3도파로(63~65)중 한쪽의 광신호를 선택하여 출력하는 제2광스위치(66)를 포함한다.

상기 도 6의 파장가변 광송신모듈은 도 5와 대비할 때, 브래그격자(65a) 및 히터(65b)가 구비된 도파로(65)를 하나 더 구비한 것이 다르며, 그 외 구성수단은 동일하게 이루어질 수 있다. 이때, 상기 도 5의 파장가변 광송신모듈과 파장가변대역을 동일하게 한다고 할 때, 상기 세 브래그격자(63a,64a,65a)의 중심파장 간격을 더 좁게 설정하고, 히터(63b,64b,65b)의 온도가변범위를 더 낮춤으로서, 폴리머물질로 이루어진 도파로의 열적, 기계적 성질을 더 안정시킬 수 있으며, 중심파장의 간격과 온도가변범위를 동일하게 하는 경우, 파장 가변 대역의 더 확장시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 제1실시형태에 의하면, 서로 다른 격자주기를 갖는 둘 이상의 브래그격자를 병렬로 연결하고, 광스위치를 통해 원하는 파장을 선택할 수 있도록 함으로서, 폴리머로 이루어진 도파로의 열적 기계적 안정성을 도모하면서 저비용으로 넓은 파장 영역에서 가변을 수행할 수 있게 된다. 더하여, 상기 수동 도파로와 광섬유와의 결합은 도파로 상에 V-그루브(groove)을 형성하고, 상기 V-그 루브에 광섬유를 삽입하는 수동정렬방식으로 구현할 수 있으며, 상기 레이저다이오드를 PLC 플랫폼상에 실장할 수 있으므로, 모듈의 제조 비용을 줄일 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 제1실시형태에 의한 파장 가변 광송신모듈은, 히터의 온도제어 및 광스위치의 온도제어에 의하여 송신신호의 파장을 가변시킬 수 있으므로, 제조단계에서 파장이 세팅되지 않고, 설치시 설치자에 의하여 수동세팅되거나 OLT측의 제어에 의하여 자동세팅시킬 수 있게 된다. 따라서, 범용적으로 이용됨으로서, 제품의 재고문제를 해결할 수 있다.

본 발명에 의한 파장 가변 광송신모듈은, 서로 다른 격자주기를 갖는 다수의 브래그격자들을 직렬로 연결하여 구성할 수 도 있으며, 이 경우, 상기 제1실시형태에서와는 달리 광스위치가 불필요하게 된다. 도 7 내지 도 15는 브래그 격자들을 직렬로 연결하여 구성된 본 발명의 제2실시형태에 따른 파장 가변 광송신모듈과 관련된 도면이다.

먼저, 도 7은 본 발명에 의한 제2실시형태의 파장 가변 광송신모듈을 설명하기 위한 기본 구조도이다.

상기 도 7을 참조하면, PLC 플랫폼의 기판(71)상에 도파로(73)가 형성되며, 광원으로서 기능하는 레이저다이오드(72)는 상기 도파로(73)와 광축이 일치되도록 상기 기판(71)상에 실장되는데, 이때, 레이저다이오드(72)는 플립-칩 본딩방식으로 실장될 수 있다. 그리고, 상기 도파로(73)는 하부클래드층(74)과, 상기 하부클래드층(74)상에 소정 폭으로 형성된 코어층(75)과, 상기 코어층(75)을 덮도록 형성되는 상부클래드층(76)으로 이루어지며, 상기 코어층(75) 상에는 설정된 격자주기로 코어(75)의 선폭을 변화시키는 브래그격자(77)가 형성되고, 상기 브래그격자(77)의 상부 상부클래드층(76) 표면에는 히터(78)가 장착된다.

상기에서, 도파로(73)는 폴리머물질로 구현되며, 히터(78)는 브래그격자(77) 영역의 국부적인 온도 변화를 유발시킴으로서, 브래그격자(77)의 반사 파장을 가변시키고, 이에 광 파장이 조정된다.

도 8은 상기 도 7에서, 브래그격자(77)를 수직방향으로 통과하는 절단선AB를 따라 절취된 도파로의 단면구조를 나타낸 것으로서, 브래그격자(77)는 코어(75)의 상부영역에 두께 h로 형성되며, 이때, 절단선CD의 상기 상부클래드층(76)에서 하부클래드층(74)까지의 열광학계수값 및 반사율 분포는 도 9의 (a) 및 (b)와 같이 설정된다.

즉, 도 9의 (a)에서 나타난 바와 같이, 브래그격자(77) 영역의 열광학계수는 다른 영역, 즉, 상,하부클래드층(74,76) 및 코어층(75)의 값에 비하여 높게 설정하며, 도 9의 (b)에 나타난 바와 같이, 브래그격자(77)의 굴절율은 코어(75)와 클래드층(74,76) 사이의 값을 갖도록 설정한다.

상기의 조건으로 구현할 경우, 히터(78)에 의해 가변된 특정의 온도영역에서는 브래그격자(77)에 의한 반사효과가 없어져 반사도가 사라지게 된다.

도 10은 상기 도 8의 구조에서, 히터(78)의 온도(T _heater ) 증가에 따른 상기 브래그격자(77)에서의 파장별 반사스펙트럼 변화를 나타낸 것으로서, 히터(78)에서 온도를 증가하지 않은 경우, 브래그격자(77)의 굴절률이 코어(75)와 다르기 때문에, 실선으로 표시된 바와 같은 반사스펙트럼이 형성된다. 상기 상태에서 히터(78)를 통해 온도를 증가시키면, 상기 브래그격자(77)와 코어(75)의 굴절율 차이가 점차 줄어들어, 점차적으로 반사도가 감소되다가, 소정 온도에서는 반사도가 거의 제로가 되고, 상기를 기준으로 온도가 더 상승되면, 브래그격자(77)와 코어(75)의 굴절률 차가 다시 생성되면서, 역으로 브래그격자(77)에서의 반사도가 점차 증가된다.

따라서 상기와 같이 히터(78)에 의한 국부적인 온도증가를 통해 브래그격자(77)의 반사강도를 제어하기 위해서는, 다음의 수학식 2의 조건을 만족시켜야 한다.

상기 수학식 2에서,

상기 도 9의 조건은, 상기 수학식 2의 조건을 만족하는 일실시예를 나타낸 것이다. 본 발명의 제2실시형태는 상기와 같은 조건의 브래그격자를 다수개 직렬로 형성하여, 파장 가변 영역을 확장한 것으로서, 그 결과 국부적인 온도상승폭을 200 도 이하로 감소시킴으로서, 소자 전체의 신뢰성을 향상시킨 것이다.

도 11은 상기 도 8과 동일한 구조이면서 서로 다른 격자주기를 갖는 두 개의 브래그격자로 구성한 파장가변 광송신모듈의 단면도이고, 도 13은 상기 도 8의 구조에 따라서 서로 다른 격자주기를 갖는 세 개의 브래그격자를 구비한 파장가변 광송신모듈을 나타낸 단면도이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 제2 실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈은, 기판(71)상에 레이저다이오드(72)를 실장하고, 상기 레이저다이오드(72)과 광발생경로의 축이 일치되도록 하부클래드층(74), 코어층(75) 및 상부클래드층(76)으로 이루어진 도파로(73)를 상기 레이저다이오드(72)의 광축과 일치하도록 기판(71)상에 형성하며, 이때, 상기 도파로(73)의 코어층(75) 상에는 직렬로 격자주기가 다른 제1,2브래그격자(77,79)를 형성한다. 그리고, 상기 제1,2브래그격자(77,79)의 상부의 상부클래드층(76)상에는 각각 제1,2브래그격자(77,79)의 반사대역을 열광학효과에 의하여 조정하는 제1,2히터(78,80)를 구비한다.

상기 구조의 파장 가변 광송신모듈에서, 한쪽의 브래그격자에서 반사작용이 일어나는 경우, 나머지 브래그격자에서는 반사도가 없어지도록 히터의 온도를 제어함으로서, 상기 도파로(73)에서 소정의 파장대역의 광신호만이 출력되도록 한다.

그리고, 상기 제1,2브래그격자(77,79)의 격자주기는 Λ ₁ , Λ ₂ 로 서로 다르며, 그 굴절률 및 열광학계수는 상기 수학식 2의 조건을 만족하여야 한다. 이때, 도파로(73)에서의 온도변화에 따른 반사스펙스트럼 변화는 도 12와 같이 설정할 수 있다.

도 12를 참조하면, 제1,2히터(78,80)의 온도 T1,T2는 그 초기값이 각각 제1,2브래그격자(77,79)에서 반사가 일어나지 않는 온도로 설정되며, 온도변화는 반사도가 증가하면서 반사대역이 단파장으로 천이하는 방향으로 이루어진다.

상기에서, 제1브래그격자(77)의 가변범위내의 파장으로 세팅하는 경우, 상기 제2히터(80)는 초기온도로 고정한 상태에서, 제1히터(78)의 온도를 증가시켜 제1브래그격자(77)의 반사대역을 요구되는 파장대역으로 가변시킨다. 반대로, 요구되는 파장대역이 상기 제2브래그격자(79)의 파장 가변 범위에 해당하는 경우, 제1히터(78)를 초기온도로 고정한 상태에서, 제2히터(80)의 온도를 증가시켜, 제2브래그격자(79)의 반사대역을 요구되는 파장대역으로 가변시킨다.

다음으로, 도 13의 파장가변 광송신모듈은, 서로 다른 격자주기를 갖는 세 개의 브래그격자(77,79,81)를 직렬로 연결한 것으로서, 기본 구조 및 동작원리는 상기 도 11의 경우와 동일하며, 다만, 서로 다른 격자주기의 브래그격자의 수가 더 많으므로, 해당 파장가변 광송신모듈이 도 11의 구조와 동일한 대역에 대한 파장 가변을 수행한다고 할 때, 각 브래그격자(77,79,81)당 파장 가변 대역을 감소시킬 수 있으며, 더불어, 해당 히터(78,80,82)들의 온도가변범위를 더 낮게 할 수 있으므로, 파장가변 광송신모듈의 동작 안정성을 더 향상시킬 수 있다. 반대로, 각 히터(78,80,82)가 안정적인 온도가변범위에서만 동작한다고 할 때, 파장 가변 대역을 브래그격자(77,79,81)의 수에 비례하여 더 확장시킬 수도 있다.

상기 도 13의 파장가변 광송신모듈의 파장가변동작은, 앞서의 경우와 마찬가지로, 상기 히터(78,80,82)의 초기온도를 해당 브래그격자(77,79,81)의 반사도가 나타나지 않은 온도로 설정하며, 온도변화는 각 브래그격자(77,79,81)의 반사대역이 단파장으로 천이되는 방향으로 이루어진다. 도 14는 상기 도 13의 파장가변 광송신모듈에서, 히터(78,80,82)의 온도 T1,T2,T3의 변화에 따른 브래그격자(77,79,81)의 반사스펙트럼 변화를 나타낸 것이다. 상기 도 14를 참조하면, 상기 도13의 파장가변 광송신모듈에서 송신신호를 낮은 대역의 파장으로 송출하고자 하는 경우, 히터(77,80)를 각각 초기온도로 고정시킨 상태에서, 히터(82)의 온도를 증가시켜 브래그격자(81)의 반사대역을 요구되는 파장으로 가변시킨다. 반대로, 중간대역의 파장을 원하는 경우, 히터(78,82)를 초기온도로 고정시킨 상태에서, 히터(80)의 온도를 초기온도 이상으로 증가시켜 브래그격자(79)의 반사대역을 가변시키고, 고대역의 파장의 원하는 경우, 히터(80,82)를 초기온도로 고정시킨 상태에서, 히터(78)의 온도를 증가시켜, 브래그격자(78)의 반사대역을 조정한다.

이상과 같이 본 발명의 제2실시형태에서는, 광스위치를 제거하여 소자의 구성을 더 간단하게 한다.

더불어, 본 발명의 파장가변 광송신모듈에 있어서는, 발진 파장의 미세한 조절을 위하여, 도 15에 도시된 바와 같이, 위상 조절 수단(83)을 더 구비할 수 있다. 상기 위상 조절 수단(83)은 브래그격자(77,79,81)가 형성되지 않은 영역의 도파로(73) 상단에 구비되는 히터로 구현될 수 있으며, 상기 위상조절수단(83)은 도파로(73)의 국부적인 온도 변화를 통하여, 열광학효과에 의한 발진 모드 조건을 변 경한다. 상기 위상 조절 수단(83)은 도 11의 두 개의 브래그격자를 갖는 파장 가변 광송신모듈에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3실시형태의 파장가변 광송신모듈은, 열광학계수가 낮은 실리카로 도파로를 구현하고, 열광학계수가 폴리머에 비하여 대단히 높은 SiN 물질을 이용하여 브래그격자를 구현함으로서, 상기 제2실시형태에 비하여, 온도가변범위를 10배 이상 더 감소시키고, 그 결과 소자 동작의 열적, 기계적 안정성을 증가시킬 수 있게 한다.

도 16의 (a)는 실리카(SiO ₂ )에 대한 온도대비 굴절율변화를 나타낸 것이고, 도 16의 (b)는 SiN의 온도대비 굴절율 변화를 보인 것으로서, 상기 도시된 바와 같이, 실리카의 경우 열광학계수는 약 -0.09ㅧ10 ^-4 /K로 대단히 낮으며, SiN의 열광학계수는 약 -12.9ㅧ10 ^-4 /K로 폴리머의 약 10배에 해당된다. 따라서, 도파로 자체는 열적 안정성이 높은 실리카로 구현하면서, 브래그격자는 열광학계수가 높은 SiN으로 구현할 경우, 소자의 안정성은 높이면서 온도대비 파장가변감도는 향상시킬 수 있게 된다.

도 17 내지 도 23에 본 발명의 제3실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈에 대한 다양한 구성예를 보인다.

도 17의 (a),(b)는 본 발명의 제3실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 단면도 및 상면도로서, 이를 참조하면, 상기 파장가변광송신모듈은 기판(71)과, 상기 기판(71)상에 실장되어 측면으로 광을 방출하는 레이저다이오드(72)와, 상기 기판(71)상에 상기 레이저다이오드(72)와 광결합이 이루어지도록 하부클래드층(92), 코어(93), 상부클래드층(94) 순으로 형성된 제1도파로(91)와, 상기 제1도파로(91)내 코어(93)의 소정 높이 위에 형성되며, 브래그격자(96)와 커플링영역(97,98)을 구비한 SiN으로 이루어진 제2도파로(95)와, 상기 브래그격자(96)의 수직방향 상부 제1도파로(91) 표면에 구비되어 온도를 가변하는 히터(99)를 포함한다.

상기, 브래그격자(96)는 서로 다른 격자주기를 갖는 둘 이상의 브래그격자를 광경로에 직렬로 형성할 수 도 있다.

즉, SiO ₂ 로 이루어진 제1도파로(91)내에 열광학계수가 큰 SiN으로 소정 길이의 제2도파로(95)를 형성하며, 상기 제2도파로(95)상에 브래그격자(96)을 형성한다. 상기 제1도파로(91)는 레이저다이오드(72)와의 효율적인 광결합을 위하여 SiO ₂ 로 이루어지며, 이때, 굴절율이 서로 다른 상기 SiO ₂ 로 이루어진 제1도파로(91)와 SiN의 제2도파로(95)간의 효율적인 광교환을 위하여 브래그격자(96)의 전후단의 제2도파로(95)상에 선폭이 좁아지는 커플링영역(97,98)을 형성한다. 상기 커플링영역(97,98)의 길이는 Lc로 조절한다. 상기 제2도파로(95)상에 형성된 브래그격자(96) 부근의 국부적인 온도변화는 그 상부방향에 위치한 히터(99)에 의하여 이루어진다.

도 18은 상기 도 17에 도시된 파장가변 광송신모듈의 점선 AB를 따라 절취 한 절단면의 나타낸 것으로서, 기판(71)상에 하부클래드층(92), 코어층(93) 및 상부 클래드층(94)이 순차적으로 형성되는 채널 도파로 형태인 제1도파로(91)에 있어서, 상기 제2도파로(95)는 코어(93)로부터 간격 d만큼 떨어진 상부 클래드층(94) 내에, 폭 w, 두께 h의 크기로 형성된다. 상기 제2도파로(95)의 광의 입/출력이 이루어지는 양끝단에는 단부방향으로 선폭이 좁아지는 길이 Lc의 커플링영역(97,98)이 구비된다.

상기 커플링영역(97,98)은 제1도파로(91)의 광을 제2도파로(95)로 광결합시키고, 제2도파로(95)의 광을 제1도파로(91)로 결합시키기 위한 것으로서, 이때, 상기 커플링영역(97)에서 SiN의 제2도파로(95)로 커플링되지 않고, 그대로 SiO ₂ 의 제1도파로(91)로 투과되는 광은, 상기 브래그격자(96)에서 반사되지 않고, 후단의 커플링영역(98)에서 상기 제2도파로(95)를 통과한 광과 간섭을 일으킬 수 있으므로, 상기 커플링영역(97,98)에서는 90% 이상의 커플링 효율을 제공하는 것이 바람직하다.

상기 파장가변 광송신모듈에 있어서, 레이저다이오드(72)에서 생성된 빛은 제1도파로(91)에 입사되어 제1도파로(91)를 따라 전달되다가, 상기 커플링영역(97)을 통해 제2도파로(95)로 결합된다. 그리고, 상기 제2도파로(95)의 브래그격자(96)에서 반사되어, 소정 파장 대역의 광신호만이 커플링영역(98)을 통해 다시 제1도파로(91)로 전달된다. 따라서, 상기 파장가변작용은 제2도파로(95)내에서 이루어지며, 제2도파로(95)는 열광학계수가 큰 SiN으로 이루어지므로, 상기 열광학계수에 반비례하여 낮은 온도가변을 통해 파장 가변을 이룰 수 있게 돈다.

그런데, 상기 파장 가변광송신모듈에 있어서, 광간섭은 상기 제1도파로(91)에서 제2도파로(95)로 커플링되지 않은 광신호에 의해서 일어나므로, 상기 커플링영역은 제2도파로(95)의 입측에만 구비되어도 된다.

도 19는 제2도파로(95')에 있어서, 브래그격자(96)의 전단에만 커플링영역(97)을 형성한 파장가변 광송신모듈을 나타낸 것으로, 이때, 브래그격자(96)에서 투과된 광은 손실로서 작용되므로, 광손실을 줄이기 위하여 브래그격자(96)의 반사율은 90% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 광간섭 현상을 방지하기 위한 다른 방법으로, 도 20에 보인 파장가변 광송신모듈에서는, 브래그격자(96) 하부에 위치한 제1도파로(91')의 코어(93') 일부 영역을 제거한다. 그외의 구조는 상기 도 17과 동일하다.

상기 도 20의 경우, 레이저다이오드(72)에서 생성되어 제1도파로(91')의 코어로 입사된 광은 상기 제2도파로(95)의 전단 커플링영역(97)을 통하여 SiN의 제2도파로(95)로 커플링되며, 그 중 일부가 제1도파로(91')로 그대로 투과되더라고, 상기 제1도파로(91')의 코어(93')가 절단되어 있기 때문에, 후단으로는 전달되지 않는다. 따라서, 상기 제2도파로(95)로 커플링된 후, 브래그격자(96) 및 히터(99)의 상호 작용에 의하여 파장이 가변된 광이 후단의 커플링영역(98)을 통해 제1도파로(91')의 후단부로 커플링된다.

상기에 의하여, 제2도파로(95)로 커플링되지 않은 광과, 상기 제2도파로에서 제1도파로(91')로 커플링된 광간의 간섭현상을 저지할 수 있다. 다만, 상기에서, 제1도파로(91')에서 제2도파로(95)로 커플링되지 않고, 제1도파로(91')에서 그대로 투과되는 광은 상기 파장가변 광송신모듈에 있어서 손실로서 작용되므로, 광손실을 줄이기 위해서 상기 커플링영역(97,98)에서의 커플링효율은 90% 이상인 것이 바람직하다.

도 21의 (a),(b)은 본 발명의 제3실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 다른 구조를 나타낸 단면도 및 상면도로서, 여기서, 브래그격자(96)가 형성된 SiN의 제2도파로(95)를 SiO ₂ 로 이루어진 제1도파로(91)의 코어(93) 내부에 형성시키며, 그외의 구조는 도 17과 동일하다. 도 22는 상기 도 21에 도시된 파장 가변 광송신모듈의 수직단면도로서, 이를 참조하여 더 구체적으로 설명하면, 기판(71)의 상부에 레이저다이오드(72)는 광출력방향이 측면을 향하도록 플립칩본딩방식에 의하여 실장하고, 상기 광출력방향과 동일선상에 위치하여 광결합이 이루어지도록 상기 기판(71)의 상부에, 하부클래드층(92), 코어(93), 상부클래드층(94) 순으로 제1도파로(91)를 형성한다. 이때, 상기 코어(93)의 내부에는 두께 h, 폭 w의 SiN으로 이루어진 제2도파로(95)를 형성하고, 상기 제2도파로(95) 상에 브래그격자(96)를 형성한다. 더불어, 상기 제1도파로(91)와 제2도파로(95)간의 광결합 효율을 높이기 위하여, 상기 제2도파로(95)는 단부 방향으로 선폭이 점점 좁아지는 커플링영역(97,98) 을 구비한다.

상기 도 21에 보인 바와 같이, 제2도파로(95)를 제1도파로(91)의 코어(93)내부에 형성하는 경우, 광결합 효율은 앞서 설명한 도 17, 도 19, 도 20의 구조와 유사하게 이루어지며, 신호 손실측면에서 더 우수하며 광간섭 현상이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이에 반하여, 상기 코어(93)을 두번의 증착공정에 의하여 형성하여야 하므로, 공정상 복잡해질 수 도 있다.

이상의 제3실시형태에 있어서, 파장가변은 앞서 설명한 제2실시형태의 파장가변 광송신모듈에서와 동일하게 이루어진다. 즉, 히터(99)의 초기온도를 브래그격자(96)에서 반사도가 최소인 온도영역으로 설정한 상태에서, 상기 히터(99)의 온도를 증가시킴으로서, 브래그격자(96)에서의 굴절율과 반사대역을 조정한다.

이상의 제3실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈에 있어서도, 앞서 도 2의 실시형태에서와 마찬가지로, 파장의 미세조절을 위하여, 위상조절수단을 더 포함할 수 있다.

도 23의 (a),(b)는 위상조절수단을 포함한 제3실시형태의 파장가변 광송신모듈을 도시한 단면도 및 상면도로서, 상기 레이저다이오드(92)와 제2도파로(95) 사이의 제1도파로(91) 상에 열광학효과에 의해 파장을 조절하는 위상조절수단(100)을 구비한다. 상기 위상조절수단(100)은 도 17의 구조뿐만 아니라, 도 19, 도 20 및 도 21에 보인 구조의 파장가변 광송신모듈에도 그대로 적용될 수 있다.

더하여, 본 발명에 의한 파장 가변 송신모듈은 광섬유와의 결합을 위하여, 도파로상에 V-그루브를 형성함으로서, 수동 정렬 방식에 의하여 광섬유를 결합시킬 수 있다.

도 24의 (a) 및 (b)는 V-그루브를 구비한 본 발명의 파장 가변 광송신모듈에 대한 실시예를 나타낸 단면도 및 상면도로서, 상기 폴리머물질로 구현된 본 발명의 제2실시형태에 의한 파장가변 광송신모듈의 제1도파로(73)의 끝단에 광섬유와의 광축이 일치될 수 있도록 V-그루브(84)를 형성하며, 상기 V-그루브(84)에 광섬유(85)를 삽입한다. 상기 구조는 도 5,6에 보인 본 발명의 제1실시형태에 따른 파장가변 광송신모듈 및 실리카 및 SiN으로 구현된 제2실시형태의 파장가변 광송신모듈에도 그대로 적용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 파장가변 광송신모듈은 수동정렬방식에 의하여 광섬유와 결합가능하다.

이상의 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 상기에 한정되지 않으며 여러 가지 변형이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 이루어질 수 있다.

상술한 바에 의하면, 본 발명은 저비용으로 C-밴드의 넓은 영역에서 파장 가변이 가능한 파장가변 광송신모듈을 구현할 수 있으며, 파장가변을 열광학 효과를 통해 구현함으로서, 광송신모듈의 송신 파장을 제조 단계가 아닌 설치단계에서 임의로 세팅할 수 있도록 하고, 이로부터 소자의 재고발생을 줄일 수 있으며, 소자의 안정적인 온도 범위내에서 C 밴드의 전체 영역에 대한 파장 가변을 가능케 함으로서, 소자의 기계적 열적 안정성을 높일 수 있다.

특히, 본 발명의 제3실시형태에 의하면, 폴리머에 의하여 열광학계수가 높은 SiN을 이용하여 브래그 격자를 구현함으로서, 더 낮은 온도범위에서 파장 가변을 수행하며, 더불어 전력소모까지 감소시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 파장 가변 광송신 모듈은 저가로 대량생산이 가능하게 함으로서, 저가격이 요구되는 ONT에 적합한 파장가변 광송신모듈을 제공할 수 잇다.