[논문]삼중 결합 링 공진기 필터의 설계 및 제작

이영식; 정영철

doi:10.3807/kjop.2011.22.1.040

삼중 결합 링 공진기 필터의 설계 및 제작
Design and Fabrication of Triple-coupler Ring Resonator Filter 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.22 no.1, 2011년, pp.40 - 45

이영식 (광운대학교 전자통신공학과) , 정영철 (광운대학교 전자통신공학과)

초록
AI-Helper

동일한 주회 길이의 통상적인 DCRR (Double-coupler Ring Resonator) 에 비하여 두 배의 FSR (Free Spectral Range) 성능을 나타낼 수 있는 TCRR (Triple-coupler Ring Resonator: 삼중 결합 링 공진기) 필터의 설계 및 제작에 대하여 논의하였다. 열-광학 특성이 우수하고, 코어-클래딩 굴절률 차가 큰 폴리머 물질을 이용하여 작은 반경의 곡선도파로가 가능한 매립형 도파구조의 컴팩트한 TCRR 필터를 설계 및 제작하였다. 파장가변 레이저와 광섬유 배열 블록을 이용하여 TCRR 필터의 Through 및 Drop 포트 출력 특성을 측정한 결과, DCRR 필터의 두 배인 4.4 nm의 FSR을 확인하였고, 이는 전달행렬 방법을 이용하여 해석한 결과와 거의 동일하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Design and fabrication of a TCRR (Triple-coupler Ring Resonator) filter which can provide a doubled FSR (Free Spectral Range) compared with a conventional DCRR (Double-coupler Ring Resonator) filter, are discussed. Through the use of a polymer material with a good thermo-optic property and with high contrast between core and cladding polymer, a compact TCRR filter composed of straight and curved buried waveguides of small radius is designed and fabricated. The transmission characteristics from the through and drop ports are measured using a tunable laser and a fiber array block, and the FSR is observed to be 4.4 nm, about twice that of DCRR filter, and almost the same as that obtained from the analysis using a transfer matrix method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

반면에 동일한 버니어 효과를 이용하고 면적 증가를 최소화하기 위해 두 개의 도파로와 한 개의 링 공진기가 3 개의 결합기로 연결된 형태의 삼중 결합 링 공진기(TCRR : Triple-Coupler Ring Resonator) 필터^[8]를 이용하면, 동일한 곡률 반경의 링 공진기 구조를 이용하더라도 두 배의 FSR을 얻을 수 있음이 이론적으로 확인된 바 있다. 본 논문에서는 제안된 TCRR 필터를 폴리머 도파로를 이용하여 구현하고자 하였다. 열 광학 특성이 우수하고, 도파로를 이루는 코어와 클래딩의 굴절률 차가 높은 폴리머 물질을 이용하여 작은 곡률 반경을 얻고자 하였다.
본 논문에서는 통상적으로 두 번의 결합을 갖는 링 공진기의 FSR을 배가하기 위한 방법으로 제안된 TCRR 필터를 전송 행렬 법을 이용해서 이론적으로 분석하여 동작특성을 확인하였고, 다양한 결합 비에 따른 출력특성을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. TCRR 필터는 하나의 링 도파로 외곽에 두 군데서 결합시켜서 외곽의 추가 공진기를 구성함으로써, 버니어 효과를 유발하여 FSR을 배가시키게 된다.
본 논문에서는 제안된 TCRR 필터를 폴리머 도파로를 이용하여 구현하고자 하였다. 열 광학 특성이 우수하고, 도파로를 이루는 코어와 클래딩의 굴절률 차가 높은 폴리머 물질을 이용하여 작은 곡률 반경을 얻고자 하였다. 폴리머 도파로 TCRR 필터를 설계하였고, 전달 행렬 방법을 이용하여 특성을 예측하였다.

제안 방법

방향성 결합기가 공정에 둔감하기 위해서는 도파로 폭이 변화함에 따라서 도파 모드의 형태가 둔감하게 변화하는 지점에 커플링 되는 상대 도파로를 위치시킬 필요가 있다. 설계의 예로써 그림 6(a)와 같은 도파구조를 고려하여 그림 7(a)와 같이 방향성 결합기를 설계하였을 경우, 도파구조의 x 방향 모드의 형태를 확인하기 위하여 유효굴절률 근사법(Effective Index Method)을 이용하여 3차원의 도파구조를 2차원 구조로 근사화한 후 도파로를 진행하는 모드필드의 형태를 구하였다. 이때 도파로 폭이 제안한 오차 범위 내에서 변화할 경우 도파모드를 계산하여 반쪽영역만 나타내면 그림 7(b)와 같이 나타나게 된다.
DCRR (Double Coupler Ring Resonator) 필터와 동일한 크기의 반경을 갖는 TCRR 필터의 특성을 비교해 보았다. 그림 3은 손실 값을 1.
TCRR 필터의 제작에 기본이 되는 도파로를 설계하기 위해 코어와 클래딩의 물질을 선택하여 도파 구조를 설계하였고 소자와 광섬유와의 정렬 시, 효율적인 입사를 위한 입·출력포트에서 광섬유와의 모드 매칭조건을 고려하여 테이퍼 구조를 설계하였다.
공정 오차에 강건한 방향성 결합기를 설계하기 위해 커플링 되는 두 도파로 사이에 적정한 간격을 설정하여 실제 제작 시 공정오차에는 둔감하게 동작할 수 있도록 설계하였다. 방향성 결합기가 공정에 둔감하기 위해서는 도파로 폭이 변화함에 따라서 도파 모드의 형태가 둔감하게 변화하는 지점에 커플링 되는 상대 도파로를 위치시킬 필요가 있다.
공진기의 파장이동 특성을 파악해 보기 위해 링 공진기의 반경을 100 μm, 결합비율 k3는 0.12, 중심파장 λ0은 1550 nm로 고정하고, 유효굴절률(neff)을 최초 1.440674로 정하여 0.0005(0.0347%)씩 변화시키면서 그에 따른 Drop의 피크의 이동성을 시뮬레이션 하였고 그림 5에 도시하였다.
이를 종합하여 소자 제작을 위한 마스크 패터닝을 진행하였으며 (주)PKL에 의뢰하여 마스크를 제작하였다. 또한 본 논문에서 채택한 매립 형 도파구조를 제작하기 위해 코어와 클래딩은 Chem-Optics사의 WIR30-510과 LFR-378의 저 손실 폴리머 물질로 채택하였으며, Chem-Optics사의 도파로 제작공정을 이용하여 TCRR 필터를 제작하였다.
이로 인해링 공진기의 굴절률이 변하게 되고 TCRR 필터의 공진특성에 영향을 주어 필터링 되는 파장이 이동하게 된다. 본 연구에서 제작된 TCRR 필터의 FSR 특성 자체를 측정하는 데에 초점을 두었기에 파장이동 특성 측정은 진행하지 않았다.
이를 위하여 입력 포트 도파로와 Drop 포트 도파로의 간격은 배열형 광섬유 채널의 간격과 맞추어 250 μm로 설계를 하였다.
이를 위하여 입력 포트 도파로와 Drop 포트 도파로의 간격은 배열형 광섬유 채널의 간격과 맞추어 250 μm로 설계를 하였다. 이를 종합하여 소자 제작을 위한 마스크 패터닝을 진행하였으며 (주)PKL에 의뢰하여 마스크를 제작하였다. 또한 본 논문에서 채택한 매립 형 도파구조를 제작하기 위해 코어와 클래딩은 Chem-Optics사의 WIR30-510과 LFR-378의 저 손실 폴리머 물질로 채택하였으며, Chem-Optics사의 도파로 제작공정을 이용하여 TCRR 필터를 제작하였다.
열 광학 특성이 우수하고, 도파로를 이루는 코어와 클래딩의 굴절률 차가 높은 폴리머 물질을 이용하여 작은 곡률 반경을 얻고자 하였다. 폴리머 도파로 TCRR 필터를 설계하였고, 전달 행렬 방법을 이용하여 특성을 예측하였다. 시뮬레이션을 통한 분석 결과와 제작된 소자의 특성 측정 결과를 비교한 결과, FSR이 이론적인 예측과 부합하게 두 배로 나타남을 확인하여, TCRR 광필터의 실질적인 활용 가능성을 확인하였다.

대상 데이터

입력 부분에 배열형광섬유 블럭을 사용한 이유는 Ⅲ장 설계부분에서 기술한 바와 같이 입력 도파로와 drop 포트 도파로가 입력 면에 있기 때문에 채널 간격이 250 μm로 제작된 배열형 광섬유 블럭을 사용하였다.
제작된 TCRR 필터의 도파손실을 측정하기 위해 마스크 제작 시 길이가 서로 다른 두 개의 직선도파로(7,500μm, 15,000μm)를 제작하였고 여기에 Tunable Laser Diode를 이용하여 6dBm의 광파를 입사시켰다.
코어는 폭 1.5 μm와 높이 1.6 μm의 직사각형 구조이며 코어와 클래딩의 굴절률을 각각 1.51과 1.378로 하여, 약 8.7%의 고 굴절률차를 갖게 함으로써 빛이 코어 영역에 대부분 구속되는 구조를 선택하였다.

이론/모형

앞서 기술한 TCRR 필터의 전송특성을 분석하기 위해서 전송행렬(Transfer Matrix)법을 이용하여 분석하였다. 그림 2(a)처럼 각 결합기를 통과하는 광파는 식 (2)의 행렬로 정의된다.

성능/효과

결과적으로 필터링 되는 파장특성의 관점에서 시뮬레이션 결과인 그림 10(a)와 FSR이 일치하였으며, DCRR 필터의 2배의 FSR을 갖는 조건을 충족시켰다.
제작된 TCRR 필터의 도파손실을 측정하기 위해 마스크 제작 시 길이가 서로 다른 두 개의 직선도파로(7,500μm, 15,000μm)를 제작하였고 여기에 Tunable Laser Diode를 이용하여 6dBm의 광파를 입사시켰다. 길이가 상이한 두 도파로의 출력 파워를 비교한 결과 도파손실이 1.25dB/cm로 측정되었다. 또한 그림 10(c)와 같이 6dBm의 광파를 입사시켜 TCRR필터를 통과한 비공진 파장에서의 Through 포트 출력이 -3.
내부 링의 둘레가 628.3μm 이고, 외곽 링을 형성하는 방향성 결합기의 결합비율(k1, k2)이 0.061이고, k3의 결합비율이 0.12로 제작된 TCRR 필터는 4.4nm의 FSR을 갖는 것으로 측정되었고, 이는 DCRR에 비하여 두 배의 FSR을 나타내는 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 확인하였다.
1dB로 추정된다. 단일 모드 광섬유와 폴리머 도파로 간의 결합손실을 3차원 BPM을 통해 시뮬레이션한 결과 3dB로 계산되었다. 따라서 이론적인 입·출력 결합 손실은 6dB이고, 이는 측정치인 8.
그림 6(a)에는 본 논문에서 TCRR 필터 제작을 위해 선택한 매립형 도파로 구조의 단면을 나타내었고, 그림 6(b)에는 3차원 빔 전송법 (3-dimensional Beam Propagation Method)을 이용하여 얻은 모드의 계산 결과를 나타내었다. 도파로로 입사된 빛이 코어에 잘 구속되어있으며, 매우 작은 곡률 반경의 곡선 도파로를 채용할 수 있을 것임을 정성적으로 예측할 수 있다. TCRR 필터에 광원을 입사시켜 CCD 카메라를 통해 출력을 확인한 결과, 그림 6(c)에 보인 바와 같이 입사된 빛이 도파로의 코어 영역에 잘 구속되어 도파되는 것을 확인할 수 있었다.
0347%)씩 변화시키면서 그에 따른 Drop의 피크의 이동성을 시뮬레이션 하였고 그림 5에 도시하였다. 링 도파로의 유효 굴절률이 감소할수록 Drop 피크가 단파장 대역으로 이동하였고, 0.004(약 0.28%) 만큼 변할 때 한 FSR을 이동하는 것을 확인하였다.
링의 반경은 100μm, 도파손실은 1.5dB/cm, k3 광 결합기의 결합비율은 0.12로 설정하고 중심주파수를 1550nm, 유효굴절률(neff)을 1.440674로 설정하여 시뮬레이션 한 결과이고 FSR은 4.4nm로 나타남을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과, 800 μm 이상의 길이에 걸쳐서 도파로의 너비를 1.5 μm에서 12 μm로 증가시키는 테이퍼의 경우 손실이 테이퍼 손실이 거의 무시될 수 있음을 알 수 있었다.
폴리머 도파로 TCRR 필터를 설계하였고, 전달 행렬 방법을 이용하여 특성을 예측하였다. 시뮬레이션을 통한 분석 결과와 제작된 소자의 특성 측정 결과를 비교한 결과, FSR이 이론적인 예측과 부합하게 두 배로 나타남을 확인하여, TCRR 광필터의 실질적인 활용 가능성을 확인하였다.
4nm의 FSR을 갖는 것으로 측정되었고, 이는 DCRR에 비하여 두 배의 FSR을 나타내는 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 확인하였다. 이를 통하여 특정 주회 길이의 링 공진기에 대하여, TCRR 구조를 활용하는 경우 파장 가변 범위를 배가시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
입출력 도파로의 폭이 12 μm 인 경우가 광섬유와 TCRR 필터 소자와의 결합손실을 최소화 할 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 링 공진기 기반의 필터에게 요구되는 성능은 무엇인가?	마이크로 링 공진기 기반의 필터는 주기적인 공진 파장간의 간격을 의미하는 FSR (Free Spectral Range)과 채널 선택의 효율성을 의미하는 finesse, 채널에 있는 혼선레벨의 허용 한계를 결정하는 소광비율, 그리고 삽입 손실 등에 있어서 적절한 특성을 나타내어야 한다. 특히 열광학 특성이나 전기 광학 특성을 이용하여 필터 중심 파장을 이동하는 데 있어서, 그 이동 범위는 FSR에 의하여 제한된다.
	마이크로 링 공진기는 어떤 소자인가?	마이크로 링 공진기 (MRR : Micro Ring Resonator)는 다양한 광 신호 처리 기능과 작은 크기에서 비롯된 고도의 집적 가능성을 바탕으로 차세대 광집적 회로를 실현하기 위한 단위소자로써 활발한 연구가 진행 중인 소자이다[1-2]. 최근에는 마이크로 링 공진기의 파장 선택성을 이용하여 광 센서나 광 스위치, 파장 선택 필터 등으로도 활발히 연구되고 있다[3-5].
	마이크로 링 공진기 기반의 필터의 주기적인 공진 파장간의 간격을 크게 하기 위해서는 어떻게 해야하는가?	특히 열광학 특성이나 전기 광학 특성을 이용하여 필터 중심 파장을 이동하는 데 있어서, 그 이동 범위는 FSR에 의하여 제한된다. 한편 FSR은 공진기의 주회 반경에 반비례하기 때문에, FSR을 크게 하기 위해서는 링 공진기에 포함되는 곡선 도파로의 곡률 반경이 작아야 한다. 반면에 곡선 도파로의 반경이 너무 작으면, 굽음 손실 (bending loss)에 의하여 링 공진기 도파 손실이 커지게 되고 공진기의 Q 값이 작아짐으로서 finesse 특성이 악화되게 된다[6].

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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J. Poon, J. Scheuer, S. Mookherjea, G. Paloczi, Y. Huang, and A. Yariv, “Matrix analysis of microring coupled-resonator optical waveguide,” Opt. Express 12, 90-103 (2004).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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