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광통신용 수동소자기술 동향

2001.9.10

전자부품연구원

임 영 민

[email protected] Korea Electronics Technology InstituteKorea Electronics Technology Institute

21세기 유망핵심부품 기술 세미나


목차

§ WDM 전송시스템에서의 수동광부품

§ 수동광부품의 기술별 분류

§ 단위 부품 개요

§ 결언


* 적용 예

Er+ Doped Fiber

WDM Coupler

Isolator

1.48 um LD

GFFIsolator

1.48 um LD

EDFA

OADM

MUX/DEMUX

Transmitter

Switch

Receiver

MUX

EDFA

OADM DEMUX

WDM 전송시스템에서의 수동광부품


구분 Fiber Optics Micro Optics Waveguide Optics

Isolator, Circulator,Collimator

O

DWDM O O O

OADM O O O

Attenuator O O O

Interleaver O O O

Wavelength Locker O O O

Tunable Filter O O O

Switch O O

Power Splitter(Coupler)

O O

PM Compensator O O

Modulator O O

수동광부품의 기술별 분류


Collimator & 광아이솔레이터

* 광섬유에서 나온 광을 평행광으로 만들거나

평행광으로 입사한 빛을 광섬유로 집속 시키

는 광부품으로 광감쇠기, 광아이솔레이터, 광

서큘레이터등의 광섬유 소자의 핵심부품

* 대표기업 -국내:삼성 SCM, 한요 텔레콤

-국외: Casix

Fiber

Glass orCeramic Ferrule

GRINLens

Tube

* 광전송시스템의 각종부품 및 경계면에서 반사되어 전

송 광신호와 간섭을 유발 시킴 으로서 광전송시스템 전

체의 성능을 저하시키는 역반사 잡음 광신호를 제거하

기 위한 소자

* 대표기업 -국내:삼성 SCM, 한국단자

-국외: JDS uniphase, FDK, Oyokoden

Faraday Rotator

Collimator복굴절판 Collimator

Magnet


DWDM Devices

Thin Film Waveguide Fiber Grating

Performance-used for WB and NB-Good for low channel count

-50 GHz application with high channelcount

-Great for low channel count applications

Reliability

-passive-Reliability only Dependnt on Packaging

-requires heater or temperature stabilizer package

-requires heater or temperature stabilizer package

Cost / UnitTo manufacture

-Effective for low Channel counts

-Great for high Channel counts

-provides a hybrid solution for low channel counts

Application-MUX/DEMUX-Fixed OADM-Wideband EDFA

-MUX/DEMUX -MUX/DEMUX-Tunable OADM

* Key Network component : DWDM Filter


• Ge이 도핑된 감광성 광섬유에 Mask를 대고

Laser 광을 조사하여 주기적인 격자형태의 굴

절율 변화를 주어 특수파장에서 반사되는 성질

을 이용함.

• 신뢰성(온도 안정성) 확보 필요함

Drop λ2

λ1, λ2, λ3 λ2

λ2

Fiber Bragg Grating


• 유리 기판 위에 박막 간섭형 필터를 형성

하여 특수 파장은 통과시키고 나머지 파장

은 반사 시키는 기능 소자

• 삽입손실이 큼

Input Signalλ1∼ λ8

Dual FerruleGRIN Lens

DWDM Filter at λ4

Transmitted Signal λ4

Single Ferrule

Reflected Signalλ1, λ2, λ3, λ5, λ6, λ7, λ8

박막간섭형 Dense WDM 광필터

F-100-1: Transmittance

Wavelength

Tr

an

sm

it

ta

nc

e

(%

)

1549.01549.21549.41549.61549.81550.01550.21550.41550.61550.81551.0

0

25

50

75

100


Arryed Waveguide Grating (AWG)

1xN AWG Mux/Demux

• Si 기판 위에 Arrayed Waveguide를 배열하여

입사 되는 광신호를 각각의 채널로 MUX/DEMUX 시키는

반도체 공정을 이용한 기능성 소자


• 채널간 Crosstalk 해결 필요

• 패키징 안정성 필요

• Athermal AWG와 256채널이상의 AWG와 폴리머를

이용한 AWG에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

• 대표기업 -국외: NEL

-국내: 피피아이, 우리로 광통신

휘라 포토닉스


Fused Region

Up TaperDown Taper

Fused Fiber Coupler

All-Fiber Mach-Zehnder Interferometer

Two coupler combined

λ1λ9λ5λ13λ3λ11λ7λ15λ2λ10λ6λ14λ4λ12λ8λ16

λ1,λ2,λ3,...

...,λ14,λ15,λ16

λ1,λ3,λ5,...λ13,λ15

λ2,λ4,λ6,...λ14,λ16

λ1,λ5,λ9,λ13

λ3,λ7,λ11,λ15

λ2,λ6,λ10,λ14

λ4,λ8,λ12,λ16

λ1,λ9

λ5,λ13λ3,λ11

λ7, λ15λ2, λ10

λ6, λ14λ4, λ12

λ8, λ16

Example of 1x16 Multiplex

For N wavelength, N-1 coupler needed

Fused Fiber Coupler type DWDM Device

• Fused fiber Mach-Zhender interferometers(MZI)를 cascade 형태로 연결하여 입력된

광신호를 각각의 채널로 DEMUX 시키거나 각각의 채널로 입사된 광신호를 하나의

광섬유로 MUX 시키는 광소자.

• Wave splitter, SLT


TYPE1996 2000 2005

$Mil % $Mil % $Mil %

Thin film interferometer 11.85 22 91.2 35 287 36

Bragg Fiber Grating 3.60 7 44.9 17 182 23

Array WaveguideGrating

36.35 67 116.5 45 307 39

Other Thechnology 2.45 5 6.7 3 16 2

Total 54.25 100 259.3 100 792 100

Source:Electroniccast Corp.

세계 DWDM Device 시장현황

* 국내 : 2000년 - 150억원, 2005년 - 500억원


Drop Add Drop Add

λ1 �� λn λ1 λn��circulator

• Mach-zehnder형태의 arm에 동일한 격자를 형성하여 광신호를 추출

혹은 추가할 수 있는 OADM(Optical Add-Drop Multiplexer)을 구성함.

• 캐스케이드 형태의 광섬유격자와 광서큘레이터를 이용하여 광신호를추출 혹은 추가함.

Fiber Optics type OADM


• 박막 간섭 필터를 사용하여 구현.

• 신뢰성이 우수.

• 대표 기업 -국외: JDS uniphase, Dicon

-국내: 한국단자, Fibernett

Inputλ1

A, λ2, λ3, λ4

Drop portλ1

A

Outputλ1

B, λ2, λ3, λ4

Add portλ1

B

Micro Optics type OADM


DROPADD

DEMUX MUX

Transponder( Rx + Tx)

2x2 switches

...

Waveguide type OADM

* ADM (add/drop multiplexer)은 WDM (파장 다중화) 광통신을 실현시키기 위해 반드시

필요 되는 소자로서 기능성 부품 중에서 시장 규모가 가장 큰 소자임.

* 임의의 WDM 채널 파장을 Add 또는 Drop 할 수 있는 Multiplexer


• 채널간 Crosstalk 해결 필요



국내외 기술동향

-국내

* 단일 채널 필터가 상용화되어 FBG, AWG 등을

이용한 고정형 다채널 ADM에 관한 연구 중이나

아직 신뢰성 확보가 되지 않았으며, 비교적 신

뢰성이 우수한 박막형의 경우 연구초기 단계

-국외

* 현재 fixed multi-channel (고정형 다채널) Add/Drop filter 또는 multiplexer가 상용화 단계에 이르렀으며 파장 가변형 ADM 구현을 위해 박막형, FBG, AWG등을 이용한 방식 연구중

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1997 1998 1999 2000 2001 2002

5691

127

198

258

361Million $

Yr.

IGI Consulting, 1998.


• 가변 광 감쇠기는 입력되는 광 파워 레벨를 조절하는 역할을 하며 주로 EDFA를 통과한 광의

세기를 조절하거나 OADM에서 각 채널의 광 파워 레벨를 조절한다.

•신뢰성(온도 안정성) 필요

•패키징 안정성 필요

- Variable Optical Attenuator

DROPADD

DEMUX MUX

EDFAEDFA

Transponder( Rx + Tx)

2x2 switches

VOA

VOA...

- OADM에서 VOA의 사용 예

Variable Optical Attenuator(VOA)



-국내

* 한국단자,포앤티를 중심으로 감쇠필터를 사용

한 가변광감쇠기가 상용화되었으며 실리카 PLC

를 이용한 전압 가변형은 전자부품연구원에서 연

구중에 있다

-국외

* 영국의 Nortel사는 Mach-Zehnder형 실리카

광도파로를 cascade로 연결하여 가변광감쇠기연구를 수행하고 있으며, 현재 기능샘플을 제작중에 있다. 그러나 파장범위가 한정되어 있고 소비전력이 커 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.* JDS Uniphase사는 Faraday Rotator를 사용한 가변광감쇠기 연구를 수행하고 있다98 IGI consulting inc. 자료 인용


Fiber Bragg Grating type Wave Locker

•사용하는 파장대의 광원의 출력부분에 광섬유격자를 형성하여 파장locking기능을 수행함.


• LD에서 나오는 신호의 일부를 추출하여 간섭 필터를 지나게 한 후 두 개의 PD로 각각의 신호를

검사하여 PD(a)와 PD(b)의 값이 다를 경우 같아 질 때까지 LD의 온도를 변화 시켜 파장을 일정하

게 유지함.

Optical

output

Frequency [GHz]

PD (a)PD

(b)

Locking frequency

Micro Optics type Wavelength Locker



-국내

* 전자부품연구원에서 etalon filter를 이용한 외장형 다채널 wavelength locker에 관한 연구를 수행중.

-국외

* Santec 社, JDS Uniphase 社 등에서 외장형 단채널wavelength locker를 상품화

* JDS Uniphase 社 등에서 외장형 다채널wavelength locker를 상품화

* Nortel 사 등에서 내장형을 상품화

<내장형>

<외장형>


Fig. 1. Schematic of the package

micrometer spring k1spring k2

aluminiumInvar

Ferrulegratingsoptical fiber pusher

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

1552 1553 1554 1555 1556 1557

Bragg w avelength (nm)

pow

er

(dB

m)

Tunable Filter(Fiber Bragg Grating type)

• 일정한 중심파장을 갖는 광섬유를 제작한 후에 물리적인 tension을 가하여

비례적으로 중심파장을 움직이게 함으로서 파장가변을 시킴.


Acousto-Optic Tunable Filter

λ1, λ2, λ3 , λ4 , λ5

input

λ2, λ4 , λ5

output

λ1, λ3

Drop signal

Tilted thin-film SAW guide

PBS

IDT(Inter digital transducer) f1,f3

Control signal(RF)(170~180MHz)

TETM TE

TE

TM

TM TMTE

LiNbO3

PBS : Polarization Beam Splitter

Fujitsu


Optical switch

8x8 Optical Matrix Switch

8-Arrayed 2x2 Optical Switch

Logical Arrangement Switching Unit Configuration


• 스위치는 광 네트워크 상에서 광신호 경로를 변화 시키는데 주로 사용되어진다.

특히 OADM 에서 광신호를 Add하거나 Drop하는데 있어서 필수적인 소자이다.

• 신뢰성(온도 안정성) 필요


• Power 소비가 크고 동작속도가 늦은 단점을 갖고 있어 이를

개선하기위한 연구가 진행중이다

• 저가격화를 위해 폴리머를 이용한 스위치 연구중

Thermo-optic Switch



-국내

* 피피아이, 우리로 광통신에서 실리카를 이용한

thermo-optic switch에 대한 연구가 진행 중이며 전자

부품연구원에서는 Lithium Niobate switch에 대한 연구

중에 있다.

국외

* JDS Uniphase사에서 Mach-Zehnder interferometer를 이용한 1x2, 2x2, 1x4 그리고 1x8 optical switch와4 array를 가지는 2x2 thermo-optic switch를, NEL 사는 8x8 switch 와 8 array를 가지는 2x2 switch를 판매하고 있다

*MEMS를 이용한 switch와 LiNbO3를 이용한 switch에대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

Optcial Components Markets: 2000-2004 자료인용


Dispersion Compensation

• 장파장은 광섬유격자의 앞부분에서 반사 시키고 단파장은 뒷부분에서 반사 시킴

으로서 출력파장의 속도가 같게 하여 분산을 보상함.


PM Compensation

그림1. 편광위상 속도차에 의한 전송 후 편광모드분산

그림 2. 편광모드분산이 보상되지 않았을때(왼쪽 Eye-pattern)와 보상되었을 때(오른쪽 Eye-pattern)

• PMD란 서로 다른 편광모드의 속도차에 의한 신호파워의 분산으로 신호간 간격이 좁아지는 10Gbps이상에서 피할 수 없이 발생하는 문제로 반드시 극복되어야 함.


LN wafer상에 mode converter와 phase shifter를 집적화한 개략도


-국내

* 시스템차원의 연구는 진행되나 소자에 대한 연구는 진행되지 않고 있음. 주로 분산보상 알고리즘에 대한 연구가 진행됨.

-국외

* 미국,독일,스위스등에서 Half-Wave Plate 또는Quarter-Wave Plate를 이용하여 편광분산을 보상하고자 하며 Liquid Crystal를 이용하여 보상에 성공한 바가 있음.

* 독일을 중심으로 LiNbO3나 LiTaO3 같은 강복굴절물질을 이용,집적화된 편광분산보상기에 대한 연구가 활발히 진행됨.


Optical Modulator


• 외부로부터 전계를 인가하여 빛의 강도를 변환시키는 소자로서 초고속변조가 가능하며

광대역 신호전송에 사용함

• 광통신시스템에서 변조동작은 전송하고자 하는 정보는 송신부에서 적절한 형식으로 변조된

후에 정보채널을 통해 수신부로 전송되는데, 각종 메시지원인 전기적인 신호를 광신호로

바꾸어 주는 부분에 사용되는 핵심부품

•응용분야 : 초고속광 대역통신망, 광계측기기, 광LAN, 광CATV

RF PORT(SMA CONNECTOR) TERMINATION(SMA)

BIAS PORT(SMA CONNECTOR)

OUTPUT

SMFFIBER

Ti INDIFFUSEDWAVEGUIDETRAVELLING WAVE

ELECTRODE

Z-CutLiNbO3

PMFFIBER

INPUT

Optical Modulator


GratingInGaAsPMultiquantum

Well Layers

TrenchElectroabsor

ption-

modulated

laser

p-InP/InGaAsCurrentBlockingLayers

Distributed

feedback

laser section

n-InP substrate

Low driving voltage(2~3V)

No polarization maintaining fiber

Compact, Cost-effective, Integrated with LD

Lucent tech, Alcatel, Samsung Elec.

•EA Modulated DFB laser(III-V) •LiNbO3 Modulator

High speed (2.5~40Gbps)

Polarization dependents(PMF required)

Adjustable chirp, Long distance transmission

Lucent tech, Sumitomo cemement,GEC …

Optical Modulator


결언

§ 수동 광부품의 경우 JDS uniphase 와 NEL 등이 독주

§ 미국 경기 불황으로 광부품 업체가 위축된 상황이나

§ 경기 회복기간은 1년 정도로 내다 보임

§수동광부품의 핵심은 패키징 기술로서 cost를 줄이기 위한

§ 자동화 설비 개발 필요.

§기술 Infra 구축 필요(소재, 부품, 모듈, 시스템 연계 강화)

§기술 특화를 통한 경쟁력 강화

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