In this research, a wide range linearly-tunable optical filter has been proposed and demonstrated for wideband CWDM applications. To implement wide tuning range linearly, the Lorentz force using permanent magnet has been introduced for the first time into the actuators. Since the research was focused on developing the tunable filter structure to satisfy the required mechanical requirement for CWDM applications, currently available PECVD silicon nitride/silicon dioxide were used for DBRs in this work. The tunable filter has been successfully fabricated and demonstrated using two-chip approach. Since the DBR and Au have mild tensile stress about 80MPa, the whole structure stays flat without serious deformation.
The optical characteristics of the fabricated tunable filter have been measured using a tunable filter and a receiver. Four objective lenses have been used to focus the laser to the center of the filter. The tuning range of the fabricated tunable filter has been measured as 200nm, which is the widest ever reported, at the power consumption of 24.3㎼. The mechanical actuation range is over 3㎛ that is more than enough for CWDM applications. The optical bandwidth is measured as wide as 20nm because PECVD silicon nitride and silicon dioxide have been uses in a DBR. However, as the design of a DBR and an actuator is independent, the bandwidth can be reduced easily using other materials such as PECVD deposited amorphous silicon and silicon carbide.
The mechanical characteristics of the fabricated filter have been measured using LDV. A simple mechanical model has been established and verified. From the measured transient and harmonic response of the filter, mechanical parameters such as spring constant, effective mass, and natural frequency of the fabricated filter have been extracted as 0.91N/m, 2㎍, and 3.37kHz, respectively. The tuning speed at the worst case tuning is measured as 3msec which is also enough for CWDM applications.
The possible errors of the fabricated tunable filter have been analyzed in two categories: optical errors and mechanical errors. Optical errors have been analyzed numerically using $MATLAB^®$. The reason of the measured loss in the transmission spectra is thought as the lack of parallelism between two reflectors. The estimated tilt angle of the filter is 0.42˚. For CWDM applications, the tilt angle and the ROC of a reflector should be within 0.0024˚ and 6.25cm from the analysis results, respectively. The effect of noise on the transmission spectra has been estimated, too. Noise manifests itself as the fluctuation of the peak frequency of the transmission spectrum. Therefore, the noise in this work is presented as rms fluctuation of the peak frequency. The total rms fluctuation of the peak frequency has been estimated as 45pm. Mechanical thermal noise from damping is dominant in the fabricated filter. The maximum allowable rms input current noise from the driving circuit has been calculated as 407nA assuming 1dB loss of peak transmittance using noise equivalent bandwidth of the fabricated filter obtained from mechanical measurements.
The fabricated tunable filter can be a good candidate for wide range CWDM applications if the reflectance of DBR is improved.
본 논문에서는 최근 발표된 ITU-T G694.2의 CWDM 표준을 만족하기 위한 광대역 선형 파장 가변 광학 필터를 제안하고 이를 구현함으로써 CWDM망에의 응용을 위한 MEMS 기반 가변 광학 필터의 가능성을 보였다. 최근 광통신망의 발전 방향은 크게 세가지로 요약 될 수 있는데, 첫째는 망의 구성이 전송량에 따라 가변적으로 변하는 지능망으로의 발전 방향이고, 둘째는 망을 구성하고 운용하는 비용이 낮은 망으로의 발전 방향이고, 마지막으로는 광통신의 가장 기본적인 동기였던 대용량 전송이 가능한 망으로의 발전 방향이다. 최근 대용량 전송을 위하여 하나의 fiber안에 서로 다른 여러 파장을 가지는 파장 다중 분할 (WDM) 방식이 활발하게 개발되어 이미 이를 이용한 전송 시스템들이 상용망에서 널리 사용되고 있다. 그러나 현재까지는 약 100nm의 좁은 대역 안에 많은 파장을 집속하여 왔고(Dense WDM), 이 때문에 시스템의 비용이 상당히 높아지게 되었다. 따라서 최근에 발표된 ITU-T G694.2표준안에서는 1270nm부터 1610nm에 달하는 340nm의 대역 안에 20nm의 상대적으로 넓은 간격으로 18개의 채널을 정의하고 있다 (Coarse WDM). 이 표준은 그 동안 문제시 되었던 1400nm대역에서의 수분에 의한 높은 감쇠율을 없앤 새로운 fiber가 등장함으로써 탄생하게 되었다. 이에 광대역 동작이 가능한 통신용 광학 부품의 개발이 요구되고 있다. 따라서 본 논문에서는 340nm의 광대역 가변이 가능한 광학 필터를 제안 하고 구현하는 연구를 수행하였다.
MEMS기반의 가변 광학 필터는 좁은 통과 대역과 다른 도파로 방식의 필터에 비해 상대적으로 넓은 가변 범위로 인하여 현재까지 많이 연구되어져 왔고 또한 일부는 상용화에 성공하였다. 기존의 MEMS 가변 광학 필터들은 대부분 정전인력을 이용하여 Fabry-Perot 공진기의 두 반사체의 거리를 조절함으로써 파장을 가변하여 왔다. 그러나 정전인력은 발생하는 힘이 작고 또한 가하는 전압에 비선형적인 구동 특성을 보이기 때문에 340nm에 달하는 광대역을 가변하기에는 무리가 있어, 본 연구에서는 최초로 영구자석을 이용한 자기 구동을 적용한 광대역 가변 광학 필터를 제안하였다. 제안된 구조는 다른 MEMS 기반 필터들과 비슷하게 Fabry-Perot 공진기를 이용하였고, 두 개의 반사체 사이의 거리를 자기 구동을 이용하여 조절함으로써 투과 파장을 가변한다. 제안된 구조의 구동기에는 선형적인 구동을 보장하기 위하여 corrugation이나 meander형태의 스프링을 사용하였다.
제안된 필터는 따로 제작된 두 개의 칩을 붙여서 두 반사체 사이에 거리를 형성하는 방법으로 제작 되었다. 고정된 반사체를 가지는 칩은 실리콘 기판위에 PECVD로 5.5쌍의 실리콘 질화막과 실리콘 산화막을 교대로 증착함으로서 반사체를 형성 하였고, 뒷면에서 실리콘을 KOH용액 에서 완전히 식각하여 실리콘 기판의 영향을 배제하였다. 움직이는 반사체를 가지는 칩은 스퍼터로 증착된 금으로 구동체를 형성하였으며 그 위에 마찬가지로 PECVD를 이용하여 같은 종료의 반사체를 증착하고, 뒷면의 실리콘을 식각함으로써 제작하였다. 고정된 반사체가 있는 칩 위에 BCB를 코팅하고 패턴함으로서 두 반사체가 공진기를 이루도록 일정한 간격을 형성하도록 하였다. 제작된 두 장의 칩을 hot plate에서 120℃ 에서 3분간 가열함으로써 접착하였다.
제작된 파장 가변 광학 필터의 기계적인 특성은 LDV장비를 이용하여 측정되었다. 양방향으로 최대 3㎛ 의 구동을 얻을 수 있었으며, 이는 340nm를 가변하는데 필요한 0.51㎛ 보다 월등히 큰 구동 범위임을 알 수 있다. 이 때 소모된 전력은 최대 270㎼ 로 측정 되었다. 또한 제작된 필터는 3msec의 settling time을 가지는 것으로 측정되었다. 따라서 본 측정 결과로부터 제작된 필터는 CWDM망에의 응용에 충분한 기계적인 특성을 가짐을 알 수 있었다.
제작된 필터의 광학적인 특성은 파장 가변 레이저 (Tunable laser source)와 수광 소자를 이용하여 측정하였다. 2개의 대물렌즈를 사용하여 fiber에서 나온 빛을 소자에 초점을 맞추고 다시 소자를 통과한 빛을 2개의 대물렌즈를 사용하여 fiber로 집속하였다. 이와 같은 방법으로 필터의 가변범위는 200nm이상으로 측정되었다. 이는 현재까지 발표된 가장 넓은 파장 가변 범위이다.
제작된 필터의 성능을 향상시켜 CWDM 망에 적용하기 위해서는 오차에 대한 분석이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 가능한 오차들에 대한 분석을 시도하였다. 광학적인 성능에 대한 오차는 Fabry-Perot공진기의 결함여부에 따라 결정된다. 두 반사체가 정확하게 평행하게 형성되지 않았을 경우와 반사체가 평평하지 않고 곡률을 가지고 있을 때 필터의 성능이 저하된다. 반사체의 반사율이 높을 수록 공진기의 결함에 따른 필터의 성능저하가 심하게 나타남을 알 수 있었다. 계산된 결과로부터 제안된 필터의 CWDM 망에의 응용을 위해서는 두 반사체 사이의 각도는 0.04mrad이하여야 하며, 반사체의 곡률반경은 6.25cm이상이 되어야 함을 알 수 있었다.
기계적인 오차는 구조체가 가지는 기계적인 진동으로부터 발생한다. 제작된 필터에서 발생하는 진동을 크게 두 가지 원인으로 볼 수 있다. 하나는 구조체 주위의 기체분자의 열적인 운동에 의한 충돌이 그 원인이고, 다른 하나는 구조체가 가지는 저항에 의해 발생하는 열잡음이 자기장의 영향으로 구조체에 가하는 진동이다. 이러한 기계적인 진동은 필터의 투과 파장을 진동시키게 된다. 제작된 필터의 투과 파장의 진동은 rms 값으로 45pm로 계산 되었다. 이 중에서 기체분자의 충돌에 의한 진동이 44.8pm로 지배적인 영향을 미침을 알 수 있었다. 그러나 전체적으로 CWDM망에의 응용을 염두에 둘 때, 제작된 필터의 기계적인 오차는 걱정할 만한 수준이 아님을 알 수 있었다.
이상에서 본 바와 같이 본 논문에서 구현한 파장 가변 필터는 CWDM망에 응용하기에 충분한 기계적인 특성을 보였다. 따라서 향후 고 반사율을 가지는 반사체의 개발과 광학적인 특성의 저하를 보이는 공진기의 결함을 보완하는 연구가 수행된다면, 제안한 필터는 충분히 CWDM망의 사양에 부합할 것으로 생각된다.
