KR100194622B1 - 도파로형 고분자 전기 광학 변조기/스위치의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중모드 영역에서도 높은 소멸비로 동작할 수 있는 고분자 광 변조기/스위치의 구조에 관한 것으로, 전극에 의한 손실과 입력광과 도파로 사이의 결합효율을 조절하는 두가지 기구를 이용하여 입력단에서 여기된 고차 모드 성분을 기본 모드에 대해 손실을 최소로 하면서 도파로의 고차 모드 성분을 제거함으로써, 도파로가 다중 모드에서 동작하면서도 높은 소멸비를 가질 수 있으면 동일한 물질계에서도 클래딩층과 도파층의 두께 변화를 통하여 결합효율과 구동전압 사이의 trade-off가 가능하며, 단일 모드 영역에서 작동하는 소자보다 더 높은 결합효율과 FOM을 갖는 소자의 제작도 가능하게 되며, 또한 다중 모드 지역에서 동작하는 변조기/스위치는 클래딩층의 물질 선택에 많은 자유도를 주는 잇점이 있다.

Description

도파로형 고분자 전기 광학 변조기/스위치의 구조

제1도(a)는 Mach-Zehnder 간섭계 형태의 고분자 도파로형 전기 광학 변조기의 상위도(trip view).

제1도(b)는 변조기의 양팔을 구성하는 위상 변조기(phasemodulator)의 상위도.

제1도(c)는 위상 변조기 코아(core)부분의 평면 도파로 수직 단면도(cross-sectional view).

제2도(a),(b)는 두 종류의 도파로 구조에서 도파층 두께에 따른 위상 변조기의 Figure of Merit(FOM)과 8㎛ 직경의 수직 입사하는 광파와 도파로의 기본 모드와의 결합 효율(coupling efficiency)을 나타내는 도면.

제3도는 도파로에 입사하는 광파가 도파로 중심과 어긋나면서 비스듬이 입사하는 경우의 예를 나타내는 도면.

제4도(a),(b)는 상기 제2도의 두가지 도파로 구조에서 기본 모드와 기본 모드를 제외한 나머지 고차모드 사이의 세기비를 20dB이상으로 얻기 위해 필요한 아래 위 전극 쌍(Pair)의 최소길이를 4가지 입력광의 조건에 대하여 계산한 결과 도면.

제5도(a),(b),(c)는 본 발명에 의한 다중 모드 영역에서의 고분자 전기 광학 변조기/스위치의 구조도.

본 발명은 다중 모드 영역에서 동작하는 도파로형 광 변조기/스위치의 구조에 관한 것으로, 특히 도파로로 입사되는 광과 도파로의 기본 모드사이의 결합 효율을 높일 수 있고. 소자의 구동전압 및 소멸비 등 제반 특성을 향상시킬 수 있는 고분자 도파로 소자인 광변조기/스위치의 구조에 관한 것이다.

제1도의(a)는 대표적인 고분자 전기 광학 변조기인 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계형 변조기의 상위도(top view)를, (b)는 변조기의 팔을 구성하는 위상 변조기의 상위도를, (c)는 위상 변조기의 코아(core)부분의 수직 단면 구조를 나타낸다.

일반적으로, 고분자 도파로형 전기 광학 변조기/스위치의 수직 단면 구조는 제1도(c)에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(10) 상부에 하부전극(11), 하부 클래딩(12), 도파층(13), 상부 클래딩(14) 및 상부 전극(15)의 다층 박막 구조로 되어 있다.

상기 하부전극(11)은 도파로의 전면에 있으며, 상기 상부전극(15)은 도파로의 위상변화가 필요한 부분에만 존재한다.

광 변조기/스위치용 고분자 도파로의 설계에는 소자의 소멸비, 전극 손실을 고려한 상 하부 완충층 및 도파층의 두께, 소자의 구동 전압 그리고 광 섬유와의 결합 손실 등이 복합적으로 고려되어야 한다.

상기 광 변조기/스위치 소자들은 기본적으로 단일모드 영역에서 동작하도록 설계되는데, 이는 소자가 높은 소멸비를 갖기 위해 필요한 조건이다.

또한 전극에 의한 손실, 구동전압, 결합효율 등은 서로 독립적으로 결정될 수 있는 값들이 아니라 상호간에 겨환(trade-off) 관계가 있다.

일반적으로 상기 교환 조절을 위해 사용되는 변수들은 각 층들의 굴절율과 두께가 된다.

전극에 의한 흡수 손실이 특정한 값으로 주어진 경우에 결합 효율 및 구동전압의 교환이 적정화되는 구조는 상 하부 클래딩층의 굴절율이 비대칭적이고, 도파층의 두께가 단일 모드 조건의 경계 근처에 있는 구조로 발표되었다.

즉, 상 하부 클래딩층들 중의 하나는 도파층과 비슷한 굴절율을 갖고, 나머지는 훨씬 낮은 굴절율을 갖는 것이다.

그리고, 높은 굴절율의 클래딩은 구동전압을 낮추기 위하여 주로 도파층과 같이 전기 광학 특성이 있는 고분자 박막을 사용한다.

이러한 비대층 구조에서는 도파층의 종류에 따라 다양한 굴절율의 클래딩층 물질들을 전제로 한다.

그러나, 실제물질계에서 적정화된 값의 굴절율을 가지면서 양질의 다층 박막 형성이 가능한 물질들은 매우 제한되어 있기 때문에 클래딩층 물질 선택에 있어 많은 어려움이 발생하였다.

그리고 각 층의 굴절율이 주어지면 도파로의 결합 효율은 단일 모드 조건을 만족하는 도파층의 두께에 의하여 제한되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 단일 모드에서 동작하면서 적정화된 변조기/스위치와 비교하여 구동전압면에서 향상된 소자 특성을 가지고, 구동전압의 많은 증가 없이 광섬유와의 결합 효율을 충분히 높일 수 있으며, 또한 클래딩층 물질 선택의 자유도가 높은 다중모드 영역에서 동작하는 도파로형 고분자 전기 광학 변조기/스위치 소자의 구조를 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 실리콘 기판 상부에 하부전극, 하부 클래딩, 도파층, 상부 클래딩 및 상부전극의 다층 박막 구조로 이루어진 도파로형 고분자 전기광학 변조기/스위치의 구조에 있어서, 상기 도파층의 두께가 기본모드(0차) 이외에 최대 3개 정도의 고차모드(1차, 2차, 3차)까지 도파시킬 수 있는 다중 모드 영역에 있고, 상기 상부와 하부 클래딩층의 외부에 위치한 전극을 신호 변조 뿐만 아니라 도파광의 흡수체로도 사용하여, 도파로를 통과한 최종 출력에서 기본 모드의 상 하부 전극에 의한 총도파 손실과 나머지 고차 모드의 총도파 손실이 15dB 이상 차이가 나도록 클래딩의 두께를 적정화시킨 수직 구조를 갖는 도파로로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 제안하는 다중모드 지역에서 동작하는 변조기/스위치 소자는, 소자의 성능뿐 아니라 실제제작에 있어서도 잇점이 큰 구조라 할 수 있다.

먼저, 두가지 도파로 시스템의 예를 들어 다중 모드에서 동작하는 소자의 장점을 이론적인 계산을 통하여 알아보면 다음과 같다.

고분자 전기 광학 변조기/스위치용 소자의 대부부은 제1도의 (b)와 (c)에 나타낸 위상 변조기 구조를 포함하고 있다.

따라서, 전기 광학 변조기/스위치용 소자의 구조 적정화는 일반적으로 위상 변조기 구조의 적정화를 통하여 가능하다.

제2도는 도파로의 수직 굴절율 분포가 대칭적인 도파로(a)와 비대칭적인 도파로(b)의 두가지에 대하여 위상변조기의 성능 지수(figure of merit, FOM)와 8㎛ 직경의 수직 입사 광에 대한 기본 모드와의 결합효율을 도파층의 두께에 대한 함수로 계산한 것이다.

이때, 계산에 사용된 광의 파장은 1.3㎛이다.

상기 제2도의 FOM은 기본모드에 대한 전극의 흡수 손실이 상 하부 각각의 전극에 대하여 0.1dB/cm로 고정된 경우에 대하여 계산한 것이다.

상기 FOM은 식(1)과 같이 정의되며, FOM이 커질수록 동일한 인가 전압에 대하여 도파로의 위상변화가 커지고, 이에 따라 소자의 구동전압은 감소하게 된다.

FOM =(△V/δn)/d_tot---------------(1)

여기서, δn은 도파로의 실굴절율 변화량이고, δN은 이에 대응하는 도파로의 유효 굴절율 변화량이다.

그리고 d_tot는 도파로의 총 두께로서 상 하부 클래딩층의 두께 d₁, d_c와 도파층의 두께 d_g를 더한 값이다.

(a)의 경우, 도파층은 P2ANS(50:50)이며, 상 하부 클래딩층은 모두 NOA61이며,(b)의 경우 도파층은 P2ANS(50:50)이고, 하부 클래딩은 P2ANS(35:65), 상부 클래딩은 NOA61이다.

상기 P2ANS(x:100-x)는 Poly(4-dimethylamino-4'-nitrostilbene methacrylate(P2ANS)x - co -methylemthacrylate(MMA)_100-x)(x:100-x)의 약자로서 주사슬에 DANS 색소가 공중합되어 있는 사이드-체인(side-chain) 계통의 비선형 고분자 박막이다.

상기 NOA61은 광학용 에폭시이고, 폴링전장(poling field)의 세기는 두 경우 모두 1.6MV/cm로 하였으며, 이때 각층의 굴절율은 n_p2ANS(50:50)= 1.7424, n_P2ANS(35:65)= 1.6955 그리고 n_NOA61= 1.543이다.

제2도(a)의 대칭적인 경우 기본 모드 경계는 두께 dx = 0-0.8㎛, 첫번째 모드 경계는 dx = 1.6㎛, 두번째 모드 경계는 dx = 2.4㎛ 세번째 모드 경계는 dx = 3.2㎛, 네번째 모드 경계는 dx = 4㎛, 다섯번째 모드 경계는 5㎛까지이다.

여기서는 한 종류의 대칭적인 구조를 예를 들었으나, 도파층과 클래딩층 사이의 굴절율 차이가 커질수록 결합 효율의 큰 변화는 없이 FOM이 높아지는 특성을 나타내었다.

이는 클래딩층의 굴절율이 도파층보다 작을수록 같은 도파층 두께에서 동일한 전극 손실을 주는 클래딩층의 두께가 얇아지기 때문이다.

제2도(b)의 비대칭적인 경우 기본 모드는 dx = 0.6-2.2㎛, 첫번째 모드는 d_g= 3.8㎛, 두번째 모드는 d_g= 5.4㎛ 까지이다.

제2도에 도시된 바와 같이, (a)와 (b)의 경우 모드 초기에는 도파로의 두께가 두꺼워질수록 결합효율은 감소하다가 다시 증가하게 되는데 (a)의 경우 d_g= 0.65㎛에서 (b)의 경우 d_g= 1.5㎛에서 결합효율이 최소점을 지난 후 다시 증가함을 알 수 있다.

이러한 특성은 이 영역에서는 도파광이 도파층에 잘 구속되어 있지 않기 때문으로 소자의 FOM이 상기 제2도에서 보는 바와같이 두 경우 모두 매우 낮다.

따라서, 최적조건의 소자설계를 위해서는 도파층의 두께가 이 지점을 넘어서야 한다.

(a)의 경우 도파층의 두께가 0.6-1.5㎛ 사이에 있을 때는 도파층의 두께가 증가할수록 결합효율과 FOM이 모두 증가하는 특성이 나타나고, d_g= 1.5㎛ 이상에서는 FOM과 결합효율 사이의 교환이 존재함을 알 수 있다.

(b)의 경우도 (a)의 경우와 같이 도파층 두께가 d_g= 1.5㎛ 이상에서 결합효율과 교환이 존재함을 알 수 있다.

상기 (b)에서 2.3㎛부근의 딥(dip)은 전극과 하부 클래딩층 사이의 표면 플라스먼(surface plasmon) 유기에 의한 것이다.

(a)의 경우 최대의 FOM을 주는 도파층의 두께 d_g= 1.5㎛는 기본모드 뿐만 아니라 첫번째 모드까지 유기되는 다중모드 영역이며, (b)의 경우는 최대 FOM을 주는 d_g= 1.5㎛에서 단일 모드 영역이다.

그러나, 두 경우 모두 최대의 FOM을 주는 d_g= 1.5㎛에서 결합효율이 0.4와 0.5 정도로 매우 낮다.

따라서, 결합효율을 높이기 위해서는 도파층의 두께가 좀더 두꺼워져야 하며, 이는 좀더 높은 차수의 모드를 도파로에 여기시키게 된다.

이상에서 알아본 바와 같이, 도파층과 클래딩층 사이의 굴절율 차이가 큰 제2도(a)의 대칭적 구조에서는 다중 모드 영역의 도파로가 결합 효율과 FOM에서 단일 모드 영역보다 높고, 또한 다중 모드 영역내에서 FOM의 큰 감소없이 결합효율을 증가시킬 수 있는 교환 특성이 있음을 알 수 있다.

그리고, 다중 모드 영역을 포함한 도파층 두께의 전 영역에 걸쳐 (b)의 비대칭 구조보다 FOM이 높은 것을 알 수 있다.

제2도(b)의 비대칭 구조에서는 최대의 FOM을 주는 도파층의 두께가 단일 영역 모드에 있으나 도파층 두께에 따른 FOM의 감소가 완만하여 FOM의 큰 감소없이 다중모드 영역에서 높은 결합 효율을 얻을 수 있다.

대칭적인 구조의(a)와 비대칭 구조인(b)의 경우를 비교해 보면, 상기(a)의 대칭적인 구조가(b)의 비대칭적 구조보다 같은 결합 효율에서도 더 높은 FOM을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도파층의 두께가 (a)의 경우 3.5㎛ 그리고 (b)의 경우는 3㎛일때 모두 0.7과 같은 결합효율을 나타낸다.

그러나, 이 두께에 해당하는 FOM은(a)의 경우 0.2이고, (b)의 경우는 0.137로 대칭적인 (a)의 경우가 약 70%정도 높은 FOM을 가짐을 알 수 있다.

이상에서 알아본 다중 모드 영역에서 동작하는 변조기/스위치의 장점은 다중 모드 영역에서도 소자의 소멸비가 감소하지 않음을 전제로 한다.

높은 소멸비를 얻기위해서는 도파로의 출력단에서 기본모드와 기본모드를 제외한 나머지 고차 모드사이의 세기비가 특정비 이하로 되어야 한다.

따라서, 본 발명의 중요한 부분은 기본 모드에 대한 손실은 최소로 하면서 입력단에서 여기된 높은 차수의 도파 모드를 어떻게 제거하느냐에 관한 것이다.

본 발명에서 제시하는 도파로의 고차 성분 제거는 다음과 같이 전극에 의한 손실과, 입사광과 도파로 사이의 결합 효율 조절의 두가지 기구에 의한 것이다.

1) 전극에 의한 손실유기 : 도파로가 갖는 일반적인 특성중의 하나로서 전극에 의한 진행 손실은 TE 모드보다 TM모드에서 높으며, 같은 모드에서는 모드의 차수가 높아질수록 손실이 커지게 된다.

본 발명은 상 하부 완충층의 두께를 조절하여 기본 모드에 대하여 유기되는 전극 손실보다 고차모드에 의한 전극 손실을 일정량 이상 크게 함으로서 출력단에서 고차 모드 성분의 세기가 기본 모드의 세기에 비하여 무시할 수 있게 한다.

2) 결합효율에 의한 손실 : 광섬유에서 입사하는 광파의 모드 형태는 대칭적 구조이므로 도파로의 기본모드와 가장 많은 모드정합이 되며, 고차 모드로 갈수록 모드 정합 정도가 낮아지게 된다.

특히, 상 하부 클래딩이 대칭적인 경우 기수(odd) 차수의 모드 결합효율은 우수(even) 차수의 모드에 비하여 매우 작고, 광섬유에서 도파로로 정면 입사하는 경우에 기수(odd) 차수에 대한 결합효율은 0이 된다.

이와 같이, 도파로의 고차 모드에 대한 결합 효율은 입사광의 입력 조건에 따라 많이 달라지게 된다.

따라서 입사 조건에 따른 소자의 소멸비 특성도 조사되어야 한다.

제3도는 도파로의 중심에서 δs만큼 벗어나면서 δ θ만큼 기울어져 입사하는 광파의 예를 나타낸다.

위의 두가지 기구를 통하여 기본 모드에 대한 결합 효율은 높이면서도 출력단에서 기본모드와 나머지 고차 모드들 사이의 세기비를 조절하여 높은 소멸비의 소자를 만들 수 있다.

제4도의 (a)와 (b)는 제2도의 (a)와 (b) 구조에서 기본모드에 대한 상 하부 각각의 전극 손실율 0.1dB/cm로 고정했을때 도파층의 두께에 따라 기본모드와 기본모드를 제외한 나머지 모든 고차 모드 성분의 세기 차이가 20dB 이상이 되는 상 하부 전극 쌍의 최소길이 L(제1도의 (b) 참조)를 계산한 것이다.

제4도에서 볼 수 있는 바와 같이, (a)의 경우 도파층이 두꺼워질수록 그리고 δs와 δθ가 커질수록 필요한 흡수 전극의 길이가 길어짐을 알 수 있다.

예로서, 도파층의 두께 d_R= 3.5㎛ 일 때(a)의 경우 δs = 0㎛와 δθ = 0°에서 약 1cm의 전극길이가, δs = 0.5㎛와 δθ = 0.5°인 경우 약 2cm의 전극길이가 필요하다.

δs = 2.O㎛와 δθ = 2.0°인 경우는 약 l0cm의 매우 긴 흡수 전극이 필요하게 된다.

그러나 실제소자와 광섬유의 정열에 있어서 δs와 δθ는 0.5㎛ 및 0.5°를 넘지 않게 조절이 가능하므로 불완전한 정열로 인한 전극 길이 증가는 심각한 문제가 아니다.

(b)의 비대칭 구조에서는 δs와 δθ 가 0.5㎛와 0.5°이하인 경우에 3-3.8㎛영역에서 흡수전극이 없어도 20dB 이상의 소멸비를 얻을 수 있는데, 이는 이 영역에서는 결합 효율에 의해서 만든 기본모드와 고차모드 사이의 비가 20dB를 넘기 때문이다.

그러나 정열이 벗어날수록 급격하게 흡수 전극의 길이가 길어짐을 알 수 있다.

제5도는 다중 모드 영역에서 동작하면서 소멸비를 높일 수 있는 개선된(modified) 형태의 고분자 전기 광학 변조기/스위치에 대한 예들을 나타낸다.

제5도의 (a)는 위상 변조기, (b)는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계형 변조기, (c)는 방향성 결합기(directional coupler)형의 스위치이다.

제5도의 (a)에서 신호 전극은 전압 인가용 전극으로 사용됨과 동시에 고차모드를 흡수하는 역할도 한다.

그러나 변조용 신호 전극에 의한 고차 모드 흡수만으로 높은 소멸비가 얻어지지 못할 경우 흡수층의 전극을 제5도의 (a)에서와 같이 따로 두어 소멸비를 높일 수 있다.

제5도의 (b)와(c)의 경우도 변조/스위칭용 전극은 (a)의 경우와 같이 신호 전압 인가 뿐만 아니라 고차 모드 성분을 흡수하는 역할도 한다.

그리고 (a)의 경우와 같이 추가적으로 흡수용 전극을 두어 변조/스위칭 소멸비를 증가시킬 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명은 고차 모드에 대한 전극손실 및 결합손실을 조절하면 다중 모드 영역에서도 소멸비가 높은 변조기/스위치 제작이 가능하며, 따라서 앞에서 언급한 다중 모드 영역의 장점을 활용한 소자의 제작이 가능하다.

Claims (3)

1. 실리콘 기판 상부에 하부전극, 하부 클래딩, 도파층, 상부 클래딩 및 상부전극의 다층 박막 구조로 이루어진 도파로형 고분자 전기광학 변조기/스위치의 구조에 있어서, 상기 도파층의 두께가 기본모드(0차) 이외에 고차모드(1차, 2차, 3차)까지 도파할 수 있는 다중모드 영역에 있고, 상기 상부와 하부 클래딩층의 외부에 위치한 전극을 신호 변조 뿐만 아니라 도파광에 대한 흡수체로도 사용하여, 도파로를 통과한 최종 출력에서 기본 모드의 상 하부 전극에 의한 총도파 손실과 나머지 교차모드의 총도파 손실이 일정 감쇠도(15dB) 이상 차이 나도록 클래딩의 두께를 적정화시킨 수직 구조를 갖는 도파로로 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 고분자 전기광학 변조기/스위치의 구조.
2. Mach-Zehnder 간섭계 형태의 도파로형 변조기에 있어서, 양 팔 위의 변조용 전극 이외에 고차 모드 흡수를 위한 전극을 따로 두는 것을 특징으로 하는 도파로형 고분자 전기광학 변조기/스위치 구조.
3. 방향성 결합기 형태의 도파로형 전기광학 변조기/스위치에 있어서, 양 팔 위의 스위칭용 전극 이외에 고차모드 흡수를 위한 전극을 따로 두는 것을 특징으로 하는 도파로형 고분자 전기광학 변조기/스위치 구조.