KR100238421B1 - 광 모드 크기 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유와의 결합 효율을 향상시키기 위한 광 모드 크기 변환기에 관한 것으로서, 주 도파로 부분은 굴절률이 가장 큰 주 코아층과 굴절률이 주 코아층과 클래드층의 중간인 보조 코아층으로 구성하고, 모드 변환기 부분은 주 코아층을 완전히 제거하여 보조 코아층만 클래드층에 매립하고, 도파로 중심축을 가운데로 하여 두 개의 공기 채널이 기판 아래까지 식각하여 형성시키면서 간격이 서서히 넓어지도록 하며, 상기 주 도파로에서 진행되어온 광파가 광모드 변환기 부분으로 접속되면서 산란되려 할 때 옆면에 형성되어 있는 공기 채널층에 의해 전반사가 일어나 퍼지는 빛이 다시 모여지게 하면서 커지게 하고, 광 모드가 준 단일 모드로 유지하게 하여 광섬유와의 광 결합 효율을 최대화 시킬 수 있는 구조로서, 제작 방법이 비교적 간단하여 넓은 면적에 균일하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 재현성 및 경제성 측면에서의 문제점도 해결할 수 있는 효과가 있다.

Description

광 모드 크기 변환기 (Optical Spot Size Converter)

본 발명은 광섬유와의 결합 효율을 향상시키기 위한 광 모드 크기 변환기에 관한 것이다.

종래에 반도체 레이저와 같은 반도체 광도파로 소자를 모듈화하기 위한 광섬유와의 패키징은 모듈의 성능 및 가격을 결정짓는 중요한 공정중의 하나이다.

상기 반도체 광도파로 소자로부터 방출되는 빔의 크기는 작고 방사각이 큰 반면, 광섬유의 도파빔의 크기가 크고 방사각이 작게 나타나는 결과를 초래하게 된다.

이러한 도파빔의 불일치성으로 인하여 광섬유와의 패키징시 광 결합 효율이 작게 나타나는 결과를 초래하게 된다.

반도체 레이저로부터 방출되는 광을 최대한으로 광섬유에 결합시키기 위하여 일반적으로 렌즈를 이들 사이에 삽입시켜 빔의 모양을 서로 일치하도록 조절하여 결합률을 증대시키게 된다.

하지만 이러한 방법은 모듈의 제작 단가를 높일 뿐만 아니라 신뢰도 및 수율을 낮추는 요인이 되기도 한다.

특히, 여러 개의 입출력 광도파로가 좁게 형성되어 있는 광스위치 및 어레이 광원 등과 같은 경우에는 여러 개의 광섬유를 동시에 정렬시켜 패키징을 하여야 하므로 렌즈를 삽입시키는 것은 원리적으로 불가능하다.

이를 해결하는 방법 중의 하나로서 광섬유 끝에 광섬유 자체로 렌즈를 형성시킴으로써 광섬유의 접속각을 증가시키는 방법이 이용되기도 하나, 이 방법 만으로는 결합 효율의 개선에 한계가 있으며, 정렬 허용 오차가 작게 되므로 어레이 소자의 경우에는 어려움이 따른다.

따라서 단면이 수직으로 절단된 단일 모드 광섬유와 직접 패키징을 하기 위해서는 광도파로 소자의 형태를 변형시키는 방법을 고려하여야 한다.

이와 같이 반도체 레이저와 같은 반도체 도파로 광소자의 빔의 크기가 작고, 빔의 방사각이 큰 것은 InP계 및 GaAs계의 반도체 도파로에 있어서 클래딩층과 코아층의 굴절률 차이가 0.1∼0.3 정도로서 매우 크기 때문에 단일 모드를 만족시키는 도파로의 폭과 두께가 각까 1∼2㎛, 0.1∼0.3㎛ 정도로 작아지며, 도파빔의 크기도 이에 준하여 2∼3㎛ 정도로 작게 나타난다.

이에 반하여 광섬유의 도파빔의 크기가 9㎛ 정도로서 반도체 도파로와는 불일치가 발생하게 된다.

상기에 따라 반도체 도파로 내에서 방출되는 구조는 도파로 입출력단 부분의 코아층을 도파로 접합 부분에 수직하게 또는 수평으로 점점 가늘게 또는 좁게하여 도파되는 빔의 모양을 확장시켜 광섬유와의 빔 모양을 유사하게 조절하여 광 결합 효율을 높이는 방법으로서 기존의 제안된 것들을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 다중 선택적 식각 방법(multiple etching method using selective etching)은 도파로의 코아층을 선택적 식각이 가능한 여러 개의 중간층을 포함하도록 성장한 후, 여러 번의 식각 공정을 통하여 서서히 두께가 얇아지도록 하는 방법이다.

도 5a에서 5f에 개략적인 제작 방법을 나타내었는데 이 방법을 사용할 경우, 식각 단면에서의 광 반사 및 산란 손실을 작게 하기 위해서는 중간층의 갯수를 많이 하고, 그 만큼 많은 다단계의 식각 공정을 해야 하므로 제작상의 어려움이 있다.

두 번째로 선택적 상장 방법(selective area growth method)은 도 6에 나타낸 바와 같이 박막 성장이 일어나는 반도체 표면의 일부를

또는

박막(10)으로 덮어줄 경우, 이 유전체 박막의 주위에서는 박막이 없는 영역에 비해 성장 속도가 증가하게 되는 성질을 이용한 것이다.

따라서 점점 얇아지는 도파로를 만들기 위해서는 도파로의 주된 부분, 즉 두께가 일정한 부분을 선택적 성장을 하고, 얇아지는 영역은 일반적인 성장을 해야 한다.

이때 선택적 성장 방법은, 그 성장 특성상 일반적인 박막 성장에 비해 박막이 불균일하고, 격자 정합을 이루기도 어렵기 때문에 양질의 도파로 특성을 얻기가 어려운 문제가 따른다.

다음 그늘진 마스크를 이용한 성장 방법은(shadow masked growth)은, 박막을 성장시킬 반도체 표면에 도 7a에서 7b와 같은 마스크 형상을 제작한 후 도파로 층을 성장시킬 경우 성장 원료 기체가 유입되는 영역에 비해 실제 성장되는 영역의 표면적이 상대적으로 크며, 또한 비평면 형상이 존재하는 경우 원료 기체의 이동이 제한을 받게 되어 마스크 형상 내부에서의 반도체 박막의 성장 속도가 감소하게 되는 원리를 이용한 것이다.

이때 마스크 형상 내부에서 성장되는 박막의 성질을 좋게 하기 위해서는 일반적으로 마스크와 기판(1) 사이의 중간층을 약 5∼6㎛ 정도로 두껍게 해주어야 하는 단점이 있다.

도파로 폭을 점점 가늘게 하는 방법은, 도 8과 같이 도파로의 코아층 폭을 점차적으로 광 구속 계수를 작게 함으로써 도파빔의 크기를 작게 하여 광섬유와의 광결합 효율을 향상시키는 구조의 개략도이다.

그러나 이 구조의 경우에는 가늘어진 도파로 끝단의 크기에 따라 광결합 효율의 변화가 크게 나타나 최적의 광결합 조건에 대한 허용 오차가 0.1∼0.2㎛ 이하로서 매우 작아서 공정의 균일성 및 재현성 등에 많은 문제를 갖고 있다.

도 9는 상기 도 8의 개선된 구조로서, 주 코아층(2)보다 굴절률이 작은 보조 코아층(3)을 삽입한 구조로서 제작 공정의 허용 오차를 확장시킨 구조이다.

그러나 이 구조의 경우에도 도파로 폭을 0.1∼0.3㎛으로 좁게 형성하여야 하므로 전자빔을 이용한 리쏘그라피 공정을 해야 하고, 공정 조건이 까다로운 문제가 있다.

이외에도 광섬유와의 광결합 효율을 개선하기 위하여 도파로 형태에 따라 다양하게 구조들이 제안되고 있다.

그럼에도 불구하고 결합 효율을 높이면서 간단한 공정으로 문제를 해결할 수 있는 구종는 아직까지 제시되어지고 있지 않은 상황이다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 요약해 보면 다음과 같다.

첫째 선택적 성장법과 그늘진 마스크를 이용한 성장법에서는, 이들 방법으로 성장되는 영역의 도파로의 특성이 일반적인 성장시와 달라져서 균일한 도파로 층의 특성을 확보하기 어렵다는 점이다.

둘째 이렇게 동일한 조건에서 한 번에 성장하는 경우에 해당하는 다중 선택적 식각 방법의 경우 균일한 도파로 층의 특성은 얻을 수 있지만, 많은 수의 식각 과정을 반복해야만 얇아지는 도파로 구조를 얻을 수 있기 때문에 제작상의 어려움이 발생한다.

셋째 도파로의 폭을 점차적으로 가늘게 하는 구조에서는 도파로 끝 단의 크기에 따라 광결합 효율의 번화가 크게 나타나 최적의 광결합 조건에 대한 허용 오차가 0.1∼0.2㎛ 이하로서 매우 작아서 제작 공정의 균일성 및 재현성 등에 많은 문제를 갖고 있으며, 도파로 폭을 0.1∼0.3㎛으로 좁게 형성하여야 하므로 전자빔을 이용한 리쏘그라피 공정을 해야 하고, 공정 조건이 까다로운 문제를 갖고 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 얇아지는 영역과 그렇지 않은 영역의 성장이 똑같은 조건에서 한 번에 이루어지도록 하고, 한 번의 식각 공정을 이용하여 얇아지는 도파로 구조를 구현함으로써, 광도파로 소자의 입출력단 도파로의 구조를 개선하여 광섬유와의 광결합 효율을 증가시켜 모듈의 성능을 향상시키고, 저가격의 광모듈을 제작할 수 있는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 도파로 구조도,

도 2는 본 발명에 따른 도 1의 A-A' 부분의 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 도 1의 B-B' 부분의 단면도,

도 4a에서 4d는 본 발명의 제작 순서도,

도 5a에서 5f는 종래의 다단계 식각법을 이용한 모드 변환기 제작 순서도,

도 6은 종래의 그늘진 마스크를 이용한 모드 변환기 단면 개략도,

도 7a에서 7b는 종래의 코아층 넓이가 점점 가늘어지는 모드 변환기 개념도,

도 8은 종래의 코아층 넓이가 점점 가늘어지는 개선된 모드 변환기 개념도,

도 9는 종래의 코아층의 넓이가 점점 가늘어지는 개선된 모드 변환기 개념도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판(InP) 2 : 주 코아층(InGaAsP,

)

3 : 보조 코아층(InGaAsP,

) 4 : 식각되어 나타난 공기 채널층

5 : 모드 변환기 6 : 주 도파로

7 : 성장된 클래드층(InP) 8 : 포토레지스터

9 : InGaAs 10 :

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 굴절률이 제일 큰 주 코아층(2)과 굴절률이 주 코아층보다는 작은 보조 코아층(3)으로 이루어진 주 도파로 부분(6)과, 상기 주 코아층(2)은 제거하여 보조 코아층(3)만 클래드층(7)으로 매립하고, 두 개의 공기 채널 간격이 점차적으로 넓어지고 기판(1) 아래 부분까지 식각한 모드 변환기 부분(5)과, 상기 주 도파로(6)에서 진행되어온 광파가 광모드 변환기 부분(5)으로 접속되면서 산란되려 할 때 전반사를 일으켜 빛을 다시 모아 광모드가 준 단일 모드로 유지하게 하여 광섬유와의 광 결합 효율을 최대화시키는 공기 채널층(4)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 살명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 도파로 구조도로서, 폭기 작은 주 코아층(2)과 폭이 넓은 보조 코아층(3)으로 이루어진 주 도파로(6)와, 상기 주 코아층은 제거하고 보조 코아층만 클래드층(7)에 매립하고, 도파로 중심축을 가운데로 하여 간격이 점차적으로 커지고, 기판(1) 아래 부분까지 식각되어 형성된 두 개의 공기층으로 구성되어 있다.

상기 도 1에서 보는 바와 같이, 모드 크기를 광섬유의 모드 크기로 확장시키고자 하는 부분(5)에서 주 코아층(2)이 제거되어 있고, 보조 코아층(3)만 남아 있으며, 주 도파로(6)의 중심축을 중심으로 하여 간격이 점차적으로 커지는 두 개의 공기 채널이 있다.

이때 채널의 깊이는 기판 아래 부분까지 형성되어 있고, 끝 단에서의 간격은 광섬유 모드 크기와 유사하게 한다.

상기 주 도파로(6)에서 진행되어온 광파가 광모드 변환기 부분(5)으로 접속되면서 산란되려 할 것이다.

이때 옆면에 형성된 식각되어 나타난 공기 채널층(4)에 의하여 전반사가 일어나 퍼지는 빛이 다시 모여지게 하면서 커지게 되고, 광모드가 준 단일 모드로 유지하게 하여 광섬유와의 광 결합 효율을 최대화시킬 수 있는 구조로서, 제작법이 비교적 간단하여 넓은 면적에 균일하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 재현성 및 경제성 측면에서의 문제점도 해결할 수 있는 방법이다.

도 4a에서 4d는 본 발명의 제작 순서도로서, 매립형 도파로에 제안된 발명을 적용한 제작 순서도를 나타낸 것으로 간략히 설명하면 다음과 같다.

먼저 보조 코아층(3), 주 코아층(2) 및 클래드층(7)을 성장시키고, 주 도파로(6) 패턴을 형성하여 패턴 이외의 주 코아층(2) 부분을 식각한다.

이때 모드 변환기(5) 부분의 주 코아충(2)을 완전히 제거하고, 보조 코아층(3)의 패턴을 형성하여 식각하고, 모드 변환기(5) 부분에서 도파로 중심축을 중심으로하여 간격이 점차적으로 커지는 두 개의 공기 채널(4) 패턴을 형성하여 기판 부분 아래 2∼3㎛까지 식각한다.

상기와 같은 구조를 InP계에 적용하여 3차원 빔 전파 방법(Beam Propagation Method, BMP) 방법으로 전산 모의를 수행하여 제안된 구조가 광결합 효율을 향상시킬 수 있는지 검증을 하였다.

적용된 구조로서 기판 및 상부의 클래드층(7)은 InP(n=3, 17)이고, 주 코아층(2)은 InGaAsP(

=1.3 ㎛, t=0.3㎛, n-=3.381), 보조 코아층(3)은 InGaAsP(

=1.28㎛, t=0.1㎛, n=3.268)이며, 주 코아층(2)의 넓이는 1.5㎛, 보조 코아층(3)의 넓이는 10㎛이었다.

채널 부분의 넓이는 2㎛로 하였고, 채널 간격은 채널 안쪽을 기준으로하여 3㎛에서 9㎛로 증가시킨 구조이다.

상기 계산 결과의 모드 변환기 부분에서 도파되는 파형이 준 단일 모드를 유지하고 있음을 확인하였으며, 도파빔의 반치 폭이 9㎛인 광섬유와의 접속 효율은 약 73％(-1.36dB)로 양호하게 나타났다.

이러한 모드 변화가 없는 경우에는 10％에 불과함에 비추어 상당한 개선이 되었음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 광도파로 소자의 입출력단 도파로의 구조를 개선하여 높은 효율의 광 결합 효율을 증가시켜 모듈의 성능을 향상시키고, 저가격의 광모듈을 제작할 수 있는 방법을 제공함으로써, 제작법이 비교적 간단하여 넓은 면적에 균일하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 재현성 및 경제성 측면에서의 문제점도 해결할 수 있으므로 반도체 광집적회로 분야의 발전에 기여할수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 광섬유와의 광 결합효율을 향상시키기 위한 모드 변환기에 있어서,

   굴절률이 제일 큰 주 코아층(2)과 굴절률이 주 코아층보다 작고 클래드층보다 큰 보조 코아층(3)으로 이루어진 주 도파로(6) 부분과;

   상기 주 코이층은 제거하여 보조 코아층만 클래드층(7)으로 매립하고, 기판(1) 아래 부분까지 식각되어 있으면서 간격이 점차적으로 커지는 두 개의 공기 채널층으로 구성된 모드 변환기(5) 부분과;

   상기 주 도파로(6)에서 진행되어온 광파가 광모드 변환기(5) 부분으로 접속되면서 산란되려 할 때 전반사를 일으켜 빛을 다시 모아 광모드가 준 단일 모드로 유지하게 하여 광섬유와의 광 결합 효율을 최대화시키는 공기 채널층(4)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 모드 크기 변환기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 모드 변환기(5) 부분은

   주 코아층(2)을 제거하고, 보조 코아층(3)만 남겨 주 도파로(6)의 중심축을 중심으로 하여 간격이 점차적으로 커지는 두 개의 공기 채널층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 모드 크기 변환기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(1)은

   InP로 되어 있고, 주 코아층(2)은 InGaAsP이며, 보조 코아층(3)은 주 코아층 보다 굴절률이 작고 기판 보다 굴절률이 큰 InGaAsP로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 광 모드 크기 변환기.

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