KR100270320B1 - 전반사를 이용한 직선 광도파로열 격자 파장분할 광도파로 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전반사를 이용한 직선 도파로열 파장 분할 광도파로 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광도파로 소자는 도파로열 부위를 전반사를 이용한 직선 도파로열을 이용하여 제작한다. 종래의 도파로열을 이용한 파장분할 광도파로 소자는 도파로열이 곡선 도파로로 구성되어 있어 소자의 전체 크기가 커지고 곡선 도파로 부위에서 도파광의 방사손실이 발생하고 이러한 방사손실은 인접한 도파로로의 도파광의 커플링이 발생하여 소자의 성능을 저하시키는 등의 문제점이 있다. 그러나 본 발명에 따라 전반사를 이용한 직선 도파로를 사용하면 평판 도파로에서 여기된 광파는 전반사 도파로 식각면 영역에서 모두 반사되고 전반사 도파로와 연결되는 직선 도파로로 광파가 도파되어 곡선 도파로에서 발생하는 방사손실이 최소화되고, 소자의 크기 또한 소형화시킬 수 있다. 또한 도파로열이 직선 도파로로 구성되어 있어 다른 기능을 갖는 광도파로 소자와의 집적이 용이하다.

Description

전반사를 이용한 직선 광도파로열 격자 파장분할 광도파로 소자

본 발명은 반도체 및 광통신 분야에 관한 것으로, 특히 광통신 시스템을 구성하는 소자중 하나인 집적광학 광도파로 소자(Integrated-Optic Waveguide Devices)에 관한 것이며, 더 자세히는 직선적인 광도파로열 격자를 가진 파장분할 광도파로 소자에 관한 것이다.

광도파로열 격자를 이용한 파장분할 다중화기, 역다중화기 및 라우터(router)의 기능을 가지는 광도파로 소자는 최근 파장을 기본 매개로 하는 광통신 시스템을 구성하는 가장 중요한 소자이다.

종래의 일반적인 파장분할 광도파로 소자는 입/출력 도파로. 두 개의 평판 도파로 및 도파로열 격자로 구성된다. 입/출력 도파로는 1×N, N×1 또는 N×N으로 구성되어 입력 광신호의 다중화, 역다중화의 기능을 하게되고, 입/출력 도파로 사이의 상호간 신호의 규칙적 연결이 가능한 라우터의 기능을 갖는다.

이를 자세히 살펴보면, 우선 입력 도파로를 통해 들어온 광신호는 입력 평판 도파로에서 퍼져나가 도파로열 격자에 여기된다. 도파로열 격자는 두 개의 평판 도파로 사이에 정렬되어 신호를 전달한다. 도파로열 격자의 이웃하는 도파로들은 일정한 길이 차이를 가져 입력 파장(λ1∼λn)에 따른 인접한 도파로간의 위상변위차를 일으키며, 이는 출력 평판 도파로에서 집속되는 광신호의 방향에 영향을 미친다. 따라서 같은 입력단자에서 여기된 다른 파장의 신호는 파장에 따라 다른 출력단자로 전달된다.

이러한 파장분할 기능을 갖는 광도파로 소자를 제작하는데 있어서, 가장 중요한 기술은 도파로열 격자 사이의 정확한 길이 차이를 유지시키는 정교한 패턴을 제작하는 것이다

광도파로열 격자를 이용한 파장분할 광도파로 소자는 리튬나이오베이트, III족-V족 반도체, 실리카(silica) 및 폴리머(polymer) 재료를 이용하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 지금까지 연구되어 온 도파로열 격자를 이용한 파장분할 광도파로 소자는 도파로열 격자가 곡선 도파로로 구성되어 있다. 이하, 이에 관한 몇 가지 대표적인 예를 소개한다.

첫째로, 「Y. Hida et al., IEE Electron. Lett., Vol. 30, No. 12, pp. 959∼960, 1994」에서는 폴리머 재료를 이용하여 곡선 광도파로열 격자를 이용한 파장분할 광도파로 소자를 제작하였다. 둘째로, 「H. Okayama et al., IEEE J. Lightwave Technol., Vol. 14, No. 6, pp. 985∼990, 1996」에서는 리튬나이오베이트 기판에 곡선 광도파로열과 도파로열 격자 중간에 전체적인 전반사 거울을 사용한 파장분할 광도파로 소자를 제작하였다. 셋째로, 「M. Zirngible et al., IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 5, No. 11, pp. 1250∼1253, 1992」에서는 인듐포스파이트(InP) 기판에 곡선 광도파로열 격자를 이용하여 파장분할 광도파로 소자를 제작하였다. 넷째로, 「H. Takahashi et al., IEEE I. Lightwave Technol., Vol. 12, No. 6, pp. 989∼995, 1994」에서는 실리카를 이용한 광도파로 소자에서 곡선 광도파로열 격자를 이용하여 파장분할 광도파로 소자를 제작하였다.

그런데, 상술한 종래 기술에서와 같이 곡선 도파로열 격자를 사용하면 곡선 도파로 부위에서의 도파광이 외부로 빠져나가는 방사손실이 발생하여 소자의 손실이 증가하고, 이를 줄이기 위해 큰 곡률반경을 가지는 곡선 도파로를 사용하면 제작된 소자의 전체 크기가 커지는 단점을 가지게 된다. 또한, 곡선 도파로 부위에서 발생된 도파광의 방사손실은 인접한 도파로로의 도파광 커플링이 유발하여 소자의 성능을 저하시키는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 곡선 광도파로열 격자를 이용하여 제작한 파장분할 광도파로 소자 보다 소자의 크기가 작고, 삽입 손실이 작으며 이웃하는 도파로로의 도파광의 커플링을 개선하는 전반사를 이용한 직선형 광도파로열 격자 파장분할 광도파로 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전반사를 이용한 직선 광도파로열 격자 파장분할 광도파로 소자의 개략도.

도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 직선 광도파로열 격자 파장분할 광도파로 소자의 전반사형 직선 도파로 영역의 개요도.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 직선 광도파로열 격자 파장분할 광도파로 소자의 제조 공정도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 입력 도파로 11 : 출력 도파로

12 : 입력 평판 도파로 13 : 출력 평판 도파로

14 : 도파로열 격자 15 : 전반사형 도파로 영역

16 : 전반사 도파로 식각면 17 : 입사광

18 : 반사광

본 발명으로부터 제공되는 특징적인 파장분할 광도파로 소자는 입력 평판 도파로와, 출력 평판 도파로와, 상기 입력 평판 도파로와 상기 출력 평탄 도파로 사이에 정렬되어 광신호를 전달하는 다수의 도파로열을 구비하는 파장분할 광도파로 소자에 있어서, 상기 다수의 도파로열이 각각 상기 입력 평판 도파로로부터 입사된 상기 광신호를 직선 도파로로 전반사하는 제1 전반사 도파로 식각면; 상기 직선 도파로; 및 상기 직선 도파로로부터 입사된 상기 광신호를 전반사하여 상기 출력 평판 도파로 전달하는 제2 전반사 도파로 식각면을 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상술한다.

본 발명에 따른 파장분할 광도파로 소자의 개략적인 구성을 첨부된 도 1에 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 기본적으로 입/출력 도파로(10, 11)와 입/출력 평판 도파로(12, 13) 및 이들을 연결시키는 전반사를 이용한 직선 도파로열 격자(14)로 구성된다.

입/출력 도파로(10, 11)는 1×N , N×1 또는 N×N으로 구성되어 입력 광신호의 다중화, 역다중화의 기능을 하게되고, 입/출력 도파로(10, 11) 사이에 상호간 신호의 규칙적 연결이 가능한 라우터의 기능을 갖는다. 입력 도파로(10)를 통해 들어온 광신호는 입력 평판 도파로(12)에서 퍼져나가 도파로열 격자에 여기된다. 도파로열 격자(14)는 두 개의 평판 도파로(12, 13) 사이에 정렬되어 신호를 전달한다. 도파로열 격자(14)의 이웃하는 도파로들은 일정한 길이 차이를 나게 하여 입력 파장(λ1∼λn)에 따른 인접한 도파로간의 위상변위차를 일으키며, 이는 출력 평판 도파로(13)에서 집속되는 광신호의 방향에 영향을 미친다. 따라서 같은 입력단자에서 여기된 다른 파장의 신호는 파장에 따라 다른 출력단자로 전달된다. 도 1의 하단의 원내에 입사광의 전반사를 발생하게 하는 전반사형 도파로 영역(15)을 따로 도시하였다. 전반사형 도파로 영역(15)은 도파로열 격자(14)의 앞 부분과 뒷 부분에 각각 제공된다. 도파로를 통해 입사된 입사광(17)은 도파로 식각면(16)에서 전반사되어 반사광(18)을 이룬다.

첨부된 도면 도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 전반사형 도파로 영역(15)의 구성을 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전반사형 도파로 영역(15)의 구성은 기판(20)과, 기판(20) 상부에 적층된 도파로 하부 클래드층(21), 도파로 코아층(22) 및 도파로 식각면 영역(23)으로 구성된다. 여기서, 도파로 식각면 영역(23)은 도파로 코아층(22)의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 공기(air)층을 제공하기 위하여 도파로 하부 클래드층(21)을 식각하여 형성된 것이다. 도면 부호 '22a'는 도파로 식각면을 나타낸 것이다.

첨부된 도면 도 2b는 전반사가 발생하는 부분의 모식도를 나타낸 것으로, 도파로 코아층(22)과 전반사 도파로 식각면 영역(23)의 경계에서 도파광의 전반사가 일어나기 위한 조건은 전반사 도파로 식각면(22a)의 수직 방향으로부터 θ의 각도를 이루어 진행하는 입사광(24)의 각도가 sin^-1(n_air/n_c)로 정의되는 θ_cr보다 클 경우이다. 여기서, n_air는 공기의 굴절률, n_c는 도파로 코아층(22)의 굴절률을 나타낸 것이다. 만약 입사광(24)의 각도 θ가 θ_cr보다 작을 경우에는 양 경계면을 통하여 방사된다. 도면 부호 '24'는 입사광, '25'는 반사광을 각각 나타낸 것이다.

첨부된 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파장분할 광도파로 소자의 제조 공정을 상기한 전반사형 도파로 영역(15)에 국한하여 도시하였다. 준비된 기판(30) 상에 광도파로의 하부 클래드층(31)을 형성하고, 그 상부에 하부 클래드층(30) 보다 굴절률이 큰 코아층 재료(32)를 증착한다. 이때, 기판(30)으로는 리튬나이오베이트, III족-V족 반도체, 실리카 및 폴리머 재료를 이용할 수 있다. 계속하여 광식각 기술을 사용하여 증착된 코아층 재료를 식각하여 직선 광도파로(32a)를 패터닝한 다음, 다시 광식각 기술을 사용하여 전반사가 발생하는 도파로 식각면(32b)을 패터닝한다. 이어서 전반사가 발생하지 않는 부분을 제외한 전반사 도파로 식각면의 영역(33)은 도파로의 면에 수직인 방향으로 하부 클래드층(31)까지 식각해 낸다. 이때, 식각은 수직 식각 특성이 우수한 플라즈마를 이용한 건식식각 기술을 사용한다. 특히 본 발명에 따른 광도파로 소자의 광도파손실을 줄이기 위해서는 전반사 식각면에서의 식각후 거칠기가 매우 작아야 한다. 마지막으로 광파의 입출력을 위한 단면 형성을 위해 단면 절개법(cleaving) 또는 단면 연마 방법(polishing)을 사용하면 소자의 제작이 완료된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 전반사를 이용한 직선 도파로로 사용하면 평판 도파로에서 여기된 광파는 전반사 도파로 영역에서 모두 반사되고 전반사 도파로와 연결되는 직선 도파로로 광파가 도파되어 곡선 도파로를 사용함에 따라 피할 수 없는 방사손실이 최소화되고, 소자의 크기 또한 소형화시킬 수 있다. 아울러 이웃하는 도파로로의 도파광의 커플링이 발생하지 않기 때문에 출력단자에서 누화(cross-talk)율을 줄일 수 있다. 또한 도파로열이 직선 도파로로 구성되어 있어 다른 기능을 갖는 광도파로 소자와의 집적이 용이하다. 제안된 전반사를 이용한 도파로열 격자 파장분할 광도파로 소자는 소자의 소형화, 저손실, 고성능의 제품을 만들기에 유리하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 전반사를 이용한 직선 도파로열 격자 파장분할 광도파로 소자는 종래의 도파로열 파장분할 광도파로 소자에 비해 소자의 크기를 대폭 줄일 수 있고, 곡선 도파로로의 방사 광도파손실을 막을 수 있어 광 손실이 작은 장점을 가지고 있다. 또한 단위 소자의 크기가 작고 도파로열이 직선 도파로로 구성되어 있어 다른 광도파로 소자들과 집적이 용이하여 새로운 형태의 광도파로 소자를 제작할 수도 있다.

Claims (3)

1. 입력 평판 도파로와, 출력 평판 도파로와, 상기 입력 평판 도파로와 상기 출력 평탄 도파로 사이에 정렬되어 광신호를 전달하는 다수의 도파로열을 구비하는 파장분할 광도파로 소자에 있어서,

   상기 다수의 도파로열이 각각

   상기 입력 평판 도파로로부터 입사된 상기 광신호를 직선 도파로로 전반사하는 제1 전반사 도파로 식각면;

   상기 직선 도파로; 및

   상기 직선 도파로로부터 입사된 상기 광신호를 전반사하여 상기 출력 평판 도파로 전달하는 제2 전반사 도파로 식각면을 포함하여 이루어진 파장분할 광도파로 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전반사 도파로 식각면이

   기판 상에 제공되는 하부 클래드층과, 상기 하부 클래드층 상에 제공되는 광도파 코아층에 걸쳐 제공되는 것을 특징으로 하는 파장분할 광도파로 소자.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전반사 도파로 식각면에 입력되는 상기 광신호는 상기 식각면에 수직하는 기준선과 적어도 sin^-1(공기의 굴절률/상기 광도파 코아층의 굴절률)의 각도를 이루며 입사되는 것을 특징으로 하는 파장분할 광도파로 소자.

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