KR100333900B1 - 모드모양 변환기, 그 제작 방법 및 이를 구비한 집적광학 소자 - Google Patents

모드모양 변환기, 그 제작 방법 및 이를 구비한 집적광학 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모드모양 변환기, 그 제작 방법 및 이를 구비한 집적광학 소자에관한 것으로, 광섬유들과 광소자의 기능 수행부의 입출력측 사이에 위치하여 광섬유들의 모드와 기능 수행부의 입출력단의 모드를 결합하는 모드모양 변환기에 있어서, 기판; 기판에 코팅되고, 코팅된 층중 소정 부분이 식각된 하부 클래드층; 식각된 부분에 형성되는 하위 립 광도파로; 하위 립 광도파로 및 식각되지않은 하부 클래드층위에 형성되는 코아층; 코아층위에 하위 립 광도파로와 정렬하여 소정 형태로 형성되는 상위 립 광도파로; 및 상위 립 광도파로 및 코아층위에 형성되는 상부 클래드층을 포함함을 특징으로한다.
본 발명에 의하면, 단일 매질로 이루어진 코아를 사용하고, 하위 립 광도파로에 의한 요철 패턴이 결합영역과 변환영역 일부에만 존재하므로 상위 립 광도파로의 패턴 형성이 어렵지않게되어 제작 공정이 간단하며, 모드모양 변환기의 입력부 광도파로가 원형 모드를 갖기때문에 결합효율이 크다.

Description

모드모양 변환기, 그 제작 방법 및 이를 구비한 집적광학 소자{Mode shape converter, its manufacturing method and integrated optical device comprising it}
본 발명은 모드모양 변환기, 그 제작 방법 및 이를 구비한 집적광학 소자에 관한 것으로, 특히 광소자의 입출력단에 위치하여 광섬유를 통해 광소자에 입출력되는 광을 결합하는 모드모양 변환기, 그 제작 방법 및 이를 구비한 집적광학 소자에 관한 것이다.
집적광학 기술은 광도파로를 기반으로하는 여러 가지 광소자를 한 기판내에 제작하는 기술을 말한다. 집적광학 기술을 이용하면 단위 광소자간의 정렬이 용이하기 때문에 작은 면적에 복잡한 다기능 광소자를 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있다.
집적광학 소자의 구현하기 위한 광도파로 구조로 립 광도파로(Rib Waveguide)를 들 수 있다. 립 광도파로는 평면 광도파로의 코아층 일부만을 식각하여 만든 채널 광도파로(Channel Waveguide)로서, 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 코아층과 클래드층에 대한 굴절률 선택의 폭이 넓다. 둘째, 코아층과 클래드층의 굴절률 차이에 관계없이 단면적이 넓은 단일 모드 광도파로를 구성할 수 있다. 셋째, 식각 깊이를 주 공정 변수로 이용하여 모드 분포 및 전파 상수 등의 광특성을 용이하게 조절할 수 있다. 넷째, 사각 광도파로에 비해 식각 깊이가 얕기 때문에 보다 정밀한 패턴 구현이 가능하다. 다섯째, 코아층 식각시 발생하는 소자 결함,예를 들어, 비등방성(Anisotropic) 식각에 의한 패턴 크기의 오차, 재료가 스트레스(stress)를 갖는 경우 식각 공정중 발생하는 갈라짐(crack) 현상, 식각 부산물의 되쌓임에 의한 결함 등을 줄일 수 있다.
이러한 장점들에도 불구하고 립 광도파로는 광섬유와 광소자의 광도파로 사이를 결합할 때, 결합손실이 매우 크다는 단점이 있다. 단일 모드 광섬유의 모드 분포는 가로:세로 비가 1:1인 원형이며 그 크기는 약 10μm정도로 비교적 큰 편이지만, 립 광도파로의 모드는 가로폭이 세로폭보다 큰 타원형이며 그 크기도 광섬유의 그것보다 작은 경우가 많다. 따라서, 접속부분을 진행하는 광파는 모드모양 부정합에 의해 불연속을 느끼고 반사되거나 산란되면서 결합손실(Coupling Loss)을 겪는다. 이를 해결하기 위하여 집적광학 소자의 입출력단에 모드모양 변환기(Mode Shape Converter)를 삽입한다. 모드모양 변환기는 광섬유 모드를 광소자의 기능 수행에 적합한 모드모양으로 서서히 변화시켜 결합손실을 감소시키는 기능을 수행한다.
도 1은 종래의 모드모양 변환기의 구조도로서, 미국 특허 제5,078,516호에 개시되어 있다. 도 1에 따른 모드모양 변환기는 제1광도파로(100), 제2광도파로(102) 및 기판(104)로 구성된다. 106은 입력부이고 108은 출력부를 나타낸다. 110은 제1, 제2광도파로(100, 102) 및 기판(104)의 굴절률을 도시한 것이다. 제1광도파로(100)는 광소자의 기능 수행에 적합하게 작은 모드 크기를 갖도록 설계된다. 제2광도파로(102)는 제1광도파로(100)보다 굴절률이 작으며, 광섬유와의 입출력 결합에 유리하게 큰 모드 크기를 갖도록 설계된다.
입력부(106)의 광도파로는 제2광도파로(102)만으로 구성된다. 제2광도파로(102)는 광파를 깊이 방향으로 국한시키기위해 공기(air)를 상부 클래드층으로, 기판(104)을 하부 클래드층으로 사용한다. 또한, 광파를 길이방향으로(longitudinally) 국한시키기 위해 코아층의 일부를 식각하여 립 광도파로 형태로 구성한다.
출력부(108)의 광도파로는 제1광도파로(100)만으로 구성된다. 출력부(108)의 제1광도파로(100)의 구조는 입력부(106)의 립 광도파로 구조와 달리 스트립 로디드 광도파로(Strip Loaded Waveguide) 구조를 갖는다. 공기를 상부 클래드층으로 이용하며, 제2광도파로(102)를 하부 클래드층으로 이용한다.
입력부(106)와 출력부(108) 사이는 광섬유로부터 입력되어 결합된 모드가 손실없이 광소자의 기능 수행에 적합한 모드형태로 변하도록 모드변환 영역을 둔다. 모드변환 영역을 통해 큰 모드 크기를 갖는 립 광도파로는 작은 모드크기를 갖는 스트립 로디드 광도파로로 변환된다. 이것은 제1광도파로(100)와 제2광도파로(102)의 폭을 서서히 증가시켜 구현한다. 제1광도파로(100)의 폭과 제2광도파로(102)의 폭은 동시에 증가하지만, 제1광도파로(100)의 굴절률이 제2광도파로(102)의 굴절률보다 크기 때문에 도파광은 제1광도파로(100)로 서서히 이동하게되고, 출력부(108)에 이르러서는 대부분의 도파광의 파워가 제1광도파로(100)쪽에 놓이게 된다.
도 2(a)는 상술한 모드모양 변환기의 입력부의 모드 프로파일(mode profile)이고, 도 2(b)는 출력부의 모드 프로파일을 도시한 것이다.
그러나, 이러한 모드모양 변환기를 구비한 집적광학 소자는 다음과 같은 문제점을 갖는다. 첫째, 굴절률이 서로 다른 재질의 두 코아층이 필요하고, 요철모양의 제2광도파로위에 제1광도파로를 정밀하게 형성해야 하므로 제작 공정이 번거롭다. 둘째, 도 2(a)에 도시된 바와 같이 입력부의 모드 크기는 크지만 여전히 타원형의 도파 모드를 갖는 립 광도파로 구조이기 때문에 원형모드를 갖는 광섬유와의 결합손실 최소화에 한계를 갖는다. 셋째, 입력부 광도파로의 모드 크기를 크게 하기위해서 축소 테이퍼링(Down-Tapering) 구조를 이용하므로, 광도파로 테이퍼의 길이가 길어지고, 모드 변환 도중 발생하는 도파 손실이 크다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 단일 매질의 이중 광도파로를 구비하고, 상기 이중 광도파로는 확대 테이퍼링(Up-Tapering)구조로 제작되는 모드모양 변환기, 그 제작 방법 및 이를 구비한 집적광학 소자를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 모드모양 변환기의 구조도이다.
도 2(a)는 도 1에 도시된 모드모양 변환기의 입력부의 모드 프로파일이다.
도 2(b)는 도 1에 도시된 모드모양 변환기의 출력부의 모드 프로파일이다.
도 3은 본 발명에 의한 모드모양 변환기의 구조도이다.
도 4는 도 3의 각 영역의 단면과 해당 영역에서의 모드를 도시한 것이다.
도 5는 도 3의 하위 립 광도파로 및 상위 립 광도파로의 평면도이다.
도 6은 도 3의 모드모양 변환기의 결합영역에 대한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 따른 모드모양 변환기의 제작 공정을 도시한 것이다.
도 8은 광섬유 모드 및 본 발명에 따른 이중 립 광도파로 모드를 도시한 것이다.
도 9는 도 3에 도시된 변환영역의 동작을 보여주는 3차원 빔 전파 방법(3D Beam Propagation Method)의 시뮬레이션 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 모드모양 변환기를 구비한 집적광학 소자를 도시한것이다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 광섬유들과 광소자의 기능 수행부의 입출력측 사이에 위치하여 상기 광섬유들의 모드와 상기 기능 수행부의 입출력단의 모드를 결합하는 모드모양 변환기에 있어서, 기판; 상기 기판에 코팅되고, 상기 코팅된 층중 소정 부분이 식각된 하부 클래드층; 상기 식각된 부분에 형성되는 하위 립 광도파로; 상기 하위 립 광도파로 및 식각되지않은 하부 클래드층위에 형성되는 코아층; 상기 코아층위에 상기 하위 립 광도파로와 정렬하여 소정 형태로 형성되는 상위 립 광도파로; 및 상기 상위 립 광도파로 및 상기 코아층위에 형성되는 상부 클래드층을 포함함을 특징으로한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 광섬유들과 광소자의 기능 수행부의 입출력측 사이에 위치하여 상기 광섬유들의 모드와 상기 기능 수행부의 모드를 결합하는 모드모양 변환기를 제작하는 방법에 있어서, 기판에 하부 클래드층을 코팅하는 제1단계; 상기 하부 클래드층에 식각 마스크를 패터닝하고, 상기 패턴에 따라 소정 깊이로 식각하는 제2단계; 상기 식각된 하부 클래드층에 코아층을 코팅하여 하위 립 광도파로 및 코아를 형성하는 제3단계; 상기 코팅층에 식각 마스크를 패터닝하고, 상기 패턴에 따라 상기 코팅층을 식각하여 상위 립 광도파로를 형성하는 제4단계; 및 상기 코아 및 상기 상위 립 광도파로에 상부 클래드층을 코팅하는 제5단계를 포함함을 특징으로한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 광소자의 기능 수행부의 입출력단에 위치하여 입력되는 광섬유 모드를 상기 광소자의 기능 수행에 적합한 모드로 변환하는 제1모드모양 변환기, 상기 제1모드모양 변환기와 반대방향으로 위치하여 상기 기능 수행부에서 출력되는 모드를 광섬유 모드로 변환하는 제2모드모양 변환기를 구비하는 집적광학 소자에 있어서, 상기 제1모드모양 변환기 및 제2모드모양 변환기는 기판; 상기 기판에 코팅되고, 상기 코팅된 층중 소정 부분이 식각된 하부 클래드층; 상기 식각된 부분에 형성되는 하위 립 광도파로; 상기 하위 립 광도파로 및 식각되지않은 하부 클래드층위에 형성되는 코아층; 상기 코아층위에 상기 하위 립 광도파로와 정렬하여 소정 형태로 형성되는 상위 립 광도파로; 및 상기 상위 립 광도파로 및 상기 코아층위에 형성되는 상부 클래드층을 포함함을 특징으로한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 의한 모드모양 변환기의 구조도이다. 도 3에 따른 모드모양 변환기는 기판(300), 하부 클래드층(302), 하위 립 광도파로(304), 코아(306), 상위 립 광도파로(308) 및 상부 클래드(310)를 포함한다. 참조번호 312는 결합영역(Coupling Region), 314는 변환영역(Conversion Region) 및 316는 안정화 영역(Stabilization Region)이다. 하위 립 광도파로, 코아 및 상위 립 광도파로(304, 306, 308)는 모두 동일한 재질로 형성된다.
도 4(a), 4(b) 및 4(c)는 각각 도 3의 결합영역(312), 변환영역(314) 및 안정화 영역(316)의 단면과 해당 영역에서의 모드를 도시한 것이다. 광섬유와 연결되는 결합영역(312)의 원형모드가 변환영역(314)을 거치면서 점차 타원형 모드로 변환되고, 안정화 영역(316)에서는 광소자의 기능 수행에 적합한 타원형 모드가 된다.
도 5(a) 및 5(b)는 각각 도 3의 하위 립 광도파로(304) 및 상위 립 광도파로(308)의 구조에 대한 평면도이다. WLi, WUi는 하위 및 상위 립 광도파로의 입력측 폭을 나타내고, WLf, WUf는 하위 및 상위 립 광도파로의 출력측 폭을 나타낸다. 도시된 바에 따르면, 각 영역에 따라 광도파로의 구조가 달라짐을 알 수 있다. 하위 립 광도파로(304)의 폭은 서서히 감소하여 0가 되고, 상위 립 광도파로(308)의 폭은 광소자의 기능 수행에 적합한 광 도파로의 폭까지 서서히 증가한다. 여기서, 광소자의 기능은 광파의 변조, 스위칭 또는 필터링 등을 말한다.
결합영역(312)은 광섬유와 결합되는 영역으로, 결합효율을 높이기위해 결합영역의 모드가 광섬유의 모드와 동일한 크기와 모양을 갖도록 설계된다. 이 영역은 단일 매질로 구성된 코아를 갖는 이중 립 광도파로(Double Rib Waveguide) 구조로 되어있다. 이중 립 광도파로는 단일 립 광도파로인 상위 립 광도파로(308)와 상위 립 광도파로의 아래쪽에 뒤집힌(Inverted) 립 광도파로인 하위 립 광도파로(304)가 구비된 광도파로이다. 상위 립 광도파로(308)는 광소자의 기능 수행부에 연결되는 광도파로이다. 하위 립 광도파로(304)는 이중 립 광도파로의 기본 모드(Fundamental Mode)가 광섬유의 원형 모드와 잘 일치하도록 그 폭과 깊이가 조절된다.
변환영역(314)은 결합영역(312)에서 결합된 광파를 광소자의 기능 수행에 적합한 모드 모양으로 변환시키는 영역으로, 변환도중 발생하는 복사손실을 최소화하기위해 단열조건(Adiabatic Condition)이 만족되도록 설계된다. 이 영역은 광도파로를 따라 하위 립 광도파로의 폭이 점차 줄어듦으로써 결합영역의 원형모드를 광소자의 기능 수행에 적합한 타원형의 립 광도파로 모드로 변하도록 한다. 하위 립 광도파로(304)의 폭이 줄어들면 하위 립 광도파로(304)에 한정되는 광파워는 점차 줄어들고 광파는 상위 립 광도파로(308)로 이동한다. 이 때 하위(304) 및 상위 립 광도파로(308) 폭의 변화는 복사손실이 최소화되도록 설계된다.
안정화 영역(316)은 모드변환과정에서 발생하는 고차 모드를 제거하고 광소자의 기능 수행에 적합한 모드를 광소자의 기능 수행부에게 전달한다. 이 영역은 상위 립 광도파로(308)만으로 구성된다. 변환된 광파를 기능 수행에 적합한 모드만남기고 나머지 고차모드는 기판으로 복사시킨다.
상술한 구조를 갖는 모드모양 변환기는 다음과 같이 설계되어 제작된다. 먼저, 광소자의 기능 수행부에 적합한 광도파로 구조를 결정한다. 본 발명에서는 타원형 모드모양을 갖는 립 광도파로를 고려한다. 다음, 광섬유의 모드모양과 일치하는 입력부 광도파로 구조를 결정한다. 축소 테이퍼링 방법과 같이 입력부의 광도파로의 단면적을 줄여서 광섬유의 모드모양과 광도파로의 모드모양을 일치시키는 경우, 광도파로 단면모양의 작은 변화에도 효율적인 입력 결합이 어려워진다. 따라서, 효율적인 입력 결합과 광도파로 단면모양의 오차 허용도를 높이기위해 확대 테이퍼링 방법과 같이 단면적이 큰 광도파로 구조를 설계한다. 본 발명에서는 단일 립 광도파로(상위 립 광도파로)의 아래쪽에 큰 단면적을 갖는 뒤집힌 립 광도파로(하위 립 광도파로)를 구비한 이중 립 광도파로를 구성하여 모드 크기가 크고 모양이 원형인 모드를 갖도록 한다.
다음으로, 입력부와 출력부를 연결하는 광도파로 테이퍼를 설계한다. 큰 원형모드를 타원형 모드로 만들기 위해서는 깊이 방향의 테이퍼가 필요한데, 본 발명에서는 폭 방향 테이퍼링만으로 깊이 방향 테이퍼링 효과를 줄 수 있도록 하위(304) 및 상위 립 광도파로(308)를 설계한다. 하위 립 광도파로(304)의 폭을 서서히 감소시키면 하위 립 광도파로(304)를 진행하는 광파가 서서히 상위 립 광도파로(308)로 밀어 올려진다. 상위(308) 및 하위 립 광도파로(304) 폭의 변화는 모드 변환과정에서 발생하는 복사손실이 최소화되도록 결정된다.
모드모양 변환기의 단면설계는 다음과 같이 이루어진다. 도 6은 본 발명에따른 모드모양 변환기의 결합영역에 대한 단면도이다. 참조번호 600은 기판, 602는 하부 클래드, 604는 하위 립 광도파로, 606은 코아, 608은 상위 립 광도파로 그리고 610은 상부 클래드이다. WUi는 상위 립 광도파로(608)의 입력측 폭, Dt는 코아 박막의 두께, DUi는 상위 립 광도파로(608) 형성을 위한 식각 깊이, DLi는 하위 립 광도파로(604) 형성을 위한 식각 깊이, WLi는 하위 립 광도파로(604)의 입력측 폭이다.
각 파라미터는 다음과 같이 결정할 수 있다. 예를 들어, 광소자의 기능 수행에 적합한 상위 립 광도파로 구조를 설계하여 일부 파라미터들, Dt, DUi그리고 WUf를 결정한다면, 광섬유의 모드와 최대의 결합 효율을 갖도록 결합영역의 단면을 결정짓는 나머지 파라미터들, 즉, WLi, DLi및 WUi를 다음 식으로부터 결정할 수 있다. 결합 효율은 이중 립 광도파로의 모드와 광섬유 모드의 중첩적분(Overlap Integral)으로부터 얻어진다. 중첩적분은 결합모드이론(Coupled Mode Theory)으로부터 다음 식과 같이 표현된다.
여기서, E광섬유, E결합영역는 각각 광섬유와 결합영역의 모드분포이다. 수학식 1에 따르면, 두 모드 분포가 동일하고 정확히 정렬되면 중첩적분 값은 1이 된다.
상술한 바와 같이 설계되어 제작된 하위 및 상위 립 광도파로의 패턴 그리고 식각깊이에 따라 모드모양 변환기를 제작한다. 도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 따른 모드모양 변환기의 제작 공정을 도시한 것이다. 모드모양 변환기의 재질로는 반도체 재료(Si, GaAs, InP), 유전체 재료(LiNbO3, LiTaO3), 폴리머(Polymer) 등을 이용할 수 있다. 도 7a 내지 도 7g에 도시된 과정은 폴리머를 이용한 제작공정이다.
도 7a단계는 실리콘(Si) 기판(700)에 폴리머를 코팅하여 하부 클래딩층(702)을 형성한다. 도 7b단계는 하부 클래딩층(702) 위에 다크 필드 마스크(Dark Field Mask)를 이용한 사진공정(Photolithography)으로 하위 립 광도파로를 형성하기 위해 식각 마스크(704)를 사용하여 패터닝한다. 도 7c단계는 마스크 패턴 및 식각 깊이에 따라 하부 클래딩층을 건식식각한다. 도 7d단계는 식각된 하부 클래딩층(706)에 폴리머를 코팅하여 코아층(708)을 형성한다. 도 7e는 코아층(708)위에 상위 립 광도파로 형성을 위해서 브라이트 필드 마스크(Bright Field Mask)를 하위 립 광도파로 패턴에 정렬하고 사진공정으로 하위 립 광도파로의 식각 마스크 패턴(710)을 형성한다. 도 7f단계는 식각 마스크 패턴(710)에 따라 상술한 과정에서 결정된 깊이만큼의 코아층(708)을 건식식각하여, 코아(712)와 상위 립 광도파로(714)를 형성한다. 도 7g단계는 코아(712) 및 상위 립 광도파로(714)위에 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩층(716)을 형성한다.
도 8은 광섬유 모드 및 본 발명에 따른 이중 립 광도파로 모드를 도시한 것이다. 본 발명에서는 광섬유와 이중 립 광도파로 사이의 결합정도를 알기 위해 유한 차분법(Finite Difference Method)을 이용한 단면 모드 해석 방법과 상기 중첩적분식을 이용하여 결합효율을 계산하였다. 도 8(a)에 도시된 광섬유 모드에서 광섬유의 코아층과 클래드층의 굴절률은 각각 1.461과 1.457이고(비굴절률 %=0.27%), 광섬유 코아의 직경은 9이다. 1.55파장에서 광파 세기의폭과깊이가 모두 10.61인 원형 모드이다.
수치모사에 사용된 이중 립 광도파로의 각 파라미터는 다음과 같다. 코아층의 굴절률은 1.5337, 클래드층의 굴절률은 1.5169이다(비굴절률 %=1.2%). 상위 립 광도파로의 폭 WUf은 5, 식각 깊이 DUi는 1.5이며, 코아층의 두께 Dt는4.0이다. 이 때 하위 립 광도파로의 폭과 깊이를 변화시키며 최대의 결합효율을 갖는 하위 립 광도파로의 폭 WLi및 식각 깊이 DLi를 구한다. WLi가 11.5, DLi가 7.5일 때 중첩적분 값이 0.9889로 최대였으며, 이를 손실로 환산하면 0.05dB로 작은 결합손실을 갖는다. 이 때, 결합영역의 모드는 도 8(b)와 같이 광파 세기의폭과깊이가 각각 10.61와 10.26이며, 가로 대 세로의 비가 1.034이다.
변환영역은 결합영역에 입력 결합된 광파를 안정화영역의 립 광도파로로 전달하기위해 하위 및 상위 립 광도파로의 폭을 변화시키는 영역이다. 상위 립 광도파로의 폭은 모드모양 변환기의 입력측 폭 WUi에서 광소자에 연결되는 출력측 폭 WUf까지 변한다. 하위 립 광도파로의 폭은 길이방향으로 점차 감소하여 0이 됨으로써 하위 립 광도파로에 위치한 광파가 상위 립 광도파로쪽으로 이동하도록 한다.
도 9는 변환영역의 동작을 보여주는 3차원 빔 전파 방법(3D Beam Propagation Method)의 시뮬레이션 결과이다. 짙은 부분이 광의 세기가 큰 부분이다. 결합영역에서 하위 립 광도파로에 위치한 광파가 변환영역을 거치면서 점진적으로 상위 립 광도파로쪽으로 이동해 감을 알 수 있다. 상위 립 광도파로로 이동한 광파는 안정화 영역으로 들어가 고차 모드를 복사시킨 후 광소자로 전달된다.
도 10은 본 발명에 따른 모드모양 변환기를 구비한 집적광학 소자를 도시한 것이다. 도 10에 따른 집적광학 소자는 입력단 모드모양 변환기(1000), 기능 수행부(1002) 및 입력단 모드모양 변환기(1000)와 반대로 삽입되는 출력단 모드모양 변환기(1004)를 구비한다.
입력단 모드모양 변환기(1000)와 출력단 모드모양 변환기(1004)는 각각 광섬유(1006, 1008)와 연결된다. 입력단 모드모양 변환기(1000)는 제1광섬유(1006)에서 입력된 광파 모드를 변환하여 기능 수행부(1002)로 출력하고, 출력단 모드모양 변환기(1004)는 기능 수행부(1002)에서 출력되는 모드를 원형 모드로 변환하여 제2광섬유(1008)로 출력한다. 따라서, 출력단 모드모양 변환기(1004)는 입력단 모드모양 변환기(1000)와 반대로 삽입된다.
본 발명에 의하면, 단일 매질로 이루어진 코아를 사용하고, 하위 립 광도파로에 의한 요철 패턴이 결합영역과 변환영역 일부에만 존재하므로 상위 립 광도파로의 패턴 형성이 어렵지 않게 되어 제작 공정이 간단하다. 또한, 모드모양 변환기의 입력부 광도파로가 원형 모드를 갖기때문에 결합효율이 크다. 입력 광도파로를위해서 광도파로 폭을 확대시키는 확대 테이퍼링(Up-Tapering) 구조를 이용하므로, 광도파로의 테이퍼 길이가 짧고 모드변환 도중 발생하는 도파손실이 작다.

Claims (12)

  1. 광섬유들과 광소자의 기능 수행부의 입출력측 사이에 위치하여 상기 광섬유들의 모드와 상기 기능 수행부의 입출력단의 모드를 결합하는 모드모양 변환기에 있어서,
    기판;
    상기 기판에 코팅되고, 상기 코팅된 층의 일부가 축소 테이퍼링 형태로 식각된 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층의 식각된 부분에 형성되는 하위 립 광도파로;
    상기 하위 립 광도파로 및 상기 하부 클래드층에서 식각되지않은 부분에 형성되는 코아층;
    상기 코아층위에 상기 하위 립 광도파로와 정렬하여 확대 테이퍼링 형태로 형성되는 상위 립 광도파로; 및
    상기 상위 립 광도파로 및 상기 코아층위에 형성되는 상부 클래드층을 포함함을 특징으로하고,
    상기 하위 립 광도파로를 진행하는 광이 상기 하위 및 상위 립 광도파로의 폭의 변화에 따라 그 모드모양이 변화되는 모드모양 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하위 립 광도파로는
    상기 광섬유 모드와 결합되는 모드를 갖는 결합영역; 및
    상기 결합영역의 모드가 상기 상위 립 광도파로로 이동되도록 그 폭이 상기 결합영역의 폭으로부터 감소하여 0가 되는 변환영역을 구비함을 특징으로하는 모드모양 변환기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 결합영역의 폭은
    상기 결합영역의 모드가 상기 상위 립 광도파로로 이동될 때 발생하는 복사손실이 최소화되도록 감소됨을 특징으로하는 모드모양 변환기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 결합영역의 입력측 단면은
    상기 코아층의 두께, 상기 상위 립 광도파로의 두께 및 상기 상위 립 광도파로의 출력측 폭을 소정 값으로 정했을 때, 상기 광섬유 모드와 상기 결합영역의 모드와의 결합효율이 최대가 되도록 그 폭과 두께가 결정됨을 특징으로하는 모드모양 변환기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 상위 립 광도파로는
    상기 하위 립 광도파로의 결합영역에 정렬되는 결합영역;
    상기 하위 립 광도파로의 변환영역에 정렬되고 상기 하위 립 광도파로로부터 이동되는 모드가 상기 기능 수행부에 적합한 모드로 변환되는 변환영역; 및
    상기 변환영역에서 도파되는 모드를 상기 기능 수행부로 출력하는 안정화 영역을 구비함을 특징으로하는 모드모양 변환기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상위 립 광도파로의 결합영역의 입력측 폭은
    상기 코아층의 두께, 상위 립 광도파로의 두께 및 상기 상위 립 광도파로의 출력측 폭을 소정 값으로 정했을 때, 상기 광섬유 모드와 상기 상위 및 하위 립 광도파로의 결합영역 모드의 결합효율이 최대가 되도록 결정됨을 특징으로하는 모드모양 변환기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 상위 립 광도파로의 변환영역의 폭은
    상기 결합영역 모드가 상기 기능 수행부의 동작에 적합한 모드로 변화할 때 발생하는 복사손실이 최소화되도록 변화됨을 특징으로하는 모드모양 변환기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 상위 립 광도파로, 코아 및 하위 립 광도파로는
    동일 재질로 형성됨을 특징으로하는 모드모양 변환기.
  9. 광섬유들과 광소자의 기능 수행부의 입출력측 사이에 위치하여 상기 광섬유들의 모드와 상기 기능 수행부의 모드를 결합하는 모드모양 변환기를 제작하는 방법에 있어서,
    기판에 하부 클래드층을 코팅하는 제1단계;
    상기 하부 클래드층에 상기 하부 클래드층의 일부가 축소 테이퍼링 형태로 식각되도록 제1식각 마스크를 패터닝하고, 패터닝 결과에 따라 소정 깊이로 식각하는 제2단계;
    식각된 하부 클래드층 및 식각되지않은 하부 클래드층을 코팅하여 하위 립 광도파로 및 코아층을 형성하는 제3단계;
    상기 코팅층에 상기 코팅층이 상기 하위 립 광도파로와 정렬하여 확대 테이퍼링 형태로 식각되도록 제2식각 마스크를 패터닝하고, 패터닝 결과에 따라 상기 코팅층을 식각하여 상위 립 광도파로를 형성하는 제4단계; 및
    식각된 코아층 및 상기 상위 립 광도파로에 상부 클래드층을 코팅하는 제5단계를 구비함을 특징으로하는 모드모양 변환기의 제작 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2단계 또는 제4단계의 패터닝은
    상기 상위 립 광도파로의 식각 깊이, 상기 코아층의 두께 및 상기 상위 립 광도파로의 출력측 폭이 정해지면, 정해진 값들로부터 하위 립 광도파로의 식각 깊이, 하위 립 광도파로의 입력측 폭 및 상기 상위 립 광도파로의 입력측 폭을 포함하는 파라미터들중 적어도 어느 하나를 결정하여 그 형태를 결정하되 상기 모드모양 변환기의 입력측 모드와 광섬유 모드의 결합효율이 최대가 되도록 결정함을 특징으로하는 모드모양 변환기의 제작 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하위 및 상위 립 광도파로 폭의 변화는
    상기 상위 립 광도파로의 출력측 모드가 상기 광소자의 기능 수행부의 동작에 적합한 모드로 변환될 때 모드 복사손실이 최소화되도록 변화됨을 특징으로하는 모드모양 변환기의 제작방법.
  12. 광소자의 기능 수행부의 입출력단에 위치하여 입력되는 광섬유 모드를 상기 광소자의 기능 수행에 적합한 모드로 변환하는 제1모드모양 변환기, 상기 제1모드모양 변환기와 반대방향으로 위치하여 상기 기능 수행부에서 출력되는 모드를 광섬유 모드로 변환하는 제2모드모양 변환기를 구비하는 집적광학 소자에 있어서, 상기 제1모드모양 변환기 또는 제2모드모양 변환기는
    기판;
    상기 기판에 코팅되고, 상기 코팅된 층의 일부가 축소 테이퍼링 형태로 식각된 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층의 식각된 부분에 형성되는 하위 립 광도파로;
    상기 하위 립 광도파로 및 상기 하부 클래드층의 식각되지않은 부분에 형성되는 코아층;
    상기 코아층위에 상기 하위 립 광도파로와 정렬하여 확대 테이퍼링 형태로 형성되는 상위 립 광도파로; 및
    상기 상위 립 광도파로 및 상기 코아층위에 형성되는 상부 클래드층을 포함함을 특징으로하고,
    상기 하위 립 광도파로를 진행하는 광이 상기 하위 및 상위 립 광 도파로의 폭의 변화에 따라 상기 상위 립 광도파로로 이동하여 그 모드모양이 변화되는 집적광학 소자.
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