KR100335368B1 - waveguide amplifier having dual waveguide structure and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 희토류 금속 이온을 함유하지 않은 저손실 광도파로의 클래드층 상부 또는 하부에 광증폭을 위한 희토류 금속 이온 함유 광도파로층을 구비하여, 파장 다중화기, 광 분기기 등과 같은 여러 기능 소자를 저손실 광도파로에 집적할 수 있는 이중 도파로형 광증폭기를 제공하는데 특징이 있다. 저손실 광도파로의 클래드층과 희토류 금속 이온 함유 광도파로층 사이에는 방향성 결합기를 구성하여 상하로 광 결합이 일어나게 함으로써 저손실 도파로의 장점과 광증폭 기능을 동시에 구현한다. 이와 같이 본 발명은 신호광 및 펌핑광의 전송을 주목적으로 하는 저손실 광도파로의 클래드층 상부 또는 하부에 희토류 금속 이온이 함유된 광증폭용 도파로층을 형성하여 각각의 광도파로층이 가지고 있는 저손실 전송 기능과 광증폭 기능의 장점을 동시에 갖는 효율 좋은 이중 도파로형 광증폭기를 제공할 수 있다.The present invention includes a rare earth metal ion-containing optical waveguide layer for optical amplification above or below the cladding layer of the low loss optical waveguide containing no rare earth metal ions, thereby reducing various loss of optical elements such as a wavelength multiplexer, an optical splitter, and the like. It is characterized by providing a dual waveguide type optical amplifier that can be integrated in a waveguide. A directional coupler is formed between the cladding layer of the low-loss optical waveguide and the rare-earth metal ion-containing optical waveguide layer to realize optical coupling up and down to realize the advantages of the low-loss waveguide and the optical amplification function simultaneously. As described above, the present invention forms a light amplification waveguide layer containing rare earth metal ions on or under the cladding layer of a low loss optical waveguide mainly intended for transmission of signal light and pumped light. It is possible to provide an efficient dual waveguide type optical amplifier having the advantages of the optical amplifier function at the same time.
Description
본 발명은 광소자 제조 분야에 관한 것으로서, 특히 광 통신 기술에 사용되는 광증폭기에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of optical device manufacturing, and more particularly, to an optical amplifier used in optical communication technology.
장거리 광 통신의 경우 신호광으로 사용되는 1550 ㎚ 대역의 광 신호가 전송 선로를 지나면서 잡음이나 전송 선로의 손실에 의하여 점차 약화된다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 광 신호를 증폭시켜 주는 증폭기가 사용된다.In the case of long-distance optical communication, the optical signal of 1550 nm band, which is used as signal light, is gradually weakened by noise or loss of the transmission line as it passes through the transmission line. Therefore, to solve this problem, an amplifier that amplifies the optical signal is used.
도 1은 종래 섬유형 광증폭기 구조를 보이는 개략이다. 도 1과 같은 섬유형광증폭기에서는, 아이솔레이터(105A)를 통과한 신호광 입력(101)이 펌퍼 레이저 다이오드(103)로부터 발생한 펌프광과 파장 다중화기(104)에서 합쳐진 후 희토류 첨가 광섬유(106)를 지나며 증폭되고 아이솔레이터(105B)를 지나 신호광 출력(102)으로 나오게 된다. 도 1과 같은 광섬유 증폭기는 희토류 첨가 광섬유(106)의 단위길이에 도핑할 수 있는 희토류 금속 이온의 양이 한정되어 있기 때문에 희토류 첨가 광섬유의 길이가 수십 미터 이상으로 길어져야 하는 문제점이 있다.1 is a schematic view showing a conventional fibrous optical amplifier structure. In the fiber fluorescent amplifier as shown in FIG. 1, the signal light input 101 passing through the isolator 105A is combined with the pump light generated from the pump laser diode 103 by the wavelength multiplexer 104 and then passed through the rare earth-added optical fiber 106. And passes through the isolator 105B to the signal light output 102. The optical fiber amplifier of FIG. 1 has a problem that the length of the rare earth-added optical fiber should be longer than several tens of meters because the amount of rare earth metal ions that can be doped in the unit length of the rare earth-added optical fiber 106 is limited.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서 도 2와 같은 구조의 평면 도파로형 광증폭기가 고려되고 있다. 종래의 평면 도파로형 광증폭기의 경우는 도 1과 같은 광섬유 증폭기의 희토류 금속 이온 첨가 광섬유(106) 부분을 희토류 금속 이온 함유 도파로(201)로 대체한 구조로 이루어진다.A planar waveguide optical amplifier having a structure as shown in FIG. 2 is considered as a method for solving this problem. In the conventional planar waveguide type optical amplifier, the rare earth metal ion-added optical fiber 106 of the optical fiber amplifier of FIG. 1 is replaced with the rare earth metal ion-containing waveguide 201.
광증폭을 위한 희토류 금속 이온 함유 도파로(201)는 Er, Tm, Pr, Yb 등의 희토류 금속 이온을 함유하고 있으며, 펌핑광과 신호광이 동시에 전송될 경우 펌핑광 에너지의 일부가 전자 천이 작용에 의하여 신호광으로 전이되면서 신호광의 증폭이 일어나는 도파로층이다. 그런데, 평면 도파로형 광증폭기에 이용되는 희토류 금속이온 함유 광도파로는 일반적으로 신호 및 펌핑광에 대한 전송 손실 값이 매우 크다. 따라서, 전송 손실이 큰 희토류 금속이온 함유 광도파로만을 이용하는 경우 여러 가지 기능소자를 집적하여 저손실 도파로를 제조하는 것이 불가능하다. 뿐만 아니라 신호광과 펌핑광을 결합시키기 위해서는 반드시 광섬유 등으로 만들어지는 파장 다중화기(104)를 외부에 부착해서 사용하여야 하는 제한이 있다.The rare earth metal ion-containing waveguide 201 for optical amplification contains rare earth metal ions such as Er, Tm, Pr, and Yb. The waveguide layer transitions into signal light and amplifies the signal light. By the way, the rare earth metal ion-containing optical waveguide used in the planar waveguide optical amplifier generally has a large transmission loss value for the signal and the pumped light. Therefore, when only a rare earth metal ion-containing optical waveguide having a large transmission loss is used, it is impossible to manufacture a low loss waveguide by integrating various functional elements. In addition, in order to combine the signal light and the pumping light, there is a limitation that the wavelength multiplexer 104 made of an optical fiber or the like must be attached to the outside.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 신호광의 증폭을 위하여 희토류 금속이온 함유 광도파로를 이용하는 평면 도파로형 광증폭기에 있어서, 광증폭 및 저손실 전송을 동시에 구현할 수 있으며 집적도를 향상시킬 수 있는 이중 도파로형 광증폭기 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention for solving the above problems is a planar waveguide type optical amplifier using a rare earth metal ion-containing optical waveguide for amplifying the signal light, it is possible to simultaneously implement the optical amplification and low-loss transmission, dual waveguide that can improve the integration An object of the present invention is to provide a fluorescent amplifier and a method of manufacturing the same.
도 1은 종래 섬유형 광증폭기의 기본 구조를 보이는 개략도,1 is a schematic view showing the basic structure of a conventional fiber type optical amplifier,
도 2는 종래 도파로형 광증폭기의 기본 구조를 보이는 개략도,2 is a schematic view showing the basic structure of a conventional waveguide type optical amplifier,
도 3은 파장 다중화기가 집적된 저손실 도파로 구조를 보이는 사시도,3 is a perspective view showing a structure of a low loss waveguide in which a wavelength multiplexer is integrated;
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이중 도파로형 광증폭기의 구조를 보이는 사시도,4 is a perspective view showing the structure of a dual waveguide type optical amplifier according to a first embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이중 도파로형 광증폭기의 구조를 보이는 사시도,5 is a perspective view showing the structure of a double waveguide optical amplifier according to a second embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이중 도파로형 광증폭기의 구조를 보이는 사시도,6 is a perspective view showing the structure of a dual waveguide type optical amplifier according to a third embodiment of the present invention;
도 7a 내지 도 7h는 본 발명의 실시예에 따른 이중 도파로형 광증폭기 제조 공정 순서도.7A to 7H are flowcharts illustrating a manufacturing process of a double waveguide optical amplifier according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 도면부호의 설명* Explanation of the reference numerals for the main parts of the drawings
101: 신호광 입력 102: 신호광 출력101: signal light input 102: signal light output
103: 펌퍼 레이저 다이오드 104: 파장 다중화기103: pumped laser diode 104: wavelength multiplexer
105A, 105B: 아이솔레이터 106: 희토류 첨가 광섬유105A, 105B: Isolator 106: Rare earth-doped optical fiber
201: 희토류 첨가 도파로 소자 40, 50: 실리콘 기판201: Rare earth-added waveguide element 40, 50: silicon substrate
41, 51: 버퍼층 42: 저손실 코아층41, 51: buffer layer 42: low loss core layer
43, 52: 신호광 입력 도파로 코아 44, 53: 펌핑광 입력 도파로 코아43, 52: signal light input waveguide core 44, 53: pumped light input waveguide core
45, 54: 파장 다중화기 46, 55: 신호광 출력 도파로 코아45, 54: wavelength multiplexer 46, 55: signal light output waveguide core
47, 56: 클래드층 48, 57: 광증폭용 도파로층47, 56: cladding layer 48, 57: waveguide layer for optical amplification
49: 광증폭용 도파로 58: 스트립 로딩형 도파로49: optically amplified waveguide 58: strip loading waveguide
60: 광증폭용 도파로의 외부 클래드 100: 테라스60: external cladding 100 of the optical amplification waveguide: terrace
200: 펌퍼 레이저 다이오드 칩 300A, 300B: 광섬유200: pumped laser diode chip 300A, 300B: optical fiber
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 희토류 금속이온이 함유된 제1물질로 이루어진 증폭용 도파로 및 그 각각이 희토류 금속이온이 함유되지 않은 제2물질로 이루어진 입력 도파로 및 출력 도파로를 구비하는 광증폭기에 있어서, 상기 증폭용 도파로의 일단부와 상기 입력 도파로가 클래드층을 사이에 두고 중첩되는 구조의 제1광결합기 및 상기 증폭용 도파로의 타단부와 상기 출력 도파로가 클래드층을 사이에 두고 중첩되는 구조의 제2광결합기를 포함하는 광증폭기를 제공한다.The present invention for achieving the above object is an optical amplifier having an input waveguide and an output waveguide made of a first wave material for amplifying a rare earth metal ion, and a second material each of which does not contain a rare earth metal ion 1. The first optical coupler having a structure in which one end of the amplifying waveguide and the input waveguide overlap each other with a clad layer interposed therebetween, and the other end of the amplifying waveguide and the output waveguide overlap each other with a clad layer interposed therebetween. An optical amplifier comprising a second optical coupler of structure is provided.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광증폭기에 있어서, 기판, 상기 기판 상에 형성된 버퍼층, 상기 버퍼층 상에 형성된 상기 신호광 입력 도파로, 상기 버퍼층 상에 상기 신호광 입력 도파로 코아와 분리되어 형성된 신호광 출력 도파로, 상기 버퍼층, 상기 신호광 입력 도파로 및 상기 신호광 출력 도파로를 덮는 클래드층 및 상기 클래드층 상부에 형성되고 그 일단부가 상기 신호광 입력 도파로 코아와 중첩되어 제1 광결합기를 이루고 그 타단부가 상기 신호광 출력 도파로 코아에 중첩되어 제2 광결합기를 이루는 제1 도파로를 포함하는 광증폭기를 제공한다.In another aspect of the present invention, an optical amplifier includes a substrate, a buffer layer formed on the substrate, the signal light input waveguide formed on the buffer layer, and a signal light output formed separately from the signal light input waveguide core on the buffer layer. A waveguide, a cladding layer covering the buffer layer, the signal light input waveguide and the signal light output waveguide and the cladding layer, one end of which is overlapped with the signal light input waveguide core to form a first optical coupler, and the other end of the signal light output An optical amplifier including a first waveguide overlapping the waveguide core to form a second optical coupler is provided.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광증폭기 제조 방법에 있어서, 기판 상부에 희토류 금속이온이 첨가되지 않은 제1 도파로층을 형성하는 제1 단계, 상기 제1 도파로층을 가공하여 신호광 입력 도파로 및 신호광 출력 도파로를 포함하는 도파로 소자를 형성하는 제2 단계, 상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 클래드층을 형성하는 제3 단계, 상기 클래드층 상에 광증폭용 제2 도파로층을 형성하는 제4 단계 및 상기 제2 도파로층을 선택적으로 식각하여 그 일단부 및 타단부가 각각 상기 신호광 입력 도파로와 신호광 출력 도파로와 중첩된 광증폭용 도파로를 형성하는 제5 단계를 포함하는 광증폭기 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object, in the optical amplifier manufacturing method, the first step of forming a first waveguide layer is added to the rare earth metal ion on the substrate, the first waveguide layer by processing the signal light input waveguide and A second step of forming a waveguide element including a signal light output waveguide, a third step of forming a cladding layer on the entire structure in which the second step is completed, and a step of forming a second waveguide layer for optical amplification on the cladding layer And a fifth step of selectively etching the second waveguide layer to form an optical amplification waveguide where one end and the other end thereof overlap with the signal light input waveguide and the signal light output waveguide, respectively. to provide.
희토류 금속 이온이 첨가되지 않은 광도파로는 광증폭 효과는 없으나 전송 손실이 작아 신호광 및 펌핑광을 저손실로 전송할 수 있다. 따라서, 희토류 금속 이온이 첨가되지 않은 광도파로에는 다중화기, 광분기기 등과 같은 손실이 작은 기능 소자를 집적할 수 있다.The optical waveguide without the addition of rare earth metal ions has no optical amplification effect, but the transmission loss is small, so that the signal light and the pumped light can be transmitted with low loss. Therefore, in the optical waveguide to which rare earth metal ions are not added, functional elements having low loss such as multiplexers, optical splitters, and the like can be integrated.
본 발명은 희토류 금속 이온을 함유하지 않은 저손실 광도파로(이하, 저손실 광도파로라 약함)의 클래드층 상부 또는 하부에 광증폭을 위한 희토류 금속 이온 함유 광도파로층을 구비하여, 파장 다중화기, 광 분기기 등과 같은 여러 기능 소자를 저손실 광도파로에 집적할 수 있는 이중 도파로형 광증폭기를 제공하는데 특징이 있다. 저손실 광도파로의 클래드층과 희토류 금속 이온 함유 광도파로층 사이에는 방향성 결합기를 구성하여 상하로 광 결합이 일어나게 함으로써 저손실 도파로의 장점과 광증폭 기능을 동시에 구현한다.The present invention includes a rare earth metal ion-containing optical waveguide layer for optical amplification above or below a clad layer of a low loss optical waveguide containing no rare earth metal ions (hereinafter, referred to as a low loss optical waveguide). It is characterized by providing a dual waveguide type optical amplifier that can integrate various functional elements such as a device into a low loss optical waveguide. A directional coupler is formed between the cladding layer of the low-loss optical waveguide and the rare-earth metal ion-containing optical waveguide layer to realize optical coupling up and down to realize the advantages of the low-loss waveguide and the optical amplification function simultaneously.
이와 같이 본 발명은 신호광 및 펌핑광의 전송을 주목적으로 하는 저손실 광도파로의 클래드층 상부 또는 하부에 희토류 금속 이온이 함유된 광증폭용 도파로층을 형성하여 각각의 광도파로층이 가지고 있는 저손실 전송 기능과 광증폭 기능의 장점을 동시에 갖는 이중 도파로형 광증폭기를 제공할 수 있다.As described above, the present invention forms a light amplification waveguide layer containing rare earth metal ions on or under the cladding layer of a low loss optical waveguide mainly intended for transmission of signal light and pumped light. It is possible to provide a dual waveguide type optical amplifier having the advantages of the optical amplifier function at the same time.
도3은 파장 다중화기가 집적된 저손실 광도파로를 보이는 사시도로서, 일반적으로 광이 도파되는 신호광 입력 도파로 코아(43), 펌핑광 입력 도파로 코아(44), 다중화기(45), 신호광 출력 도파로 코아(46) 그리고 이들 보다 굴절률이 낮은 버퍼층(41) 및 클래드층(47)으로 구성되어 있는 저손실 광도파로의 기본 구조를 보이고 있다. 이러한 구조의 저손실 광도파로는, 실리콘 등의 기판 위에 화염가수분해, 화학증착 등의 방법으로 형성되는 실리콘 유리 도파로를 이용하거나 또는 저손실 광학 유리를 사용한 이온교환 등의 방법으로 제조할 수도 있다.3 is a perspective view showing a low loss optical waveguide in which a wavelength multiplexer is integrated, in which a signal light input waveguide core 43, a pumping light input waveguide core 44, a multiplexer 45, and a signal light output waveguide core in which light is generally guided 46) shows a basic structure of a low loss optical waveguide composed of a buffer layer 41 and a cladding layer 47 having a lower refractive index. The low loss optical waveguide having such a structure may be manufactured by a silicon glass waveguide formed by a method such as flame hydrolysis, chemical vapor deposition on a substrate such as silicon, or by ion exchange using low loss optical glass.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이중 도파로형 광증폭기 구조를 보이는 사시도로서, 실리콘 기판(40) 상에 하부클래드층으로서 역할하는 버퍼층(41)이 형성되고, 버퍼층(41) 상에 그 각각이 희토류 금속이온이 함유되지 않은 물질로 형성되어 전송 손실이 적은 신호광 입력 도파로 코아(43), 신호광 입력 도파로 코아(43)와 제1 간격(d1)을 두고 중첩된 펌핑광 입력 도파로 코아(44), 펌핑광 입력 도파로 코아(44)와 연결되며 상기 제1 간격(d1)보다 좁은 제2 간격(d2)을 두고 상기 신호광 입력 도파로 코아(43)와 중첩되어 신호광과 펌프광을 합쳐주는 다중화기(45), 상기 신호광 입력 도파로 코아(43)와 분리된 신호광 출력 도파로 코아(46)가 형성된 것을 보인다. 상기 버퍼층(41), 신호광 입력 도파로 코아(43), 펌핑광 입력 도파로 코아(44), 다중화기(45) 및 신호광 출력 도파로 코아(46)는 모두 클래드층(47)으로 덮이고, 클래드층(47) 상에는 희토류 금속 이온 함유 물질로 이루어지며 그 일단부가 신호광 입력 도파로 코아(43)와 중첩되고 그 타단부가 신호광 출력 도파로 코아(46)에 중첩되어, 신호광 입력 도파로 코아(43)로부터 입사된 광을 신호광 출력 도파로 코아(43)로 증폭하여 전달하는 광증폭용 도파로 코아(49)가 위치한다. 본 발명의 제1 실시예를 보이는 도 4에서는 광증폭용 도파로 코아(49)를 리지(ridge)형으로 형성한 경우를 보이고 있다. 이 경우 클래드층(47) 상에 광증폭용 도파로 코아(49)를 이루는 희토류 금속 이온 함유층이 존재할 수도 있다.4 is a perspective view showing a structure of a double waveguide type optical amplifier according to a first embodiment of the present invention, in which a buffer layer 41 serving as a lower clad layer is formed on a silicon substrate 40, and a buffer layer 41 is formed on the buffer layer 41. Each of them is formed of a material containing no rare earth metal ions, so that the pumping light input waveguide core overlapped with the signal light input waveguide core 43 and the signal light input waveguide core 43 at a first interval d1 with low transmission loss. 44), a multiplexer connected to the pumped light input waveguide core 44 and overlapping the signal light input waveguide core 43 with a second distance d2 narrower than the first distance d1 to combine the signal light and the pump light. 45, it is shown that the signal light output waveguide core 46 separated from the signal light input waveguide core 43 is formed. The buffer layer 41, the signal light input waveguide core 43, the pumping light input waveguide core 44, the multiplexer 45, and the signal light output waveguide core 46 are all covered with a cladding layer 47, and the cladding layer 47. ) Is made of a rare earth metal ion-containing material, one end of which overlaps the signal light input waveguide core 43 and the other end of which overlaps the signal light output waveguide core 46 to receive light incident from the signal light input waveguide core 43. An optical amplification waveguide core 49 which amplifies and transmits the signal light output waveguide core 43 is positioned. In Fig. 4 showing the first embodiment of the present invention, the optical amplification waveguide core 49 is formed in a ridge type. In this case, a rare earth metal ion-containing layer constituting the optical amplification waveguide core 49 may be present on the cladding layer 47.
본 발명의 실시예에 따른 광증폭기의 상기 신호광 입력 도파로 코아(43)에는 1550 ㎚ 파장의 광이 입력되고, 상기 펌핑광 입력 도파로 코아(44)에는 980 ㎚ 파장의 광이 입력된다.Light of 1550 nm wavelength is input to the signal light input waveguide core 43 of the optical amplifier according to an embodiment of the present invention, and light of 980 nm wavelength is input to the pumping light input waveguide core 44.
도 4에 도시한 바와 같이, 클래드층(47)을 사이에 두고 희토류 금속 이온이 함유된 광증폭용 도파로 코아(49)의 양단부가 신호광 입력 도파로 코아(43)와 신호광 출력 도파로 코아(46)와 각각 중첩되어 1550 ㎚ 신호광 및 980 ㎚ 펌핑광이 상하로 커플링이 일어날 수 있도록 방향성 결합기 구조를 형성함으로써, 하부의 저손실 신호광 입력 도파로 코아(43)로부터 전달된 신호광과 펌핑광이 상부의 광증폭용 도파로 코아(49)로 결합되어 자연스럽게 이동되며 광증폭이 일어난 후 다시 하부의 저손실 신호광 출력 도파로 코아(46)로 이동되어 출력될 수 있다.As shown in FIG. 4, both ends of the optical amplification waveguide core 49 containing rare earth metal ions with the cladding layer 47 interposed therebetween are provided with a signal light input waveguide core 43 and a signal light output waveguide core 46. By overlapping each other, a directional coupler structure is formed so that 1550 nm signal light and 980 nm pumping light can be coupled up and down, so that the signal light and pumping light transmitted from the lower low loss signal light input waveguide core 43 are used for the optical amplification of the upper part. It is coupled to the waveguide core 49 and is naturally moved, and after the optical amplification occurs, the low-loss signal light output waveguide core 46 may be moved and output.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이중 광도파로형 광증폭기 구조를 보이는 사시도로서, 실리콘 기판(50) 상에 하부클래드층으로서 역할하는 버퍼층(51)이 형성되고, 버퍼층(51) 상에 그 각각이 희토류 금속이온이 함유되지 않은 물질로 형성되어 전송 손실이 적은 신호광 입력 도파로 코아(52), 펌핑광 입력 도파로 코아(53), 펌핑광 입력 도파로 코아(53)와 연결되며 상기 신호광 입력 도파로 코아(52)에 가깝게 중첩되어 신호광과 펌프광을 합쳐주는 다중화기(54), 상기 신호광 입력 도파로 코아(52)와 분리된 신호광 출력 도파로 코아(55)가 형성된 것을 보인다. 상기 버퍼층(51), 신호광 입력 도파로 코아(52), 펌핑광 입력 도파로 코아(53), 다중화기(54) 및 신호광 출력 도파로 코아(55)는 모두 상부 클래드층(56)으로 덮이고, 상부 클래드층(56) 상에는 희토류 금속이온이 함유된 광증폭 도파로층(57)이 형성되고, 광증폭 도파로층(57) 상에는 그 일단부가 신호광 입력 도파로 코아(52)와 중첩되고 그 타단부가 신호광 출력 도파로 코아(55)에 중첩되어, 신호광 입력 도파로 코아(52)로부터 입사되어 광증폭 도파로층(57)을 지나 증폭된 광을 신호광 출력 도파로 코아(55)로 전달하는 스트립 로딩형 도파로(58)가 위치한다. 스트립 로딩형 도파로(58)는 광증폭용 도파로층(57) 상대적으로 굴절률이 낮은 물질로 형성된다.FIG. 5 is a perspective view illustrating a structure of a dual optical waveguide type optical amplifier according to a second embodiment of the present invention, wherein a buffer layer 51 serving as a lower clad layer is formed on a silicon substrate 50, and is formed on the buffer layer 51. Each of which is connected to a signal light input waveguide core 52, a pumping light input waveguide core 53, and a pumping light input waveguide core 53, each of which is formed of a material containing no rare earth metal ions and thus has low transmission loss. It is shown that the multiplexer 54 overlapping the waveguide core 52 to combine the signal light and the pump light and the signal light output waveguide core 55 separated from the signal light input waveguide core 52 are formed. The buffer layer 51, the signal light input waveguide core 52, the pumping light input waveguide core 53, the multiplexer 54, and the signal light output waveguide core 55 are all covered by an upper cladding layer 56, and an upper clad layer. An optical amplification waveguide layer 57 containing rare earth metal ions is formed on the 56, and one end thereof overlaps the signal light input waveguide core 52 and the other end thereof is a signal light output waveguide core on the optical amplification waveguide layer 57. Overlaid on 55 is a strip loading waveguide 58 for transmitting light amplified from the signal light input waveguide core 52 and passing through the optical amplification waveguide layer 57 to the signal light output waveguide core 55. . The strip loading waveguide 58 is formed of a material having a relatively low refractive index.
각 도파로가 겹쳐지는 부분의 길이는 도파모드결합이론(Coupled Mode Theory) 등의 수학적 방법으로부터 신호광 및 펌핑광이 가장 적은 손실로 이송될 수 있도록 계산하여 결정할 수 있다.The length of the portion where each waveguide overlaps can be determined by calculating the signal light and the pumped light with the least loss from a mathematical method such as the coupled mode theory.
전술한 본 발명의 제1 실시예에서는 희토류 금속 이온이 함유된 증폭용 도파로를 클래드 없이 광을 전송할 수 있는 리지 형상으로 형성한 경우를 보이고 있다.그러나, 별도의 클래드가 코아 외부에 형성되는 일반적인 광도파로 구조를 사용하여 광증폭용 도파로를 형성할 수도 있다.In the above-described first embodiment of the present invention, an amplification waveguide containing rare earth metal ions is formed in the form of a ridge that can transmit light without a clad. However, a general clad light is formed outside the core. A waveguide structure can also be used to form waveguides for optical amplification.
즉, 본 발명의 제3 실시예를 보이는 도6에 도시한 바와 같이 광증폭용 도파로 코아(49) 주변에 광증폭용 도파로의 외부 클래드(60)를 형성할 수도 있다. 도 6에서 미설명 도면부호 '40' 내지 '47'은 전술한 도4의 구성과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.That is, as shown in Fig. 6 showing the third embodiment of the present invention, the external cladding 60 of the optical amplification waveguide may be formed around the optical amplification waveguide core 49. In FIG. 6, reference numerals '40' to '47' are the same as those of FIG. 4 described above, and thus detailed description thereof will be omitted.
또한, 전술한 본 발명의 제1 실시예 내지 제 3 실시예에서는 저손실 도파로가 하부에 형성되고 그 상부에 광증폭용 도파로가 형성되는 것을 설명하였지만, 위치를 서로 바꾸어 희토류 금속이온 함유 광증폭용 도파로 상에 저손실 도파로가 위치하는 구조의 광증폭기를 제조할 수도 있다.In addition, in the above-described first to third embodiments of the present invention, the low loss waveguide is formed in the lower portion and the optical amplification waveguide is formed in the upper portion thereof. An optical amplifier having a structure in which a low loss waveguide is positioned on the phase may be manufactured.
이하, 도 4에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 이중 도파로형 광증폭기 구조의 제조 방법을 도7a 내지 도7h를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the double waveguide type optical amplifier structure according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 4 will be described with reference to FIGS. 7A to 7H.
먼저 도7a에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(40) 상에 화염가수분해법을 이용하여 굴절률 차가 0.3 %인 20 ㎛ 두께의 버퍼층(41)과 희토류 금속이온이 첨가되지 않은 8 ㎛ 두께의 저손실 코아층(42)을 형성한다. 이때, 저손실 코아층(42)은 B,P, Ge 등이 첨가된 실리카 유리 등의 물질로 형성하며, 굴절율은 Ge의 첨가량으로 조절한다. 상기 버퍼층(41)은 B, P 등이 첨가된 실리카 유리로 이루어지며 하부클래드로서 역할한다.First, as shown in FIG. 7A, a 20 μm-thick buffer layer 41 having a refractive index difference of 0.3% and a 8 μm-thick low-loss core layer having no rare earth metal ions added thereto using the flame hydrolysis method on the silicon substrate 40. To form 42. At this time, the low loss core layer 42 is formed of a material such as silica glass to which B, P, Ge, or the like is added, and the refractive index is adjusted by the amount of Ge added. The buffer layer 41 is made of silica glass to which B, P, and the like are added, and serves as a lower cladding.
다음으로 도7b에 도시한 바와 같이, 열증착을 통하여 2000 Å 두께의 Cr막(도시하지 않음)을 저손실 코아층(42) 상에 형성한 후 포토리소그라피 및 습식식각 공정으로 Cr막을 선택적으로 제거하여 식각마스크로 이용될 크롬막 패턴을 형성하고, 이온결합플라즈마(ICP; Ion Coupled Plasma)를 이용하여 크롬막 패턴으로 덮이지 않은 저손실 코아층(42)을 식각하여 신호광 입력 도파로 코아(43), 신호광 입력 도파로 코아(43)와 제1 크기의 간격을 두고 중첩된 펌핑광 입력 도파로 코아(44), 펌핑광 입력 도파로 코아(44)와 연결되며 상기 제1 크기의 간격보다 좁은 제2 크기의 간격을 두고 상기 신호광 입력 도파로 코아와 중첩되어 신호광과 펌프광을 합쳐주는 다중화기(45), 신호광 입력 도파로 코아(43)와 분리된 신호광 출력 도파로 코아(46)를 형성한다.Next, as illustrated in FIG. 7B, a Cr film (not shown) having a thickness of 2000 Å (not shown) is formed on the low loss core layer 42 through thermal evaporation, and thereafter, the Cr film is selectively removed by photolithography and wet etching. A chromium film pattern to be used as an etching mask is formed, and a low loss core layer 42 which is not covered by the chromium film pattern is etched using an ion coupled plasma (ICP) to signal light input waveguide core 43 and signal light. A second sized gap connected to the input waveguide core 43 and the pumped light input waveguide core 44 and the pumped light input waveguide core 44 overlapping each other at a first sized interval and narrower than the first sized gap; The multiplexer 45 overlaps the signal light input waveguide core and combines the signal light and the pump light to form a signal light output waveguide core 46 separated from the signal light input waveguide core 43.
이어서, 크롬막 패턴을 제거하고 화염가수분해법을 이용하여 도 7c에 도시한 바와 같이 신호광 입력 도파로 코아(43), 펌프광 입력 도파로 코아(44), 다중화기(45), 신호광 출력 도파로 코아(46) 및 버퍼층(41)을 덮는 클래드층(47)을 형성한다. 이때, 클래드층(47)은 신호광 입력 도파로 코아(43)와 펌프광 입력 도파로 코아(44) 사이 그리고, 신호광 입력 도파로 코아(43)와 다중화기(46) 사이에도 채워진다.Subsequently, the chromium film pattern is removed, and then, using the flame hydrolysis method, as shown in FIG. 7C, the signal light input waveguide core 43, the pump light input waveguide core 44, the multiplexer 45, and the signal light output waveguide core 46 are shown. And a cladding layer 47 covering the buffer layer 41. At this time, the cladding layer 47 is also filled between the signal light input waveguide core 43 and the pump light input waveguide core 44 and between the signal light input waveguide core 43 and the multiplexer 46.
다음으로 도7d에 도시한 바와 같이, 액적 분무 화염가수분해법(AFD; Aerosol Flame Hydrolysis Deposition)을 이용하여 약 8 ㎛ 두께의 광증폭용 도파로층(48)을 형성한다. 광증폭용 도파로층(48)은 2 wt%의 Er이온이 함유된 규산염 유리층으로 형성하거나 또는 2 wt%의 Er 이온과 5 wt%의 Yb 이온이 함께 첨가된 인산염 유리층으로 형성할 수도 있다.Next, as illustrated in FIG. 7D, an optical amplification waveguide layer 48 having a thickness of about 8 μm is formed by using aerosol flame hydrolysis (AFD). The optical amplification waveguide layer 48 may be formed of a silicate glass layer containing 2 wt% Er ions or a phosphate glass layer in which 2 wt% Er ions and 5 wt% Yb ions are added together. .
또한, 광증폭용 도파로층(48)은 Na, K, Ca, Mg 등 전자가가 1가 혹은 2가인 알칼리 금속 이온을 함유하는 규산염 혹은 인산염 유리에 Er, Tm, Pr 또는 Yb 등의 희토류 금속 이온 중 적어도 어느 하나를 일정량 첨가하여 만든 유리층으로 형성할 수 있고, 형성 방법으로는 액적 화염가수분해법 이외에 스퍼터링(sputtering), 화염가수분해 및 화학증착, 졸겔(Sol-Gel) 방법, 회전도포(Spin Coating) 등을 이용하여 형성할 수도 있다.Further, the optical amplification waveguide layer 48 is a rare earth metal ion such as Er, Tm, Pr or Yb in a silicate or phosphate glass containing an alkali or monovalent divalent alkali metal ion such as Na, K, Ca or Mg. It can be formed into a glass layer made by adding a certain amount of at least one, and as a forming method, in addition to the droplet hydrolysis method, sputtering, flame hydrolysis and chemical vapor deposition, Sol-Gel method, spin coating (Spin) Coating) or the like.
이어서, 광증폭용 도파로층(48) 상에 약 2000 Å 두께의 Al막(도시하지 않음)을 열증착으로 형성하고 포토리소그라피 공정 및 습식식각 공정으로 Al막을 선택적으로 제거하여 식각마스크로 이용될 Al막 패턴을 형성한 다음, 이온결합플라즈마 식각을 통하여 Al막 패턴으로 덮이지 않은 광증폭용 도파로층(48)을 식각하고, 산을 이용하여 식각마스크로 이용된 Al막 패턴을 제거하여 도 6e와 같이 그 양단부에 신호광 입력 도파로 코아(43)와 신호광 출력 도파로 코아(46)와 중첩되어 신호광 및 펌핑광이 상하로 커플링이 일어날 수 있도록 방향성 결합기를 형성하며 하부의 펌핑광 입력 도파로 코아(44)로부터 전달된 펌프광과 함께 저손실 신호광 입력 도파로 코아(43)로부터 전달된 신호광을 증폭시켜 다시 하부의 신호광 출력 도파로 코아(46)로 전달하는 광증폭용 도파로 코아(49)를 형성한다.Subsequently, an Al film (not shown) having a thickness of about 2000 mW was formed on the optically amplified waveguide layer 48 by thermal evaporation, and the Al film was selectively removed by a photolithography process and a wet etching process to be used as an etching mask. After the film pattern was formed, the optical amplification waveguide layer 48 not covered with the Al film pattern was etched through ion-bonded plasma etching, and the Al film pattern used as the etching mask was removed using an acid to remove the Al film pattern. Similarly, at both ends thereof, the signal light input waveguide core 43 and the signal light output waveguide core 46 overlap each other to form a directional coupler such that the signal light and the pumped light can be coupled up and down, and the lower pumping light input waveguide core 44 is formed. For the optical amplification to amplify the signal light transmitted from the low-loss signal light input waveguide core 43 together with the pump light transmitted from the signal wave to the lower signal light output waveguide core 46 It forms a wave core (49).
도 7f는 도 7e와 같이 광증폭용 도파로 코아(49) 형성이 완료된 실리콘 기판(40)을 적절한 크기의 소자로 가공한 상태를 보이고 있다.FIG. 7F illustrates a state in which the silicon substrate 40 on which the optical amplification waveguide core 49 is formed is processed into a device having an appropriate size as shown in FIG. 7E.
이후 도 7g에 도시한 바와 같이 펌핑광 입력 도파로 코아(44) 일부를 건식식각으로 가공하여 펌핑 레이저 다이오드 또는 수광 다이오드 등과 같은 각종 칩이장착될 수 있는 테라스(50)를 만든다. 본 발명의 실시예에서는 상기 테라스(100)에 펌퍼 레이저 다이오드 칩(200) 등을 장착하여 정렬함으로써 펌퍼 레이저 다이오드가 장착된 이중 도파로형 광증폭기를 제조한다.Then, as shown in FIG. 7G, a portion of the pumping light input waveguide core 44 is processed by dry etching to form a terrace 50 in which various chips such as a pumping laser diode or a light receiving diode may be mounted. In the exemplary embodiment of the present invention, a pumped laser diode chip 200 or the like is mounted and aligned on the terrace 100 to manufacture a dual waveguide optical amplifier equipped with a pumped laser diode.
도 7h는 신호광 입력 도파로 코아(43)와 출력광 입력 도파로 코아(46) 각각에 신호광 입력 광섬유(300A) 및 신호광 출력 광섬유(300B)를 연결한 상태를 보이고 있다.FIG. 7H illustrates a state in which the signal light input fiber 300A and the signal light output fiber 300B are connected to each of the signal light input waveguide core 43 and the output light input waveguide core 46.
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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 저손실 도파로층 상부 또는 하부에 희토류 금속 이온을 함유하는 광증폭용 도파로를 형성하여 저손실 전송선로층과 광증폭층을 분리한 구조의 도파로형 광증폭기를 제조할 수 있다. 따라서, 전송 손실이 큰 희토류 금속 이온 함유 광증폭용 도파로의 문제점을 보완하면서, 저손실 도파로층에 다양한 기능의 광소자를 집적할 수 있다.According to the present invention made as described above, a waveguide optical amplifier having a structure in which a low loss transmission line layer and an optical amplifier layer are separated by forming an optical amplification waveguide containing rare earth metal ions on the upper or lower portion of the low loss waveguide layer can be manufactured. have. Therefore, the optical element of various functions can be integrated in a low loss waveguide layer, while compensating for the problem of a rare earth metal ion containing optical amplification waveguide having a large transmission loss.
또한, 희토류 금속 이온 함유 광증폭용 도파로를 저손실 도파로와 별도의 공정으로 제조할 수 있어 희토류 이온 첨가에 가장 적합한 공정을 선택할 수 있다. 예로서 화염 가수분해 방법과 같이 희토류 금속 이온 첨가가 어려운 공정에서는 저손실 도파로 소자만 제조하고, 반면 희토류 금속 이온이 첨가된 도파로층은 액적분무 화염 가수분해 공정으로 쉽게 제조할 수 있으므로 종래의 단일 공정으로 형성한 광 광증폭기보다 능과 효율이 좋은 광증폭기를 만들 수 있다. 또한 이층 구조의 도파로 간에 상하 방향성 결합기 결합 방식에 따른 광로 이동이 일어나기 때문에 저손실 도파로에 대한 별도의 식각과 같은 가공이 필요하지 않고 쉽게 도파로형 증폭기를 제조할 수 있다. 따라서 본 발명을 이용할 경우, 보다 용이하게 저손실 도파로에 각종 기능성 소자를 집적할 수 있고, 광증폭용 도파로는 최적의 증폭 특성을 갖도록 함으로써 증폭 효과와 저손실 전송 기능을 동시에 개선할 수 있다.In addition, the rare earth metal ion-containing optical amplification waveguide can be manufactured by a separate process from the low loss waveguide, so that the most suitable process for rare earth ion addition can be selected. For example, low loss waveguide devices are manufactured only in the rare process of adding rare earth metal ions such as the flame hydrolysis method, whereas the waveguide layer containing rare earth metal ions can be easily manufactured by the droplet spray flame hydrolysis process. The optical amplifier can be made better and more efficient than the optical amplifier formed. In addition, since the optical path movement occurs according to the up-and-down coupler coupling method between the waveguides having a two-layer structure, a waveguide amplifier can be easily manufactured without the need for a separate etching process for a low loss waveguide. Therefore, in the case of using the present invention, it is possible to more easily integrate various functional elements into the low loss waveguide, and the optical amplification waveguide can have an optimal amplification characteristic, thereby simultaneously improving the amplification effect and the low loss transmission function.
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US5900057A (en) * | 1995-01-17 | 1999-05-04 | Lucent Technologies Inc. | Planar waveguide and a process for its fabrication |
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KR20010062969A (en) | 2001-07-09 |
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