KR100397320B1 - 광 모드 크기 변환기 - Google Patents

Abstract

본 광모드 크기 변환기는 광섬유와 결합되는 광출력부 뿐만이 아니라 반도체 광소자와 결합되는 광입력부에서도 정렬 오차 허용도를 증대시킬 수 있다.

본 광모드 크기 변환기는 반도체 광원 소자와 광전달 매체 사이에 위치되어 광원 소자로부터의 출력광을 입력받아 광모드의 크기를 변환하여 출력하는 광모드 크기 변환기에 있어서, 기판; 기판 위에 적층 형성되는 버퍼층; 버퍼층 위에 소정 영역만큼 형성되는 하부 도파로; 하부 도파로 및 버퍼층 위에 형성되는 하부 클래드층; 하부 클래드층 위에 상기 하부 도파로와 대응하여 형성되는 것으로, 분기된 광입력부를 가지는 상부 도파로; 및 상부 도파로 및 하부 클래드층 위에 형성되는 상부 클래드층을 포함한다.

따라서, 광입력부에 테이퍼 구조의 도파로가 마련되어 있어, 광원 소자로부터의 출력광이 중심부에서 벗어난 상태로 입사되더라도 용이하게 중심부로 광모드를 정렬할 수 있으며, 그에 따라 광원 소자로부터의 출력광이 광모드 크기 변환기에 입력될 시의 광입력부에서의 높은 정렬 오차 허용도를 얻을 수 있다.

Description

광 모드 크기 변환기{Optical mode size converter}

본 발명은 광통신 분야 등에 채용되는 광 모드 크기 변환기에 관한 것으로서, 특히 레이저 소자와 결합되는 광입력부의 구조를 개선함으로써 광출력부와 광섬유의 결합에 따른 광손실을 줄일 수 있는 광 모드 크기 변환기에 관한 것이다.

일반적으로, 광통신 시스템의 광원으로 사용되는 반도체 레이저로는 낮은 발진 임계전류, 높은 양자효율 등의 특성을 갖는 평면 매립형 반도체 레이저가 사용된다. 평면 매립형 반도체 레이저에서의 출사광의 형태는 활성층과 수직인 방향과 수평인 방향의 비(ratio)가 서로 다른 타원형을 이루게 되며, 그 기본 광모드의 크기는 약 1.5∼2㎛ 정도이다. 이에 반해 광신호 전달 매체로 사용되고 있는 단일 모드 광섬유는 그 광모드의 크기가 약 9∼10㎛ 정도인 원형의 기본 모드를 가진다. 따라서, 광섬유와 반도체 레이저 소자가 직접 광결합을 할 경우에 모드 불일치에 의한 많은 광손실을 가져오게 된다. 이에 대하여 다양한 대응책이 제시되고 있다.

첫 번째는 광원으로 사용되는 레이저 소자(다이오드)의 출력단의 구조를 변형하는 방법이다. 이는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 광모드 변환기가 포함된 레이저 다이오드(spot size converter LD)를 이용하는 방법이다. 즉, 레이저 다이오드의 광출력 부분에 광모드의 크기를 확대시키는 기능을 가지는 영역, 즉 테이퍼링(tapering) 영역(101)(101')을 활성층 영역(105)(105') 주변에 형성하여 방출광 모드의 크기를 확대시킴으로써 광의 방출각을 줄여 광섬유와의 결합시 발생되는 광손실을 줄이고자 하는 방식이다. 도 1a는 수직방향의 테이퍼 구조를 이용한 광모드 변환 방식이고, 도 1b는 수평방향의 테이퍼 구조를 이용한 광모드 변환 방식이다.

그러나, 상기 방식은 아직 그 신뢰성이 검증되지 않아 고도의 신뢰성을 요구하는 광통신 분야에 적용하기에 어려운 문제가 있다.

두 번째 방법으로는 광을 받아들이는 광섬유의 단부를 변형하는 방법으로서,광섬유의 단부를 테이퍼화 또는 렌즈화하거나, 렌즈를 사용하여 광신호를 콜리메이팅(collimating)하는 방법이 있다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 광섬유(201)의 단부에 반도체 레이저 소자(202)에서 방출되는 광을 집속할 수 있는 GRIN(Graded Index) 렌즈(203)를 부착하거나, 도 2b와 같이 광섬유(201)의 단부를 테이퍼화 하거나, 도 2c와 같이 광섬유(201)의 코어(201c)를 렌즈화하는 방식이 있다. 그리고, 그 외에 도 2d에서와 같이, 광섬유(201)와 반도체 레이저 소자(202) 사이에 볼 (ball) 렌즈(204)를 둠으로써 광결합 효율을 높이는 방식이 있다.

그러나, 이상과 같은 두 번째 방식은 정렬 허용도(alignment tolerance)가 매우 작기 때문에 정렬 공정을 수행함에 있어서, 많은 시간과 비용이 수반되는 문제가 있다.

세 번째의 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 광소자를 이용하여 반도체 레이저 소자(301)에서 방출되는 광모드의 크기를 광섬유(302)의 광모드 정도로 크게 변환할 수 있는 광모드 크기 변환기(303)를 만들어 반도체 레이저 소자(301)와 광섬유(302) 사이에 두는 방식이다. 이 방식에 의하면, 반도체 레이저 소자 (301)에서 방출되는 광모드(301m)는 광모드 크기 변환기(303)에 입사되어 충분히 큰 광모드(303m) 크기를 가지도록 변환된 후, 광섬유 코어(302c)에 입사된다. 이때, 광모드 크기 변환기(303)와 광섬유 코어(302c) 간의 광모드 크기 차이는 작게 되며, 그에 따라 광모드 크기의 불일치에 의한 광손실을 줄일 수 있다. 참조 부호 303a는 기판, 303b는 버퍼층, 303c는 커버층, 304는 상부 도파로, 305는 하부 도파로를 각각 나타낸다.

그런데, 상기와 같은 종래 광모드 크기 변환기(303)는 광섬유(302)와 결합되는 부분에 대해서는 충분한 정렬 오차 허용도를 가질 수 있도록 설계되어 있으나, 반도체 레이저 소자(301)와 결합되는 부분에 대해서는 광손실 및 정렬 오차 허용도를 고려하고 있지 않다. 따라서, 반도체 레이저 소자(301)로부터 방출된 광이 광섬유(302)로 입사되는 전체 과정에서의 광결합 측면을 고려할 때, 전체적으로 결합 효율이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 광섬유와 결합 되는 광출력부 뿐만이 아니라 반도체 광소자와 결합되는 광입력부에서도 정렬 오차허용도를 증대시킬 수 있는 광모드 크기 변환기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것으로서, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상의 이해를 돕기 위한 것이다. 따라서, 본 발명은 그와 같은 도면에 개시된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안된다.

도 1a 및 도 1b는 광모드 변환 수단이 내부에 마련되어 있는 종래 반도체 레이저 소자의 예를 나타낸 도면.

도 2a 내지 도 2d는 광결합 효율을 높이기 위해 광섬유의 광입력 단부를 변형하는 종래의 다양한 방법을 보여주는 도면.

도 3은 종래 광모드 크기 변환기의 구조를 보여주는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기의 구조를 보여주는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기의 상부 도파로 및 하부 도파로의 구조를 보여주는 평면도.

도 6은 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기에 의한 광결합과 종래 직접 결합방식에 의한 광결합 시의 정렬 오차와 결합 효율과의 관계를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

401...기판 402...버퍼층

403...하부 도파로 404...하부 클래드층

405...상부 도파로 406...상부 클래드층

405c...채널형 도파로 405t...테이퍼형 도파로

410...광모드 입력 영역 411...광모드 안정화 영역

412...횡방향 광모드 확장 영역 413...광모드 출력 영역

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기는, 반도체 광원 소자와 광전달 매체 사이에 위치되어 광원 소자로부터의 출력광을 입력받아 광모드의 크기를 변환하여 출력하는 광모드 크기 변환기에 있어서,

기판;

상기 기판 위에 적층 형성되는 버퍼층;

상기 버퍼층 위에 소정 영역만큼 형성되는 하부 도파로;

상기 하부 도파로 및 버퍼층 위에 형성되는 하부 클래드층;

상기 하부 클래드층 위에 상기 하부 도파로와 대응하여 형성되는 것으로, 분기된 광입력부를 가지는 상부 도파로; 및

상기 상부 도파로와 하부 클래드층 위에 형성되는 상부 클래드층을 포함한다.

여기서, 상기 상부 도파로는 분기된 광입력부를 포함한 광모드 입력영역과, 그 광모드 입력영역을 거쳐 도파하는 불안정한 광모드를 안정화시키는 광모드 안정화 영역과, 광모드 안정화 영역을 거쳐 도파하는 광을 상기 하부 도파로로 결합시켜 도파광의 횡방향 모드가 확장될 수 있도록 하는 횡방향 광모드 확장영역과, 모드가 확장된 광을 상기 하부 도파로와 함께 출력하는 광모드 출력부로 구성된다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적인 혹은사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안된다. 즉, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 적합하게 설명하기 위해 용어의 개념을 임의적으로 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4는 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기의 구조를 보여주는 도면으로서, 반도체 광원 소자(301)(도 3 참조)와 광전달 매체(광섬유)(302) 사이에 위치되어 광원 소자(301)로부터의 출력광을 입력받아 광모드의 크기를 변환한다. 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기(400)는 하부로부터 차례로 적층되는 기판(401), 버퍼층 (402), 하부 도파로(403), 하부 클래드층(404), 상부 도파로(405) 및 상부 클래드층(406)을 포함하여 구성된다.

상기 기판(401)은 구조체의 최하부에 위치되어 상부의 적층부들의 형성을 위한 기반을 제공하는 한편 완성된 상부의 적층 구조체를 지지한다.

상기 버퍼층(402)은 하부 도파로(403)와의 굴절률 차이로 인해 하부 도파로 (403)에 의한 광도파가 원활히 이루어질 수 있도록 한다. 또한, 구조체의 제조과정에 있어서, 상기 기판(401)과 상기 하부 클래드층(404) 혹은 하부 도파로(403) 간에 있을 수 있는 물리적, 화학적 작용을 차단하여 하부 도파로(403)나 하부 클래드층(404)의 성장이 원활히 이루어질 수 있도록 한다.

상기 하부 도파로(403)는 광입력측에 있어서 상기 상부 도파로(405)의 광모드 입력영역(410)에 형성되어 있는 분기된 광입력부의 중심에 위치하는 채널형 도파로(405c)(도 5 참조)와 그 양측의 테이퍼형 도파로(405t)의 결합 계수를 크게 하는 역할을 한다. 따라서, 짧은 입력영역(410)의 진행 길이에서도 테이퍼형 도파로(405t)에 결합된 광신호를 채널형 도파로(405c)로 용이하게 결합되도록 한다. 또한, 광출력측에 있어서는 상부 도파로(405)의 폭이 좁아짐으로 인하여 도파광이 점차로 누설 모드로 되면서 하부 도파로(403)로 광결합이 진행됨에 따라 광모드의 크기를 크게 변환한다.

상기 하부 클래드층(404)은 상기 버퍼층(402)과 함께 상기 하부 도파로(403)와의 굴절률 차이로 인해 하부 도파로(403)에 의한 광도파가 원활히 이루어질 수 있도록 한다.

상기 상부 도파로(405)는 광원 소자로부터의 출력광이 중심에서 벗어난 상태로 입력되는 경우에도 광손실을 최소화하면서 광도파가 원활히 이루어지게 하는 한편 상기 하부 도파로(406)와 연계하여 광모드의 크기를 변환한다. 이 상부 도파로 (405)는 상기 하부 도파로(403)에 비해 상대적으로 굴절률의 차이가 높다.

상기 상부 클래드층(406)은 상기 하부 클래드층(404)과 함께 상기 상부 도파로(405)와의 굴절률 차이로 인해 상부 도파로(405)에 의한 광도파가 원활히 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 상기 상부 도파로(405)의 분기된 광입력부는 도 5에 도시된 바와 같이, 광입력단측은 3갈래로 분기되고, 그 타측은 다시 하나로 합쳐지는 형태로 구성된다. 특히, 이 3갈래의 도파로 중 중심부에 위치한 채널 도파로(405c)는 일정한 폭의 직사각형 형태로 형성되는데 반해, 채널 도파로(405c) 양측의 도파로(405t)는 광입력단으로부터 그 후방으로 진행할수록 점차적으로 그 폭이 광입력단의 폭에 비해 상대적으로 줄어드는 테이퍼(taper) 형태로 형성된다.

또한, 상기 상부 도파로(405)는 광진행 경로를 기준으로 할 때, 분기된 광입력부를 포함한 광모드 입력영역(410)과, 그 광모드 입력영역(410)을 거쳐 도파하는 불안정한 광모드 분포를 가지는 광의 모드를 안정된 형태의 모드로 유지시키는 광모드 안정화 영역(411)과, 광모드 안정화 영역(411)을 거쳐 도파하는 광을 상기 하부 도파로(403)로 결합시켜 도파광의 횡방향 모드가 확장될 수 있도록 하는 횡방향 광모드 확장영역(412)과, 모드가 확장된 광을 상기 하부 도파로(403)와 함께 출력하는 광모드 출력부(413)로 구성된다. 여기서, 상기 횡방향 광모드 확장영역(412)은 상기 분기된 광입력부의 테이퍼형 도파로(405t)처럼 일측에서 타측으로 진행할수록 그 폭이 점차적으로 줄어드는 테이퍼 형태로 형성된다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기는 반도체 레이저 소자(301)(도 3 참조)와 광섬유(302) 사이에 위치되어 사용된다.

반도체 레이저 소자(301)로부터 방출된 광이(광신호가) 본 발명의 광모드 크기 변환기(400)의 광모드 입력영역(410)의 중심부로 입력되면, 광신호는 광모드 입력영역(410)의 채널 구조의 도파로(405c)로 결합된다. 이 광신호는 기본 모드로 안정화되면서 진행한다.

또한, 반도체 레이저 소자(301)로부터 방출된 광이(광신호가) 광모드 입력영역(410)의 중심에서 벗어난 상태로 입력되면, 광신호는 광모드 입력영역(410)의 테이퍼 구조의 도파로(405t)로 결합된다. 이 광신호는 테이퍼 구조의 도파로(405t)를 진행함에 있어 테이퍼 구조로 인해 광도파 폭이 점차로 좁아지므로, 그에 따라 점차로 누설 모드로 되면서, 중심부의 도파로(405c)로 결합된다. 이때, 하부 도파로(403)에 의해 결합계수가 커지게 되기 때문에 상대적으로 짧은 광입력부의 영역으로 긴 광입력부의 영역을 가지는 소자에서 얻을 수 있는 특성과 동일한 특성을 얻을 수 있게 된다. 그리고, 그 결과 소자의 전체적인 길이를 축소할 수 있게 된다.

이렇게 하여, 각각 중심부의 채널 구조의 도파로(405c)로 결합된 광신호는 광모드 안정화 영역(411)을 지나면서 더욱 안정화된 단일 모드 형태를 가지게 된다. 광모드 안정화 영역(411)을 거친 광신호는 횡방향 광모드 확장영역(412)의 테이퍼 구조의 도파로를 지나면서 도파로의 폭이 좁아짐으로 인하여 점차로 누설 모드로 되면서, 하부 도파로(403)로 결합된다. 그러면서 광모드의 크기는 이 하부 도파로(403)의 폭 정도로 커지며, 그렇게 변환된 광신호가 광모드 출력부(413) 및 하부 도파로(403)의 출력단을 통해 출력된다. 이때, 출력되는 광신호의 모드의 크기는 광섬유(302)의 광모드의 크기와 거의 일치하는 크기가 된다. 이와 같이 커진 광모드는 방출각의 크기가 작아(광모드의 크기가 커지면 상대적으로 방출각은 작아짐) 광섬유(302)에 결합할 시 모드 크기 불일치에 따른 광손실이 그만큼 작아지게되며, 그 결과 높은 결합 효율을 가지게 된다.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기에 의한 광결합과 종래 광섬유에의 직접 결합방식에 의한 광결합 시의 정렬 오차와 결합 효율과의 관계를 보여주는 도면이다.

도 6에서 참조 번호 601은 본 발명의 광모드 크기 변환기의 결합 효율 특성 을 보여주는 그래프이고, 602는 종래 반도체 광원 소자와 광섬유의 직접 결합 시의 결합 효율 특성을 보여주는 그래프이다. 광 결합 효율 특성을 얻기 위해 광전파 방법과 유효 굴절률 방법이 이용되었다.

도 6에 도시된 바와 같이, 약 2.5㎛ 의 정렬 오차 범위(허용도) 내에서는 본 발명의 광모드 크기 변환기의 결합 효율 특성 그래프(601)의 값이 종래 반도체 광원 소자와 광섬유의 직접 결합 시의 결합 효율 특성 그래프(602)의 값보다 최대 14% 정도까지 큰 것을 알 수 있다. 이를 통해 동일한 정렬 오차 허용도에서 본 발명의 광모드 크기 변환기에 의한 결합 효율이 종래 반도체 광원 소자와 광섬유의 직접 결합 시의 결합 효율에 비해 전반적으로 더 좋음을 알 수 있다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 광모드 크기 변환기의 입력부의 구조적 개선으로 말미암아 전체적인 광결합 효율 및 정렬 오차 허용도가 모두 증대됨을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 그와 같은 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기는 광원 소자와 결합되는 광입력부 측에 중심의 채널형 광도파로 외에 그 양측으로 테이퍼 구조의 광도파로가 마련되어 있어, 광원 소자로부터의 출력광이 중심부에서 벗어난 상태로 입사되더라도 용이하게 중심부로 광모드를 정렬할 수 있으며, 그에 따라 광원 소자로부터의 출력광이 광모드 크기 변환기에 입력될 시의 광입력부에서의 높은 정렬 오차 허용도를 얻을 수 있다. 그리고, 그 결과 광원 소자로부터의 출력광이 광모드 크기 변환기를 거쳐 광섬유로 전달되는 전체 광결합 과정에서의 광손실을 대폭 줄일 수 있다.

Claims (3)

1. 반도체 광원 소자와 광전달 매체 사이에 위치되어 광원 소자로부터의 출력광을 입력받아 광모드의 크기를 변환하여 출력하는 광모드 크기 변환기에 있어서,

   기판;

   상기 기판 위에 적층 형성되는 버퍼층;

   상기 버퍼층 위에 소정 영역만큼 형성되는 하부 도파로;

   상기 하부 도파로 및 버퍼층 위에 형성되는 하부 클래드층;

   상기 하부 클래드층 위에 상기 하부 도파로와 대응하여 형성되는 것으로, 분기된 광입력부를 가지는 상부 도파로; 및

   상기 상부 도파로 및 하부 클래드층 위에 형성되는 상부 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상부 도파로는 분기된 광입력부를 포함한 광모드 입력영역과, 그 광모드 입력영역을 거쳐 도파하는 불안정한 광모드를 안정화시키는 광모드 안정화 영역과, 광모드 안정화 영역을 거쳐 도파하는 광을 상기 하부 도파로로 결합시켜 도파광의 횡방향 모드가 확장될 수 있도록 하는 횡방향 광모드 확장영역과, 모드가 확장된 광을 상기 하부 도파로와 함께 출력하는 광모드 출력부로 구성된 것을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 분기된 광입력부는 중심부의 채널형 도파로와, 그 채널형 도파로의 양측에 각각 소정 간격 이격되어 마련된 테이퍼형 도파로로 구성된 것을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기.