KR100493098B1 - 평면 도파로 구조의 광 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 평면 도파로 형태의 평면 도파로 형태의 광 모듈은 기판과, 상기 기판 상에 안착되며, 기결정된 파장의 광을 출력하는 광원과, 상기 기판의 상면에 그 일단이 상기 광원에 대향되도록 형성되며, 상기 광원에서 출력된 광을 전송하는 매체인 코아와 상기 코아를 둘러싸는 클래드로 이루어진 도파로 소자를 포함하며, 상기 도파로 소자는 상기 클래드로 입사되는 비결합된 광을 상기 코아로 결합시키기 위해서 상기 클래드가 상기 코아를 둘러싸는 제1 층과, 상기 제1 층을 둘러싸며 상기 제1 층 보다 낮은 굴절률 값을 갖는 제2 층을 포함하는 이중 구조를 갖도록 형성하고, 상기 클래드로 입사된 비결합된 광신호를 그 내부로 입사시키기 위한 장주기 격자를 상기 코아에 형성한다.

Description

평면 도파로 구조의 광 모듈{OPTICAL MODULE WITH PLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT STRUCTURE}

본 발명은 평면 도파로 형태의 광모듈에 관한 것으로서, 특히 능동 소자와 코아들을 포함하는 이종 집적된 광 모듈에 관한 것이다.

종래의 평면 광도파로 소자는 기판 상면에 코아 및 클래드가 순차적으로 적층되어져 있으며 상기 코아 상에 다양한 형태의 도파로를 형성함으로써, 광파장 분할기(Arrayed Waveguide grating), 광 커플러(optical coupler) 등과 같은 수동 소자들을 형성한다. 또한, 상술한 평면 광도파로 소자의 기판 상면에 상술한 수동 소자들과 함께, 광신호를 출력하는 포토 다이오드(Photodiode) 또는 반도체 레이저(Semiconductor Laser) 등과 같은 능동 소자들을 이종 집적(Hybride Integration)시킴으로써 광 송신 및 수신과, 증폭 등의 기능을 수행할 수 있는 다양한 형태의 광 모듈을 구성할 수 있다.

그러나, 상술한 이종 집적된 광 모듈은 능동 소자와 수동 소자 사이의 부적절한 광 결합으로 인한 광신호의 손실이 유발되는 문제점이 있다. 즉, 능동 소자와 수동 소자 사이에 광 결합이 잘못된 경우에 광신호의 손실이 증대되는 문제가 잇다.

도 1은 종래의 광원과 평면 광도파로 소자 사이에 안착된 렌즈를 광 결합 수단으로서 포함하는 광모듈을 나타내는 측 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 광 모듈은 광원(120)과, 평면 광도파로 소자(130)와, 렌즈(140)와, 광모듈의 각 구성 요소들이 안착 또는 지지하는 기판(110)을 포함하며, 상기 광원(120)으로는 반도체 레이저 등을 사용할 수 있다.

상기 평면 광도파로 소자(130)는 상기 기판(110)의 상면에 코아(131)를 중심으로 그 하부 및 상부에 적층된 클래드(132)로 구성되며, 상기 코아(131) 상에 도파로를 형성함으로써 그 내부에 입력된 광신호를 분할시키는 등의 수동 소자로서의 기능을 수행할 수 있다.

상기 기판(110)은 상기 렌즈(140)를 안착시키기 위한 홈(groove)이 형성되어져 있으며, 그 상면에 형성된 평면 광도파로 소자(130)의 일단에 대향되도록 상기 광원(120)이 이종 집적된다.

상술한 광 모듈은 상기 광원(120)에서 출력되는 광을 상기 평면 광도파로 소자에 높은 결합 효율로 입사시키기 위해서 상기 렌즈(140)를 상기 광원(120)과 상기 평면 광도파로 소자(130)의 사이에 삽입함으로써 높은 결합 효율을 얻는다.

상술한 바와 같이 평면 광도파로 소자의 도파로와 능동 소자 사이의 결합 효율을 향상시키기 위한 또 다른 수단으로서, 종래에는 능동 소자에 대향되는 평면 광도파로 소자의 일단을 기결정된 곡률을 갖는 렌즈를 형성하고, 도파로 상에 장주기 격자를 형성함으로써 클래드로 입사된 광신호를 상술한 도파로의 내부로 결합시키는 광 모듈을 구성이 제안되고 있으며, 그 외에도, 종래의 광 모듈은 스폿(Spot) 크기를 제한한 반도체 레이저 등을 광원으로서 사용함으로써 광원에서 출력되는 광의 발산각도를 제한하고, 그로 인한 광 결합 효율을 향상시키는 광 모듈 구조가 제안되고 있다.

그러나, 종래의 반도체 레이저와 도파로 사이에 결합 효율을 향상시키기 위해서 결합 렌즈를 삽입함으로써 렌즈의 정렬 및 집적이 용이하지 않고, 그로 인한 공정 지연 및 생산비가 증대되는 문제가 있다. 또한, 종래의 다른 실시예에 따른 스폿(Spot) 크기를 제한한 반도체 레이저를 사용한 광 모듈 또한, 스폿 크기가 제한된 반도체 레이저의 제작이 어렵고, 단가가 비싸다는 문제점이 있으며, 스폿 크기가 제한된 반도체 레이저의 집적 및 정렬에 높은 정밀도가 요구되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 제작이 용이하고, 생산비 절감이 가능함과 동시에 그 결합 효율이 우수한 이종 집적된 평면 도파로 형태의 광 모듈을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 평면 도파로 형태의 광 모듈은,

기판과;

상기 기판 상에 안착되며, 기결정된 파장의 광을 출력하는 광원과;

상기 기판의 상면에 그 일단이 상기 광원에 대향되도록 형성되며, 상기 광원에서 출력된 광을 전송하는 매체인 코아와 상기 코아를 둘러싸는 클래드로 이루어진 도파로 소자를 포함하며;

상기 도파로 소자는 상기 클래드로 입사되는 비결합된 광을 상기 코아로 결합시키기 위해서 상기 클래드가 상기 코아를 둘러싸는 제1 층과, 상기 제1 층을 둘러싸며 상기 제1 층 보다 낮은 굴절률 값을 갖는 제2 층을 포함하는 이중 구조를 갖도록 형성하고, 상기 클래드로 입사된 비결합된 광신호를 그 내부로 입사시키기 위한 장주기 격자를 상기 코아에 형성한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 및 제2 층으로 이루어진 클래드를 포함하는 도파로 소자와 광원이 집적된 광 모듈의 측면을 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 모듈은 광원이 안착되는 기판(210)과, 기결정된 파장의 광을 출력하는 광원(220)과, 상기 기판(210)의 상면에 상기 광원(220)에서 출력된 광을 전송하는 매질인 코아(231)와 상기 코아(231)를 둘러싸는 클래드(232)가 적층된 도파로 소자(230)를 포함한다.

상기 도파로 소자(230)는 상기 기판(210)의 상면에 그 일단이 상기 광원(220)에 대향되도록 형성되며, 상기 광원(220)에서 출력된 광을 전송하는 매질인 코아(231)와 상기 코아(231)를 둘러싸는 클래드(232)로 이루어진다.

상기 도파로 소자(230)는 상기 클래드(232)로 입사되는 비결합된 광을 상기 코아(231)로 결합시키기 위해서 상기 클래드(232)가 상기 코아(231)를 둘러싸는 제1 층과, 상기 제1 층을 둘러싸며 상기 제1 층 보다 낮은 굴절률 값을 갖는 제2 층을 포함하는 이중 구조를 갖도록 형성하고, 상기 클래드(232)로 입사된 비결합된 광신호를 그 내부로 입사시키기 위한 장주기 격자를 상기 코아(231)에 형성한다.

상기 클래드(232)는 상호 다른 굴절률을 갖는 상기 제1 층(232a) 및 제2 층(232b)의 이중 구조를 갖도록 형성됨으로써, 상기 제1 층(232a)의 내부로 입사된 비결합된 광신호가 상기 제1 층(232a)을 벗어나지 못하도록 한다. 더욱이 상기 제1 층(232a)은 상기 코아(231)보다 더 낮은 굴절률을 갖도록 함으로써 그 내부에 입력된 비결합된 광신호를 상기 코아(231)로의 결합이 용이하다.

상기 코아(231)는 상기 클래드(232)의 제1 층(232a)으로 입사된 비결합된 광신호를 상기 코아(231)의 내부로 결합시키기 위한 장주기 격자(213a)가 상기 광원(220)에 대향되는 일단부에 형성되며, 그 굴절률은 상기 클래드(232)의 제1 층(232a) 보다 더 낮은 굴절률을 갖는다.

상기 장주기 격자(213a)의 주기와, 상기 코아(231)와, 상기 제1 층(232a) 사이의 유효 굴절률의 관계는 하기 하는 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.

상술한 <수학식 1>에 기재된 λ는 광신호의 파장을, n_co는 코아의 유효 굴절률을, n_cl은 제1 층의 유효 굴절률을, Λ는 장주기 격자 주기를 각각 나타낸다.

상기 클래드(232)는 상기 제1 층(232a)과 제2 층(232b) 사이의 굴절률 차이를 갖도록 구성됨으로써 그 내부로 입사된 비결합된 광신호가 그 외부로 유출되는 것을 방지한다.

즉, 상술한 비결합된 광신호는 상기 코아(231)의 장주기 격자(231a)에 의해서 상기 코아(231)내부로 결합되게 된다. 더욱이 상기 클래드(232)는 상호 다른 굴절률을 갖도록 형성된 이중 구조의 상기 제1 층(232a)과 상기 제2 층(232b)을 포함함으로써 상기 제1 층(232a)의 내부로 입사된 비결합된 광신호가 상기 제2 층(232b)을 통해서 외부로 방출되는 것을 방지함으로써 상기 코아로 결합되는 비결합된 광신호의 결합 효율을이 더욱 향상시키게 된다. 상기 제1 층(232a)의 굴절률을 중심으로 상기 코아(231)의 굴절률은 상기 제1 층(232a) 보다 더 큰 값을 갖고, 상기 제2 층의 굴절률(232b)는 상기 제1 층(232a)의 굴절률 보다 작은 값을 갖는다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다수의 코아를 포함하는 평면 도파로 소자와, 다수의 광원들이 집적된 광 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 2에 도시된 광 모듈을 A-A'를 따라 나타내고, 도 5는 도 2에 도시된 광 모듈을 B-B'를 따라 나타내는 단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 모듈은 기판(310) 상면에 형성된 광신호의 전송 매질인 도파로 소자(320)와, 상기 기판(310)의 상면에 각 코아(321)의 일단에 대향되도록 안착되는 다수의 광원(330)들을 포함한다.

상기 도파로 소자(320)는 상기 기판(310)의 상면에 형성된 복수의 코아들(321)을 중심으로 그 하부 및 상부에 클래드(322)가 순차적으로 적층된 구조로서 상기 코아들(321)은 광신호의 전송로 구실을 한다.

상기 각 코아(321)는 그 일단부에 기결정된 주기를 갖는 장주기 격자(321a)가 형성됨으로써 상기 클래드(322)의 제1 층(322a)로 입사된 비결합된 광신호를 그 내부로 결합시킨다.

상기 클래드(322)는 상기 광원(330)에 대향되는 일단부에 상기 각 코아(321)를 둘러싸는 제1 층(322a)과, 상기 제1 층(322a)을 둘러싸며 상기 제1 층(322a) 보다 낮은 굴절률 값을 갖는 제2 층(322b)이 형성된 이중 구조로서 상기 제1 층(322a)에 입사된 비결합된 광신호가 그 내부를 벗어나지 못하도록 함으로써 상기 코아(321)로 결합되는 비결합된 광신호의 결합 효율을 향상시킨다.

상기 광원들(330)은 상기 기판(310)의 상면에 상기 각 코아(321)의 일단에 대향되도록 안착되며, 반도체 레이저 등을 사용할 수 있다.

즉, 상기 클래드(322)는 상호 상이한 굴절률을 갖는 제1 및 제2 층(322a, 322b)의 이중 구조로 형성함으로써 상기 제1 층(322a)으로 입사된 비결합된 광신호가 상기 클래드(322)의 외부로 유출되는 것을 방지한다. 결과적으로, 상기 제1 층(322a)의 내부에 입력된 비결합된 광신호는 그 세기 손실 없이 상기 코아(321)의 장주기 격자(321a)를 통해서 상기 코아(321)의 내부로 결합된다.

또한, 상기 클래드 층(322)은 그 일부를 식각시킨 후 상기 제1 층(322a)을 대기 중에 노출시킴으로서 상술한 바와 동일한 효과를 얻을 수도 있다.

본 발명에 따른 평면 도파로 구조를 갖는 광 모듈은 상호 다른 이중 구조의 굴절률층이 형성된 클래드와, 장주기 격자가 형성된 코아를 포함함으로써 렌즈 또는 스폿 크기가 제한된 반도체 레이저 등을 사용하기 않고도 반도체 레이저와 코아의 광축 정렬이 용이한 광모듈을 제공할 수 있다는 이점이 있다. 즉, 본 발명은 렌즈 또는 스폿 크기가 제한된 반도체 레이저 등을 사용하지 않음으로써, 제조 공정 및 광축 정렬이 용이하고 생산비가 절감되는 이점이 있다.

더욱이, 코아의 장주기 격자를 통해서 코아 내부로 비결합된 광신호를 결합시킴으로써 광신호의 세기 손실을 보존하며, 더욱이 클래드는 제1 층에 입사된 비결합된 광신호가 그 외부로 유출되는 것을 방지함으로써 상기 코아로 결합되는 비결합된 광신호의 결합 효율을 향상시키는 이점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 평면 도파로 소자와 광원이 집적된 광 모듈을 나타내는 측단면도,

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 및 제2 층으로 이루어진 클래드 층을 포함하는 도파로 소자와 광원이 집적된 광 모듈을 나타내는 측단면도,

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다수의 코아를 포함하는 도파로 소자와, 다수의 광원들이 집적된 광 모듈을 나타내는 사시도,

도 4는 도 3에 도시된 광 모듈을 A-A'를 따라 나타내는 단면도,

도 5는 도 3에 도시된 광 모듈을 B-B'를 따라 나타내는 단면도.

Claims (4)

1. 평면 도파로 형태의 광 모듈에 있어서,

   기판과;

   상기 기판 상에 안착되며, 기결정된 파장의 광을 출력하는 광원과;

   상기 기판의 상면에 그 일단이 상기 광원에 대향되도록 형성되며, 상기 광원에서 출력된 광을 전송하는 매체인 코아와 상기 코아를 둘러싸는 클래드로 이루어진 도파로 소자를 포함하며;

   상기 도파로 소자는 상기 클래드로 입사되는 비결합된 광을 상기 코아로 결합시키기 위해서 상기 클래드를 상기 코아를 둘러싸는 제1 층과, 상기 제1 층을 둘러싸며 상기 제1 층 보다 낮은 굴절률 값을 갖는 제2 층을 포함하는 이중 구조를 갖도록 형성하고, 상기 클래드로 입사된 비결합된 광신호를 그 내부로 입사시키기 위한 장주기 격자를 상기 코아에 형성함을 특징으로 하는 평면 도파로 형태의 광 모듈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 장주기 격자의 주기는 하기 <수학식 2>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 평면 도파로 형태의 광 모듈.

   (λ: 광신호의 파장, n_co : 상기 코아의 유효 굴절률, n_cl : 상기 제1 층의 유효 굴절률, Λ: 상기 장주기 격자의 주기)
3. 기판 상면에 집적된 평면 도파로 구조의 광 모듈에 있어서,

   상기 기판 상면에 형성된 광신호의 전송 매질인 다수의 코아들과, 상기 각 코아를 둘러싸는 클래드 층으로 이루어진 도파로 소자와;

   상기 기판의 상면에 상기 각 코아의 일단에 대향되도록 안착되며, 상기 코아들에 일대일 대응되는 다수의 광원들을 포함하며;

   상기 도파로 소자는 상기 클래드로 입사되는 비결합된 광을 상기 코아로 결합시키기 위해서 상기 클래드는 상기 코아를 둘러싸는 제1 층과, 상기 제1 층을 둘러싸며 상기 제1 층 보다 낮은 굴절률 값을 갖는 제2 층을 포함하는 이중 구조를 형성하고, 상기 코아는 그 일단부에 상기 클래드로 입사된 비결합된 광신호를 그 내부로 입사시키기 위한 장주기 격자를 형성함을 특징으로 하는 평면 도파로 형태의 광 모듈.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 클래드의 제2 층은 일반 대기층임을 특징으로 하는 평면 도파로 형태의 광 모듈.