KR100516919B1 - 도파로 격자 렌즈 및 이를 이용한 광 픽업 헤드 - Google Patents

도파로 격자 렌즈 및 이를 이용한 광 픽업 헤드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 커플링 효율(coupling efficiency)을 향상시킬 수 있는 광 도파로 격자 렌즈(Focusing waveguide grating coupler, FWGC) 및 이를 이용한 광 픽업 헤드(optical pickup head)에 관한 것으로, 평면 도파로(planar waveguide), 단일 빔 출력 도파로 격자 커플러(waveguide grating for one-beam coupling), 프레넬(Fresnel) 격자 렌즈로 구성된다. 평면 도파로를 통해 도파되는 단일 모드(single mode)가 단일 빔 출력 도파로 격자 커플러에 의해 기판 클래딩(substrate cladding) 쪽으로 커플링된다. 모드로부터 빠져 나온 빔은 모드 진행 방향의 반대쪽과 기판을 향하여 전파하다가 반사형 프레넬 렌즈에 의해 회절되어 상부 클래딩(over cladding) 밖으로 빠져 나오면서 초점으로 모인다. 기존의 광 도파로 격자 렌즈가 클래딩 쪽과 기판 쪽으로 각각 50%의 커플링 효율을 갖는 반면, 본 발명의 광 도파로 격자 렌즈는 단일 출력빔을 만들어내므로 50% 이상의 커플링 효율을 얻을 수 있다.

Description

도파로 격자 렌즈 및 이를 이용한 광 픽업 헤드 {Focusing waveguide grating coupler and optical pickup head using the same}
본 발명은 도파로 격자 렌즈(Focusing waveguide grating coupler)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 빔 출력을 갖는 도파로 격자 커플러와 반사형 프레넬 렌즈를 이용한 도파로 격자 렌즈 및 이를 이용한 광 픽업 헤드에 관한 것이다.
도파로 격자 렌즈 소자는 일반적인 렌즈(구면 렌즈, 비구면 렌즈, 복합 렌즈)에 비해 부피가 작고 가벼우며, 광원 및 검출기를 도파로 상에 집적시킬 수 있기 때문에 초소형 렌즈가 활용될 수 있는 분야, 예를 들어, 광 디스크 저장 장치, 광통신 부품 등에 적용된다.
일반적인 격자 렌즈(Fresnel lens)는 단순한 프레넬 회절 격자를 이용하여 평행광을 회절시키고 집속하는 역할을 하는데, 두꺼운 구면을 갖는 렌즈 형태를 격자 형태를 갖는 평면 형태로 대체하므로써 프로젝터와 같은 디스플레이 장비에 응용할 수 있는 것이다. 따라서 이러한 격자 렌즈는 단순한 구면 렌즈의 대체물이라 할 수 있다.
평판 도파로 위에 격자를 새겨 광 픽업 소자에 응용한 논문이 1986년에 발표되었다 [S. Ura, T. Suhara, H. Nishihara, and J. Koyama, "An integrated-optic disk pickup device," J. Lightwave Technol. Vol. 4, pp. 913-918, 1986 참조].
기판(substrate 11) 상에 코어층(core layer 12)이 형성된 평판 도파로 위에 레이저 다이오드(laser diode 18), 포토 다이오드(photodiode), 빔 분리기(beam splitter), 격자 렌즈(focusing grating, 17)를 집적하여 광 픽업 헤드를 제작하였다. 도 1은 상기 소자의 개략도로서, 부호 16은 광 초점을 나타내며, 부호 17은 격자 렌즈의 격자 패턴을 나타낸다.
광 도파로 격자 렌즈는 기존의 픽업 헤드와는 달리 광 신호를 검출하는 데 필요한 기본적인 기능들이 도파로 위에 집적되어 있기 때문에 픽업 헤드의 크기를 감소시킬 수 있어 차세대 광 픽업 헤드로 주목을 받아왔다. 그러나 상기 제안된 픽업 헤드는 광 커플링 효율이 낮고 광 초점의 크기가 크기 때문에 실용화에 많은 문제점이 있다. 그 중 광 커플링의 저효율성은 소자의 구조적 문제이기 때문에 실용화를 위해서는 이를 반드시 개선해야 한다.
도 2a 및 도 2b는 종래 도파로 격자 커플러의 단면도이고, 도 2c 및 도 2d는 종래 도파로 격자 커플러가 출력빔을 만들어 낼 수 있는 대표적인 커플링 방식을 위상 일치 다이어그램(phase matching diagram)을 통해 보여준다.
도파로는 기판(11)과 코어층(12)으로 구성되며, 공기층과 기판(11)을 경계로 코어층(12)에 모드가 형성되어 진행한다. 여기서 코어층(12)의 굴절률 은 기판층(11)의 굴절률 보다 크다. 코어 모드가 도파로를 따라 진행(propagation)하다가 격자(surface-relief grating, 13)를 만났을 때 코어 모드의 전파상수 (5)보다 작은 전파상수를 갖는 출력빔을 얻어낼 수 있다. 만약, 격자의 주기(grating period, Λ)에 의해 결정되는 격자 벡터(grating vector, Κ=2π/Λ, 8)가 코어 모드의 전파상수(5), 기판층(11)의 전파상수( 6), 공기층의 전파상수( 7)에 대해 을 만족하면 도 2a와 같이 공기층과 기판층(11)으로 각각 출력빔(14, 15)들이 만들어 진다. 여기서, 공기층의 귤절률 이다. 반면, 격자 벡터가 을 만족하면 도 2b와 같이 기판층(11) 쪽으로만 출력빔(14')을 만들 수 있다. 이를 단일 빔 커플링(one-beam coupling)이라 한다.
도 2c 및 도 2d에서, 부호 4는 코어층(12)의 전파상수 , 부호 9는 기판층(11) 쪽으로의 전파벡터 궤적, 부호 10은 공기층 쪽으로의 전파벡터 궤적을 나타낸다.
도파로 격자 렌즈는 일반적으로 두 방향의 출력빔(14, 15)을 갖는다. 따라서 관련된 기타 손실들을 최소화시킨다 하더라도 50% 이상의 효율을 얻어낼 수 없다. 이러한 저효율성을 개선할 수 있는 방법은 4가지로 정리될 수 있는데, 그 중 픽업 헤드에 응용할 수 있는 구조에 대해 참고로 도 3과 도 4에 나타내었다.
도 3은 기판층(11)으로의 단일 출력빔(14')을 이용하는 구조로서, 기판층(11)의 아래쪽 경계면에서 출력빔의 반사가 최소화되도록 하기 위해 기판층(11)의 하부면에 프리즘(24)을 접합함으로써 출력빔(14')이 굴절되지 않고 경계면에 수직으로 입사한다. 이 구조에서는 출력빔이 도파로 표면에 대해 수직으로 나올 수 없기 때문에 픽업 헤드를 초소형으로 설계하기 어렵고 격자 주기가 를 만족해야 하므로 입력 파장보다 두배 이상 짧은 주기를 만들어 주어야 한다. 예를 들어, 입력 파장이 400㎚일 때 단일 출력빔을 만들기 위해서는 주기가 약 150㎚가 되어야 한다.
단일 출력빔을 만들 수 있는 또 다른 방법으로는 도 3과 같은 사각 구조(rectangular type)의 표면 격자(13)가 아닌 도 4a와 같은 경사진 칼날형 표면 요철 격자(blazed surface-relief grating 25) 또는 도 4b와 같은 경사진 두꺼운 홀로그램 격자(slanted thick volume holographic grating 26) 형태를 갖도록 하는 것이다. 이러한 구조는 출력빔에 대해서 코어 모드와 브래그(Bragg) 조건()을 만족한다. 따라서 브래그 조건을 만족하는 공기층 쪽으로의 출력빔(15)만 나오게 된다. 이는 가장 이상적인 격자 구조이지만, 도 5와 같이 초점(16)을 갖도록 만들기 위해서는 격자(27)의 경사 각도 및 주기가 위치마다 변하고 파장보다 짧은 수십 나노의 주기를 갖도록 제조해야 하기 때문에 현재의 리소그라피(lithography) 공정으로는 제작에 한계가 있다.
따라서 본 발명은 빔이 모드 진행 방향의 반대쪽과 기판을 향하여 전파하다가 반사형 프레넬 렌즈에 의해 회절되어 상부 클래딩 밖의 초점으로 모이도록 함으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 도파로 격자 렌즈 및 이를 이용한 광 픽업 헤드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도파로 격자 렌즈는 기판과 코어층으로 이루어진 도파로, 상기 도파로를 통해 입사되는 빔을 상기 기판 쪽으로 커플링시키는 격자 커플러, 상기 격자 커플러로부터 커플링된 빔을 하나의 초점으로 회절시키는 프레넬 격자 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 격자 커플러는 소정의 주기를 갖는 다수의 격자로 구성되고, 상기 도파로를 통해 입사되는 빔을 상기 기판 쪽으로 경사지게 커플링 시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 소정의 주기는 상기 도파로를 통해 입사되는 빔 파장의 0.3 내지 0.5배이며, 상기 프레넬 격자 렌즈는 상기 기판의 바닥면에 형성되고, 상기 초점이 상기 도파로 상부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도파로 격자 렌즈를 이용한 광 픽업 헤드는 기판과 코어층으로 이루어진 도파로, 상기 도파로 상에 형성된 격자 커플러, 광 초점에 위치하는 반사체에 반사되어 돌아오는 빔을 회절시켜 상기 격자 커플러로 보내는 프레넬 격자 렌즈, 상기 격자 커플러에 반사된 빔을 분리시키기 위한 빔 분리기, 상기 빔 분리기에 의해 분리된 빔을 각각 입력받는 포토 다이오드들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 격자 커플러는 상기 프레넬 격자 렌즈로부터 입사되는 빔을 전부 반사시킬 수 있는 다수의 격자로 구성되며, 상기 프레넬 격자 렌즈는 상기 기판의 바닥면에 형성되고, 상기 반사체에 반사되어 돌아오는 빔을 회절시켜 상기 격자 커플러로 평행한 빔을 보내도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 반사체와 상기 프레넬 격자 렌즈 사이의 상기 도파로 상에 고효율 출력 커플링과 저효율 입력 커플링을 위해 설치된 λ/4 파판과, 상기 반사체와 상기 프레넬 격자 렌즈 사이의 상기 도파로 상에 개구수를 높이기 위해 설치된 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 도파로 격자 렌즈 소자는 도파로 상에 격자가 형성되기 때문에 코어 모드(guided modes)가 입력 광원이 되므로 단순한 렌즈로 분류되기 보다는 초소형 집속 광원(miniaturized focusing light source) 소자라고 할 수 있다. 본 발명은 단일 출력빔을 갖는 새로운 방식의 커플러 구조를 제안한다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 도파로 격자 커플러와 반사형 프레넬 렌즈를 이용한 도파로 격자 렌즈의 단면도이다.
기판층(111) 상에 코어층(112)이 형성된 도파로 상에 사각 구조의 표면 격자(113)가 형성되며, 상기 기판(111)의 바닥면에는 상기 표면 격자(113)로부터 출력되는 경사진 출력빔(114')을 초점(116)으로 반사시키기 위한 반사형 프레넬 렌즈(128)가 형성된다.
본 발명은 도 5에 도시된 기존의 초점을 갖는 비주기형 일체형 격자(27)를 사용하는 대신 단순한 구조의 주기적 격자를 사용하여 단일 출력빔을 만든다. 즉, 경사진 출력빔(114')이 반사형 프레넬 렌즈(128)에 의해 초점(116)으로 반사되도록 한다. 따라서 초점을 갖는 고효율의 단일 출력빔을 얻을 수 있으며, 또한 광 픽업 헤드에 적용할 수 있는 구조로 확장될 수 있다.
본 발명의 도파로 격자 렌즈에는 도파로로부터 단일 출력빔(114')을 만들기 위해 도 2 및 도 3과 같이 도파 모드(guided mode) 파장의 약 0.3배 내지 0.5배, 바람직하게는 0.4배에 해당되는 주기적 구조를 갖는 표면 격자(113)가 도파로 표면에 형성된다. 예를 들어, 입력 파장이 600㎚일 때 단일 출력빔을 갖는 격자(113)의 주기는 약 240㎚이 된다.
도파로로 입력된 도파 모드가 진행하면서 표면 격자(113)를 만나 기판(111) 쪽으로 출력빔(114')이 발생된다. 출력빔(114')들은 기판(111)을 향하여 경사를 갖고 진행하여 반사형 프레넬 렌즈(128)에 경사지게 입사한다. 입력된 평행빔들은 반사형 프레넬 렌즈(128)를 만나면서 회절되어 초점(116)을 향하게 된다. 상기 반사형 프레넬 렌즈(128)는 사진석판술(photolithography)로 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 제조한 후 금속(metal)을 코팅하는 방법으로 만들 수 있다. 반사형 프레넬 렌즈(128)의 설계에 따라 80% 이상의 회절 효율을 얻을 수 있기 때문에 단일 빔 출력 도파로 격자 커플러 즉, 표면 격자(113)의 길이만 충분하면 출력 효율을 80% 가까이 얻어낼 수 있다. 렌즈 역할을 하는 격자와 도파로 모드로부터 출력빔을 만들어내는 격자가 독립적으로 만들어지므로 격자 설계가 상대적으로 단순하고 격자 제조 공정의 난이도도 낮아진다.
본 발명에서 제안하는 이중 격자 구조는 고효율 출력빔을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 초점으로부터 반사되어 되돌아오는 입력빔에 대해서도 높은 투과성을 가질 수 있다. 이는 도파로 격자 렌즈를 광 픽업 헤드에 응용할 때 요구되는 매우 중요한 기능이다. 광 픽업 헤드는 초점으로부터 되돌아오는 빔의 세기(또는 편광)의 차이를 검출하고, 초점의 위치를 자동적으로 유지시켜 주어야 한다. 포토 다이오드로 입사하는 빔의 세기가 클수록 신호 대 잡음비를 높여줄 수 있기 때문에 초점으로부터 도파로로 입력되는 빔들을 포토 다이오드 쪽으로 되도록 많이 전달해 주어야 한다.
도 7은 본 발명에 따른 도파로 격자 렌즈를 이용하여 구성할 수 있는 광 픽업 헤드의 실시예를 보여준다.
광 초점(116)에 위치하는 디스크로부터 반사된 빔(129)들은 도파로로 입력되고, 반사형 프레넬 렌즈(128)에 의해 회절되어 표면 격자(113)를 향하여 평행하게 진행한다. 표면 격자(113)를 향하여 경사지게 입사하는 빔(129)들은 도파로를 투과하여 굴절되지 못하고 도파로 모드로 커플링되는 일부 빔들을 제외하곤 모두 반사된다. 이 때 도파로로 커플되는 빔의 양을 최소화시키는 것이 중요하다.
위상 변화를 이용하는 광 정보 저장 방식의 경우 λ/4 파판(quarter waveplate)을 사용함으로써 입력시 TE 파(114)로 출력빔을 만들고, 입력되는 빔을 TM 파(129)로 받아서 되돌아오는 빔이 편광 빔 분리기(polarization beam splitter 130)에 의해 광원인 레이저 다이오드(118) 쪽을 향하지 못하도록 하는 방법이 있다.
도 8은 도 7의 구조에 λ/4 파판(133)을 추가하여 출력빔에 대해서는 고효율 커플링을 하고 입력빔에 대해서는 저효율 커플링이 되도록 하는 구조를 보여준다. 커플러로 입력되는 빔의 각도는 전반사 각도이기 때문에 공기층 쪽으로 굴절될 수 없다. 표면 격자(113)로부터 반사된 빔(129)은 빔 분리기(130)를 통하여 분리된 후 두개의 포토다이오드(131)로 입사한다. 즉, 두개의 포토다이오드(131)로부터 검출되는 입력빔의 파워로부터 자동 초점을 유지할 수 있는 신호 및 디스크의 데이터 신호를 얻을 수 있다.
도 9는 고 개구수(numerical aperture, NA)를 갖는 광 픽업 헤드를 만들기 위해 도파로 표면 위에 구면/비구면 렌즈(132)를 설치한 구조를 도시한다. 프레넬 렌즈(128)가 기판(111)의 바닥면에 있기 때문에 기판(111)의 두께에 의해 프레넬 렌즈(128)와 구면 렌즈(132)의 간격이 결정된다. 이 때 구면 렌즈(132)가 도파로 표면과 수 마이크론(micron)의 간격으로 위치되도록 받침(도시안됨)이 놓여질 수 있다. 따라서 렌즈(132)를 설치하기 위한 정렬(alignment) 작업과 추가적인 렌즈 틀(housing)이 필요 없다.
상술한 바와 같이 본 발명은 단일 빔 커플링을 사용하기 때문에 고효율 출력 커플러를 만들 수 있고, 렌즈 역할을 하는 격자와 도파로 모드로부터 출력빔을 만드는 격자가 독립적으로 만들어지므로 격자 설계가 상대적으로 단순해지고 격자 제조 공정의 난이도도 낮아진다.
또한, 본 발명은 광 픽업 헤드에 필요한 요소(레이저 다이오드, 렌즈, 빔 분할기, 포토다이오드)들을 집적시킨 구조로도 구성할 수 있는데, 높은 출력 효율과 신호 검출을 위한 구조를 갖고 있으면서 소자의 두께를 1㎜ 이하로 만들 수 있어서 초소형 초경량 픽업 헤드를 구현할 수 있다. 따라서 휴대형 전자제품 등에 장착될 수 있는 착탈식 광 저장 장치의 핵심 기술로서 활용될 수 있다.
도 1은 종래 도파로 격자 렌즈(FWGC)의 개략도.
도 2a 및 도 2b는 종래 도파로 격자 커플러의 단면도.
도 2c 및 도 2d는 도 2a 및 도 2b에서 출력빔을 만들어 낼 수 있는 커플링 방식을 설명하기 위한 위상 일치 다이어그램.
도 3은 종래 단일 빔 출력을 갖는 도파로 격자 커플러의 단면도.
도 4a 및 도 4b는 종래 단일 빔 출력을 갖는 도파로 격자 커플러 중 브래그 조건을 만족시키는 칼날형 표면 요철 격자 및 두꺼운 홀로그램 격자를 도시한 단면도.
도 4c는 도 4a 및 도 4b의 커플링 방식을 설명하기 위한 위상 일치 다이어그램.
도 5는 도 4b에 도시된 칼날형 표면 요철 격자에서 광 초점을 만들어 낼 수 있는 형태를 도시한 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 도파로 격자 커플러와 반사형 프레넬 렌즈를 이용한 도파로 격자 렌즈의 단면도.
도 7은 본 발명의 도파로 격자 렌즈를 이용하여 구성할 수 있는 광 픽업 헤드의 일예를 도시한 단면도.
도 8은 도 7의 구조에 λ/4 파판을 추가하여 출력빔에 대해서는 고효율 커플링을 하고 입력빔에 대해서는 저효율 커플링이 되도록 한 실시예를 도시한 단면도.
도 9는 도 7의 구조에 구면/비구면 렌즈를 설치한 실시예를 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 111: 기판 12, 112: 코어층
13, 27, 113: 격자 14, 14', 15, 114': 출력빔
16, 116: 광 초점 17: 격자 렌즈
25: 표면 요철 격자 26: 홀로그램 격자
118: 레이저 다이오드 128: 프레넬 격자 렌즈
129: 반사빔 130: 빔 분리기
131: 포토 다이오드 132: 구면/비구면 렌즈
133: λ/4 파판

Claims (12)

  1. 기판과 코어층으로 이루어진 도파로,
    상기 도파로를 통해 입사되는 빔을 상기 기판 쪽으로 커플링시키는 격자 커플러,
    상기 격자 커플러로부터 커플링된 빔을 하나의 초점으로 회절시키는 프레넬 격자 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파로 격자 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 도파로를 통해 입사되는 빔은 단일 모드인 것을 특징으로 하는 도파로 격자 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 격자 커플러는 소정의 주기를 갖는 다수의 격자로 구성되고, 상기 도파로를 통해 입사되는 빔을 상기 기판 쪽으로 경사지게 커플링 시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 도파로 격자 렌즈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 소정의 주기는 상기 도파로를 통해 입사되는 빔 파장의 0.3 내지 0.5배인 것을 특징으로 하는 도파로 격자 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프레넬 격자 렌즈는 상기 기판의 바닥면에 형성된 것을 특징으로 하는 도파로 격자 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 초점이 상기 도파로 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로 격자 격자 렌즈.
  7. 기판과 코어층으로 이루어진 도파로,
    상기 도파로 상에 형성된 격자 커플러,
    광 초점에 위치하는 반사체에 반사되어 돌아오는 빔을 회절시켜 상기 격자 커플러로 보내는 프레넬 격자 렌즈,
    상기 격자 커플러에 반사된 빔을 입사되는 위치에 따라 분리시키는 빔 분리기,
    상기 빔 분리기에 의해 분리된 빔을 각각 입력받는 포토 다이오드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 픽업 헤드.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 격자 커플러는 상기 프레넬 격자 렌즈로부터 입사되는 빔을 전부 반사시킬 수 있는 다수의 격자로 구성된 것을 특징으로 하는 광 픽업 헤드.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 프레넬 격자 렌즈는 상기 기판의 바닥면에 형성되고, 상기 반사체에 반사되어 돌아오는 빔을 회절시켜 상기 격자 커플러로 평행한 빔을 보내도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 픽업 헤드.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 빔 분리기는 상기 도파로의 측면에 위치되는 것을 특징으로 하는 광 픽업 헤드.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 반사체와 상기 프레넬 격자 렌즈 사이의 상기 도파로 상에 고효율 출력 커플링과 저효율 입력 커플링을 위해 설치된 λ/4 파판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 픽업 헤드.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 반사체와 상기 프레넬 격자 렌즈 사이의 상기 도파로 상에 개구수를 높이기 위해 설치된 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 픽업 헤드.
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