KR100524580B1 - Ｍｍｉ 구조를 이용한 집적 광 아이솔레이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중모드 간섭형(Multi-Mode Interference : MMI) 구조 및 자기 광학 물질로 이루어진 클래딩층 이용하여 광 진행시 발생하는 불필요한 반사광들을 제거하고 단길이 집적화가 가능한 MMI 구조의 집적 광 아이솔레이터를 구현하는 것으로서, 광의 진행방향에 따라 광학적 성질들이 변화하는 비가역적 위상변위 효과를 이용한다.
광도파로 형태의 광 아이솔레이터를 구현하기 위해서는 입력되는 광을 동일한 파워를 가지는 두개의 광도파로로 나눠야 한다. 즉, 광 아이솔레이터 소자의 길이를 줄이기 위해서는 입력광을 두개의 도파로로 분리하는데 필요한 길이가 짧아져야 한다. MMI 구조의 광도파로는 입력광을 두개의 도파로로 나누는데 필요한 길이가 마하 젠더 형태의 광도파로보다 훨씬 짧기 때문에 광 아이솔레이터 소자의 길이를 줄일 수 있게 된다. 또한 MMI 구조는 제작상의 허용오차가 크므로 제작이 용이한 장점을 가진다.

Description

ＭＭＩ 구조를 이용한 집적 광 아이솔레이터 {Integrated Optical Isolator using Multi-Mode Interference structure}
본 발명은 집적 광 아이솔레이터에 관한 것으로서, 상세하게는 다중모드 간섭형(Multi-Mode Interference : MMI) 구조 및 비가역적 위상변위를 제공하는 자기 광학 물질로 이루어진 클래딩층 이용하여 광 진행시 발생하는 불필요한 반사광들을 제거하고 단길이 집적화가 가능한 MMI 구조의 집적 광 아이솔레이터에 관한 것이다.
오늘날 광통신 시스템 분야는 급격한 속도로 발전해가고 있으며, 특히 여러 광구성 요소들 즉, 광 변조기, 반도체 레이저, 광 증폭기와 같은 광통신용 광소자에 대한 높은 수준의 통합된(Monolithic) 광 집적화를 필요로 한다.
이러한 광 집적화에 있어서, 여러 광소자들의 안정적인 작동을 보장하기 위해서는 광이 진행할 때 발생하는 불필요한 반사광들로부터 광소자들을 보호하는 광 아이솔레이터가 필수적이다.
기존에는 광 아이솔레이터가 벌크 형태의 자기 광학 물질을 이용하여 제작되었기 때문에 통합된 집적화가 불가능하였고, 각각의 광소자와 광 아이솔레이터를 정렬하여 패키지화하는 방식을 취하였다. 따라서, 광 아이솔레이터를 광소자와 집적할 수 있는 기술이 요구되었는데, 이는 상온에서 자기적(magnetic) 성질을 띄는 자기 광학 물질이 발견되면서 가능하게 되었다.
현재, 자기 광학 물질을 이용한 광 집적 아이솔레이터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 것으로 자기 광학 물질이 광도파로에 가이드층으로 활용되는 방법[J.Fujita et al. Appl. Phys. Lett., 76, 2158 (2000)]과 클래딩층으로 활용되는 방법[H.Yokoi et al. Appl. Opt., 39, 6158 (2000)] 등이 있다.
도 4는 종래기술에 따른 마하 젠더 간섭계형 광 아이솔레이터의 구조도이다.
도 4를 참조하면, 기존의 집적 광 아이솔레이터는 2개의 Y-분배기(20, 30)를 연결한 형태의 마하 젠더 간섭계(Mach Zehnder interferometer) 구조를 가지고 있으며, 입력되는 광은 2개의 아암(40, 50)을 통해 나누어진후 다시 합쳐지는 구성을 가진다. 그러나, 마하 젠더 간섭계는 입력된 광을 분배하는 Y-분배기 영역이 수㎜의 공정길이를 포함하고, 광을 두개의 아암으로 나누고 다시 하나로 합치기 위해서는 ㎜단위의 길이가 필요하기 때문에 집적화에 한계를 가진다. 여기서, 미설명부호 10은 클래딩층이다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광통신용 광소자에 대한 높은 수준의 통합된 광 집적화가 가능한 집적 광 아이솔레이션을 제공하는 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 MMI 구조를 이용하여 단길이 집적화가 가능한 MMI 구조의 집적 광 아이솔레이터를 구현하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 비가역적 위상변위를 제공하는 자기 광학 물질로 이루어진 클래딩층 이용하여 광 진행시 발생하는 불필요한 반사광들을 제거하는 집적 광 아이솔레이터를 구현하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판과; 상기 기판상에 웨이퍼 직접 결합법에 의해 형성된 2개의 MMI 광분리기와; 상기 MMI 광분리기에서 분기된 2개의 아암상에 형성된 클래딩층과; 상기 클래딩층상에 형성되고, 서로 반대 방향의 자기장을 형성하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 MMI 광분리기는 입력되는 광을 동일한 파워를 가지는 두개의 광으로 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 클래딩층은 비가역적 위상변위를 제공하는 자기 광학 물질(Ce:YIG)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
MMI 구조의 기본적인 이론은 Baojun Li, Guozheng Li, Enke Liu, Zuimin Jiang, Jie Qin, Xun Wang, "Low-Loss 1 X 2 multimode interference wavelength demultiplexer in Silicon-Germanium alloy," IEEE Photo. Tech. Lett. Vol.11, pp.575∼577, 1999; L.B. Soldano and E.C.M. Pennings, "Optical Multi Mode Interference Device Based on Self-Imaging: Principles and Application", J. Lightwave Technology. Vol. 13(4), pp.615∼627, 1995)에서 다루고 있다.
MMI 구조는 입력광을 분배하는 영역이 수백㎛ 길이로 짧아지게 된다는 장점을 가진다. 따라서, 입력광을 분배하고, 분배된 입력광을 다시 합치는 두개의 MMI를 이용한 간섭계를 적용하면 기존의 마하 젠더 간섭계를 적용했을 경우보다 입력광을 분배하는 영역이 수십㎛ 내지 수백㎛ 짧아지는 광 아이솔레이터를 제작할 수 있다. 또한 MMI 구조는 제작시 허용오차가 크기 때문에 제작이 용이하고 수율도 높일 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 MMI 구조를 이용한 집적 광 아이솔레이터의 구조도이다.
도 1에 의하면, 본 발명의 집적 광 아이솔레이터는 기판(100)과, 상기 기판(100)에 웨이퍼 직접 결합법에 의해 형성된 2개의 MMI 광분리기(110, 120)와, 상기 MMI 광분리기(110, 120)에서 분기된 2개의 아암(130, 140)상에 형성된 클래딩층(150)과, 상기 클래딩층(150)상에 형성되는 전극(160)으로 구성된다.
상기 클래딩층(150)은 비가역적 위상변위를 제공하는 자기 광학 물질(Ce:YIG)로 이루어진다.
상기 전극(160)은 상기 MMI 광분리기(110, 120)의 평면에 평행하고 서로 반대 방향의 자기장을 형성시키도록 설계되며, 전류가 주입될 때 자기 광학 물질이 자화되도록 한다.
또한, 상기 2개의 아암(130, 140)의 경로차가 λ/4가 되도록 제작함으로써 MMI 광분리기의 가역적 위상변위가 λ/4가 되도록 한다.
입력단으로 들어오는 광은 MMI 광분리기(110, 120)에 의해 동일한 파워를 가지는 광으로 분리된다. 그리고, 입력단으로 들어오는 광은 서로 다른 방향으로 자화된 두개의 아암(130, 140)을 지나게 되어 반대방향으로 비가역적 위상변위를 가지게 된다. 예를 들면, 광이 전향방향 즉, 제1 MMI 광분리기(110)로부터 제2 MMI 광분리기(120)로 전파해가는 경우에는 제1 아암(130)으로 전파해가는 광은 λ/8만큼 비가역적 위상변위를 가지고, 제2 아암(140)으로 전파해가는 광은 -λ/8만큼 위상변화를 가지게 된다. 그러므로, 두 광의 비가역적 위상변위는 -λ/4가 된다. 또한 가역적 위상변위인 λ/4가 있으므로 MMI 광분리기(110, 120)에서는 두 광의 위상변위가 0이 되어 전파할 수 있게 된다. 하지만, 광이 후향 방향 즉, 제2 MMI 광분리기(120)로부터 제1 MMI 광분리기(110)로 전파해가는 경우에는 비가역적 위상변위가 λ/4가 되어 총 위상차이는 λ/2만큼의 위상차를 갖게 되어 소멸하게 된다.
도 2는 도 1의 MMI 구조를 이용한 집적 광 아이솔레이터의 BMP 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 제1 MMI 광분리기(MMI#1)로 입력된 두개의 입력광은 동일한 위상으로 두개의 아암(130, 140)으로 분리되고, 분리된 두개의 출력광은 제2 MMI 광분리기(MMI#2)의 입력으로 들어가 합쳐져서 최종출력으로 나온다. 이런 경우에, 제1 MMI 광분리기(MMI#1)와 제2 MMI 광분리기(MMI#1)의 연결부분중 한쪽의 아암에 위상변화를 주게 되면 제2 MMI 광분리기(MMI#2)에서 두 입력광의 위상차로 인하여 간섭현상이 일어나게 되고, 최종 출력광의 변화가 발생한다.
도 3은 도 1에 사용된 MMI 구조에서 50 대 50으로 광을 분리할 경우에 MMI 폭의 변화에 대한 MMI 길이의 변화를 해석한 결과이다. 도시된 바와 같이, MMI 폭의 변화에 따라 MMI 길이가 수백㎛로 감소될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, MMI 구조와 비가역적 위상변위를 제공하는 자기 광학 물질로 이루어진 클래딩층 이용함으로써 단길이 집적화가 가능한 집적 광 아이솔레이터를 구현할 수 있다는 장점을 제공한다.
또한, 입력광을 분배하는 영역이 수십㎛ 내지 수백㎛ 짧아지는 광 아이솔레이터를 제작할 수 있으며, 제작시 허용오차가 크기 때문에 제작이 용이하고 수율도 높일 수 있다는 장점을 제공한다.
따라서, 높은 수준의 광 집적화를 구현할 수 있게 되어 광 정보처리 시스템에 큰 영향을 미칠 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 MMI 구조를 이용한 집적 광 아이솔레이터의 구조도.
도 2는 MMI 구조를 이용한 집적 광 아이솔레이터의 BPM 시뮬레이션 결과를 도시하는 그래프.
도 3은 MMI의 폭에 따른 길이의 변화를 도시하는 그래프.
도 4는 종래기술에 따른 마하 젠더 간섭계형 광 아이솔레이터의 구조도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
100 : 기판 110, 120 : MMI 광분리기
130, 140 : 아암 150 : 클래딩층
160 : 전극

Claims (3)

  1. 기판과;
    상기 기판상에 웨이퍼 직접 결합법에 의해 형성된 2개의 MMI 광분리기와;
    상기 MMI 광분리기에서 분기된 2개의 아암상에 형성된 클래딩층과;
    상기 클래딩층상에 형성되고, 서로 반대 방향의 자기장을 형성하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광 아이솔레이터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 MMI 광분리기는 입력되는 광을 동일한 파워를 가지는 두개의 광으로 분리하는 것을 특징으로 하는 집적 광 아이솔레이터.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 클래딩층은 비가역적 위상변위를 제공하는 자기 광학 물질(Ce:YIG)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집적 광 아이솔레이터.
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