KR100580658B1 - 광 결정을 이용한 광 아이솔레이터 - Google Patents

광 결정을 이용한 광 아이솔레이터 Download PDF

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이홍석
김지덕
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삼성전자주식회사
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Abstract

광 결정을 이용한 광 아이솔레이터가 개시되어 있다.
이 개시된 광 아이솔레이터는, 광 결정으로 형성된 입력 도파관과, 상기 입력 도파관 내부에 형성된 테이퍼부를 가지는 입력 도파로를 구비한 입력부; 광 결정으로 형성된 출력 도파관을 구비하고, 상기 출력 도파관 내부에 상기 입력 도파로에 연속적으로 출력 도파로가 형성되며, 상기 출력 도파로는 광전송 방향 중심축에 대해 상기 테이퍼부의 기울기보다 큰 기울기를 가지는 역방향 광신호 차단면을 구비한 출력부;를 포함하여 광신호가 상기 입력부에서 출력부를 향하는 순방향으로 전송되고, 출력부에서 입력부로 향하는 역방향으로는 전송되지 않도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해 광 아이솔레이터는 광 결정을 이용한 것으로 일체형으로 형성함으로써 광학 정렬 및 조립 공정이 필요 없고, 제조 공정이 간단하여 제조 단가가 저감된다.

Description

광 결정을 이용한 광 아이솔레이터{Optical isolator using a photonic crystal}
도 1은 종래의 광 아이솔레이터를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a는 2차원 광 결정 구조를 나타낸 것이다.
도 2b는 3차원 광 결정 구조를 나타낸 것이다.
도 3a는 삼각형 격자 구조를 가지는 홀 타입의 광 결정을 나타낸 것이다.
도 3b는 사각형 격자 구조를 가지는 로드 타입의 광 결정을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 아이솔레이터를 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 아이솔레이터의 변형예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 아이솔레이터를 나타낸 것이다.
도 7은 광 결정의 광자 밴드 갭을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 아이솔레이터의 변형예를 나타낸 것이다.
도 9a는 표 1에 예시된 광 결정 구조를 가지는 광 아이솔레이터의 순방향 광신호 진폭과 역방향 광신호 진폭을 나타낸 것이다.
도 9b는 표 2에 예시된 광 결정 구조를 가지는 광 아이솔레이터의 순방향 광 신호 진폭과 역방향 광신호 진폭을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 광 아이솔레이터가 사각형 격자 구조를 가지는 광 결정으로 이루어진 예를 나타낸 것이다.
도 11은 도 10에 도시된 구조의 광 아이솔레이터에 대한 광신호 진폭을 나타낸 것이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 설명>
50,100...입력부, 52,102...입력 도파로
54,104...입력 광도파관, 55,105...테이퍼부
58...입력 도파로의 출구, 60,110...연결 도파로
70,120...출력부, 72,122...출력 도파로
74,124...출력 광도파관, 75,125...역방향 광신호 차단면
77...측면, 78,128...블록
79,129...돌출부, 80,130...좁은 도파로
h...홀, l...로드
L...전체 길이, W...전체 폭
GW...광도파로 전체 폭, CL...연결 도파로 길이
CW...연결 도파로 폭, BW...블록 폭
r...홀 반경
본 발명은 광 아이솔레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광결정의 구조를 변경하여 아이솔레이션을 개선하고 소형화시킨 광 아이솔레이터에 관한 것이다.
광 아이솔레이터는 순방향으로는 거의 감쇠 없이 광신호를 전송하나 역방향으로는 광을 분산시켜 광신호가 전송되지 못하도록 하는 비가역성 광소자이다.
광 아이솔레이터는 일반적으로 자기장 내의 특별한 유전체에서 나타나는 패러데이 효과를 이용하며, 자계가 작용하는 유전체 속에서, 자계와 평행으로 전파하는 전자파가 그 편파면을 서서히 회전해 가는 현상을 이용한다. 자계와 전자파의 방향이 정확하게 반대이면 편파면은 전자파의 진행에 따라 반대방향으로 회전하므로 편광판과 같이 편파면의 전자파만을 통하게 하는 것을 양쪽에 놓아두면 한쪽 방향의 전자파는 잘 통과하지만, 반대방향의 전자파는 통과하지 못한다.
따라서, 광 아이솔레이터는 역방향으로 반사되어 들어오는 광신호를 차단하여 광신호가 입력단으로 되돌아가 전송 효율을 떨어지게 하거나, 광부품을 손상시키는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 1을 참조하면, 종래의 편광 모드를 이용한 광 아이솔레이터는 편광자(10)와, 패레데이 회전자(13)와 검광자(15)를 포함한다. 순방향으로 입력되는 광선(L1)은 상기 편광자(10)에 의해 하나의 편광 방향을 가진다. 상기 편광자(10)를 투과한 광선은 각각의 편광 방향이 상기 페러데이 회전자(13)에 의해 45°회전된다.
한편, 상기 검광자(15)는 상기 편광자(10)의 결정 광축에 대해 페러데이 회전자(13)에 의해 광선이 회전되는 방향과 동일한 방향으로 45°틀어진 결정 광축을 가진다. 그러므로, 편광자(10)와 페러데이 회전자(13)를 투과한 광선은 검광자(15)를 투과한다. 따라서, 순방향으로 입력되는 광신호(L1)는 편광자(10), 페러데이 회전자(13), 검광자(15)를 통해 진행된다.
이에 반해, 역방향으로 들어오는 광선(L2)은 검광자(15)에 의해 45° 틀어진 편광을 갖는다. 역방향 진행 광선은 페러데이 회전자(13)를 통과하면서 상기 순방향 광선(L1)의 회전 방향과 반대 방향으로 45°회전된다. 따라서, 상기 페러데이 회전자(13)를 통과한 역방향 진행 광선은 상기 편광자(10)의 결정 광축에 수직인 편광 방향을 가진다. 따라서, 역방향 광선은 상기 페러데이 회전자(13)를 통과하면 상기 편광자(10)에 의해 차단된다.
상기 편광자(10)는 입사된 광선을 하나의 편광 방향을 가지도록 하며, 상기 페러데이 회전자(13)는 분리된 광의 편광 방향을 45°회전시킨다. 상기 검광자(15)는 편광자(10)에 대해 45°의 광축 방향으로 배열되어 페러데이 회전자(13)를 통과한 광을 차단시킨다. 역방향으로 광선이 입사된 경우에는 검광자(15)에 의해 결정된 편광은 페러데이 회전자(13)의 비가역적인 동작에 의해 그 편광 방향이 (-)45°회전되어 편광자(10)의 편광 방향과 90°차가 나도록 바뀐다. 따라서, 역방향 광선은 편광자(10)에 의해 차단된다.
광 아이솔레이터는 광학 통신 시스템에서 유용하게 사용되며, 광학 통신 시스템에 사용되는 전송율이 증가되면 레이저에 요구되는 성능도 증가하게 된다. 광학 통신 시스템의 일부에서 되반사된 빛은 이러한 고성능 레이저의 동작에 악영향 을 미쳐 예를 들면, 레이저의 스펙트럼, 라인폭 또는 고유 노이즈의 변동으로 이어진다. 광 아이솔레이터는 레이저로 재입사되어 발생하는 반사 노이즈를 억제함으로써 고성능 반도체 레이저를 보호하는데 사용된다. 또한, 고밀도 파장분할다중화(Dence Wavelength Division Multiplexing) 방식은 한 가닥의 광섬유에 서로 다른 여러 파장의 광신호를 동시에 전송함으로써 전송 능력을 확대하고 시스템 비용 절감과 효율적인 네트워크 구축을 가능하게 하는 비대칭 디지털 가입자망을 비롯한 초고속 정보 통신 시장의 눈부신 성장에 힘입어 전세계적으로 수요가 폭발적으로 늘어나고 있다. 고밀도 파장분할다중화 방식에서는 광원의 스펙트럼 선폭이 작아지고, 이를 유지하는 것이 중요하다. 또한, 광부품의 집적화가 이루어짐에 따라 광 아이솔레이터의 구조가 단순화될 필요가 있다.
하지만, 기존의 편광자와 페러데이 회전자를 이용한 아이솔레이터는 부품이 많이 필요하므로 구조가 복잡하고, 광학 정렬에 어려움이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 광 결정을 이용하여 구조가 간단하고, 광학 정렬이 용이하며, 아이솔레이션이 향상된 광 아이솔레이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광 아이솔레이터는 광 결정으로 형성된 입력 도파관과, 상기 입력 도파관 내부에 형성된 테이퍼부를 가지는 입력 도파로를 구비한 입력부; 광 결정으로 형성된 출력 도파관을 구비하고, 상기 출력 도파관 내부에 상기 입력 도파로에 연속적으로 출력 도파로가 형성되며, 상기 출력 도파로는 광전송 방향 중심축에 대해 상기 테이퍼부의 기울기보다 큰 기울기를 가지는 역방향 광신호 차단면을 구비한 출력부;를 포함하여 광신호가 상기 입력부에서 출력부를 향하는 순방향으로 전송되고, 출력부에서 입력부로 향하는 역방향으로는 전송되지 않도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 입력 도파로와 출력 도파로 사이에 연결 도파로가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 광 결정은 홀 또는 로드가 배열되어 구성되고, 상기 연결 도파로는 상기 홀 또는 로드의 직경과 대략 같은 폭을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 광 결정은 홀 또는 로드가 배열되어 구성되고, 상기 연결 도파로는 상기 홀 또는 로드가 3-6개 일렬로 배열된 길이를 가지는 것이 바람직하다.
상기 역방향 광신호 차단면에 대향하는 제1면과 상기 출력 도파로의 측면에 대향하는 제2면을 가지는 블록이 상기 출력 도파로의 순방향에 대한 입구 쪽에 배치되며, 상기 역방향 광신호 차단면과 상기 제1면 사이 및 상기 측벽과 제2면 사이에 좁은 도파로가 형성되어, 상기 입력 도파로로부터 출력 도파로쪽으로 향하는 광신호가 상기 좁은 도파로를 통해 안내되고, 상기 출력 도파로부터 입력 도파로 쪽으로 향하는 광신호는 상기 블록에 의해 반사되도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 광 결정은 홀 또는 로드가 배열되어 구성되고, 출력 도파로의 측면에 상기 홀 또는 로드가 일렬로 배열되어 형성된 돌출부가 상기 블록에 인접되게 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 역방향 광신호 차단면은 광신호 전송 방향의 중심축에 대해 직각인 면을 형성하도록 광 결정의 홀 또는 로드가 배열되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 역방향 광신호 차단면은 광신호 전송 방향의 중심축에 대해 순방향을 향해 넓어지는 테이퍼 형태를 가지도록 광결정의 홀 또는 로드가 배열되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 역방향 광신호 차단면은 광결정이 광신호 전송 방향의 중심축에 대해 역방향을 향해 넓어지는 테이퍼 형태를 가지도록 배열되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 테이퍼부는 광 결정의 홀 또는 로드가 계단형으로 배열되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 결정을 이용한 광 아이솔레이터에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
광 결정(photonic crystal)은 유전 상수가 서로 다른 물질들을 주기적으로 배열하여 전자기파의 에너지 스펙트럼에 광자 밴드 갭(PBG;Photon Band Gap)이 형성되도록 만든 인공 결정을 말한다. 광 결정에 빛이 입사되는 경우 대부분의 파장에 대해서 빛은 산란 없이 결정을 통과한다. 하지만, 특정한 파장(또는 주파수) 대역에서 빛이 통과할 수 없는 반사 영역이 생기는데, 이를 광자 밴드 갭이라 한다. 광자 밴드 갭 내에 속하는 파장(또는 주파수)을 가지는 빛이 광 결정 내로 입사되면 빛은 광 결정 내로 전파되지 못하고 반사된다. 이러한 광자 밴드 갭을 이용하여 빛을 공동(cavity) 안에 가둘 수도 있고, 도파관(waveguide) 안에 가둘 수도 있다.
광 결정은 유전 물질을 주기적으로 배열하여 형성되는 것으로, 굴절률과 주기적인 구조에 따라 광자 밴드 갭의 크기나 위치가 가변된다. 이러한 특성을 이용하여 광 결정을 분기필터, 광 도파관, 광지연 소자, 레이저 등과 같은 광소자에 응용할 수 있다. 도 2a는 2차원 광 결정 구조를 도 2b는 3차원 광 결정 구조의 제작 예를 나타낸 것이다. 광 결정은 홀이 주기적으로 배열된 홀형 광 결정과 로드가 주기적으로 배열된 로드형 광 결정으로 나눌 수 있다. 도 2a는 홀(h)이 주기적으로 배열된 구조이고, 홀이 없는 부분이 반사 영역(18)이 된다. 또한, 도 3a는 광 결정이 삼각형 격자 구조를 가지는 경우를 나타낸 것이고, 도 3b는 광 결정이 사각형 격자 구조를 가지는 경우를 나타낸 것이다. 삼각형 격자 구조는 홀(h) 또는 로드가 열마다 교대로 어긋나게 배열된 구조를 가지며, 사각형 격자 구조는 로드(l) 또는 홀이 일렬로 배열된 구조를 가진다. 도면에 도시되지는 않았지만, 로드가 삼각형 격자 구조로 배열될 수도 있고, 홀이 사각형 격자 구조로 배열될 수도 있다.
본 발명은 광 결정의 구조를 변경하여 아이솔레이션을 향상시킨 광 아이솔레이터에 관한 것이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 광 아이솔레이터는 도 4를 참조하면, 광신호가 입력되는 입력부(50)와 광신호가 출력되는 출력부(70)를 포함한다. 상기 입력부(50)는 외부 파이버 또는 외부 도파관(미도시)으로부터 입력되는 광신호를 받아들이고, 출력부(70)는 상기 입력부(50)로부터 전송된 광신호를 외부 파이버 또는 외부 도파관(미도시)으로 출력시킨다. 상기 입력부(50)에서 출력부(70)로 향하는 방향이 순방향(forward)이고, 그 반대 방향을 역방향(backward)이라고 할 때, 광신호 가 순방향으로는 광 손실이 거의 없이 진행되는데 반해, 역방향으로는 광신호가 진행되지 못한다.
상기 입력부(50)는 순방향으로 좁아지는 테이퍼부(55)를 가지는 입력 도파로(52)가 형성되도록 광 결정으로 구성된 입력 광도파관(54)을 구비한다. 도 4에서는 홀형 광 결정 구조를 예시하였다. 상기 입력 광도파관(54)은 광 결정 으로 구성되어 광자 밴드 갭의 특정 주파수 대역에서 반사 영역을 가지므로, 상기 광자 밴드 갭에 대응되는 광신호는 상기 입력 광도파관(54) 내부로 투과되지 못하고 반사되어 상기 입력 도파로(52)를 통해 진행된다.
상기 테이퍼부(55)는 순방향으로 갈수록 그 폭이 작아지는 형태를 가진다. 광 결정은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 홀 타입 광 결정과 로드 타입 광 결정이 있는데, 이하에서는 홀(h)이 규칙적으로 배열된 홀 타입 광 결정 구조에 대해서만 설명하기로 하며, 동일한 구조를 로드 타입 광 결정에 대해서도 적용할 수 있는 것으로 한다.
상기 테이퍼부(55)는 광 결정의 홀(h)이 이루는 면이 계단형으로 형성되어 구성된다. 즉, 상기 테이퍼부(55)는 상기 홀(h)이 계단형으로 배열되어 형성된다. 예를 들어 상기 홀(h)이 순방향을 향해 세 개씩 배열될 때마다 한 계단씩 좁아지도록 구성될 수 있다. 이와 같이 홀(h)을 계단형으로 배열하여 상기 테이퍼부(55)가 계단형으로 좁아지는 형태를 가지도록 구성할 수 있다. 상기 테이퍼부(55)의 계단형 구조를 계단의 길이(SL)와 폭(SW)으로 나타낼 수 있다. 도 4는 상기 테이퍼부(55)가 SL:SW=3:1의 구조를 가지는 경우를 예시한 것이다. 계단의 개수는 아이솔레 이터의 전체 폭과 길이에 따라 조절될 수 있다.
한편, 상기 입력 도파로(52)의 순방향에 대한 출구(58)가 홀(h)의 직경(2r)과 같은 폭을 가질 수 있다.
상기 출력부(70)는 홀 타입 광 결정으로 구성된 출력 광도파관(74)과 상기 출력 광도파관(74) 내부에 광 결정의 홀(h)과 다른 매질로 구성된 출력 도파로(72)를 구비한다. 상기 출력 도파로(72)는 상기 입력 도파로(52)에 연속적으로 이어지며, 상기 입력 도파로(52)의 출구(58)에 인접된 위치에 역방향 광신호 차단면(75)을 구비한다.
상기 역방향 광신호 차단면(75)은 광신호 전송 중심축(c)에 대해 상기 입력 도파로(52)의 테이퍼부(55) 기울기보다 큰 기울기를 가지도록 형성된다. 다시 말하면, 상기 테이퍼부(55)는 광신호 전송 중심축(c)에 대한 기울기를 θ1이라고 하고, 상기 역방향 광신호 차단면(75)의 광신호 전송 중심축(c)에 대한 기울기를 θ2라고 할 때, θ1<θ2를 만족하도록 구성된다. 여기서, 테이퍼부(55)의 기울기(θ 1)는 바깥쪽에 배열된 홀(h)들을 이어 형성된 면의 상기 중심축(c)에 대한 기울기로 하며, 역방향 광신호 차단면(75)의 기울기(θ2)는 바깥쪽에 배열된 홀(h)들을 이어 형성된 면의 중심축(c)에 대한 기울기를 지칭하는 것으로 한다.
상기 역방향 광신호 차단면(75)은 θ1<θ2를 만족하면서 θ2가 예각을 가지거나, 직각을 가지거나, 둔각을 가지도록 할 수 있다. 도 4에는 θ2가 예각을 가지는 형태를 나타낸 것이고, 도 5a는 θ2가 직각을 가지는 형태를 나타낸 것이며, 도 5b는 θ2가 둔각을 가지는 형태를 나타낸 것이다.
상기 역방향 광신호 차단면(75)은 홀(h)의 배열에 따라 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일 예로 도 4에 도시된 바와 같이 순방향으로 넓어지는 테이퍼 형태를 가질 수 있다. 단, 상기 역방향 광신호 차단면(75)은 상기 테이퍼부(55) 보다 그 기울기가 상대적으로 매우 큰 것이 바람직하다.
또는, 도 5a에 도시된 바와 같이 상기 역방향 광신호 차단면(75)이 광신호 전송 중심축(c)에 대해 직각인 면을 이루도록 홀(h)이 배열되어 구성될 수 있다. 또는, 도 5b에 도시된 바와 같이 역방향 광신호 차단면(75)이 역방향을 향해 그 폭이 커지는 형태를 가지도록 구성될 수 있다. 상기 역방향 광신호 차단면(75)은 광 결정의 홀(h)이 일정한 구조로 배열되어 형성된다.
한편, 상기 입력 도파로(52)의 전체 폭(GW1)과 상기 출력 도파로(72)의 전체 폭(GW2)이 같도록 구성되는 것이 바람직하다.
다음, 상기 입력 도파로(52)와 출력 도파로(72) 사이에 연결 도파로(60)가 더 구비될 수 있다. 상기 연결 도파로(60)의 폭(CW)은 홀(h)이 1-3개 배열된 것과 같은 폭을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 연결 도파로(60)의 길이(치)는 1-7개의 홀이 배열된 것과 같은 길이를 가지도록 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 광 아이솔레이터를 나타낸 것이다. 아이솔레이션(isolation)을 더욱 향상시키기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 출력부(70) 의 순방향 입구 쪽에 블록(78)이 더 구비될 수 있다. 아이솔레이션은 순방향으로 전송되는 광신호의 세기와 역방향으로 전송되는 광신호의 세기의 차를 dB 값으로 환산한 값으로 아이솔레이터의 성능을 나타낸다.
상기 출력 도파로(70)는 역방향 광신호 차단면(75)과 측면(77)으로 구성되며, 상기 블록(78)은 상기 역방향 광신호 차단면(75)에 대향되는 제1면(78a)과 측면(77)에 대향되는 제2면(78b)을 포함한다. 상기 블록(78)이 형성되도록 홀(h)이 배열됨으로써 상기 제1면(78a)과 광신호 차단면(75) 사이 및 상기 제2면(78b)과 측면(77) 사이에 좁은 도파로(80)가 형성된다. 상기 입력 도파로(52)로부터 출력 도파로(72)쪽으로 향하는 광신호가 상기 좁은 도파로(80)를 통해 안내되고, 상기 출력 도파로(72)부터 입력 도파로(52) 쪽으로 향하는 광신호는 상기 블록(78)에 의해 반사되어 역방향으로 광신호가 전송되는 것을 방지한다.
상기 테이퍼부(55)는 광신호가 단열 모드 변환(adiabatic mode conversion)을 통해 변환 손실이 적은 상태로 변환되어 진행되도록 함으로써 순방향으로 광신호가 양호하게 전송되고, 광신호가 역방향 진행시에는 모드가 급격히 변화하여 매우 적은 양만이 전송된다. 즉, 순방향 진행시에는 도파로가 테이퍼 형태이기 때문에 모드의 변환가 작아서, 모드 불일치로 인한 손실이 거의 없는데 반해, 역방향 진행시에는 도파로 크기가 급격하게 변화하는 부분에서 모드의 변화가 크고 따라서 모드 불일치로 인한 손실이 크기 때문에 광신호 대부분이 진행되지 않게 된다. 더 나아가, 상기 블록(78)을 통해 광신호가 역방향으로 전송되는 양을 더욱 감소시킬 수 있다.
상기 좁은 도파로(80)는 바람직하게는 1-2개의 홀(h)이 배열된 것과 같은 폭을 가진다. 또한, 상기 측면(77)에 돌출부(79)가 형성된다. 상기 돌출부(79)는 홀(h)이 일렬로 배열되어 형성되며, 좁은 도파로(80)의 단부에 인접되게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 돌출부(80)는 좁은 도파로(80)와 같은 폭을 가지는 것이 바람직하다. 상기 돌출부(79)는 홀(h)이 1-2열, 3-10행으로 배열되어 형성될 수 있다. 즉, 홀(h)의 반경을 r이라고 할 때, 홀의 직경(2r)과 대략 같은 폭 또는 4r의 폭을 가지고, 6r 내지 20r의 길이를 가지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광 아이솔레이터는 광 결정 구조를 변형하여 아이솔레이션을 향상시키고, 아이솔레이터와 별도로 도파관을 구비할 필요가 없으며, 레이저 다이오드와 일체화가 가능하여 컴팩트한 구조가 가능한 이점이 있다. 또한, 광 결정 구조를 이용하여 광 아이솔레이터를 단품화할 수 있으므로 광학 정렬 및 조립 공정이 필요 없으며, 제조 단가가 저감되는 효과가 있다.
도 7은 광 결정 구조에서 특정 주파수 대역에서 광자 밴드 갭(PBG)이 나타나는 것을 보인 것이다. 여기서, rd는 홀의 반경을, a는 홀과 홀의 중심 사이 거리를 나타낸 것으로 a=750nm를, ε은 매질의 유전 상수를, TE는 TE 모드 광을 TM은 TM 모드 광을 각각 나타낸다.
본 발명에서 광 결정 구조를 변경하는 인자는 도 8을 참조하면, 홀(h)(또는 로드)의 반경(r), 아이솔레이터의 전체 길이(L), 전체 폭(W), 광 결정 매질의 굴절률(n), 결정 격자 구조, 테이퍼부의 계단 구조, 블록의 길이(BL), 연결 도파로의 길이(CL), 연결 도파로의 폭(CW), 광도파로의 전체 폭(GW), 돌출부 길이(PL), 돌출 부의 폭(PW) 등이 있다. 여기서, 상기 테이퍼부를 이루는 광 결정의 홀 또는 로드의 배열 구조를 예를 들어 계단 구조로 한 경우를 예시하지만, 계단 구조 이외에 다양한 형태의 배열 구조를 가질 수 있다.
다음, 노말라이즈된 주파수가 0.5이고, 1.5㎛에서 광자 밴드 갭을 갖도록 하기 위해, a=750nm로 하고, 광 결정 구조를 아래 표와 같이 설계하여 시뮬레이션 하였다.
인 자 크기
홀 반경(r) 0.48a
전체 길이(L) 35a
전체 폭(W) 21a
굴절률(n) 3.376
격자 구조 삼각형 구조
도파로 폭(GW) 7a
테이퍼부 구조 3 : 1
블록 길이(BL) 4(2r)
연결 도파로 길이(CL) 5(2r)
연결 도파로 폭(CW) 2r
에지 형태 사각형
돌출부 길이(PL) 6(2r)
돌출부 폭(PW) 1(2r)
표 1에 따른 광 결정 구조를 가진 아이솔레이터의 순방향 광신호 진폭과 역방향 광신호 진폭이 도 9a에 도시되어 있다. 순방향 광신호 진폭이 -1.6(dB)이고, 역방향 광신호 진폭이 -20.1(dB)이며, 아이솔레이션은 대략 37.0(dB)이다. 표 1에서 블록 길이(BL)는 네 개의 홀을 배열한 것과 같은 길이를 가지며, 연결 도파로 의 길이(CL)는 다섯 개의 홀을 배열한 같은 길이를 가지며, 연력 도파로의 폭(CW)은 홀 한 개의 지름과 같은 폭을 가진다.
다음 광 결정 구조를 다음과 같이 변경하여 아이솔레이션을 계산하였다.
인 자 크기
홀 반경(r) 0.48a
전체 길이(L) 82a
전체 폭(W) 27a
굴절률(n) 3.376
격자 구조 삼각형 구조
도파로 폭(GW) 13a
테이퍼면 구조 5 : 1
블록 길이(BL) 7(2r)
연결 도파로 길이(CL) 5(2r)
연결 도파로 폭(CW) 2r
에지 형태 사각형
돌출부 길이(PL) 7(2r)
돌출부 폭(PW) 1(2r)
표 2에 따른 구조로 된 아이솔레이터의 순방향 광신호 진폭과 역방향 광신호 진폭이 도 9b에 도시되어 있다. 순방향 광신호 진폭이 -1.430(dB)이고, 역방향 광신호 진폭이 -18.698(dB)이며, 아이솔레이션은 대략 34.7(dB)이다.
도 10은 로드(rod) 타입의 광 결정 구조를 가지는 아이솔레이터를 나타낸 것으로 로드(l)가 사각형 격자 구조로 배열된 예를 나타낸 것이다. 로드 타입의 광 결정 구조를 가지는 아이솔레이터도 상술한 홀 타입의 광 결정 구조를 가지는 아이솔레이터와 동일한 구조로 제작될 수 있다. 도 10에 도시된 아이솔레이터는 계단형의 테이퍼부(105)를 가지는 입력 도파로(102)가 형성된 입력 도파관(104)를 구비한 입력부(100)와, 역방향 광신호 차단면(125)을 가지는 출력 도파로(122)가 형성된 출력 도파관(124)을 구비한 출력부(120)를 포함한다. 상기 입력부(100)와 출력부(120) 사이에 연결 도파로(110)가 형성되고, 상기 역방향 차단면(125)에 대응되는 면을 가지는 블록(128)이 형성되고, 상기 역방향 전송 차단면(125)과 블록(128) 사 이 및 출력 도파로의 측면(127) 사이에 좁은 도파로(130)가 형성된다. 상기 좁은 도파로(130)이 단부에 인접하여 돌출부(129)가 형성된다. 상기 돌출부(129)는 로드가 순방향에 대해 3행 2열로 배열되어 형성되며, 상기 역방향 광신호 차단면(125)은 광신호 전송 중심축(c)에 대해 직각인 면을 가진다.
도 11은 로드 타입의 광 결정 구조를 가지는 아이솔레이터에 대한 광신호 세기를 나타낸 것으로, 순방향 광신호와 역방향 광신호의 세기를 각각 보여주고 있다. 순방향 광신호가 대략 0.8까지 출력되는데 반해, 역방향 광신호는 0.1보다 작은 값을 나타내므로, 로드 타입의 광 결정 구조가 아이솔레이터로서의 기능을 할 수 있음을 보여준다. 이와 같이 본 발명에 따른 광 아이솔레이터는 홀 타입의 광 결정 구조뿐만 아니라 로드 타입의 광 결정 구조를 이용하여 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 광 아이솔레이터는 광 결정을 이용한 것으로 일체형으로 형성함으로써 광학 정렬 및 조립 공정이 필요 없고, 제조 공정이 간단하여 제조 단가가 저감된다. 또한, 레이저 다이오드 또는 광 도파관과 일체로 형성할 수 있으므로 컴팩트화가 가능하다. 더욱이, 광 아이솔레이터의 출력 도파로 쪽에 도파로를 일부 막아주는 블록을 구성함으로써 역방향 광신호 차단 효과를 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광 아이솔레이터는 광 도파관이나 광파이버에 용이하게 결합할 수 있도록 되어 있어 광부품의 집적화 구현이 가능하다.

Claims (19)

  1. 광 결정으로 형성된 입력 도파관과, 상기 입력 도파관 내부에 형성된 테이퍼부를 가지는 입력 도파로를 구비한 입력부;
    광 결정으로 형성된 출력 도파관을 구비하고, 상기 출력 도파관 내부에 상기 입력 도파로에 연속적으로 출력 도파로가 형성되며, 상기 출력 도파로는 광전송 방향 중심축에 대해 상기 테이퍼부의 기울기보다 큰 기울기를 가지는 역방향 광신호 차단면을 구비한 출력부;를 포함하여 광신호가 상기 입력부에서 출력부를 향하는 순방향으로 전송되고, 출력부에서 입력부로 향하는 역방향으로는 전송되지 않도록 된 것을 특징으로 하는 광 결정을 이용한 광 아이솔레이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 입력 도파로와 출력 도파로 사이에 연결 도파로가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광 결정은 홀 또는 로드가 배열되어 구성되고, 상기 연결 도파로는 상기 홀 또는 로드의 직경과 대략 같은 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 광 결정은 홀 또는 로드가 배열되어 구성되고, 상기 연결 도파로는 상 기 홀 또는 로드가 3-6개 일렬로 배열된 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 역방향 광신호 차단면에 대향하는 제1면과 상기 출력 도파로의 측면에 대향하는 제2면을 가지는 블록이 상기 출력 도파로의 순방향에 대한 입구 쪽에 배치되며, 상기 역방향 광신호 차단면과 상기 제1면 사이 및 상기 측벽과 제2면 사이에 좁은 도파로가 형성되어, 상기 입력 도파로로부터 출력 도파로쪽으로 향하는 광신호가 상기 좁은 도파로를 통해 안내되고, 상기 출력 도파로부터 입력 도파로 쪽으로 향하는 광신호는 상기 블록에 의해 반사되도록 된 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광 결정은 홀 또는 로드가 배열되어 구성되고, 상기 좁은 도파로는 상기 홀 또는 로드의 직경과 대략 같은 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 광 결정은 홀 또는 로드가 배열되어 구성되고, 출력 도파로의 측면에 상기 홀 또는 로드가 일렬로 배열되어 형성된 돌출부가 상기 블록에 인접되게 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 돌출부가 상기 좁은 도파로의 폭과 같은 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광 결정이 삼각형 격자 구조 또는 사각형 격자 구조로 된 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 역방향 광신호 차단면은 광신호 전송 방향의 중심축에 대해 직각인 면을 형성하도록 광 결정의 홀 또는 로드가 배열되어 이루어진 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 역방향 광신호 차단면에 대향하는 제1면과 상기 출력 도파로의 측면에 대향하는 제2면을 가지는 블록이 상기 출력 도파로의 순방향에 대한 입구 쪽에 배치되며, 상기 역방향 광신호 차단면과 상기 제1면 사이 및 상기 측벽과 제2면 사이에 좁은 도파로가 형성되어, 상기 입력 도파로로부터 출력 도파로쪽으로 향하는 광 신호가 상기 좁은 도파로를 통해 안내되고, 상기 출력 도파로부터 입력 도파로 쪽으로 향하는 광신호는 상기 블록에 의해 반사되도록 된 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 역방향 광신호 차단면은 광신호 전송 방향의 중심축에 대해 순방향을 향해 넓어지는 테이퍼 형태를 가지도록 광결정의 홀 또는 로드가 배열되어 이루어진 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 역방향 광신호 차단면에 대향하는 제1면과 상기 출력 도파로의 측면에 대향하는 제2면을 가지는 블록이 상기 출력 도파로의 순방향에 대한 입구 쪽에 배치되며, 상기 역방향 광신호 차단면과 상기 제1면 사이 및 상기 측벽과 제2면 사이에 좁은 도파로가 형성되어, 상기 입력 도파로로부터 출력 도파로쪽으로 향하는 광신호가 상기 좁은 도파로를 통해 안내되고, 상기 출력 도파로부터 입력 도파로 쪽으로 향하는 광신호는 상기 블록에 의해 반사되도록 된 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  14. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 역방향 광신호 차단면은 광결정이 광신호 전송 방향의 중심축에 대해 역방향을 향해 넓어지는 테이퍼 형태를 가지도록 배열되어 이루어진 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 역방향 광신호 차단면에 대향하는 제1면과 상기 출력 도파로의 측면에 대향하는 제2면을 가지는 블록이 상기 출력 도파로의 순방향에 대한 입구 쪽에 배치되며, 상기 역방향 광신호 차단면과 상기 제1면 사이 및 상기 측벽과 제2면 사이에 좁은 도파로가 형성되어, 상기 입력 도파로로부터 출력 도파로쪽으로 향하는 광신호가 상기 좁은 도파로를 통해 안내되고, 상기 출력 도파로부터 입력 도파로 쪽으로 향하는 광신호는 상기 블록에 의해 반사되도록 된 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  16. 제 5항에 있어서,
    상기 블록의 제2면의 광신호 전송 방향에 대한 길이는 광 결정의 홀 또는 로드가 5-9개 일렬로 배열된 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  17. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 테이퍼부는 광 결정의 홀 또는 로드가 계단형으로 배열되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  18. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광 결정의 홀 또는 로드의 반경, 상기 아이솔레이터의 전체 길이, 아이솔레이터의 전체 폭, 광 결정의 굴절률, 광 결정의 격자 구조, 및 상기 테이퍼부를 이루는 광 결정의 홀 또는 로드의 배열 구조 중 적어도 어느 하나를 변경하여 아이솔레이터의 아이솔레이션을 변경하도록 된 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  19. 제 7항에 있어서,
    상기 광 결정의 홀 또는 로드의 반경, 상기 아이솔레이터의 전체 길이, 아이솔레이터의 전체 폭(W), 광 결정의 굴절률, 광 결정 격자 구조, 상기 테이퍼부를 이루는 광 결정의 홀 또는 로드의 배열 구조, 블록의 길이, 연결 도파로의 길이, 연결 도파로의 폭, 광도파로의 전체 폭, 돌출부 길이 및 돌출부의 폭 중 적어도 어느 하나를 변경하여 아이솔레이터의 아이솔레이션을 변경하도록 된 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
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