KR100583436B1 - 거대 3차 비선형 광학 재료를 이용한 도파로형 광소자 및그 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 거대 3차 비선형 광학 현상에 따르는 비선형 굴절률을 이용하는 도파로형 광소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 도파로형 광소자는 신호빔이 전파되는 신호빔 도파로와, 펌프빔이 전파되는 펌프빔 도파로로 구성되며, 상기 펌프빔 도파로는 상기 펌프빔이 상기 신호빔 도파로에 커플링이 일어날 수 있도록 근접 배치되고, 상기 신호빔 도파로와 상기 펌프빔 도파로는 이종의 재료로 구성되고, 그리고 상기 신호빔과 상기 펌프빔은 서로 다른 파장 영역을 갖는다.

이러한 구성에 따라, 신호빔 도파로에 펌프빔이 커플링되어 신호빔이 지나가는 도파로 상에서 3차 비선형 현상을 유발시킴으로써, 광소자로서 작동이 되도록 하는 전광(all-optical) 통신 소자의 구현을 가능하게 하며, 소자의 집적화가 가능한 도파로형 광소자를 제공한다.

3차 비선형 광학, 전광 통신, 도파로, 나노 복합체 재료, 광소자

Description

거대 3차 비선형 광학 재료를 이용한 도파로형 광소자 및 그 작동 방법{WAVEGUIDE TYPE OPTICAL DEVICES USING LARGE 3rd NON-LINEAR OPTICAL MATERIAL AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}

도 1은 거대 3차 비선형 광학계수를 가지는 금속-유전체 나노 복합체 재료의 파장에 따른 흡수도 변화를 나타낸 그래프.

도 2는 종래의 도파로형 광소자의 개념을 도시한 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 비선형 방향성 커플러 형태의 거대 3차 비선형 광학현상을 이용한 도파로형의 광소자를 도시한 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 마흐젠더 간섭계 형태의 거대 3차 비선형 광학 현상을 이용한 도파로형의 광소자를 도시한 평면도.

도 5a는 본 발명에 따른 3차원으로 구성된 비선형 방향성 커플러 형태의 도파로형 광소자를 도시한 평면도.

도 5b는 도 5a의 단면을 도시한 단면도.

도 6a는 본 발명에 따른 3차원으로 구성된 마흐젠더 간섭계 형태의 도파로형 광소자를 도시한 평면도.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

1: 클래딩

2: 3차 비선형 광학 재료가 아닌 재료로 구성된 펌프빔 도파로

2a, 2b, 2g: 펌프빔 도파로의 입력단

2c. 2d: 펌프빔 도파로의 팔 분기점

2f, 2j: 펌프빔 도파로의 출력단

2h, 2i: 신호빔 도파로와의 근접부

3: 거대 3차 비선형 광학 현상을 일으키는 재료로 구성된 펌프빔 도파로

3a: 신호빔 도파로의 입력단

3b, 3c: 펌프빔 도파로와의 근접부

3d: 신호빔 도파로의 출력단

4: 기판

5: 입력 신호빔

5a, 5b: 출력 신호빔

6: 입력 펌프빔

Lc: 두 도파로의 커플링 구간

본 발명은 3차 비선형 광학 재료를 이용하여 이종 도파로를 만드는 광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 나노 입자가 유전체 기지상이나 반도체 기지상에 분산되어 있어 유전구속 효과에 의한 거대 3차 비선형 광학특성을 나타내는 비 선형 광학 재료나, 또는 반도체 나노 입자가 유전체 기지상에 분산되어 있어 양자 구속효과에 의한 거대 3차 비선형 광학 특성을 나타내는 비선형 광학 재료를 이용하는 도파로 형태의 광소자에 있어서, 펌프빔의 파장에서는 흡수가 거의 없는 다른 경로의 도파로로 주입시킨 펌프빔을 거대 3차 비선형 광학 특성을 나타내는 비선형 광학 재료로 만들어진 도파로에 결합 시켜서, 비선형 광학 재료로 구성된 도파로에 결합된 펌프빔이 도파로 안에서 재료와 펌프빔의 공명 반응에 따르는 거대 3차 비선형 광학 현상을 발현시켜서 광 변조나 광 스위칭의 기능을 가질 수 있도록 하는 광소자에 관한 것이다.

초고속 광정보 처리를 위한 광 스위치나 광 변조기와 같은 전광(all-optical) 통신소자의 구현을 위해, 3차 비선형 광학 효과 중 하나인 입사광의 세기 변화에 의해 매질의 굴절률이 변하는 비선형 굴절률 현상을 이용할 수 있다. 매질 안에서의 3차 비선형 광학 효과는 그 발현 형식에 따라 두 가지로 구분된다. 그 중 하나는, 광학 물질에 입사되는 레이저 빔의 흡수가 거의 없는 상태에서 일어나는 것으로서, 빛의 흡수에 의한 물질의 여기와 같은 공명을 이용하는 것이 아닌, 3차 비선형 현상이 발생하는 '비공명 효과'를 이용하는 방식으로서, 실리카 유리에서 발생하는 케르(Kerr) 효과가 대표적이다. 이러한 방식에 의해 발생되는 3차 비선형 효과는 물질 내에서의 빛의 흡수가 대단히 적고, 반응 속도가 매우 빠르다는 장점을 가지고 있으나, 3차 비선형 계수 값이 매우 작다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 입사광이 매질 내의 긴 거리에서 반응하도록 실리카 계열의 광섬유를 도파로로 사용하여 몇 가지 소자가 제작·시연되기도 하였지만('All-Optical Signal Processing for Terabit/Second Optical Transmission', Masatoshi Saruwatari, IEEE Journal on selected topics in quantum electronics, Volume 6, p1363(2000)), 이러한 소자는 소자의 도파 길이가 길어서 도파로형 광소자와 같은 집적 소자로 제작하는 것이 불가능 할 뿐만 아니라, 온도 변화에 너무 민감하여 전체 성능을 저하시키는 등 실용화하기에는 많은 문제점을 가지고 있다.

이러한 비공명 방식에 대비하여, 광학 물질의 흡수 끝단(absorption edge) 근처나 반도체의 여기 공명 파장 영역과 비슷한 파장을 가지는 입사광을 비선형 물질과 반응시켜서, 물질에서 발생하는 공명 현상으로 비선형 굴절률을 유발시키는 방식이 있다. 이러한 방식은 적은 광량으로도 큰 3차 비선형 굴절률을 유도할 수 있으므로, 저전력으로 거대 3차 비선형 효과를 발현시킬 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 물질 내에서 광의 선형 흡수 또한 대단히 커서 빛이 물질 안으로 도파되는 거리가 짧고, 비공명 방식에 비해 상대적으로 반응 속도가 느리다는 단점을 가지고 있다.

한편, 공명에 의해 3차 비선형 현상이 발현되는 재료 중에서, 금속 또는 반도체 입자를 투명한 유전체 기지상 또는 반도체 기지상에 분산시킨 혼합 복합 박막은 3차 비선형 광학 계수의 크기는 여전히 크면서도 비공명 효과에 버금가는 반응 속도를 가지고 있는 것으로 보고되고 있다('Metal nanoclusters in glasses an non-linear photonic materials', P. Chakraborty, et. al, Materials Science 33, p2235(1998), '3차 비선형 광학소재로서의 나노복합체 박막기술', 이경석, KOSEN 첨단 기술보고서). 금속 또는 반도체 입자를 나노미터 크기로 실리카 등의 투명한 유전체 기지상 안에 분산시킨 복합체 재료는 유전 구속 효과와 양자 구속 효과에 의해 거대 3차 비선형 광학 계수 값을 나타내며, 구성 물질 사이의 다양한 조합을 통한 선형 및 비선형 광학 특성의 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 반도체 입자를 분산시킨 복합체는 양자 구속효과가 지배적인 3차 비선형 발현기구로, 실제 전하 운반자(real charge carrier)의 밴드간 천이에 의존하므로 동작 속도가 수십 피코초 정도로 제한된다는 단점이 있으나, 3차 비선형 감수율 값(χ⁽³⁾)이 크고, 입자의 크기 조절만으로도 비교적 넓은 파장 범위에서 동작 대역을 변화시킬 수 있는 장점이 있는 재료이다. 한편, 미세 금속 입자가 분산된 복합체는 반도체 입자를 분산시킨 복합체에 비하여 동작파장 대역의 변화가 제한된다는 단점이 있기는 하지만, 물질의 화학적 안정성이 있음은 물론, 유전 구속 효과가 지배적인 3차 비선형 발현기구로, 입자주변에 국부적으로 인가되는 전자기장의 크기가 최대가 되는 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance)현상을 이용함으로써, 3차 비선형 감수율(χ⁽³⁾)이 반도체 입자를 분산 시킨 경우와 비슷한 정도의 큰 값을 보이면서, 응답 속도는 광학적 케르(Kerr) 효과의 순간 반응 특성을 띠게 되어 피코 초 이하의 빠르기를 나타내는 장점이 있다.

따라서, 이러한 재료를 이용하면 거대 3차 비선형 현상의 발현으로 인해 저전력 집적 광소자화를 가능하게 할뿐만 아니라, 반응 속도 또한 빠르므로, 향후 초고속 광통신 시대의 여러 신호 처리 소자에 주요한 소재로 작용할 것으로 기대되고 있다.

그러나 반도체 나노 입자를 사용하는 3차 비선형 나노 복합체 재료는 전자의 밴드간 천이에 따른 광의 흡수가 필수적이며, 금속 나노 입자를 사용하는 나노 복합체의 경우에도 표면 플라즈마 공진을 이용하는데 공진 파장의 광원에 대해서는 큰 흡수도를 가지므로, 이러한 점이 집적 광학 회로에 필수적인 도파로형 광소자의 실제 제작에 주요 어려움으로 작용하고 있다.

도 1은 거대 3차 비선형 현상이 발현되는 광학 재료의 하나의 예로서 금(Au) 나노 입자가 실리카 기지상에 분산된 나노 복합체 재료(Au-SiO₂)의 파장에 따른 흡수도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 1에서 보인 바와 같이, 금-실리카(Au-SiO₂) 나노 복합체 박막은 가시 광 영역인 700 나노미터 이하의 파장에서는 큰 흡수도를 가지지만, 그보다 파장이 큰 적외선 영역에서는 흡수가 거의 없다. 파장이 500 나노미터 부근에서 크게 나타나는 흡수도의 피크는, 상기에서 언급한 금속 나노 입자가 유전체 기지상에 분산되어 있을 때 나타나는 표면 플라즈몬 공진 현상에 의한 흡수도 피크이다. 즉, 500 나노미터 부근의 파장을 가진 레이저 빔을 사용하면 이 재료는 3차 비선형 광학 효과를 크게 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 재료는 일반적으로 사용하는 통신 파장 대역인 근적외선 영역에서는 흡수가 거의 없으나, 이 파장 대역은 이 물질의 공진 파장에서 멀리 떨어져 있기 때문에 3차 비선형 효과에 의한 굴절률 변화 또한 크지 않다.

상기 3차 비선형 물질은 기존의 광섬유 재료로 가장 널리 사용되는 실리카 계열에 비하여 3차 비선형 광학계수가 대단히 크므로, 집적 광소자에 응용할 수 있 는 도파로형 광소자의 제작을 가능하게 한다.

이러한 광소자의 대표적인 예가 도 2에 도시된 바와 같은 마흐젠더 간섭계형 광 스위칭 구조이다. 이러한 구조에서, 거대 3차 비선형성을 가지는 물질은 앞에서 설명한 바와 같이 도파하는 빛에 대하여 흡수가 대단히 크므로 도파로 전체를 이러한 물질로 구성하여 제작할 수 없고, 도 2에서 예시한 바와 같이 도파로의 일부에 거대 3차 비선형 물질(3)을 삽입하여 만든다.

이론적으로는, 상기 거대 3차 비선형 물질을 도 2(참조번호 3)에 예시한 바와 같이, 도파로상에 삽입하고, 굴절률을 변화시키기 위한 빔(5)를 입사시킨다. 입사된 빔은 입력단(2a)을 거쳐서 두 팔로 갈라지는 분기점(2c) 부분에서 두 빔으로 갈라져 각각 다른 경로를 거치게 된다. 만일 두 팔을 통과한 빔이 참조 번호 2d의 위치에서 서로 만나서 간섭을 일으킬 때, 간섭되는 순간의 위상이 일치하면 보강간섭을 일으켜서 출력단(2f)에는 신호빔이 출력되고, 이와 반대로 간섭되는 순간의 위상이 반대여서 상쇄 간섭을 일으키는 경우에는 출력단(2f)에는 아무런 빛이 출력되지 않는다.

만일 비선형 물질이 포함된 부분(3)을 포함하는 팔을 통과하는 빔의 세기가 충분히 작은 경우 이 빔이 비선형 재료로 이루어진 도파로를 통과하는 동안 아무런 굴절률의 변화를 일으키지 않는 경우 두 빔이 만나는 지점(2d)에서 보강 간섭을 일으켜서 출력빔(5a)이 출력되도록 도파로의 길이와 굴절률 분포를 설계하고, 그리고 이와 반대로 빔이 비선형 재료로 이루어진 부분(3)을 통과하는 동안 빔의 세기가 3차 비선형 현상을 일으킬 만큼 큰 경우 이 부분의 굴절률이 변화되어 두 빔이 만나 는 지점(2d)에서 상쇄 간섭을 일으켜서 출력빔(5a)이 없도록 설계한다면, 이 소자는 광 스위칭 소자로의 역할을 하게 된다.

이때, 입사빔의 세기 변화로 비선형 광학 재료로 구성된 부분의 굴절률을 변화시키지 않고, 도 2에 보이는 바와 같이 신호빔(5)과 펌프빔(6)을 따로 두어서 펌프빔(6)의 유무에 따라 도파로의 출력단(2f)에서 보강/상쇄 간섭을 일으키도록 하여 스위칭 동작을 일으키도록 설계할 수도 있다. 따라서, 펌프빔(6)이 없을 시에는 신호빔(5)이 보강간섭에 의하여 그대로 출력단(2f)으로 나가게 되고, 3차 비선형 현상을 유발시키는 펌프빔이 있을 경우에는 도파로의 출력단(2f)에서 신호빔의 상쇄간섭이 일어나서 신호빔이 출력되지 않게 된다. 이와 같은 펌프빔은 신호빔의 입력단(2a)에 신호빔과 동시에 입사시킬 수도 있고, 도 2에서와 같이 별도의 도파로(2b)를 만들어서 입사시킬 수도 있다.

이러한 구조의 광 스위칭 소자의 경우, 이론상으로는 상기한 바와 같이 스위칭 동작이 가능하지만, 실제상으로는 일반적인 광도파로와는 달리 다른 재료를 사용하여 3차 비선형 광학 재료로 구성되는 도파로 부분(3)을 제작하여야 하므로, 그 제작이 어려워지게 된다. 이는 광소자로서의 기능을 효과적으로 수행하도록 하기 위해서, 실리카나 폴리머 등과 같이 빔(즉, 신호빔 및 펌프빔) 흡수가 거의 없는 일반적인 도파로 재료로 형성된 도파로 부분(2)과 3차 비선형 재료로 형성된 도파로 부분(3)의 재료들의 굴절률이 매칭되고, 상기 두 부분(2 및 3)이 깨끗이 연결되어 도파로상에서의 신호빔의 손실이 없도록 제작하여야 하기 때문이다. 그러나 현실적으로 이러한 굴절률 매칭을 달성하는 것도 어렵지만, 설사 굴절률 매칭이 실현 되어도 제조공정에 의한 계면 손실을 없애는 것은 불가능하여 도 2에 예시된 3차 비선형 스위칭 광소자의 구현은 대단히 어렵게 된다.

따라서, 구조적으로 단일한 도파로상에 이종의 재료를 사용하여 도파로를 형성함으로써 발생되는 종래 기술의 제작 공정상의 어려움을 극복함은 물론, 이종 재료 사이의 굴절률 불일치(index mismatch)나 계면 불균일성에 의한 신호빔의 손실을 최소화하여 전광 통신소자의 기능을 효과적으로 수행되도록 할 필요성이 제기된다.

본 발명의 목적은 거대 3차 비선형 광학 계수를 가지는 재료를 사용하는 도파로형 광소자이면서도, 단일 구조의 도파로에 이와 이종의 재료로 이루어진 도파로 부분을 삽입 결합하여 도파로를 구성함으로써 발생하는 불균일 계면 형성의 가능성을 제거하여, 제조공정이 용이할 뿐 아니라 신호빔의 손실을 최소화하여 효율적인 동작이 가능한 집적 광소자 회로용 광스위치 및 광변조기와 같은 전광 통신 단위 소자를 제공하는데 있다.

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 신호빔이 전파되는 신호빔 도파로와; 그리고 펌프빔이 전파되는 펌프빔 도파로를 포함하며, 상기 펌프빔 도파로는 상기 펌프빔이 상기 신호빔 도파로에 커플링이 일어날수 있도록 근접 배치되고; 상기 신호빔 도파로와 상기 펌프빔 도파로는 이종의 재료로 구성되고; 그리고 상기 신호빔과 상기 펌프빔은 서로 다른 파장 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자가 제공된다.

상기 펌프빔은 3차 비선형 광학 재료로 구성되는 도파로 부분의 3차 비선형 현상을 유발시켜 재료의 굴절률을 변화시키기에 적합한 파장과 빔의 세기를 가지는 빔(전술한 도 1과 같은 재료의 경우에, 펌프빔의 파장 영역은 약 500㎚)이며, 상기 신호빔은 단순히 보내고자 하는 정보를 전달하는 신호를 함유하는 빔(현재의 일반적인 광통신의 경우, 신호빔의 파장 영역은 약 1300㎚ 에서 1600㎚ 사이)이다.

상기 신호빔 도파로는 신호빔의 파장에서는 흡수가 극히 작거나 없고(입사 빔에 대한 출력 빔의 파워가 적어도 1/e 이상이 되도록 단위 길이 당 흡수 손실이 4.3 dB 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다) 펌프빔의 파장에서는 거대 3차 비선형 현상을 일으키는 3차 비선형 광학재료로 형성되고, 상기 펌프빔 도파로는 펌프빔과 신호빔의 파장대역 모두에서 빛의 흡수가 극히 작거나 없는(이 또한, 입사 빔에 대한 출력 빔의 파워가 적어도 1/e 이상이 되도록 단위 길이 당 흡수 손실이 4.3 dB 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다), 3차 비선형 재료가 아닌 통상의 도파로 재료로 형성된다. 상기 3차 비선형 광학 재료는 3차 비선형 계수가 큰 비선형 광학 재료로써, 비선형 광학 감수율(susceptibility)이 이러한 방식의 도파로형 전광소자에서 p 위상차를 구현할 수 있도록 적어도 10^-10 esu 이상인(이는 펌프빔의 파워가 CW로 환산해서 최대 W급이고 도파로의 단면적이 um² 단위, 커플링 길이를 mm 단위라고 가정할 경우의 값이며, pulse laser를 사용하는 경우에는 단위 시간당 파워의 개념이 적용되므로 이 값보다 더욱 작은 3차 비선형 광학 감수율로도 가능하다) 것 이 바람직하다. 또한, 상기 펌프빔 도파로는 펌프빔과 신호빔의 파장 대역 모두에서 빛의 흡수가 거의 없기 때문에, 커플링(coupling)에 의해 펌프빔을 신호빔 도파로에 천이(transfer) 시킴으로써, 천이된 펌프빔이 신호빔의 도파로 상에 3차 비선형 광학 현상에 의한 굴절률 변화를 유발시켜서 광변조 및 광스위칭 등의 광소자 기능을 할 수 있는 도파로형 광소자를 제공한다.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 도파로형 광소자의 기본 개념을 나타내는 평면도로써, 비선형 방향성 결합기(nonlinear directional coupler) 형태의 도파로형 광소자를 나타낸 도면이다. 비선형 방향성 결합기 형태의 도파로형 광소자는 도 3에 도시된 바와 같이 상측의 신호빔 도파로(3)와 하측의 펌프빔 도파로(2)로 구성된다. 상기와 같이 신호빔 파장의 흡수가 없는 3차 비선형 광학 재료로 구성된 상측의 신호빔 도파로(3)에서는 거대 선형 흡수 계수로 인해 공진 파장 대역을 갖는 펌프빔은 도파될 수 없고, 이 재료에 대해 흡수가 거의 없는 파장을 가지는 신호빔이 도파된다. 한편, 하측의 펌프빔 도파로(2)는 도파로 전체를 펌프빔과 신호빔 모두의 파장에 대해서 흡수가 거의 없는 재료로 구성한다.

이러한 구성을 전술의 도 1에서 보인 금 나노 입자가 실리카 기지상에 분산된 나노 복합체 재료(Au-SiO2)로 3차 비선형 광학 재료로 구성된 도파로 즉, 신호빔 도파로를 제작한다고 가정하면, 펌프빔의 파장은 이 재료의 표면 플라즈몬 공진 파장인 500나노미터 근처가 될 것이고, 신호빔은 현재 일반적으로 사용하는 적외선 파장을 사용하면 본 발명에서 달성하고자 하는 소자의 구성이 가능하다. 그리고 이들 도파로(2 및 3) 주변은 도파로 보다 굴절률이 약간 작은 물질로 구성하여 클래딩 층을 형성하도록 한다. 이와 같이 형성된 도파로 소자의 펌프빔 입력단(2g)으로 입력된 펌프빔(6)은 상측의 신호빔 도파로와 근접하는 부분(2h)에서 신호빔 도파로로 전력 천이(power transfer)가 일어나도록 두 도파로의 인접 부분인 커플링 구간(Lc)에서 신호빔 도파로(3)와 펌프빔 도파로(2)의 클래딩 간격을 적절하게 조절하면 펌프빔 입력단(2g)으로 입력된 펌프빔(6)이 신호빔 도파로(3)로 커플링 되게 된다. 이때, 신호빔 도파로(3)로 커플링된 펌프빔은 공진 파장으로 인하여 신호빔 도파로(3)의 굴절률을 변형시킨다. 이 펌프빔은 신호빔 도파로(3)를 지나는 동안 강도가 점차 약해져 소멸하게 된다. 한편, 신호빔 입력단(3a)으로 입력된 신호빔(5) 역시 하측의 펌프빔 도파로(2)와 근접하는 지점(3b)에서부터 펌프빔 도파로(2)와 커플링을 일으킨다. 하지만 펌프빔(6)과는 달리 신호빔(5)은 양 도파로(2 및 3) 모두에서 흡수가 일어나지 않으므로, 신호빔(5)이 두 도파로의 인접한 부분(Lc)을 지나는 동안 도파로의 도파길이와 도파로의 유효굴절률에 따라 상측의 신호빔 도파로(3)와 하측의 펌프빔 도파로(2)의 전력 천이가 반복될 것이다. 결국, 신호빔이 신호빔 도파로의 출력단(3d)으로 출력되는지, 펌프빔 도파로의 출력단(2j)으로 출력되는지 여부는 도파로의 커플링 길이 Lc와 각 도파로의 유효 굴절률의 값으로 결정된다. 만일, 펌프빔이 없는 경우에 신호빔 입력단(3a)으로 입력하는 빛이 다시 신호빔 도파로(3)의 출력단(3d)으로 출력되도록 설계되었다고 가정하고, 펌프빔(6)이 펌프빔 도파로(2)로 입사하여 커플링 구간(Lc)에서 3차 비선 형 효과에 의해 신호빔 도파로(3)의 굴절률을 변화시켜서, 도파로를 지나는 신호빔(5)이 하측의 펌프빔 도파로의 출력단(2j)으로 출력된다(5b)고 하면, 본 발명에서 달성하고자 하는 스위칭 소자의 기능을 구현하게 되는 것이다. 또한, 펌프빔(6)의 변화를 변조하고자 하는 신호에 맞추어 주기적으로 변조시키면, 이에 따라 신호빔(5)이 변조되므로 광변조기의 역할을 수행할 수 있게 된다. 이와 같이 신호빔 도파로(3)와 펌프빔 도파로(2)가 각각 단일 재료로 구성되어, 도 2에서 예시한 종래의 방법에서 단일 도파로상에 이종의 재료를 삽입시키는 것과는 달리 공정이 용이하고, 이종 재료 사이에 계면 형성이 없으므로 계면 불균일성 문제가 없게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 도파로형 광소자의 기본 개념을 나타내는 평면도로써, 마흐젠더 간섭계의 형태를 이용하는 것을 도시한 것이다. 참조번호 3으로 표시된 두 팔을 구비하고 있는 마흐젠더 간섭계 형태의 도파로가 신호빔 도파로이다. 이 신호빔 도파로(3) 전체는 3차 비선형 광학 재료를 이용하여 구성하고, 이러한 재료에 대해 흡수가 없는 파장의 빛을 신호빔(5)으로 입사시킨다. 또, 이 신호빔 도파로(3)의 하측에 신호빔 및 펌프빔 파장에 대하여 흡수가 거의 없는 별도의 펌프빔 도파로(2)를 별도로 형성한 다음, 이 펌프빔 도파로(2)를 통하여 입력된 펌프빔이 전술한 도 3의 경우와 마찬가지로 커플링 구간(Lc)에서 동안 3차 비선형 재료로 구성된 마흐젠더 간섭계 도파로(3)로 전력 천이가 발생하여, 전술한 바와 같은 광스위칭이나 광변조기 같은 도파로형 광 소자의 기능이 구현되게 된다.

또한, 상기 도 2 및 도 3의 구조를 변형시킨 구조도 가능하다. 도 5와 도 6 은 각각 비선형 방향성 커플러와 마흐젠더 간섭계형 광소자의 변형 소자에 대한 실시예에 대한 도면이다. 도 5a 및 도 6a의 구조는 펌프빔 도파로(2)를 신호빔 도파로(3)와 동일 평면상에 배치하는 것이 아니라, 펌프빔 도파로(2)를 신호빔 도파로(3)의 아래에 즉, 3차원적으로 배치하여, 설계하고자 하는 소자의 구조에 맞게 공정이나 설계상의 변화를 준 것을 도시한 평면도이다. 도 5b 및 도 6b는 도 5a 및 도 6a의 구조를 각각 A-B를 따라 절개한 부분의 단면도이다. 도 5b에서는 펌프빔 도파로(2)가 신호빔 도파로(3)보다 밑에 형성되어 있는 것을 알 수 있으며, 도 6b에서는 신호빔 도파로(3)인 마흐젠더 간섭계의 하측 팔 부분이 펌프빔 도파로(3)보다 밑에 형성된 것을 볼 수 있다. 도면에 도시된 것과 반대로 배치하여 설계할 수 있음은 물론이다. 이와 같이 다른 평면상에 도파로를 배치함으로써, 평면상에 도파로를 배치할 때 마스크 제작 및 노광 상의 원인으로, 인접 도파로 사이의 간격을 정밀하게 조절할 수 없었던 문제를 해결하여, 인접 도파로간의 간격을 나노미터의 정밀도로 자유자재로 조절할 수 있어서, 이종 도파로의 광학 상수 값을 선택할 수 있는 마진을 크게 해주는 장점이 있다.

본 발명은 상기에 예시한 바와 같은 3차 비선형 재료로 이루어진 비선형 방향성 결합기나 마흐젠더 간섭계 형태의 도파로와 이에 커플링되는 펌프빔 도파로로 이루어진 구조에만 국한되는 것은 아니다. 본 발명은 3차 비선형 광학 현상을 이용하는 도파로형 광소자에 있어서, 신호빔 도파로는 신호빔 파장에서는 흡수가 작거나 없고 펌프빔 파장에서는 거대 3차 비선형 현상을 일으키는 3차 비선형 재료를, 펌프빔 도파로는 펌프빔과 신호빔 파장 모두에서 흡수가 작거나 없는 일반적인 광 도파로 재료를 사용하여, 두 도파로를 커플링이 가능하도록 인접하도록 형성시켜, 커플링에 의한 신호빔 도파로상에서 3차 비선형 현상을 유발시킴으로써, 광소자로서 작동이 되도록 하는 모든 변형된 구조에도 적용이 가능하다. 또한 상기에서는 거대 3차 비선형 광학 현상을 나타내는 재료의 예로서, 펌프빔의 파장 영역에서 흡수가 생기는 금속 또는 반도체 나노 입자가 유전체나 반도체 기지상에 분산된 나노 복합체 재료를 예로 들었으나, 3차 비선형 현상이 크게 일어나며, 이러한 3차 비선형 현상이 크게 일어나는 펌프빔의 파장 영역과 신호빔의 파장 영역이 다른 전이금속 산화물, 강유전체 산화물 또는 고분자 재료 등의 모든 재료에 대하여도 적용될 수 있다.

상기 재료들의 구체적인 예로서, 나노 복합체 재료의 경우, 상기 금속입자는 Au, Ag, Cu, Al, In, Sn, Pb, Sb 및 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ta, W. Pt과 같은 전이금속 및 이들의 합금 중에서 선택되며 반도체 입자로는 Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, CuBr, AgBr, CuCl, InP, GaP, GaAs, InAs등의 반도체와 이들간의 고용체 및 화합물의 사용이 가능하다. 기지상 재료로는 사용하고자 하는 파장영역(신호빔 및 펌프빔 파장)에서 광학적으로 투명한 SiO₂, Al₂O₃, Y₂O₃, BeO, MgO, ZnO, SnO 등의 산화물 유전체, TiO₂, ZrO₂, WO₃, V₂O ₃, Ta₂O₅ 등의 전이금속 산화물 및 BaTiO₃, PbTiO₃ 등과 같은 강유전체 산화물, 혹은 Si₃N₄ , AlN 등의 질화물, InP, GaP등의 인화물, ZnS, As₂S₃ 등의 황화물 및 MgF₂, CaF₂ , NaF, BaF₂, PbF₂, LiF, LaF 등과 같은 불화물들 그리고 이들 산화물, 질화물, 인화물, 황화물 및 불화물의 혼합물로 구성된 무기 재료는 물론, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate: PMMA) 등과 같은 유기물 재료도 사용이 가능하다.

아울러, 상기 기지상 재료들 및 3차 비선형 광학계수가 높은 것으로 보고되고 있는 S, Se, Te을 포함하는 칼코지나이드 화합물과 폴리파라페닐렌벤조비스티아졸(Poly-p-phenylenebenzobisthiazole), 아조벤젠 도핑 폴리머(azobenzene-doped polymer) 등과 같은 고분자 재료들은 나노입자가 함유된 복합체 재료의 형태가 아니라 단일재료로서 본 발명에 따른 도파로형 광소자 구조에 적용가능하다.

본 발명에 따른 3차 비선형 광학현상을 이용하는 도파로형 광소자는, 종래 기술에서 제안하는 바와 같이 이종 재료를 구조적으로 단일한 도파로상에 삽입시킬 필요가 없으므로, 일반 도파로 제작공정의 이용이 용이하여 제작 공정상의 어려움을 극복할 수 있고, 굴절률의 불일치나 계면 불균일성에 의한 신호빔의 손실을 억제할 수 있어, 효과적으로 광에 의한 광변조 및 광스위칭과 같은 전광 통신소자의 기능을 구현할 수 있는 기술적 파급 효과를 가진다.

Claims (14)

1. 3차 비선형 광학 현상을 이용하는 도파로형 광소자로서,

   신호빔이 전파되는 신호빔 도파로와; 그리고

   펌프빔이 전파되는 펌프빔 도파로를 포함하며,

   상기 펌프빔 도파로는 상기 펌프빔이 상기 신호빔 도파로에 커플링이 일어날수 있도록 근접 배치되고;

   상기 신호빔 도파로와 상기 펌프빔 도파로는 이종의 재료로 구성되고; 그리고

   상기 신호빔과 상기 펌프빔은 서로 다른 파장 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 신호빔 도파로는 상기 신호빔의 파장 영역에서 빔의 흡수가 극히 작거나 또는 없고, 그리고 상기 펌프빔의 파장 영역에서 거대 3차 비선형 현상을 일으키는, 3차 비선형 광학 계수가 큰 값의 비선형 광학 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자.
3. 상기 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 신호빔 도파로는 금속 또는 반도체 나노 입자가 유전체, 반도체 및 고 분자 기지상에 분산되어 있는 나노 복합체 재료; 전이금속 산화물 재료; 강유전체 산화물 재료; 및 3차 비선형 특성을 갖는 고분자 재료의 군에서 선택된 어느 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 펌프빔 도파로는 상기 신호빔 파장 영역 및 상기 펌프빔 파장 영역에서 빔의 흡수가 극히 작거나 또는 없는 재료로 형성하는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 신호빔 도파로와 상기 펌프빔 도파로는 비선형 방향성 커플러의 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 신호빔 도파로는 두 팔을 구비한 마흐젠더 간섭계형 도파로 소자의 형태로 구성되고; 그리고

   상기 펌프빔 도파로는 상기 신호빔 도파로의 일측 팔에 근접 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 펌프빔 도파로는 상기 신호빔 도파로와 다른 평면상에 구성함으로써 상기 두 도파로 사이의 클래딩 층의 두께를 조절하여 커플링 효율을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자.
8. 3차 비선형 광학 현상을 이용하는 도파로형 광소자의 작동 방법으로서,

   신호빔이 전파되는 신호빔 도파로 및 펌프빔이 전파되는 펌프빔 도파로를 포함하고;

   상기 펌프빔 도파로는 상기 펌프빔이 상기 신호빔 도파로에 커플링이 일어날수 있도록 근접 배치되고, 상기 신호빔 도파로와 상기 펌프빔 도파로는 이종의 재료로 구성되는 도파로형 광소자에,

   서로 다른 파장 영역을 갖는 신호빔과 펌프빔을 입사시키는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자의 작동 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 신호빔 도파로는 상기 신호빔의 파장 영역에서 빔의 흡수가 극히 작거나 또는 없고, 그리고 상기 펌프빔의 파장 영역에서 거대 3차 비선형 현상을 일으키는, 3차 비선형 광학 계수가 큰 비선형 광학 재료로 형성하는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자의 작동 방법.
10. 상기 제 8항 또는 제 9항에 있어서,

    상기 신호빔 도파로는 금속 또는 반도체 나노 입자가 유전체, 반도체 및 고분자 기지상에 분산되어 있는 나노 복합체 재료; 전이금속 산화물 재료; 강유전체 산화물 재료; 및 3차 비선형 특성을 갖는 고분자 재료의 군에서 선택된 어느 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자의 작동 방법.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 펌프빔 도파로는 상기 신호빔 파장 영역 및 상기 펌프빔 파장 영역의 빔의 흡수가 극히 작거나 또는 없는 재료로 형성하는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자의 작동 방법.
12. 제 8항에 있어서,

    상기 신호빔 도파로와 상기 펌프빔 도파로는 비선형 방향성 커플러의 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자의 작동 방법.
13. 제 8항에 있어서,

    상기 신호빔 도파로는 두 팔을 구비한 마흐젠더 간섭계형 도파로 소자의 형태로 구성되고, 그리고

    상기 펌프빔 도파로는 상기 신호빔 도파로의 일측 팔에 근접 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자의 작동 방법.
14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,

    상기 펌프빔 도파로는 상기 신호빔 도파로와 다른 평면상에 구성함으로써 상기 두 도파로 사이의 클래딩 층의 두께를 조절하여 커플링 효율을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 도파로형 광소자의 작동 방법.

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