KR100667214B1 - Apparatus for spot size converter using dual-tapered lateral-joint optical waveguides - Google Patents

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

본 발명은 광 모드 크기 변환장치에 관한 것임.The present invention relates to an optical mode size converter.

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제2. Technical problem to be solved by the invention

본 발명은 광도파로의 폭 또는 두께를 작게 하는 고정밀 테이퍼 공정을 필요로 하지 않아 제작 시간과 제작 비용을 절감할 수 있는 상호 테이퍼측면 접합 광도파로를 갖는 광 모드 크기 변환장치를 제공하고자 함.An object of the present invention is to provide an optical mode size converting apparatus having mutually tapered side bonded optical waveguides, which does not require a high precision taper process that reduces the width or thickness of an optical waveguide.

3. 발명의 해결 방법의 요지3. Summary of the Solution of the Invention

본 발명은 광모드 크기 변환장치에 있어서, 광도파로 입사부로서의 제1 광도파로층과 광도파로 출사부로서의 제2 광도파로층이 동일 평면상에서 각 일단부가 상호 측면 접합되어 형성되되, 상기 상호 접합된 부분의 제1 및 제2 광도파로층 각 단부가 각기 대향하여 그 폭이 좁아지는 테이퍼된(tapered) 형태를 갖는 것을 특징으로 함.In the optical mode size conversion device, the first optical waveguide layer serving as the optical waveguide incidence portion and the second optical waveguide layer serving as the optical waveguide exit portion are formed by mutually side joining each other on the same plane. Wherein each end of the first and second optical waveguide layers of the portion has a tapered shape, the width of which is narrowed opposite to each other.

4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention

본 발명은 광통신 시스템 등에 이용됨.The present invention is used in optical communication systems and the like.

광섬유, 광도파로, 상호 테이퍼측면 접합, 광 모드Optical fiber, optical waveguide, mutual taper side splicing, optical mode

Description

상호 테이퍼측면 접합 광도파로를 이용한 광 모드 크기 변환장치{Apparatus for spot size converter using dual-tapered lateral-joint optical waveguides} Apparatus for spot size converter using dual-tapered lateral-joint optical waveguides             

도 1a 내지 도 1e 는 본 발명에 따른 광 모드 크기 변환장치를 제작하는 바람직한 방법을 순서적으로 나타낸 일실시예 설명도. 1A to 1E are diagrams illustrating one preferred embodiment of a preferred method for manufacturing an optical mode size converting apparatus according to the present invention.

도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 따른 광 모드 크기 변환장치의 집적 구도를 나타낸 일실시예 설명도.2A and 2B illustrate an embodiment of an integrated structure of an optical mode size converting apparatus according to the present invention.

도 3 은 광 모드 크기 변환 특성을 나타낸 그래프.3 is a graph showing optical mode size conversion characteristics.

도 4 는 본 발명에 따른 사인 곡선형 광도파로 형태와 테이퍼 광도파로 형태가 결합된 광 모드 크기 변환장치를 나타낸 일실시예 설명도.4 is a diagram illustrating an embodiment of an optical mode size converter in which a sinusoidal optical waveguide shape and a tapered optical waveguide shape are combined according to the present invention.

본 발명은 광섬유와 광도파로 집적 소자를 효율적으로 집적하기 위한 광 모드 크기 변환 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical mode size conversion device for efficiently integrating an optical fiber and an optical waveguide integrated device.

일반적으로, 광섬유에서의 모드 크기는 8 ~ 10um 정도로 매우 크지만, 광도파로 집적 소자에서의 모드 크기는 1 x 0.5um 정도이어서 모드 크기의 차이가 많이 있다. 따라서, 광섬유에서 광도파로 집적소자 또는 광도파로 집적소자에서 광섬유로의 파워 전달 과정에서 많은 결합 손실이 발생한다. In general, the mode size in the optical fiber is very large, such as 8 ~ 10um, but the mode size in the optical waveguide integrated device is about 1 x 0.5um, there are many differences in the mode size. Therefore, a large coupling loss occurs in the power transmission process from the optical fiber to the optical waveguide integrated device or the optical waveguide integrated device.

또한, 광섬유와 광도파로 집적소자의 패키징 비용은 전체 광소자 가격의 90% 정도로 매우 높으므로, 이러한 문제를 해결하기 위하여 많은 광 모드 크기 변환기가 제안되었다. In addition, since the packaging cost of optical fiber and optical waveguide integrated devices is very high, such as 90% of the total optical device price, many optical mode size converters have been proposed to solve this problem.

현재, 일반적으로 알려진 광 모드 크기 변환기는 이중-층 광도파로 구도를 기본 골격으로 하고 있다. 그러나, 입사부와 출사부 광도파로를 수직적으로 배치하므로 공정 단계가 많아지고, 특히 출사부 광도파로 테이퍼 구조를 제작하기 위해서는 전자빔(e-beam) 리소그래피 기술 등이 요구되어 제작 시간과 비용이 크게 증가한다는 문제점이 있었다. Currently, the commonly known optical mode size converters are based on dual-layer optical waveguide construction. However, since the incidence part and the exit part optical waveguides are arranged vertically, the process steps are increased. In particular, in order to manufacture the exit part optical waveguide taper structure, an electron beam (e-beam) lithography technique is required. There was a problem.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 광도파로의 폭 또는 두께를 작게 하는 고정밀 테이퍼 공정을 필요로 하지 않아 제작 시간과 제작 비용을 절감할 수 있는 상호 테이퍼측면 접합 광도파로를 갖는 광 모드 크기 변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and does not require a high-precision taper process that reduces the width or thickness of the optical waveguide, and thus has an optical mode having mutually tapered side-joined optical waveguides which can reduce manufacturing time and manufacturing cost. The purpose is to provide a size converter.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광모드 크기 변환장치에 있어서, 광도파로 입사부로서의 제1 광도파로층과 광도파로 출사부로서의 제2 광도파로층이 동일 평면상에서 각 일단부가 상호 측면 접합되어 형성되되, 상기 상호 접합된 부분의 제1 및 제2 광도파로층 각 단부가 각기 대향하여 그 폭이 좁아지는 테이퍼된(tapered) 형태를 갖는 것을 특징으로 한다. According to the present invention for achieving the above object, in an optical mode size converting apparatus, a first optical waveguide layer serving as an optical waveguide incidence portion and a second optical waveguide layer serving as an optical waveguide exiting portion are laterally bonded to each other on the same plane. It is formed, characterized in that each end of the first and second optical waveguide layer of the mutually bonded portion has a tapered form in which the width thereof is narrowed facing each other.

즉, 본 발명의 광모드 크기 변환기는 광섬유의 모드 크기와 거의 일치하는 광 모드를 생성하는 입사부 광도파로(input optical waveguide), 반도체 광도파로 소자에서의 모드 크기와 일치하는 광 모드를 갖는 출사부 광도파로(output optical waveguide), 입사부 광도파로와 출사부 광도파로의 측면을 동시에 테이퍼하여 두 개의 광도파로를 집적하는 상호-테이퍼측면-접합 광도파로(Dual-tapered latera- joint optical waveguide) 영역으로 구성된다. That is, the optical mode size converter of the present invention is an input optical waveguide that generates an optical mode that closely matches the mode size of the optical fiber, and an output unit having an optical mode that matches the mode size in the semiconductor optical waveguide device. In the area of dual-tapered latera-joint optical waveguides, which simultaneously taper the sides of the output optical waveguide, the entrance optical waveguide and the exit optical waveguide, integrating two optical waveguides. It is composed.

상기 상호-테이퍼측면-접합 광도파로 영역은, 폭이 작아지는 입사부 광도파로와 폭이 증가하는 출사부 광도파로가 측면에서 접합되는 구조이므로, 폭이 작아지는 광도파로에서는 광신호를 밀어 내고(push), 폭이 증가하는 광도파로에서는 광신호를 내부로 끌어 들이는(pull) 작용을 함으로써, push-pull에 의한 파워 전달이 가능하여 테이퍼 길이가 300um 정도인 경우에 결합 효율이 90% 이상 도달할 수 있다. 그리고, 상호-테이퍼측면-접합 광도파로 영역의 유효 굴절률이 연속적으로 천천히 변화하므로 반사 문제도 거의 발생하지 않는다. Since the cross-taper side-junction optical waveguide region has a structure in which the incidence optical waveguide having a smaller width and the exiting optical waveguide having an increased width are joined at the side, the optical waveguide that pushes out the optical signal has a small width ( Push) and optical waveguides with increasing width pull the optical signal to the inside, which enables power transfer by push-pull, and the coupling efficiency reaches 90% or more when the taper length is about 300um. can do. In addition, since the effective refractive index of the cross-taper side-junction optical waveguide region continuously changes slowly, reflection problems hardly occur.

또한, 상기 상호-테이퍼측면-접합 광도파로 영역은, 사인-곡선 광도파로 형태일 수도 있으며, 사인-곡선 광도파로와 테이퍼 광도파로가 결합된 형태일 수도 있다. In addition, the cross-taper side-junction optical waveguide region may be in the form of a sinusoidal curved waveguide, or may be a form in which a sinusoidal curved waveguide and a tapered optical waveguide are combined.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4.

도 1a 내지 도 1e 는 본 발명에 따른 광 모드 크기 변환장치를 제작하는 바람직한 방법을 순서적으로 나타낸 일실시예 설명도이다. 1A to 1E are diagrams illustrating one exemplary embodiment of a preferred method for manufacturing an optical mode size converting apparatus according to the present invention.

즉, 도 1a는 InP 반도체 기판(101) 위에 1.3um 에너지 갭의 InGaAsP(Q=1.3)층(102)이 있는 구조의 3차원 도면이고, 도 1b는 InGaAsP(Q=1.3)층(102) 중 출사부 광도파로로 사용될 영역을 제외한 나머지 부분을 식각한 이후의 도면이며, 도 1c는 상기 도 1b의 InP 반도체 기판(101)위에 상기 도 1a의 InP 기판(103)을 다시 한번 성장시킨 도면이다. 이때, InGaAsP(Q=1.3)층(102)은 InP 기판(103)에 의해 덮이는 부분이 생긴다. 또한, 도 1d는 1.1um 에너지 갭을 갖는 InGaAsP(Q=1.1)(104)를 선택적으로 성장한 이후의 3차원 도면이며, 도 1e는 사인-곡선으로 구부러진 광도파로 형태의 마스크(105)를 이용하는 과정을 나타낸 3차원 도면이다.That is, FIG. 1A is a three-dimensional view of a structure having an InGaAsP (Q = 1.3) layer 102 having a 1.3 μm energy gap on the InP semiconductor substrate 101, and FIG. 1B is an InGaAsP (Q = 1.3) layer 102. FIG. 1C is a view illustrating the growth of the InP substrate 103 of FIG. 1A on the InP semiconductor substrate 101 of FIG. At this time, a portion of the InGaAsP (Q = 1.3) layer 102 is covered by the InP substrate 103. FIG. 1D is a three-dimensional view after selectively growing an InGaAsP (Q = 1.1) 104 having a 1.1 um energy gap, and FIG. 1E is a process of using an optical waveguide-shaped mask 105 curved in a sinusoidal curve. Is a three-dimensional drawing.

도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 따른 광 모드 크기 변환장치의 집적 구도를 나타낸 일실시예 설명도이다.2A and 2B are exemplary diagrams illustrating an integrated structure of an optical mode size converting apparatus according to the present invention.

즉, 도 2a는 상기 도 1e 의 다음 단계로서, 본 발명에 따른 광 모드 크기 변환장치가 완성된 3차원 도면이며, 도 2b는 상기 도 2a의 광 모드 크기 변환장치의 평면도로서, 상호-테이퍼 측면-접합 광도파로 영역(106)이 표시되어 있다.2A is a three-dimensional view of the optical mode size converting apparatus according to the present invention as a next step of FIG. 1E, and FIG. 2B is a plan view of the optical mode size converting apparatus of FIG. The junction optical waveguide region 106 is shown.

도 2a에 도시된 바와 같이, 입사부 광도파로(104)는 사인-곡선 테이퍼를 이용하여 폭이 점차적으로 감소한다. 그리고, 출사부 광도파로(102)는 입사부 광도파로(104)에서와 마찬가지로 사인-곡선 테이퍼를 이용하여 점차적으로 증대한다. 그래서, 전체적인 형태는 사인-곡선과 같이 구부러진 테이퍼 광도파로(bent & tapered optical waveguide)와 유사하게 되고, 입사부와 출사부 광도파로(104,102)는 각각 수 십 A 정도의 매우 좁은 폭을 갖도록 제작된다. 결과적으로, 1.0um 해상도의 광리소그래피와 식각 기술을 이용하여 수 십 A 이하의 좁은 테이퍼 광도파로 구조를 구현할 수 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 2A, the incident optical waveguide 104 gradually decreases in width by using a sinusoidal taper. The exit optical waveguide 102 is gradually increased by using a sinusoidal-curve taper as in the incident optical waveguide 104. Thus, the overall shape is similar to a bent & tapered optical waveguide like a sine-curve, and the entrance and exit optical waveguides 104 and 102 are each manufactured to have a very narrow width of several tens of amperes. . As a result, it can be seen that a narrow tapered optical waveguide structure of several tens of A or less can be realized using optical lithography and etching techniques having a resolution of 1.0 μm.

입사부 광도파로(104)의 폭과 두께는 win와 din이고, 출사부 광도파로(102)의 폭과 두께는 wout와 dout이다. 또한, 입사부와 출사부 광도파로 굴절율이 각각 nin와 nout , 클래드 굴절율 n0로 정의한다. 그리고, 테이퍼 영역의 길이를 l이라 하였다. The width and thickness of the incident part optical waveguide 104 are w in and d in , and the width and thickness of the exit part optical waveguide 102 are w out and d out . Incidentally, the incidence part and the outgoing part optical waveguide refractive indexes are defined as n in and n out and the clad refractive index n 0 , respectively. And the length of the taper area | region was made into l.

도 3 은 광 모드 크기 변환 특성을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing optical mode size conversion characteristics.

즉, 도 3은 입사부(in)와 출사부(out) 광도파로 폭이 각각 win = 8.0um와 wout = 1.5um, 두께가 각각 din = 20nm와 dout = 0.4um, 수동형과 능동형 굴절율이 각각 nin = 3.28과 nout = 3.4, 클래드 굴절율 n0 = 3.17, 테이퍼 영역 길이 l = 300um인 구조에서 광 모드 크기 변환 특성을 나타낸 그래프이다. That is, FIG. 3 shows the widths of the optical waveguides of the incident part (in) and the output part (out) of w in = 8.0 um and w out = 1.5 um, respectively, d in = 20 nm and d out = 0.4 um, respectively, passive and active. This is a graph showing the optical mode size conversion characteristics in the structures having refractive indices n in = 3.28 and n out = 3.4, clad refractive index n 0 = 3.17, and tapered region length l = 300 um, respectively.

3차원 BPM에 의한 시뮬레이션 결과는 10 x 10um 모드 크기에서 2 x 2um의 모드 크기로 변환하는 과정에서 90% 이상의 파원 전달에 도달한다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 테이퍼 길이가 300um 정도면 충분한 파워 전달을 얻을 수 있다. Simulation results by 3D BPM show that 90% or more wave power transmission is achieved during the conversion from 10 x 10um mode size to 2 x 2um mode size. Therefore, if the taper length is about 300um, sufficient power transmission can be obtained.

도 4 는 본 발명에 따른 사인 곡선형 광도파로 영역(107)과 테이퍼 광도파로 영역(108)이 결합된 광 모드 크기 변환장치를 나타낸 도면으로서, 이러한 구조로 제작된 광 모드 크기 변환기는 파워 전달 효율을 높일 수 있다.FIG. 4 is a view showing an optical mode size converter in which a sinusoidal optical waveguide region 107 and a tapered optical waveguide region 108 are combined according to the present invention. Can increase.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains, and the above-described embodiments and accompanying It is not limited to the drawing.

상기한 바와 같은 본 발명은, 광섬유와 광도파로 집적 소자의 효율적인 연결이 가능할 뿐만 아니라, 상호-측면테이퍼 광도파로 집적 구조이므로 결합 손실(coupling loss)과 반사 손실(reflection loss)이 거의 발생하지 않아 90% 이상의 파워 전달 특성을 보이고, 300μm 정도의 테이퍼 영역을 가지며, 수직 또는 측면 테이퍼 구조를 제작하는데 필요한 고비용/고정밀 공정 기술을 사용하지 않는다는 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 1.0um 정도의 해상도를 갖는 포토 리소그래피 공정을 이용하여 수 십 옹스트롬(Angstrom) 이하의 좁은 테이퍼 광도파로 구조를 간편하게 제작할 수 있고, 광도파로의 폭 또는 두께를 작게 하는 고정밀 테이퍼 공정이 필요하지 않으므로 소자의 제작 시간 및 비용이 적어 경제성이 매우 높은 우수한 효과가 있다.As described above, the present invention enables not only efficient connection between the optical fiber and the optical waveguide integrated device, but also due to the cross-side tapered optical waveguide integrated structure, almost no coupling loss and reflection loss occur. It exhibits a power transfer characteristic of more than%, has a taper area on the order of 300 μm, and does not use the high cost / high precision process technology required to fabricate vertical or side tapered structures.
In addition, the present invention can easily produce a narrow tapered optical waveguide structure of several tens of Angstroms or less using a photolithography process having a resolution of about 1.0 μm. Since it is not necessary, the manufacturing time and cost of the device are small, so the economic effect is very excellent.

Claims (4)

광모드 크기 변환장치에 있어서,In the optical mode size converter, 광도파로 입사부로서의 제1 광도파로층과 광도파로 출사부로서의 제2 광도파로층이 동일 평면상에서 각 일단부가 상호 측면 접합되어 형성되되, 상기 상호 접합된 부분의 제1 및 제2 광도파로층 각 단부가 각기 대향하여 그 폭이 좁아지는 테이퍼된(tapered) 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 상호 테이퍼측면 접합 광도파로를 이용한 광 모드 크기 변환장치.The first optical waveguide layer serving as the optical waveguide incidence portion and the second optical waveguide layer serving as the optical waveguide emitting portion are formed by mutually side joining one end on the same plane, and each of the first and second optical waveguide layers of the joined portion An optical mode size converting apparatus using mutually tapered side-joined optical waveguides, each of which has a tapered shape in which ends thereof are narrowed in width. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 상호 접합된 부분은,The mutually bonded portion, 사인 곡선 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 상호 테이퍼측면 접합 광도파로를 이용한 광 모드 크기 변환장치.An optical mode size converter using a mutual tapered side junction optical waveguide having a sinusoidal shape. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제2 도파로층은,The second waveguide layer, 상기 상호 접합된 부분 이외에 테이퍼된 테이퍼 부분을 더 포함하는 상호 테이퍼측면 접합 광도파로를 이용한 광 모드 크기 변환장치.Optical mode size conversion apparatus using the mutual tapered side junction optical waveguide further comprising a tapered taper portion in addition to the mutually bonded portion. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 상호 접합된 부분은, The mutually bonded portion, 입사부 광도파로와 출사부 광도파로 사이에 위치하는 상호 테이퍼측면 접합 광도파로 구조를 갖되, It has a mutual tapered side junction optical waveguide structure located between the incident optical waveguide and the exit optical waveguide, 상기 입사부 광도파로는 광섬유에서의 모드 크기와 유사한 모드 크기를 갖고, 상기 출사부 광도파로는 광도파로 집적 소자에서의 광 모드 크기와 일치하는 모드 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 상호 테이퍼측면 접합 광도파로를 이용한 광 모드 크기 변환장치. The incident part optical waveguide has a mode size similar to that of the optical fiber in the optical fiber, and the exiting optical waveguide has a mode size that matches the optical mode size in the optical waveguide integrated device. Optical mode size converter using the.
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