KR100730253B1 - 광 편향 소자 및 광 스위치 - Google Patents

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마사오 곤도
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Abstract

포토닉 결정을 이용하여 광을 원하는 큰 편향각으로 편향시킴과 함께, 편향각을 넓은 범위 내에서 정밀하게 고속 제어하는 것을 가능하게 하고, 장치 사이즈의 가일층의 축소화·고집적화에 기여하는 광 편향 소자를 실현한다. 광 편향 소자(10)는, 광 도파로(3) 위에 설치된 프리즘 전극(4)과, 광 진행 방향으로 광이 프리즘 전극(4)을 통과한 전방에 설치된 제1 포토닉 결정 구조(5)와, 제1 포토닉 결정 구조(5) 위에서 광 도파로(3)를 개재하여 대향 전극층(2)과 대향하도록 설치된 제어 전극(6)과, 광 진행 방향으로 병행하여 프리즘 전극(4)의 측방에 설치된 제2 포토닉 결정 구조(7)를 구비하여 구성되어 있다.
광 편향 소자, 프리즘 전극, 광 도파로, 포토닉 결정, 제어 전극

Description

광 편향 소자 및 광 스위치{OPTICAL DEFLECTION ELEMENT AND OPTICAL SWITCH}
도 1은 제1 실시예에 따른 광 편향 소자의 주요 구성을 도시하는 모식도.
도 2는 제1 실시예에 따른 광 편향 소자의 제조 방법을 공정순으로 도시하는 개략 단면도.
도 3은 도 2에 계속해서, 제1 실시예에 따른 광 편향 소자의 제조 방법을 공정순으로 도시하는 개략 단면도.
도 4는 제2 실시예에 따른 광 스위치의 개략 구성을 도시하는 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 소자 기판
2 : 대향 전극층
3 : 광 도파로
4 : 프리즘 전극
5 : 제1 포토닉 결정 구조
6 : 제어 전극
7 : 제2 포토닉 결정 구조
10 : 광 편향 소자
11, 41 : 하부 클래드층
12, 42 : 코어층
13, 43 : 상부 클래드층
14, 16 : 관통 구멍
15 : 투명 수지
20 : 광 스위치
21 : 주요 구성부
22 : 채널 형성부
31 : 채널 기판
32 : 채널 도파로
44 : 마이크로 렌즈
45 : 홈
46 : 배선층
47 : 땜납볼
I1∼I4 : 입력 채널
O1∼O4 : 출력 채널
[특허 문헌 1] 일본 특개평 3-87817호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특개 2002-350908호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특개 2002-303836호 공보
[특허 문헌 4] 일본 특개 2003-215367호 공보
[비특허 문헌 1] H.Kosaka et al. Phys.Rev.B 58, R10099(1998)., H Kosaka et al.Appl. Phys.Lett.74, 1212(1999)., H Kosaka et al.Appl. Phys.Lett.74, 1370(1999).
본 발명은, 광을 편향시키는 광 편향 소자 및 입력한 광 신호를 원하는 채널에 출력하는 광 스위치에 관한 것이다.
최근에는, 포토닉 네트워크의 가일층의 고속 구동화 및 대용량화의 요청이 높아지고, 광 신호는 광대역이고 또한 다중화되고, 포토닉 네트워크의 전송 장치에도 고속 구동화 및 다채널화가 요구되고 있다. 포토닉 네트워크의 노드로 되는 광 크로스 커넥트 장치에도, 채널수의 증가, 고속 전환의 필요에 직면해 있어, 현재의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 등의 마이크로 머신에 의한 미러형의 광 크로스 커넥트 장치 대신에, 예를 들면 특허 문헌 1과 같은 광 도파로형의 광 스위치가 필요하게 되어 있다.
광 도파로형 광 스위치에서는, 고속 구동화 및 다채널화에 대응하여 광 편향각을 조절하는 것이 필수로 된다. 광 도파로형의 광 스위치에서, 큰 광 편향을 얻 도록, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진, 소위 포토닉 결정을 이용하는 것이 주목받고 있다. 포토닉 결정이란, 굴절율이 상이한 복수의 매질이 주기적으로 배치되어 이루어진 결정 구조이다. 포토닉 결정은, 종래의 광 디바이스를 수 미크론 사이즈까지 소형화 가능한 요소 기술로서 기대되고 있다. 포토닉 결정의 내부에서는, 그 배열 주기, 형상 및 굴절율 등에 의해, 반도체 등에서의 전자의 밴드 구조와 마찬가지로, 광의 밴드 구조가 변조되어, 특이한 밴드 구조를 형성한다. 예를 들면 부릴루앙 존(Brillouin zone) 근방에는, 포토닉 밴드 갭이라고 불리는 광의 금제대가 형성되고, 이 주파수 대역에서는 포토닉 결정의 내부에 광이 존재할 수 없다. 또한, 포토닉 밴드 갭 근방의 포토닉 밴드는 크게 변조되어 있고, 그 주파수 분산면은 통상의 광학 결정과는 크게 상이하다. 예를 들면 비특허 문헌 1에서, 포토닉 밴드의 파수가 만드는 주파수 분산면에 적당한 파장의 광을 선택함으로써, 수퍼 프리즘 효과라고 불리는 큰 광 편향이 관측되는 것이 보고되어 있다.
포토닉 결정을 이용한 광 스위치의 구체예로서는, 예를 들면 특허 문헌 2∼4의 기술을 예로 들 수 있다.
특허 문헌 2에서는, 포토닉 결정에 전압 등의 에너지를 인가함으로써 편향각을 조절할 수 있다는 취지의 원리적 발명이 개시되어 있다.
특허 문헌 3에서는, 포토닉 결정에 의해 광 도파로의 코어를 구성하고, 포토닉 결정에 선(線) 결함 도파로를 형성하여 광로로 하는 발명이 개시되어 있다.
특허 문헌 4에서는, 특허 문헌 2와 마찬가지로, 포토닉 결정에 의해 광 도파로의 코어를 구성하고, 포토닉 결정에 상기한 주기 구조 배열을 만족하지 않는 부 위를 형성하여, 이것을 광로로 하는 발명이 개시되어 있다.
전술한 바와 같은 종래의 포토닉 결정을 이용한 광 스위치에서는, 광로를 획정하고, 큰 편향각을 얻을 수 있지만, 편향각의 조절 정밀도가 그다지 우수하다고는 할 수 없다는 문제가 있다. 최근에의 광 스위치의 고속 구동화 및 다채널화의 요청은 점점 높아져서, 그 요청에 충분히 응하기 위해서는, 편향각의 조절 정밀도를 대폭 향상시킬 필요가 있어, 그를 위한 기술이 모색되고 있는 현황에 있다.
본 발명은, 상기한 모든 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 포토닉 결정을 이용하여 광을 원하는 큰 편향각으로 편향시킴과 함께, 편향각을 넓은 범위 내에서 정밀하게 고속 제어하는 것을 가능하게 하고, 장치 사이즈의 가일층의 축소화·고집적화에 기여하는 광 편향 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 광 신호를 원하는 넓은 편향각 범위 내에서 정밀하게 고속 제어하는 것을 가능하게 하는 광 편향 소자를 이용하여, 장치 사이즈의 대폭적인 축소화·고집적화에 기여하는 고속 구동의 다채널·광 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 광 편향 소자는, 전기 광학 재료로 이루어진 광 도파로와, 상기 광 도파로 위에 설치된 제1 광 편향 수단과, 광 진행 방향으로 광이 상기 제1 광 편향 수단을 통과한 전방(광 진행 방향에 대하여 깊이측)에 설치되고, 상기 제1 광 편향 수단보다도 편향각 범위가 넓은 제2 광 편향 수단을 포함하고, 상기 제2 광 편향 수단은, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제1 포토닉 결정 구조와, 상기 제1 포토닉 결정 구조에 인가하는 전압을 조절하여 상기 제1 포토닉 결정 구조에 의한 광의 굴절율을 제어하는 제어 전극을 구비한다.
본 발명의 광 스위치는, 광 신호가 입력되는 복수의 입력 채널과, 상기 각 입력 채널마다 설치되어 이루어진 복수의 광 편향 소자와, 광 신호가 출력되는 복수의 출력 채널을 구비하고, 상기 각 광 편향 소자는, 전기 광학 재료로 이루어진 광 도파로와, 상기 광 도파로 위에 설치된 제1 광 편향 수단과, 광 진행 방향으로 광이 상기 제1 광 편향 수단을 통과한 전방에 설치되고, 상기 제1 광 편향 수단보다도 편향각 범위가 넓은 제2 광 편향 수단을 포함하고, 상기 제2 광 편향 수단은, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제1 포토닉 결정 구조와, 상기 제1 포토닉 결정 구조에 인가하는 전압을 조절하여 상기 제1 포토닉 결정 구조에 의한 광의 굴절율을 제어하는 제어 전극을 구비한다.
본 발명의 일 양태에서는, 광 진행 방향으로 병행하여, 인접하는 상기 제1 광 편향 수단 사이의 영역에 설치되어 있고, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제2 포토닉 결정 구조를 더 포함한다.
<실시예>
-본 발명의 기본 골자-
본 발명자는, 광을 큰 편향각으로 편향시킴과 함께, 편향각을 넓은 범위 내에서 정밀하게 고속 제어하기 위해, 2 종류의 편향 수단을 광 진행 방향으로 직렬로 배치하고, 편향 수단을 2단 구성으로 함으로써 광 편향을 넓은 각도 범위에서 또한 정밀하게 제어하는 것에 상도했다. 구체예로서, 제1 광 편향 수단에는 프리즘 전극을, 제2 광 편향 수단에는 포토닉 결정(제1 포토닉 결정 구조)과, 포토닉 결정에 인가하는 전압을 조절하여 포토닉 결정에 의한 광의 굴절율을 제어하는 제어 전극을 이용한다.
본 발명에서는, 광 도파로에 전기 광학 효과(유전체 결정이나 강유전체 결정에 전계를 인가하면 굴절율이 변화하는 효과)를 갖는 재료(전기 광학 재료)를 이용하여, 광 진행 방향으로 제1 광 편향 수단, 제2 광 편향 수단의 순서로 배치한다. 우선, 1단째의 편향 수단(제1 광 편향 수단)으로 광 편향을 미소하게 조절한 후, 2단째의 편향 수단(제2 광 편향 수단)으로 광 편향을 광 편향각 범위로 조절한다. 예를 들면 프리즘 전극에 의한 광 편향에는 그 편향각이 작다. 1단째의 광 편향으로서는, 예를 들면 제1 광 편향 수단에 프리즘 전극을 이용하여 입사광을 좌우 어느 한쪽에 미소각만큼 편향시킨다. 계속해서, 2단째의 광 편향으로서, 제2 광 편향 수단에 제1 포토닉 결정 구조를 이용하여, 제1 광 편향 수단으로 좌우 어느 한쪽에 미소각 편향한 광을 제1 포토닉 결정 구조에 의해, 좌우 어느 한쪽의 미소각을 크게 확대할 수 있다. 이 때 제2 광 편향 수단에서는, 제어 전극으로부터 제1 포토닉 결정 구조에 원하는 전압을 인가한다. 이 전압 인가에 의해, 포토닉 결정 내부의 포토닉 밴드 갭을 변조시켜, 광의 편향각을 포토닉 결정에 의한 넓은 편향각 범위 내에 소망에 따라 변화시킬 수 있다.
포토닉 결정의 수퍼 프리즘 효과에 의한 광 편향은, 입사 각도 및 입사광의 파장에 매우 민감하기 때문에, 포토닉 결정에 입사하는 광의 미소한 각도에 반응하 여 크게 편향한다. 따라서, 포토닉 결정만으로는 광의 큰 편향각은 얻어지는 반면에, 해당 편향각을 정밀하게 조절할 수는 없다. 본 발명에서는, 이러한 포토닉 결정의 성질을 적극적으로 이용하여, 우선 입사광을 좌우 어느 한쪽의 미소각만큼 편향시켜 두고, 계속해서 해당 미소각을, 제1 포토닉 결정 구조에 의해 제어 전극으로 조절하면서 크고 또한 정밀하게 편향시킨다. 이와 같이 편향각을 제어함으로써, 입사광의 파장이 균일하지 않아도, 수퍼 프리즘 효과를 발생시키는 파장 선택성이 넓어짐과 함께, 광의 편향각 제어를 아주 세밀하고 정확하게, 또한 고속으로 행할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 광로에 병행하도록, 제1 포토닉 결정 구조와 주기 구조가 상이한 제2 포토닉 결정 구조를 배치한다. 이 제2 포토닉 결정 구조는 포토닉 밴드 갭을 갖고 있고, 이에 따라 광로가 집광되어 지향성이 높은 광 편향 제어가 가능해진다.
또한 본 발명에서는, 복수의 입출력 채널을 구비한 광 스위치에 상기한 광 편향 소자를 적용한다. 즉, 각 입력 채널마다 상기한 광 편향 소자를 배치한다. 각 광 편향 소자에는 제1 및 제2 광 편향 수단이 설치되어 있고, 2 단계의 편향각 조절에 의해 광 신호의 편향이 넓은 편향각 범위에서 정밀하게 제어되고, 각 입력 채널로부터 원하는 출력 채널에 정확하고 또한 고속으로 광 신호를 전달시킬 수 있다. 이 경우, 제2 포토닉 결정 구조가 광로에 병행하여 인접하는 입력 채널 사이의 영역에 설치되어 있고, 각 입력 채널마다 입사 광 신호의 광로가 구별되어, 입력 채널 사이의 크로스토크가 대폭 저감한다.
-본 발명을 적용한 구체적인 여러 실시예-
(제1 실시예)
본 실시예에서는, 본 발명을 적용한 광 편향 소자의 구체적인 구성을 개시한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 광 편향 소자의 주요 구성을 나타내고 있으며, (a)는 개략 평면도, (b)는 (a) 중 일점 쇄선 I-I를 따라 취한 개략 단면도, (c)는 (a) 중 일점 쇄선 II-II를 따라 취한 개략 단면도이다. 또한, 도 2 및 도 3은 제1 실시예에 따른 광 편향 소자의 제조 방법을 공정순으로 나타내는 개략 단면도(도 1의 (a) 중 일점 쇄선 I-I를 따라 취한 개략 단면에 대응함)이다.
본 실시예의 광 편향 소자(10)는, 도 1의 (a), 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 소자 기판(1) 위에 대향 전극층(2)을 통하여 전기 광학 재료로 이루어진 광 도파로(3)와, 광 도파로(3)를 개재하여 대향 전극층(2)과 대향하도록 광 도파로(3) 위에 설치된 프리즘 전극(4)과, 광 진행 방향으로 광이 프리즘 전극(4)을 통과한 전방에 설치된 제1 포토닉 결정 구조(5)와, 제1 포토닉 결정 구조(5) 상에서 광 도파로(3)를 개재하여 대향 전극층(2)과 대향하도록 설치된 제어 전극(6)과, 광 진행 방향으로 병행하여 프리즘 전극(4)의 측방에 설치된 제2 포토닉 결정 구조(7)를 구비하여 구성되어 있다.
광 도파로(3)는, 슬라브형 도파로로, 하부 클래드층(11)과 상부 클래드층(13)과의 사이에 광로가 형성되는 코어층(12)이 협지되어 구성되어 있다. 광 도파로(3)의 전기 광학 재료로서는, 큰 전기 광학 효과를 갖는 강유전체인 페로브스카 이트계의 BaTiO3, Pb(Zr, Ti)O3(PZT), (Pb, La)TiO3(PLT), (Pb, La)(Zr, Ti)O3(PLZT)가 바람직하고, 정방정계의 KH2PO4(KDP), 일루메나이트(ilumenite)계의 LiNbO3, LiTaO3, KNbO3, 텅스텐 브론즈계의 (Sr, Ba)Nb2O6(SBN)으로도 된다. 이들 중에서 임의의 굴절율을 갖는 재료를 선택하여, 광 도파로(3)의 재료로 한다.
프리즘 전극(4)은, 삼각 형상의 한쌍의 전극이 대향하도록 배치되어 이루어진 것으로, 이것이 제1 광 편향 수단으로서 기능한다.
제1 포토닉 결정 구조(5)는, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 포토닉 결정으로 이루어진 것이다. 여기서는, 광 진행 방향과 직교하는 방향으로 되도록 광 도파로(3)에 복수의 관통 구멍(14)이 형성되고, 이들 관통 구멍(14)이 광 도파로(3)의 전기 광학 재료와 상이한 굴절율의 재료, 여기서는 투명 수지(15)가 충전되어 있고, 투명 수지(15) 및 그 주위의 전기 광학 재료의 2 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 있다. 이 경우, 원하는 수퍼 프리즘 효과가 얻어지도록, 주기 구조, 즉 관통 구멍(14)의 사이즈나 형상, 배열 주기가 적절하게 조절되어 있다. 투명 수지(15)를 관통 구멍(14)의 충전재로 함으로써, 충전재를 이용하지 않는 공기의 경우와 비교하여 내 전압성이 향상하여, 방전을 방지할 수 있다. 충전재로서는, 전기 광학 재료와 상이한 굴절율의 재료이면 되고, 예를 들면 실리카 등이어도 적합하다.
제어 전극(6)은, 제1 포토닉 결정 구조(5)를 대향 전극층(2)과 협지하도록 배치되어 있다. 제1 포토닉 결정 구조(5) 및 제어 전극(6)에 의해 제2 광 편향 수 단으로서 기능한다.
제2 포토닉 결정 구조(7)는, 제1 포토닉 결정 구조(5)와 마찬가지로, 광 진행 방향과 직교하는 방향으로 되도록 광 도파로(3)에 복수의 관통 구멍(16)이 형성되고, 이들 관통 구멍(16)이 광 도파로(3)의 전기 광학 재료와 상이한 굴절율의 재료, 여기서는 투명 수지(15)가 충전되어 있고, 투명 수지(15) 및 그 주위의 전기 광학 재료의 2 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 있다. 이 경우, 제1 포토닉 결정 구조(5)와 상이한 주기 구조(관통 구멍(16)의 사이즈나 형상, 배열 주기), 여기서는 포토닉 밴드 갭을 형성하는 주기 구조를 갖고 있고, 이에 따라 광로가 집광되어 지향성이 높은 광 편향 제어가 가능해진다.
이 광 편향 소자(10)에서는, 2 단계의 광 편향을 행한다. 우선, 입사광 L1이 프리즘 전극(4)에 입사한다. 프리즘 전극(4)에는 대향 전극층(2)과의 사이에서 소정의 전압이 인가되어 있고, 이 전압 인가에 의해 광 도파로(3) 내에 프리즘 형상의 굴절율 변화가 생겨서, 입사광 L1이 좌우 어느 한쪽에 미소각만큼 편향하여 제1 편향광 L2로 된다(물론, 입사광 L1을 하등 편향시키지 않게 직진시켜도 된다). 도시한 예에서는, 좌우 쌍방(도 1의 일점 쇄선 I-1에 대하여 상하 쌍방)으로 편향된 각 제1 편향광 L2를 각각 나타낸다. 이 때, 프리즘 전극(4)의 측방에는 제2 포토닉 결정 구조(7)가 설치되어 있고, 포토닉 밴드 갭에서는 광의 존재가 허용되지 않기 때문에, 이 포토닉 밴드 갭에 의해 프리즘 전극(4) 내에 광로가 집광된다.
프리즘 전극(4)을 통과한 제1 편향광 L2는, 제1 포토닉 결정 구조(5)에 입사한다. 제1 포토닉 결정 구조(5)에는, 제어 전극(6)에 의해 대향 전극층(2)과의 사이에서 소정으로 조절된 전압이 인가되어 있고, 이 전압 조절에 의해, 제1 포토닉 결정 구조(5)의 포토닉 밴드 갭이 변조되고, 프리즘 전극(4)에 의해 미소각만큼 편향한 제1 편향광 L2가 포토닉 결정에 의한 넓은 편향각 범위 내에서 정밀하게 소기의 편향각으로 제어되어, 제2 편향광 L3으로 되어 출사된다. 도시한 예에서는, 제1 편향광 L2에 기인하여 좌우 쌍방으로 크게 편향된 각 제2 편향광 L3을 각각 나타낸다.
여기서, 본 실시예에 따른 광 편향 소자(10)의 제조 방법에 대하여 도 2 및 도 3을 이용하여 설명한다.
우선, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 예를 들면 SrTiO3(STO) 또는 MgO로 이루어진 소자 기판(1)을 준비하고, 이 소자 기판(1) 위에 대향 전극층(2)을 형성한다.
구체적으로 설명하면, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 예를 들면 SRO, IrO2 등의 산화물막, Pt, Ti 등의 금속막을 스퍼터법에 의해 기판(1) 위에 퇴적하여, 대향 전극층(2)을 형성한다. 이 경우, 기판(1)으로서 Nb나 La 등을 첨가한 STO 등의 도전성 단결정 기판을 이용하여, 대향 전극층(2)의 형성을 생략해도 된다.
계속해서, 대향 전극층(2) 위에 하부 클래드층(11)을 형성한다.
구체적으로 설명하면, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이, 예를 들면 졸겔법에 의해, 일례로서 강유전체의 PLZT(9/65/35)막을 막 두께 2㎛ 정도로 에피택셜 성장시켜, 대향 전극층(2) 위에 하부 클래드층(11)을 형성한다. 또, PLZT의 전구체 용액을 대향 전극층(2) 위에 디프법 또는 스핀 코트법을 이용하여 복수회 도포함으로써, PLZT막의 막 두께를 제어할 수 있다.
계속해서, 하부 클래드층(11) 위에 코어층(12)을 적층 형성한다.
구체적으로 설명하면, 도 2의 (d)에 도시한 바와 같이, 예를 들면 졸겔법에 의해, PZT(52/48)막을 하부 클래드층(11) 위에 막 두께 3㎛ 정도로 에피택셜 성장시켜, 코어층(12)을 적층 형성한다. 또 마찬가지로, PZT의 전구체액을 하부 클래드층(11) 위에 복수회 도포함으로써, PZT막의 막 두께를 제어할 수 있다.
계속해서, 코어층(12) 위에 상부 클래드층(13)을 적층 형성한다.
구체적으로 설명하면, 도 2의 (e)에 도시한 바와 같이 예를 들면 졸겔법에 의해, PLZT막을 코어층(12) 위에 막 두께 2㎛ 정도로 에피택셜 성장시켜, 상부 클래드층(13)을 적층 형성한다. 이 경우도 마찬가지로, PZT의 전구체액을 코어층(12) 위에 복수회 도포함으로써, PZT막의 막 두께를 제어할 수 있다. 이 때, 하부 클래드층(11), 코어층(12) 및 상부 클래드층(13)이 적층되어 이루어진 광 도파로(3)가 형성된다. 이상, 졸겔법으로 전기 광학 재료의 광 도파로(3)를 형성하는 경우를 예시했지만, 졸겔법 이외에도 스퍼터법, 펄스 레이저 증착법, 에어러졸법 및 MOCVD법 등의 임의의 강유전체막 제작 프로세스법을 이용할 수 있다.
계속해서, 제1 포토닉 결정 구조(5)의 관통 구멍(14) 및 제2 포토닉 결정 구 조(7)의 관통 구멍(16)을 복수 패턴 형성한다. 또한, 도시한 예에서는, 단면의 위치에 따라 관통 구멍(14)만이 나타난다(이하 마찬가지임).
구체적으로 설명하면, 우선 도 2의 (f)에 도시한 바와 같이 예를 들면 전자선 레지스트(17)를 광 도파로(3) 위에 도포하고, 전자선 레지스트(17)의 소정 부위에 각각 관통 구멍(14, 16)의 각 패턴(도시한 예에서는 관통 구멍(14)의 패턴(17a)만 나타냄)을 전자선 직묘(直描) 및 현상 등에 의해 형성한다. 계속해서, 도 2의 (g)에 도시한 바와 같이, 전자선 레지스트(17)를 마스크로 하여, 예를 들면 CF4나 SF6의 에칭 가스를 이용한 드라이 에치법에 의해, 광 도파로(3)를 대향 전극층(2)의 표면이 노출될 때까지 에칭한다. 이 에칭에 의해, 광 도파로(3)에는 전자선 레지스트(17)의 패턴에 따른 관통 구멍(14, 16)이 형성된다. 그리고, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 전자선 레지스트(17)를 애싱 처리 등에 의해 제거한다.
계속해서, 관통 구멍(14, 16) 내에 투명 수지(15)를 충전한다.
구체적으로 설명하면, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 투명 수지(15)로서, 예를 들면 불소화 폴리이미드 등을 스핀 코트법, 디프 코트법 등에 의해 관통 구멍(14, 16) 내에 주입하고, 예를 들면 반응성 이온 에칭법으로 넘쳐흘러 나온 투명 수지를 제거한다.
이상에 의해, 관통 구멍(14, 16) 내에 투명 수지(15)가 충전되어 이루어지고, 주위의 전기 광학 재료와 함께 각각 소정의 주기 구조를 갖고 이루어진 제1 및 제2 포토닉 결정 구조(5, 7)가 형성된다.
계속해서, 광 도파로(3) 위에 프리즘 전극(4) 및 제어 전극(6)을 패턴 형성한다.
구체적으로 설명하면, 우선 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이 예를 들면 전자선 레지스트(18)를 광 도파로(3) 위에 도포하고, 전자선 레지스트(18)의 소정 부위에 각각 프리즘 전극(4) 및 제어 전극(6)의 각 패턴(18a, 18b)을 전자선 직묘 및 현상 등에 의해 형성한다. 계속해서, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이 예를 들면 SRO, IrO2 등의 산화물막, Pt, Ti 등의 금속막을 스퍼터법에 의해 전면에 퇴적한다. 이 때, 전자선 레지스트(18)가 마스크로 되어, 광 도파로(3) 위에는 각 패턴(18a, 18b)에 의해 노출한 부위에만 산화물막 또는 금속막이 퇴적된다. 그리고, 도 3의 (e)에 도시한 바와 같이 리프트 오프법에 의해 전자선 레지스트(18) 및 전자선 레지스트(18) 위의 산화물막 또는 금속막을 제거하고, 프리즘 전극(4) 및 제어 전극(6)을 패턴 형성한다.
이상의 공정 및 여러 후 공정을 거침으로써, 본 실시예의 광 편향 소자(10)를 완성시킨다.
또한, 본 발명은 이상 설명한 제1 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 대향 전극(2)이나 광 도파로(3), 프리즘 전극(4) 및 제어 전극(6)의 두께에는, 어느 정도 자유가 있다. 또한, 입사광이 프리즘 전극(4)의 원하는 편향각을 만족하지 않는 경우, 프리즘 전극(4)의 형상을 적절하게 변경하는 것이 가능하고, 또한 프리즘 전극(4)을 다단으로 되도록 복수 직렬로 배치해도 된다. 제1 및 제2 포토 닉 결정 구조(5, 7)의 각 주기 배열에 대해서도, 도시한 예에서는 정방 격자 배열을 나타냈지만, 이에 한정되지 않고 삼각 격자 배열이나 벌집형 격자 배열 등이어도 적합하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 포토닉 결정을 이용하여 광을 원하는 큰 편향각으로 편향시킴과 함께, 편향각을 넓은 범위 내에서 정밀하게 고속 제어하는 것을 가능하게 하고, 장치 사이즈의 가일층의 축소화·고집적화에 기여하는 광 편향 소자(10)가 실현된다.
(제2 실시예)
본 실시예에서는, 본 발명을 적용한 광 스위치의 구체적 구성을 개시한다.
도 4는 제2 실시예에 따른 광 스위치의 개략 구성을 도시하고 있고, (a)는 광 스위치의 주요 구성부만의 개략 평면도, (b)는 (a) 중 일점 쇄선 I-I를 따라 취한 광 스위치의 개략 단면도이다. 또, 제1 실시예와 마찬가지의 구성 부재 등에 대해서는, 동일 부호를 붙여서 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 광 스위치(20)는, 제1 실시예에 따른 광 편향 소자(10)를 복수 병렬로 배치한 구성을 채용한다.
이 광 스위치(20)는, N×N(N: 2 이상의 정수, 도시한 예에서는 N=4) 배열의 광 스위치로, 광 편향 기구를 구비한 주요 구성부(21)와, 주요 구성부(21)가 배치되는 채널 형성부(22)를 구비하여 구성되어 있다.
채널 형성부(22)는, 채널 기판(31) 위에 채널 도파로(32)가 설치되어 구성되어 있다.
채널 도파로(32)는, 하부 클래드층(41)과 상부 클래드층(43) 사이에, 광로가 형성되는 코어층(42)이 협지되어 있고, 광 신호의 입력 채널 I1∼I4 및 출력 채널 O1∼O4를 구비하고 있다. 입력 채널 I1∼I4는, 각각 선단 부위에 신호광을 콜리메이트하는 마이크로 렌즈(44)가 설치되어 있으며, 각각 등간격으로 병설되어 있다. 출력 채널 O1∼O4도 마찬가지로, 각각 후단 부위에 마이크로 렌즈(44)가 설치되어 있고, 각각 등간격으로 병설되어 있다. 이 채널 도파로(32)에는, 주요 구성부(21)가 실장되는 홈(45)이 형성되어 있고, 채널 기판(31) 표면의 홈(45)의 바닥부에 노출되는 부위에는, 각종 배선층(46)이 패턴 형성되어 있다.
채널 형성부(22)에서는, 예를 들면 Si로 이루어진 채널 기판(31)의 표면을 열 산화하여 막 두께 5㎛ 정도의 SiO2막을 형성한 후, SiO2막의 표면으로부터 3㎛ 정도의 깊이까지 예를 들면 Ga를 도핑하여, 막 두께 2㎛ 정도의 하부 클래드층(41) 및 막 두께 2㎛ 정도의 코어층(42)을 형성한다. 그 후, 졸겔법 또는 스퍼터법 등에 의해, 코어층(42) 위에 막 두께 2㎛ 정도의 SiO2막을 형성하여, 상부 클래드층(43)을 형성한다. 그리고, 예를 들면 CF4계 가스를 에칭 가스로 하여 상부 클래드층(43), 코어층(42) 및 하부 클래드층(41)을 드라이 에칭하여, 홈(45)을 패턴 형성한다.
광 스위치(20)의 주요 구성부(21)는, 각 입력 채널 I1∼I4에 대응하여 제1 실시예에 따른 광 편향 소자(10)가 각각 배치되어 구성되어 있다.
각 광 편향 소자(10)는, 소자 기판(1) 위에 대향 전극층(2)을 통하여 광 도파로(3)가 설치되고, 이 광 도파로(3) 위에 프리즘 전극(4)과, 광 진행 방향으로 광이 프리즘 전극(4)을 통과한 전방에 설치된 제1 포토닉 결정 구조(5)와, 제1 포토닉 결정 구조(5) 상에서 광 도파로(3)를 개재하여 대향 전극층(2)과 대향하도록 설치된 제어 전극(6)과, 광 진행 방향으로 병행하여 프리즘 전극(4)의 측방에 설치된 제2 포토닉 결정 구조(7)를 구비하여 구성되어 있다.
즉, 광 도파로(3) 위에 각 입력 채널 I1∼I4에 대응하여 각각 프리즘 전극(4), 제1 포토닉 결정 구조(5) 및 제어 전극(6)이 설치되고, 프리즘 전극(4)의 측방, 여기서는 인접하는 프리즘 전극(4) 사이의 영역에 제2 포토닉 결정 구조(7)가 설치되어 있다.
상기한 바와 같이 구성된 주요 구성부(21)는, 도 4의 (b)와 같이 상하면을 반전시켜, 채널 도파로(32)의 홈(45) 내에 도파로(3)와 채널 도파로(32)와의 위치가 정합하도록 감합되고, 프리즘 전극(4) 및 제어 전극(6)이 예를 들면 땜납볼(47)에 의해 소정의 배선층(46)과 각각 접속된다.
이 광 스위치(20)에서는, 2 단계의 광 편향을 행한다. 여기서는, 입력 채널 I2에 광 신호가 입력되는 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 입력 채널 I2를 통과한 입사광 L1이 프리즘 전극(4)에 입사한다. 프리즘 전극(4)에는 대향 전극층(2)과의 사이에서 소정의 전압이 인가되어 있고, 이 전압 인가에 의해 광 도파로(3) 내에 프리즘 형상의 굴절율 변화가 발생하여, 입사 광 L1이 좌우 어느 한쪽에 미소각만큼 편향하여 제1 편향광 L2로 된다. 도시한 예에서는, 좌우 쌍방으로 편향된 신호광 및 직진하는 신호광을 각 제1 편향광 L2로 하여 각각 나타낸다. 이 때, 프리즘 전극(4)의 측방에는 제2 포토닉 결정 구조(7)가 설치되어 있고, 포토닉 밴드 갭으로서는 광의 존재가 허용되지 않기 때문에, 이 포토닉 밴드 갭에 의해 각 입력 채널 I1∼I4마다 신호광의 광로가 구별되어 집광되어, 인접하는 입력 채널 사이의 신호광의 크로스토크가 대폭 저감한다.
프리즘 전극(4)을 통과한 제1 편향광 L2는, 제1 포토닉 결정 구조(5)에 입사한다. 제1 포토닉 결정 구조(5)에는, 제어 전극(6)에 의해 대향 전극층(2)과의 사이에서 소정으로 조절된 전압이 인가되어 있고, 이 전압 조절에 의해, 제1 포토닉 결정 구조(5)의 포토닉 밴드 갭이 변조되고, 프리즘 전극(4)에 의해 미소각만큼 편향한 제1 편향광 L2가 포토닉 결정에 의한 넓은 편향각 범위 내에서 정밀하게 소기의 편향각으로 제어되어, 제2 편향광 L3으로 되어 출사되어, 소기의 출력 채널에 출력된다. 도시한 예에서는, 제1 편향광 L2에 기인하여 좌우 쌍방으로 크게 편향되어 출력 채널 O1, O4에 출력되는 신호광 및 직진하여 O2에 출력되는 신호광을 각 제2 편향광 L3으로서 각각 나타낸다.
또, 본 발명은 이상 설명한 제2 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 광 편향 소자는 광 스위치에의 응용에 한하지 않고, 레이저 프린터, 바코드 판 독기 등에의 응용도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 광 신호를 원하는 넓은 편향각 범위 내에서 정밀하게 고속 제어하는 것을 가능하게 하는 광 편향 소자(10)를 이용하여, 이것을 복수 병렬시킴으로써, 소형으로 고속 스위칭 동작이 가능한 광 스위치(20)가 실현된다.
이하, 본 발명의 여러 양태를 부기로서 정리하여 기재한다.
(부기 1) 전기 광학 재료로 이루어진 광 도파로와,
상기 광 도파로 위에 설치된 제1 광 편향 수단과,
광 진행 방향으로 상기 제1 광 편향 수단을 통과한 전방에 설치되고, 상기 제1 광 편향 수단보다도 편향각 범위가 넓은 제2 광 편향 수단
을 포함하고,
상기 제2 광 편향 수단은, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제1 포토닉 결정 구조와, 상기 제1 포토닉 결정 구조에 인가하는 전압을 조절하여 상기 제1 포토닉 결정 구조에 의한 광의 굴절율을 제어하는 제어 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 편향 소자.
(부기 2) 상기 제1 광 편향 수단은, 프리즘 전극인 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 광 편향 소자.
(부기 3) 상기 제어 전극과 상기 도파로를 개재하여 대향하도록 설치되어 이루어진 대향 전극을 더 포함하고,
상기 프리즘 전극 및 상기 제어 전극은, 각각 상기 대향 전극과의 사이에 전 압을 인가하는 것을 특징으로 하는 부기 2에 기재된 광 편향 소자.
(부기 4) 광 진행 방향으로 병행하여 상기 제1 광 편향 수단의 측방에 설치되어 있고, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제2 포토닉 결정 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 광 편향 소자.
(부기 5) 상기 제2 포토닉 결정 구조는, 상기 제1 포토닉 결정 구조와 주기 구조가 상이한 것을 특징으로 하는 부기 4에 기재된 광 편향 소자.
(부기 6) 상기 제2 포토닉 결정 구조의 적어도 일부는, 강유전체 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 부기 4 또는 5에 기재된 광 편향 소자.
(부기 7) 상기 제2 포토닉 결정 구조의 적어도 일부는, 투명 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 부기 4 내지 6 중 어느 하나에 기재된 광 편향 소자.
(부기 8) 상기 제1 포토닉 결정 구조의 적어도 일부는 강유전체 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 부기 1 내지 7 중 어느 하나에 기재된 광 편향 소자.
(부기 9) 상기 제1 포토닉 결정 구조의 적어도 일부는 투명 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 부기 1 내지 8 중 어느 하나에 기재된 광 편향 소자.
(부기 10) 광 신호가 입력되는 복수의 입력 채널과,
상기 각 입력 채널마다 설치되어 이루어진 복수의 광 편향 소자와,
광 신호가 출력되는 복수의 출력 채널
을 구비하고,
상기 각 광 편향 소자는,
전기 광학 재료로 이루어진 광 도파로와,
상기 광 도파로 위에 설치된 제1 광 편향 수단과,
광 진행 방향으로 상기 제1 광 편향 수단을 통과한 전방에 설치되고, 상기 제1 광 편향 수단보다도 편향각 범위가 넓은 제2 광 편향 수단
을 포함하고,
상기 제2 광 편향 수단은, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제1 포토닉 결정 구조와, 상기 제1 포토닉 결정 구조에 인가하는 전압을 조절하여 상기 제1 포토닉 결정 구조에 의한 광의 굴절율을 제어하는 제어 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
(부기 11) 상기 제1 광 편향 수단은, 프리즘 전극인 것을 특징으로 하는 부기 10에 기재된 광 스위치.
(부기 12) 상기 제어 전극과 상기 도파로를 개재하여 대향하도록 설치되어 이루어진 대향 전극을 더 포함하고,
상기 프리즘 전극 및 상기 제어 전극은, 각각 상기 대향 전극과의 사이에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 부기 11에 기재된 광 스위치.
(부기 13) 광 진행 방향으로 병행하여, 인접하는 상기 제1 광 편향 수단 사이의 영역에 설치되어 있고, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제2 포토닉 결정 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부기 10 내지 12 중 어느 하나에 기재된 광 스위치.
(부기 14) 상기 제2 포토닉 결정 구조는, 상기 제1 포토닉 결정 구조와 주기 구조가 상이한 것을 특징으로 하는 부기 13에 기재된 광 스위치.
(부기 15) 상기 제2 포토닉 결정 구조의 적어도 일부는, 강유전체 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 부기 13 또는 14에 기재된 광 스위치.
(부기 16) 상기 제2 포토닉 결정 구조의 적어도 일부는, 투명 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 부기 13 내지 15 중 어느 하나에 기재된 광 스위치.
(부기 17) 상기 제1 포토닉 결정 구조의 적어도 일부는 강유전체 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 부기 10 내지 16 중 어느 하나에 기재된 광 스위치.
(부기 18) 상기 제1 포토닉 결정 구조의 적어도 일부는 투명 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 부기 10 내지 17 중 어느 하나에 기재된 광 스위치.
본 발명에 따르면, 포토닉 결정을 이용하여 광을 원하는 큰 편향각으로 편향시킴과 함께, 편향각을 넓은 범위 내에서 정밀하게 고속 제어하는 것을 가능하게 하고, 장치 사이즈의 가일층의 축소화·고집적화에 기여하는 광 편향 소자가 실현된다.
본 발명에 따르면, 광 신호를 원하는 넓은 편향각 범위 내에서 정밀하게 고속 제어하는 것을 가능하게 하는 광 편향 소자를 이용하여, 이것을 복수 병렬시킴으로써, 소형으로 고속 스위칭 동작이 가능한 광 스위치가 실현된다.

Claims (10)

  1. 전기 광학 재료로 이루어진 광 도파로와,
    상기 광 도파로 위에 설치된 제1 광 편향 수단과,
    광 진행 방향으로 상기 제1 광 편향 수단을 통과한 전방에 설치되고, 상기 제1 광 편향 수단보다도 편향각 범위가 넓은 제2 광 편향 수단
    을 포함하고,
    상기 제2 광 편향 수단은, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제1 포토닉 결정 구조와, 상기 제1 포토닉 결정 구조에 인가하는 전압을 조절하여 상기 제1 포토닉 결정 구조에 의한 광의 굴절율을 제어하는 제어 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 편향 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 편향 수단은, 프리즘 전극인 것을 특징으로 하는 광 편향 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 전극과 상기 도파로를 개재하여 대향하도록 설치되어 이루어진 대향 전극을 더 포함하고,
    상기 프리즘 전극 및 상기 제어 전극은, 각각 상기 대향 전극과의 사이에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 광 편향 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    광 진행 방향으로 병행하여 상기 제1 광 편향 수단의 측방에 설치되어 있고, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제2 포토닉 결정 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 편향 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 포토닉 결정 구조는, 상기 제1 포토닉 결정 구조와 주기 구조가 상이한 것을 특징으로 하는 광 편향 소자.
  6. 광 신호가 입력되는 복수의 입력 채널과,
    상기 각 입력 채널마다 설치되어 이루어진 복수의 광 편향 소자와,
    광 신호가 출력되는 복수의 출력 채널
    을 구비하고,
    상기 각 광 편향 소자는,
    전기 광학 재료로 이루어진 광 도파로와,
    상기 광 도파로 위에 설치된 제1 광 편향 수단과,
    광 진행 방향으로 상기 제1 광 편향 수단을 통과한 전방에 설치되고, 상기 제1 광 편향 수단보다도 편향각 범위가 넓은 제2 광 편향 수단
    을 포함하고,
    상기 제2 광 편향 수단은, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제1 포토닉 결정 구조와, 상기 제1 포토닉 결정 구조에 인가하는 전압을 조절하여 상기 제1 포토닉 결정 구조에 의한 광의 굴절율을 제어하는 제어 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 광 편향 수단은, 프리즘 전극인 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 전극과 상기 도파로를 개재하여 대향하도록 설치되어 이루어진 대향 전극을 더 포함하고,
    상기 프리즘 전극 및 상기 제어 전극은, 각각 상기 대향 전극과의 사이에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    광 진행 방향으로 병행하여, 인접하는 상기 제1 광 편향 수단 사이의 영역에 설치되어 있고, 굴절율이 상이한 복수 종류의 물질이 주기적으로 배열되어 이루어진 제2 포토닉 결정 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 포토닉 결정 구조는, 상기 제1 포토닉 결정 구조와 주기 구조가 상이한 것을 특징으로 하는 광 스위치.
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