KR100905658B1 - Nonlinear optical silicon waveguides with refractive index control of polymer cladding and Method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명은 부도체인 실리카 기판; 상기 실리카 기판 위에 형성되고, 펌프광을 입력받는 실리콘 코어; 및 상기 실리콘 코어 주위에 형성되고, 상기 실리콘 코어 내에서 비선형 광학 효과에 의해 생성된 비선형 광신호들과 상기 펌프광의 진행 위상을 일치시키는 굴절률 또는 두께를 갖는 폴리머 크래드를 포함한다. 본 발명에 의하면, 실리카 기판 위에 형성된 실리콘 광도파로 코어 주위에 폴리머 크래드를 형성함으로써, 소자 제작이 용이하고, 폴리머 크래드의 적절한 굴절률 조절을 통해 상대적으로 코어의 크기 선택이 용이하며, 폴리머 크래드의 굴절률과 두께 조절을 통해 색분산 조절이 용이하고, 크래드 물질의 적절한 굴절률 선택을 통해 코어 내 유효 굴절률을 일정하게 할 수 있어 온도 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 펌프광과 비선형 광자 생성 광들과의 위상을 일치화시켜 비선형 광신호 생성 효율을 증가시킬 수 있다.Disclosed are a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of a polymer clad and a method of manufacturing the same. The present invention is a non-conducting silica substrate; A silicon core formed on the silica substrate and receiving pump light; And a polymer clad formed around the silicon core and having a refractive index or thickness that matches the traveling phase of the pump light with nonlinear optical signals generated by a nonlinear optical effect in the silicon core. According to the present invention, by forming a polymer clad around the core of the silicon optical waveguide formed on the silica substrate, it is easy to fabricate the device, relatively easy to select the size of the core through the appropriate refractive index control of the polymer clad, the polymer clad It is easy to control chromatic dispersion by adjusting the refractive index and thickness of the material, and the effective refractive index in the core can be constant by selecting the appropriate refractive index of the clad material, thereby increasing the temperature stability, as well as the pump light and the nonlinear photon generating light. By matching the phases, the efficiency of nonlinear optical signal generation can be increased.
Description
본 발명은 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자에 관한 것으로, 특히, 실리콘 기반의 3차 비선형 광소자에서 펌프광과 비선형 광신호들 간의 위상 일치화를 시켜 비선형 광신호 생성 효율을 증가시키기 위한 실리콘 광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of a polymer clad. In particular, in the silicon-based third-order nonlinear optical device, the phase matching between the pump light and the nonlinear optical signals increases the efficiency of generating the nonlinear optical signal. The present invention relates to a silicon optical device.
근래에 실리콘 광도파로를 이용한 집적형 광소자 구조에 대한 관심이 높아지고 있으며, 실리콘 광도파로 내에서의 비선형 광학 효과를 이용한 광원 소자 및 광기능 소자에 대한 연구가 활발히 진행이 되고 있다. 특히 실리콘 광 도파로 내에서의 라만 산란효과를 이용한 실리콘 광원이나 광자쌍 생성 기술에 대한 연구 결과도 보고되고 있으며 이에 대한 관심도가 커지고 있다.Recently, the interest in the structure of integrated optical devices using silicon optical waveguides is increasing, and researches on light source devices and optical functional devices using nonlinear optical effects in silicon optical waveguides have been actively conducted. In particular, research results on silicon light sources and photon pair generation techniques using Raman scattering effects in silicon optical waveguides have been reported, and interest in them is increasing.
특히, 라만 산란 및/또는 다광자 혼합에 의한 비선형 광자 생성 구조에서는 비선형 광학효과를 극대화하기 위한 위상 동기 조건(phase matching condition) 만족을 위한 구조가 중요시되고 있으며, 이에 대한 연구 결과들이 보고되고 있다.In particular, in the nonlinear photon generation structure by Raman scattering and / or multiphoton mixing, a structure for satisfying a phase matching condition for maximizing nonlinear optical effects has been considered, and research results have been reported.
도 1은 종래의 부도체 실리카 내에 형성된 실리콘 광도파로 소자 구조를 도시한 것이다. 도 1과 같이, 부도체 위에 형성된 실리콘(Silicon-on-insulator; SOI)을 이용한 코어를 가진 광도파로(110)로 구성된 종래 방식의 실리콘 비선형 광학 소자에서는 주변이 산화 실리콘 즉, 실리카(SiO2)로 구성된 크래드(120)의 구조를 하고 있다.1 shows a silicon optical waveguide device structure formed in a conventional non-conducting silica. As shown in FIG. 1, in a conventional silicon nonlinear optical device composed of an
이 구조에서 위상 일치화를 위해 코어(110) 크기를 최적화하는 방식은 다음과 같다. 즉, 이 방식에서는 고정된 코어 굴절률과 크래드 굴절률에 기인하여 단지 코어(110)의 크기 즉, 폭 w와 높이 h만을 조정하여 위상 일치화를 조정한다. 그러나, 이 방식은 코어(110)의 크기 특히, 높이 h의 범위가 제한되는 단점이 있다. 또한, 실리콘 코어(110) 외부에 실리카 부도체(120)를 형성하는 작업은 다소 어려운 공정이며, 코어(110)와 크래드(120) 간의 굴절률 차이가 커서 종래 전송용 광섬유와의 접속에서의 손실이 크다는 단점이 있다. 아울러 파장에 따른 분산 값의 차이에 의한 효율과 더불어 SOI의 실리카는 온도 변화에 따른 굴절률 변화로 말미암아, 진행하는 펌프광이 겪는 유효굴절률 값이 변화할 수 있다는 제한적인 특성을 갖는다.In this structure, a method of optimizing the size of the
이밖에, Jay E. Sharping, Kim Fook Lee, et al., "Generation of correlated photons in nanoscale silicon waveguides," OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 25, 12388(11 December 2006)의 문헌에서는 실리콘 코어와 SiO2로 구성된 크래드 구조에서 코어 크기가 최적화된 상태에서 비선형 광학 효과에 의해 양자 연계된 광자쌍 생성 기술을 소개하고 있으며, Rong, H. et al ., "A continuous-wave Raman silicon laser," Nature 433, 725-728(Feb. 2005) 문헌에서는 실리콘 코어 구조의 광도파로 내에서 라만 산란에 의한 비선형 광학 효과로 유도되는 레이저 발진 기술을 소개하고 있다. 이들 문헌에서는 실리콘 기반의 비선형 광학 효과에 의한 기술을 소개하고 있으나, Jay E. Sharping et al. 논문의 경우, SiO2로 구성된 크래드 구조를 이용하기 때문에 향후 다른 광소자 집적이 용이하지 않고, Rong, H. et al . 논문의 경우 실리콘 광도파로 내에서의 라만 산란 효과를 극대화하기 위해 반도체 PIN 구조를 이용하는 기술을 소개하고 있을 뿐이다.In addition, Jay E. Sharping, Kim Fook Lee, et al ., “Generation of correlated photons in nanoscale silicon waveguides,” OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 25, 12388 (11 December 2006), introduces a technique for generating quantum-linked photon pairs by nonlinear optical effects with optimized core size in a clad structure composed of a silicon core and SiO 2. Rong, H. et al . , "A continuous-wave Raman silicon laser," Nature 433, 725-728 (Feb. 2005), introduces a laser oscillation technique induced by nonlinear optical effects by Raman scattering in an optical waveguide of a silicon core structure. These documents introduce techniques based on silicon-based nonlinear optical effects, but Jay E. Sharping et al . In the paper, it is not easy to integrate other optical devices in the future because it uses a clad structure composed of SiO 2 , and Rong, H. et. al . The paper only introduces a technique using a semiconductor PIN structure to maximize the Raman scattering effect in a silicon optical waveguide.
따라서, 종래에 보고된 실리콘 소자 기반의 비선형 광소자 방식은 기술적으로 구현이 어렵고, 코어와 크래드 간의 굴절률 차이가 커서 코어 크기를 작게 하여야 하는 제약이 있으며, 펌프광과 비선형 광학 효과에 의해 새로 생성된 신호들과의 위상 동기를 맞추기 위해 코어 크기가 제한되고, 작은 코어로 말미암아 종래의 광전송 라인과의 결합에서 손실이 큰 문제점이 있다. Therefore, conventionally reported silicon device-based nonlinear optical device method is difficult to implement technically, there is a constraint that the size of the core is small due to the large difference in refractive index between the core and the clad, and newly generated by the pump light and the nonlinear optical effect The core size is limited to match phase synchronization with the signals, and there is a problem that loss is large in coupling with conventional optical transmission lines due to the small core.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 소자 제작이 용이하고, 상대적으로 코어의 크기 선택이 용이하며, 색분산 조절이 용이하고, 코어 내 유효 굴절률을 일정하게 할 수 있어 온도 안정성을 높일 수 있으며, 비선형 광신호 생성 효율을 증가시킬 수 있는 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자를 제공하는 데 있다.The first technical problem to be achieved by the present invention is easy to fabricate the device, relatively easy to select the size of the core, easy to adjust the chromatic dispersion, constant refractive index in the core can be improved temperature stability, The present invention provides a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of a polymer clad that can increase the efficiency of nonlinear optical signal generation.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기의 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for manufacturing a non-linear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of the polymer clad.
상기의 첫번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 부도체인 실리카 기판; 상기 실리카 기판 위에 형성되고, 펌프광을 입력받는 실리콘 코어; 및 상기 실리콘 코어 주위에 형성되고, 상기 실리콘 코어 내에서 비선형 광학 효과에 의해 생성된 비선형 광신호들과 상기 펌프광의 진행 위상을 일치시키는 굴절률 또는 두께를 갖는 폴리머 크래드를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자를 제공한다.In order to achieve the first technical problem, the present invention is a non-conductive silica substrate; A silicon core formed on the silica substrate and receiving pump light; And a polymer clad formed around the silicon core and having a refractive index or thickness that matches the traveling phase of the pump light with nonlinear optical signals generated by a nonlinear optical effect in the silicon core. Provided is a nonlinear silicon optical waveguide device by adjusting the refractive index of a clad.
상기의 두번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 부도체인 실리카 기판 위에 펌프광을 입력받는 실리콘 코어를 형성하는 단계; 및 상기 실리콘 코어 내에서 비선형 광학 효과에 의해 생성된 비선형 광신호들과 상기 펌프광의 진행 위상 을 일치시키는 굴절률 또는 두께를 갖는 폴리머 크래드를 상기 실리콘 코어 주위에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above second technical problem, the present invention comprises the steps of forming a silicon core receiving the pump light on the non-conductive silica substrate; And forming a polymer clad around the silicon core having a refractive index or thickness that matches the traveling phase of the pump light with the nonlinear optical signals generated by the nonlinear optical effect in the silicon core. Provided is a method of manufacturing a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of a polymer clad.
본 발명에 의하면, 실리카 기판 위에 형성된 실리콘 광도파로 코어 주위에 폴리머 크래드를 형성함으로써, 소자 제작이 용이하고, 폴리머 크래드의 적절한 굴절률 조절을 통해 상대적으로 코어의 크기 선택이 용이하며, 폴리머 크래드의 굴절률과 두께 조절을 통해 색분산 조절이 용이하고, 크래드 물질의 적절한 굴절률 선택을 통해 코어 내 유효 굴절률을 일정하게 할 수 있어 온도 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 펌프광과 비선형 광자 생성 광들과의 위상을 일치화시켜 비선형 광신호 생성 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by forming a polymer clad around the core of the silicon optical waveguide formed on the silica substrate, it is easy to fabricate the device, relatively easy to select the size of the core through the appropriate refractive index control of the polymer clad, the polymer clad It is easy to control chromatic dispersion by adjusting the refractive index and thickness of the material, and the effective refractive index in the core can be constant by selecting the appropriate refractive index of the clad material, thereby increasing the temperature stability, as well as the pump light and the nonlinear photon generating light. By matching the phases, the nonlinear optical signal generation efficiency can be increased.
본 발명에서는 실리콘 기반의 3차 비선형 광소자에서 펌프광과 비선형 광신호들 간의 위상 일치화를 시켜 비선형 광신호 생성 효율을 증가시키기 위한 실리콘 광소자를 제공하며, 실리콘 코어 광도파로 위에 폴리머 크래드를 형성하여 폴리머의 적절한 굴절률 조절을 통해 위상 일치화를 얻는 방법을 제공한다.The present invention provides a silicon optical device for increasing the efficiency of nonlinear optical signal generation by performing phase matching between pump light and nonlinear optical signals in a silicon-based tertiary nonlinear optical device, and forming a polymer clad on a silicon core optical waveguide. Provided are methods for obtaining phase matching through proper refractive index control of the polymer.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, embodiments of the present invention illustrated below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비 선형 실리콘 광도파로 소자의 구조를 도시한 것이다.Figure 2 illustrates the structure of a non-linear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of the polymer cladding according to an embodiment of the present invention.
여기서, 입력 펌프광에 대해 비선형 광학 특성으로 광신호를 생성하는 것을 가정한다.It is assumed here that an optical signal is generated with nonlinear optical characteristics with respect to the input pump light.
이하에서, 굴절률 n1, n2, n3 는 서로 다른 굴절률 값으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자')가 반복 실험 등에 의하여 용이하게 선택할 수 있는 값들을 의미한다.Below, refractive index n 1 , n 2 , n 3 Are different refractive index values, and mean those values that can be easily selected by one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains (hereinafter referred to as a person skilled in the art) by repeated experiments or the like.
실리콘 코어(210)는 굴절률 n2의 부도체 기판 즉, 실리카 기판(220) 위에 형성된다. 실리콘 코어(210)는 굴절률 n1의 실리콘으로 구성된 SOI(Silicon-on-insulator)에서 단일 모드를 가지는 조건의 폭 w와 높이 h를 갖는다.The
폴리머 크래드(230)는 굴절률 n3를 갖고, 실리콘 코어(210) 주위에 형성된다. 여기서, 폴리머 크래드(230)의 굴절률을 조절하여 펌프광에 대해 실리콘 코어(210) 내에서의 비선형광학 효과에 의한 파장 천이 광신호들의 진행 위상 동기와 비선형 광학 효과가 최대로 일어날 수 있는 조건을 만족시킬 수 있다.
즉, 폴리머 크래드(230)의 굴절률 및 두께를 모두 조절하거나, 굴절률 또는 두께 중 어느 하나를 조절하여, 실리콘 코어 광도파로의 크기에 연관되어 코어 내에 진행하는 펌프 광 및 비선형 효과에 의해 생성된 광신호들에 대한 파장 분산 값을 상대적으로 조정한다.That is, by adjusting both the refractive index and the thickness of the
도 2와 같은 구조에 따르면, 상부 크래드 층 즉, 폴리머 크래드(230)에 형성되는 폴리머 재료의 적정한 선택을 통해 실리콘 코어(210)의 크기 조절과 더불어 분산 및 열적 특성의 안정화를 얻을 수 있는 장점이 있다. 폴리머의 굴절률 및 열광학 특성 등의 선택은 소재의 다양한 합성을 통해 얻을 수 있다. 즉, 사용되는 폴리머 재료는 당업자가 용이하게 선택할 수 있는 재료들이다.According to the structure as shown in Figure 2, through the appropriate selection of the polymer material formed on the upper clad layer, that is, the
특히, 종래 SOI 구조의 실리콘 코어(110)와 실리카 크래드(120) 구조에서는 펌프광과 비선형 광학 신호들 간의 진행 위상 일치를 얻기 위해서는 실리콘 코어(110)의 크기가 일정한 값이 조정해야 하는 단점이 있다. 반면에, 본 발명에 따른 실리카 기판(220) 위에 형성된 실리콘 코어(210)와 그 위에 형성되는 폴리머 크래드(230) 구조에서는 폴리머의 굴절률과 두께를 적절히 선택하는 방법으로는 코어의 크기 선택의 범위가 커지고 위상 일치 조건(phase matching condition) 확보가 용이하게 되는 장점이 있다. 이 경우, 실리콘 코어(210)의 크기와 폴리머 크래드(230)의 굴절률 및 두께의 관계는 아래와 같은 이론적인 근거로 결정이 될 수 있다. In particular, in the
광도파로의 코어 내에 진행하는 빛들에 대한 색분산 σ는 진행하는 빛의 파동 벡터 β의 파장에 따른 변화량(dβ/dλ, d2β/dλ2)에 연관되어 있으며, 이는 결국 수학식 1과 같이 유효 굴절률 n eff의 파장에 따른 변화량들에 연관되어 있다. The chromatic dispersion σ for the light propagating in the core of the optical waveguide is related to the change amount (dβ / dλ, d 2 β / dλ 2 ) according to the wavelength of the wave vector β of the traveling light. It is related to the changes with the wavelength of the effective refractive index n eff .
여기서, c는 상수로서, 빛의 속도를 나타낸다. 광도파로를 진행하는 빛의 유 효 굴절률은 종래의 광도파로 이론에 의해 계산되거나 실험적으로 측정될 수 있으며, 아래의 수학식 2와 수학식 3은 각각 수직 편광과 수평 편광의 경우에 대한 유효 굴절률이 어떻게 하부 기판 즉, 실리카 기판(220)의 굴절률 n sub과 상기 크래드(230)의 굴절률 n clad, 상기 크래드(230)의 두께 t clad, 그리고 코어(210)의 굴절률 n core와 두께 t core에 연관되어 있는 정도를 보여주는 해석적인 2차원 분석식이다. 실제의 광도파로 구조에 대한 유효 굴절률 n eff는 종래의 3차원적인 광도파로 수치해석에 의해 정확히 계산하거나, 실험적인 측정을 통해 구할 수 있다.Where c is a constant and represents the speed of light. The effective refractive index of the light traveling through the optical waveguide can be calculated or experimentally measured by conventional optical waveguide theory, and Equations 2 and 3 below show effective refractive indices for vertical polarization and horizontal polarization, respectively. How the lower substrate, that is, the refractive index n sub of the
상기 수학식 2와 수학식 3에서는 코어 광도파로로 사용되는 실리콘 코어(210)의 기본 굴절률 n core에 대해서 유효 굴절률 n eff을 2차원 경우에 대한 계산하 는 경우를 보여 주고 있다. 본 발명에서 제공하는 구조로는 n sub는 아래 기판인 실리카 기판(220)의 굴절률을 나타내고 n clad는 상기 폴리머 크래드(230)의 굴절률을 나타낸다. 그러나 상기 수학식 2와 3의 경우에는 2차원적인 계산식을 나타내므로 실제로 정확한 유효 굴절률은 3차원 방식의 수치해석에 의해 정확히 계산되어 질 수 있으며, 이 경우에도 마찬가지로 코어(210) 내 진행하는 빛의 파장에 대한 유효 굴절률은 코어(210) 및 크래드(230), 실리카 기판(220)의 굴절률과 코어(210) 크기 및 크래드(230) 두께에 연관되어 있다. Equations 2 and 3 illustrate a case of calculating the effective refractive index n eff for the two-dimensional case with respect to the basic refractive index n core of the
종래의 발명에서는 실리콘 코어(110)와 실리카 크래드(120)의 고정된 굴절률에 대해 코어의 크기만으로 비정상 색분산을 얻어 펌프광과 비선형 생성 광신호들 간의 위상 동기 조건을 얻는 반면에, 본 발명에서는 비선형 효과를 극대화하기 위한 실리콘 코어(210) 두께를 결정하고, 상기 폴리머 크래드(230)의 굴절률이나 두께 중 하나를 조절하거나 폴리머 크래드(230)의 굴절률과 두께를 모두 조절하여 비정상 색분산을 얻는 구조로 위상 동기 조건을 얻을 수 있다. In the conventional invention, the phase synchronization condition between the pump light and the nonlinear generated optical signals is obtained by obtaining abnormal chromatic dispersion with only the core size for the fixed refractive index of the
특히, 종래 방식은 온도 변화에 따라 코어 내 유효 굴절률 변화가 초래되어 비선형 광소자 특성의 변화가 있을 수 있으나, 본 발명에 따른 소자 구조에서는 크래드 물질의 적절한 굴절률 선택을 통해 코어 내 유효 굴절률을 일정하게 할 수 있어 온도 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 펌프광과 비선형 광자 생성 광들과의 위상을 맞추기 위한 분산 효과 조절 기능을 갖는다.In particular, the conventional method may cause a change in the characteristics of the non-linear optical device due to the change in the effective refractive index in the core according to the temperature change, but in the device structure according to the present invention constant effective refractive index in the core by selecting the appropriate refractive index of the clad material In addition to increasing the temperature stability, it also has a dispersive effect control function to match the phase of the pump light with the nonlinear photon-generated light.
도 3은 도 2에서 펌프 광과 실리콘 코어 도파로 내에서의 비선형 광학 효과 에 의해 생성된 광신호들과의 위상 일치화가 일어나는 현상을 도시한 것이다.FIG. 3 illustrates a phenomenon in which phase matching between the pump light and optical signals generated by the nonlinear optical effect in the silicon core waveguide occurs in FIG. 2.
도 3에서는 비선형 광도파로에서 펌프광(Pump)과 실리콘 코어 도파로 내에서 비선형 광학 효과에 의해 생성된 광신호들(Signal)과의 위상 일치화가 일어나는 현상을 도식적으로 설명한다. 실리콘 코어 광도파(300)의 경우, 실리콘 코어(210)의 유효 굴절률이 펌프광(Pump)에 대해서는 비정상색분산(abnormal chromatic dispersion)을 가지고, 비선형 생성 광신호들(Signal)에 대해서는 정상색분산(normal chromatic dispersion)을 가질 경우에 상호 위상 일치화가 이루어진다. FIG. 3 schematically illustrates a phenomenon in which phase matching between a pump light and a signal generated by a nonlinear optical effect occurs in a silicon core waveguide in a nonlinear optical waveguide. In the case of the silicon core
한편, 본 발명에 따른 비선형 실리콘 광도파로 소자는 실리콘 코어(210)의 일측에 연결되어, 비선형 광신호들(Signal)을 펌프광(Pump)과 분리하는 광파장 분리 수단(340)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 광파장 분리 수단(340)은 광섬유형 광소자들로 구성될 수 있다. 광파장 분리 수단(340)은 예를 들어, 회절격자, 파장분리형 커플러(wavelength splitting coupler), AWG(Arrayed Waveguide Grating), 광섬유 브래그 격자(Fiber Brag Grating, FBG) 등을 이용할 수 있다.Meanwhile, the nonlinear silicon optical waveguide device according to the present invention may further include an optical wavelength separation means 340 connected to one side of the
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 구조를 도시한 것이다.4 illustrates a structure of a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling a refractive index of a polymer clad according to another embodiment of the present invention.
도 4는 굴절률 n1의 실리콘으로 구성된 코어(410)가 굴절률 n2의 부도체인 실리카(420) 내에 형성되고, 크래드만 굴절률 n3를 가진 폴리머 크래드(430)로 구성된 심어진 스트립 광도파로(embedded strip waveguide) 형태의 비선형 광신호 생성용 실리콘 광도파로 소자 구조를 보여준다.4 shows a planted strip optical waveguide in which a
도 4의 구조를 이용하면, 도 2에서와 마찬가지로 상기 폴리머 크래드(430)의 굴절률을 조절하여 펌프광과 비선형 광신호들 간의 위상 일치화를 시킬 수 있다.Using the structure of FIG. 4, the phase matching between the pump light and the nonlinear optical signals may be performed by adjusting the refractive index of the polymer clad 430 as in FIG. 2.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 구조를 도시한 것이다.5 illustrates the structure of a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of a polymer clad according to another embodiment of the present invention.
굴절률 n1의 실리콘으로 구성된 층이 굴절률 n2를 부도체인 실리카 기판(520) 위에 전체적으로 형성되어 있으며, 코어 부분(510)만 돌출한 구조를 갖는다. 도 5는 실리콘 코어(510)의 상면 및 측면이 굴절률 n3를 가진 폴리머 크래드(530)로 구성된 리브 광도파로(rib waveguide) 형태의 비선형 광신호 생성용 실리콘 광도파로 소자 구조를 보여준다. A layer composed of silicon having a refractive index n 1 is formed entirely on the
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 구조를 도시한 것이다.FIG. 6 illustrates a structure of a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling a refractive index of a polymer clad according to another embodiment of the present invention.
도 6은 굴절률 n1의 실리콘으로 구성된 코어(610)가 굴절률 n2의 부도체(620) 내에 심어져 있는 구조로, 실리콘 코어(610)의 상면 전체와 측면의 일부가 굴절률 n3를 가진 폴리머 크래드로 구성된 구조이다. 6 is a
즉, 실리콘 코어(610)가 실리카 기판(620) 내에 위에 심어져 있는 구조로 상면 및 측면 일부가 폴리머 크래드(630)로 구성된 스트립 광도파로(strip waveguide) 형태의 비선형 광신호 생성용 실리콘 광도파로 소자 구조이다.That is, a silicon optical waveguide for generating a nonlinear optical signal in the form of a strip waveguide in which a top surface and a part of a side are formed of a polymer clad 630 in a structure in which a
도 5와 도 6의 두 경우에는 코어의 유효 굴절률이 상면과 측면에 접촉하는 폴리머의 굴절률 조절에 따라 펌프광과 비선형 광신호들 간의 위상 일치화를 시킬 수 있다. 5 and 6, phase matching between the pump light and the nonlinear optical signals may be performed by controlling the refractive index of the polymer in which the effective refractive index of the core contacts the upper and side surfaces.
한편, 도 2, 도 4 및 도 6의 경우를 비교하면, 도 2의 경우는 실리콘 코어(210)가 폴리머 크래드(230)와 접촉하는 면적이 가장 크고, 도 4의 경우는 실리콘 코어(410)가 폴리머 크래드(430)와 접촉하는 면적이 가장 작으며, 도 6의 경우는 도 2와 도 4의 중간이다. 실리콘 코어가 폴리머 크래드와 접촉하는 면적이 클수록, 폴리머 크래드의 굴절률 변화에 민감하게 반응하게 된다. 즉, 도 2의 경우는 폴리머 크래드(230)의 굴절률 변화가 작더라도, 비선형 광신호들의 위상 변화가 크게 나타나고, 도 4의 경우는 폴리머 크래드(430)의 굴절률 변화가 크더라도, 비선형 광신호들의 위상 변화가 작게 나타난다.2, 4, and 6, in the case of FIG. 2, the
도 7은 본 발명에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 제조방법의 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of the polymer clad according to the present invention.
먼저, 부도체인 실리카 기판(220, 420, 520, 620) 위에 펌프광을 입력받는 실리콘 코어(210, 410, 510, 610)를 형성한다(710 과정). 이때, 부도체인 실리카 기판은 도 1 및 도 5의 경우에는 통상의 평면 기판을 이용하고, 도 4 및 도 6의 경우에는 실리콘 코어의 폭 w와 일치하는 크기의 홈을 갖는 기판을 이용한다.First,
다음, 실리콘 코어(210, 410, 510, 610) 주위에 형성할 적절한 폴리머 크래드(230, 430, 530, 630)를 결정한다(720 과정). 이때, 적절한 폴리머 크래드(230, 430, 530, 630)란 실리콘 코어(210, 410, 510, 610) 내에서 비선형 광학 효과에 의해 생성된 비선형 광신호들과 상기 펌프광의 진행 위상을 일치시키는 굴절률 또는 두께를 갖는 것을 의미한다.Next, an appropriate polymer clad 230, 430, 530, 630 to be formed around the
바람직하게는, 이 과정(720 과정)은 비선형 광신호들과 펌프광의 진행 위상을 일치시키는 굴절률을 갖는 폴리머 재료를 선택하는 과정을 포함할 수 있다. 이때, 굴절률의 계산은 수학식 2 및 수학식 3에 따라 수행될 수 있다.Preferably, this
위 과정(720 과정)에서 결정된 두께 또는 굴절률에 따라 폴리머 크래드(230, 430, 530, 630)를 실리콘 코어(210, 410, 510, 610) 주위에 실제로 형성한다(730 과정).The polymer clads 230, 430, 530, and 630 are actually formed around the
바람직하게는, 이 과정(730 과정)은 폴리머 크래드(230, 430, 530, 630)를 형성하기 위한 스핀 코딩 과정에서의 회전 속도를 결정하거나 스핀 코딩에 적용되는 폴리머 용액의 농도를 결정하는 과정을 포함할 수 있다.Preferably, this process (730) is a process of determining the rotational speed in the spin coding process for forming the polymer clad (230, 430, 530, 630) or the concentration of the polymer solution applied to the spin coding It may include.
마지막으로, 위 과정(730 과정)에서 형성된 폴리머 크래드(230, 430, 530, 630)의 굴절률을 조절하기 위해, 폴리머 크래드(230, 430, 530, 630)에 자외선을 조사하거나 열을 가하는 과정(740 과정)을 포함할 수 있다. 이 과정(740 과정)을 통해 비선형 광신호들과 펌프광의 진행 위상을 정확히 일치시키는 폴리머 크래드(230, 430, 530, 630)의 굴절률을 얻을 수 있다.Finally, in order to control the refractive index of the polymer clads 230, 430, 530, and 630 formed in the above process (730), the polymer clads 230, 430, 530, and 630 are irradiated with ultraviolet rays or heat.
한편, 본 발명에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 제조방법은 생성된 비선형 광신호를 펌프광과 분리하기 위해, 비선형 실리콘 광도파로 소자의 일측에 파장 분리 광학계 즉, 광파장 분리 수단(340)을 연결하는 과정이 추가될 수 있다.On the other hand, the method for manufacturing a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of the polymer clad according to the present invention, in order to separate the generated nonlinear optical signal from the pump light, the wavelength separation optical system, that is, optical wavelength separation on one side of the nonlinear silicon optical waveguide device The process of connecting the
상술한 구조들에서 생성된 비선형 광학 신호들은 위상과 편광 등의 물리적인 특성이 상호 연계된 광신호 쌍으로서 양자 광통신에 활용될 수 있다. 특히, 본 발 명은 향후 양자 광통신 및 양자 컴퓨팅 등에 사용될 수 있는 효율적이고 경제적인 광원을 가능하게 한다.The nonlinear optical signals generated in the above-described structures may be utilized in quantum optical communication as optical signal pairs in which physical characteristics such as phase and polarization are interconnected. In particular, the present invention enables an efficient and economical light source that can be used in quantum optical communication and quantum computing in the future.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary and will be understood by those of ordinary skill in the art that various modifications and variations can be made therefrom. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 종래의 부도체 실리카 내에 형성된 실리콘 코어 광도파로 형태의 비선형 광신호 생성용 실리콘 광도파로 소자 구조를 도시한 것이다.1 illustrates a structure of a silicon optical waveguide device for generating a nonlinear optical signal in the form of a silicon core optical waveguide formed in a conventional non-conductive silica.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 구조를 도시한 것이다.Figure 2 illustrates the structure of a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of the polymer cladding according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2에서 펌프 광과 실리콘 코어 도파로 내에서의 비선형 광학 효과에 의해 생성된 광신호들과의 위상 일치화가 일어나는 현상을 도시한 것이다.FIG. 3 illustrates a phenomenon in which phase matching between the pump light and optical signals generated by the nonlinear optical effect in the silicon core waveguide occurs in FIG. 2.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 구조를 도시한 것이다.Figure 4 shows the structure of a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of the polymer clad according to another embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 구조를 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a structure of a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling a refractive index of a polymer clad according to another embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 구조를 도시한 것이다.FIG. 6 illustrates a structure of a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling a refractive index of a polymer clad according to another embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 폴리머 크래드의 굴절률 조절에 의한 비선형 실리콘 광도파로 소자의 제조방법의 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a nonlinear silicon optical waveguide device by controlling the refractive index of the polymer clad according to the present invention.
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