KR100907251B1 - 다채널 링 공진기 기반 파장분할다중화 광학 소자 - Google Patents

다채널 링 공진기 기반 파장분할다중화 광학 소자 Download PDF

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Abstract

다채널 링 공진기 기반 파장분할다중화 광학 소자를 제공한다. 이 소자는 입력 도파관, 입력 도파관 주위에 배치된 복수개의 링 공진기들, 링 공진기들 각각의 주위에 배치된 출력 도파관들 및 링 공진기들 중의 적어도 하나에 인접하게 형성되어 해당 링 공진기의 표면 일부를 덮는 적어도 하나의 변조 클래드 패턴을 구비한다.

Description

다채널 링 공진기 기반 파장분할다중화 광학 소자{Multi-channel Ring-resonator based wavelength-division-multiplexing optical device}
본 발명은 파장분할다중화 광학 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다채널 링 공진기 기반 파장분할다중화 광학 소자에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2006-S-004-02, 과제명: 실리콘 기반 초고속 광인터커넥션 IC].
광배선(optical interconnection) 기술은 CPU와 같은 반도체 소자의 고속 버스 스피드를 구현하기 위한 방법으로 사용될 수 있다. 이때, 상기 광배선 기술을 통한 신호의 교환을 위해서는, 소정의 파장의 빛을 선택적으로 분리할 수 있는 파장분할다중화 소자(wavelength-division-multiplexing device, WDM device)가 필요하다.
링 공진기(Ring Resonator)는 광학적 공진 현상을 이용하여 소정 파장의 빛을 선택적으로 추출할 수 있기 때문에, 상기 파장분할다중화 소자의 목적을 구현하기 위한 수단으로 사용될 수 있다. 예를 들면, W. Bogaerts 등의 논문("Compact Wavelength-Selective Functions in Silicon-on-Insulator Photonic Wires," IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol.12, no. 6, 2006.)은 소정 파장의 빛을 선택적으로 추출하는 방법을 개시하고 있다.
W. Bogaerts의 논문은, 링 공진기에서의 공진 주파수는 링의 반경에 의해 주로 결정된다는 사실에 기초하여, 도 1에 도시된 것처럼, 다양한 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4)의 빛들을 선택적으로 추출하기 위해 링들(11, 12, 13, 14)의 반경들을 미세하게 조절하는 방법을 개시하고 있다. (즉, r1<r2<r3<r4) 하지만, W. Bogaerts 등의 논문에 따르면, 링들의 반경들 사이의 차이(예를 들면, r2-r1)가 20nm일 때, 해당 링들로부터 추출되는 빛들의 파장 간격(예를 들면, λ2-λ1)은 대략 4nm였다고 한다. 파장분할다중화 광통신에서는 일반적으로 0.8nm 이하의 파장 간격을 구현하는 것이 요구된다는 점에서, 4nm의 파장 간격을 제공하는 기술은 파장분할다중화 광통신을 위해 사용되기는 어렵다.
이에 더하여, 링들은 리소그래피 기술을 사용하여 제작되지만, 리소그래피 공정에서 제어가능한 오차 범위가 현재 또는 당분간은 요구되는 수준을 크게 벗어날 것으로 예상되고 있다. 즉, 링들(11~14)의 반경을 20nm의 간격으로 만드는 것은 현재 구현가능한 기술적 한계에 해당되기 때문에, 이들 간격의 편차를 줄이는 것은 현실적으로 어렵다. 따라서, 링들의 반경을 미세하게 조절하는 방법은, 적어도 당분간은, 요구된 파장 간격을 구현하기 위한 적절하면서 현실적인 방법이 아니다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 조밀한 채널 간격을 갖는 파장분할다중화 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 조밀하면서 균일한 채널 간격을 갖는 파장분할다중화 소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 링 공진기의 표면 일부를 덮는 적어도 하나의 변조 클래드 패턴을 구비하는 파장분할다중화 소자를 제공한다. 구체적으로, 이 소자는 입력 도파관(input waveguide), 상기 입력 도파관 주위에 배치된 복수개의 링 공진기들(ring resonators), 상기 링 공진기들 각각의 주위에 배치된 출력 도파관들(output waveguides) 및 상기 링 공진기들 중의 적어도 하나에 인접하게 형성되어 해당 링 공진기의 표면 일부를 덮는 적어도 하나의 변조 클래드 패턴(clad pattern)을 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 변조 클래드 패턴들은 이에 인접하는 해당 링 공진기와의 접촉 면적에서 서로 다를 수 있다. 또한, 상기 변조 클래드 패턴은 상기 링 공진기보다 낮은 굴절률을 갖는 물질들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 링 공진기는 실리콘으로 형성되고, 상기 변조 클래드 패턴은 상기 실리콘보다 낮은 굴절률을 갖는 무기물들 및 유기물들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 이때, 상기 실리콘보다 낮은 굴절률을 갖는 무기물들은 실리 콘 산화물 및 실리콘 질화물을 포함하고, 상기 실리콘보다 낮은 굴절률을 갖는 유기물들은 피엠엠에이(Poly Methyl Meta Acrylate; PMMA) 계열의 폴리머들, 폴리이미드(polyimide) 계열의 폴리머들, 폴리에테르(polyether) 계열의 폴리머들 및 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 링 공진기들은 동일한 모양, 동일한 물질 및 동일한 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 링 공진기들은 적어도 하나의 링 공진기를 포함하는 적어도 하나의 링 공진기 그룹을 포함하되, 하나의 링 공진기 그룹에 포함되는 링 공진기들은 모양, 물질 및 크기에서 동일하고, 서로 다른 링 공진기 그룹들에 포함되는 링 공진기들은 모양, 물질 및 크기 중의 적어도 하나에서 서로 다를 수 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 다른 클래드 패턴들이 서로 다른 접촉 면적을 가지고 링 공진기들의 표면을 덮는 파장분할다중화 소자를 제공한다. 구체적으로, 이 소자는 입력 도파관, 상기 입력 도파관 주위에 배치된 복수개의 링 공진기들, 상기 링 공진기들 각각의 주위에 배치된 출력 도파관들 및 상기 링 공진기들의 표면을 덮는 상부 클래드층 및 적어도 하나의 변조 클래드 패턴을 포함하는 클래드 구조체를 포함한다. 이때, 상기 링 공진기와 변조 클래드 패턴의 접촉 면적 및 상기 링 공진기와 상기 상부 클래드층의 접촉 면적 사이의 비율은 상기 링 공진기들마다 다를 수 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
본 발명에 따르면, 링 공진기의 원주 일부를 덮는 변조 클래딩 패턴이 제공된다.
이때, 상기 변조 클래딩 패턴은 링 공진기 코어에 비해 훨씬 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성된다. 이 경우, 광 도파 모드(optical guided mode)의 대부분은 상기 링 공진기 코어의 내부에 분포하기 때문에, 상기 변조 클래딩 패턴과 상기 링 공진기 사이의 접촉 면적의 변화는 상기 링 공진기의 공진 주파수의 미세한 변화 만을 가져온다. 따라서, 상기 링 공진기의 공진 주파수가 리소그래피의 공정적 변동(process variation)에 크게 영향을 받는 종래의 기술과 달리, 본 발명은 큰 공정적 부담없이 상기 링 공진기의 공진 주파수를 미세하게 조절하는 것을 가능하게 한다.
이에 더하여, 이처럼 공진 주파수의 미세한 조절이 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 링 공진기는 균일성이 향상된 공진 주파수를 구현할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 파장분할다중화 소자는 조밀하면서 균일한 채널 간격을 가질 수 있다.
용어와 관련하여, 알려진 것처럼, 매질 속에서의 빛의 속도(v), 진공에서의 빛의 속도(c) 및 매질의 굴절률(n) 사이의 관계는 n=c/v로 주어질 수 있고, 매질에서의 빛의 속도(v)는 그 주파수 및 파장의 곱으로 쓰여질 수 있다. 이러한 관계로부터, 소정의 주파수를 특정하기 위해, 상응하는 소정의 파장을 특정하는 표현이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 링 공진기들을 구비하는 파장분할다중화 광학 소자를 도시하는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 파장분할다중화 광학 소자는 적어도 하나 의 입력 도파관(input waveguide)(120) 주위에 배치된 적어도 하나의 링 공진기(111, 112, 113, 114)를 구비한다.
상기 입력 도파관(120)은 이를 둘러싸는 물질과는 다른 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 입력 도파관(120)은 실리콘 산화막에 의해 둘러싸인 실리콘일 수 있다. 이에 따라, 상기 입력 도파관(120)은 다양한 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4)의 빛을 에너지 손실을 최소화하면서 전송할 수 있는 광학적 경로를 제공할 수 있다. 이때, 상기 링 공진기들(111~114)은 상기 입력 도파관(120)으로부터 이격되지만, 알려진 광학적 커플링 현상(optical coupling)에 의해, 소정 파장의 빛은 상기 입력 도파관(120)으로부터 상응하는 공진 파장을 갖는 링 공진기로 입사될 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 링 공진기들(111~114) 중의 적어도 하나에 인접한 적어도 하나의 변조 클래드 패턴(modulating clad pattern)(152, 153, 154)이 배치될 수 있다. 이때, 상기 변조 클래드 패턴들(152~154) 각각은 모양, 물질 및 크기에서 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 변조 클래드 패턴들(152~154)과 그 각각의 하부에 배치된 링 공진기들(111~114)은 서로 다른 접촉 면적을 가질 수 있다. 본 발명에 따르면, 변조 클래드 패턴과 링 공진기 사이의 이러한 접촉 면적의 차이는, 이후 도 6을 참조하여 더 상세하게 설명될 것처럼, 해당 링 공진기의 공진 주파수를 미세하게 변화시키기 때문에, 이들 링 공진기들(111~114)을 통해 추출되는 빛들은 미세하게 구별되는 주파수들을 가질 수 있다.
한편, 도면 번호 111로 도시된 링 공진기의 경우처럼, 링 공진기들 중의 적어도 하나의 주변에는 상기 변조 클래드 패턴이 배치되지 않을 수 있다. 이러한 변조 클래드 패턴의 유무는 상술한 변조 클래드 패턴과 링 공진기 사이의 접촉 면적에서의 차이를 만드는 방법 중의 하나로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 링 공진기들(111~114)는 실질적으로 동일한 모양, 동일한 물질 및 동일한 크기를 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 상술한 것처럼, 모양, 물질 또는 크기에서의 차이를 갖는 상기 변조 클래드 패턴들(152~154)이 없다면, 각각의 링 공진기들(111~114)을 통해 추출되는 빛들은 실질적으로 동일한 주파수를 갖는다. 하지만, 상술한 변조 클래드 패턴들(152~154)에 의해, 본 발명에 따른 링 공진기들(111~114) 각각으로부터 실제로 추출되는 빛의 파장은 다양화될 수 있다.
본 발명에 따른 파장분할다중화 광학 소자가 동일한 구조의 링 공진기들로만 구성될 수 있는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 링 공진기들(111~114) 중의 적어도 하나는 모양, 물질 또는 크기 등에서 차이를 갖도록 형성될 수도 있다. 이러한 변형된 실시예에 대한 보다 상세한 설명은 도 7을 참조하여 다시 설명될 것이다.
상기 링 공진기들(111~114) 각각의 일 측에는, 해당 링 공진기 내부의 빛을 다른 광학 소자로 전달하기 위한, 적어도 하나의 출력 도파관(131, 132, 133, 134)이 배치된다. 이러한 링 공진기로부터 출력 도파관으로의 빛이 전달되는 과정은, 입력 도파관으로부터 링 공진기로의 빛 전달과 동일하게, 광학적 커플링 현상을 통 해 이루어진다. 상기 출력 도파관들(131~134)은 도시된 것처럼 상기 입력 도파관(120)을 가로지르는 방향으로 배치될 수 있다. 이에 더하여, 상기 입력 도파관(120)과 마찬가지로, 상기 출력 도파관들(131~134)은 이를 둘러싸는 물질과는 다른 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 출력 도파관(131~134)은 실리콘 산화막에 의해 둘러싸인 실리콘일 수 있다. 하지만, 상기 입력 도파관(120) 및 상기 출력 도파관들(131~134)의 구조 및 물질은, 이 기술 분야에 종사하는 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 것처럼, 다양하게 변형될 수 있다.
이 실시예에 따른 파장분할다중화 광학 소자의 경우, 상기 링 공진기들(111~114)에서의 선택적 광 추출 과정에 의해, 상기 링 공진기들(111~114) 주변에 배치되는 출력 도파관들(131~134) 각각은 도시된 것처럼 서로 다른 파장들의 빛을 출력한다. 이때, 출력되는 빛의 파장은 주로 상기 링 공진기(111~114)의 물리적 구조에 의해 결정되지만, 출력 파장들 사이의 미세한 차이는 상술한 변조 클래드 패턴들(152~154)의 모양, 물질 및/또는 크기에서의 차이를 통해 얻어진다. 아래에서는, 도 3을 참조하여, 상기 변조 클래드 패턴들에서의 차이를 구현하는 방법 중의 한가지를 예시적으로 설명할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 링 공진기를 설명하기 위한 평면도이고, 도 4 및 도 5는 도 3의 점선 I-I' 및 II-II'을 따라 보여지는 링 공진기의 단면을 도시하는 단면도들이다.
도 3 및 도 4을 참조하면, 기판(100) 상에는 하부 클래드층(105)이 형성되고, 상기 하부 클래드층(105) 상에는 입력 도파관(120) 및 출력 도파관(130)이 배 치된다. 상기 입력 도파관(120) 및 출력 도파관(130) 주위에는 이들로부터 이격된 링 공진기(110)가 배치되고, 상기 링 공진기(110)의 상부에는 그것의 소정영역을 덮는 변조 클래드 패턴(150)이 배치된다. 이때, 상기 입력 도파관(120) 및 출력 도파관(130)은 서로 교차하는 방향 또는 서로 평행한 방향으로 배치될 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 링 공진기(110)는 r의 반경을 갖는 원 모양의 구조체일 수 있으며, 상기 입력 도파관(120) 및 출력 도파관(130)과 동일한 평면 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 링 공진기(110)는 상기 입력 도파관(120) 및 출력 도파관(130)과 동일한 물질(예를 들면, 실리콘)로 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상기 링 공진기(110)의 모양은 타원 또는 주로(racetrack) 등과 같이 다양하게 변형될 수 있으며, 상기 입력 도파관(120) 및 출력 도파관(130)과 다른 평면 상에 배치될 수 있다. 상기 링 공진기(110)가 상기 입력 및 출력 도파관(120, 130)과 다른 평면에 배치되는 경우, 상기 링 공진기(110)와 상기 입력 및 출력 도파관들(120, 130) 사이에는 중첩(overlap)되는 영역이 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 변조 클래드 패턴(150)은 상기 링 공진기(110)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 링 공진기(110)는 실리콘으로 형성될 수 있고, 상기 변조 클래드 패턴(150)은 이보다 낮은 굴절률을 갖는, 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 산화질화물(SiON) 등의 무기물들 및 피엠엠에이(Poly Methyl Meta Acrylate; PMMA) 계열의 폴리머들, 폴리이미드(polyimide) 계열의 폴리머들, 폴리에테르(polyether) 계열의 폴리머들 및 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머들 등의 유기물들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 이때, 상기 변조 클래드 패턴(150)은 상기 링 공진기(110)의 표면의 일부분을 덮도록 형성된다. 예를 들면, 상기 변조 클래드 패턴(150)은 도시된 것처럼 소정의 원주각(the angle at the circumference)(θ)의 범위에 해당하는 링 공진기의 표면을 덮도록 형성된다.
이에 더하여, 상기 기판(100) 상에는, 상기 변조 클래드 패턴(150) 및 상기 변조 클래드 패턴(150)에 의해 덮이지 않은 상기 링 공진기(110)의 표면을 덮는 상부 클래드층(106)이 형성될 수 있다. 결과적으로, 이 경우, 상기 링 공진기(110)의 상부면 및 측벽의 일부는 상기 변조 클래드 패턴(150)에 의해 덮이고, 그 나머지 표면은 상기 상부 클래드층(106)에 의해 덮인다.
한편, 상기 하부 클래드층(105) 및 상기 상부 클래드층(106)은 상기 링 공진기(110)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래드층(105)은 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화물 등 중의 적어도 한가지일 수 있고, 상기 상부 클래드층(106)은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 등의 무기물들 및 피엠엠에이(Poly Methyl Meta Acrylate; PMMA) 계열의 폴리머들, 폴리이미드(polyimide) 계열의 폴리머들, 폴리에테르(polyether) 계열의 폴리머들 및 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머들 등의 유기물들 중의 적어도 한가지일 수 있다. 하지만, 상기 하부 클래드층(105) 및 상기 상부 클래드층(106)은 상기 변조 클래드 패턴(150)과 다른 굴절률을 갖는 물질들로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 것처럼, 상기 변조 클래드 패턴(150) 상에는, 상기 링 공진기(110)의 공진 파장을 더욱 미세하게 조절을 위한, 적어도 하나의 상부 변조 클래드 패턴(155)이 더 배치될 수 있다. 상기 상부 변조 클래드 패턴(155)은 상기 변조 클래드 패턴(150)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 상기 상부 변조 클래드 패턴(155)은 상기 링 공진기(110)보다 낮은 굴절률을 갖는, 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 산화질화물(SiON) 등의 무기물들 및 피엠엠에이(Poly Methyl Meta Acrylate; PMMA) 계열의 폴리머들, 폴리이미드(polyimide) 계열의 폴리머들, 폴리에테르(polyether) 계열의 폴리머들 및 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머들 등의 유기물들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다.
한편, 상기 상부 변조 클래드 패턴(155)이 형성되는 영역은 상기 변조 클래드 패턴(150)이 형성되는 영역을 포함하되, 이로부터 연장되어 상기 링 공진기(110)의 표면을 덮을 수도 있다. 이 경우, 상기 링 공진기(110)는 상기 상부 클래드층(106), 상기 변조 클래드 패턴(150) 및 상기 상부 변조 클래드 패턴(155)에 의해 덮일 수 있다. 또한, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 별도의 상부 변조 클래드 패턴없이, 상기 상부 클래드층(106)이 상기 상부 변조 클래드 패턴(155)으로 사용될 수도 있다.
도 6은 변조 클래드 패턴(들)가 링 공진기를 덮는 영역의 각도 변화에 따른 해당 링 공진기의 공진 파장에서의 변화를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이 다. 이 시뮬레이션에서, 상기 링 공진기(110), 변조 클래드 패턴(150), 상부 클래드층(106) 및 하부 클래드층(105)의 굴절률들은 각각 3.45, 1.49, 1.45 및 1.446인 것으로 가정되었다. 또한, 상기 링 공진기(110)의 반경은 6um인 것으로 가정되었다.
이러한 조건 아래에서, 먼저, 상기 변조 클래드 패턴(150)이 있는 경우와 그렇지 않은 경우 사이의 유효 굴절률들이 계산되었다. 횡전기장(Transverse Electric; TE) 모드의 유효 굴절률은 상기 링 공진기(110)가 상기 변조 클래드 패턴(150)없이 상기 상부 클래드층(106)에 의해서만 덮이는 경우에는 2.450113였고, 상기 링 공진기(110)가 상기 변조 클래드 패턴(150) 및 상기 상부 클래드층(106) 모두에 의해 덮이는 경우에는 2.456735였다. 즉, 두 유효 굴절률들 사이의 차이(ΔNeff)는 0.006622였다.
한편, 다양한 면적을 가질 수 있는 실제의 변조 클래드 패턴(150)에 의한 유효 굴절률의 변화는 상기 링 공진기(110)의 원주(circumference)에서 상기 변조 클래드 패턴(150)이 차지하는 길이의 비율(즉, θ/360)과 상기 유효 굴절률들 사이의 차이(ΔNeff)의 곱으로 주어질 수 있다. 따라서, 상기 변조 클래드 패턴(150)에 의한 공진 파장의 변화는 아래의 식과 같이 쓰여질 수 있다.
Δλ= θ/360×ΔNeff×λ
도 6은 위 식을 이용하여 상기 변조 클래드 패턴(150)이 차지하는 원주각(θ)에 따른 링 공진기의 공진 파장의 상대적 변화를 플로팅(plotting)한 결과이다.
도 6을 참조하면, 상기 변조 클래드 패턴(150)의 원주각(θ)에 따른 상기 링 공진기(110)의 공진 파장의 변화율은 대략 0.057nm/degree였다. 따라서, 상기 변조 클래드 패턴들(152~154)이 대략 14도의 원주각 차이를 갖도록 형성될 경우, 파장분할다중화 광통신에서 요구되는 0.8nm 이하의 파장 간격을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 상술한 것처럼, 상기 링 공진기(110)(즉, 코어 core)가 주위의 물질들보다 상대적으로 훨씬 높은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 경우, 광 도파 모드(optical guided mode)의 대부분은 상기 실리콘 코어의 내부에 분포하고, 그것의 극히 일부 만이 주변의 클래딩 영역 내에 분포하게 된다. 따라서, 상기 링 공진기(110)에서의 광학적 특성은 도 6을 통해 알 수 있는 것처럼 상기 클래딩 영역에서의 변화에 둔감하다. 즉, 상기 링 공진기(110)의 공진 파장은 상기 변조 클래드 패턴(150)의 제조 공정에서의 공정적 변동(variation)에 크게 영향을 받지 않는다. 이에 따라, 큰 공정적 부담없이, 상기 링 공진기(110)의 공진 주파수는 미세하면서 균일하게 조절할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 파장분할다중화 소자는 조밀하면서 균일한 채널 간격을 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 링 공진기들을 구비하는 파장분할다중화 광학 소자를 도시하는 평면도이다. 서로 다른 구조를 갖는 링 공진기들을 포함하는 점을 제외하면, 이 실시예에 따른 파장분할다중화 광학 소자는 앞서 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된 실시예의 그것들과 유사하다. 따라서, 설명의 간결함을 위해, 중복되는 내용들은 아래의 설명에서 생략한다.
도 7을 참조하면, 이 실시예에 따른 파장분할다중화 광학 소자는 적어도 하나의 링 공진기 그룹(예를 들면, 도시된 것처럼, 제 1 링 공진기 그룹(G1) 및 제 2 링 공진기 그룹(G2))을 포함한다. 상기 공진기 그룹들 각각은 모양, 물질 및 크기에서 실질적으로 동일한 적어도 하나의 링 공진기를 구비하되, 서로 다른 링 공진기 그룹들에 속하는 링 공진기들은 모양, 물질 및 크기 중의 적어도 하나에서 차이를 갖는다.
예를 들면, 상기 제 1 링 공진기 그룹(G1)의 링 공진기들(111~113)은 모두 실질적으로 동일한 구조를 갖고, 상기 제 2 링 공진기 그룹(G2)의 링 공진기들(211~213) 역시 모두 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 하지만, 상기 제 1 링 공진기 그룹(G1)의 링 공진기들(111~113)의 링 반경(r1)은 상기 제 2 링 공진기 그룹(G2)의 링 공진기들(211~213)의 링 반경(r2)과 다를 수 있다.
한편, 소정의 링 공진기 그룹은, 앞선 실시예에서 설명한 것처럼, 서로 다른 원주각(또는 접촉 면적)을 가지고 해당 링 공진기를 덮는 변조 클래딩 패턴들(152, 153, 252, 253)을 구비할 수 있다. 예를 들면, 도시된 것처럼, 상기 제 1 링 공진기 그룹(G1)에 속하는 두개의 링 공진기들(112, 113)은 서로 다른 면적을 갖는 변조 클래딩 패턴들(152, 153)에 의해 덮일 수 있다.
이 실시예에 따르면, 각 그룹들의 링 반경에서의 차이는 각 그룹에 속하는 링 공진기들의 공진 주파수의 주요한 차이를 만들 수 있으며, 각 그룹들의 변조 클래딩 패턴들(152/153 또는 252/253)의 구조적 차이는 각 그룹에 속하는 링 공진기 들의 공진 주파수의 미세한 차이를 만들 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 링 공진기들을 구비하는 파장분할다중화 광학 소자를 도시하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 링 공진기들을 구비하는 파장분할다중화 광학 소자를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 링 공진기를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 링 공진기를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명에 따른 링 공진기의 광학적 특성을 보여주는 시뮬레이션 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 링 공진기들을 구비하는 파장분할다중화 광학 소자를 도시하는 평면도이다.

Claims (7)

  1. 입력 도파관(input waveguide);
    상기 입력 도파관 주위에 배치된 복수개의 링 공진기들(ring resonators);
    상기 링 공진기들 각각의 주위에 배치된 출력 도파관들(output waveguides); 및
    상기 링 공진기들 중의 적어도 하나에 인접하게 형성되어, 해당 링 공진기의 표면 일부를 덮는 적어도 하나의 변조 클래드 패턴(clad pattern)을 구비하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 클래드 패턴들은 이에 인접하는 해당 링 공진기와의 접촉 면적에서 서로 다른 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 클래드 패턴은 상기 링 공진기보다 낮은 굴절률을 갖는 물질들 중의 적어도 한가지로 형성되는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공진기는 실리콘으로 형성되고,
    상기 변조 클래드 패턴은 상기 실리콘보다 낮은 굴절률을 갖는 무기물들 및 유기물들 중의 적어도 한가지로 형성되되,
    상기 실리콘보다 낮은 굴절률을 갖는 무기물들은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물을 포함하고,
    상기 실리콘보다 낮은 굴절률을 갖는 유기물들은 피엠엠에이(Poly Methyl Meta Acrylate; PMMA) 계열의 폴리머들, 폴리이미드(polyimide) 계열의 폴리머들, 폴리에테르(polyether) 계열의 폴리머들 및 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머들 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공진기들은 동일한 모양, 동일한 물질 및 동일한 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공진기들은 적어도 하나의 링 공진기를 포함하는 적어도 하나의 링 공진기 그룹을 포함하되,
    하나의 링 공진기 그룹에 포함되는 링 공진기들은 모양, 물질 및 크기에서 동일하고,
    서로 다른 링 공진기 그룹들에 포함되는 링 공진기들은 모양, 물질 및 크기 중의 적어도 하나에서 서로 다른 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  7. 입력 도파관;
    상기 입력 도파관 주위에 배치된 복수개의 링 공진기들;
    상기 링 공진기들 각각의 주위에 배치된 출력 도파관들; 및
    상기 링 공진기들의 표면을 덮는 상부 클래드층 및 적어도 하나의 변조 클래드 패턴을 포함하는 클래드 구조체를 포함하되,
    상기 링 공진기와 변조 클래드 패턴의 접촉 면적 및 상기 링 공진기와 상기 상부 클래드층의 접촉 면적 사이의 비율은 상기 링 공진기들마다 다른 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
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