KR100988910B1 - 포토닉스 소자 - Google Patents

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KR100988910B1
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한국전자통신연구원
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Abstract

포토닉스 소자가 제공된다. 이 소자는 분포 브래그 반사체, 그 양측에 각각 배치되는 제 1 도파로들 및 제 2 도파로들, 분포 브래그 반사체 및 제 1 도파로들 사이에 개재되는 제 1 렌즈들, 및 분포 브래그 반사체 및 제 2 도파로들 사이에 개재되는 제 2 렌즈들을 구비한다.

Description

포토닉스 소자{Photonics device}
본 발명은 포토닉스 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다채널 분포 브래그 반사체 필터에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2006-S-004-03, 과제명: 실리콘 기반 초고속 광인터커넥션 IC].
21세기 들어, 광통신의 발달과 함께 컴퓨터의 보드간 통신, 보드 내부의 칩간 통신, 또는 CMOS 칩 내부에서의 통신에도 광통신 기술을 응용하려는 연구가 활발히 진행 되고 있다. 실리콘 반도체 VLSI 칩에 광신호 통신 기술을 적용할 경우, 전기적 신호를 이용한 통신 기술에서의 단점인 저속, 고저항, 고열발생, 및 기생 커패시턴스 등의 문제를 해결할 수 있기 때문에, 광통신 기술에 대한 연구는 반도체 및 정보통신 분야에서 더욱 활발히 연구될 것으로 기대되고 있다.
한편, 광통신 기술을 실리콘 기반 반도체 칩에 응용하기 위해서는, 실리콘 기반의 광스위치, 광변조기, MUX/DEMUX 필터 등과 같은 실리콘 광도파로 소자들이 요구된다. 이때, 상기 광스위치, 광변조기 및 MUX/DEMUX 필터는 링 공진기 또는 AWG를 사용하여 구현될 수 있기 때문에, 링 공진기 또는 AWG 필터에 대한 연구가 현재 활발하게 진행되고 있다.
하지만, 링 공진기 또는 AWG는 제조 공정에서 필수적으로 초래되는 공정 변화에 따른 통계적 error에 대단히 민감하기 때문에, 채널간 파장 간격을 일정하게 유지하기 어렵다. 또한, 이들은 그 굴절률의 변화가 온도에 크게 의존적인 실리콘을 도파로로 사용하기 때문에, 채널의 중심파장이 작은 온도 변화에서도 크게 움직이는 기술적 문제를 갖는다. 이에 더하여, 이들을 구현하기 위한 최소 선폭이 대략 100nm 근방이기 때문에, 링 공진기 또는 AWG는 193nm의 파장을 갖는 ArF 엑시머 레이저를 사용하는 포토리소그래피 공정을 통해서는 안정적인 특성을 갖도록 제작되기 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 다채널 MUX/DEMUX를 구현할 수 있는 포토닉스 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 개선된 채널간 파장 간격 특성을 갖는 포토닉스 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 채널 중심파장의 온도 의존성을 줄일 수 있는 포토닉스 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 ArF 엑시머 레이저를 사용하는 제조 방법을 통해서도 안정된 특성을 갖도록 제조될 수 있는 포토닉스 소자를 제공 하는 데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 다채널 필터로 사용될 수 있는 포토닉스 소자를 제공한다. 이 소자는 분포 브래그 반사체; 상기 분포 브래그 반사체의 일 측에 배치되는 제 1 도파로들; 상기 분포 브래그 반사체의 타 측에 배치되는 제 2 도파로들; 상기 분포 브래그 반사체 및 상기 제 1 도파로들 사이에 개재되는 제 1 렌즈들; 및 상기 분포 브래그 반사체 및 상기 제 2 도파로들 사이에 개재되는 제 2 렌즈들을 구비한다.
일 실시예에 따르면, 상기 분포 브래그 반사체는 세 개의 캐버티(cavity)들을 포함하도록 구성된다. 이 경우, 상기 캐버티의 길이는 λ/2의 정수배일 수 있으며, 이때 λ는 중심채널의 파장(예:1550nm)을 나타낸다. 즉 캐버티의 길이는 L=N(λ/2ncosθ) (N= 1, 2, 3, ..., θ:중심채널의 입사각, n: 캐버티의 굴절율)일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 도파로들은 상기 분포 브래그 반사체로 입사되는 신호광을 가이드하는 방출 도파로 또는 상기 분포 브래그 반사체로부터 방출되는 신호광이 입사되는 수신 도파로 중의 어느 하나로 사용될 수 있다. 이때, 상기 방출 도파로로 사용되는 제 1 도파로들의 단부들이 상기 분포 브래그 반사체와 이루는 각도는 서로 다를 수 있으며, 상기 방출 도파로로 사용되는 제 2 도파로들의 단부들이 상기 분포 브래그 반사체와 이루는 각도는 서로 다를 수 있다. 이러한 각도에서의 차이는 필터링되는 파장에서의 차이를 가져올 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 도파로들을 마주보는 상기 분포 브래그 반사체의 양 측벽들은 실질적으로 편평하고, 상기 측벽들 사이의 거리는 균일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분포 브래그 반사체에 인접하는 상기 제 1 및 제 2 도파로들의 단부들은 점-크기 변환기(Spot size converter)를 구성하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 렌즈들은 상기 제 1 및 제 2 도파로들 중의 어느 하나로부터 방출되어 상기 분포 브래그 반사체로 입사되는 빛을 평행광으로 만들거나 상기 분포 브래그 반사체로부터 방출되는 빛을 상기 제 1 및 제 2 도파로들 중의 어느 하나로 집속시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 포토닉스 소자는 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 상에 배치되어, 상기 제 1 및 제 2 렌즈들, 그리고 상기 분포 브래그 반사체의 모양들을 정의하는 하부 코어 패턴들; 상기 하부 코어 패턴들 상에 배치되어, 상기 제 1 도파로들과 상기 제 2 도파로들 사이의 광학적 도파로를 형성하는 상부 코어층; 및 상기 상부 코어층을 덮는 상부 클래드층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 하부 코어 패턴들은 상기 상부 코어층보다 높은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어, 상기 상부 코어층의 유효 굴절률을 증가시킬 수 있으며, 상기 상부 코어층은 상기 제 1 도파로들과 상기 제 2 도파로들 사이에서 평면도파로(Slab waveguide)를 형성할 수 있다.
알려진 것처럼, 실리콘은 온도 변화에 따른 그 굴절률의 변화가 크기 때문 에, 실리콘 패턴들을 이용하여 필터링을 구현하는 링 공진기 필터 및 AWG의 경우, 그 채널 중심 파장의 온도 의존적 변화율은 대략 6nm/100℃로 크다. 이와 달리, 실리콘 질화막의 경우, 그 굴절률의 온도에 따른 변화율은 실리콘에 비해 5배 이상 작기 때문에, 실리콘 질화막을 도파로로 이용하는 본 발명에 따른 분포 브래그 반사체 필터는 링 공진기 필터 및 AWG에 비해 월등히 감소된 채널 중심 파장의 온도 의존적 변화 특성(대략 1.7nm/100℃)을 갖는다.
본 발명에 따른 분포 브래그 반사체를 구성하는 패턴들의 최소 선폭 또는 최소 간격은 높은 굴절률을 갖는 영역의 길이로서 대략 160nm이기 때문에, 193nm의 파장을 갖는 ArF 엑시머 레이저를 사용하는 포토리소그래피 공정을 통해서도 안정적으로 제어될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 분포 브래그 반사체 필터는, 또다른 필터링 소자인 AWG보다 훨씬 작은, 통상적인 링 공진기 필터와 유사한 유효 면적으로 제작될 수 있다.
이에 더하여, 링 공진기 필터 및 AWG의 경우, 채널간 파장간격이 패턴들의 크기 또는 이들 사이의 간격에 의존적이고, 이러한 크기 및 간격은 제조 공정에서의 변동 오차에 크게 의존적이다. 따라서, 링 공진기 필터 및 AWG의 경우, 채널간 파장간격은 제조 공정에서의 오차에 따른 통계적 에러에 극히 민감하다.
이와 달리, 본 발명에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터의 경우, 각 채널 파장들은 렌즈들 또는 도파로들의 방향에 의해 결정되는 신호광의 입사각에 의존적이다. 포토 마스크로부터의 전사를 통해 정의되는, 렌즈들 또는 도파로들의 방향은 제조 공정에서의 변동 오차에 민감하지 않기 때문에, 본 발명에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터는 제조 공정에서의 오차에 따른 통계적 에러에 상대적으로 둔감하다. 예를 들면, 본 발명에 따른 분포 브래그 반사체 필터를 구성하는 렌즈의 크기가 공정 오차에 의해 변화하는 경우, 그러한 변화는 출력 신호의 세기에서의 변동을 초래할 수 있지만, 채널간 파장 간격에는 실질적으로 영향을 주지 않을 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 분포 브래그 반사체 필터는 채널간 파장 간격에 대한 통계적 에러에서 개선된 특성을 제공할 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 구별 시키기 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터(Multi-Channel Distributed Bragg Reflector (DBR) Filter)를 도시하는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 이 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터는 연결 도파로 구조체(200), 출력 도파로 구조체(210), 이들 사이에 개재된 분포 브래그 반사체(100), 그리고 상기 분포 브래그 반사체(100)와 상기 연결 및 출력 도파로 구조체들(200, 210) 사이에 개재되는 렌즈 구조체들(300, 310)을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 연결 도파로 구조체(200)의 일 측에는 입력 도파로(201) 및 통과 도파로(through waveguide)(220)가 배치될 수 있다.
상기 분포 브래그 반사체(100)는, 교대로 반복된, 높은 굴절률을 갖는 영역들과 낮은 굴절률을 갖는 영역들을 포함하며, 높은 굴절률을 갖는 영역들과 낮은 굴절률을 갖는 영역들의 폭들은 선택되는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있다. 상기 분포 브래그 반사체(100)은 이후 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분포 브래그 반사체(100)는, 도시된 것처럼, 상기 연결 도파로 구조체(200) 및 상기 출력 도파로 구조체(210) 사이에서 균일한 폭(즉, 양 측벽들 사이의 거리)으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 분 포 브래그 반사체(100)의 마주보는 양 측벽들은 전체에 걸쳐 편평할 수 있다.
상기 렌즈 구조체들은 상기 분포 브래그 반사체(100)의 일측 및 타측에 각각 배치되는 제 1 렌즈 구조체(300) 및 제 2 렌즈 구조체(310)를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 렌즈 구조체(300)는 상기 분포 브래그 반사체(100)와 상기 연결 도파로 구조체(200) 사이에 배치되는 복수의 제 1 렌즈들을 포함하고, 상기 제 2 렌즈 구조체(310)는 상기 분포 브래그 반사체(100)와 상기 출력 도파로 구조체(210) 사이에 배치되는 복수의 제 2 렌즈들을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 렌즈들과 관련된 기술적 특징들은 이후 도 2 내지 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
상기 연결 도파로 구조체(200)는 상기 제 1 렌즈들을 광학적으로 연결하도록 구성되는 복수의 연결 도파로들(202, 203, 204, 205, 206, 207, 208)을 포함한다. 상기 연결 도파로들(202~208) 각각의 양단부들은 상기 분포 브래그 반사체(100) 또는 상기 제 1 렌즈들을 향하도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 연결 도파로들(202~208) 각각은 U자 모양일 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 연결 도파로들(202~208)은, 그들의 양 단부들이 서로 다른 각도를 가지면서 상기 분포 브래그 반사체(100)를 향하도록, 서로 다르게 형성될 수 있다. 이와 관련된 기술적 특징들은 이후 도 2 내지 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
상기 출력 도파로 구조체(210)는 복수의 출력 도파로들(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)을 포함하며, 상기 출력 도파로들(211~218)은 상기 제 2 렌즈들로부터 입사되는 신호광들을 다른 광학 소자들(도시하지 않음)로 전송하도록 구성된다. 이후, 도 2를 참조하여 설명될 것처럼, 상기 출력 도파로(211~218)의 상기 제 2 렌즈에 인접하는 일 단부는, 상기 입력 도파로(201) 및 상기 연결 도파로들(202~208) 중의 어느 하나의 일단부에 평행한 방향을 가지면서, 그것의 연장선 상에 배치될 수 있다.
한편, 이 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터는 복수개의 채널 영역들(G1, G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8)로 구분될 수 있다. 상기 채널 영역들(G1~G8) 각각은 한 쌍의 제 1 렌즈들, 한 쌍의 제 2 렌즈들 및 이들 사이에 배치되는 상기 분포 브래그 반사체(100)의 일부분을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 하나의 채널 영역(G1~G8)은 상기 연결 도파로들(202~208) 중의 어느 하나의 일 단부(one end-portion) 그리고 상기 입력 도파로(201) 및 상기 출력 도파로들(211~218)의 일 단부를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 채널 영역들(G1~G8) 각각은 상기 입력광에 포함된 서로 다른 파장 대역의 신호광들을 서로 다른 출력 도파로들(211~218)로 분배하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 채널 영역들(G1~G8)을 구성하는 상기 렌즈들 및 도파로들은 서로 다른 기하학적 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 아래에서는, 도 2를 참조하여, 상기 채널 영역들(G1~G8) 중의 하나의 기하학적 구조를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터를 구성하는 채널 영역들 중의 하나를 도시하는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 제 1 렌즈 구조체(300)는 상기 분포 브래그 반사 체(100)와 상기 입력 및 연결 도파로(201, 202) 사이에 배치되는 한 쌍의 제 1 렌즈들(301, 302)를 포함하고, 상기 제 2 렌즈 구조체(310)는 상기 분포 브래그 반사체(100)와 상기 출력 도파로(211) 사이에 배치되는 한 쌍의 제 2 렌즈들(311, 312)를 포함할 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 제 2 렌즈 구조체(310)는 상기 출력 도파로(211)의 일단부의 연장선 상에 배치되는 하나의 제 2 렌즈(312) 만을 구비할 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 채널 영역(G1~G8)을 통해 상기 출력 도파로로 분배되는 파장(이하, 채널 파장)은 신호광의 상기 분포 브래그 반사체(100)로 입사되는 입사각에 의해 선택될 수 있다. 구체적으로, 상기 분포 브래그 반사체(100)로 수직하게 입사하는 빛이 상기 분포 브래그 반사체(100)를 투과할 수 있는 파장(이하, 기준 파장)이 λo라면, 각도 θ1로 입사되는 빛은 아래의 수학식 1에 의해 주어지는 파장 λ일 때, 상기 분포 브래그 반사체(100)를 투과할 수 있다.
λ∼λo cos θ1
따라서, 빛의 입사각을 조절하면, 파장에 따른 신호광의 선별적 분배가 가능하다. 이를 위해, 상기 제 1 및 제 2 렌즈들(301, 302, 311, 312), 그리고 상기 입력, 연결 및 출력 도파로들(201, 202, 211)의 단부들은, 그들이 제공하는 광경로와 상기 분포 브래그 반사체(100) 사이의 각도가 상기 채널 영역들(G1~G8)마다 달라지도록, 구성된다. 아래 표 1은 1544nm 내지 1558nm의 파장 대역을 여덟 개의 채 널들로 분배하도록 선택된 일 실시예에 따른 각도-파장 관계를 예시적으로 보여준다. 이 실시예에서, 각도-파장 관계는 Transfer matrix를 이용하는 계산을 통해 얻어졌다.
Figure 112008076163353-pat00001
도 1 및 표 1을 참조하면, 이 실시예에서, 1544nm의 파장(λ1)을 갖는 신호광은 채널 1을 구성하는 출력 도파로(211)를 통해 출력되고, 다른 파장들(λ2, ... , λn)의 신호광들은 상기 분포 브래그 반사체(100)로부터 반사된 후 상기 제 1 렌즈(302)를 통해 상기 연결 도파로(202)로 입사된다. 상기 연결 도파로(202)로 입사된 신호광들(λ2, ... , λn)은, 동일한 방식으로 각각의 채널 영역들(G1~G8)을 통해, 선별적으로 해당 출력 도파로들(212~218)을 통해 출력된다. 상기 채널 영역들(G1~G8)이 제공하는 채널 파장들(λ1~λ8)에 포함되지 않는 파장의 빛은 상기 통과 도파로(220)로 입사된 후, 다른 광학 소자에서 처리될 수 있다. 이러한 신호광들의 분배는 역다중화(DEMUX)의 과정에 해당한다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 채널 영역들(G1~G8)이 제공하는 채널 파장들에 상응하는 파장을 갖는 신호광들이 상기 출력 도파로들(211~218)로부터 상기 채널 영역들(G1~G8)로 입사될 수 있다. 이 경우, 복수의 서로 다른 파장의 광 신호들이 혼합될 수 있다. 이러한 광 신호의 혼합 과정은 다중화(MUX)의 과정에 해당한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터를 구성하는 도파로들 및 렌즈들을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터를 구성하는 도파로들의 단부들(end-portions)은 점-크기 변환기(Spot size converter)의 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 도시된 것처럼, 상기 도파로들(201, 211)의 단부들은 상기 분포 브래그 반사체(100)를 향하여 테이퍼진 모양을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 입력 도파로(201)로부터 방출되는 빛은, 도시된 것처럼, 확장되어 상기 입력 도파로(201)의 폭(w1)보다 넓은 폭(w2)을 가질 수 있다.
상기 제 1 렌즈(301)은 상기 점-크기 변환기(Spot size converter)에 의해 그 폭이 확장된 빛을 일정한 폭(w3)을 갖는 평행광으로 변환시키도록 구성된다. 이를 위해, 상기 제 1 렌즈(301)은 2차원 볼록 렌즈일 수 있다.
상기 제 2 렌즈(312)은 상기 제 1 렌즈(301)에 의해 형성된 평행광을 상기 출력 도파로(211)로 집속시키도록 구성된다. 이를 위해, 상기 제 2 렌즈(312)는 상기 제 1 렌즈(301)와 동일하게 2차원 볼록 렌즈일 수 있다. 하지만, 상기 제 1 렌즈(301)와 상기 제 2 렌즈가 동일한 모양을 가질 필요는 없다. 예를 들면, 상기 제 1 렌즈(301)와 상기 입력 도파로(201) 사이의 거리 및 상기 제 2 렌즈(312)와 상기 출력 도파로(211) 사이의 거리가 다를 경우, 이들 사이에는 크기 또는 표면 곡률 등에서 차이가 있을 수 있다. 이러한 차이는 이 분야에 종사하는 통상의 지식을 가진 자라면, 용이하게 변형하여 실시할 수 있음이 자명하다.
아래 표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도파빔, 렌즈 및 도파로의 기하학적 크기들과 관련된 특징들을 예시적으로 보여준다. 이러한 기하학적 치수들은 컴퓨터를 이용한 모델링을 통해 얻어졌다. 하지만, 마찬가지로, 이러한 기하학적 크기들은 상술한 본 발명의 기술적 사상에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다는 점에서, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되지는 않는다.
Figure 112008076163353-pat00002
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터를 설명하기 위한 단면도들이다. 도 4는 도 3의 점선 I-I'을 따라 보여지는 단면을 도시하고, 도 5는 도 3의 점선 II-II'을 따라 보여지는 단면을 도시한다. 즉, 도 4는 렌즈 및 도파로의 일부의 단면을 도시하고, 도 5는 분포 브래그 반사체(100)의 단면을 도시한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 하부 클래드층(10) 상에 상부 코어층(30) 및 상부 클래드층(40)이 차례로 형성된다. 상기 하부 클래드층(10)과 상기 상부 코어층(30) 사이에는, 상기 연결 도파로 구조체(200), 상기 출력 도파로 구조체(210), 상기 입력 도파로(201), 상기 통과 도파로(220), 상기 제 1 렌즈 구조체(300) 및 상기 제 2 렌즈 구조체(310)를 구성하는 하부 코어 패턴들(20)이 배치된다.
상기 상부 코어층(30)은 상기 하부 클래드층(10) 및 상기 상부 클래드층(40)보다 높은 굴절률을 갖는 물질로 형성됨으로써, 평면도파로를 구성한다. 또한, 상기 하부 코어 패턴들(20)은 상술한 것처럼 도파로들 및 렌즈들을 구성하며, 상기 상부 코어층(30)보다 높은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래드층(10), 상기 하부 코어 패턴(20), 상기 상부 코어층(30) 및 상기 상부 클래드층(40)은 각각 실리콘 산화막, 실리콘, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막일 수 있다. 또한, 상기 하부 코어 패턴(20), 상기 상부 코어층(30) 및 상기 상부 클래드층(40)의 두께들(t1, t2, t3)은 각각 대략 2200Å, 4000Å 및 2um일 수 있다.
이 경우, 상기 하부 클래드층(10), 상기 상부 코어층(30) 및 상기 상부 클래드층(40)의 굴절률들은 각각 1.45, 2.0 및 1.45일 수 있다. 상기 하부 코어 패턴(20)의 유효 굴절률은 2.27일 수 있으며, 상기 상부 코어층(30)의 유효 굴절률은 그 두께가 4000Å일 경우 1.65일 수 있다.
이러한 실시예에 따르면, 광신호는 수직하게는 상기 상부 코어층(30)에 의해 가이드된다. 또한 상기 렌즈 또는 도파로의 단부에서, 상기 광신호의 수평적 모양은 상기 하부 코어 패턴들(20)의 모양 및 배치에 따라 변형된다.
도 5를 참조하면, 상기 분포 브래그 반사체(100)는, 교대로 반복된, 높은 굴절률을 갖는 영역들 및 낮은 굴절률을 갖는 영역들을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 코어층(30)은 상기 낮은 굴절률을 갖는 영역들을 구성하고, 상기 하부 코어 패턴들(20)은 상기 높은 굴절률을 갖는 영역들을 구성한다.
상기 높은 굴절률을 갖는 영역의 폭(w4) 및 상기 낮은 굴절률을 갖는 영역의 폭(w5)의 합은 1/4 파장(λ/4)이도록 형성될 수 있다.. 예를 들면, 채널 파장이 1550nm일 경우, 상기 높은 굴절률을 갖는 영역의 폭(w4) 및 상기 낮은 굴절률을 갖는 영역의 폭(w5)는 각각 대략 160nm 및 대략 230nm일 수 있다. 상술한 것처럼, 채널 파장이 1550nm일 경우, 상기 하부 코어 패턴들(20)은 입사광의 입사각이 9.49도를 형성하도록 배치될 수 있다.
한편, 통상적인 링 공진기 필터(Ring resonator filter)의 경우, 광 결합 영역에서, 이를 구성하는 두 도파로들 사이의 간격이 대략 100nm 근방이다. 따라서, 이러한 링 공진기 필터의 도파로 사이의 간격은 193nm의 파장을 갖는 ArF 엑시머 레이저를 사용하는 포토리소그래피 공정을 통해 안정적으로 제어되기 어렵다. 이와 달리, 상술한 것처럼, 본 발명에 따른 분포 브래그 반사체를 구성하는 패턴들의 최소 선폭 또는 최소 간격은 상기 높은 굴절률을 갖는 영역의 길이(w4)(즉, 160nm)이기 때문에, 링 공진기 필터에 비해 안정적으로 제어될 수 있다.
또다른 필터링 소자인 AWG의 경우, 도파로 길이의 차이를 이용하기 때문에, 본 발명이 제안하는 분포 브래그 반사체 필터 또는 통상적인 링 공진기 필터에 비해 훨씬 큰 유효 면적을 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 분포 브래그 반사체 필터는 통상적인 링 공진기 필터와 유사한 유효 면적으로 제작될 수 있으면서, 링 공진기 필터에 비해 안정적인 광학적 특성을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 브래그 반사체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 브래그 반사체는 차례로 그리고 연속적으로 배열되는 복수의 부분 영역들을 포함할 수 있다. 상기 부분 영역들 각각은, 교대로 배열된, 높은 굴절률을 갖는 영역들(H)와 낮은 굴절률을 갖는 영역들(L)을 포함하거나 한 쌍의 낮은 굴절률을 갖는 영역들(L)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분포 브래그 반사체는 차례로 그리고 연속적으로 배열되는 제 1 내지 제 5 부분 영역들(R1-R5)을 포함한다. 도시된 것처럼, 상기 제 1 부분 영역(R1) 및 상기 제 4 부분 영역들(R4)은, 차례로 그리고 교대로 배열된, 높은 굴절률을 갖는 영역들(H)와 낮은 굴절률을 갖는 영역들(L)을 포함하고, 상기 제 2 부분 영역(R2) 및 상기 제 5 부분 영역들(R5)은, 차례로 그리고 교대로 배열된, 낮은 굴절률을 갖는 영역들(L)와 높은 굴절률을 갖는 영역들(H)을 포함하고, 상기 제 3 부분 영역(R3)은 한 쌍의 낮은 굴절률을 갖는 영역들(L)을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 및 제 2 부분 영역들(R1, R2) 사이 및 상기 제 4 및 제 5 부분 영역들(R4, R5) 사이에는 인접하는 한 쌍의 낮은 굴절률을 갖는 영역들(99)이 형성되기 때문에, 한 쌍의 낮은 굴절률을 갖는 영역들(99)은 상기 제 3 부분 영역(R3)을 포함하여 3곳에 형성된다.
상술한 것처럼, 상기 높은 굴절률을 갖는 영역의 폭(w4) 및 상기 낮은 굴절률을 갖는 영역의 폭(w5)의 합은 1/4 파장(λ/4)이기 때문에, 광학적으로 미러의 기능을 제공한다. 이와 달리, 인접하는 낮은 굴절률을 갖는 영역들(99)은 λ/2의 캐버티(cavity)를 구성한다. 즉, 이 실시예에 따른 분포 브래그 반사체는 3개의 캐버티들을 갖도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 분포 브래그 반사체는 하나의 캐버티를 갖거나 두개의 캐버티들을 갖도록 구성될 수 있다. 하지만, 발명자의 시뮬레이션에 따르면, 이러한 실시예들에 따른 분포 브래그 반사체는 3개의 캐버티들을 갖는 실시예에서 얻어지는 도 7에 도시된 양호한 모양(즉, 직사각형)의 스펙트럼을 얻기 어려웠다.
또다른 실시예에 따르면, 분포 브래그 반사체는 4개 이상의 캐버티들을 갖도록 구성될 수도 있다. 하지만, 캐버티의 수가 증가할수록 분포 브래그 반사체를 형성하기 위한 면적이 증가하기 때문에, 3개의 캐버티를 갖는 실시예에 비해 비효율적일 수 있다.
한편, 본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 캐버티 영역의 폭은 nλ/2(이때, n은 2 이상의 자연수)를 만들도록 형성될 수 있다(예를 들면, 1λ 또는 3λ/2). 하지만, 본 발명에 따르면, 상기 채널 영역들(G1~G8) 각각에서, 신호광은 분포 브래그 반사체로 경사지게 입사되기 때문에, 발명자들이 시뮬레이션을 통해 확인한 바에 따르면, 캐버티의 길이가 λ/2 보다 큰 1λ 또는 3λ/2이상 일 경우, 그 스펙트럼은 일그러진 모양을 갖고 그 Ripple이 커지는 문제가 발생할 수 있다. 이때, λ는 중심채널의 파장(예:1550nm)을 나타낸다. 즉 캐버티 영역의 폭은 L=N(λ/2ncosθ) (N= 1, 2, 3, ..., θ:중심채널의 입사각, n: 캐버티의 굴절율)일 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1, 제 2, 제 4 및 제 5 부분 영역들(R1, R2, R4, R5)은 각각, 8쌍, 16쌍, 16쌍 및 8쌍의 높은 굴절률을 갖는 영역(H) 및 낮은 굴절률을 갖는 영역(L)을 포함할 수 있다. 하지만, 이러한 쌍들의 수는 필터의 밴드폭(bandwidth)에 따라 변형될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 파장 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 이 그래프는 도 6을 참조하여 설명된 실시예의 분포 브래그 반사체를 구비하는 필터에서 1550nm의 채널 파장에 대해 얻어진 스펙트럼이며, Transfer Matrix를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻어졌다. 도시된 것처럼, 투과 밴드 폭(Transmission Bandwidth)은 대략 1.6nm이었고, 리플(Ripple)은 대략 0.2dB 미만이었다. 즉, 본 발명에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터가 양호한 필터 스펙트럼 특성을 제공함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 8채널 파장 스펙트럼 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 이 그래프는 도 1을 참조하여 설명된 실시예에 대해 얻어진 결과를 도시하며, Transfer Matrix를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻어졌다. 도 8을 참조하면, 각 채널 영역들(G1~G8)에서의 입사각의 변화에도 불구하고, 본 발명에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터는 여덟 개의 채널들 모두에서 실질적으로 동일한 스펙트럼 특성을 보였다. 따라서, 본 발명에 따른 분포 브래그 반사체 필터는 양호한 특성을 갖는 다채널 다중화/역다중화 필터를 구현하기 위해 사용될 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터는 상술한 것처럼 다중화 및 역다중화 소자로서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 광 스위치 및 광 변조기를 구현하기 위한 수단으로 사용될 수 있다. 이 분야에 종사하는 통상의 지식을 가진 자라면, 상술한 본 발명의 기술적 사상에 기초하여 용이하게 이러한 변형된 실시예를 구현할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터(Multi-Channel Distributed Bragg Reflector (DBR) Filter)를 도시하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터를 구성하는 채널 영역들 중의 하나를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터를 구성하는 도파로들 및 렌즈들을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 분포 브래그 반사체 필터를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 브래그 반사체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 파장 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 8채널 파장 스펙트럼 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.

Claims (10)

  1. 제 1 영역에 배치되는 복수의 제 1 도파로들;
    제 2 영역에 배치되는 복수의 제 2 도파로들; 및
    상기 제 1 및 제 2 영역들 사이에 배치되는 하나의 분포 브래그 반사체를 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 도파로들을 마주보는 상기 분포 브래그 반사체의 양쪽 측벽들 사이의 거리는 일정하고,
    상기 제 1 도파로들은 상기 분포 브래그 반사체의 일 측벽에 대해 서로 다른 경사각을 갖도록 형성되는 포토닉스 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분포 브래그 반사체는 세 개의 캐버티(cavity)들을 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 캐버티의 길이는 아래의 식에 의해 주어지는 길이들 중의 하나인 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자.
    L=N(λ/2ncosθ) (N= 1, 2, 3, ..., θ:중심채널의 입사각, n: 캐버티의 굴절율,λ: 중심채널의 파장)
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 캐버티의 길이는 λ/2ncosθ인 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자
    (θ:중심채널의 입사각, n: 캐버티의 굴절율,λ: 중심채널의 파장).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도파로들은 상기 분포 브래그 반사체로 입사되는 신호광을 가이드하는 방출 도파로 또는 상기 분포 브래그 반사체로부터 방출되는 신호광이 입사되는 수신 도파로 중의 어느 하나로 사용되되,
    상기 방출 도파로로 사용되는 제 1 도파로들의 단부들이 상기 분포 브래그 반사체와 이루는 각도는 서로 다르고,
    상기 방출 도파로로 사용되는 제 2 도파로들의 단부들이 상기 분포 브래그 반사체와 이루는 각도는 서로 다른 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도파로들을 마주보는 상기 분포 브래그 반사체의 양 측벽들은 편평한 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분포 브래그 반사체에 인접하는 상기 제 1 및 제 2 도파로들의 단부들 은 점-크기 변환기(Spot size converter)를 구성하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 분포 브래그 반사체 및 상기 제 1 도파로들 사이에 개재되는 제 1 렌즈들; 및
    상기 분포 브래그 반사체 및 상기 제 2 도파로들 사이에 개재되는 제 2 렌즈들을 더 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 렌즈들은 상기 제 1 및 제 2 도파로들 중의 어느 하나로부터 방출되어 상기 분포 브래그 반사체로 입사되는 빛을 평행광으로 만들거나 상기 분포 브래그 반사체로부터 방출되는 빛을 상기 제 1 및 제 2 도파로들 중의 어느 하나로 집속시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 상에 배치되어, 상기 분포 브래그 반사체와 상기 제 1 및 제 2 도파로들 사이에 개재되는 제 1 및 제 2 렌즈들, 그리고 상기 분포 브래그 반사체의 모양들을 정의하는 하부 코어 패턴들;
    상기 하부 코어 패턴들 상에 배치되어, 상기 제 1 도파로들과 상기 제 2 도파로들 사이의 광학적 도파로를 형성하는 상부 코어층; 및
    상기 상부 코어층을 덮는 상부 클래드층을 포함하되,
    상기 하부 코어 패턴들은 상기 상부 코어층보다 높은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어, 상기 상부 코어층의 유효 굴절률을 증가시키는 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상부 코어층은 상기 제 1 도파로들과 상기 제 2 도파로들 사이에서 평면도파로(Slab waveguide)를 형성하는 것을 특징으로 하는 포토닉스 소자.
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