KR101006959B1 - Optical waveguide grating coupler with non-uniform duty ratio - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일/하이브리드 전광 집적 회로를 이용한 정보 통신 시스템을 구현하기 위해 필수적으로 사용되는 광 연결 장치인 광 도파로 격자 결합기에 관한 것이다. 절연체상의 실리콘(Silicon on Insulator)의 실리콘층에 듀티율(duty ratio)이 균일하지 않은 격자 영역을 형성시켜, 기존의 광 도파로 수직 광 결합 장치의 결합 효율을 떨어뜨리는 요인중의 하나인 격자 영역으로 진행하는 광이 유효 굴절률의 차이로 인해 격자 영역으로부터 발생하는 반사율을 획기적으로 작게 할 수 있다. 또한, 격자 영역으로부터 덮개 영역으로 회절되는 출력광의 외형(diffracted output beam profile)을 조절할 수 있고, 집광 효과를 얻을 수 있어 모드 크기로 인해 발생하는 광 결합 손실을 최소화 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 집적화가 용이하고, 저가 대량 생산등의 장점을 가지고 있어 실리콘 기반 전광 집적회로와 이들이 탑재될 수 있는 O-PCB(Optical Printed Circuit Board)등에 이용되어 광 신호 전달 및 검출을 용이하게 할 수 있다. The present invention relates to an optical waveguide grating coupler, which is an optical connection device which is essentially used for implementing an information communication system using a single / hybrid all-optical integrated circuit. A lattice region with a non-uniform duty ratio is formed in a silicon layer of a silicon on insulator, thereby proceeding to a lattice region, which is one of the factors that reduce the coupling efficiency of a conventional optical waveguide vertical optical coupling device. It is possible to significantly reduce the reflectance generated from the grating region due to the difference in the effective refractive index. In addition, the appearance of the output light (diffracted output beam profile) is diffracted from the grating region to the cover region, it is possible to obtain a light collecting effect is characterized in that the light coupling loss caused by the mode size is minimized. The present invention is easy to integrate, has the advantages of low-cost mass production, and can be used in silicon-based all-optical integrated circuits and O-PCB (Optical Printed Circuit Board) on which they can be mounted to facilitate optical signal transmission and detection. have.

광 도파로, 전광 집적회로, 회절광, 광 도파로 격자 결합기 Optical waveguide, all-optical integrated circuit, diffraction light, optical waveguide grating combiner

Description

비균일 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기{OPTICAL WAVEGUIDE GRATING COUPLER WITH NON-UNIFORM DUTY RATIO}Optical waveguide grating coupler with non-uniform duty ratio {OPTICAL WAVEGUIDE GRATING COUPLER WITH NON-UNIFORM DUTY RATIO}

본 발명은 단일/하이브리드 전광 집적 회로(monolithic/htbrid electro-optic integrated circuit)를 이용한 정보 통신 시스템을 구현하기 위해 필수적으로 사용되는 광 연결(Optical interconnection) 장치인 광 도파로 격자 결합기에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide grating coupler, an optical interconnection device, which is essentially used for implementing an information communication system using a monolithic / htbrid electro-optic integrated circuit.

21세기에 급격한 정보 통신 기술의 발전은 기존의 전자 정보 시스템이 가지고 있는 정보 통신의 한계점을 표출해 내고 있다. 정보 통신 기술의 발전에 따른 정보 전송 속도의 증가는 미래의 정보 통신 시스템에서 필요로 하는 초고속, 초고밀도, 대용량화를 충족 시킬 수 있는 기술을 필요로 하고 있으며, 이를 해결할 수 있는 강력한 대안 기술들 중의 하나로 광 연결(optical interconnection) 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다. 광 연결 기술은 대용량 고속 전송에서 기존의 전자 정보 시스템들의 근원적인 물리적 한계로 인식되고 있는 전기 선로간의 전자파 간섭, 누화(crosstalk) 특성들을 극복할 수 있는 기술적 돌파구를 제시할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 최근에, 고효율 저비용의 대량생산이 가능한 장점을 가지고 있는 실리콘에 기반한 전광 혼성 시스템(electro-optical hybrid system)과 전기 인쇄 회로 기판(electrical printed circuit board)의 한계를 넘어설 O-PCB(Optical Printed Circuit Board)등을 상용화하기 위한 광 연결 기술의 개발이 강력히 요구되고 있다. The rapid development of information and communication technology in the 21st century expresses the limitations of the information communication of the existing electronic information system. Increasing information transmission speed due to the development of information and communication technology requires a technology that can meet the ultra-high speed, ultra-high density, and large-capacity required for future information and communication system, and is one of the powerful alternative technologies to solve this problem. Research into optical interconnection technology is being conducted. Optical connection technology is expected to provide technical breakthroughs that can overcome electromagnetic interference and crosstalk characteristics between electric lines, which are recognized as the fundamental physical limitations of existing electronic information systems in high-capacity high-speed transmission. Recently, O-PCB (Optical Printed Circuit) goes beyond the limits of silicon-based electro-optical hybrid systems and electrical printed circuit boards, which have the advantage of enabling high-efficiency, low-cost mass production. Development of optical connection technology for commercializing boards is strongly required.

이러한 광 연결을 위해, 단일/하이브리드 전광 집적 회로(monolithic/hybrid electro-optic integrated circuit)를 이용한 정보 통신 시스템을 구현하기 위해 서는 광신호가 전달되는 광 도파로와 광 파이버간의 고집적, 고효율의 광신호 입/출력기가 필수적이며, 주된 연구 내용은 1)광 도파로와 광 파이버의 물리적 크기의 차이로 인해 발생하는 진행 광의 모드 크기 불일치로 인한 결합 손실, 2)광 도파로와 광 파이버의 굴절율 차이가 만들어 내는 반사로 인한 결합 손실 등의 최소화이다. For this optical connection, in order to implement an information communication system using a monolithic / hybrid electro-optic integrated circuit, a highly integrated, high efficiency optical signal input / output between an optical waveguide and an optical fiber to which optical signals are transmitted is provided. The output is essential, and the main researches are 1) coupling loss due to the mode size mismatch of the traveling light caused by the difference in the physical size of the optical waveguide and the optical fiber, and 2) the reflection path created by the difference in refractive index between the optical waveguide and the optical fiber. Minimization of the coupling loss.

이를 구현하기 위한 방법으로 모드 크기 변환기 (mode size converter), 격자 결합기(grating coupler) 구조등이 적용되었고, 입/출력 광 연결 장치로서의 격자 결합기는 광원에서(laser diode)에서 방출되어 광 도파로를 따라 진행하는 광신호를 파이버(optical fiber)또는 광 검출기로의 수직 광 결합을 가능하게 할 수 있어 고도의 집적화에 용이하나, 고효율 광 결합과 엄격한 정렬 허용 오차의 문제점을 가지고 있다.A mode size converter, a grating coupler structure, and the like have been applied as a method for implementing the same. A grating coupler as an input / output optical coupling device is emitted from a laser diode and follows an optical waveguide. Advancing optical signals can be enabled for vertical optical coupling to optical fibers or optical detectors for easy integration, but have high efficiency optical coupling and strict alignment tolerances.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전광 혼성 시스템의 광신호 전달을 위한 수직 광 결합을 구현하기 위하여 비균일 듀티율을 갖는 집광 광도파로 격자 결합기를 이용하여, 집적화, 저비용 대량 생산의 장점을 갖는 광 결합기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, by using a light converging waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio to implement vertical optical coupling for optical signal transmission of an all-optical hybrid system, integration, low cost It is an object to provide an optical coupler having the advantages of mass production.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 특징에 따른 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기는 실리콘 기판, 상기 기판의 상부면에 증착되는 버퍼층, 상기 버퍼층 상부에 형성되며, 광신호가 진행하는 코어층 및 상기 코어층의 상부에 형성되는 다수의 격자로 이루어지되, 상기 다수의 격자는 광신호가 진행하는 광축을 따라 주기적으로 형성되어 상기 코어층에서 진행하는 광신호를 외부장치에 수직으로 결합시키는 격자 층을 포함한다.The optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio according to the first aspect of the present invention for solving the above problems is formed on the silicon substrate, the buffer layer deposited on the upper surface of the substrate, the buffer layer is formed, Comprising a core layer and a plurality of gratings formed on top of the core layer, the plurality of gratings are formed periodically along the optical axis through which the optical signal travels to vertically couple the optical signal traveling in the core layer to an external device. Lattice layer.

여기서, 상기 격자 층에 포함된 격자의 격자 폭-대-피치(pitch) 비율이 서로 다른 것을 특징으로 한다.Here, the lattice width-to-pitch ratio of the lattice included in the lattice layer is different.

여기서, 상기 격자 폭-대-피치 비율(듀티율)은 광축으로 진행함에 따라 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 피치-대-격자 폭 비율은 일정한 비율로 감소한다.Here, the lattice width-to-pitch ratio (duty ratio) is gradually reduced as it progresses to the optical axis. Here, the pitch-to-lattice width ratio decreases at a constant rate.

상기 코어층과 격자 층은 실리콘으로 형성되며, 상기 버퍼층은 이산화규소로 형성된다.The core layer and the lattice layer are formed of silicon, and the buffer layer is formed of silicon dioxide.

또한, 상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 2 특징에 따른 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기는실리콘 기판, 상기 기판의 상부면에 증착되는 버퍼층, 상기 버퍼층 상부에 형성되며, 광신호가 진행하는 코어층 및 상기 코어층의 상부에서 광의 진행방향을 따라 주기적으로 반복 형성되는 다수의 격자로 이루어지되, 상기 격자의 격자 폭-대-피치(pitch) 비율이 가우시안 곡선 형태로 감소되는 것을 특징으로 한다.In addition, an optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio according to a second aspect of the present invention for solving the above problems is formed on a silicon substrate, a buffer layer deposited on the upper surface of the substrate, the buffer layer, an optical signal Comprising a progressing core layer and a plurality of gratings periodically formed along the direction of light on the core layer, characterized in that the grating width-to-pitch ratio of the grating is reduced in the form of Gaussian curve It is done.

여기서, 상기 격자는 상기 코어층에서 진행하는 광신호를 격자표면의 수직 방향에 대하여 기 설정된 범위의 결합각으로 회절시키는 것을 특징으로 하는 비균일한 듀티율을 갖는다.Here, the grating has a non-uniform duty ratio, characterized in that the optical signal from the core layer is diffracted at a coupling angle in a predetermined range with respect to the vertical direction of the grating surface.

상기 격자는 상기 광신호가 격자표면의 수직 방향에 대하여 -1 회절 차수를 갖도록 회절시킨다.The grating diffracts the optical signal to have a -1 diffraction order with respect to the vertical direction of the grating surface.

상기 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기는 상기 격자 폭-대-피치(pitch) 비율의 변화에 따라 회절되는 광신호의 초점거리가 조절되는 집광렌즈로 동작된다.The non-uniform duty ratio optical waveguide grating coupler is operated as a condenser lens in which the focal length of the diffracted optical signal is adjusted according to the change in the grating width-to-pitch ratio.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기는 광 도파로 격자 결합기의 격자 층에 비균일 듀티율을 갖는 격자 구조를 형성시킴으로써 저반사, 고효율의 광결합이 가능한 효과가 있다. The optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio according to the present invention configured as described above has the effect of enabling low reflection and high efficiency optical coupling by forming a grating structure having a non-uniform duty ratio in the grating layer of the optical waveguide grating coupler. .

특히, 본 발명은 격자 층에 비균일 듀티율을 이용함으로서 회절 출력광의 외형을 파이버의 모드 외형과 일치할 수 있도록 할 수 있고, 집광 효과를 만들어 렌 즈의 역할을 가능하게 하여 높은 결합 효율을 가진다.In particular, the present invention enables the appearance of the diffracted output light to match the mode appearance of the fiber by using a non-uniform duty ratio in the grating layer, and makes a condensing effect, thereby acting as a lens, and thus has a high coupling efficiency.

또한, 본 발명은 광 도파로를 진행하는 광의 반사로 인한 에너지 손실과 모드 크기의 불일치로 인한 결합 손실을 작게 할 수 있으며, 큰 정렬 허용오차를 가지게 하여 저가의 패키징을 가능하게 하는 효과가 있다.In addition, the present invention can reduce the energy loss due to the reflection of the light traveling through the optical waveguide and the coupling loss due to the mismatch of the mode sizes, and have a large alignment tolerance, thereby enabling low-cost packaging.

또한, 본 발명은 집적화가 용이하고, 저가 대량 생산 등의 장점을 갖고 있으므로, 실리콘 기반 전광 집적회로와 이들이 탑재될 수 있는 O-PCB(Optical Printed Circuit Board)등에 이용되어 광신호 전달 및 검출을 용이하게 하는 효과가 있다.In addition, the present invention is easy to integrate, and has the advantages of low-cost mass production, etc., so that it is used in silicon-based all-optical integrated circuits and O-PCBs (Optical Printed Circuit Boards) on which they can be mounted to facilitate optical signal transmission and detection. It's effective.

본 발명은 전광 혼성 시스템의 집적화를 구현하기 위하여 저비용 대량 생산이 가능한 장점으로 인해, 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 실리콘 기반 집적 전광 혼성 시스템과 이들이 탑재될 O-PCB 전광 혼성 시스템 구현에 적합하도록 고도의 집적화를 가능하게 할 수 있는 광 도파로(optical waveguide)/광 파이버 또는 광 도파로/포토 다이오드로의 수직 광 연결 장치에 관한 것이다. 광 도파로와 광 검출기의 수직 광 결합을 위하여 광 도파로 격자 결합기를 도입하였다.The present invention provides a low-cost mass production in order to realize the integration of the all-optical hybrid system. Therefore, the present invention is highly suitable to implement a silicon-based integrated all-optical hybrid system and an O-PCB all-optical hybrid system in which they are mounted. It relates to a vertical optical connection to an optical waveguide / optical fiber or optical waveguide / photodiode which may enable integration. An optical waveguide grating coupler is introduced for vertical optical coupling between the optical waveguide and the optical detector.

SOI (Silicon On Insulator)에 기반한 격자 결합기의 실리콘층에 듀티율이 다른 다수의 격자들을 형성시킨다. 형성된 격자들은 광 도파로를 통해 진행하는 광이 격자의 생성으로 인한 유효 굴절률 차이를 거의 느끼지 않게 하여 결합 손실의 요인 중의 하나인 불필요한 진행 광의 반사를 작게 할 수 있다. 또한, 수직 광 결합을 가능하게 할 격자들의 듀티율의 변화율을 변화시켜 격자 층로부터 회절되는 출력 광의 외형 모양을 조절하여 결합 손실이 적게 되도록 만들어 낼 수 있고 집광 렌즈의 역할을 수행하게 할 수 있다.A plurality of gratings with different duty rates are formed in the silicon layer of the silicon on insulator (SOI) -based grating coupler. The formed gratings can reduce the reflection of unnecessary traveling light, which is one of the factors of coupling loss, by making the light traveling through the optical waveguide hardly feel the difference in effective refractive index due to the generation of the grating. In addition, by varying the rate of change of the duty ratio of the gratings to enable the vertical light coupling, it is possible to adjust the appearance of the output light diffracted from the grating layer to make the coupling loss is low and to serve as a condensing lens.

광 파이버가 광 검출 장치의 수광 부분으로 사용되는 경우는 광 파이버의 개구수(Numerical Aperture)에 해당하도록 집광하며, 포토다이오드가 광 검출기로 사용되는 경우는 수광 영역의 크기에 집광할 수 있도록 한다.When the optical fiber is used as the light receiving portion of the optical detection device, the optical light is focused to correspond to the numerical aperture of the optical fiber, and when the optical diode is used as the light detector, the optical fiber can be focused to the size of the light receiving area.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용 및 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described specific details and embodiments of the present invention.

도 1은 본 발명에서 제안하고 있는 비균일 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기(100)의 단면이 도시된 도이다. 광 도파로 격자 결합기의 적층 구조는 기판(110), 버퍼 층(buffer layer; 120), 코어 층(core layer; 130), 격자 층(grating layer; 140), 덮개 영역(cover region; 미도시)으로 구성된다. 기판(110)은 실리콘 재질로 형성되며, 기판(110)의 상부에는 버퍼 층(120)이 형성되어 있다. 버퍼 층(120)의 상부에는 광신호가 이동하는 경로인 코어 층(130)이 증착된다. 코어 층(130)의 상부에는 다수의 격자들이 돌출되어 형성되는 격자 층(140)이 형성된다.1 is a cross-sectional view of an optical waveguide grating coupler 100 having a non-uniform duty ratio proposed in the present invention. The stacked structure of the optical waveguide grating coupler is a substrate 110, a buffer layer 120, a core layer 130, a grating layer 140, and a cover region (not shown). It is composed. The substrate 110 is formed of a silicon material, and a buffer layer 120 is formed on the substrate 110. The core layer 130, which is a path through which an optical signal travels, is deposited on the buffer layer 120. A grating layer 140 is formed on the core layer 130 to protrude a plurality of gratings.

본 발명의 일 실시예로 상기 코어 층(130)과 상기 격자 층(140)은 실리콘(Si)으로 형성될 수 있으며, 본 발명의 실험에서는 각각의 층의 두께를 0.42 ㎛, 0.06 ㎛로 형성하였다. In an embodiment of the present invention, the core layer 130 and the lattice layer 140 may be formed of silicon (Si), and in the experiments of the present invention, the thickness of each layer is 0.42 μm and 0.06 μm. .

또한, 상기 버퍼 층(120)은 이산화규소(SiO2)로 형성될 수 있으며 두께는 3.0 ㎛로 구성하였다. 앞서 설명한 바와 같이 광신호는 상기 코어 층(130)은 광신 호가 이동하는 영역이다.In addition, the buffer layer 120 may be formed of silicon dioxide (SiO 2 ) and has a thickness of 3.0 μm. As described above, the optical signal is a region in which the optical signal moves in the core layer 130.

참고적으로 광신호가 진행하는 방향을 광축이라 하겠다. 이하 설명하는 덮개 영역은 격자 층(140) 상부 영역을 말한다.For reference, the direction in which an optical signal travels will be referred to as an optical axis. The cover region described below refers to the upper region of the grating layer 140.

격자 주기는 덮개 영역과의 단일 차수의 회절을 갖는 광 결합이 이루어지도록 격자와 광의 도파 모드의 위상 정합(phase match)이 가능한 값으로 결정되어져야 한다. 실험에서는 0.5 ㎛가 되도록 제작되었다. 도 1에서 θC - 1는 격자 표면의 수직 방향에 대하여 -1 회절 차수를 갖는 회절 광과 덮개 영역 간의 결합각을 나타낸다.The grating period should be determined to a value that allows phase matching of the waveguide mode of the grating and the light so that light coupling with a single order of diffraction with the covering region is achieved. In the experiment, it was made to be 0.5 μm. In Figure 1 θ C - 1 represents the bond angle between the diffracted light and the cover area having the -1-order diffraction with respect to the vertical direction of the grating surface.

상기 격자 층(140)은 기 설정된 간격으로 이격되어 주기적으로 반복되어 형성된 격자로 이루어진다. 코어 층(130)을 통과하는 광신호는 상기 격자 층(140)을 통해 광 파이버 또는 광 검출기로 진행한다. The lattice layer 140 is formed of a lattice formed by being periodically repeated and spaced at predetermined intervals. The optical signal passing through the core layer 130 passes through the grating layer 140 to an optical fiber or a photo detector.

상기 격자는 광신호가 진행하는 광축을 따라 일정한 피치(pitch)로 주기적으로 형성된다. The grating is formed periodically at a constant pitch along the optical axis along which the optical signal travels.

본 발명에 따른 격자 결합기는 격자 폭-대-피치(pitch) 비율인 듀티율(Duty Ratio)이 비균일하게 형성된다. 구체적으로, 듀티율(D)은 격자 폭(a)/피치(Λ)로 정의한다.The lattice combiner according to the present invention is formed with a non-uniformity of Duty Ratio, which is a lattice width-to-pitch ratio. Specifically, the duty ratio D is defined as the lattice width a / pitch Λ.

여기서, 피치(Λ)는 격자의 주기를 말하며, 격자의 주기는 일정하다.Here, the pitch Λ refers to the period of the grating, the period of the grating is constant.

도 1에서 듀티율은 광축을 따라 점진적으로 감소된다. 이 경우 상기 격자의 주기는 일정하므로, 격자폭(a)이 점진적으로 감소되도록 한다. In Figure 1 the duty ratio is gradually reduced along the optical axis. In this case, since the period of the lattice is constant, the lattice width a is gradually reduced.

상기 듀티율은 가우시안 곡선 형태로 감소되는 것이 바람직하다. 상세한 이유는 후술할 도 3 및 도 4를 참조한다.The duty ratio is preferably reduced in the form of a Gaussian curve. For details, see FIGS. 3 and 4 to be described later.

광 도파로 격자 결합기가 광 검출기와의 높은 광 결합을 이루기 위해서는 결합 효율(coupling efficiency)과 결합 길이(coupling length)가 고려되어야 한다. 결합 효율과 결합 길이는 격자 결합기의 설계시 고려되어야 할 중요한 요인들로서 격자의 구조(격자 높이, 격자 주기 등)와 광 도파로층들의 두께 등에 영향을 받는 양들이다. Coupling efficiency and coupling length must be considered in order for the optical waveguide grating coupler to achieve high optical coupling with the photodetector. Coupling efficiency and coupling length are important factors to be considered in the design of the grating coupler. These factors are influenced by the grating structure (grid height, grating period, etc.) and the thickness of the optical waveguide layers.

도 2a 및 도 2b는 격자의 길이가 무한한 경우, TE 편광(TE polarization)된 기본 모드 (fundamental mode)의 듀티율의 변화에 대해 계산된 격자에서 회절되는 회절광의 각도, 결합 길이, 결합 효율을 나타내고 있다. 2A and 2B show the angle, coupling length, and coupling efficiency of diffracted light diffracted in a grating calculated for a change in the duty ratio of a TE polarized fundamental mode when the grating is infinite in length. .

도 2a는 본 발명에 따른 듀티율 변화에 따라 계산된 회절광의 덮개 결합각이 도시된 그래프이다. 도 2a에서 계산에 사용된 Si와 SiO2의 굴절율은 각각 3.42와 1.45이다. Figure 2a is a graph showing the cover coupling angle of the diffracted light calculated according to the change in duty rate according to the present invention. The refractive indices of Si and SiO 2 used in the calculation in FIG. 2A are 3.42 and 1.45, respectively.

도 2a를 참조하면, 듀티율이 커질수록 회절한 빛의 덮개 영역으로 결합하는 각이 3o에서 6o로 점진적으로 증가한다.Referring to FIG. 2A, as the duty ratio increases, the angle of coupling to the cover region of diffracted light gradually increases from 3 o to 6 o .

도 2b는 본 발명에 따른 비균일 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기의 듀티율 변화에 따라 계산된 결합 길이와 덮개 결합 효율이 도시된 그래프이다. 2B is a graph showing the coupling length and the cover coupling efficiency calculated according to the duty ratio change of the optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio according to the present invention.

도 2b를 참조하면, 결합 길이는 듀티율이 0.5에서 20 ㎛의 최소값을 가지며, 좌우 대칭을 이룬다. 결합 효율값은 듀티율의 전 범위에서 0.64의 값을 갖는 것을 알 수 있다. 도 2의 계산 결과를 토대로 하여 선형 서브-격자 모델 (linear sub-grating model)을 도입하면, 격자 층의 길이가 L인 광도파로 격자 결합기의 광 특성을 평가할 수 있다. Referring to FIG. 2B, the bond length has a minimum value of 0.5 to 20 μm in duty ratio and is symmetrical. It can be seen that the coupling efficiency value has a value of 0.64 over the entire range of the duty ratio. By introducing the linear sub-grating model based on the calculation result of FIG. 2, it is possible to evaluate the optical characteristics of the optical waveguide grating coupler having a length of the grating layer.

도 3은 본 발명에 따른 비균일 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기의 격자 영역에서 격자의 듀티율 변화에 따라 다양한 높이에서 계산된 회절 출력광의 외형(diffracted output beam profile)이 도시된 그래프이다. 3 is a graph showing the diffracted output beam profile calculated at various heights according to the change in the duty ratio of the grating in the grating region of the optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio according to the present invention.

도 3을 참조하면, 격자는 z축 방향으로 형성되며 듀티율은 감소한다. 도 3의 내부에 삽입된 그래프는 각 회절 출력빔에 해당되는 격자의 듀티율 변화를 보이고 있다. 삽입 그림에서 가로축은 z축 방향에 따른 듀티율 변화를 나타내고 있다. 계산에서 고려된 격자영역의 크기 L은 150 ㎛이다. 격자 주기는 0.5 ㎛이다.Referring to FIG. 3, the grating is formed in the z-axis direction and the duty ratio decreases. The graph inserted in FIG. 3 shows a change in the duty ratio of the grating corresponding to each diffraction output beam. In the inset, the horizontal axis shows the change in duty rate along the z-axis direction. The size L of the lattice area considered in the calculation is 150 μm. The lattice period is 0.5 μm.

도 3에서 격자의 바로 윗부분(H=0 ㎛ 근방)에서 계산된 회절광의 출력빔 외형을 참조하면, 비균일 듀티율을 갖는 광 도파로 격자가 광 파이버와의 효율적인 결합 효율에 유리함을 보이고 있다. 또한, 듀티율의 변화 기울기가 가우시안 (Gaussian) 형태의 회절 출력 빔을 결정하는 주된 요인인데, 다시 말하면 격자 층의 격자 폭-대-피치 비율은 일정한 비율로 변한다. 도 3을 참조하면, 듀티율 변화 기울기가 클수록 좁은 선폭을 갖고 회절 출력 빔에서 큰 피크 값을 가짐을 알 수 있다.Referring to the output beam shape of the diffracted light calculated directly above the grating (near H = 0 μm) in FIG. 3, it is shown that an optical waveguide grating having a nonuniform duty ratio is advantageous for efficient coupling efficiency with the optical fiber. In addition, the slope of the change in duty rate is a major factor in determining the Gaussian type diffraction output beam, that is, the lattice width-to-pitch ratio of the grating layer changes at a constant rate. Referring to FIG. 3, it can be seen that the larger the duty rate change slope, the narrower the line width and the larger the peak value in the diffraction output beam.

더욱이, 격자의 듀티율이 다른 경우에, 도 2에서 보이는 것처럼 회절되는 광은 다른 덮개 결합 각을 가지므로 회절된 빛의 집광(focusing) 효과를 기대할 수 있으며, 도 3에서 수직 높이에 따른 집광 효과를 확인할 수 있다. 비교를 위해, 단 일 모드 광 파이버의 모드 외형(mode profile)을 계산하여 도 3의 점선으로 그려진 원형안에 도시하였다.Moreover, when the grating duty ratio is different, the light diffracted as shown in FIG. 2 has a different cover coupling angle, so that the focusing effect of the diffracted light can be expected, and in FIG. You can check it. For comparison, the mode profile of the single mode optical fiber was calculated and shown in the circle drawn by the dotted line in FIG. 3.

격자의 듀티율 변화에 따라 회절되는 출력 빔들의 집광 기능을 정량적으로 표현하기 위해 단일 모드 광 파이버의 모드 외형과의 겹침 적분(overlap integral)을 계산하였다. H=0 ㎛와 H= 700 ㎛에서 계산된 결과는 표 1에 나타내었다. 표 1은 격자 층의 격자 듀티율 변화에 해당하는 집광된 회절 출력광의 겹침 적분값이다.In order to quantitatively express the condensing function of the output beams diffracted according to the change in the duty rate of the grating, an overlap integral with the mode appearance of the single mode optical fiber was calculated. The calculated results at H = 0 μm and H = 700 μm are shown in Table 1. Table 1 shows the overlap integral values of the focused diffraction output light corresponding to the grating duty rate change of the grating layer.

외형 커브      Contour curve 높이(㎛)에서의 겹침(%)        % Overlap at height (μm) (1)         (One) 0에서 44 → 700에서 44 0 to 44 → 700 to 44 (2)         (2) 0에서 30 → 700에서 49 0 to 30 → 700 to 49 (3)         (3) 0에서 21 → 700에서 27 0 to 21 → 700 to 27 (4)         (4) 0에서 37 → 700에서 63 0 to 37 → 700 to 63 (5)         (5) 0에서 34 → 900에서 66 0 to 34 → 900 to 66 (6)         (6) 0에서 31 → 1100에서 69 0 to 31 → 1100 to 69

표 1을 참조하면, 격자 층의 격자의 듀티율이 (4)번의 듀티율 변화, 즉 가우시안 변화를 갖는 격자의 구조가 가장 좋은 집광 효과를 나타내고 있다. Referring to Table 1, the lattice structure having a duty rate change of the lattice layer of the lattice layer (4), that is, a Gaussian change, shows the best condensing effect.

도 4는 다양한 수직거리에서 광 파이버의 모드 외형과 회절된 출력 빔의 외형의 겹침 적분(overlap integral)이 도시된 그래프이다. 도 4에는 듀티율이 서로 다른 가우시안 변화를 갖는 경우의 격자들에 대해 회절되는 출력광과 광 파이버의 모드 외형과의 겹침 적분의 계산치가 도시되어 있다. 도 4의 삽입 그림 (a)는 가우시안 변화를 갖는 듀티율의 배열 곡선을 도시하며, 삽입 그림 (b)는 수직 거리 700 ㎛에서 집광된 출력빔의 외형을 도시한다.4 is a graph showing the overlap integral of the mode appearance of the optical fiber and the appearance of the diffracted output beam at various vertical distances. Fig. 4 shows the calculation of the overlap integration between the output light diffracted for the gratings when the duty ratios have different Gaussian variations and the mode appearance of the optical fiber. Inset (a) of FIG. 4 shows an array curve of duty ratios having Gaussian variation, and inset (b) shows the outline of the output beam focused at a vertical distance of 700 μm.

도 4의 그래프를 참조하면, 격자의 듀티율이 가우시안 변화를 가질 때에 집광렌즈의 역할을 하며, 듀티율의 변화율 또는 변화율의 기울기가 초점거리와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 각각의 듀티율의 변화인 (4), (5), (6)에 해당하는 초점거리는 700 ㎛, 900 ㎛, 1100 ㎛이다. 또한, 격자로부터의 수직거리 100 ㎛의 광 파이버의 정렬 거리 오차는 초점거리를 기준으로 할 때 5% 미만의 겹침 적분 변화를 갖는 우수한 정렬 허용오차를 갖는다.Referring to the graph of FIG. 4, it can be seen that when the duty ratio of the grating has a Gaussian change, it serves as a condenser lens, and the change rate of the duty rate or the slope of the change rate is closely related to the focal length. The focal lengths corresponding to the changes in the duty ratios (4), (5) and (6) are 700 µm, 900 µm and 1100 µm, respectively. In addition, the alignment distance error of the optical fiber having a vertical distance of 100 μm from the grating has a good alignment tolerance with a change of overlap integral of less than 5% based on the focal length.

이상과 같이 본 발명에 의한 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.As described above, the optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio according to the present invention has been described with reference to the illustrated drawings, but the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed herein, and the scope of the technical idea is protected. It can be applied within.

도 1은 본 발명에서 제안하고 있는 비균일 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기의 단면이 도시된 도,1 is a cross-sectional view of an optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio proposed in the present invention;

도 2a는 본 발명에 따른 듀티율 변화에 따라 계산된 회절광의 덮개 결합각이 도시된 그래프,Figure 2a is a graph showing the cover coupling angle of the diffracted light calculated according to the change in the duty ratio according to the present invention,

도 2b는 본 발명에 따른 비균일 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기의 듀티율 변화에 따라 계산된 결합 길이와 덮개 결합 효율이 도시된 그래프,2b is a graph showing the coupling length and the cover coupling efficiency calculated according to the duty ratio change of the optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 비균일 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기의 격자 영역에서 격자의 듀티율 변화에 따라 다양한 높이에서 계산된 회절 출력광의 외형이 도시된 그래프,3 is a graph showing the appearance of diffraction output light calculated at various heights according to the duty rate change of the grating in the grating region of the optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio according to the present invention;

도 4는 다양한 수직거리에서 광 파이버의 모드 외형과 회절된 출력 빔의 외형의 겹침 적분(overlap integral)이 도시된 그래프이다.4 is a graph showing the overlap integral of the mode appearance of the optical fiber and the appearance of the diffracted output beam at various vertical distances.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>             <Explanation of symbols on main parts of the drawings>

110: 실리콘 기판 120: 버퍼 층110: silicon substrate 120: buffer layer

130: 코어 층 140: 격자 층130: core layer 140: lattice layer

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 실리콘 기판;Silicon substrates; 상기 기판의 상부면에 증착되는 버퍼층;A buffer layer deposited on an upper surface of the substrate; 상기 버퍼층 상부에 형성되며, 광신호가 진행하는 코어층; 및A core layer formed on the buffer layer and through which an optical signal progresses; And 상기 코어층의 상부에서 광의 진행방향을 따라 주기적으로 반복 형성되는 다수의 격자로 이루어지되, 상기 격자의 격자 폭-대-피치(pitch) 비율이 가우시안 곡선 형태로 감소되는 것을 특징으로 하는 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기.It is composed of a plurality of gratings are formed repeatedly periodically along the direction of light on the core layer, characterized in that the grating width-to-pitch ratio of the grating is reduced in the form of Gaussian curve An optical waveguide grating coupler having a duty ratio. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 격자는 상기 코어층에서 진행하는 광신호를 격자표면의 수직 방향에 대하여 기 설정된 범위의 결합각으로 회절시키는 것을 특징으로 하는 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기.The grating is an optical waveguide grating coupler having a non-uniform duty ratio, characterized in that the diffraction of the optical signal from the core layer at a coupling angle of a predetermined range with respect to the vertical direction of the grating surface. 청구항 7에 있어서,The method of claim 7, 상기 격자는 상기 광신호가 격자표면의 수직 방향에 대하여 -1 회절 차수를 갖도록 회절시키는 것을 특징으로 하는 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기.And the grating diffracts the optical signal to have a -1 diffraction order with respect to the vertical direction of the grating surface. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기는 상기 격자 폭-대-피치(pitch) 비율의 변화에 따라 회절되는 광신호의 초점거리가 조절되는 집광렌즈로 동작되는 것을 특징으로 하는 비균일한 듀티율을 갖는 광 도파로 격자 결합기.The non-uniform duty ratio optical waveguide grating coupler is operated as a condensing lens having a focal length of an optical signal diffracted according to a change in the grating width-to-pitch ratio. Optical waveguide grating coupler having a.
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