KR101189848B1 - 광도파로를 형성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

고굴절률 부재를 이용하여 광도파로를 형성하는 방법에 있어서, 고굴절률 부재의 두께가 고정된 상태에서 광모드가 존재하지 않을 정도로 상기 고굴절률 부재의 폭을 줄이고, 하나 이상의 고굴절률 선(wire)을 소정의 간격으로 배열하여 광도파로를 형성하는 방법을 개시한다.

Description

광도파로를 형성하는 방법{METHOD FOR MOLDING OPTICAL WAVEGUIDE}
본 발명의 일실시예는 반도체 물질을 사용하는 고굴절률 광학 시스템을 다중 모드 광화이버와의 결합을 위해 집적화, 축소화된 형태의 결합 구조의 광전자 변조기의 광도파로를 형성하는 방법에 관한 것이다.
광전자 변조기는 반도체와 같이 높은 굴절률을 갖는 물질로 광도파로를 구성할 경우 단일 모드 조건을 만족시키기 위해 도파로의 크기가 파장보다 작아지게 되며 예를 들어 1.5um대역의 파장을 사용하여 실리콘(굴절률: 3.48, 클래딩과의 굴절률 차: 2)을 매개로 광도파로를 구성할 수 있으며, 상기 단일 모드가 형성되는 광도파로의 크기는 약 0.3umX0.3um이다.
상기와 같은 크기는 기존의 저굴절률 기반 (굴절률: 1.5, 클래딩 과의 굴절률 차: 0.02)의 광학 시스템과 광원이 주로 수 um크기의 광모드를 갖는 것에 비해 크기가 약 100분의 1정도 밖에 되지 않기 때문에 기존의 마이크로 광학 구조에서 um이하의 고굴절률 기반 광학 구조로의 결합이 중요한 문제가 되고 있다.
일반적인 광도파로 결합 방식은 크게 회적 격자(grating)을 사용하는 방식과 광도파로의 폭을 줄여 광모드의 크기를 키우는 역 테이퍼(inverse taper) 방식 등을 예로 들 수 있다.
예를 들어, 회절 격자를 사용한 방식은 빛이 격자의 수직한 방향으로 입사되어 회절을 통해 각도가 꺾여 평판 구조의 광도파로로 결합되는 방식이며, 일반 단일 모드 크기의 광화이버로도 결합이 가능하다.
회절 격자를 사용한 방식은 회절 격자가 입사되는 빛의 파장에 의존하는 특성을 지니고 있기 때문에 사용 가능한 파장대역이 좁으며, 그 결합 효율이 높지 않기 때문에 결합 효율을 높이기 위해서는 특수 공정을 거쳐야 한다.
다른 예로, 역 테이퍼(inverse taper) 방식은 약 0.3umX0.3um 정도의 광도파로의 폭일 줄이게 되면 그에 따라 존재하는 광모드의 크기가 커지는 경향을 보이며, 광모드가 형성되기 위한 최소의 선폭에서 그 광모드의 크기는 대략 4~5um정도가 된다.
역 테이퍼(inverse taper) 방식은 광모드의 크기를 줄인 특수 단일모드 광화이버의 모드 크기와 비슷해지게 되므로 특수 단일 모드 광화이버를 사용하여 직접 결합 방식으로 빛을 효과적으로 광도파로에 결합시킬 수 있다.
역 테이퍼 (inverse taper) 방식의 구조는 광도파로의 폭을 좁힐 때 최소로 좁힐 수 있는 크기에서의 광모드가 약 5um이하이기 때문에 일반 단일모드의 약 10um 크기보다는 작기 때문에 일반 광화이버와의 결합 시에는 손실이 커질 수 있다.
역 테이퍼 (inverse taper) 구조는 반도체 물질이 광학소자로 사용되는 유력한 분야인 실리콘 포토닉스 영역에서 광학 소자를 컴퓨터 내부, 컴퓨터와 컴퓨터 간의 통신을 목적으로 사용하고 있다.
컴퓨터 간의 통신은 근거리 통신이기 때문에 근거리 통신에서의 표준 규격인 다중 모드 광화이버 (직경: ~50um)과의 결합은 더욱 더 어렵게 되며 직경이 큰 다중모드 광화이버와 고굴절률 광소자와의 결합은 광학 테이블 위에서 일반 쿠면 렌즈와 집속기를 사용하는 벌크 광학 방식을 사용하는 것이 유일한 방식이다.
따라서, 실리콘 포토닉스 등의 um 크기 이하의 광소자가 컴퓨터 내, 외부 등에 쓰이기 위해서는 다중 모드 화이버와의 결합을 집적화된 형태로 구현하는 것이 필요하다.
본 발명의 일실시예는 높은 굴절률 광도파로를 기존의 실리카, 폴리머 기반의 저굴절률 도파로, 광화이버, 광원과의 효울적으로 결합하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예는 고굴절률 광학 시스템을 다중 모드 광화이버와의 결합을 위해 집적화, 축소화된 형태의 결합 구조를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 근거리 통신 다중모드 표준와 호환성을 갖는 나노 광학소자를 구성할 수 있으며, 나노 광학 소자가 컴퓨터의 내외부에 기존의 광화이버와 광도파로를 이용하여 구성하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 광도파로를 형성하는 방법은 고굴절률 부재를 이용하여 광도파로를 형성하는 방법에 있어서, 고굴절률 부재의 두께가 고정된 상태에서 광모드가 존재하지 않을 정도로 상기 고굴절률 부재의 폭을 줄이는 단계 및 하나 이상의 고굴절률 선(wire)을 소정의 간격으로 배열하여 광도파로를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일측에 따르면 하나 이상의 고굴절률 선(wire)을 소정의 간격으로 배열하여 광도파로를 형성하는 단계는, 상기 하나 이상의 고굴절률 선의 전체를 기준으로 상기 광모드가 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 광도파로를 형성하는 방법은 상기 하나 이상의 고굴절률 선이 배열된 광도파로에 존재하는 빛을 테이퍼(taper) 구조를 통해 단일 모드의 상기 광도파로로 모으는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 하나 이상의 고굴절률 선이 배열된 광도파로와 외부 결합 구조물을 결합하는 단계, 상기 외부 결합 구조물과 결합되는 폭을 상기 외부 결합 구조물의 모드 크기에 맞게 배치하는 단계 및 상기 폭을 점차적으로 좁혀 상기 형성된 광모드의 크기를 점차적으로 줄이는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 외부 결합 구조물은 외부 광도파로, 광화이버 또는 광원 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 광도파로를 형성하는 방법은 상기 광모드 크기의 변조기와 외부 결합 구조물을 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 광모드 크기의 변조기와 외부 결합 구조물을 결합하는 단계는 상기 광모드 크기의 변조기와 광도파로를 직접 결합 방식(butt coupling)으로 결합하는 단계, 상기 광모드 크기의 변조기와 방향성 결합기를 소멸파(evanescent wave) 결합 방식으로 결합하는 단계, 상기 광모드 크기의 변조기와 광화이버를 직접 결합 방식으로 결합하는 단계 및 상기 광모드 크기의 변조기와 광원을 직접 결합 방식으로 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 광도파로를 형성하는 방법은 상기 하나 이상의 고굴절률 선을 중앙을 기준으로 간격을 점차 증가시켜 배열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 하나 이상의 고굴절률 선을 중앙을 기준으로 간격을 점차 증가시켜 배열하는 단계는 상기 광도파로의 유효 굴절률이 중앙을 기준으로 가장 높은 굴절률을 가지도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 광도파로의 유효 굴절률이 중앙을 기준으로 가장 높은 굴절률을 가지도록 제어하는 단계는 언덕 굴절(graded index) 특성에 의하여 외부에서 입력되는 빛이 상기 광모드 크기의 변조기를 진행하여 상기 변조기의 중심으로 이동하도록 자동 정렬되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 높은 굴절률 광도파로를 기존의 실리카, 폴리머 기반의 저굴절률 도파로, 광화이버, 광원과의 효울적으로 결합할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 고굴절률 광학 시스템을 다중 모드 광화이버와의 결합을 위해 집적화, 축소화된 형태의 결합 구조를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 근거리 통신 다중모드 표준와 호환성을 갖는 나노 광학소자를 구성할 수 있으며, 나노 광학 소자가 컴퓨터의 내외부에 기존의 광화이버와 광도파로를 이용하여 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광도파로를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광도파로를 도시한 제1 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광도파로를 도시한 제2 단면도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일측에 따라 광모드 크기의 변조기와 외부 결합 구조물을 결합하는 방식을 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일측에 따라 광모드 크기의 변환기의 언덕 굴절 특성을 적용한 구조를 도시한 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로를 도시한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로를 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로는 코어 내에 빛이 집속되어 코어-클래딩의 경계 부분에서 전반사 효과를 이용하여 빛이 진행하는 일반적인 광도파로와는 달리 두께는 일정하게 유지한 채 광도파로의 폭을 광모드가 형성될 수 없을 정도로 줄여서 방사 모드(radiation mode)를 형성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 고굴절률 부재를 이용하여 광도파로를 형성하는 데 있어서, 고굴절률 부재의 두께가 고정된 상태에서 광모드가 존재하지 않을 정도로 상기 고굴절률 부재의 폭을 줄이고, 하나 이상의 고굴절률 선(wire)을 소정의 간격으로 배열하여 광도파로를 형성한다.
본 발명의 일측에 따르면 반도체 물질 등의 고굴절률 물질(110)로 이루어진 광도파로와 실리카, 폴리머 등의 저굴절률 물질(120)로 이루어진 외부 결합 구조물을 결합할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 고굴절률 물질(110)은 광모드 크기 변환기(111), 테이퍼 구조(112) 및 광도파로(113)로 구성될 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 하나 이상의 고굴절률 선(wire)을 소정의 간격으로 배열하여 광도파로를 형성함에 있어, 상기 하나 이상의 고굴절률 선의 전체를 기준으로 상기 광모드가 형성될 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 광도파로는 상기 하나 이상의 고굴절률 선이 배열된 광도파로에 존재하는 빛을 테이퍼(taper) 구조를 통해 단일 모드의 상기 광도파로로 모을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광도파로는 광모드 크기 변조기의 언덕 굴절(graded index) 현상 특징으로 집속(graded index) 현상을 갖도록 중심을 기준으로 그 간격을 차츰 넓히는 구조로 고굴절률 선을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광도파로를 도시한 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일측에 따르면 상기 하나 이상의 고굴절률 선이 배열된 광도파로(410)와 외부 결합 구조물(420)을 결합하며, 외부 결합 구조물(420)과 결합되는 폭을 외부 결합 구조물(420)의 모드 크기에 맞게 배치하여 상기 폭을 점차적으로 좁혀 상기 형성된 광모드의 크기를 점차적으로 줄이도록 형성할 수 있다.
이때, 본 발명의 일측에 따르면 외부 결합 구조물(420)은 외부 광도파로, 광화이버 또는 광원 등이 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광도파로를 도시한 제1 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 고굴절률 광도파로(510)는 외부 광도파로, 광화이버, 광원 등(520)과 정렬이 되었을 때 입사된 광모드(530)의 크기가 변화되어 결합될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광도파로를 도시한 제2 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고굴절률 광도파로(610)는 외부 결합 구조물(620)과 정렬이 되지 않았을 때, 입사된 광모드가 집속 현상으로 그 중심이 광모드 크기 변조기의 중심으로 차츰 이동이 되어 최종적으로 자동 정렬될 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 광모드를 갖지 못하는 고굴절률 선은 선들을 병렬로 구성할 경우, 각각의 선들은 광모드를 갖지 못하지만 선들 전체가 하나의 광도파로로 구성되어 광모드를 가질 수 있으며 광도파로로 사용할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 광도파로 구조는 대부분의 빛이 클래딩 영역에 존재하기 때문에 고굴절률 부재를 코어에 사용하더라도 광도파로의 유효 굴절률을 클래딩에 매우 가깝게 형성되며, 낮은 유효굴절률에 의해 형성되는 광모드의 크기가 커질 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 고굴절률 선들의 개수와 간격을 넓히게 되면 광모드의 크기가 그에 따라 커지게 되며 유효 굴절률이 더욱 감소하게 되어 광도파로는 단일 모드로 동작될 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 광도파로 구조는 코어-클래딩 전반사 효과로 전빛이 전파하는 것이 아닌 클래딩 영역에 빛이 존재하는 형태로 전파하기 때문에 광도파로의 크기를 키우게 되더라도 거기에 따른 유효 굴절률의 감소로 인해 단일 모드 조건이 계속 유지될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일측에 따르면 광도파로의 크기를 수 십 um 이상으로 키우더라도 광모드는 단일 모드를 유지할 수 있으며, 이는 고굴절률 선들의 개수와 간격을 정밀하게 조절함으로써 가능하다.
본 발명의 일측에 따르면 광도파로의 크기가 큰 광모드를 고굴절률 선들의 간격을 테이퍼 구조로 점차로 좁히는 경우, 그에 따른 유효 굴절률의 증가로 광모드의 크기가 작아지게 되어 일반 단일모드 광도파로와의 결합할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 광모드 크기의 변조기와 외부 결합 구조물을 결합하는데 있어서 다양한 방식을 적용할 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일측에 따라 광모드 크기의 변조기와 외부 결합 구조물을 결합하는 방식을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면 본 발명의 일측에 따르면 광모드 크기의 변조기(710, 720)와 광도파로(730)를 직접 결합 방식(butt coupling)으로 결합할 수 있다.
도 8을 참조하면 본 발명의 일측에 따르면 광모드 크기의 변조기(710, 720)와 방향성 결합기(730)를 소멸파(evanescent wave) 결합 방식으로 결합할 수 있다.
도 9를 참조하면 본 발명의 일측에 따르면 광모드 크기의 변조기(710, 720)와 광화이버(910)를 직접 결합 방식으로 결합할 수 있다.
도 10을 참조하면 본 발명의 일측에 따르면 광모드 크기의 변조기(710, 720)와 광원(1010, 1020)을 직접 결합 방식으로 결합할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일측에 따라 광모드 크기의 변환기의 언덕 굴절 특성을 적용한 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 일측에 따르면 하나 이상의 고굴절률 선(1110)을 중앙을 기준으로 간격을 점차 증가시켜 배열하여 광도파로를 구성함으로써, 상기 광도파로의 유효 굴절률이 중앙을 기준으로 가장 높은 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기와 같이, 상기 광도파로의 유효 굴절률이 중앙을 기준으로 가장 높은 굴절률을 가지는 경우, 언덕 굴절(graded index) 특성에 의하여 외부에서 입력되는 빛이 상기 광모드 크기의 변조기를 진행하여 상기 변조기의 중심으로 이동하도록 자동 정렬될 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일측에 따른 광도파로(1110)는 중심 선을 기준으로 바깥 선으로 갈수록 그 간격이 점차 커지는 구조를 형성할 수 있으며, 외부 광도파로, 광화이버, 광원 등(1130)이 정렬되었을 때의 광모드가 광모드 크기 변환기를 통해 결합될 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일측에 따른 광도파로(1210)는 외부 광도파로, 광화이버, 광원 등(1230)이 정렬되지 않고 한 쪽으로 치우쳤을 때 언덕 굴절 현상을 통해 광모드 크기 변환기에서 자동적으로 정렬되어 결합될 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 고굴절률 부재
120: 저굴절률 부재

Claims (10)

  1. 고굴절률 부재를 이용하여 광도파로를 형성하는 방법에 있어서,
    고굴절률 부재의 두께가 고정된 상태에서 광모드가 존재하지 않을 정도로 상기 고굴절률 부재의 폭을 줄이는 단계;
    하나 이상의 고굴절률 선(wire)을 소정의 간격으로 배열하여 광도파로를 형성하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 고굴절률 선을 중앙을 기준으로 간격을 점차 증가시켜 배열하는 단계
    를 포함하는 광도파로를 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 고굴절률 선(wire)을 소정의 간격으로 배열하여 광도파로를 형성하는 단계는,
    상기 하나 이상의 고굴절률 선의 전체를 기준으로 상기 광모드가 형성되는 단계
    를 포함하는 광도파로를 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 고굴절률 선이 배열된 광도파로에 존재하는 빛을 테이퍼(taper) 구조를 통해 단일 모드의 상기 광도파로로 모으는 단계
    를 더 포함하는 광도파로를 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 고굴절률 선이 배열된 광도파로와 외부 결합 구조물을 결합하는 단계;
    상기 외부 결합 구조물과 결합되는 폭을 상기 외부 결합 구조물의 모드 크기에 맞게 배치하는 단계; 및
    상기 폭을 점차적으로 좁혀 상기 형성된 광모드의 크기를 점차적으로 줄이는 단계
    를 더 포함하는 광도파로를 형성하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외부 결합 구조물은,
    외부 광도파로, 광화이버 또는 광원 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광도파로를 형성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광모드 크기의 변조기와 외부 결합 구조물을 결합하는 단계
    를 더 포함하는 광도파로를 형성하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광모드 크기의 변조기와 외부 결합 구조물을 결합하는 단계는,
    상기 광모드 크기의 변조기와 광도파로를 직접 결합 방식(butt coupling)으로 결합하는 단계;
    상기 광모드 크기의 변조기와 방향성 결합기를 소멸파(evanescent wave) 결합 방식으로 결합하는 단계;
    상기 광모드 크기의 변조기와 광화이버를 직접 결합 방식으로 결합하는 단계; 및
    상기 광모드 크기의 변조기와 광원을 직접 결합 방식으로 결합하는 단계
    를 포함하는 광도파로를 형성하는 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 고굴절률 선을 중앙을 기준으로 간격을 점차 증가시켜 배열하는 단계는,
    상기 광도파로의 유효 굴절률이 중앙을 기준으로 가장 높은 굴절률을 가지도록 제어하는 단계
    를 포함하는 광도파로를 형성하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광도파로의 유효 굴절률이 중앙을 기준으로 가장 높은 굴절률을 가지도록 제어하는 단계는,
    언덕 굴절(graded index) 특성에 의하여 외부에서 입력되는 빛이 상기 광모드 크기의 변조기를 진행하여 상기 변조기의 중심으로 이동하도록 자동 정렬되는 단계
    를 포함하는 광도파로를 형성하는 방법.
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