KR102037759B1 - 광 결합기 및 그를 구비한 광학 장치 - Google Patents

광 결합기 및 그를 구비한 광학 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 결합기 및 그를 구비하는 광학 장치를 개시한다. 광 결합기는, 기판과, 상기 기판 상의 버퍼 층과, 상기 버퍼 층 상에서 일 방향으로 연장되는 수평 모드 확장 층과 상기 수평 모드 확장 층의 양측에 연결되는 서로 다른 직경 또는 단면을 갖는 복수개의 광 전송 장치들 간의 단차를 조절하고, 광 전송 장치들 간의 광 손실을 최소화시키기 위해 상기 수평 모드 확장 층의 일측 상에 배치된 수직 모드 확장 층을 구비한 광 결합 층을 포함한다.

Description

광 결합기 및 그를 구비한 광학 장치{optical coupler and optical device module used the same}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로, 상세하게는 광 손실을 최소화할 수 있는 광 결합기 및 그를 구비한 광학 장치에 관한 것이다.
일반적으로 광 신호는 광 도파로 및 광섬유를 따라 전달될 수 있다. 광 집적회로의 광 소자(optical devices)들은 광 도파로 또는 광섬유에 연결될 수 있다. 또한, 광 도파로와 광섬유는 서로간에 연결될 수 있다. 광 소자, 광 도파로, 및 광섬유의 연결 시, 광 손실은 저전력 초고속 광전송에 있어 필수적으로 최소화되어야 한다. 예를 들어, 광 집적회로용 광 도파로의 선폭과 두께는 광섬유의 코어 크기에 비해서 20배에서 450배까지 작다. 광 도파로와 광섬유는 직접 연결될 경우 10dB에서 20dB에 달하는 높은 광 손실을 유발할 수 있다.
이를 해결하기 위하여 역테이퍼 및 광섬유와 유사한 굴절율을 가지는 2차 도파로로 구성되는 광 결합기가 제안되었다. 2차 도파로는 수직 입사형 격자 결합기와 비교하여 편광이나 파장의존성이 작은 장점을 가질 수 있다. 그러나, 2차 도파로는 단일 모드 광섬유와 결합될 경우, 수 센티미터 (cm)에 이르는 역테이퍼 길이가 필요하다는 단점이 있다.
이러한 현실적 제약으로 인해 종래의 광 결합기는 단일 모드 광섬유보다 작은 코어크기를 가지는 소형 코어의 광섬유에 접합될 수 있다. 그러나 소형 코어 광섬유는 광섬유와 도파로간의 배열 오차(misalignment)에 따른 광연결 효율 저하가 크고, 광모듈 패키징 비용 증가로 인한 생산성 저하를 야기하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 광 손실을 최소화할 수 있는 광 결합기 및 그를 구비한 광학 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 생산성을 향상시킬 수 있는 있는 광 결합기 및 그를 구비한 광학 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광 결합기는, 기판; 상기 기판 상의 버퍼 층; 및 상기 버퍼 층 상에서 일 방향으로 연장되는 수평 모드 확장 층과, 상기 수평 모드 확장 층의 양측에 연결되는 서로 다른 직경 또는 단면을 갖는 복수개의 광 전송 장치들 간의 단차를 조절하고, 광 전송 장치들 간의 광 손실을 최소화시키기 위해 상기 수평 모드 확장 층의 일측 상에 배치된 수직 모드 확장 층을 구비한 광 결합 층을 포함한다.
상기 광 결합 층의 상기 수평 모드 확장 층은, 상기 수직 모드 확장 층에 대향되는 타측에 배치되고, 일정한 선폭을 갖는 도파로 결합 영역; 상기 도파로 결합 영역에 연통되고, 상기 도파로 결합 영역에서 멀어지는 방향에 대해 점진적으로 증가된 선폭을 갖는 수평 확장 영역; 및 상기 수평 확장 영역에 연통되고, 상기 수평 확장 영역에서 멀어지는 방향으로 동일한 선폭을 갖는 수직 확장 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 수직 확장 영역에서의 상기 광 결합 층의 선폭과 높이는 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 수직 모드 확장 층은 상기 수직 확장 영역 상에 제한적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 수직 모드 확장 층은 상기 광 결합 층의 상기 수평 확장 영역에서 멀어질수록 점진적으로 증가된 선폭을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 수직 모드 확장 층은 상기 수평 확장 영역으로부터 멀어질수록 증가되는 방향에 대해 순차적으로 증가된 높이를 갖도록 계단 모양으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 수직 모드 확장 층은 상기 수평 확장 영역으로부터 멀어질수록 증가된 높이를 갖도록 경사질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 결합층은 실리콘 산 질화막을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 버퍼 층은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 기판은 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 광학 장치는, 기판; 상기 기판 상의 버퍼 층; 상기 버퍼 층 상의 일 측에 배치된 광 도파로; 상기 광 도파로에 대향되는 상기 버퍼 층 상의 타측에 배치된 광섬유; 및 상기 광섬유와 상기 광 도파로 사이에 접합된 수평 모드 확장 층과, 상기 광섬유에 접합된 상기 수평 모드 확장 층의 상에 배치된 수직 모드 확장 층을 구비한 광 결합 층을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광 도파로는 상기 광섬유의 단면보다 작은 선폭과 두께를 가질 수 잇다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 도파로는 상기 광 결합 층의 상기 수평 확장 층 내에 삽입될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광 도파로는 상기 광 결합 층 외부에 배치된 직선 영역(straight region)과, 상기 광 결합 층의 내부에 배치되고 상기 직선 영역보다 줄어든 선폭을 갖는 테이퍼진 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 결합 층의 상기 수평 모드 확장 층은, 상기 수직 모드 확장 층에 대향되는 타측에 배치되고, 일정한 선폭을 갖는 도파로 결합 영역; 상기 도파로 결합 영역에 연통되고, 상기 도파로 결합 영역에서 멀어지는 방향에 대해 점진적으로 증가된 선폭을 갖는 수평 확장 영역; 및 상기 수평 확장 영역에 연통되고, 상기 수평 확장 영역에서 멀어지는 방향으로 동일한 선폭을 갖는 수직 확장 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 테이퍼진 영역은 상기 도파로 접합 영역 내에 제한적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 수평 모드 확장 층 및 상기 수직 모드 확장 층은 상기 광섬유의 직경과 동일한 두께 및 선폭을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광 도파로는 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 결합 층은 실리콘 산 질화막을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광섬유는 상기 실리콘보다 작고 상기 실리콘 산 질화막보다 큰 굴절률을 갖는 실리카 또는 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광 결합기는 수평 모드 확장 층과 수직 모드 확장 층을 포함할 수 있다. 수평 모드 확장 층은 일방향으로 연장될 수 있다. 수직 모드 확장 층은 수평 모드 확장 층의 일측 상에 배치될 수 있다. 수평 모드 확장 층은 광 도파로 및 광 섬유와 접합될 수 있다. 광 도파로는 광섬유의 직경보다 작은 단면적을 가질 수 있다. 수평 모드 확장 층은 도파로 접합 영역과, 수평 확장 영역 및 수직 확장 영역을 가질 수 있다. 도파로 접합 영역은 광 도파로와 수평 모드 확장 층이 접합되는 영역이다. 광 도파로는 수평 모드 확장 층 내에 삽입될 수 있다. 수직 확장 영역은 도파로 접합 영역보다 큰 선폭을 가질 수 있다. 수평 확장 영역은 도파로 접합 영역과 수직 확장 영역을 연결하는 영역이다. 수직 모드 확장 층은 수직 확장 영역 상에 역테이퍼진 모양으로 배치될 수 있다. 수직 확장 영역의 수평 모드 확장 층과 수직 모드 확장 층은 광섬유에 접합될 수 있다. 광섬유는 수평 모드 확장 층과 수직 모드 확장 층의 선폭 및 높이와 동일한 직경을 가질 수 있다. 광 결합기는 역테이퍼진 모양을 갖는 수직 모드 확장 층의 팁의 선폭에 비례하는 광 손실을 가질 수 있다. 수직 모드 확장 층의 팁의 선폭이 1㎛이하로 줄어들 경우, 광 결합기는 광 손실이 거의 없이 광 신호를 전달할 수 있다. 또한, 수평 모드 확장 층 상의 역테이퍼진 수직 모드 확장 층은 광 결합기의 길이를 기존의 일정한 단면을 가지는 2차 도파로를 갖는 광결합기보다 월등히 감소시킬 수 있다. 광 결합기의 길이 축소는 광 접합 회로 또는 광학 장치의 생산단가를 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 광 결합기 및 그를 구비한 광학 장치는 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 광 결합기의 단면을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2a 내지 도 2d의 광 결합기의 단면에서 각기 계산된 광 모드를 나타내는 도면들이다.
도 4는 수직 모드 확장 층의 팁의 단면 선폭에 따른 광 손실을 계산하여 나타낸 그래프들이다.
도 5는 수평 모드 확장 층및 수직 모드 확장 층를 갖는 본 발명의 광 결합기와 역테이퍼진 실리콘 도파로와 일정한 단면을 가지는 2차 도파로를 갖는 일반적인 광 결합기 각각의 길이에 따라 계산된 광 손실을 비교하여 나타낸 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광학 장치를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광학 장치를 나타내는 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(prising)"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 장치를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 장치는, 기판(10), 버퍼 층(20), 광 도파로(30), 광섬유(40), 및 광 결합기(70)를 포함할 수 있다.
기판(10)은 평탄면을 제공할 수 있다. 버퍼 층(20)은 기판(10) 보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 기판(10)은 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있다. 버퍼 층(20)은 실리콘보다 낮은 굴절률의 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 실리콘은 약 3.4정도의 굴절률을 가질 수 있다. 실리콘 산화막은 약 1.45정도의 굴절률을 가질 수 있다.
광 도파로(30)는 버퍼 층(20) 일측 상에 일방향으로 배치될 수 있다. 광 도파로(30)는 버퍼 층(20) 보다 높은 굴절률을 갖는 결정 실리콘, 다결정 실리콘, 또는 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 실시 변경 가능하다. 도시되지는 않았지만, 광 도파로(30)는 기판(10) 상으로 돌출된 리지 도파로(ridge waveguide)일 수 있다.
광섬유(40)는 광 도파로(30)에 대향되는 버퍼 층(20)의 타측 상에 배치될 수 있다. 광 도파로(30)와 광섬유(40)는 서로 분리된 채로 동일한 방향으로 연장될 수 있다. 광섬유(40)는 단일모드 광섬유를 포함할 있다. 광 도파로(30)는 광섬유(40)보다 작은 선폭과 두께를 가질 수 있다.
광 결합기(70)는 광 도파로(30)와 광섬유(40)를 연결할 수 있다. 광 결합기(70)는 광 도파로(30)의 실리콘보다 낮은 굴절률의 실리콘 산 질화막을 포함할 수 있다. 광섬유(40)는 실리콘 산 질화막보다 높고 실리콘보다 낮은 굴절률을 갖는 실리카 또는 화합물을 포함할 수 있다. 광 결합기(70)는 수평 모드 확장 층(50)과, 수직 모드 확장 층(60)을 포함할 수 있다. 수평 모드 확장 층(50)은 광 도파로(30) 및 광섬유(40)에 공통으로 접합될 수 있다. 수직 모드 확장 층(60)은 광섬유(40)에만 선택적으로 접합될 수 있다.
수평 모드 확장 층(50)은 도파로 접합 영역(52), 수평 확장 영역(54) 및 수직 확장 영역(56)을 가질 수 있다. 도파로 접합 영역(52)은 광 도파로(30)에 접합되는 영역이다. 광 도파로(30)는 도파로 접합 영역(52)의 단면보다 작은 선폭과 두께를 가질 수 있다. 도파로 접합 영역(52)은 일정한 선폭과 두께를 가질 수 있다. 광 도파로(30)는 도파로 접합 영역(52) 내에 제한적으로 삽입될 수 있다. 즉, 도파로 접합 영역(52)은 광 도파로(30)가 삽입되는 영역이다. 광 도파로(30)는 수평 모드 확장 층(50)의 도파로 접합 영역(52) 외부의 직선 영역(straight region, 32)과, 상기 도파로 접합 영역(52) 내의 테이퍼진 영역(tapered region, 34)을 포함할 수 있다. 직선 영역(32)은 일정한 선폭과 두께를 가질 수 있다. 반면, 테이퍼진 영역(34)은 직선 영역(32)로부터 멀어질수록 줄어드는 선폭을 가질 수 있다. 테이퍼진 영역(43)의 말단은 도파로 접합 영역(52) 내에 제한적으로 배치될 수 있다. 직선 영역(32)과 테이퍼진 영역(34)은 동일한 두께를 가질 수 있다.
수평 확장 영역(54)은 광 도파로(30) 또는 도파로 접합 영역(52)으로부터 멀어지는 방향으로 선폭이 점진적으로 증가되는 영역이다. 또한, 수평 확장 영역(54)은 도파로 접합 영역(52)와 수직 확장 영역(52)을 연결시키는 영역이다. 수직 확장 영역(56)은 도파로 접합 영역(52)보다 큰 선폭을 가질 수 있다. 도파로 접합 영역(52)과 수직 확장 영역(54)은 각기 서로 다른 일정한 선폭을 가질 수 있다. 따라서, 수평 확장 영역(54)은 도파로 접합 영역(52)에서 수직 확장 영역(52)까지 점진적으로 증가된 선폭을 가질 수 있다.
수직 확장 영역(56)은 수직 모드 확장 층(60)이 배치된 영역이다. 수직 확장 영역(56)의 수평 모드 확장 층(50)과 수직 모드 확장 층(60) 직접(directly) 접합된 부분으로서, 그들간의 경계가 구분되지 않을 수 있다.
수직 모드 확장 층(60)은 수평 모드 확장 층(50)의 수직 확장 영역(56) 상에서 일정한 두께를 가질 수 있다. 수직 모드 확장 층(60)은 광 도파로(30)에서부터 광섬유(40)까지의 방향으로 역방향으로 테이퍼진 선폭을 가질 수 있다. 역방향의 테이퍼진 수직 모드 확장 층(60)은 역테이퍼진 수직 모드 확장 층(reversed tapered vertical mode expander layer)으로 칭할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 광 결합기(70)의 단면을 순차적으로 나타내는 단면도들이다. 도 3a 내지 도 3d는 도 2a 내지 도 2d의 광 결합기(70)의 단면에서 각기 계산된 광 모드를 나타내는 도면들이다. 여기서, 도 3a 내지 도 3d의 가로축은 수평 모드 확장 층(50)의 선폭에 대응되고, 세로 축은 수평 모드 확장 층(50) 및 수직 모드 확장 층(60)의 높이에 대응된다.
도 1과, 도 2a 내지 도 3d를 참조하면, 광 모드는 도파로 접합 영역(52)에서부터 수직 확장 영역(56)까지 도파되면서, 그의 선폭과 높이가 점진적으로 증가될 수 있다. 도파로 접합 영역(52)에서의 제 1 광 모드(82)는 광 도파로(30)와 동일한 최소의 선폭과 높이를 가질 수 있다(도 2a 및 도 3a). 도파로 접합 영역(52)과 수평 확장 영역(54)의 경계면에서의 제 2 광 모드(84)는 광 도파로(30)보다 넓은 선폭과 증가된 높이를 가질 수 있다(도 2b 및 도3b). 제 2 광 모드(84)는 제 1 광 모드보다 증가된 선폭과 높이를 가질 수 있다. 수평 확장 영역(54) 및 수직 확장 영역(56)의 경계면에서의 제 3 광 모드(86)는 수평 확장 영역(54)과 유사한 거리의 선폭을 가질 수 있다(도 2c 및 도 3c). 제 3 광 모드(86)는 제 2 광 모드(84)보다 증가된 선폭을 가질 수 있다. 제 2 광 모드(84)와 제 3 광 모드(86)는 동일한 높이를 가질 수 있다. 수직 확장 영역(56)에서의 제 4 광 모드(88)는 수평 확장 영역(54)의 수평 모드 확장 층(50) 및 수직 모드 확장 층(50)과 유사한 높이와 선폭을 가질 수 있다. 제 4 광 모드(88)는 제 3 광 모드(86)보다 증가된 높이를 가질 수 있다.
한편, 수직 모드 확장 층(60)은 수평 모드 확장 층(50)의 수직 확장 영역(56) 상에 제한적으로 배치될 수 있다. 즉, 수직 모드 확장 층(60)의 팁(68)은 수직 확장 영역(56)에만 존재할 수 있다. 팁(68)의 선폭에 따라 광 손실이 달라질 수 있다.
도 4는 수직 모드 확장 층(60)의 팁(68)의 단면 선폭에 따른 광 손실을 계산하여 나타낸 그래프들이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 수직 모드 확장 층(60)의 팁(68)의 선폭이 작을 수록 광 손실이 줄어들 수 있다. 본 발명의 제 1 구조(80a)는 수직 모드 확장 층(60)의 팁(68)이 수직 확장 영역(56) 상에 존재하는 것이다(도 1). 설명 예의 제 2 구조(80b)는 수직 모드 확장 층(60)의 팁(68)이 수평 확장 영역(54) 상에 배치된 것이다. 본 발명의 제 1 구조(80a)는 팁(68)의 선폭이 약 2㎛ 이하일 때, 약 0.3dB 미만의 광 손실을 가질 수 있다. 반면, 제 2 구조(80b)는 약 2㎛ 이하의 선폭에서 약 1dB 이상의 광 손실을 가질 수 있다. 제 1 구조(도 1)는 상기 팁(68)이 수평 확장 영역(54) 상에 존재하는 제 2 구조(미도시)보다 작은 광 손실을 가질 수 있다.
광 손실의 감소는 광 모드의 수평 확장과 수직 확장이 복합적으로 수행되지 않고 개별적으로 분리되어 수행되기 때문일 수 있다. 즉, 수평 확장 영역과 수직 확장 영역이 분리되어 있기 때문이다. 광 모드는 수평 모드 확장 층(50)의 수평 확장 영역(54)에서 수평 확장된 후에 수직 확장 영역(54)의 수평 모드 확장 층(50)과 수직 모드 확장 층50)에서 수직 확장될 수 있다. 광 결합기(70)는 수직 모드 확장 층(60)의 팁(68)의 선폭에 비례하는 광 손실을 가질 수 있다. 팁(68)의 선폭이 1㎛이하로 줄어들 경우, 광 결합기(70)는 광 손실이 거의 없이 광 신호를 전달할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 장치는 광 손실을 최소화할 수 있다.
도 5는 수평 모드 확장 층(50) 및 수직 모드 확장 층(60)를 갖는 본 발명의 광 결합기(70)와 역테이퍼진 실리콘과 일정한 크기의 2차 도파로를 갖는 일반적인 광 결합기 각각의 길이에 따라 계산된 광 손실을 비교하여 나타낸 그래프들이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명에서의 광 결합기(70)는 일정한 크기의 2차 도파로를 갖는 일반적인 광 결합기보다 짧은 길이로 광 손실을 감소시킬 수 있다. 본 발명에서의 광 결합기(70)는 750?이상의 길이를 가질 때, 약 0.1dB 미만의 광 손실을 가질 수 있다(90a). 역테이퍼진 일반적인 광 결합기(미도시)는 6mm 길이 이상으로 설계될 때, 약 0.1dB 미만의 광 손실을 가질 수 있다(90b). 0.1dB 미만의 광 손실을 갖는 광 결합기(70)는 상용화 또는 표준화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 장치는, 광 도파로(30)와 광섬유(40) 사이를 최소화된 길이로 연결하는 광 결합기(70)를 가질 수 있다. 최소화된 길이의 광 결합기(70)는 광 접합 회로의 칩 비용을 감소시키며 단면적이 큰 광섬유와 광결합 효율을 높여 패키징 비용을 절감시키는 효과를 가져오므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광학 장치를 나타내는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광학 장치는 계단 구조의 복수개의 수평 모드 확장 층들(60)을 구비한 광 결합기(70)를 포함할 수 있다. 수평 모드 확장 층들(60)은 제 1 수평 모드 확장 층(62), 제 2 수평 모드 확장 층(64), 및 제 3 수평 모드 확장 층(68)을 포함할 수 있다. 제 2 수평 모드 확장 층(64)은 제 1 수평 모드 확장 층(62)보다 짧을 수 있다. 제 3 수평 모드 확장 층(68)은 제 2 수평 모드 확장 층(64)보다 짧을 수 있다. 본 발명의 제 2 실시 예는 제 1 실시 예에서의 광 결합기(70)의 수평 모드 확장 층(60)이 복수개의 계단 형식으로 적층된(stacked) 제 1 내지 제 3 수평 모드 확장 층(62, 64, 66)으로 이루어진 것이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광학 장치를 나타내는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광학 장치는 수직 모드 확장 층(60)을 구비한 광 결합기(70)를 포함할 수 있다. 수직 모드 확장 층(60)은 광섬유(40)에 가까워지면서 그의 두께가 증가되도록 경사질 수 있다. 경사각은 수직 모드 확장 층과, 수직 확장 영역(56)의 길이에 반비례할 수 있다. 본 발명의 제 3 실시 예는 제 1 실시 예에서의 수평 모드 확장 층(60)이 광 도파로(30)에서부터 광섬유(40)까지의 방향에 대해 점진적으로 증가되는 두께를 갖도록 경사진 것이다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기판 20: 버퍼 층
30: 광 도파로 32: 직선 영역
34: 테이퍼진 영역 40: 광섬유
50: 수평 모드 확장 층 52: 도파로 접합 영역
54: 수평 확장 영역 56: 수직 확장 영역
60: 수직 모드 확장 층 62: 제 1 수직 모드 확장 층
64: 제 2 수직 모드 확장 층 66: 제 3 수직 모드 확장 층
68: 팁 70: 광 결합기
80a: 본 발명의 제 1 구조 80b: 설명예의 제 2 구조
82: 제 1 광 모드 84: 제 2 광 모드
86: 제 3 광 모드 88: 제 4 광 모드
90a: 본 발명의 광 결합기
90b: 일정한 크기의 2차 도파로를 갖는 일반적인 광 결합기

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 버퍼 층; 및
    상기 버퍼 층 상에서 일 방향으로 연장되는 수평 모드 확장 층과, 상기 수평 모드 확장 층의 양측에 연결되는 서로 다른 직경 또는 단면을 갖는 복수개의 광 전송 장치들 간의 단차를 조절하고, 광 전송 장치들 간의 광 손실을 최소화시키기 위해 상기 수평 모드 확장 층의 일측 상에 배치된 수직 모드 확장 층을 구비한 광 결합 층을 포함하되,
    상기 광 결합 층의 상기 수평 모드 확장 층은:
    상기 수직 모드 확장 층에 대향되는 타측에 배치되고, 일정한 선폭을 갖는 도파로 결합 영역;
    상기 도파로 결합 영역에 연통되고, 상기 도파로 결합 영역에서 멀어지는 방향에 대해 점진적으로 증가된 선폭을 갖는 수평 확장 영역; 및
    상기 수평 확장 영역에 연통되고, 상기 수평 확장 영역에서 멀어지는 방향으로 동일한 선폭을 갖는 수직 확장 영역을 포함하는 광 결합기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 확장 영역에서의 상기 광 결합 층의 선폭과 높이는 동일한 광 결합기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 모드 확장 층은 상기 수직 확장 영역 상에 제한적으로 배치된 광 결합기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 모드 확장 층은 상기 광 결합 층의 상기 수평 확장 영역에서 멀어질수록 점진적으로 증가된 선폭을 갖는 광 결합기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수직 모드 확장 층은 상기 수평 확장 영역으로부터 멀어질수록 증가되는 방향에 대해 순차적으로 증가된 높이의 계단 모양으로 적층된 구조를 갖는 광 결합기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 수직 모드 확장 층은 상기 수평 확장 영역으로부터 멀어질수록 증가된 높이를 갖도록 경사진 광 결합기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 결합층은 실리콘 산 질화막을 포함하는 광 결합기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼 층은 실리콘 산화막을 포함하는 광 결합기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘을 포함하는 광 결합기.
  11. 기판;
    상기 기판 상의 버퍼 층;
    상기 버퍼 층 상의 일 측에 배치된 광 도파로;
    상기 광 도파로에 대향되는 상기 버퍼 층 상의 타측에 배치된 광섬유; 및
    상기 광섬유와 상기 광 도파로 사이에 접합된 수평 모드 확장 층과, 상기 광섬유에 접합된 상기 수평 모드 확장 층의 상에 배치된 수직 모드 확장 층을 구비한 광 결합 층을 포함하되,
    상기 광 도파로는 상기 광섬유의 단면보다 작은 선폭과 두께를 갖고,
    상기 광 도파로는 상기 광 결합 층의 상기 수평 모드 확장 층 내에 삽입되고,
    상기 광 도파로는 상기 광 결합 층 외부에 배치된 직선 영역(straight region)과, 상기 광 결합 층의 내부에 배치되고 상기 직선 영역보다 줄어든 선폭을 갖는 테이퍼진 영역을 포함하는 광학 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 결합 층의 상기 수평 모드 확장 층은,
    상기 수직 모드 확장 층에 대향되는 타측에 배치되고, 일정한 선폭을 갖는 도파로 결합 영역;
    상기 도파로 결합 영역에 연통되고, 상기 도파로 결합 영역에서 멀어지는 방향에 대해 점진적으로 증가된 선폭을 갖는 수평 확장 영역; 및
    상기 수평 확장 영역에 연통되고, 상기 수평 확장 영역에서 멀어지는 방향으로 동일한 선폭을 갖는 수직 확장 영역을 포함하는 광학 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 테이퍼진 영역은 상기 도파로 접합 영역 내에 제한적으로 배치된 광학 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 수평 모드 확장 층 및 상기 수직 모드 확장 층은 상기 광섬유의 직경과 동일한 두께 및 선폭을 갖는 광학 장치.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 도파로는 실리콘을 포함하는 광학 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광 결합 층은 실리콘 산 질화막을 포함하는 광학 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광섬유는 상기 실리콘보다 작고 상기 실리콘 산 질화막보다 큰 굴절률을 갖는 실리카 또는 화합물을 포함하는 광학 장치.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105209947B (zh) * 2013-12-20 2018-12-25 华为技术有限公司 光波导与单模光纤的耦合方法和耦合装置
JP6369036B2 (ja) * 2014-02-04 2018-08-08 日本電気株式会社 光導波路及び光導波路の製造方法
WO2015127565A1 (en) * 2014-02-28 2015-09-03 Teraxion Inc. High index element-based spot-size converter for optical mode conversion and evanescent coupling between two waveguides
US9778416B2 (en) * 2014-08-25 2017-10-03 Micron Technology, Inc. Method and structure providing a front-end-of-line and a back-end-of-line coupled waveguides
KR101930369B1 (ko) * 2016-08-04 2018-12-18 국민대학교산학협력단 실리콘 벌크 기판을 활용한 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치
KR102373209B1 (ko) * 2017-03-30 2022-03-15 한국전자통신연구원 모드 크기 변환기 및 이의 제조 방법
US10649148B2 (en) 2017-10-25 2020-05-12 Skorpios Technologies, Inc. Multistage spot size converter in silicon photonics
KR102553852B1 (ko) 2017-11-10 2023-07-13 한국전자통신연구원 광 결합 장치 및 그의 제조 방법
US10663669B2 (en) * 2018-09-10 2020-05-26 Lumentum Operations Llc Optical coupling structure for coupling an integrated silicon germanium photodetector/transimpedance amplifier and an integrated optics circuit
US11360263B2 (en) 2019-01-31 2022-06-14 Skorpios Technologies. Inc. Self-aligned spot size converter
US20200393619A1 (en) * 2020-08-27 2020-12-17 Intel Corporation Multi-layer silicon photonics apparatus
CN114460682B (zh) * 2020-11-09 2023-04-14 北京邮电大学 端面耦合器
CN114460687A (zh) * 2022-01-19 2022-05-10 杭州芯耘光电科技有限公司 一种应用于硅光芯片的耦合结构

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040017976A1 (en) 2000-12-14 2004-01-29 Hui Luo Optical waveguide termination with vertical and horizontal mode shaping
US20060115215A1 (en) * 2004-11-30 2006-06-01 Ansheng Liu Dual "cheese wedge" silicon taper waveguide
JP2006517673A (ja) * 2001-12-05 2006-07-27 ローム・アンド・ハース・エレクトロニック・マテリアルズ，エル．エル．シー． 垂直モードおよび水平モード形状を有する光導波路終端装置
JP2012042971A (ja) * 2001-10-30 2012-03-01 Hoya Corp Usa 光学装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6782146B2 (en) * 2001-09-28 2004-08-24 Corning Incorporated Multiple polarization combiner-splitter-isolator and method of manufacturing the same
JP2008509450A (ja) 2004-08-23 2008-03-27 モレックス インコーポレーテッド 光ファイバと一体型平面導波路との間の光結合効率を改善するためのシステム及びテーパ導波路並びにその製造方法
US7643710B1 (en) 2008-09-17 2010-01-05 Intel Corporation Method and apparatus for efficient coupling between silicon photonic chip and optical fiber

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040017976A1 (en) 2000-12-14 2004-01-29 Hui Luo Optical waveguide termination with vertical and horizontal mode shaping
JP2012042971A (ja) * 2001-10-30 2012-03-01 Hoya Corp Usa 光学装置
JP2006517673A (ja) * 2001-12-05 2006-07-27 ローム・アンド・ハース・エレクトロニック・マテリアルズ，エル．エル．シー． 垂直モードおよび水平モード形状を有する光導波路終端装置
US20060115215A1 (en) * 2004-11-30 2006-06-01 Ansheng Liu Dual "cheese wedge" silicon taper waveguide

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