KR102070349B1 - Lithium niobate-silicon nitride phase modulator and optical phased array antenna using the same - Google Patents

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이상신
임철순
이우빈
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

An optical phase alignment antenna according to one aspect of the present invention comprises: an optical power distributor which distributes a light wave inputted from a light source; a phase modulator based on LN-SiN, which controls the phase of the distributed light wave; and a lattice antenna based on SIN, which releases the light wave to a space corresponding to the controlled phase. Here, in the phase modulator based on LN-SiN, optical phase modulators are aligned in a plurality of rows. In addition, the optical phase modulators are characterized by comprising: a silicon substrate layer having a second electrode formed at an upper portion; a second insulation silica layer formed at the upper portion of the silicon substrate layer; a lithium niobite thin film layer formed at an upper portion of the insulation silica layer; a silicon nitride layer formed at an upper portion of the lithium niobite thin film layer; a first insulation silica layer formed at an upper portion of the silicon nitride layer; and a first electrode formed at an upper portion of the first insulation silica layer.

Description

리튬나이오베이트-실리콘나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나{Lithium niobate-silicon nitride phase modulator and optical phased array antenna using the same}Lithium niobate-silicon nitride based optical phase modulator and optical phased array antenna using the same

본 발명은 리튬나이오베이트- 실리콘 나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나에 관한 기술이다. The present invention relates to an optical phase modulator based on lithium niobate-silicon nitride and an optical phase array antenna using the same.

4차산업 혁명의 도래로 인하여 전자장치의 시스템 내부의 다양한 부품들 간의 통신에 기존의 금속 배선 대신 광도파로를 이용하는 광집적 회로(photonic integrated circuit; PIC)의 활용이 확대되고 있다. 이에 대한 실리콘 포토닉스 기반의 광통신 기술을 실리콘 포토닉스라고 한다. 광집적 회로는 전기 신호가 아닌 광신호로 정보를 전달하므로, 실리콘 포토닉스 기술을 이용한 광집적 회로를 구현하기 위해서는 실리콘 포토닉스 기반의 광위상변조기가 필요하다.With the advent of the Fourth Industrial Revolution, the use of photonic integrated circuits (PICs), which use optical waveguides instead of conventional metal wiring, is being used to communicate between various components within electronic system systems. Silicon photonics-based optical communication technology is called silicon photonics. Since optical integrated circuits transmit information by optical signals rather than electrical signals, silicon photonics-based optical phase modulators are required to implement optical integrated circuits using silicon photonics technology.

초연결, 초지능, 초융합으로 특정지어지는 4차 산업혁명에서 눈의 역할을 하는 초고속 빔포밍 기술 중요성이 증가되고 있다.The importance of ultra-fast beamforming technology, which plays the role of eyes in the fourth industrial revolution, which is characterized by hyper-connectivity, ultra-intelligence, and super-fusion, is increasing.

빔포밍 기술은 자율주행 자동차, 자유공간 광통신, 스마트 팩토리, 3D 스캐닝 등 다양한 분야에서 핵심적인 요소기술로 자리잡고 있다.Beamforming technology is becoming a key element technology in various fields such as autonomous vehicles, free space optical communication, smart factory, and 3D scanning.

현재까지 빔포밍 기술은 주로 MEMS mirror 와 motor가 사용된 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)를 통해서 구현되어 왔다. 이 방식들은 넓은 범위를 스캐닝 가능하고 상용화 단계에 있으나, 부피가 크고 제조비용도 비싸서 비경제적이며, 기계적 움직임으로 인한 마모로 인하여 신뢰성 보장에 문제가 발생될 수 있다.Until now, beamforming technology has been mainly implemented through light detection and ranging (LiDAR) using MEMS mirrors and motors. These methods are capable of scanning a wide range and are in the commercialization stage, but are bulky and expensive to manufacture, which is uneconomical, and wear due to mechanical movement may cause problems in reliability.

이에 대한 대응으로 기계적인 모터회전 방식 대신 광위상 배열이 사용된 라이다 연구가 활발히 진행되고 있다.In response to this, the LiDAR research, which uses an optical phase array instead of a mechanical motor rotation method, is being actively conducted.

현재 연구되고 있는 실리콘 기반의 광위상배열(Optical phased array (OPA)은 기계적 라이다에 비해 초소형사이즈 및 상당히 빠른 빔 scanning rate를 가지고 있으나, 열광학 효과를 기반으로 하여 스캐닝 속도가 수 kHz에 머무르는 수준이다.The silicon-based optical phased array (OPA) currently being studied has a very small size and considerably faster beam scanning rate compared to mechanical lidar, but the scanning speed remains at several kHz based on the thermo-optic effect. to be.

연구되고 있는 실리콘 기반의 광위상배열은 기존 반도체 집적회로에서 주로 사용되어온 실리콘 포토닉스 기술이 적용되며, 실리콘 포토닉스 기술은 실리콘(Silicon [Si]) 및 실리콘 나이트라이드 (Silicon nitride [Si3N4]: SiN)물질들이 사용된다.The silicon-based photophase array under study is applied to silicon photonics technology, which is mainly used in existing semiconductor integrated circuits, and silicon photonics technology is used for silicon (Si) and silicon nitride (Si3N4): SiN materials. Are used.

실리콘 포토닉스는 많은 유용성에도 불구하고, 실리콘의 낮은 전기 광학효과로 인해서, 위상변조를 위해 열광학 효과 등을 이용하여 수 kHz의 변조 속도에 머무르고 있다.Silicon photonics, despite its usefulness, remains at a modulation rate of several kHz due to the low electro-optic effect of silicon, using thermooptic effects for phase modulation.

실리콘 포토닉스 기반의 광도파로를 이용한 광위상변조기에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1768676호에 게시된 바 있다.Background art of an optical phase modulator using an optical waveguide based on silicon photonics has been published in Korean Patent Publication No. 10-1768676.

나노 포토닉스 기반의 광 위상배열 안테나에 대한 Optical phased arrays(US Publication US 2014/0192394 A1)에서 반도체 실리콘 소재를 기반으로 위상제어 광소자를 matrix형으로 집적한 광 위상배열 안테나가 제안된 바 있다.In optical phased arrays (US Publication US 2014/0192394 A1) for nanophotonics based optical phased array antennas, an optical phased array antenna in which a phase-controlled optical device is matrix-integrated based on a semiconductor silicon material has been proposed.

종래의 위상배열 안테나에서는 광파의 위상제어를 thermo-optic 효과에 의해 굴절률이 변화되는 원리를 이용한다. 종래의 발명에서는 안테나 전단에 광 지연선(optical delay line)을 설치하고, 광 지연선 부분에 전류를 주입해서 가열시켜서, 지연선 부분이 가열되어 온도가 올라가면, thermo-optic 효과에 의해 굴절률이 증가되어 지연선을 통과한 광파의 위상을 변화시키는 것이다. 종래의 기술과 같이, thermo-optic 효과를 이용할 경우에는 소모되는 소비전력이 크고 thermo-optic 에 의해 위상변조 속도에 한계가 있다.Conventional phased array antenna uses the principle that the refractive index is changed by the thermo-optic effect for phase control of light waves. In the conventional invention, an optical delay line is provided in front of the antenna, and an electric current is injected and heated in the optical delay line portion. When the delay line portion is heated and the temperature rises, the refractive index increases by the thermo-optic effect. Thus, the phase of the light wave passing through the delay line is changed. As in the prior art, when the thermo-optic effect is used, power consumption is large and the phase modulation speed is limited by the thermo-optic.

따라서, 이러한 Photonic OPA(Optical phased arrays) 구조는 주로 Si waveguide의 높은 굴절률(n = 3.5)과 Temperature sensitivity를 이용한 1D array의 광안테나로 이용된다.Therefore, this photonic optical phased arrays (OPA) structure is mainly used as the optical antenna of the 1D array using the high refractive index (n = 3.5) and temperature sensitivity of the Si waveguide.

또한, 실리콘 소재를 기반으로 하는 격자구조의 위상제어변조 가능한 광 위상 배열 안테나에 관한 기술은 대한민국 등록특허공보 10-1720434호에 게시된 바 있다.In addition, a technique related to a phase control modulated optical phased array antenna having a lattice structure based on a silicon material has been published in Korean Patent Publication No. 10-1720434.

등록특허 10-1720434에서는 광 발산기의 길이방향으로 충분한 공간을 확보하기 위하여 1xM 발산기 어레이 밖에 광 파워 분배기, 위상 제어기, 위상 공급선들을 배치한 특징을 갖고 있다. 등록특허 10-1720434에서는 1xM 발산기 어레이 N 개를 상하로 독립적으로 배치하고, 각 1xM 발산기 어레이에서 종방향 방사각도를 각기 다른 각도로 담당케 함으로써 2차원(2D) 공간의 빔 스캐닝 기능을 부여하는 구조를 특징으로 한다. In Patent No. 10-1720434, the optical power divider, the phase controller, and the phase supply lines are disposed outside the 1xM emitter array in order to secure sufficient space in the longitudinal direction of the light emitter. In Patent 10-1720434, N 1xM diverter arrays are arranged independently up and down, and each 1xM diverter array is provided with a beam scanning function of a two-dimensional (2D) space by having a longitudinal radiation angle at different angles. It is characterized by the structure.

실리콘 포토닉스의 낮은 속도의 전기 광학효과와 더불어 광 비선형성 문제를 해결해줄 수 있는 플랫폼 및 방사각에 대한 능동적 제어가 이루어질 수 있는 광위상배열(OPA)에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다.In addition to the low-speed electro-optic effects of silicon photonics, research on optical phase arrays (OPAs), which can actively control the optical nonlinearity problem and active control of the emission angle, has been continuously conducted.

여기에는 인가 전계에 의하여 굴절률이 변하는 특성인 전기광학효과(electro -optic effect)가 크고, Si 대비 낮은 온도 특성을 가지며, 수 GHz에 이르는 높은 속도의 변조 특성을 가지고 있는 이상적인 전기광학 물질로 여겨지는 리튬나이오베이트(Lithium Niobate [LN])를 효과적으로 위상변조기에 적용할 수 있는 방법이 요구된다.It is considered to be an ideal electro-optic material that has a large electro-optic effect, which is a property of changing the refractive index by an applied electric field, has a low temperature characteristic compared to Si, and has a high speed modulation characteristic of several GHz. There is a need for a method that can effectively apply lithium niobate (Lithium Niobate [LN]) to the phase modulator.

종래에 실리콘 나이트라이드를 이용한 도파물질에 대한 포토닉스의 대한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 2007-0117378(도파물질을 포함하는 집적 포토닉스)에 게시된 바 있다.Background Art Background of the photonics of a waveguide material using silicon nitride has been published in the Republic of Korea Patent Publication 2007-0117378 (Integrated photonics containing a waveguide material).

대한민국 공개특허공보 2007-0117378(도파물질을 포함하는 집적 포토닉스)Korean Unexamined Patent Publication 2007-0117378 (Integrated Photonics Including Waveguide Material) 대한민국 등록특허공보 10-1720434호(광 위상배열 안테나)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1720434 (Optical Phased Array Antenna) 미국공개특허공보 US 2014/0192394 A1(Optical phased arrays)United States Patent Application Publication US 2014/0192394 A1 (Optical phased arrays)

본 발명은 본 발명은 리튬나이오베이트- 실리콘 나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나를 제공하는 것이다.The present invention is to provide an optical phase modulator based on lithium niobate-silicon nitride and an optical phase array antenna using the same.

본 발명의 또 다른 목적은 수 GHz에 이르는 높은 변조 특성을 제공할 수 있는 리튬나이오베이트- 실리콘 나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나를 제공하는 것이다It is still another object of the present invention to provide a lithium nanobate-silicon nitride based optical phase modulator capable of providing high modulation characteristics up to several GHz and an optical phase array antenna using the same.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects that are not mentioned will be clearly understood from the following description.

본 발명의 일측면에 따르면, 광 위상 배열안테나는, 광원으로부터 입력된 광파를 분배하는 광파워 분배기; 상기 분배된 광파의 위상을 제어하는 LN-SiN 기반의 광위상변조기; 및 상기 제어된 위상에 따른 광파를 공간으로 발산하는 SIN 기반의 격자 안테나; 를 포함하고, 상기 LN-SiN 기반의 위상변조기는 개별 광 위상변조기가 다수열로 배열된 것을 특징으로 하며, 상기 개별 광위상 변조기는 제2 전극이 상부에 형성된 실리콘 기판층; 상기 실리콘 기판층 상부에 형성된 제2 절연 실리카층; 상기 절연 실리카층 상부에 형성된 리튬나이오베이트 박막층; 상기 리튬나이오베이트 박막층 상부에 형성된 실리콘 나이트라이드층; 상기 실리콘 나이트라이드 층 상부에 형성된 제1 절연 실리카층; 및 상기 제1 절연 실리카층 상부에 형성된 제1전극; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, an optical phased array antenna includes: an optical power distributor for distributing light waves input from a light source; LN-SiN-based optical phase modulator for controlling the phase of the distributed light wave; And a SIN-based grating antenna that emits light waves according to the controlled phase into a space. The LN-SiN-based phase modulator is characterized in that the individual optical phase modulator is arranged in a plurality of columns, wherein the individual optical phase modulator comprises a silicon substrate layer having a second electrode formed thereon; A second insulating silica layer formed on the silicon substrate layer; A lithium niobate thin film layer formed on the insulating silica layer; A silicon nitride layer formed on the lithium niobate thin film layer; A first insulating silica layer formed on the silicon nitride layer; And a first electrode formed on the first insulating silica layer. Characterized in that it comprises a.

또한, 상기 리튬나이오베이트 박막층은 펨토초 레이저로 광이 통과하는 부분의 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)을 조사하여 상기 광 도파로의 양면의 굴절률을 상대적으로 낮춘 것을 특징으로 한다.In addition, the lithium niobate thin film layer is characterized by relatively low refractive index of both sides of the optical waveguide by irradiating both side surfaces of the portion to be formed as the optical waveguide of the portion through which the light passes with a femtosecond laser.

또한, 상기 리튬나이오베이트 박막층은 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)에 800nm 파장, 120fs 펄스폭(pulse width), 400 nJ ~ 600 nJ의 펄스 에너지를 갖는 펨토초 레이저로 조사하여 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the lithium niobate thin film layer is formed by irradiating a femtosecond laser having an 800 nm wavelength, a 120 fs pulse width, and a pulse energy of 400 nJ to 600 nJ on both side walls of a portion to be formed as an optical waveguide. It is characterized by.

또한, 상기 광 도파로는 1㎛의 폭으로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the optical waveguide is characterized in that formed in a width of 1㎛.

또한, 상기 광 도파로를 통과하는 입력 광신호는 상기 제1전극 및 제2 전극에 의해 상기 광 도파로에 수직으로 가해지는 전계에 따라 다음 식의 크기만큼의 굴절률이 변화된 출력 광신호(LO)가 얻어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the input optical signal passing through the optical waveguide has an output optical signal L O whose refractive index is changed by the following expression according to the electric field applied to the optical waveguide by the first electrode and the second electrode. It is obtained, It is characterized by the above-mentioned.

Figure 112019039398466-pat00001
Figure 112019039398466-pat00001

여기서, ne는 extraordinary굴절률(extraordinary refractive index), r33은 전기광학계수, E는 전기장의 세기임.Where n e is the extraordinary refractive index, r 33 is the electro-optic coefficient, and E is the strength of the electric field.

또한, 상기 다수열의 각 광 위상 변조기의 상부 전극으로부터 연장되어 제어단자로 각각 연결된 다수의 전극단자를 포함하며, 상기 다수의 전극 단자의 인가 전압은 광 위상이 인접한 열별로 선형적으로 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, a plurality of electrode terminals extending from the upper electrode of each of the plurality of optical phase modulator of the plurality of columns connected to the control terminal, respectively, wherein the applied voltage of the plurality of electrode terminals is set so that the optical phase increases linearly for each adjacent column It is characterized by.

또한, 상기 실리콘 나이트라이드층은 비정질 실리콘(a-Si)층 또는 TiO2층으로 치환할 수 있다.In addition, the silicon nitride layer may be replaced with an amorphous silicon (a-Si) layer or a TiO 2 layer.

또한, 상기 광파워 분배기는 상기 입력된 광파를 광파를 1:A 으로 분배하는 분배기를 n의 다단계로 연결하여 1:An으로 분배시키는 것을 특징으로 한다.The optical power distributor may divide the input optical wave into 1: A n by connecting a splitter for splitting the optical wave into 1: A in multiple stages of n .

또한, 상기 광파워 분배기, LN-SiN 기반의 광 위상변조기 및 SiN 기반의 격자 안테나는 동일한 채널수를 가지며 칩-to-칩 정렬을 통하여 하나의 소자로 결합되는 것을 특징으로 한다.In addition, the optical power divider, LN-SiN-based optical phase modulator and SiN-based grating antenna has the same number of channels, characterized in that they are combined into one device through chip-to-chip alignment.

또한, 상기 광 파워 분배기에서 각 분배기와의 사이 및 분배기에서 분배된 도파로는 SiN 도파관으로 연결되며, 상기 분배된 도파로와 상기 LN-SiN 기반의 광 위상변조기의 각 개별 광 위상변조기와의 연결 및 상기 각 개별 광위상변조기에서 상기 SiN 기반의 격자 안테나로의 연결은 SiN 도파관으로 연결되는 것을 특징으로 한다.In addition, the waveguides distributed between and in each of the optical power dividers and connected in the divider are connected to SiN waveguides, and the connection between the distributed waveguides and each individual optical phase modulator of the LN-SiN based optical phase modulator and the The connection from the individual optical phase modulator to the SiN based grating antenna is characterized in that it is connected to the SiN waveguide.

또한, 상기 SiN 기반의 격자 안테나는 실리카층 상에 형성된 SiN 도파관에 일정 주기(pitch)의 격자가 형성된 구조가 다수열로 배열된 구조로 형성되며, 상기 SiN 기반의 격자 안테나의 각열에서 방사되는 방사각 θ는 다음 식으로부터 구해지는 것을 특징으로 한다.In addition, the SiN-based lattice antenna is formed of a structure in which a plurality of structures in which a lattice of a predetermined pitch is formed in the SiN waveguide formed on the silica layer are arranged in a plurality of rows, and are radiated from each column of the SiN-based lattice antenna. The square θ is characterized by being obtained from the following equation.

Figure 112019039398466-pat00002
Figure 112019039398466-pat00002

수학식 2에서,

Figure 112019039398466-pat00003
는 입력 광파의 자유공간에서 중심 파장,
Figure 112019039398466-pat00004
는 격자의 주기,
Figure 112019039398466-pat00005
는 격자를 포함하는 광 도파로의 유효 귤절률(effective index), θ는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도를 나타낸다.In Equation 2,
Figure 112019039398466-pat00003
Is the center wavelength in the free space of the input light wave,
Figure 112019039398466-pat00004
Cycle of the grid,
Figure 112019039398466-pat00005
Is an effective index of the optical waveguide including the grating, and θ represents an emission angle at which the light intensity is the center of the diffraction pattern formed by diffraction of the light waves scattered from the periodic grating.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, LN-SiN 광위상변조기 배열과 SiN 격자 안테나를 결합하여 초고속 빔스캐닝(조향)이 가능한 LN-SiN 광위상배열 안테나를 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an LN-SiN optical phased array antenna capable of ultra-fast beam scanning (steering) may be implemented by combining an LN-SiN optical phase modulator array and a SiN grating antenna.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, LN-SiN 기반의 광 위상변조기와 SiN 광도파관과의 구조간 Chip-to-chip coupling를 통해 SiN 광안테나로 2D 스캐닝이 가능한 구조로 광위상 배열안테나가 구현될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an optical phased array antenna may be implemented in a structure capable of 2D scanning with a SiN optical antenna through chip-to-chip coupling between an LN-SiN-based optical phase modulator and a SiN optical waveguide. Can be.

또한 전기광학효과를 이용한 LN-SiN 기반의 위상변조기는 본 광위상 배열 안테나를 수 GHz에 달하는 초고속 위상 제어가 가능하도록 할 수 있다.In addition, the LN-SiN-based phase modulator using the electro-optic effect can enable the ultra-fast phase control of the optical phased array antenna up to several GHz.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 도파관 장치에서 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터 (LN thin film on insulator)층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 도파관 장치에서 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 고굴절률층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관에 대한 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 수행한 모드파일을 도시한 것이다.
도 4는 도 1에서 형성된 리튬나이오베이트 기판에 펨토초 레이저로 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면벽(side wall)을 을 각인하여 도파로를 형성하는 공정을 도시한 것이다.
도 5은 펨토초 레이저 가공공정을 수행한 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관에 대한 단면 이미지와 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 수행한 모드파일을 도시한 것이다.
도 6, 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광위상변조기의 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열안테나에 적용될 LN-SiN 기반의 광위상 변조기의 예를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 광위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나의 예를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파워 분배기의 입력단에 적용되는 모드 컨버터를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 SiN 기반의 격자 안테나의 발산기의 구조를 나타낸 것이다.
FIG. 1 illustrates a process of forming a lithium niobate (LN) thin film on insulator layer in an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates a process of forming a high refractive index layer on a lithium niobate (LN) thin film on insulator in an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates a mode file in which a finite-difference time-domain (FDTD) -based simulation of the silicon-lithium niobate photonics-based optical waveguide of FIG. 2 is performed.
FIG. 4 illustrates a process of forming a waveguide by stamping both sidewalls of a portion to be formed as a waveguide with a femtosecond laser on the lithium niobate substrate formed in FIG. 1.
FIG. 5 illustrates a cross-sectional image of a silicon-lithium niobate photonics-based optical waveguide performing a femtosecond laser processing process and a mode file in which a finite-difference time-domain (FDTD) -based simulation is performed.
6 and 7 show the structure of the individual optical phase modulator based on the LN-SiN according to an embodiment of the present invention.
8 illustrates an example of an LN-SiN-based optical phase modulator to be applied to an optical phased array antenna according to an embodiment of the present invention.
9 shows an example of an LN-SiN-based optical phase modulator and an optical phase array antenna using the same according to an embodiment of the present invention.
10 illustrates a mode converter applied to an input terminal of an optical power distributor according to an embodiment of the present invention.
11 illustrates a structure of an emitter of a SiN-based grating antenna according to an embodiment of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In the present application, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 기존 실리콘 포토닉스의 한계를 극복하기 위하여 전기광학 물질인 LN 박막이 접목된 Si-LN 포토닉스 기반의 광 도파층을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, in order to overcome the limitations of existing silicon photonics, an optical waveguide layer based on Si-LN photonics in which an LN thin film, which is an electro-optic material, is grafted.

리튬나이오베이트(Lithium Niohate: LiNbO3)는 인가 전계에 의하여 굴절률이 변하는 특성인 전기광학효과(electro -optic effect)가 커서 이를 이용하여 광스위치, 광변조기 등의 광도파로 소자로 이용될 수 있다.Lithium Niohate (LiNbO 3 ) may be used as an optical waveguide device such as an optical switch and an optical modulator by using an electro-optic effect, which is a property of changing refractive index by an applied electric field. .

이와 같은 리튬나이오베이트는 식각 공정이 용이하지 않아 도파로로 이용하기 위한 변형 공정에 많은 비용과 시간이 소요된다.Such a lithium niobate is not easy to etch process, it takes a lot of cost and time in the deformation process for use as a waveguide.

본 발명의 일 실시 예에서는 리튬나이오베이트(LN) 박막을 일반적으로 적용할 수 있는 반도체 증착 공정을 통하여 효율적이고 경제적인 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관을 제공한다.An embodiment of the present invention provides an efficient and economical silicon-lithium niobate photonics-based optical waveguide through a semiconductor deposition process in which a lithium niobate (LN) thin film is generally applicable.

도 1, 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관을 제조하는 공정을 도시한 것이다.1 and 2 illustrate a process of manufacturing an optical waveguide based on silicon-lithium niobate photonics according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광 도파관은 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼 또는 벌크(bulk) 실리콘 웨이퍼 상에 형성될 수 있다.An optical waveguide according to an embodiment of the present invention may be formed on a silicon on insulator (SOI) wafer or a bulk silicon wafer.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터 (LN thin film on insulator)층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.1 illustrates a process of forming a lithium niobate (LN) thin film on insulator layer according to an embodiment of the present invention.

예를 들면, SOI 실리콘 웨이퍼 상에 광 도파관을 형성하는 경우에는 도 1과 같이 실리콘 기판층(20) 상부에 형성된 절연 실리카층(10) 상부에 광도파로로 사용되는 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층을 형성하는 것을 포함하여 전체적으로 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터 (LN thin film on insulator)층을 형성한다. For example, when forming an optical waveguide on an SOI silicon wafer, a lithium niobate thin film (LiNbO 3 ) used as an optical waveguide on the insulating silica layer 10 formed on the silicon substrate layer 20 as shown in FIG. 1. Including a thin film (100) layer to form a layer of a lithium niobate (LN) thin film on insulator (LN) as a whole.

도 1은 실리콘기판층(20) 상에 형성된 절연 실리카층(10) 상에 광도파로로 사용되는 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층을 형성하는 공정을 나타낸다.FIG. 1 illustrates a process of forming a LiNbO 3 thin film 100 used as an optical waveguide on an insulating silica layer 10 formed on a silicon substrate layer 20.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 고굴절률층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates a process of forming a high refractive index layer on a lithium niobate (LN) thin film on insulator according to an embodiment of the present invention.

도 1의 공정에 이어서, 다음은 도 2와 같이 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 위에 비교적 굴절률이 높은 비정질 실리콘(a-Si)층, 실리콘나이트라이드(SiN)층 또는 TiO2층을 증착하여 고굴절률층(60)을 형성한다.Following the process of FIG. 1, next, as shown in FIG. 2, a relatively high refractive index amorphous silicon (a-Si) layer and silicon nitride (SiN) are formed on a LN thin film on insulator. A layer or a TiO 2 layer is deposited to form the high refractive index layer 60.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 비교적 굴절률이 높은 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘나이트라이드(SiN), 또는 TiO2를 증착하여 국부적으로 유효 굴절률을 증가시킬 수 있어서, 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파층을 형성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a relatively high refractive index of amorphous silicon (a-Si), silicon nitride (SiN), or TiO 2 on a lithium niobate (LN) thin film on insulator It is possible to locally increase the effective refractive index by depositing, thereby forming an optical waveguide layer based on silicon-lithium niobate photonics.

도 2를 참조하면, 유효 굴절률이 증가된 영역인 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층은 스트립 도파관으로써 동작한다. 실제 광신호에 활성화되는 영역은 리튬나이오베이트 박막층(100)이다.Referring to FIG. 2, a layer of LiNbO 3 thin film 100, which is an area in which the effective refractive index is increased, operates as a strip waveguide. The area activated to the actual optical signal is the lithium niobate thin film layer 100.

본 발명의 일 실시 예에서는 700nm 두께의 리튬나이오베이트(LN) 박막 층 위에 실리콘나이트라이드(SiN)층, 비정질 실리콘(a-Si)을 1um width에 두께 100nm 정도를 증착하여 strip waveguide 형성하여, 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관을 형성하였다.In one embodiment of the present invention by depositing a silicon nitride (SiN) layer, amorphous silicon (a-Si) layer thickness of about 100nm at 1um width on a lithium nano-bait (LN) thin film layer of 700nm thickness to form a strip waveguide, An optical waveguide based on silicon-lithium niobate photonics was formed.

도 3은 도 2의 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파층에 대한 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 수행한 모드파일을 도시한 것이다.FIG. 3 illustrates a mode file in which a finite-difference time-domain (FDTD) -based simulation of the silicon-lithium niobate photonics-based optical waveguide layer of FIG. 2 is performed.

도 3의 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 통해 검증한 Mode profile을 참조하면, 리튬나이오베이트 박막층(100)과 결합된 실리콘나이트라이드(SiN)층 또는 비정질 실리콘으로 형성된 고굴절률층(200)은 리튬나이오베이트 도파관을 형성함으로써, 효과적으로 실리콘- 복합 스트립 도파관을 형성할 수 있다. Referring to the mode profile verified through the finite-difference time-domain (FDTD) -based simulation of FIG. 3, a high refractive index formed of a silicon nitride (SiN) layer or amorphous silicon combined with the lithium niobate thin film layer 100. Layer 200 may form a lithium niobate waveguide, thereby effectively forming a silicon-composite strip waveguide.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광 도파관 장치에 의하면, 리튬나이오베이트(LN)박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 비교적 굴절률이 높은 비정질 실리콘(a-Si)이나 실리콘나이트라이드(SiN)층 또는 이산화티타늄(TiO2)을 증착시켜서 리튬나이오베이트(LN)의 유효굴절률을 부분적으로 올려줌으로써 도파로를 형성할 수 있어서, 식각 공정 없이 일반적인 반도체 증착 공정을 도입하여 경제적이고 효과적으로 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 형성할 수 있다.According to an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention, a relatively high refractive index of amorphous silicon (a-Si) or silicon nitride (SiN) on a lithium niobate (LN) thin film on insulator Waveguide can be formed by partially increasing the effective refractive index of lithium niobate (LN) by depositing a layer or titanium dioxide (TiO 2 ), thereby introducing a general semiconductor deposition process without an etching process. It is possible to form an optical waveguide based on a niobate photonics.

도 2의 실시 예에 따른 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관 의 경우, 일반적인 반도체 증착 공정으로 도파관 생성이 가능하여 경제적이고 효과적으로 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 형성할 수 있다. 그러나, 비교적 약한 모드 감금(mode confinement)으로 인해서 전파손실이 발생될 수 있다.In the case of an optical waveguide based on silicon-lithium niobate photonics according to the embodiment of FIG. 2, a waveguide can be generated by a general semiconductor deposition process, thereby economically and effectively forming an optical waveguide based on silicon-lithium niobate photonics. . However, propagation loss may occur due to relatively weak mode confinement.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 이와 같은 전파손실이 발생되는 단점을 줄이기 위한 방법으로 펨토초 레이저로 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)을 조사하여 도파로의 양면의 굴절률을 상대적으로 낮추어서 모드감금을 강하게 만드는 방법이 채택된다.In another embodiment of the present invention as a method for reducing the disadvantage of such a propagation loss occurs by irradiating both side surfaces of the portion to be formed as a waveguide with a femtosecond laser to relatively lower the refractive index of both sides of the waveguide mode restraint The method of making it strong is adopted.

도 4는 도 1에서 형성된 리튬나이오베이트 박막에 펨토초 레이저로 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면벽(side wall)을 각인하여 도파로를 형성하는 공정을 도시한 것이다,FIG. 4 illustrates a process of forming a waveguide by stamping both sidewalls of a portion to be formed as a waveguide with a femtosecond laser on the lithium niobate thin film formed in FIG. 1.

도 4를 참조하면, 펨토초 레이저를 이용하여 리튬나이오베이트(LN)의 박막 내부에 있는 waveguide 의 양쪽 side wall에 데미지(damage)를 가해주어 굴절률을 변화시킴으로써, 레이저 초점이 맺힌 곳의 높은 에너지 밀도로 리튬나이오베이트(LN) 특성이 변화하여 굴절률이 낮아지게 된다.Referring to FIG. 4, by using a femtosecond laser, damage is applied to both side walls of the waveguide inside the thin film of lithium niobate (LN) to change the refractive index, so that the high energy density at the point where the laser is focused. As the lithium niobate (LN) characteristics change, the refractive index is lowered.

예를 들면, 펨토초 레이저를 Dual-line으로 각인하여, 리튬나이오베이트 박막에서 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면벽(side wall)에 데미지를 가해주어 굴절률을 변화시키도록 가공한다. 이에 따라 리튬나이오베이트 박막의 가운데 공간에 mode confine가 일어나서 mode confinement가 증가하게 된다.For example, a femtosecond laser is imprinted with a dual-line, and processed to change the refractive index by damaging both side walls of the portion to be formed as the optical waveguide in the lithium niobate thin film. As a result, mode confinement occurs in the center space of the lithium niobate thin film, thereby increasing mode confinement.

본 발명의 일 실시 예에서는 도 4와 같은 공정으로 800nm 파장, 120fs 펄스폭(pulse width), 400nJ ~ 600nJ의 펄스 에너지를 갖는 펨토초 레이저를 Dual-line으로 조사하였으며, 레이저에서 출력되는 빛은 100배, NA= 0.85 를 갖는 대물렌즈에 의해서 리튬나이오베이트(LN) 박막층 내부에 초점이 맺히도록 조사되었고, 초점이 맺힌 부분 (focal area)은 주변에 비해 약 0.003 정도 굴절률이 감소하였다.In an embodiment of the present invention, a femtosecond laser having a 800 nm wavelength, a pulse width of 120 fs, and a pulse energy of 400 nJ to 600 nJ was irradiated with a dual-line, and the light output from the laser was 100 times. In addition, an objective lens having NA = 0.85 was irradiated to focus on the inside of the lithium niobate (LN) thin film layer, and the focal area of the focal area was reduced by about 0.003.

본 발명의 일 실시 예에 따른 펨토초 레이저는 30um/s 속도로 동작되도록 제어된다.Femtosecond laser according to an embodiment of the present invention is controlled to operate at a speed of 30um / s.

도 4의 펨토초 레이저 가공 공정에 이어서 도 2의 LN 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 실리콘 나이트라이드층으로 형성된 고굴절률층을 형성하는 공정을 수행하여 1㎛ 폭의 도파로를 가지는 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관을 형성할 수 있다.After the femtosecond laser machining process of FIG. 4, a high refractive index layer formed of a silicon nitride layer is formed on the LN thin film on insulator of FIG. 2 to form a silicon having a waveguide having a width of 1 μm. It is possible to form an optical waveguide based on lithium niobate photonics.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 비교적 굴절률이 높은 실리콘 나이트라이드층, a-Si SiN층, 또는 TiO2층을 증착시켜서 레이저 가공공정이 수행된 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 형성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a silicon nitride layer, a-Si SiN layer, or TiO 2 layer having a relatively high refractive index is deposited on a lithium niobate (LN) thin film on insulator. An optical waveguide based on silicon-lithium niobate photonics subjected to a laser processing process may be formed.

도 5은 펨토초 레이저 가공공정을 수행한 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관에 대한 단면 이미지와 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 수행한 모드파일을 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a cross-sectional image of a silicon-lithium niobate photonics-based optical waveguide performing a femtosecond laser processing process and a mode file in which a finite-difference time-domain (FDTD) -based simulation is performed.

도 5를 참조하면, 도 3에 비하여 도파로의 양 측 경계면에 접하는 부분에 펨토초 레이저에 의한 굴절률변화에 의해 모드감금(mode confinement) 특성이 증가한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the mode confinement characteristic is increased due to the change of the refractive index by the femtosecond laser in the portion of the waveguide that is in contact with both boundary surfaces.

위와 같이 레이저 가공공정을 수행하여 형성된 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관은 모드감금(mode confinement) 특성이 증가하여 전파손실의 발생을 줄일 수 있는 초미세 광도파로를 형성할 수 있다.The optical waveguide based on silicon-lithium niobate photonics formed by performing a laser processing process as described above may form an ultra-fine optical waveguide that may reduce the generation of propagation loss by increasing mode confinement characteristics.

도 6, 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광위상변조기의 구조를 도시한 것이다.6 and 7 show the structure of the individual optical phase modulator based on the LN-SiN according to an embodiment of the present invention.

도 6, 7은 도 3, 4의 실시 예에 따른 펨토초 레이저 가공공정을 수행하여 형성된 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 이용한 개별 광위상변조기의 구조를 도시한 것이다.6 and 7 illustrate structures of individual optical phase modulators using a silicon-lithium niobate photonics-based optical waveguide formed by performing a femtosecond laser processing process according to the embodiments of FIGS. 3 and 4.

도 6은 펨토초 레이저 가공공정이 수행된 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 중심으로 상, 하에 전극을 형성한 초미세 개별 광위상변조기의 정면(X-Y)을 나타낸 것이고, 도 7은 그 측면(X-Z)을 나타낸 것이다.FIG. 6 illustrates a front surface (XY) of an ultrafine individual optical phase modulator in which electrodes are formed on the top and bottom of a silicon-lithium niobate photonics-based optical waveguide on which a femtosecond laser processing process is performed, and FIG. The side surface XZ is shown.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘-리튬나이오베이트 기반의 초미세 개별 광 위상변조기는 제2 전극(42)이 상부에 형성된 실리콘기판층(20) 상에 형성된 제1 절연 실리카층(10)과 상기 절연 실리카층(10) 상에 형성되며 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면벽(side wall)에 펨토초 레이저에 의해 가공된 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층이 형성되며, 상기 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층 상부에 실리콘 나이트라이드(SiN) 재질의 고굴절률층(60)이 형성되고, 상기 고굴절률층(60) 상부에 제1전극(41)이 형성되는 것을 포함한다.Referring to FIG. 6, an ultra-fine individual optical phase modulator based on silicon-lithium niobate according to an embodiment of the present invention may include a first formed on the silicon substrate layer 20 having the second electrode 42 formed thereon. LiNbO3 thin film 100 that is formed on the insulating silica layer 10 and the insulating silica layer 10 and is processed by femtosecond laser on both side walls of the portion to be formed as the optical waveguide. ) Is formed, a high refractive index layer 60 of silicon nitride (SiN) material is formed on the LiNbO3 thin film (LiNbO3 thin film, 100) layer, the first on the high refractive index layer 60 The first electrode 41 is formed.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 고굴절률층(60) 상부에 제1전극(41) 사이에는 제1전극(41)의 절연과 결합을 용이하게 하기 위한 제2 실리카층(11)이 더 포함될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a second silica layer 11 is further provided between the first electrodes 41 on the high refractive index layer 60 to facilitate insulation and bonding of the first electrodes 41. May be included.

이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 개별 광위상 변조기는 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기로 제조될 수 있다.Accordingly, an individual optical phase modulator according to an embodiment of the present invention may be manufactured as an LN-SiN based optical phase modulator.

도 6, 7을 참조하면, 광 도파로(100)를 통과하는 입력 광신호(LI)는 제1, 2 전극(41, 42)에 의해 광도파로(105)에 수직으로 가해지는 전계에 따라 굴절률이 변화되어 위상이 쉬프트된 출력 광신호(LO)가 얻어진다.6 and 7, the input optical signal L I passing through the optical waveguide 100 has a refractive index according to an electric field applied perpendicularly to the optical waveguide 105 by the first and second electrodes 41 and 42. This change results in an output optical signal L O whose phase is shifted.

리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 105)은 전기장을 받으면 전기광학효과에 의해서 다음 수학식1의 크기만큼의 굴절률 변화가 유도된다.When the lithium niobate thin film (LiNbO 3 thin film) 105 is subjected to an electric field, a change in refractive index by the size of Equation 1 is induced by the electro-optic effect.

Figure 112019039398466-pat00006
Figure 112019039398466-pat00006

여기서, ne는 extraordinary굴절률(extraordinary refractive index), r33은 전기광학계수, E는 전기장의 세기를 나타낸다.Where n e is the extraordinary refractive index, r 33 is the electro-optic coefficient, and E is the intensity of the electric field.

본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기는 좁은 영역(도파로)에서의 광 에너지 밀도가 증가되는 것에 의해, 높은 전기광학 변조 효율을 얻음으로써 광신호 위상제어가 가능할 수 있다.The LN-SiN-based optical phase modulator according to an embodiment of the present invention may increase optical energy density in a narrow region (waveguide), thereby obtaining optical signal phase control by obtaining high electro-optic modulation efficiency.

본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광 위상 변조기는 식각 가공이 어려운 리튬나이오베이트 박막을 증착 공정 및 펨토초 레이저 가공 공정을 통해 효과적으로 제조할 수 있는 mode confinement 특성이 향상된 1㎛폭의 도파로(105)를 가지는 초미세 광위상 변조기를 제공할 수 있다.LN-SiN-based individual optical phase modulator according to an embodiment of the present invention 1 mode is improved in the mode confinement characteristics that can be effectively produced through the deposition process and femtosecond laser processing process of the lithium niobate thin film difficult to etch It is possible to provide an ultrafine optical phase modulator having a waveguide 105 of.

리튬나이오베이트는 높은 전기광학계수는 수 GHz 에 이르는 높은 변조 특성을 제공할 수 있어서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 초미세 광 위상 변조기는 변조 대역폭을 수 GHz 범위로 사용될 수 있다.Lithium niobate can provide high modulation characteristics of high electro-optic coefficient up to several GHz, so the ultra-fine optical phase modulator based on silicon-lithium niobate photonics according to an embodiment of the present invention can provide a modulation bandwidth. Can be used in the GHz range.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광 위상 변조기는 향상된 변조효율과 레이저 가공에 의한 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반에 의해 집적도를 증가 시킬 수 있다.In addition, LN-SiN-based individual optical phase modulator according to an embodiment of the present invention can increase the integration degree by the silicon-lithium niobate photonics based on the improved modulation efficiency and laser processing.

본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반 광 위상 변조기는 광집적회로(Photonic integrated circuit)를 포함하는 여러 응용분야에서 이상적인 플랫폼으로 폭넓게 적용될 수 있다.LN-SiN-based optical phase modulator according to an embodiment of the present invention can be widely applied as an ideal platform in various applications including a photonic integrated circuit.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열안테나에 적용될 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기의 예를 도시한 것이다.8 illustrates an example of an LN-SiN based optical phase modulator to be applied to an optical phased array antenna according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광 위상 변조기(201~208)가 일정 간격으로 배열된 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기와, 개별 광 위상 변조기(201~208)의 상부 전극으로부터 연장되어 제어단자로 각각 연결된 8개의 전극단자(e1 ~ e8)을 포함한다.8, an LN-SiN based optical phase modulator in which LN-SiN based individual optical phase modulators 201 to 208 according to an embodiment of the present invention are arranged at regular intervals, and an individual optical phase modulator 201. Eight electrode terminals e1 to e8 extending from the upper electrode of 208 and connected to the control terminal, respectively.

각 단자의 인가 전압은 모든 쌍의 인접한 열의 LN-SiN 기반의 개별 광 위상 변조기에서 동일하게 인가된 전압 차에 기인하여 단자 e1에서 단자 e8까지 광 위상이 선형적으로 증가(

Figure 112019039398466-pat00007
,
Figure 112019039398466-pat00008
,
Figure 112019039398466-pat00009
)하도록 설정된다.The applied voltage of each terminal is linearly increased in optical phase from terminal e1 to terminal e8 due to the same applied voltage difference in the LN-SiN-based individual optical phase modulators of all pairs of adjacent columns (
Figure 112019039398466-pat00007
,
Figure 112019039398466-pat00008
,
Figure 112019039398466-pat00009
It is set to

이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기는 채널들이 여러 개 모여서 위상배열을 이루고 각각의 채널의 위상을 조절하여 호이겐스의 원리를 기반으로 횡방향으로 빔 조향이 가능할 수 있다.Accordingly, the LN-SiN-based optical phase modulator according to an embodiment of the present invention may be capable of beam steering in the transverse direction based on the principle of Huygens by adjusting the phase of each channel by forming a plurality of channels to form a phased array. have.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나의 예를 도시한 것이다.9 illustrates an example of an LN-SiN-based optical phase modulator and an optical phased array antenna using the same according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열안테나는 광원으로부터 입력된 광파를 분배하는 광파워 분배기(300, power splitter), 상기 분배된 광파의 상기 광파의 위상을 제어하는 LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200) 및 상기 제어된 위상에 따른 광파를 공간으로 발산하는 SiN 기반의 격자 안테나(500, grating antenna)를 포함한다.The optical phased array antenna according to an embodiment of the present invention has an optical power splitter (300) for distributing light waves input from a light source, and an LN-SiN based optical phase for controlling the phase of the light waves of the distributed light waves. A modulator 200 and a grating antenna 500 based on an SiN that emits light waves according to the controlled phase into a space.

상기 LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200)는 개별 광위상변조기(201~208)가 다수열로 배열된 것을 특징으로 한다.The LN-SiN-based optical phase modulator 200 is characterized in that the individual optical phase modulators 201 to 208 are arranged in a plurality of columns.

상기 광파워 분배기(300, power splitter), LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200) 및 SiN 기반의 격자 안테나(500, grating antenna)는 각각 별개의 칩(chip)로 제조되어 결합될 수 있다.The optical power splitter 300, the LN-SiN-based optical phase modulator 200, and the SiN-based grating antenna 500 may be manufactured and combined as separate chips, respectively.

도 9를 참조하면, 상기 광 파워 분배기(300)에서 각 분배기와의 사이 및 분배기에서 분배된 도파로는 SiN 도파관으로 연결되며, 상기 분배된 도파로와 상기 LN-SiN 기반의 위상변조기의 각 개별 광 위상변조기(201~208)와의 연결 및 상기 각 광 위상변조기(201 ~208)로부터 상기 SiN기반의 격자 안테나(500) 배열로의 연결은 SiN 도파관으로 연결될 수 있다.Referring to FIG. 9, waveguides distributed between and in the optical power divider 300 and in each of the dividers are connected to SiN waveguides, and each individual optical phase of the distributed waveguide and the LN-SiN based phase modulator. Connections to the modulators 201 to 208 and from the respective optical phase modulators 201 to 208 to the SiN based grating antenna 500 array may be connected to the SiN waveguide.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 광파워 분배기(300, power splitter), LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200) 및 SIN 기반의 격자 안테나(500, grating antenna)는 동일한 채널수를 가지며 칩-to-칩 정렬을 통해서 하나의 소자로 결합될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, each optical power splitter 300, the LN-SiN-based optical phase modulator 200, and the SIN-based grating antenna 500 have the same number of channels and chips It can be combined into a single device through -to-chip alignment.

광파워 분배기(300)는 입력단에 광모드 변환기(Spot size converter (SSC))를 통하여 연결되며, 다중모드 커플러(Multimode interferometer coupler (MMI))를 통하여 분배되는 것을 포함할 수 있다.The optical power splitter 300 may be connected to an input terminal through a spot size converter (SSC) and distributed through a multimode interferometer coupler (MMI).

또한, LN-SiN 기반의 광 위상변조기 Chip과 SiN photonic 구조 간 결합은 SIN 도파로의 광모드변환(Spot-size converter : SSC)를 통해 연결될 수 있다.In addition, the coupling between the LN-SiN-based optical phase modulator chip and the SiN photonic structure may be connected through a spot-size converter (SSC) of the SIN waveguide.

이에 따라 LN 위상변조기의 도파로 구조형태는 Waveguide 및 Film 형태 등 모드를 지닌 형태에 한해서는 모두 적용이 가능하도록 제작될 수 있다.Accordingly, the waveguide structure of the LN phase modulator can be manufactured to be applicable to all forms having modes such as waveguide and film.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파워 분배기(300)의 입력단에 적용되는 광모드 변환기를 도시한 것이다.10 illustrates an optical mode converter applied to an input terminal of the optical power distributor 300 according to an embodiment of the present invention.

광모드 변환기(Spot size converter (SSC))는 빛이 파이버에서 SiN 도파관으로 손실 없이 전달될 수 있도록 Taper길이, width, height 를 고려하여, 모드 크기를 바꿔주는 역할을 한다.Spot size converter (SSC) changes the mode size in consideration of Taper length, width and height so that light can be transmitted from the fiber to the SiN waveguide without loss.

도 9를 참조하면, 광모드 변환기(Spot size converter (SSC))를 통하여 전달된 빛은 SiN 도파관을 통하여 실질적인 분배기 역할을 하는 다중모드 커플러(MMI)로 진행하여 분배된다.Referring to FIG. 9, the light transmitted through the spot size converter (SSC) proceeds and distributes through the SiN waveguide to a multi-mode coupler (MMI) which serves as a substantial distributor.

광파워 분배기(300)는 단일의 광원(Li))으로부터 입력되는 광파를 N개의 위상 변조기(201~208)로 분배시키기 위한 소자이다. 광파워 분배기(300)는 광파를 1:A 으로 분배하는 분배기를 n의 다단계로 연결하여 1:An으로 분배시킬 수도 있다. The optical power divider 300 is an element for distributing light waves input from a single light source Li to N phase modulators 201 to 208. The optical power divider 300 may connect the splitter for distributing the light waves in 1: A in multiple stages of n to divide the split in 1: A n .

일 예로 도 9를 참조하면, 제1 분배기는 광입력을 50:50 비율로 각 1:2로 분배하여 SiN 도파관을 통하여 연결되며, 제2분배기(311)에서는 2개의 1:2 분배기로 다시 각 1:4로 분배하고, 제3분배기(321)에서는 4개의 1:2 분배기로 다시 각 1:8로 분배된다.As an example, referring to FIG. 9, the first divider divides the optical input at a ratio of 1: 2 in a 50:50 ratio, and is connected through the SiN waveguide. In the second divider 311, the first divider is again divided into two 1: 2 dividers. 1: 4, and the third divider 321 is divided into four 1: 2 distributors, and 1: 8 each.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파워 분배기(300)는 1:2 분배기(311, 321)를 2단계로 분배시켜서 1:8 분배를 시행하여 LN-SiN 기반의 위상변조기(200)에 SiN 도파관(90)을 통하여 전송하는 예를 보여준다.Referring to FIG. 9, the optical power distributor 300 according to an embodiment of the present invention divides the 1: 2 distributors 311 and 321 in two stages to perform 1: 8 distribution to perform LN-SiN based phase modulators. An example of transmitting to the 200 through the SiN waveguide 90 is shown.

LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200)는 SiN 기반의 격자 안테나(500)에 각 발산기(501 ~508) 소자마다 위상이 등 간격으로 차이를 둔 광파를 공급하기 위하여, 광파의 위상을 제어하는 기능을 수행한다.The LN-SiN-based optical phase modulator 200 controls the phase of the optical wave to supply the light waves having phases equally spaced at intervals for each diverter element 501 to 508 to the SiN-based grating antenna 500. It performs the function.

광파의 위상을 각각의 발산기마다 위상을 등 간격으로 차이를 둠으로써 방사되는 광파들의 간섭에 의해 공간상에서 특정한 방향으로 좁은 발산각을 갖는 위상정합 빔이 형성될 수 있다. 위상배열의 각 광파 발산기마다 등 간격의 위상차이 ΔΦ를 -π ≤ ΔΦ ≤+π 사이에서 연속적으로 변화시켜 줌으로써 위상정합 빔은 공간상에서The phase matching beam having a narrow divergence angle in a specific direction in space may be formed by the interference of the emitted light waves by varying the phases of the light waves at equal intervals for each diverger. The phase-matching beam is spaced in space by continuously changing the phase difference ΔΦ at equal intervals between -π ≤ ΔΦ ≤ + π for each optical wave diverter of the phase array.

일정한 궤적을 따라 이동되며 빔 스캐닝 기능을 제공할 수 있다.It can be moved along a certain trajectory and provide a beam scanning function.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열안테나에는 도 8의 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기(200)가 적용된다.The LN-SiN based optical phase modulator 200 of FIG. 8 is applied to the optical phase array antenna according to the exemplary embodiment of the present invention.

격자 안테나(500)는 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기(200)의 제어된 위상에 기초한 광파를 공간으로 발산하는 기능을 수행한다.The grating antenna 500 emits light waves into space based on the controlled phase of the LN-SiN based optical phase modulator 200.

도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 SiN 기반의 격자 안테나의 발산기의 구조를 나타낸 것이다.11 illustrates a structure of an emitter of a SiN-based grating antenna according to an embodiment of the present invention.

도 11를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 SiN 기반의 격자 안테나는 실리카층 상에 형성된 SiN 도파관에 일정 주기(pitch)의 격자가 형성된 구조가 다수열로 배열된 구조로 형성된다.Referring to FIG. 11, a SiN-based grating antenna according to an embodiment of the present invention is formed in a structure in which a lattice of a predetermined pitch is formed in a SiN waveguide formed on a silica layer.

각 열의 격자 구조로부터 방사되는 출력 광파의 원거리장의 방사각은 회절(diffraction) 원리에 의하여 수학식 2을 활용하여 산출될 수 있다.The radiation angle of the far field of the output light wave emitted from the lattice structure of each column may be calculated by using Equation 2 based on a diffraction principle.

Figure 112019039398466-pat00010
Figure 112019039398466-pat00010

수학식 2에서,

Figure 112019039398466-pat00011
는 입력 광파의 자유공간에서 중심 파장,
Figure 112019039398466-pat00012
는 격자의 주기,
Figure 112019039398466-pat00013
는 격자를 포함하는 광 도파로의 유효 귤절률(effective index), θ는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도를 나타낸다.In Equation 2,
Figure 112019039398466-pat00011
Is the center wavelength in the free space of the input light wave,
Figure 112019039398466-pat00012
Cycle of the grid,
Figure 112019039398466-pat00013
Is an effective index of the optical waveguide including the grating, and θ represents an emission angle at which the light intensity is the center of the diffraction pattern formed by diffraction of the light waves scattered from the periodic grating.

도 10을 참조하면, 방사각도는 격자표면의 법선방향을 기준으로 벌어진 각도를 나타낸다.Referring to FIG. 10, the radiation angle represents an angle spread based on the normal direction of the grating surface.

유효 굴절률

Figure 112019039398466-pat00014
는 광 도파로의 소재와 광파의 파장에 따른 굴절률을 기반으로 하여 광 도파로의 구조에 따라 정해진다. Effective refractive index
Figure 112019039398466-pat00014
Is determined according to the structure of the optical waveguide based on the material of the optical waveguide and the refractive index according to the wavelength of the optical waveguide.

파장과 굴절률에 따라 방사 각도에 대한 의존성은 수학식 2를 통하여 산출될 수 있다. The dependence of the radiation angle on the wavelength and the refractive index may be calculated through Equation 2.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에서는 수학식 2에서 유효 굴절률

Figure 112019039398466-pat00015
을 전기적 제어에 의해 각각 변화시킴으로써 방사각 θ를 효과적으로 제어할 수 있다.Therefore, in an embodiment of the present invention, the effective refractive index in Equation 2
Figure 112019039398466-pat00015
Can be effectively controlled by changing the angle? By electrical control.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광위상변조기가 일정간격으로 배열된 LN-SiN 기반의 위상 변조기를 통과한 빛은 SiN 기반의 격자안테나에서 방출되는데, 이때 방출되는 빛의 종방향 각도는 빛의 파장과 격자 안테나의 유효굴절률에 의해서 결정될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the light passing through the LN-SiN-based phase modulator with the optical phase modulators arranged at a predetermined interval is emitted from the SiN-based lattice antenna, wherein the longitudinal angle of the emitted light is It can be determined by the wavelength and the effective refractive index of the grating antenna.

SiN 격자 안테나 도파로 및 LN-SiN 변조기의 채널 수는 방사각 범위 및 Multimode interferometer coupler (MMI)의 분배회로수(N)에 의하여 설계될 수 있다.The number of channels of the SiN grating antenna waveguide and the LN-SiN modulator can be designed by the radial angle range and the number of distribution circuits N of the multimode interferometer coupler (MMI).

이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열 안테나는 2D 스캐닝이 가능할 수 있다.Accordingly, the optical phased array antenna according to an embodiment of the present invention may be capable of 2D scanning.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, LN-SiN 광위상변조기 배열과 SiN 격자 안테나를 결합하여 초고속 빔스캐닝(조향)이 가능한 LN-SiN 광위상배열 안테나를 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an LN-SiN optical phased array antenna capable of ultra-fast beam scanning (steering) may be implemented by combining an LN-SiN optical phase modulator array and a SiN grating antenna.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, LN-SiN 기반의 광 위상변조기와 SiN 광도파관과의 구조간 Chip-to-chip coupling를 통해 SiN 광안테나로 2D 스캐닝이 가능한 구조로 광위상 배열안테나가 구현될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an optical phased array antenna may be implemented as a structure capable of 2D scanning with a SiN optical antenna through chip-to-chip coupling between an LN-SiN-based optical phase modulator and a SiN optical waveguide. Can be.

또한 전기광학효과를 이용한 LN-SiN 기반의 위상변조기는 본 광위상 배열 안테나를 수 GHz에 달하는 초고속 위상 제어가 가능하도록 할 수 있다.In addition, the LN-SiN-based phase modulator using the electro-optic effect can enable the ultra-fast phase control of the optical phased array antenna up to several GHz.

10: 절연 실리카층
20: 실리콘 기판층
41, 42: 전극
60: 고 굴절률층
100: 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film)층
200: LN-SiN 기반의 광위상 변조기
201~208: 개별 광위상변조기
300: 광파워 분배기
500: SiN 기반의 격자 안테나
e1~e8 : 전극단자
10: insulating silica layer
20: silicon substrate layer
41, 42: electrode
60: high refractive index layer
100: LiNbO3 thin film layer
200: LN-SiN-based optical phase modulator
201 to 208: individual optical phase modulators
300: optical power distributor
500: SiN-based grating antenna
e1 ~ e8: electrode terminal

Claims (10)

광위상 배열안테나에 있어서,
상기 광위상 배열안테나는
광원으로부터 입력된 광파를 분배하는 광파워 분배기;
상기 광파워 분배기에서 분배된 광파의 위상을 제어하는 LN-SiN 기반의 위상변조기; 및
상기 제어된 위상에 따른 광파를 공간으로 발산하는 SIN 기반의 격자 안테나; 를 포함하고,
상기 LN-SiN 기반의 위상변조기는 개별 광위상변조기가 다수열로 배열된 것을 특징으로 하며,
상기 개별 광위상변조기는
제2 전극이 상부에 형성된 실리콘 기판층;
상기 실리콘 기판층 상부에 형성된 제2 절연 실리카층;
상기 절연 실리카층 상부에 형성된 리튬나이오베이트 박막층;
상기 리튬나이오베이트 박막층 상부에 형성된 실리콘 나이트라이드층;
상기 실리콘 나이트라이드 층 상부에 형성된 제1 절연 실리카층; 및
상기 제1 절연 실리카층 상부에 형성된 제1전극; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
In an optical phase array antenna,
The optical phase array antenna
An optical power distributor for distributing light waves input from a light source;
An LN-SiN based phase modulator for controlling the phase of the light waves distributed by the optical power distributor; And
A SIN-based grating antenna for emitting light waves according to the controlled phase into a space; Including,
The LN-SiN based phase modulator is characterized in that the individual optical phase modulator is arranged in a plurality of columns,
The individual optical phase modulator
A silicon substrate layer having a second electrode formed thereon;
A second insulating silica layer formed on the silicon substrate layer;
A lithium niobate thin film layer formed on the insulating silica layer;
A silicon nitride layer formed on the lithium niobate thin film layer;
A first insulating silica layer formed on the silicon nitride layer; And
A first electrode formed on the first insulating silica layer; An optical phase array antenna comprising a.
제1항에 있어서,
상기 리튬나이오베이트 박막층은 펨토초 레이저로 광이 통과하는 부분의 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)을 각인하여 상기 광 도파로의 양면의 굴절률을 상대적으로 낮춘 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
The method of claim 1,
The lithium niobate thin film layer is an optical phase array, characterized in that the refractive index of both sides of the optical waveguide is relatively lowered by stamping both side walls of the portion to be formed as the optical waveguide of the portion where the light passes through the femtosecond laser. antenna.
제1항에 있어서,
상기 리튬나이오베이트 박막층은 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)에 800nm 파장, 120 fs 펄스폭(pulse width), 400 nJ ~ 600 nJ의 펄스 에너지를 갖는 펨토초 레이저로 조사하여 형성된 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
The method of claim 1,
The lithium niobate thin film layer is formed by irradiating a femtosecond laser having an 800 nm wavelength, a 120 fs pulse width, and a pulse energy of 400 nJ to 600 nJ on both side walls of a portion to be formed as an optical waveguide. Characterized by an optical phase array antenna.
제2항에 있어서,
상기 광 도파로를 통과하는 입력 광신호는 상기 제1전극 및 제2전극에 의해 상기 광 도파로에 수직으로 가해지는 전계에 따라 다음 식의 크기만큼의 굴절률이 변화된 출력 광신호가 얻어지는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.

Figure 112019108368998-pat00016

여기서, ne는 extraordinary굴절률(extraordinary refractive index), r33은 전기광학계수, E는 전기장의 세기를 의미함.
The method of claim 2,
The input optical signal passing through the optical waveguide is an optical phase obtained by obtaining an output optical signal whose refractive index is changed by the following equation according to an electric field applied perpendicularly to the optical waveguide by the first and second electrodes. Array antenna.

Figure 112019108368998-pat00016

Where n e is the extraordinary refractive index, r 33 is the electro-optic coefficient, and E is the strength of the electric field.
제1항에 있어서,
상기 다수열의 각 광 위상 변조기의 상부 전극으로부터 연장되어 제어단자로 각각 연결된 다수의 전극단자를 포함하며,
상기 다수의 전극 단자의 인가 전압은 광 위상이 인접한 열을 따라 선형적으로 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
The method of claim 1,
A plurality of electrode terminals extending from upper electrodes of each of the plurality of optical phase modulators and connected to control terminals, respectively;
And the applied voltages of the plurality of electrode terminals are set such that the optical phase increases linearly along an adjacent column.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 나이트라이드층은 비정질 실리콘(a-Si)층 또는 TiO2층으로 치환한 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
The method of claim 1,
The silicon nitride layer is an optical phase array antenna, characterized in that substituted by an amorphous silicon (a-Si) layer or TiO 2 layer.
제1항에 있어서,
상기 광파워 분배기는 상기 입력된 광파를 광파를 1:A 으로 분배하는 분배기를 n개의 다단계로 연결하여 1:An으로 분배시키는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
The method of claim 1,
The optical power splitter is a wave of the input light waves 1: Optical phased array antenna, comprising a step of distributing the A n: a distributor for distributing the A n connections in multiple stages to one.
제1항에 있어서,
상기 광파워 분배기, LN-SiN 기반의 광 위상변조기 및 SIN 기반의 격자 안테나는 동일한 채널수를 가지며 칩-to-칩 정렬을 통하여 하나의 소자로 결합되는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
The method of claim 1,
The optical power splitter, the LN-SiN-based optical phase modulator and the SIN-based grating antenna have the same number of channels and are coupled to one device through chip-to-chip alignment.
제1항에 있어서,
상기 광 파워 분배기에서 각 분배기와의 사이 및 각 분배기에서 분배된 도파로는 SiN 도파관으로 연결되며, 상기 분배된 도파로와 상기 각 개별 광위상변조기와의 연결 및 상기 각 개별 광 위상변조기에서 상기 SiN 기반의 격자 안테나로의 연결은 SiN 도파관으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
The method of claim 1,
In the optical power divider, the waveguides distributed between and in each of the dividers are connected by a SiN waveguide, and the distributed waveguides are connected to each of the individual optical phase modulators and the SiN-based at each individual optical phase modulator. An optical phased array antenna, characterized in that the connection to the grid antenna is connected to the SiN waveguide.
제1항에 있어서,
상기 SiN 기반의 격자 안테나는 실리카층 상에 형성된 SiN 도파관에 일정 주기(pitch)의 격자가 형성된 구조가 다수열로 배열된 구조로 형성되며,
상기 SiN 기반의 격자 안테나의 열에서 방사되는 방사각 θ는 다음 식으로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
[수학식 2]
Figure 112019039398466-pat00017

여기서,
Figure 112019039398466-pat00018
는 입력 광파의 자유공간에서 중심 파장,
Figure 112019039398466-pat00019
는 격자의 주기,
Figure 112019039398466-pat00020
는 격자를 포함하는 광 도파로의 유효 귤절률(effective index), θ는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도를 나타내는 것을 의미함.
The method of claim 1,
The SiN-based lattice antenna is formed of a structure in which a lattice of a predetermined pitch is formed in a SiN waveguide formed on a silica layer, arranged in a plurality of columns.
The radiation angle θ radiated from the heat of the SiN-based grating antenna is obtained by the following equation.
[Equation 2]
Figure 112019039398466-pat00017

here,
Figure 112019039398466-pat00018
Is the center wavelength in the free space of the input light wave,
Figure 112019039398466-pat00019
Cycle of the grid,
Figure 112019039398466-pat00020
Is an effective index of the optical waveguide including the grating, and θ represents an emission angle whose center of light intensity is the largest among diffraction patterns formed by diffraction of light waves scattered from the periodic grating.
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