KR102246017B1 - 편광 조절기 - Google Patents

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Abstract

편광 조절기를 제공한다. 이 편광 조절기는 기판; 상기 기판 상에 배치되고 직육면체 형태를 가지는 제 1 코어; 상기 제 1 코어와 상기 기판을 덮되 상단 모서리에 상기 제 1 코어와 평행한 그루브를 포함하는 제 1 클래딩 막; 및 상기 그루브 안에 배치되며 상기 제 1 코어에 인접한 제 1 측면과 하부면을 포함하는 금속 패턴을 포함한다.

Description

편광 조절기{Polarized controller}
본 발명은 편광 조절기에 관한 것이다.
정보화 사회에서 컴퓨터와 인터넷 기술의 급속한 발달로 인해 다양한 형태의 대용량 정보들을 빠르게 처리해야 하는 기술이 요구되고 있다. 구리배선을 기본으로 하여 전자기술에 의존하는 기존의 기술은 전송량과 그 속도에서 한계를 나타내고 있다. 초고속 정보 통신 사회의 요구에 부응하기 위해서는 대규모의 정보용량을 수용하는 광전송 기술의 개발이 필수적이다.
광통신 기술 발전에서 코히어런트(coherent) 기술을 이용한 고속 정보 통신 시스템은 기존 빛의 세기를 변조하는 방식[(on-off keying) direct amplitude modulation]에서 광신호의 위상을 변조하는 방식[phase shift keying (PSK)-phase modulation]이나 위상과 빛 세기를 동시에 변조하는 방식으로 발전하고 있다. 코히어런트 광통신 기술은 광신호의 위상 성분을 이용하는 것과 더불어 신호의 편광에 대해서도 서로 직교성을 갖는 TE(transverse electric)/TM(transverse magnetic) 빛을 이용할 수 있다. 코히어런트 광통신 기술 중 하나인 편광 다중화 방식에서는 TE와 TM을 각각 독립적으로 변조하여 합성시켜 빛을 전송하며, 이로써 데이터 용량을 두 배로 확장시킬 수 있다. 또한 코히어런트 광통신 기술에서는 빛의 세기나 빛의 위상을 변조하는 것과 같이 편광상태를 변조하여 신호를 전송하는 편광 변조 방식도 응용이 가능하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 선편광 성분 빛을 받아 다른 편광 성분으로 바꿀 수 있는 편광 조절기를 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 실시예들에 따른 편광 조절기는, 기판; 상기 기판 상에 배치되고 직육면체 형태를 가지는 제 1 코어; 상기 제 1 코어와 상기 기판을 덮되 상단 모서리에 상기 제 1 코어와 평행한 그루브를 포함하는 제 1 클래딩 막; 및 상기 그루브 안에 배치되며 상기 제 1 코어에 인접한 제 1 측면과 하부면을 포함하는 금속 패턴을 포함하며, 상기 편광 조절기는 제 1 편광축으로 선편광된(linearly polarized) 제 1 빛을 받아 상기 제 1 편광축에 대해 회전된 제 2 편광축으로 선편광된 상태로 출력한다.
상기 제 1 코어의 중심으로부터 상기 제 1 측면까지의 수평 거리는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다.
상기 제 1 코어의 상부면으로부터 상기 금속 패턴의 하부면까지의 수직 거리는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다.
상기 금속 패턴은 100nm~5㎛의 두께를 가질 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 기판은 상기 제 1 코어 쪽으로 돌출된 돌출부를 더 포함할 수 있으며, 상기 편광 조절기는, 상기 제 1 코어의 상부면과 상기 제 1 클래딩 막 사이에 개재되는 제 2 클래딩 막을 더 포함할 수 있다.
다른 예에 있어서, 상기 편광 조절기는 상기 기판 상에 배치되며 상기 제 1 코어와 이격된 제 2 코어를 더 포함하되, 상기 제 2 코어의 높이는 상기 제 1 코어의 폭과 같고, 상기 제 2 코어의 폭은 상기 제 1 코어의 높이와 같을 수 있다.
상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어 간의 간격은 100nm~3㎛일 수 있다.
상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어 사이의 중간지점으로부터 상기 제 1 측벽까지의 수평 거리는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다.
상기 금속 패턴은 상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어 모두로부터 이격될 수 있다.
상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어의 유효 굴절률들은 서로 동일할 수 있다.
상기 제 1 코어의 폭은 높이보다 크며, 상기 제 2 코어의 상부면으로부터 상기 금속 패턴의 하부면까지의 수직 거리는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다.
상기 제 1 빛은 상기 제 1 코어로 입사되어 상기 제 2 코어로 나올 수 있다.
또는 상기 제 1 빛은 상기 제 1 코어로 입사되고, 상기 제 1 빛의 일부는 상기 제 2 코어를 통해 상기 제 2 편광축으로 선편광된 상태로 출력되며, 상기 제 1 빛의 다른 일부는 상기 제 1 코어를 통해 상기 제 1 편광축으로 선편광된 상태로 출력될 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 제 2 편광축은 상기 제 1 편광축에 대해 90도 회전될 수 있다.
상기 금속 패턴은 상기 제 1 측면에 대향되는 제 2 측면을 포함하며, 상기 제 2 측면은 상기 기판의 측면과 수직적으로 정렬될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 편광 조절기는, 평면적으로 라인 형태를 가지는 돌출부를 포함하는 제 1 클래딩 막; 상기 돌출부 상에 배치되며 길쭉한 직육면체 형상을 가지는 코어; 상기 코어 상의 제 2 클래딩 막; 상기 제 2 클래딩 막, 상기 코어의 측벽 및 상기 제 1 클래딩 막을 덮으며 상부에 리세스된 영역을 포함하는 제 3 클래딩 막; 및 상기 리세스된 영역 안에 배치되며 상기 코어에 인접한 제 1 측면과 하부면을 포함하는 금속 패턴을 포함하되, 상기 편광 조절기는 제 1 편광축으로 선편광된(linearly polarized) 제 1 빛을 받아 상기 제 1 편광축에 대해 소정 각도로 회전된 제 2 편광축으로 선편광된 상태로 출력한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 편광 조절기는, 기판 상에 배치되며 서로 평행한 라인 형태를 가지며 서로 이격된 제 1 코어와 제 2 코어; 상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어를 덮는 클래딩 막; 및 상기 클래딩 막 상에 배치되며, 상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어 중 하나에 인접하는 제 1 측면과 하부면을 포함하는 금속 패턴을 포함하되, 상기 제 1 코어의 폭은 상기 제 2 코어의 높이와 같으며, 상기 제 1 코어의 높이는 상기 제 2 코어의 폭과 같다.
상기 제 1 코어는 제 1 입구와 제 1 출구를 포함하며, 상기 제 2 코어는 제 2 입구와 제 2 출구를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 편광축으로 선편광된 제 1 빛은 상기 제 1 입구와 상기 제 2 입구 중 어느 하나로 입사되어 상기 제 1 출구와 상기 제 2 출구 중 어느 하나로 나올 수 있다. 또는 제 1 편광축으로 선편광된 제 1 빛은 상기 제 1 입구와 상기 제 2 입구 중 어느 하나로 입사되어 상기 제 1 출구와 상기 제 2 출구 모두에서 나올 수 있다.
상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어의 유효 굴절률들은 서로 동일할 수 있다.
본 발명에 따른 편광 조절기에서는, 금속 패턴의 하부면과 측면의 표면의 플라즈몬(plasmon) 현상을 이용하여 선편광된 빛의 편광축을 회전시킬 수 있다. 이로써 상기 편광 조절기를 이용하면 TE를 TM으로 또는 TM을 TE로 변환시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 편광 조절기는 기존의 필름 형태의 반파장판(half-wave plate)을 고정시키는 외부케이스를 필요로 하지 않고, 증착이나 식각 공정 등을 이용하여 제작될 수 있기에 소형화된(미세화된) 크기로 제작이 가능하여 집적화된 반파장판의 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 편광 조절기의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1 단면도들이다.
도 3은 도 1의 편광 조절기에서의 빛의 상태를 개략적으로 나타낸다.
도 4 및 도 5는 도 1의 편광 조절기를 제조하는 과정을 순차적으로 나타내는 사시도들이다.
도 6a 및 도 6b는 채널형 광도파로 구조에서 코어 주변에 금속 패턴이 없는 경우 코어 주변의 빛의 분포를 나타내는 도면들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 채널형 광도파로 구조에서 코어 주변에 금속 패턴이 있는 경우 코어 주변의 빛의 분포를 나타내는 도면들이다.
도 8a와 도 8b는 도 7a에 설명된 편광회전기에 TE모드를 입력한 경우의 입력과, 8.7㎛를 통과한 후에 출력을 나타낸다.
도 8c와 도 8d는 도 7a에 설명된 편광 회전기에 TE 모드를 입력한 경우, 코어의 길이 방향을 따라, 각각 TE 모드와 TM 모드의 전기장 분포를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 예에 따른 편광 조절기의 단면도를 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 리지형 광도파로 구조에서 코어 주변에 금속 패턴이 있는 경우 코어 주변의 빛의 분포를 나타내는 도면들이다.
도 11a와 도 11b는 본 발명의 또 다른 예들에 따른 편광 조절기의 단면도들을 나타낸다.
도 12a 내지 도 12c는 도 11a의 편광 조절기에서 코어들의 길이들에 따른 빛의 흐름을 나타내는 평면도들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
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 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
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(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 편광 조절기의 사시도이다. 도 2a 및 도 2b는 도 1 단면도들이다. 도 3은 도 1의 편광 조절기에서의 빛의 상태를 개략적으로 나타낸다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 기판(1) 상에 코어(3)가 배치된다. 상기 코어(3)는 광 도파로로 명명될 수도 있다. 상기 기판(1)은 (하부) 클래딩 막으로도 명명될 수 있다. 상기 코어(3)는 일 방향을 따라 연장되는 라인 형태를 가진다. 상기 코어(3)는 빛(L)이 입사되는 입구(3a)와 출사되는 출구(3b)를 가지며 상기 입구(3a)로부터 상기 출구(3b)까지 균일한 두께와 폭을 가지는 기다란 직육면체 형태를 가질 수 있다. 상기 코어(3)는 (상부) 클래딩 막(5)으로 덮인다. 상기 클래딩 막(5)의 일 모서리 상단에는 상기 코어(3)를 따라 기다란 그루브(6)가 형성된다. 상기 그루브(6) 안에는 금속 패턴(7)이 배치된다.
상기 코어(3)는 상기 기판(1)과 상기 클래딩 막(5) 보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 기판(1)과 상기 클래딩 막(5)은 실리카(SiO2) 또는 고분자로 형성될 수 있고, 상기 코어(3)는 실리콘 또는 실리콘질화막으로 형성될 수 있다. 상기 금속 패턴(7)은 예를 들면, 금, 은, 알루미늄, 구리, 크롬, 텅스텐, 백금, 니켈, 코발트 또는 티타늄으로 형성될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 금속 패턴(7)은 상기 코어(3)에 인접한 하부 모서리(9), 상기 하부 모서리(9)에 연결된 하부면(11)과 제 1 측면(13)을 포함한다. 상기 금속 패턴(7)은 상기 제 1 측면(13)에 대향되는 제 2 측면(15)을 더 포함한다. 상기 제 2 측면(15)은 상기 기판(1)의 측면 또는 상기 클래딩 막(5)의 측면과 수직적으로 중첩될 수 있다. 상기 코어(3)의 중심으로부터 상기 제 1 측면(13)까지의 수평 거리(D1)는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다. 상기 제 1 측면(13)은 상기 코어의 중심으로부터 도 2a처럼 오른쪽으로 이격되어 상기 금속 패턴(7)이 상기 코어(3)와 거의 중첩되지 않는 구조를 가지거나 또는 도 2b처럼 왼쪽으로 이격되어 상기 금속 패턴(7)이 상기 코어(3)의 상당부분과 중첩되는 구조를 가질 수 있다. 상기 코어(3)의 상부면으로부터 상기 금속 패턴(7)의 하부면까지의 수직 거리(D2)는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다. 상기 금속 패턴(7)의 두께(T1)는 100nm~5㎛일 수 있다.
도 1, 2a, 2b 및 3을 참조하면, 제 1 편광축(A1)으로 선편광된(Linearly polarized) 빛(L)이 상기 코어(3)에 입사한다. 만약 금속 패턴(7)이 없다면, 상기 빛(L)은 코어(3) 내에서 (또는 상기 코어(3)에 인접한 영역에서) 서로 직교하는 제 1 수평축(AP1)으로 진동하는 성분과 제 1 수직축(AV1)으로 진동하는 성분으로 나뉘어 진행하다가 코어(3)를 나올 때 수평 성분과 수직 성분이 다시 합성되어 상기 제 1 편광축(A1)을 가질 수 있다.
상기 제 1 수평축(AP1)은 예를 들면 TE 모드 축일 수 있고 상기 제 1 수직축(AV1)은 예를 들면 TM 모드 축일 수 있다. 본 발명에서는 상기 편광 조절기(100)가 상기 금속 패턴(7)을 포함하여, 상기 금속 패턴(7)의 상기 하부 모서리(9)에 인접한 상기 제 1 측면(13)과 상기 하부면(11)의 (두 금속면의) 영향을 받아, 빛(L)의 진행 방향에 대해 수직한 임의의 평면(PL)에서, 상기 제 1 수직축(AV1)과 상기 제 1 수평축(AP1)이 이루는 직교 광축이 제 1 각도(θ)로 회전한다. 즉 상기 빛(L)은, 상기 금속 패턴(7)에 의해, 상기 제 1 수직축(AV1)으로부터 제 1 각도(θ)로 회전된 제 2 수직축(AV2)으로 진동하는 성분과, 상기 제 1 수평축(AP1)으로부터 제 1 각도(θ)로 회전된 제 2 수평축(AP2)으로 진동하는 성분으로 나뉘어 진행하다가, 상기 코어(3)의 출구(3b)를 지나는 빛(L)은 상기 제 1 편광축(A1)에 대해 제 2 각도만큼 회전된 제 2 편광축(A2)으로 선편광된다. 상기 제 2 각도는 상기 제 1 각도(θ)의 두 배일 수 있다. 상기 제 1 각도(θ)가 예를 들어 45도라면 상기 제 2 각도는 예를 들어 90도일 수 있다. 이때 만약 상기 코어(3)에 TM이 입사되면 상기 코어(3)를 나오는 빛은 (TM으로부터 90도 회전된) TE일 수 있다. 또는 만약 상기 코어(3)에 TE가 입사되면 상기 코어(3)를 나오는 빛은 (TE로부터 90도 회전된) TM일 수 있다. 본 명세서에서 TM은 위아래로 진동하는 편광축을 가지는 선편광된 빛을 의미하고 TE는 수평으로 진동하는 편광축을 가지는 선편광된 빛을 의미할 수 있다.
광통신에 사용되는 빛은 주로 약 1.5㎛의 파장을 가질 수 있다. 상기 수평 거리(D1)와 상기 수직 거리(D2)의 3㎛는 광통신에 사용되는 빛의 파장의 약 두 배에 해당한다. 상기 수평 거리(D1)와 상기 수직 거리(D2) 그리고 상기 금속 패턴(7)의 두께가 상기 범위들을 벗어날 경우 금속 표면의 플라즈몬에 의한 영향이 미미해져 빛의 회전이 잘 발생하지 않게 된다. 또한 상기 기판(1), 상기 코어(3), 및 상기 클래딩 막(5)을 구성하는 물질과 상기 수평 거리(D1) 및 상기 수직 거리(D2)를 조절함에 따라 상기 제 1 각도(θ)와 상기 제 2 각도가 변할 수 있다. 이를 적절하게 조절하면, 입사되는 선편광된 빛을 원하는 각도로 회전시킬 수 있다.
도 1의 편광 조절기(100)는 채널형 코어에 두 금속면의 플라즈몬 현상을 이용한 것으로, 편광 회전기로도 명명될 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 1의 편광 조절기를 제조하는 과정을 순차적으로 나타내는 사시도들이다.
도 4를 참조하면, 기판(1)을 준비한다. 상기 기판(1)은 예를 들면 실리카(SiO2)로 형성될 수 있다. 상기 기판(1) 상에 코어(또는 광도파로로 명명될 수 있음, 3)를 형성한다. 상기 코어(3)는 예를 들면 실리콘 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 코어(3)는 상기 코어(3)를 구성하는 막을 증착하고 식각함으로써 형성될 수 있다. 또는 상기 코어(3)는 다마신(damascene) 공법으로 형성될 수 있다. 상기 코어(3)는 일 방향을 따라 연장되는 라인 형태를 가진다. 상기 코어(3)는 빛(L)이 입사되는 입구(3a)와 출구(3b)를 가지며 상기 입구(3a)로부터 상기 출구(3b)까지 균일한 두께와 폭을 가지는 기다란 직육면체 형태를 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 코어(3)와 상기 기판(1)을 덮는 클래딩 막(5)을 형성한다. 상기 클래딩 막(5)은 증착 공정으로 형성될 수 있다. 상기 클래딩 막(5)의 상단 모서리 부분을 식각하여 그루브(6)을 형성한다. 상기 그루브(6)은 상기 코어(3)를 따라 연장되는 그루브 형태를 가지도록 형성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 금속막을 증착하여 상기 그루브(6)을 채우고, 상기 그루브(6)외의 금속막을 제거하여 상기 클래딩 막(5)의 상부면과 측면을 노출시킨다.
본 편광 조절기는 이와 같이 증착이나 식각 공정으로 제작될 수 있기에 소형화된(미세화된) 크기로 제작이 가능하다.
도 6a 및 도 6b는 채널형 광도파로 구조에서 코어 주변에 금속 패턴이 없는 경우 코어 주변의 빛의 세기 분포를 나타내는 도면들이다. 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 채널형 광도파로 구조에서 코어 주변에 금속 패턴이 있는 경우 코어 주변의 빛의 세기 분포를 나타내는 도면들이다. 도 6a, 6b, 7a 및 7b에서 네모 안의 숫자들은 빛의 세기를 정량적으로 나타낸 것이다.
도 6a, 6b, 7a 및 7b를 참조하면, 코어의 크기는 모두 가로 200nm와 세로 200nm로 동일하였다. 도 7a와 도 7b에서 금속 패턴은 금이며, 코어의 중심으로부터 금속 패턴의 측면까지의 수평 거리는 350nm이고 코어의 상부면으로부터 금속 패턴의 하부면까지의 수직 거리는 250nm이다. 도 6a, 6b, 7a 및 7b에서 코어는 실리콘으로 이루어지고 주변의 클래딩 막과 기판의 굴절률이 1.444이다. 그리고 입사되는 빛의 파장은 1.55㎛으로 하였다. 도 6a과 도 7a에서는 TE 모드의 전기장 분포를 나타내며 도 6b와 도 7b에서는 TM모드의 전기장 분포를 나타낸다. 도 6a와 도 7a를 살펴보면, 도 7a에서 금속 패턴의 두 금속면의 영향으로 TE 모드(mode)가 45도 회전된 상태를 볼 수 있다. 도 6b와 도 7b를 살펴보면, 도 7b에서 금속 패턴의 두 금속면의 영향으로 TM 모드가 45도 회전된 상태를 볼 수 있다. 도 6a와 도 6b에서 코어의 유효 굴절률은 모두 1.4759였다. 도 7a 및 7b에서 코어의 유효굴절률은 각각 1.5238+0.00279i와 1.4663+0.00021i로 지연 위상 변조(retardation phase shift) Γ=2π(β1-β2)L에서 β1,2는 각 모드의 유효굴절률, L은 전체 길이로 반파장 지연(half-wave (π) retardation)을 위한 길이는 약 8.7㎛가 되며 이때 발생하는 흡수손실은 두 모드의 흡수손실의 합/2로 약 0.43dB 정도가 된다.
도 8a와 도 8b는 도 7a에 설명된 편광회전기에 TE모드를 입력한 경우의 입력과, 8.7㎛를 통과한 후에 출력을 나타낸다. 도 8c와 도 8d는 도 7a에 설명된 편광 회전기에 TE 모드를 입력한 경우, 코어의 길이 방향을 따라, 각각 TE 모드와 TM 모드의 전기장 분포를 나타낸다. 도 8a 내지 도 8d를 보면, TE 모드를 입력하여 TE가 90도 회전된 TM 모드가 나오는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 예에 따른 편광 조절기의 단면도를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 본 예에 따른 편광 조절기(101)는 리지(ridge)형 광도파로를 포함할 수 있다. 상기 편광 조절기(101)에서는 기판(1)의 일부가 코어(3) 쪽으로 돌출된 돌출부(1a)를 가진다. 상기 기판(1)은 하부 클래딩 막으로도 명명될 수 있다. 상기 코어(3) 상에는 제 1 클래딩 막(17)이 배치된다. 상기 제 1 클래딩 막(17)의 상부면과 측면, 상기 코어(3)의 측면, 상기 돌출부(1a)의 측면 및 상기 기판(1)의 상부면은 제 2 클래딩 막(5)으로 덮인다. 상기 제 2 클래딩 막(5)의 일 상단 모서리에는 그루브가 배치되고 상기 그루브 안에는 금속 패턴(7)이 배치된다. 상기 금속 패턴(7)은 상기 코어(3)에 인접한 제 1 측면(13)과 하부면(11), 그리고 상기 제 1 측면(13)에 대향되는 제 2 측면(15)을 포함한다.
도시하지는 않았지만, 도 9에서, 상기 돌출부(1a)와 상기 코어(3) 사이 그리고 상기 코어(3)와 상기 제 1 클래딩 막(17) 사이에 SCH(separate-confinement heterostructure) 층이 배치될 수 있다. 상기 SCH층은 예를 들면 InGaAsP로 형성될 수 있다. 상기 기판(1), 상기 코어(3), 상기 제 1 및 제 2 클래딩 막들(17, 5)은 화합물 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(1)은 N형의 InP로 형성될 수 있고, 상기 코어(3)는 InGaAsP로 형성될 수 있다. 또는 상기 코어(3)는 InGaAlAs, GaAs, InGaAs, AlInAs 또는 GaN로 형성될 수 있다. 상기 제 1 클래딩 막(17)은 예를 들면 InP로 형성될 수 있다. 상기 제 2 클래딩 막(5)은 예를 들면 실리콘 산화막이나 고분자 등의 절연막으로 형성될 수 있다.
상기 금속 패턴(7)은 예를 들면, 금, 은, 알루미늄, 구리, 크롬, 텅스텐, 백금, 니켈, 코발트 또는 티타늄으로 형성될 수 있다. 상기 코어(3)와 상기 제 1 클래딩 막(17)은 예를 들면 SEG(Selective epitaxial growth) 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 코어(3)의 중심으로부터 상기 제 1 측면(13)까지의 수평 거리(D1)는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다. 상기 코어(3)의 상부면으로부터 상기 금속 패턴(7)의 하부면까지의 수직 거리(D2)는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다. 상기 금속 패턴(7)의 두께는 100nm~5㎛일 수 있다. 도 9의 편광 조절기(101)에서도 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 금속 패턴(7)의 두 금속면에 의한 플라즈몬 현상으로 빛의 편광축이 회전될 수 있다. 상기 금속 패턴(7)은 상기 제 1 클래딩 막(17)과 닿을 수도 있다.
도 10a 및 도 10b는 리지형 광도파로 구조에서 코어 주변에 금속 패턴이 있는 경우 코어 주변의 빛의 분포를 나타내는 도면들이다.
도 10a 및 도 10b를 살펴보면, 상기 금속 패턴(7)의 두 금속면에 의한 플라즈몬 현상으로 빛의 편광축이 기울어짐을 알 수 있다. 도 10a 및 도 10b에서 코어의 유효굴절률은 각각 3.2014+0.00081i와 3.19064+0.00285i였다.
도 11a와 도 11b는 본 발명의 또 다른 예들에 따른 편광 조절기의 단면도들을 나타낸다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 본 예에 따른 편광 조절기(102)에서는 기판(1) 상에 서로 인접하게 배치되는 제 1 코어(4a)와 제 2 코어(4b)가 있다. 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b)는 일정한 간격(D3)으로 서로 이격되며 평행한 기다란 직육면체 형태를 가질 수 있다. 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b)는 같은 길이를 가질 수 있다. 상기 제 1 코어(4a)의 제 1 높이(H1)는 상기 제 2 코어(4b)의 제 2 폭(W2)과 같다. 상기 제 1 코어(4a)의 제 1 폭(W1)은 상기 제 2 코어(4b)의 제 2 높이(H2)과 같다. 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 간의 간격(D3)은 100nm~3㎛일 수 있다. 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 상에 금속 패턴(7)이 배치된다. 상기 금속 패턴(7)은 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 중 어느 하나에 인접한 제 1 측면(13)과 하부면(11)을 포함한다. 상기 금속 패턴(7)은 도 11a 처럼 제 2 코어(4b)에 인접하거나 도 11b처럼 제 1 코어(4a)에 인접할 수 있다.
상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 사이의 중간지점으로부터 상기 제 1 측면(13)까지의 수평 거리(D1)는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다. 상기 금속 패턴은 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 모두로부터 이격될 수 있다. 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b)의 유효 굴절률들은 서로 동일할 수 있다. 상기 금속 패턴(7)의 하부면(11)으로부터 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 중에 높은 것인, 상기 제 1 코어(4a)의 상부면 까지의 수직 거리(D2)는 0㎛ 초과 3㎛이하일 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 코어들(4a, 4b)은 상기 기판(1)과 상기 클래딩 막(5) 보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 기판(1)과 상기 클래딩 막(5)은 실리카(SiO2) 또는 고분자로 형성될 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 코어들(4a, 4b)은 실리콘 또는 실리콘질화막으로 형성될 수 있다. 상기 금속 패턴(7)은 예를 들면, 금, 은, 알루미늄, 구리, 크롬, 텅스텐, 백금, 니켈, 코발트 또는 티타늄으로 형성될 수 있다.
상기 편광 조절기(102)는 도 4 및 5를 참조하여 설명한 방법과 유사하게 증착과 식각 공정을 이용하여 형성될 수 있어 소형화/미세화가 가능하다.
상기 제 1 코어(4a)에는 수직방향으로 진동하는 TM 모드가 기본 모드가 되고 상기 제 2 코어(4b)에는 수평 방향으로 진동하는TE 모드가 기본 모드가 될 수 있다. 만약 상기 금속 패턴(7)이 존재하지 않는다면, 상기 TM 모드와 TE 모드는 서로 직교하므로 서로 반응(결합)하지 않게 된다. 하지만 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 상에 상기 금속 패턴(7)이 존재하여 상기 금속 패턴(7)의 하부 모서리(9)에 연결된 두 금속면(상기 제 1 측면(13)과 상기 하부면(11))의 표면 플라즈몬 영향에 의해 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 내에서의 광 도파 모드가 영향을 받아 직교 광축이 회전하게 된다. 직교 광축의 회전 각도가 약 45인 경우 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b) 각각에 입사하는 TM 모드와 TE 모드의 파워가 두개의 광축에 동등하게 분배가 되어 같은 축에 놓인 광 도파 모드끼리 상호작용이 발생해 광결합 현상이 일어날 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 도 11a의 편광 조절기에서 코어들의 길이들에 따른 빛의 흐름을 나타내는 평면도들이다
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 만약 상기 제 1 코어(4a)로 TM 모드의 빛이 입사되면 광결합 현상으로 상기 클래딩 막(5)을 통과하여 상기 제 2 코어(4b)로 이동하여 TE 모드로 변환이 되었다가 다시 원래 상기 제 1 코어(4a)로 돌아와 다시 TM 모드로 변환될 수 있다. 상기 제 1 코어(4a)에서 상기 제 2 코어(4b)로 TM 모드 빛이 완전히 넘어가는, 상기 제 1 코어(4a)의 길이(D4)를 완전 결합 길이라 명명할 수 있다.
도 12a를 참조하여, 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b)가 상기 완전 결합 길이(D4)의 두 배를 가지는 편광 조절기(102a)에서는, 상기 제 1 코어(4a)로 입사되는 TM은 상기 제 1 코어(4a)의 출구를 통해 TM 상태로 모두 나올 수 있다. 즉, 상기 제 1 코어(4a)의 출구에서는 입사되는 TM의 파워의 100%에 해당하는 파워를 가지는 TM이 출력될 수 있다.
도 12b를 참조하면, 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b)가 상기 완전 결합 길이(D4)를 가지는 편광 조절기(102b)에서는, 상기 제 1 코어(4a)로 입사되는 TM은 상기 제 2 코어(4b)의 출구를 통해 TE 상태로 모두 나올 수 있다. 즉, 상기 제 2 코어(4b)의 출구에서는 입사되는 TM의 파워의 100%에 해당하는 파워를 가지는 TE가 출력될 수 있다.
도 12c를 참조하면, 상기 제 1 코어(4a)와 상기 제 2 코어(4b)가 상기 완전 결합 길이(D4)의 1/2에 해당하는 길이를 가지는 편광 조절기(102c)에서는, 상기 제 1 코어(4a)로 입사되는 TM은 상기 제 1 코어(4a)의 출구를 통해 TM 상태로 그리고 상기 제 2 코어(4b)의 출구를 통해 TE 상태로 나올 수 있다. 이때에는 상기 제 1 코어(4a)의 출구를 통해 나오는 TM은 상기 제 1 코어(4a)에 입사되는 TM의 파워의 약 50%에 해당되는 파워를 가질 수 있고, 상기 제 2 코어(4b)의 출구를 통해 나오는 TE는 상기 제 1 코어(4a)에 입사되는 TM의 파워의 약 50%에 해당되는 파워를 가질 수 있다.
도 11a 내지 도 12c에 설명된 편광 조절기들(102, 102a~102c)은 TM-TE간 모드 변환기라 명명될 수 있다. 편광 소멸비(extinction ratio)를 높이기 위해 상기 제 1 코어(4a)의 제 1 폭(W1)과 상기 제 2 코어(4b)의 제 2 높이(H2)를 줄여 상기 제 1 코어(4a)에는 TE 모드 없이 TM 모드만 존재하도록 하고 상기 제 2 코어(4b)에는 TM 모드 없이 TE 모드만 존재하도록 조절할 수도 있다. 이 경우 순수한 TM-TE간 모드 변환을 얻을 수 있다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하여, 상기 제 1 및 제 2 코어들(4a, 4b)의 길이를 조절하면 출력광의 편광 상태나 파워의 비율을 조절할 수 있다.
본 발명의 예들에 따른 편광 조절기의 코어의 입구에는 발광 소자가 배치될 수 있고 코어의 출구에는 수광 소자가 배치될 수 있다. 만약 발광 소자로부터 원형 편광 상태의 빛이 들어오고 특정 선편광 상태에서 최적의 상태로 동작되는 수광 소자가 있다면, 원형 편광 상태의 빛을 선형 편광 상태로 변경해주는 과정이 필요하다. 이를 위해 종래에는 광섬유를 특정 지름의 원형으로 구부리는 섬유 편광 조절기(fiber polarization controller)를 사용하거나, 지지 구조체가 필요한 필름 형태의 반파장판이나 1/4파장판을 사용하여, 크기를 줄이는 데에 한계가 있다. 그러나 도 11a 내지 도 12c의 편광 조절기를 사용하면, 소형화/미세화가 가능하다.
1: 기판
1a: 돌출부
3, 4a, 4b: 코어
5, 17, 클래딩 막
7: 금속 패턴

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고 직육면체 형태를 가지는 제 1 코어;
    상기 제 1 코어와 상기 기판을 덮되 상단 모서리에 상기 제 1 코어와 평행한 그루브를 포함하는 제 1 클래딩 막, 상기 그루브는 상기 제 1 코어와 이격되고; 및
    상기 그루브 안에 배치되며 제 1 측면과 하부면을 포함하는 금속 패턴을 포함하되,
    상기 금속 패턴은 상기 제 1 측면과 상기 하부면이 만나는 모서리를 포함하고,
    상기 금속 패턴의 하부면은 상기 제 1 코어의 상부면을 향하되 상기 제 1 코어의 상부면과 이격되고,
    상기 금속 패턴의 상기 모서리는 상기 제 1 코어의 중심으로부터 제 1 방향으로 제 1 수평거리만큼 이격되고,
    상기 제 1 코어의 측면은 상기 제 1 코어의 상기 중심으로부터 상기 제 1 방향으로 제 2 수평 거리만큼 이격되고,
    상기 제 1 수평 거리는 상기 제 2 수평 거리보다 작은 편광 조절기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수평 거리는 0㎛ 초과 3㎛이하인 편광 조절기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코어의 상부면으로부터 상기 금속 패턴의 하부면까지의 수직 거리는 0㎛ 초과 3㎛이하인 편광 조절기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제 1 코어 쪽으로 돌출된 돌출부를 포함하며,
    상기 편광 조절기는, 상기 제 1 코어의 상부면과 상기 제 1 클래딩 막 사이에 개재되는 제 2 클래딩 막을 더 포함하는 편광 조절기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 100nm~5㎛의 두께를 가지는 편광 조절기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 조절기는 제 1 편광축으로 선편광된(linearly polarized) 제 1 빛을 받아 상기 제 1 편광축에 대해 회전된 제 2 편광축으로 선편광된 상태로 출력하는 편광 조절기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판 상에 배치되며 상기 제 1 코어와 이격된 제 2 코어를 더 포함하되,
    상기 제 2 코어의 높이는 상기 제 1 코어의 폭과 같고,
    상기 제 2 코어의 폭은 상기 제 1 코어의 높이와 같은 편광 조절기.
  8. 제 7 항에 있어서
    상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어 간의 간격은 100nm~3㎛인 편광 조절기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어 사이의 중간지점으로부터 상기 제 1 측벽까지의 수평 거리는 0㎛ 초과 3㎛이하인 편광 조절기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어 모두로부터 이격되는 편광 조절기.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어의 유효 굴절률들은 서로 동일한 편광 조절기.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 코어의 폭은 높이보다 크며,
    상기 제 2 코어의 상부면으로부터 상기 금속 패턴의 하부면까지의 수직 거리는 0㎛ 초과 3㎛이하인 편광 조절기.
  13. 제 7 항에 있어서
    상기 제 1 빛은 상기 제 1 코어로 입사되어 상기 제 2 코어로 나오는 편광 조절기.
  14. 제 7 항에 있어서
    상기 제 1 빛은 상기 제 1 코어로 입사되고,
    상기 제 1 빛의 일부는 상기 제 2 코어를 통해 상기 제 2 편광축으로 선편광된 상태로 출력되며,
    상기 제 1 빛의 다른 일부는 상기 제 1 코어를 통해 상기 제 1 편광축으로 선편광된 상태로 출력되는 편광 조절기.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 편광축은 상기 제 1 편광축에 대해 90도 회전되는 편광 조절기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 상기 제 1 측면에 대향되는 제 2 측면을 포함하며, 상기 제 2 측면은 상기 기판의 측면과 수직적으로 정렬되는 편광 조절기.
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