KR19980066889A - 저전압 광스위치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편광에 의존하지 않고 낮은 전압으로 스위칭 동작이 가능하여 고속스위칭 및 소형화가 가능한 저전압 편광무의존 광스위치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 그 광스위치는 입사광을 받아들이는 입력광도파로, 입력광도파로에 입사된 입사광이 Y 모양의 구조로 분기되어 출력되는 출력광도파로들을 기판상에 구비하는 광스위치에 있어서 입력광도파로 상부에 위치하는 중앙전극; 및 입사광이 진행하는 방향으로 입력광도파로 양 옆 기판상에 각각 위치하는 옆전극을 구비하고, 입력광도파로는 입사광이 진행하는 방향으로 결정구조가 국부 분극반전되도록 구성되며, 중앙전극 및 옆전극은 입사광이 입력광도파로에서 스위칭된 후 Y모양으로 분기되는 지점에서 입사광이 출력광도파로 중의 하나로 통과되도록 전기적으로 제어됨을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 스위칭을 위한 구동전압을 낮추며 이로 인해 고속스위칭이 가능하게 한다. 또한 Y모양 도파로의 분기점에서 출력도파로 사잇각을 크게 해 줌으로써 소자의 길이를 줄이고, 소자의 소형화를 가능하게 한다.

Description

저전압 광스위치 및 그 제조방법

본 발명은 광스위치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 편광에 의존하지 않고 낮은 전압으로 스위칭 동작이 가능하여 고속스위칭 및 소형화가 가능한 저전압 편광무의존 광스위치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 광전송망에 있어서 전송되는 광의 편광은 온도, 스트레스 등에 의해 랜덤하게(randomly) 변한다. 따라서 편광에 의존하지 않는 각종 광소자의 중요성이 점점 증대되고 있다. 편광 무의존 광스위치란 입사광의 편광에 무관하게 출사되는 광의 경로를 인가되는 전압에 의해 바꾸어주는 광소자를 말한다. 특히 디지털 광스위치는 도 1의 굵은 선(100)과 같은 광출력 특성을 갖고 있어 어느 수준 이상의 전압, 즉 V1보다 크거나 -V1보다 작은 전압만 인가하면 원하는 광출력을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그리고 간섭현상을 이용한 종래의 광스위치 출력특성을 도 1의 가는 선(110)으로 표시하였다. 이 경우 원하는 스위칭 효과를 얻기 위해서는 적정한 구동전압(V2)을 인가해야 하는데, 소자의 특성이 전압 또는 온도에 따라 변화가 있을 때는 구동전압도 달라지므로 적정한 전압값을 다시 찾아 인가해야 한다. 그러나 디지털 스위치의 경우는 위와 같은 특성변화에도 인가전압을 바꿀 필요가 없는 장점을 갖고 있다.

도 2 및 도 3과 같은 리튬나이오베이트(LiNbO3) 디지털 광스위치는 일반적으로 넓은 동작 파장대에서 동작하며 편광에 의존하지 않는 좋은 특성을 갖고 있지만, 높은 구동 전압이 요구되어 고속 스위칭을 필요로 하는 응용 분야에는 거의 실용화되지 않고 있는 실정이다. 도 2 및 도 3과 같은 Y 모양의 디지털 광스위치의 경우 실질적인 광 스위칭 효과가 도파로가 갈라지는 분기점 부근에서만 일어난다. 따라서 도파로 분기점 전후 짧은 광경로 내에서 필요한 스위칭 효과를 얻기 위해서는 일반적으로 수십 볼트(Volt)의 큰 전압이 필요하다. 게다가 도 3과 같은 경우 더 높은 구동전압이 요구되는 이유는 도파로 위 전극간의 간격이 커짐에 따라 실질적 전압 인가 효과가 도파로가 갈라지는 지점을 최대로 하여 점차 감소하기 때문이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 기존의 디지털 광스위치의 장점들은 살리면서 구동전압을 낮추고 도파로의 분기되는 지점의 사이각을 크게하여 고속 스위칭이 가능하고 소자의 크기를 줄이기 위해, 분극반전을 도파로에 응용하여 입력광도파로를 국부 분극반전하고 적절히 설계된 전극을 도파로 위에 배열하여 실질적 광스위칭을 분기점 이전 입력광도파로에서 실행하고 분기점에서 갈라지는 출력광도파로들은 이미 스위치된 광출력을 통과하게 하는 분배역할만을 수행하게 하는 저전압 편광 무의존 광스위치 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 인가전압에 따른 광스위치의 광출력 특성곡선을 도시한 것이다.

도 2는 종래 x-cut LiNbO3 기판위의 디지털 광스위치를 도시한 것이다.

도 3은 종래 z-cut LiNbO3 기판위의 디지털 광스위치를 도시한 것이다.

도 4는 Y 모양의 도파로를 도시한 것이다.

도 5는 외부 전계를 이용한 분극반전 방법을 설명하기 위해 도시된 것이다.

도 6은 본 발명에 의한 저전압 광스위치를 도시한 것이다.

도 7a 및 도 7b는 각각 도 6의 A-A'과 B-B'의 단면으로 전압 인가시 도파로내 굴절율 변화와 이에 따른 모드강도 분포를 도식적으로 나타낸 것이다.

도 8은 도 6의 A-A' 단면에서의 융기형 도파로 및 전극형태를 도시한 것이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

400 : 입력광도파로, 410, 420 : 출력광도파로,

500 : 기판 위의 Al 전극, 510 : 기판 밑의 Al 전극,

600 : 중앙전극,610, 620 : 옆전극

상기의 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 의한 저전압 광스위치는, 입사광을 받아들이는 입력광도파로, 상기 입력광도파로에 입사된 입사광이 Y 모양의 구조로 분기되어 출력되는 출력광도파로들을 기판상에 구비하는 광스위치에 있어서, 상기 입력광도파로 상부에 위치하는 중앙전극; 및 상기 입사광이 진행하는 방향으로 상기 입력광도파로 양 옆 기판상에 각각 위치하는 옆전극을 구비하고, 상기 입력광도파로는 상기 입사광이 진행하는 방향으로 결정구조가 국부 분극반전되도록 구성되며, 상기 중앙전극 및 옆전극은 상기 입사광이 상기 입력광도파로에서 스위칭된 후 상기 Y모양으로 분기되는 지점에서 입사광이 상기 출력광도파로 중의 하나로 통과되도록 전기적으로 제어됨이 바람직하다. 또한 상기 입력광도파로 및 출력광도파로는 융기형 도파로임을 특징으로 한다.

상기의 다른 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 의한 저전압 광스위치 제조방법은, 입사광을 받아들이는 입력광도파로, 상기 입력광도파로에 입사된 입사광이 Y 모양의 구조로 분기되어 출력되는 출력광도파로들을 구비하는 광스위치 제조방법에 있어서, LiNbO3 기판 상에 사용할 광파장 대역에서 단일모드 조건을 만족하는 상기 Y모양의 도파로를 제작하는 도파로제작단계; 상기 입력광도파로의 결정구조를 상기 입사광이 진행하는 방향을 따라 국부적으로 분극반전시키는 분극반전단계; 상기 입력광도파로 위에 중앙전극을 설치하고, 상기 입사광이 진행하는 방향으로 상기 입력광도파로 양 옆 기판상에 옆전극을 각각 설치하는 단계; 및 상기 입사광이 상기 입력광도파로에서 스위칭되어 상기 Y모양으로 분기되는 지점에서 입사광이 상기 출력광도파로 중의 하나로 통과되도록 상기 중앙전극 및 옆전극을 전기적으로 제어하는 단계를 포함함이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 Y 모양의 도파로를 도시한 것으로서, 우선 z-축 LiNbO3 기판 위에 도 4와 같은 Y 모양의 도파로를 Ti 확산법을 이용하여 제작한다. 상기 입력광도파로(400)는 입사광을 받아들이며, 상기 출력광도파로(410, 420)는 상기 입사된 광이 Y 모양의 구조로 분기되어 출력되는 도파로이다. 이 때 입력광도파로(400) 및 두 개의 출력광도파로(410, 420)는 사용할 광 파장 대역에서 단일 모드조건을 만족시켜야 한다.

종래 디지털 광스위치와 같이 출력도파로 사잇각(θ)은 모드 무손실 조건(adiabatic condition)에 맞추기 위해 작게할 필요가 없다. 그러나 일반적으로 사잇각이 커질수록 손실이 커지는 단점과 함께 소자의 길이가 작아지는 장점이 있으므로 적정한 값을 선택해 최적화 해야한다.

도 5는 외부 전계를 이용한 분극반전 방법을 설명하기 위해 도시된 것으로서, Al 전극을 도 5와 같이 도파로 위 평면에 국부(500)적으로 도포한 후 밑 면 전체(510)를 덮는 또 다른 Al 전극을 도포한다. 상기 밑 면 전극(510)에 100 msec 동안 -24 kV/mm 의 전계를 가하면 윗 면 전극이 있는 자리(500)는 분역 반전이 일어나게 된다. 분극반전을 시키는 이유는 분극반전된 영역과 그렇지 않은 영역에 전압을 인가하여 전계를 형성시키면 굴절율이 달라지고, 이를 이용하여 스위칭 효과를 얻고자 함에 있다.

도 6은 본 발명에 의한 저전압 광스위치를 도시한 것으로서, 전극을 제거한 후 SiO2 완충층을 위 평면에 수천 Å 증착시킨 후 귀금속 전극, 바람직하게는 Au 전극을 도 6과 같이 제작한다. 즉 상기 입력광도파로(400) 상부에 중앙전극(600)을 위치시키고, 상기 입사광이 진행하는 방향으로 상기 입력광도파로 양 옆 기판상에 옆전극(610, 620)을 위치시킨다. 상기 중앙전극(600) 및 옆전극(610, 620)은 상기 입사광이 상기 입력광도파로(400)에서 스위칭된 후 상기 Y모양으로 분기되는 지점에서 입사광이 상기 출력광도파로(410, 420) 중의 하나로 통과되도록 전기적으로 제어된다.

본 발명의 동작을 설명하기로 한다. 입력광도파로(400) 위 전극에 전압을 가할 경우 LiNbO3의 전광(electro-optic) 효과에 의해서 전계에 따라 도파로 내에 굴절율이 변하게 된다. 도 7a 및 도 7b는 각각 도 6의 A-A'과 B-B'의 단면으로 전압 인가시 도파로내 굴절율 변화와 이에 따른 모드강도 분포를 도식적으로 나타낸 것이다. 분극반전된 영역(500)은 결정축이 180도 바뀌어졌음으로 같은 방향의 전계를 인가하였어도 굴절율의 변화는 정상적인 영역과 반대가 된다. 따라서 전압인가에 따른 도파로내 굴절율 분포는 도 7a 및 도 7b와 같이 계단모양이 된다. 도 7b에서는 도 7a의 경우보다 전극간의 간격이 적어 전계가 크므로 굴절율의 변화도 상대적으로 크다. 전극간 간격이 작아질수록 즉 전계의 크기가 커질수록 모드강도 분포가 굴절율이 큰 영역으로 모아진다. 분기점에 이르러서는 광강도 분포가 한쪽으로 완전히 치우쳐지고 광분포에 따라 각 출력 도파로를 따라 분배된다.

도 8은 도 6의 A-A' 단면에서의 융기형 도파로 및 전극형태를 도시한 것으로서, 상기 제작공정을 시행하면서 Ti 확산 전에 식각 장치를 이용하여 LiNbO3 기판을 식각하면 그 단면이 도 8과 같이 융기형 도파로가 된다. 이 경우, 도파로내 진행광파의 전계와 인가전압에 의한 전계사이의 중첩효과가 커져 인가전압에 의한 전광효과가 커진다. 따라서 융기형 도파로의 채택으로 인가전압을 낮출 수 있다.

본 발명에 의하면, 입력광도파로를 국부적으로 분극반전시키고 광전효과에 따른 모드의 광강도 분포 변화가 분기점 부근이 아닌 상대적으로 길이가 긴 입력광도파로를 따라 일어나게 함으로써 스위칭을 위한 구동전압을 낮추며, 이로 인해 고속스위칭이 가능하게 한다.

또한 Y모양 도파로의 분기점에서 출력광도파로 사잇각을 크게 해 줌으로써 소자의 길이를 줄이고, 소자의 소형화를 가능하게 한다.

Claims (7)

1. 입사광을 받아들이는 입력광도파로, 상기 입력광도파로에 입사된 입사광이 Y 모양의 구조로 분기되어 출력되는 출력광도파로들을 기판상에 구비하는 광스위치에 있어서,

   상기 입력광도파로 상부에 위치하는 중앙전극; 및

   상기 입사광이 진행하는 방향으로 상기 입력광도파로 양 옆 기판상에 각각 위치하는 옆전극을 구비하고,

   상기 입력광도파로는

   상기 입사광이 진행하는 방향으로 결정구조가 국부 분극반전되도록 구성되며,

   상기 중앙전극 및 옆전극은

   상기 입사광이 상기 입력광도파로에서 스위칭된 후 상기 Y모양으로 분기되는 지점에서 입사광이 상기 출력광도파로 중의 하나로 통과되도록 전기적으로 제어됨을 특징으로 하는 저전압 광스위치.
2. 제1항에 있어서, 상기 입력광도파로 및 출력광도파로는

   융기형 도파로임을 특징으로 하는 저전압 광스위치.
3. 제1항에 있어서, 상기 전극은

   귀금속으로 이루어짐을 특징으로 하는 저전압 광스위치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판은

   LiNbO3 로 이루어짐을 특징으로 하는 저전압 광스위치.
5. 입사광을 받아들이는 입력광도파로, 상기 입력광도파로에 입사된 입사광이 Y 모양의 구조로 분기되어 출력되는 출력광도파로들을 구비하는 광스위치 제조방법에 있어서,

   LiNbO3 기판 상에 사용할 광파장 대역에서 단일모드 조건을 만족하는 상기 Y모양의 도파로를 제작하는 도파로제작단계;

   상기 입력광도파로의 결정구조를 상기 입사광이 진행하는 방향을 따라 국부적으로 분극반전시키는 분극반전단계;

   상기 입력광도파로 위에 중앙전극을 설치하고, 상기 입사광이 진행하는 방향으로 상기 입력광도파로 양 옆 기판상에 옆전극을 각각 설치하는 단계; 및

   상기 입사광이 상기 입력광도파로에서 스위칭되어 상기 Y모양으로 분기되는 지점에서 입사광이 상기 출력광도파로 중의 하나로 통과되도록 상기 중앙전극 및 옆전극을 전기적으로 제어하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 저전압 광스위치 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 도파로제작단계의 도파로는

   식각장치를 사용하여 상기 LiNbO3 기판을 식각한 후 Ti확산법에 의해 확산시켜 제작된 융기형 도파로임을 특징으로 하는 저전압 광스위치 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 분극반전단계는

   상기 도파로제작단계에서 제작된 상기 입력광도파로 위 평면에서 시작하여 상기 기판이 끝나는 지점까지 상기 입사광이 상기 입력광도파로를 통과하는 방향과 일치하도록 국부적으로 Al을 도포하여 Al 전극을 생성하는 단계;

   상기 도파로제작단계의 기판 밑면 전체에 Al을 도포하여 Al 전극을 생성하는 단계;

   상기 기판 밑면의 Al 전극에 소정의 전계를 가하는 단계; 및

   상기 기판 윗면 및 밑면의 Al 전극을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 저전압 광스위치 제조방법.