KR19990052202A - 구동전압과 손실을 줄이기 위한 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 구조 - Google Patents

구동전압과 손실을 줄이기 위한 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구동전압 및 광손실을 줄이기 위한 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 구조를 제공한다.
본 발명은 광도파로 소자의 입출력부에 모드 크기가 광섬유 모드와 같은 수동형 광도파로를 만들고 이를 수직방향 테이퍼를 두께가 이용하여 얇은 코아를 가지는 전기광학 광도파로와 연결시킨다. 이러한 구조를 이용하면 입출력부의 모드 부정합 손실을 무시할수 있을 정도로 작게하고 전기광학 광도파로의 길이를 실질적인 변조기 길이로 국한시켜서 도파광의 전파 손실도 줄이므로 종래의 광도파로 소자 보다 낮은 삽입 손실을 갖는 전기광학 폴리머 광도파로 소자를 구현할 수 있다. 또한 전기광학 광도파로의 두께를 충분히 얇게 만들어서 전기광학 변조효율을 극대화 시키고 구동전압을 매우 낮게 할 수 있는 구조를 제공한다.

Description

구동전압과 손실을 줄이기 위한 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 구조
본 발명은 전기광학 폴리머 광도파로 소자에 관한 것으로, 특히 삽입손실과 구동 전압을 감소시킬 수 있는 광도파로 소자의 구조에 관한 것이다.
폴리머를 이용한 광도파로 소자는 다양한 응용 분야에 적용될수 있으며 저가의 대량 생산이 가능하므로 최근 들어 활발히 연구되고 있다.
폴리머 광도파로 소자 연구 분야는 수동형 폴리머와 비선형 폴리머라는 크게 두 분야로 구분지을 수 있다. 수동형 폴리머는 열광학 효과를 이용한 소자도 포함하여 광파워 분배기나 열광학 스위치등에 응용될 수 있다.
미국의 얼라이드 시그널(allied signal)사에서는 폴리머 광도파로의 전파손실을 0.1dB/cm 미만으로 줄일수 있는 물질을 개발 하였으며(L. Eldada et al., IEEE J. Lightwave Technol., Vol. 14, No. 7, pp. 1704-1713, July 1996), 네덜란드의 악조(Akzo)사에서는 안정성이 매우 뛰어나고 구동전압이 낮은 열광학 스위치들을 제작하여 상용화시켰다.
비선형 폴리머는 주로 전기광학 효과를 이용하는 방향으로 연구가 진행되어 왔으며 최근에 미국의 스타이어(steier)교수팀은 변조 주파수 대역이 100GHz 이상이 되는 광변조기를 제작 발표하였다(D. Chen, H. R. Fetterman, A. Chen, W. H. Steier, L. R. Dalton, W. Wang, and Y.Shi, "High-bandwidth polymer modulators in OptoelectronicIntegrated Circuits", Proc. SPIE 3006, pp. 314-317, 1997).
전기광학 폴리머 광도파로를 이용한 마흐-젠더(Mach-Zehnder)변조기는 광파와 마이크로파간의 속도 부정합이 매우 작은 장점을 가지고 있으며 이로 인해 변조 대역폭이 매우 넓은 광소자들을 용이하게 제작할 수 있다.
이러한 장점에도 불구하고 전기광학 폴리머 광도파로 소자는 아직까지 여러 가지 특성들을 완전히 최적화시키지 못한 상태로서 실제적인 응용소자로서는 부족한 점이 있다.
폴리머를 이용한 전기광학 광도파로 소자는 100GHz 이상의 고속 신호처리가 가능한 장점을 가지고 있으나 광삽입 손실과 구동전압이 큰 단점으로 인하여 실제 응용에는 한계가 있다.
전기광학 광도파로 소자의 구동전압을 줄이기 위해서는 광도파로의 두께를 줄여서 변조 전극간의 거리를 최소화 시켜야 한다. 이를 위하여 광도파로의 코아층과 클래드층간의 굴절률 차이를 크게 만들어서 도파광을 매우 얇은 코아층에 국한 시킨다. 또한, 상하부 클래드층의 두께도 매우 얇게 만들어서 세층으로 형성되는 광도파로의 전체 두께를 충분히 작게 만든다.
구동 전압은 광도파로의 상하부에 위치한 전극간에 걸리게 되므로 광도파로의 두께가 얇아 질수록 전계는 강하게 되며, 이로 인해 전기광학 효과를 이용한 광 변조 효율이 증가하고 소자의 구동전압이 낮아지게 된다.
광도파로의 두께를 최대한 얇게 만들면 구동전압은 최소화 시킬수가 있으나, 도파광의 크기가 광섬유의 모드보다 너무 작아 지므로 광섬유와 소자간에 입출력 과정에서 모드 부정합으로 인한 손실이 매우 커지고 광섬유 정렬시에 허용 오차가 매우 작아지는 단점이 생긴다.
본 발명의 목적은 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 구동전압과 삽입 손실을 감소시킬 수 있는 광도파로 소자의 구조를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광도파로 소자의 구조는 광도파로의 입출력부 영역의 수동형 광도파로와 광변조부 영역의 광도파로사이에 수직방향 테이퍼 광도파로를 형성하고, 상기 입출력부 광도파로의 도파모드의 크기를 광섬유와 동일한 크기로 만든 수동형 광도파로를 형성하여 광섬유와의 연결손실을 최소화 하도록 구성된다.
도 1(a),(b)는 본 발명의 폴리머 전기광학 위상변조 소자의 평면도 및 단면도,
도 2(a),(b)는 본 발명의 폴리머 광도파로 소자의 입출력부 및 전기광학 변조기 부분의 단면도,
도 3(a)내지 3(e)는 본 발명의 실시예에 의한 폴리머 광도파로 소자의 제조 과정을 나타낸 공정 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예를 적용하여 제조한 마흐-젠더 광변조기의 평면 개략도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 입출력부 수동형 광도파로 영역
2 : 광도파로의 수직방향 테이퍼 영역
3 : 전기광학 변조 광도파로 영역
4 : 기판 (Si, GaAs, Glass, etc.)
5 : 수동형 광도파로 하부 클래드층
6 : 수동형 광도파로 코아
7 : 수동형 광도파로 상부 클래드층
8 : 전기광학 폴리머로 만든 전기광학 변조 광도파로 코아
9 : 전기광학 변조를 위한 하부 전극
10 : 전기광학 변조를 위한 상부 전극
11 : 입출력부 수동형 광도파로의 도파 모드
12 : 전기광학 변조 광도파로의 도파 모드
13 : 직선 채널 광도파로
14 : 마흐-젠더 광도파로
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 특성중에서 가장 중요한 요소인 구동전압과 광삽입 손실을 최적화시키기 위한 광도파로 소자의 구조에 관한 것이다.
도 1(a),(b)는 본 발명의 실시예에 따른 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 평면도 및 단면도를 나타낸다.
도 1(a)에 따른 광도파로 소자는 일방향으로 진행하는 직선채널 광도파로(13)의 상하에 각각 전기광학 변조를 위한 상부 전극(10)과 하부전극(9)이 형성되어 있는 구조를 가지고 있으며, 입출력부에 수동형 광도파로 영역(1)이 형성되어 있고, 이 수동형 광도파로 영역(1)에 접하여 광도파로의 수직방향 테이퍼 영역(2)이 형성되어 있으며, 이 수직방향 테이퍼 영역(2)에 전기광학 변조 광도파로 영역(3)이 접속되는 구조를 가지고 있다.
도 1(a)의 A-B선에 따른 단면도인 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 입출력부를 형성하는 수동형 광도파로 영역(1)은 기판(4)상에 차례로 적층된 하부 클래드(5), 수동형 광도파로 코아(6), 상부 클래드(7)로 구성되어 있고, 도파광의 위상을 전기 광학 변조시키는 기능을 가지는 전기광학 변조 광도파로 영역(3)은 기판(4)상에 하부 클래드(5), 수동형 광도파로 코아(6) 및 상부 클래드(7)가 차례로 적층되어 있으며, 상기 수동형 광도파로 코아(6)내에 전기광학 광도파로 코아(8)와 상하부 전극(10, 9)이 삽입되어 있는 구조를 가지고 있다.
그리고, 수동형 광도파로 영역(1)과 전기광학 변조 광도파로 영역(3)은 기판(4)상에 하부 클래드(5), 수동형 광도파로 코아(6) 및 상부 클래드(7)가 차례로 적층 되어 있으며, 상기 수동 광도파로 코아(6)에 삽입된 전기광학 변조 광도파로 코아(8)의 두께가 서서히 변화하는 수직방향 테이퍼 영역(2)에 의해 연결되어 있다.
전기광학 효과를 극대화시켜서 소자의 구동전압을 낮추기 위해서는 두 전극 (9, 10)간의 간격을 최대한 좁게 만드는 것이 유리하다.
전극의 간격이 좁아지면 동일한 전압에 대한 전계의 세기가 증가하게 되고 이로 인해 전기광학 위상 변조량이 증가하기 때문이다. 전극의 간격을 좁히기 위해서는 전기광학 광도파로를 지나가는 도파광의 수직방향 크기가 매우 작게되어야 한다.
도 2(a),(b)는 도 1(b)의 입출력부 수동형 광도파로 영역(1)을 자른 E-F의 단면과 전기광학 변조 광도파로 영역(3)을 자른 C-D 단면을 나타낸 것으로, 전기광학 광도파로의 도파 모드(11, 12)와 도파광의 개략적인 크기를 나타내고 있으며, 상기 도파 모드(11)의 크기는 광섬유의 도파 모드의 크기와 대략 일치하는 크기로 형성된다. 광도파로 코아(8)와 입출력부의 수동형 광도파로 코아(6)를 구성하는 폴리머의 굴절률 차이를 0.02이상으로 매우 크게 만들고, 광도파로 코아(8)의 두께를 얇게 만들어서 도파 모드(12)를 납작하게 만들었다.
그리하여 전극간의 간격을 최대한 좁게 만들었으며 전기광학 위상 변조 효율을 향상시켜서 구동전압을 낮추게 된다.
이와 같이, 전기광학 광도파로 소자의 구동전압을 낮추기 위해서는 도파 모드(11, 12)의 수직 방향 크기를 작게 만드는 것이 유리하다. 그러나 도파모드가 작아지면 외부에서 광섬유를 연결하여 빛을 입사시키는 과정에서 모드 크기 차이로 인한 모드 부정합 손실(mode mismatch loss)이 증가하는 문제가 생긴다.
또한, 광섬유를 정확하게 정렬하여 연결하는 과정도 매우 힘들고 추가적인 광손실을 유발하게 된다. 따라서, 광손실을 줄이기 위해서는 도 2(b)에 도시한 도 1(b)의 C-D선의 단면도에서와 같이, 수동형 광도파로를 이용하였다.
수동형 광도파로는 수동형 광도파로 코아(6)와 상하부 클래드(5, 7)로 구성되며 이들간의 굴절률 차이를 0.003 정도로 만들어 주면 상당히 큰 도파 모드(12)를 얻을 수 있다.
이때 굴절률차이와 코아의 크기를 적절히 조절하면 도파 모드의 크기를 광섬유의 도파 모드와 흡사한 크기로 만들 수 있다. 그러므로 제안된 수동형 광도파로에 광섬유를 연결시켜서 빛을 입사 시킬때는 모드 부정합으로 인한 손실을 없앨수 있으며, 도파 모드의 크기가 상당히 크기 때문에 광섬유 정렬과정에서의 허용 오차도 큰 장점이 있다.
이상에서 언급한 바와 같이 광손실을 줄이기 위해서는 입출력부에 큰 도파모드를 갖는 광도파로가 필요하고, 반면 구동 전압을 줄이기 위해서는 전기광학 광도파로의 모드를 작게 만드는 것이 필요하다. 이와 같이 상반된 조건을 만족시키는 광도파로를 만들어서 직접 연결시키게 되면 이 과정에서 모드 크기 부정합으로 인한 손실이 크게 발생한다.
그러므로, 도 1에서 도시한 테이퍼 구조의 광도파로 영역(2)을 이용하여 서로 다른 모드 크기를 갖는 광도파로를 연결시킴으로써 모드 부정합 손실을 최소화 시킬 수 있다. 광도파로의 테이퍼 영역(2)에서 광도파로의 도파모드의 크기는 서서히 변화하게되며, 이때 테이퍼의 각도를 충분히 작게 만들어주면 도파모드 크기 변화에 따른 추가손실을 없앨 수 있다. 그러므로 테이퍼 영역(2)의 광도파로는 수동형 광도파로 영역(1)의 광도파로와 전기광학 광도파로 영역(3)의 광도파로 사이를 빛이 진행하면서 생길수 있는 모드 부정합 손실을 감소시키는 기능을 수행한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
본 발명에 의한 전기광학 폴리머 광도파로 소자는 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 실리콘(silicon)기판, III-V 족 반도체(InP, GaAs 등)기판, 유리 등의 기판(도시하지 않음)위에 수동형 광도파로의 하부 클래드(5)를 형성하고, 그 위에 수동형 광도파로 코아를 형성하기 위해, 폴리머를 스핀 코팅 방법을 이용하여 코팅한 후에 박막을 자외선이나 열을 가하여 충분히 경화시켜 제 1 코아층(6a)을 형성하고,
이 제 1 코아층(6a)위의 전기광학 광도파로를 제작할 부분에 부분적으로 하부 전극(9)을 진공 증착시킨다.
이어서, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 수동형 광도파로 코아 및 전기광학 광도파로 클래드용으로 폴리머를 전체적으로 코팅하여 제 2 코아층(6b)을 형성하고, 그 위에 전기광학 변조 광도파로 코아(8)를 코팅하고 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching: RIE)등으로 패터닝하여 채널 광도파로 형태를 만든다.
다음, 도 3(c)에 도시한 바와 같이, 전기광학 변조 광도파로 영역(3)위에 마스크 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 노출된 부분을 반응성 이온 식각하여 전기광학 변조 광도파로 코아(8)와 제 2 코아층(6b)을 비스듬하게 테이퍼 형태로 식각하여 제거한다.
이어서, 도 3(d)에 도시한 바와 같이, 전면에 폴리머를 코팅하여 제 3 코아층(6c)을 형성하고, 하부 전극(9)에 대응하는 제 3 코아층(6c)상에 상부 전극(10)을 형성하고, 이어서 폴리머를 증착하여 제 4 코아층(6d)을 형성한다.
테이퍼 구조와 전기광학 변조 광도파로 코아(8)는 점선으로 나타낸바와 같이 수동형 광도파로 코아(6)의 내부에 매입되도록 형성된다.
그 다음, 도 3(e)에 도시한 바와 같이, 제 4 코아층(6d)상의 전기광학 변조 광도파로 영역에 마스크 패턴(도시하지 않음)와 광도파로 마스크 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 노출된 코아층을 반응성 이온 식각법으로 식각하여 수동형 광도파로 코아(6)을 완성한다.
이어서, 도 3(f)에 도시한 바와 같이, 수동형 광도파로의 상부 클래드(7)를 코팅 하여 소자의 제작을 완료한다.
도 4는 상술한 도 3의 제조 방법에 의한 광도파로 구조를 이용한 전기광학 마흐-젠더 변조기의 평면 구조를 나타낸다.
본 발명의 광도파로 구조를 가지는 도 4의 마흐-젠더 광변조기는 1라인 사이에 2라인으로 분기하는 형상을 가지는 마흐-젠더 광도파로가 형성되고, 상부전극(9)이 마흐-젠더 광도파로의 분기된 2라인중 1라인 상측에만 형성된 구조를 가지며, 전기 광학 변조가 반드시 필요한 부분에만 수직방향 테이퍼 영역(2)의 구조와 전기광학 변조기를 삽입시켜서 제작하여 전기광학 광도파로의 길이를 줄이게되므로 광 전파 손실(optical propagation loss)도 줄이는 효과가 있다.
일반적으로, 전기광학 광도파로는 수동형 광도파로 보다 광 전파 손실이 훨씬 크기 때문이다. 또한 이 구조를 이용하면 수동형 광도파로를 기반으로 전체적인 광신호 처리용 광도파로 회로를 형성하고, 전기광학 신호처리가 필요한 부분에만 국부적 으로 전기광학 광도파로를 형성하여 전체적인 광손실을 대폭 줄일수 있게 된다.
전기광학 변조 영역의 길이가 2cm이고 도파 손실이 2dB/cm 라고 하면 마흐-젠더 변조기의 궁극적인 손실은 4dB 밖에 되지 않으며, 모드 부정합 손실이 무시할수 있을 정도로 작아지므로 기타 추가적인 손실들을 합치더라도 5∼6dB 정도의 총 삽입 손실을 갖게 될것이다.
전기광학 광변조기의 구동전압은 광파의 위상을 180。 만큼 변화시키는데 필요한 전압 Vπ 로 정의된다. Vπ 는 광파의 파장 λ, 상하부 전극간의 간격 d, 광도파로의 유효 굴절률 n, 전기광학 계수 r33, 그리고 전극의 길이 L 에 의해서 결정되며 하기의 수학식 1로 표현된다.
전극간의 간격을 5μm 로 하고 L = 2cm, r33= 20pm/V, n = 1.8, 그리고 λ = 1.3 μm인 경우에 Vπ 는 2.8V 가 된다. 이 값을 더 낮추기 위해서는 전기광학 광도파로의 도파모드를 더욱 작게 만들어서 전극간의 간격을 줄이면 된다.
전극 간격이 3μm로 줄어 들면 변조 전압은 1.7V 로 줄어든다.
폴리머 소자는 초고속 광신호 처리에 적합한 장점을 가지고 있으며 본 구조를 이용하여 효율을 극대화시키게 되면 다양한 응용 분야에 효과적으로 널리 사용될 수 있다.
또한, 폴리머를 이용하여 저가의 대량생산이 가능한 소자이므로 광통신, 광교환, 광센서 등 다 방면의 광신호 처리 시스템에 응용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 전기광학 폴리머 광도파로 소자의 구동전압과 삽입 손실을 줄이기 위한 구조에 있어서,
    광도파로의 입출력부 영역의 수동형 광도파로와 광변조부 영역의 광도파로 사이에 수직방향 테이퍼 광도파로를 형성하고,
    상기 입출력부 광도파로의 도파모드의 크기를 광섬유와 동일한 크기로 만든 수동형 광도파로를 형성하여 광섬유와의 연결손실을 최소화한 광도파로 소자의 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조부 영역의 광 도파로는 수동형 광도파로 코아와, 상기 수동형 광도파로 코아내에 매입되어 있는 전기광학 변조 광도파로 코아를 포함하여 구성되는 광도파로 소자의 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조부 영역은 수동형 광도파로 코아와, 상기 수동형 광도파로 코아내에 매입되어 있는 전기광학 변조 광도파로 코아 및 상기 전기광학 변조 광도파로 코아의 상하에 형성되어 있는 상하부 전극을 포함하는 광도파로 소자의 구조.
  4. 상기 수직방향 테이퍼 영역의 광도파로는 수동형 광도파로 코아와, 상기 수동형 광도파로 코아내에 매입되어 입출력부 영역의 광도파로측으로 수직으로 경사진 단부를 가지는 전기광학 변조 광도파로 코아를 포함하는 광도파로 소자의 구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 입출력부 영역의 광도파로는 광섬유의 도파 모드와 일치하는 광도파로의 도파 모드를 가지는 광도파로 소자의 구조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기광학 변조 광도파로의 도파모드는 상기 입출력부의 광도파로의 도파 모 드 보다 얇은 두께의 도파 모드를 가지는 광도파로 소자의 구조.
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