KR20030088301A - 다중 모드 간섭형 결합기, 이를 이용한 다층 평면형광도파로 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 모드 간섭형 결합기, 이를 이용한 다층 평면형 광도파로 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상하층 광도파로 간에 결합율이 높은 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 형성하여 상하층 광도파로 간의 소산장 간섭을 최대한 줄이면서, 상하층 광도파로 간의 결합율이 높은 수직 구조의 다층 평면형 광도파로를 구현할 수 있는 다중 모드 간섭형 결합기, 이를 이용한 다층 평면형 광도파로 및 그 제조 방법을 개시한다.

Description

다중 모드 간섭형 결합기, 이를 이용한 다층 평면형 광도파로 및 그 제조 방법{Multimode interference coupler, multi-layer optical planar waveguide using the same and method of manufacturing the same}
본 발명은 본 발명은 다중 모드 간섭형 결합기, 이를 이용한 다층 평면형 광도파로 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 전자 회로에서 사용하는 다층 회로기판(Multi-Layer Printed Circuit Board; MLPCB)의 개념을 광도파로에 적용하여 다층 평면형 광도파로 소자의 집적도를 높일 수 있는 다중 모드 간섭형(Multimode interference; MMI) 결합기, 이를 이용한 다층 평면형 광도파로 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광통신 기술의 발전에 따라 광분배기(Optical Isolator), 광결합기(Optical Coupler), 광스위치(Optical Switch), 광증폭기(Optical Amplifier) 등의 각종 집적형 광학 부품을 제조하기 위하여 다양한 평면형 광도파로(Optical Planar Waveguide) 기술이 개발되어 왔다.
최근에는, 평면형 광도파로에 대한 응용이 활발히 진행됨에 따라 광통신 응용 분야에서 평면형 광도파로의 고집적화에 대한 요구가 더욱 커지고 있는 추세이며, 이에 따라 다수의 평면형 광도파로 소자들을 서로 접속하여 사용해야 하는 경우가 빈번히 발생하고 있다. 일례로, 1998년 9월 17일자로 'M.Itoh, et al.'에 의해 그 명칭을 "Optical device mounting board"로 하여 출원되어 2000년 9월 5일자로 등록된 미국특허번호 제6,115,515호(이하, '참조문헌1'이라 함)에는 다양한 평면형 광도파로 소자들을 평면상에 횡으로 배열에서 서로 접속하는 방법에 대해 그 개시가 되어 있다.
참조문헌1은 그 명칭에도 암시한 바와 같이 광도파로를 비롯한 광전 소자들의 부착이 용이하도록 하는 보드에 관한 발명으로, 다수의 다양한 평면형 광도파로들을 홈(Groov)이 새겨진 평면 마운팅 보드(Mounting Board) 상에 배치해서 상호 간의 접속을 용이하게 하는 기술적 사상을 제공하고 있다. 이러한 기술적 사상은 현재 이 분야에서 연구가 활발히 이루어지고 있는 평면형 광도파로들의 접속에 있어서 그 장을 열었다 할 것이다. 그러나, 이러한 기술적 사상은 적어도 두 개의 광도파로 소자들을 평면상에서 접속해야 함에 따라 고가의 정렬(Align) 장비들이 필요하고, 그 접속과정에서 발생하는 광 손실을 줄이는데 많은 어려움이 있다. 또한, 참조문헌1에서와 같이 평면형 광도파로들을 평면상에서 횡으로 접속하는 기술적 사상으로는 그 집적화에 한계가 있다.
따라서, 참조문헌1에서와 같이 평면형 광도파로들을 평면상에서 횡으로 접속하는 기술적 사상대신, 수직 구조를 가지는 다층 평면형 광도파로에 관한 새로운 연구가 진행되고 있다. 그 예로, 2000년 'M. Raburn, et al'에 의해 게재지 'IEEE Photon. Technol. Lett.'에 게재된 "Double-bonded InP-InGaAsP vertically coupler 1:8 beam splitter"(이하, '참조문헌2'라 함)와, 2001년 'M. Raburn, etal'에 의해 게재지 'IEEE Photon. Technol. Lett.'에 게재된 "InP-InGaAsP wafer-bonded vertically coupled x-crossing multiple channel optical add-drop multiplexer"(이하, '참조문헌3'이라 함) 등에서 수직 구조의 다층 평면형 광도파로에 관한 기술이 발표되었다.
참조문헌2는 평면형 광도파로를 다층으로 형성하여 그 집적도를 높일 수 있는 1:8 빔 스플리터(Beam Splitter)에 관한 기술로서, 상하층 간의 간격을 마이크로미터(㎛) 이하(즉, 0.1마이크로 미터)로 극히 좁게 구성하여 상하층 평면형 광도파로의 소산장(Evanescent Field) 간섭현상에 의한 결합특성을 이용함으로써 평면형 광도파로 소자의 집적도를 향상시키는 기술적 사상을 제공한다. 또한, 참조문헌3은 근접된 2개층의 광도파로를 이용한 필터에 관한 기술로서, 참조문헌2와 마찬가지로 소산장 간섭현상에 의한 결합특성을 이용하여 평면형 광도파로 소자의 집적도를 향상시키는 기술적 사상을 제공한다. 그러나, 이러한 기술들은 단지 상하층의 광도파로의 간격을 마이크로미터 이하로 극히 좁게 구성하여 상하층의 평면형 광도파로의 소산장 간섭현상에 의한 결합특성을 이용하기 때문에 상하층의 평면형 광도파로의 결합방식에 따라 상당한 제약을 갖고 있다.
이 외에, 수직 구조의 다층 평면 광도파로와 관련된 기술로는 1998년 'T. Watanabe, et al'에 의해 게재지 'J. Appl. Phys.'에 게재된 "Vertically stacked coupler and serially grafted waveguide : Hybrid waveguide structures formed using an electro-optic polymer"(이하, '참조문헌4'라 함)와, 2001년 8월 28일자로 그 명칭을 "Thermo-optic switch"로 하여 등록된 미국특허번호 제6,282,335호(이하, '참조문헌5'라 함) 등이 있다.
참조문헌4는 전광 물질로 구성된 하층과 저손실 물질로 구성된 상층을 포함한 2개층의 광도파로를 이용하여 저손실 전광 스위치를 구성하는 것을 기술적 특징으로 한다. 참조문헌5는 손실이 작은 유리를 이용하여 주 도파로를 구성하고 열광학 계수가 큰 폴리머 도파로를 유리 도파로 상에 가로질러서 배치함으로써 가해진 열에 따라 유리 도파로에서 폴리머 도파로로 빛이 진행하도록 하여 저손실 열광학 스위치를 구성하는 것을 기술적 특징으로 한다. 그러나, 이 두 참조문헌들(참조문헌4 및 참조문헌5) 역시 상기 참조문헌2 및 참조문헌3과 마찬가지로 상하층의 광도파로의 간격을 마이크로미터 이하로 극히 좁게 구성하여 상하층의 광도파로의 소산장 간섭현상에 의한 결합특성을 이용함에 따라 상하층의 평면형 광도파로의 결합방식에 따라 상당한 제약을 갖고 있다.
상기에서 전술한 바와 같이, 상기 참조문헌들은 모두 수직 구조의 다층 평면 광도파로를 구성하여 스위치 또는 펄터를 구현했다는 점에서 상당한 의의는 있으나, 모두 상하층의 결합방식이 근접한 광도파로의 소산장 간섭현상에 의한 결합특성을 이용함에 따라 상하층 간격에 상당한 제약을 갖게 된다. 이렇게 상하층 간의 간격이 좁을 경우에는 상하층 간의 결합이 쉬운 반면, 상하층을 각각 독립된 소자로 구성하는 것은 불가능해진다. 특히, 참조문헌4의 경우에는 전광 스위치 동작을 위해서 60V의 전압을 인가해야 하기 때문에 고속의 통신용 광소자로서 사용이 어렵다.
한편, 독립된 구조의 다층 평면형 광도파로를 구현한 기술로는 1993년 'T.A. Tumolillo, Jr. et al'에 의해 게재지 'Appl. Phys. Lett'에 게재된 "Multilevel registered polymeric Mach-Zehnder intensity modulator array"(이하, '참조문헌6'라 함)가 발표되었다. 참조문헌6에서는 상하층의 간섭이 거의 없는 독립된 구조의 다층 평면형 광도파로를 구현하였으나, 상하층을 어떻해 접속할 것인지에 대해서는 전혀 그 개시가 되어 있지 않고 있다. 이에 따라, 독립된 구조의 다층 평면형 광도파로를 구성하면서 상하층의 광도파로를 서로 접속하기 위한 기술에 대한 연구가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상하층 광도파로 간의 소산장 간섭을 최대한 줄이고, 특정 부분에서 상하층 광도파로를 높은 결합율(Coupling Ratio)로 접속가능한 다중 모드 간섭형 결합기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상하층의 광도파로의 간의 결합율을 높이기 위하여 적어도 하나의 계단형 구조(Stepped)를 가지는 다중 모드 간섭형 결합기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 이용하여 구현된 다층 평면형 광도파로를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 포함한 다층 평면형 광도파로의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 평면형 광도파로의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 다중 모드 간섭형 결합기의 입체도들이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 평면형 광도파로의 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 다중 모드 간섭형 결합기의 입체도들이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다층 평면형 광도파로의 사시도이다.
도 6a 및 도 7b는 도 5에 도시된 다중 모드 간섭형 결합기의 입체도들이다.
도 7, 도 10 및 도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이(MMI length(mm))에 대한 결합율(Coupling ratio)의 변화를 나타낸 모사(Simulation) 결과 그래프들이다.
도 8, 도 11 및 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프들이다.
도 9, 도 12 및 도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프들이다.
도 16 내지 도 18은 도 8, 도 11 및 도 15에서의 광 진행 상황을 빔 진행법(Beam Propagation Method; BPM)을 이용한 컴퓨터 모사를 통해 나타내면 도면들이다.
도 19a 내지 도 19g는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다층 평면형 광도파로의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 20a 내지 도 20f는 본 발명의 제5 실시예에 따른 다층 평면형 광도파로의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 21a 내지 도 21f는 도 20a 내지 도20f를 90°회전시켜 도시한 단면도들이다.
도 22는 도 20a 및 도 21a의 단계에서 하부 코어층의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 23은 일반적인 전자회로에서의 다층 회로 기판을 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100, 300, 500 : 다층 평면형 광도파로
110, 310, 510 : 실리콘 또는 유리 기판
120, 320, 520 : 하층 광도파로
130, 330, 530 : 다중 모드 간섭형 결합기
140, 340, 540 : 상층 광도파로
122, 322, 522 : 하부 클래드층
124, 324, 524 : 하부 코어층
142, 342, 542 : 상부 클래드층
144, 344, 544 ; 상부 코어층
132, 332, 532 : 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로
본 발명은 하층 광도파로 소자와 상층 광도파로 소자 간에 간섭을 최소화하고, 상기 하층 광도파로 소자와 상기 상층 광도파로 소자가 각각 독립적인 소자로 동작하도록 하기 위하여, 상기 하층 광도파로 소자와 상기 상층 광도파로 소자가 수직 구조로 접속되도록 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로와 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로 간에 형성되되, 상기 각각의 광도파로의 두께보다 두껍게 형성되는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로를 포함하는 다중 모드 간섭형 결합기를 제공한다.
또한, 본 발명은 하층 광도파로 소자와, 상기 하층 광도파로 소자와 수직 구조로 위치되는 상층 광도파로 소자와, 상기 하층 광도파로 소자와 상기 상층 광도파 소자를 접속하기 위하여 제 1 항의 구성을 포함하는 다중 모드 간섭형 결합기를 포함하는 다층 평면형 광도파로를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판 상의 일부에 하부 코어층을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부면에 클래드 물질을 전면 도포하는 단계와, 다중 모드 간섭형 결합기가 형성될 영역의 상기 하부 코어층의 일부가 노출되도록 상기 클래드 물질을 식각하여 하부 클래드층을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부면에 코어 물질을 전면 도포하는 단계와, 상기 코어 물질을 식각하여 상기 다중 모드 간섭형 결합기 및 상부 코어층을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부면에 상기 클래드 물질을 도포하여 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 유리 기판의 일부에 이온 교환 방식을 이용하여 하부 코어층을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부면에 UV 광에 의해 굴절률이 변화하는 UV 감광 폴리머를 도포하는 단계와, 상기 UV 감광 폴리머 상의 일부에 상부 코어층을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부면에 상부 클래드층을 형성하는 단계와, 다중 모드 간섭형 결합기가 형성될 영역에 대응되는 상부 클래드층 상에 금속 마스크를 위치시키는 단계와, 전체 구조 상부면에 UV 광을 조사하여 상기 UV 감광 폴리머에 상기 다중 모드 간섭형 결합기 및 하부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법을 제공한다.
우선, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다층 평면형 광도파로에 대해 설명하기 전에, 본 발명에서 구현하고자 하는 일반적인 전자회로의 다층 회로기판의 하층배선과 상층배선 간의 접속개념을 도 23에 도시된 사시도를 통해 간략하게 설명하면 다음과 같다.
도 23을 참조하면, 전자회로의 다층 회로기판(800)에서는 하층배선(810)과 상층배선(820) 간의 전기적인 절연을 위해 상/하층배선들(810 및 820) 간에 층간절연막(830)을 형성한다. 이어서, 상/하층배선들(810 및 820)의 특정 부분을 전기적으로 상호 접속하기 위하여 해당 층간절연막(830)의 일부를 식각하여 비아홀(840)을 형성하고, 이 비아홀(840) 내에 도전성 물질인 금속물질(840)을 매립하여 상기 하층배선(810)과 상층배선(820) 간을 전기적으로 접속한다. 이로써, 전자회로의 고집적화가 가능하다.
그러나, 이러한 전자회로의 다층 회로기판의 상/하층배선 간의 전기적인 접속개념을 그대로 광도파로에 적용하는 경우에는 많은 어려움이 발생하고 있다. 예컨대, 전자회로에서와 같이 광도파로의 상하층을 접속하기 위해서는 광도파로 자체를 직각으로 꺽어야 하는데, 이로 인해, 광도파로의 직각부에서 대부분의 광이 손실되는 문제가 발생하여 상하층 간의 광도파로를 서로 접속할 수 가 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 전자회로의 다층 회로기판의 접속개념을 이용하고, 1996년 'B. M. A Rahman, et al.'에 의해 게제지 'IEEE Photon. Technol. Lett'에 "A curate analysis of multimode interfernce devices"로 하여 게재된 평면상의 다중 모드 간섭 결합방식을 이용하되, 이와는 달리 수직 구조의 상하층 광도파로에 적용이 가능한 새로운 다중 모드 간섭형 결합방식과, 이를 이용한 다층 평면형 광도파로 및 그 제조 방법을 개시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하며, 중복되는 요소에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 구조를 설명하기 위해 도시한 다층 평면형 광도파로의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 다층 평면형 광도파로(100)는 실리콘(Silocon) 또는 유리 기판(110) 상에 수직 구조로 형성된 하층 광도파로(120), 다중 모드 간섭형 결합기(130) 및 상층 광도파로(140)를 포함한다.
하층 광도파로(120)는 하부 클래드층(Clad Layer)(122)과 하부 코어층(Core Layer)(124)을 포함하는 단일 모드 광도파로로 이루어진다. 상층 광도파로(140)는 상부 클래드층(142)과 상부 코어층(144)을 포함하는 단일 모드 광도파로로 이루어진다.
다중 모드 간섭형 결합기(130)는 하층 광도파로(120)와 상층 광도파로(140) 간에 위치되며, 하층 광도파로(120)로부터 입사되는 광을 상층 광도파로(140)로 전달하기 위하여 다중 모드 간섭 결합방식을 통해 하층 광도파로(120)와 상층 광도파로(140) 간의 특정 부위를 서로 접속시킨다.
구체적으로, 다중 모드 간섭형 결합기(130)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 하부 클래드층(122)과 상부 클래드층(142) 간에 위치되어, 하부 코어층(124) 및 상부 코어층(144)의 일부와 접속되는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)와, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)와 접속되는 하부 코어층(124) 및 상부 코어층(144)의 일부분을 포함한다.
다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)는 하부 코어층(124)과 상부 코어층(144) 간에 위치되되, 하부면이 하부 코어층(124)의 상부면과 접속되고, 상부면이 상부 코어층(144)의 하부면과 접속된다. 이에 따라, 하부 코어층(124)과 상부 코어층(144)은 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)를 사이에 두고 일부분이 서로 중첩(Overlap)된다. 여기서, 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)는 적어도 하나의 단일 모드 또는 다중 모드 광도파로로 이루어진다.
상기에서 전술한 바와 같이 다중 모드 간섭형 결합기(130)는 단일 모드 광도파로인 하층 광도파로(120)의 하부 코어층(124)과, 단일 모드 광도파로인 상층 광도파로(140)의 상부 코어층(144)과, 단일 모드 또는 다중 모드 광도파로로 이루어진 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)를 포함한다. 이에 따라, 다중 모드 간섭형 결합기(130)는 다중 모드 광도파로와 같이 다중 모드가 존재할 수 있게끔 높이(T)(즉, T = T1 + T2 + T3)가 충분히 높아서, 하층 광도파로(120)로 부터 입력되는 입사광이 이 영역에 도달하면 여러개의 다중 모드가 여기될 수 있다. 이로써, 다중 모드 간섭형 결합기(130)를 통해 상층 광도파로(140)로 출력되는 출사광은 여기된 다중 모드 간섭형 결합기(130)에서 여기된 다중 모드들을 중첩하면 얻을 수 있다.
구체적으로, 하층 광도파로(120)의 하부 코어층(124)의 두께(T1)와, 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)의 두께(T2)와, 상층 광도파로(140)의 상부 코어층(144)의 두께(T3)가 동일할 경우 하층 광도파로(120)에서 상층 광도파로(140)의 광 전송은 가장 이상적으로 이루어진다. 그러나, 하층 광도파로(120)의 하부 코어층(124)의 두께(T1)와, 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)의 두께(T2)와, 상층 광도파로(140)의 상부 코어층(144)의 두께(T3)를 서로 동일하게 할 경우에는 하층 광도파로(120)와 상층 광도파로(140) 간의 중첩 부위에서 소산장 간섭현상이 발생하여 독립적인 광도파로로 분리될 수 없게 된다. 이에 따라, 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)의 두께(T2)는 하층 광도파로(120)의 하부 코어층(124)의 두께(T1)와, 상층 광도파로(140)의 상부 코어층(144)의 두께(T3) 보다 크게 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 다중 모드 간섭형 결합기(130)의 길이(L)는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)의 길이와 동일하며, 그 길이(L)는 하기의 수학식 1과 같이 구할 수 있다. 일반적으로, 입력위치가 다중 모드 간섭형 결합기(132)의 일반적인 지점인 경우, 일반 간섭(General Interference)을 이용하게 되면, 원하는 개수의 자기 상(Self-image)이 맺히는 길이(L)는 하기의 수학식 1과 같다.
여기서, p는 정수(0,1,2,...)이고, Lπ는 결합길이로서, 하기의 수학식 2와 같이 나타낸다.
여기서, ''은 기본 모드, 1차 모드의 전파 상수(Propagation Constant)이고, ''는 파장이며, ''는 유효 굴절률(Refractive Index)이고, ''는 유효 폭으로 기본 모드가 실제 유기되는 폭을 나타낸다. 입사와 동일한 상(Direct Image)은 'p'가 짝수(Even)일 경우 나타나고, 반전 상(Inversed Image)은 'p'가 홀수(Odd)일 경우 나타난다.
따라서, 'p'가 홀수일 경우 하층 광도파로(120)로부터 다중 모드 간섭형 결합기(130)로 입력되는 입사광은 다중 모드 간섭형 결합기(130)를 통해 상층 광도파로(140)로 전송된다. 그리고, 최적화된 길이(Optimized Length)에서의 하층 광도파로(120)와 상층 광도파로(140)의 커플링비는 다중 모드 간섭형 결합기(130) 영역의 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(132)에 대한 하부 코어층(142)(또는, 상부 코어층(144))의 중첩으로부터 산정될 수 있다. 또한, 상기 수학식 2에 나타난 바와 같이, 다중 모드 간섭형 결합기(130)의 길이(L)는 다중 모드 간섭형 결합기(130)의 폭의 제곱(Square) 범위 내에서 증가될 수 있으며, 이에 따라, 충분한 분리가 요구되는 다층의 수직 결합에 다중 모드 간섭형 결합기(130)를 사용하는데 장해가 될 수 있다. 이는, 다중 모드 간섭형 결합기의 길이가 증가됨에 따라 제조 단계에서 각 층들의 정렬은 더욱 어려워지는 한편, 다중 모드 간섭형 결합기(130)의 길이(L)가 짧을 수록 광도파로의 배열은 더 유동적이 되기 때문이다.
이에 하기에서는 상기의 내용에 주안점을 두어 본 발명의 제2 실시예 및 제3 실시예를 통해 다중 모드 간섭형 결합기의 길이(L)이를 짧게 하면서 결합율을 높일 수 있는 다중 모드 간섭형 결합기의 새로운 구조를 개시한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 구조를 설명하기 위해 도시한 다층 평면형 광도파로의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 다층 평면형 광도파로(300)는 실리콘 또는 유리 기판(310) 상에 수직 구조로 형성된 하층 광도파로(320), 다중 모드 간섭형 결합기(330) 및 상층 광도파로(340)를 포함한다.
하층 광도파로(320)는 하부 클래드층(322)과 하부 코어층(324)을 포함하는 단일 모드 광도파로로 이루어진다. 상층 광도파로(340)는 상부 클래드층(342)과 상부 코어층(344)을 포함하는 단일 모드 광도파로로 이루어진다.
다중 모드 간섭형 결합기(330)는 하층 광도파로(320)와 상층 광도파로(340) 간에 위치되며, 하층 광도파로(320)로부터 입사되는 광을 상층 광도파로(340)로 전달하기 위하여 하층 광도파로(320)와 상층 광도파로(340) 간의 특정 부위를 서로 접속시킨다. 또한, 다중 모드 간섭형 결합기(330)는 하층 광도파로(320)와 상층 광도파로(340) 간의 결합율을 높이기 위하여 상/하부 각각의 중간 부위에 단일 계단형 구조가 형성된다.
구체적으로, 다중 모드 간섭형 결합기(332)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 하부 코어층(324)과 상부 코어층(344) 간에 위치되어, 하부 코어층(324) 및 상부 코어층(344)의 일부와 접속되는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)와, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)와 접속되는 하부 코어층(324) 및 상부 코어층(344)의 일부분을 포함한다.
다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)는 하부 코어층(324)과 상부 코어층(344) 간에 위치되되, 하부면중 일부가 하부 코어층(324)의 상부면과 접속되고, 상부면중 일부가 상부 코어층(344)의 하부면과 접속된다. 또한, 하부 코어층(324)과 상부 코어층(344)은 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)를 사이에 두고 서로 중첩되지 않도록 상부 코어층(344)은 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)의 상부면에 접속되되, 시작단이 상기 하부 코어층(324)의 끝단부터 시작하여 순차적인 계단형 구조로 접속된다. 여기서, 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)는 적어도 하나의 단일 모드 또는 다중 모드 광도파로로 이루어진다.
상기에서 전술한 바와 같이 다중 모드 간섭형 결합기(330)는 단일 모드 광도파로인 하층 광도파로(320)의 하부 코어층(324)과, 단일 모드 광도파로인 상층 광도파로(340)의 상부 코어층(344)과, 단일 모드 또는 다중 모드 광도파로로 이루어진 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)를 포함한다. 또한, 다중 모드 간섭형 결합기(330)의 구조는 도 4b에 도시된 바와 같이 하층 광도파로(320)와 상층 광도파로(340) 간의 커플링비를 높이기 위하여 상/하부의 중간 부위에 계단형 구조가 형성된다. 이러한 계단형 구조는 하부 코어층(324)과 상부 코어층(344)을 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)를 사이에 두고 서로 중첩되지 않도록 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(332)와 접속시킴으로써 충분히 구현가능하다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 구조를 설명하기 위해 도시한 다층 평면형 광도파로의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 다층 평면형 광도파로(500)는 실리콘 또는 유리 기판(510) 상에 수직 구조로 형성된 하층 광도파로(520), 다중 모드 간섭형 결합기(530) 및 상층 광도파로(540)를 포함한다.
하층 광도파로(520)는 하부 클래드층(522)과 하부 코어층(524)을 포함하는 단일 모드 광도파로로 이루어진다. 상층 광도파로(540)는 상부 클래드층(542)과 상부 코어층(544)을 포함하는 단일 모드 광도파로로 이루어진다.
다중 모드 간섭형 결합기(530)는 하층 광도파로(520)와 상층 광도파로(540) 간에 위치되며, 하층 광도파로(520)로부터 입사되는 광을 상층 광도파로(540)로 전달하기 위하여 하층 광도파로(520)와 상층 광도파로(540) 간의 특정 부위를 서로접속시킨다. 또한, 다중 모드 간섭형 결합기(530)는 하층 광도파로(520)와 상층 광도파로(540) 간의 결합율을 더욱 높이기 위하여 상/하부 각각에 두 개의 계단형 구조의 굴곡이 형성된다.
구체적으로, 다중 모드 간섭형 결합기(530)는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 하부 코어층(524)과 상부 코어층(544) 간에 위치되어, 하부 코어층(524) 및 상부 코어층(544)의 일부와 각각 접속되는 두 층의 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532a 및 532b)와, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로들(532a 및 532b)과 각각 접속되는 하부 코어층(524) 및 상부 코어층(544)의 일부분을 포함한다.
다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532a)는 하부 코어층(524)과 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532b) 간에 위치되되, 하부면중 일부가 하부 코어층(524)의 상부면과 접속되고, 상부면중 일부가 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532b)의 하부면과 접속된다. 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532b)는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532a)와 상부 코어층(544) 간에 위치되되, 하부면중 일부가 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532a)의 상부면과 접속되고, 상부면중 일부가 상부 코어층(544)의 하부면과 접속된다. 또한, 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532b)는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532a)를 사이에 두고 하부 코어층(524)과 서로 중첩되지 않으며, 상부 코어층(544)는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532b)를 사이에 두고 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(532a)와 서로 중첩되지 않으며, 상부 코어층(544)는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로들(532a 및 532b)을 사이에 두고 하부 코어층(524)과 서로 중첩되지 않는다. 여기서, 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로들(532a 및 532b)은 적어도 하나의 단일 모드 또는 다중 모드 광도파로로 이루어진다.
상기에서 전술한 바와 같이 다중 모드 간섭형 결합기(530)는 단일 모드 광도파로인 하층 광도파로(520)의 하부 코어층(524)과, 단일 모드 광도파로인 상층 광도파로(540)의 상부 코어층(544)과, 적어도 하나의 단일 모드 또는 다중 모드 광도파로로 이루어진 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로들(532a 및 532b)를 포함한다. 또한, 다중 모드 간섭형 결합기(530)의 구조는 도 6b에 도시된 바와 같이 하층 광도파로(520)와 상층 광도파로(540) 간의 커플링비를 높이기 위하여 상/하부의 중간 부위에 두개이 계단형 구조의 굴곡이 형성된다. 이러한 계단형 구조는 하부 코어층(524)과 상부 코어층(544)을 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로들(532a 및 532b)을 사이에 두고 서로 중첩되지 않도록 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로들(532a 및 532b)과 접속시킴으로써 충분히 구현가능하다.
이하에서는, 상기에서 전술한 본 발명의 각 실시예(제1, 제2 및 제3 실시예)에 따른 각각의 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이(MMI length(mm))에 대한 상/하층 광도파로 간의 결합율(Coupling ratio)의 변화를 도 7 내지 도 15를 통해 비교 설명하기로 한다.
도 7 내지 도 15는 각 실시예의 다중 모드 간섭형 결합기의 길이(MMI length(mm))에 따른 결합율(Coupling ratio)의 변화에 대한 컴퓨터 모사(Simulation)의 결과 그래프로서, 이 모사 조건은 상/하층 광도파로의 코어층의 굴절률을 1.505로 하고, 상/하층 광도파로의 클래드층 굴절률을 1.5로 하며, 상/하층 광도파로의 기본 광도파로는 높이(T1 및 T2) 및 폭(W)을 6㎛로 한 정사각형 구조로 하고, 파장은 광통신에 주로 사용되는 1.55㎛로 가정하였다.
이중에서, 도 7 내지 도 9는 상/하층 광도파로 간의 간격(Gap), 즉 각각의 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(120, 220, 320)의 두께(T2)가 12㎛인 경우를 가정한 컴퓨터 모사의 결과 그래프이다. 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다. 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다. 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다.
도 7 내지 도 9에서 나타난 바와 같이, 각 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 따라 상/하층 광도파로 간의 결합율이 크게 변화하는 것을 알 수 있으며, 특히 최고 결합율은 도 9의 경우에 약 93%에 이르는 것을 알 수 있다. 또한, 도 8 및 도 9의 경우에는 도 7에 비해서 최고 결합율을 얻기 위한 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이가 현저하게 짧아지는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 도 7의 경우에는 최고 결합율을 얻기 위한 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이가 약 3.55㎜인데 반해, 도 8의 경우에는 약 0.85㎜이고, 도 9의 경우에는 약 1.2㎜로 크게 짧아지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 9의 경우에는 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이의 변화에 따른 결합율의 변화가 현저하게 감소하여안정된 상/하층의 광도파로 간의 결합을 유지시킬 수 있다. 이를 토대로 볼 때, 본 발명의 제2 및 제3 실시예에 따른 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 사용할 경우에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기에 비해 짧은 결합길이에서 상대적으로 결합길이의 변화에 안정적인 결합율을 얻을 수 있다.
한편, 도 10 내지 도 12는 상/하층 광도파로 간의 간격(Gap), 즉 각각의 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(120, 220, 320)의 두께(T2)가 20㎛인 경우를 가정한 컴퓨터 모사의 결과 그래프이다. 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다. 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다. 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다.
도 10 내지 도 12에서 나타난 바와 같이, 각 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 따라 상/하층 광도파로 간의 결합율이 크게 변화하는 것을 알 수 있으며, 특히 최고 결합율은 도 12의 경우에 약 86%에 이르는 것을 알 수 있다. 또한, 도 11 및 도 12의 경우에는 도 10에 비해서 최고 결합율을 얻기 위한 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이가 현저하게 짧아지는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 도 10의 경우에는 최고 결합율을 얻기 위한 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이가 약 5.65㎜인데 반해, 도 11의 경우에는 약 1.1㎜이고, 도 12의 경우에는 약 1.4㎜로 크게 짧아지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 12의 경우에는다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이의 변화에 따른 결합율의 변화가 현저하게 감소하여 안정된 상/하층의 광도파로 간의 결합을 유지시킬 수 있다. 이를 토대로 볼 때, 본 발명의 제2 및 제3 실시예에 따른 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 사용할 경우에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기에 비해 짧은 결합길이에서 상대적으로 결합길이의 변화에 안정적인 결합율을 얻을 수 있다.
한편, 도 13 내지 도 15는 상/하층 광도파로 간의 간격(Gap), 즉 각각의 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로(120, 220, 320)의 두께(T2)가 30㎛인 경우를 가정한 컴퓨터 모사의 결과 그래프이다. 도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다. 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다. 도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 대한 결합율의 변화를 나타낸 모사 결과 그래프이다.
도 13 내지 도 15에서 나타난 바와 같이, 각 실시예에 따른 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이에 따라 상/하층 광도파로 간의 결합율이 크게 변화하는 것을 알 수 있으며, 특히 도 15의 경우에서와 같이 두 단계의 계단형 구조를 가지는 다중 모드 간섭형 결합기의 경우에는 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이가 1.85㎜에서 최고 결합율이 약 92%에 이르는 것을 알 수 있다. 더욱이, 도 13의 경우에서와 같이 단순한 구조를 가지는 다중 모드 간섭형 결합기에서는 다중 모드 간섭형결합기의 결합길이가 9㎜에서 최고 결합율이 약 83%에 이르는 데 반해, 도 14의 경우에서와 같이 단일 계단형 구조를 가지는 다중 모드 간섭형 결합기의 경우에는 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이가 5.2㎜에서 최고 결합율이 약 71%로 오히려 더 낮아지는 것을 알 수 있다. 이를 토대로 볼 때, 상/하층 광도파로 간의 클래드층의 두께가 30㎛의 경우에는 두 단계의 계단형 구조를 가지는 다중 모드 간섭형 결합기의 결합길이 및 결합율에 있어서 다른 구조의 다중 모드 간섭형 결합기에 비해 탁월한 효과를 보이는 것을 알 수 있다.
상기에서 전술한 바와 같이, 도 8, 도 11 및 도 15에서 최단 결합길이에 따른 최고 결합율을 얻을 수 있으며, 이 경우에서의 상/하층 광도파로 간의 광 진행 상황을 빕 진행법(Beam Propagation Method; BPM)을 이용한 컴퓨터 모사를 통해 나타내면 도 16 내지 도 18과 같다. 도 16은 도 8에 대응하는 컴퓨터 모사 결과도이고, 도 17은 도 11에 대응하는 컴퓨터 모사 결과도이며, 도 18은 도 15에 대응하는 컴퓨터 모사 결과도이다. 도 16 내지 도 18에 나타난 바와 같이, 광이 각 다중 모드 간섭형 결합기를 통해 하층 광도파로에서 상층 광도파로로 거의 사선으로 진행하여 결합되는 것을 볼 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 단일 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 포함하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법에 대해서만 그 일례(제4 및 제5 실시예)로 설명하기로 한다. 여기서, 본 발명의 제2 실시예에 대해서만 그 제조 방법을 설명하는 것은 그 설명의 편의를 위한 것이며, 이하에서 설명되는 제조 방법을 토대로 다른 실시예(제1 및 제3 실시예)의 다층 평면형 광도파로의 제조 방법은 그대로 균등 치환이 가능하기 때문이다.
도 19a 내지 도 19g는 본 발명의 제4 실시예에 따른 단일 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 포함하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 19a를 참조하면, 실리콘 또는 유리 기판(610) 상에 코어를 전면 도포(Coating)한 후, 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 이용한 노광 공정 및 식각 공정을 통해 상기 코어의 일부분을 패터닝하여 유리 기판(610) 상의 일부면에 하부 코어층(612)을 형성한다.
도 19b를 참조하면, 하부 코어층(612)을 포함한 전체 구조 상부면에 후속 공정을 통해 하부 클래드층(614a)(도 19c 참조) 및 상부 클래드층(618)(도 19g 참조)의 일부가 되는 클래드(614)를 전면 도포한다.
도 19c를 참조하면, 포토리소그래피 공정을 이용한 노광 공정 및 식각 공정을 통해 다중 모드 간섭형 결합기가 형성될 부위의 클래드(614)(도 19b 참조)를 식각하여 하부 클래드층(614a)을 형성하는 한편, 하부 코어층(612) 상부에 상부 클래드층(618)의 일부가 되는 클래드층(614b)을 형성한다.
도 19d를 참조하면, 하부 클래드층(614a) 및 클래드층(614b)을 포함한 전체 구조 상부면에 후속 공정을 통해 패터닝되어 다중 모드 간섭형 결합기 및 상부 코어층(616b)(도 19f 참조)의 일부가 되는 코어(616)를 전면 도포한다. 이로써, 하부 클래드층(614a)과 클래드층(614b) 사이의 빈 공간이 코어(616)에 의해 매립된다.
도 19e를 참조하면, 상기 도 19d에서 코어(616) 도포시, 하부클래드층(614a)과 클래드층(614b) 사이의 하부 클래드층(614a)과 하부 코어층(612) 간의 단차에 의해 코어(616)의 상부면의 평탄화가 용이하지 않은 경우에는 상부면이 평탄해지기 충분하게 클래드층을 두껍게 형성한 후 원하는 두께로 식각하는 방법을 사용하거나, 연마 공정(예컨대, 화학적 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Pllishing; CMP)을 실시한다. 유동성(Fluidity)이 높은 코어 물질을 사용하는 경우에는 상기 식각 공정 또는 연마 공정을 스킵(Skip)할 수 있다. 여기서, 코어(616a)는 식각 공정 또는 연마 공정을 통해 평탄화된 상태를 나타낸다.
도 19f를 참조하면, 포토리소그래피 공정을 이용한 노광 공정 및 식각 공정을 통해 클래드층(614b)의 상부면이 노출되도록 하는 한편, 하부 코어층(612)과 하부 클래드층(614a)이 접속되는 경계면까지 하부 코어층(612)에 대응되는 부위의 코어(616a)를 식각한다. 이로써, 하부 코어층(612)과 하부 클래드층(614a)의 경계면에 대응되는 부위, 즉 상부면의 중앙부가 단일 계단형 구조를 가지는 다중 모드 간섭형 결합기가 형성된다. 이와 동시에 하부 클래드층(614a) 상에는 상부 코어층(616b)이 형성된다. 이때, 다중 모드 간섭형 결합기는 하부 코어층(612)과 상부 코어층(616b)보다 두껍게 형성된다.
도 19g를 참조하면, 전체 구조 상부면에 클래드층(614b)과 함께 상부 클래드층(618)이 되는 클래드를 전면 도포한다. 이로써, 유리 기판(610) 상에 하부 코어층(612) 및 하부 클래드층(614a)을 포함하는 하층 광도파로와, 상부 코어층(614b) 및 상부 클래드층(618)을 포함하는 상층 광도파로와, 하층 광도파로와 상층 광도파로 간에 형성되는 단일 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를포함하는 다층 평면형 광도파로가 형성된다.
한편, 본 발명의 제5 실시예에서는 광도파로로 유리, 폴리머 재질 및 각종 반도체 물질 등으로 구현이 가는한데, 본 발명의 다층 평면형 광도파로 구현에 가장 쉽게 접근할 수 있는 것으로 1998년 'R. V. Ramaswamy, et al'에 의해 게재지 'J. Lightwave Technol'에 게재된 "Ion-exchanged glass waveguide: a review"에 개시된 묻힌 구조(Buried Type)의 이온 교환 유리 도파로를 하층 광도파로하고, 폴리머로 이루어진 도파로를 상층 광도파로로 하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법을 개시한다.
도 20a 내지 도 20f, 도 21a 내지 도 21f는 본 발명의 제5 실시예에 따른 단일 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 포함하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다. 도 21a 내지 도 21f는 도 20a 내지 도 20f를 90°회전시켜 도시한 단면도들이다.
도 20a 및 도 21a를 참조하면, 유리 기판(710)의 일부에 이온 교환 방식을 이용하여 하부 코어층(712)을 형성한다. 이온 교환 방식을 이용한 하부 코어층(712)의 제조 공정은 도 22와 같은 단계로 이루어진다. 도 22에 도시된 바와 같이 조성이 조절된 원소들을 혼합하여 용해(Melting)하여 제작된 유기 기판(710) 상에 금속 마스크(700)를 위치시킨 후 소정의 온도(예컨대, 300 내지 500℃)에 용해된 용융염(702)(예컨대, 질산염) 등에 침전시켜 유리 기판(710) 내의 원소와 용융염(702) 원소의 상호 확산을 통한 굴절률 차를 이용하여 하부 코어층(712)를 형성한다.
도 20b 및 도 21b를 참조하면, 하부 코어층(712)를 포함한 전체 구조 상부면에 UV 광(UV light)에 의해 굴절률이 변화하는 UV 감광 폴리머(714)를 전면 도포한다.
도 20c 및 도 21c를 참조하면, UV 감광 폴리머(714) 상에 폴리머를 전면 도포한 후 포토리소그래피 공정을 이용한 노광 공정 및 식각 공정을 통해 상기 폴리머중 일부를 패터닝하여 상부 코어층(716)을 형성한다. 이때, UV 감광 폴리머(714)는 노광 공정중의 약한 또는 짧은 UV 광 노출에는 굴절률 변화가 크지 않고, 장시간의 UV 광 노출에 굴절률이 크게 변화하는 것을 사용한다.
도 20d 및 도 21d를 참조하면, 상부 코어층(716)을 포함하는 전체 구조 상부면에 폴리머를 전면 도포하여 상부 클래드층(718)을 형성한다. 상기 상부 클래드층(718)으로 사용되는 폴리머는 UV 광에 의해 굴절률이 변화하지 않는 물질을 사용한다.
도 20e 및 도 21e를 참조하면, 다중 모드 간섭형 결합기(720)(도 20f, 도 21f 참조)가 형성될 영역에 대응되는 상기 상부 클래드층(718) 상에 금속 마스크(704)를 위치시킨 후 UV 광을 조사한다.
도 20f 및 도 21f를 참조하면, 상기 도 20e 및 도 21e에서 조사되는 UV 광에 의해 UV 감광 폴리머(714)중 UV 광에 노출되는 부위는 굴절률(예컨대, 저 굴절률로 변화)이 변화하는 한편, 금속 마스크(704)에 의해 UV 광이 차단되는 부위는 굴절률이 변화하지 않게 된다. 이로써, UV 감광 폴리머(714)에서 UV 광에 직접 노출되어 굴절률이 변화하는 부분중 하부 코어층(712)의 상부와 중첩되지 않는 부분은 하부클래드층(722)이 되고, 하부 코어층(712)의 상부와 중첩되는 부분은 상부 클래드층(718)에 포함되어 상층 광도파로의 클래드층이 된다. 한편, UV 감광 폴리머(714)중에서 금속 마스크(704)에 의해 조사되는 UV 광에 직접 노출되지 않는 부분은 다중 모드 간섭형 결합기(720)가 된다. 여기서, 다중 모드 간섭형 결합기(720)는 상기 하부 코어층(712)과 상부 코어층(716)의 두께보다 두껍게 형성된다.
상기 단계를 통해, 유리 기판(710) 상에 하부 코어층(712) 및 하부 클래드층(722)을 포함하는 하층 광도파로와, 상부 코어층(716) 및 상부 클래드층(718)을 포함하는 상층 광도파로와, 하층 광도파로와 상층 광도파로 간에 형성되는 단일 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기(720)를 포함하는 다층 평면형 광도파로가 형성된다.
상기에서 전술한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예들에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 특히 본 발명의 실시예들에서는 상하층 광도파로로 이루어진 2층 구조의 평면형 광도파로에 대해서만 그 설명을 하였으나, 이는 그 설명의 편의를 위함이지 그 제한을 두는 것이 아니다. 즉, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 3층, 4층, 5층 및 6층 평면형 광도파로 등과 같이 다층 평면형 광도파로를 구현할 수 있는 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 상하층 광도파로 간에 결합율이 높은 계단형 구조의 다중 모드 간섭형 결합기를 형성하여 상하층 광도파로 간의 소산장 간섭을 최대한 줄이면서, 상하층 광도파로 간의 결합율이 높은 수직 구조의 다층 평면형 광도파로를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 수직 구조의 다층 평면형 광도파로를 구현함으로써 다양한 평판형 광도파로 소자의 집적도를 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. 하층 광도파로 소자와 상층 광도파로 소자 간에 간섭을 최소화하고, 양 소자가 각각 독립적인 소자로 동작하도록 하기 위하여,
    상기 하층 광도파로 소자와 상기 상층 광도파로 소자가 수직 구조로 접속되도록 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로와 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로 간에 형성되되, 상기 각각의 광도파로의 두께보다 두껍게 형성되는 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로는, 하부면이 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로의 상부면과 접속되고, 상부면이 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로의 하부면과 접속되는 것을 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로 및 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로는, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로를 사이에 두고 일부가 서로 중첩되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로는, 하부면중 일부가 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로의 상부면과 접속되고, 상부면중 일부가 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로의 하부면과 접속되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로 및 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로는, 각각이 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로의 상부면을 기준으로 하여 순차적인 계단형 구조로 접속되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로는, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로 상부면에 접속되되, 시작단이 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로의 끝단부터 시작하여 접속되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로는 적어도 두 층이 순차적인 계단형 구조로 접속되어 이루어지되, 최하층의 하부면이 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로의 상부면과 접속되고, 최상층의 상부면이 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로 하부면과 접속되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로는,
    하부면이 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로의 상부면과 접속되는 하층 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로; 및
    하부면이 상기 하층 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로의 상부면과 접속되고, 상부면이 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로의 하부면과 접속되는 상층 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 상층 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로는, 하부면이 상기 하층 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로의 상부면에 접속되되, 시작단이 상기 하층 광도파로 소자의 광도파로의 끝단부터 시작하여 접속되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로는, 하부면이 상기 상층 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로의 상부면과 접속되되, 시작단이 상기 하층 다중 모드 간섭형 결합기용 광도파로의 끝단부터 시작하여 접속되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 간섭형 결합기.
  11. 하층 광도파로 소자;
    상기 하층 광도파로 소자와 수직 구조로 위치되는 상층 광도파로 소자; 및
    상기 하층 광도파로 소자와 상기 상층 광도파 소자를 접속하기 위하여 제 1항의 구성을 포함하는 다중 모드 간섭형 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 다중 모드 간섭형 결합기는 상기 하층 광도파로 소자의 광도파 또는 상기 상층 광도파로 소자의 광도파로와 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로.
  13. (a) 기판 상의 일부에 하부 코어층을 형성하는 단계;
    (b) 전체 구조 상부면에 클래드 물질을 전면 도포하는 단계;
    (c) 다중 모드 간섭형 결합기가 형성될 영역의 상기 하부 코어층의 일부가 노출되도록 상기 클래드 물질을 식각하여 하부 클래드층을 형성하는 단계;
    (d) 전체 구조 상부면에 코어 물질을 전면 도포하는 단계;
    (e) 상기 코어 물질을 식각하여 상기 다중 모드 간섭형 결합기 및 상부 코어층을 형성하는 단계; 및
    (f) 전체 구조 상부면에 상기 클래드 물질을 도포하여 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 기판은, 실리콘 또는 유리 기판인 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 단계 (d) 이후, 상기 코어 물질을 식각 공정 또는 연마 공정을 통해 평탄화하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법.
  16. (a) 유리 기판의 일부에 이온 교환 방식을 이용하여 하부 코어층을 형성하는 단계;
    (b) 전체 구조 상부면에 UV 광에 의해 굴절률이 변화하는 UV 감광 폴리머를 도포하는 단계;
    (c) 상기 UV 감광 폴리머 상의 일부에 상부 코어층을 형성하는 단계;
    (d) 전체 구조 상부면에 상부 클래드층을 형성하는 단계;
    (e) 다중 모드 간섭형 결합기가 형성될 영역에 대응되는 상부 클래드층 상에 금속 마스크를 위치시키는 단계; 및
    (f) 전체 구조 상부면에 UV 광을 조사하여 상기 UV 감광 폴리머에 상기 다중 모드 간섭형 결합기 및 하부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 다중 모드 간섭형 결합기는, 상기 UV 감광 폴리머중 상기 UV 광이 상기 금속 마스크에 의해 차단되는 부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법.
  18. 제 13 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 다중 모드 간섭형 결합기는, 상기 하부 코어층 또는 상기 상부 코어층의 두께보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법.
  19. 제 13 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 다중 모드 간섭형 결합기의 일측은 상기 하부 코어층과 접속되고, 타측은 상기 상부 코어층과 접속되는 것을 특징으로 하는 다층 평면형 광도파로의 제조 방법.
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