KR20040045840A - 평면-타입의 편광 독립성 광 아이솔레이터 - Google Patents

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KR20040045840A
KR20040045840A KR10-2004-7005600A KR20047005600A KR20040045840A KR 20040045840 A KR20040045840 A KR 20040045840A KR 20047005600 A KR20047005600 A KR 20047005600A KR 20040045840 A KR20040045840 A KR 20040045840A
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히로시 노게
히로키 타카하시
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

평면-타입의 광 아이솔레이터는 기판, 제 1 모드 스플리터, 제 2 모드 스플리터 및 상기 기판 상의 상기 제 1 모드 스플리터와 상기 제 2 모드 스플리터 사이에 형성된 위상 편이 영역을 포함한다. 상기 제 1 모드 스플리터는 상기 기판 상에 형성되고, 입력포트를 통하여 입사 광신호를 수신하며, 상기 입사 광신호를 제 1 입사모드 및 제 2 입사모드로 분할한다. 상기 제 2 모드 스플리터는 상기 기판 상에 형성되고, 출력포트에서 입사 광신호를 재형성하기 위하여 제 1 회전된 입사모드 및 제 2 회전된 입사모드를 결합시킨다. 상기 제 2 모드 스플리터는 출력포트 상에 반사 광신호를 수신하고, 상기 반사 광신호를 제 1 반사모드 및 제 2 반사모드로 분할한다. 상기 위상 편이 영역은 상기 기판 상의 상기 제 1 모드 스플리터와 상기 제 2 모드 스플리터 사이에 형성되고, 비가역 위상 편이부 및 가역 위상 편이부를 포함한다.

Description

평면-타입의 편광 독립성 광 아이솔레이터{Planar-type polarization independent optical isolator}
광 아이솔레이터(optical isolator)는 레이저 진동의 혼란 및/또는 인라인(in-line) 광 증폭기와의 간섭과 같은 시스템 작동에 역효과를 미치는 반사를 감소시키기 위한 다양한 광학 시스템에서 이용되고 있다. 공지된 광 아이솔레이터는 광 아이솔레이션(optical isolation)을 달성하기 위하여 광범위하고 다양한 소자를 사용한다. 예를 들면, 비평면의 광 아이솔레이터는 통상적으로 복굴절 결정판(예를 들면, 루틸(rutile)), 반파장판(half-wave plate) 및 외부 자석을 구비한 래칭 가닛(latching garnet) 또는 비래칭 가닛(non-latching garnet)을 이용한다.
광 서큘레이터(optical circulator)도 입력 광섬유와 출력 광섬유 모두에 양방향 광섬유(bidirectional fiber)를 결합시키는 것과 같은 다양한 광학 시스템에서 이용되고 있다. 비평면의 광 서큘레이터도 일반적으로 복굴절 결정판(예를 들면, 루틸), 반파장판 및 외부 자석을 구비한 래칭 가닛 또는 비래칭 가닛을 이용한다.
루틸은 통상적으로 하나의 광선을 적어도 두 개의 직교하는 광선(즉, 정상 광선과 이상 광선)으로 분리시키는 복굴절 물질이다. 광 아이솔레이터 또는 광 서큘레이터에서 실시될 때, 적어도 하나의 루틸은 통상적으로 입사 광신호를 정상 및 이상 성분의 광선으로 분할시키는 제 1 루틸, 및 정상적으로 두 개의 분리 광선을 본래의 입사 광신호로 일치하게 되고 재형성하게 하는 마지막(예를 들면, 제 2) 루틸을 구비한 워크-오프(walk-off) 소자로서 보통 기능을 한다. 광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터에서 이용될 때, 래칭 가닛은 통상적으로 입력 신호의 성분 광선을 45°까지 비가역적으로 회전시키고, 반파장판은 성분 광선을 추가로 45°만큼 가역적으로 회전시키는데 일반적으로 사용된다.,
광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터에 대한 요구가 최근 증가하기 때문에, 고밀도 파장분할 다중화(dense wavelength division multiplexing; DWDM) 시스템과 함께 사용되기 위하여, 광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터의 크기 및 비용을 감소시키는 것은 더욱 더 중요하게 되었다. 이와 같이, 표준 반도체 제작 기술을 이용하여 제작되는 실용적인 평면-타입의 광학 소자(예를 들면, 광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터)를 개발하는 것은 바람직할 것이다.
본 발명은 일반적으로 광학 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 평면-타입의 편광 독립성 광 아이솔레이터에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 평면-타입의 광 아이솔레이터의 부분 분해사시도이다.
도 2a는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취해지고, 제 1 모드 스플리터를 통과하는 입사 광신호의 제 1 입사모드의 경로를 도시한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 아이솔레이터의 단면도이다.
도 2b는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취해지고, 제 1 모드 스플리터를 통과하는 입사 광신호의 제 2 입사모드의 경로를 도시한 것으로, 도 1의 아이솔레이터의 단면도이다.
도 3은 클래딩층이 제거되고, 아이솔레이터의 코어층을 통과하는 입사 광신호의 성분의 진행을 도시한 것으로, 본 발명에 따른 도 1의 아이솔레이터의 평면도이다.
도 4는 클래딩층이 제거되고, 아이솔레이터의 코어층을 통과하는 반사 광신호의 성분의 진행을 도시한 것으로, 본 발명에 따른 도 1의 아이솔레이터의 평면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 여러 제작 단계동안 도 1의 아이솔레이터의 사시도이다.
도 6a는 여러 가지의 구조적 크기를 묘사한 도 1의 아이솔레이터의 평면도이다.
도 6b는 도 2a의 A-B 선을 따라 취해지고, 여러 가지의 다른 구조적 크기를 묘사한 것으로, 도 2a의 모드 스플리터의 단면도이다.
도 7은 TE 및 TM 모드에 대하여 A-B 선을 따라 물질들의 효율적인 굴절률을 묘사한 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 방향성 결합기 및 Y자-분기 타입의 모드 스플리터에 의하여 TE 및 TM 모드의 분할을 묘사한 개략도이다.
본 발명의 일실시예는 기판, 제 1 모드 스플리터(first mode splitter), 제 2 모드 스플리터(second mode splitter) 및 상기 기판 상의 상기 제 1 모드 스플리터와 상기 제 2 모드 스플리터 사이에 형성된 위상 편이 영역(phase shift region)을 포함하는 평면-타입의 광 아이솔레이터에 관한 것이다. 상기 제 1 모드 스플리터는 상기 기판 상에 형성되고, 입력포트를 통하여 입사 광신호를 수신하며, 상기 입사 광신호를 제 1 입사모드 및 제 2 입사모드로 분할시킨다. 상기 제 2 모드 스플리터는 상기 기판 상에 형성되고, 출력포트에서 상기 입사 광신호를 재형성하도록 제 1 회전된 입사모드 및 제 2 회전된 입사모드를 결합시킨다. 상기 제 2 모드 스플리터는 상기 출력포트에서 반사 광신호를 수신하고, 상기 반사 광신호를 제 1 반사모드 및 제 2 반사모드로 분할시킨다. 상기 위상 편이 영역은 상기 기판 상의 상기 제 1 모드 스플리터와 상기 제 2 모드 스플리터 사이에 형성되고, 비가역 위상 편이부(nonreciprocal phase shift section) 및 가역 위상 편이부(reciprocal phase shift section)를 포함한다. 상기 위상 편이 영역은 상기 제 1 입사모드가 상기 제 2 회전된 입사모드가 되고 상기 제 2 입사모드가 상기 제 1 회전된 입사모드가 되는 동안 모드변환 없이 상기 반사 광신호를 통과시킨다. 상기 제 1 모드 스플리터는 상기 입력포트로부터 상기 제 1 반사모드 및 상기 2 반사모드를 전송시킨다.
본 발명의 부가적인 특징과 장점은 이하 상세한 설명부분에서 기술될 것이고, 본 명세서로부터 기술분야의 숙련된 당업자에게 명백하거나 또는 특허청구범위 및 첨부된 도면과 함께 따르는 상세한 설명부분에 기술된 본 발명을 실시함으로써 인정될 것이다.
상술한 설명은 단지 본 발명의 실시예이며, 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 본질과 특성을 이해하기 위한 개요를 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 첨부한 도면은 본 발명의 한층 더 이해를 제공하기 위하여 포함되며, 본 명세서에 일체화되어 한 부분을 구성한다. 도면은 본 발명의 다양한 특징 및 실시예들을 도시한 것이고, 상세한 설명부분과 함께 본 발명의 원리와 동작을 설명하는데 도움이 된다.
평면-타입의 광 아이솔레이터(planar-type optical isolator)는 기판, 상기 기판 상에 형성된 제 1 모드 스플리터(first mode splitter), 상기 기판 상에 형성된 제 2 모드 스플리터(second mode splitter) 및 상기 기판 상의 상기 제 1 모드 스플리터와 상기 제 2 모드 스플리터 사이에 형성된 위상 편이 영역(phase shift region)을 포함한다. 평면-타입의 광 아이솔레이터의 모드 스플리터들은 통상적인 Y자-분기 빔 스플리터(beam splitter; 1°미만)와 비교해서 상대적으로 큰 분기 각도(약 7°)를 갖는다. 유익하게, 평면-타입의 광 아이솔레이터는 상대적으로 작은 장치 범위(약 1200㎛미만의 전체 길이)에서 낮은 삽입 손실(예를 들면, TE 및 TM 모드 둘 다에 대하여 1550nm에서 약 0.2dB미만)과 낮은 크로스토크(crosstalk; 예를 들면, 40dB이상의 감소)를 갖는 편광 독립성 광 아이솔레이터를 제공한다. 바람직한 아이솔레이터의 도면은 일정한 비율로 도시되어 있지 않으며, 구성요소의여러 크기 및 각도는 설명 목적을 위하여 과장되었다.
먼저 도 1을 참조하면, 평면-타입의 광 아이솔레이터(100)가 본 발명의 일실시예에 따라 광 아이솔레이션(optical isolation)을 제공하도록 도시되어 있다. 아이솔레이터(100)는 기판, 바람직하게는 약 500㎛의 두께이고 아이솔레이터(100)의 구성요소가 형성되는 GGG(gadolinium gallium garnet) 기판(예를 들면, GD3GA5O12)을 포함한다. SGG 및 NGG와 같은 다른 타입의 기판이 이용될 수 있음도 인정되어야 한다. 도 5b에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 다수의 다중 양자 우물(multiple quantum well; MQW) 구조(104A∼104D)가 기판(102) 상에 형성된다. 바람직하게는, MQW 구조(104A∼104D)에 대한 물질은 MQW 구조(104A∼104D)에서 진행하는 TE 모드에 대한 유효 굴절률이 코어층(core layer; 106)에 대한 굴절률과 동일하도록 선택된다. 이것은 코어층(106)의 굴절률보다 TM 모드에 대한 유효 굴절률이 작게 되면, TM 모드가 각각의 MQW 구조(104A∼104D)에서 발산하는 원인이 되기 때문이다.
제 1 MQW 구조(도 1 참조)가 코어층(106; 즉, 자기광학 물질)에 의하여 제 3 MQW 구조(104B)로부터 분리되어 있다. 바람직하게는, 약 900nm 두께이고 각각의 MQW 구조(104A∼104D)가 바람직하게는 약 30nm의 두께로 Ce:YIG(cerium substituted yttrium iron garnet) 및 SiO2층이 서로 교번하는 30층의 전체 다층 구조를 포함하는 Ce:YIG 물질로 코어층(106)은 형성된다. 클래딩층(cladding layer; 108)(즉, 비자성 물질)은 MQW 구조(104A∼104D) 및 코어층(106) 상에 형성된다. 클래딩층(108)은 입사 광신호 및 반사 광신호의 적어도 일부분을 유도하기 위한 다수의 리브(rib; 110, 112, 114, 116, 118)를 포함한다. 바람직하게는, 리브(110∼118)는 약 5∼7㎛의 폭과 약 50nm의 높이를 가지며, 클래딩층(108)의 총 두께는 약 150nm이다.
제 1 리브(first rib; 110)와 제 2 리브(second rib; 112)는 위상 편이 영역(120)의 제 1 측면 상에 제 1 크로스오버 리브(first crossover rib; 114)와 위상 편이 영역(120)의 제 2 측면 상에 제 2 크로스오버 리브(second crossover rib; 116)에 의하여 결합된다. 제 1 리브(110)와 제 1 및 제 2 크로스오버 리브(114, 116)사이의 분기 각도 θ는 약 7°인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제 2 리브(112)와 제 1 및 제 2 크로스오버 리브(114, 116)사이의 분기 각도 θ도 약 7°인 것이 바람직하다. 입력포트(input port; 111)는 제 1 리브(110)의 제 1 말단부 하단의 코어층(106)에 배치되고, 제 1 리브 출구포트(first rib exit port; 115)는 제 1 리브(110)의 제 2 말단부 하단의 코어층(106)에 배치된다. 제 2 리브는 제 2 리브의 제 1 말단부 하단의 코어층(106)에 배치된 제 2 리브 출구포트(second rib exit port; 119) 및 제 2 리브의 제 2 말단부 하단의 코어층(106)에 배치된 출력포트(output port; 113)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 입사 광신호 및 반사 광신호를 약 45°까지 비가역적으로 회전시키는 코어층(106)의 비가역 위상 편이부(nonreciprocal phase shift section; 120A)(도 3 참조)를 만들기 위하여, 자석(122)은 제 1 리브(110) 및 제 2 리브(112) 상에 형성된다. 바람직하게는, 자석(122)은 약 100㎛의 길이 Lm 및 5∼10㎛의 폭 Lw를 갖는 두 개의 자기 필름 영역에 의해 형성된다(도 6a 참조).
바람직하게는, 입사 광신호 및 반사 광신호를 약 45°까지 가역적으로 회전시키는 가역 위상 편이부(reciprocal phase shift section; 120B)(도 3 참조)를 제공하기 위하여, 폴리이미드 반파장판(polyimide halfwave plate; 124)이 코어층(106)내에 일체화(예를 들면, 내장)된다. 적절한 폴리이미드 반파장판은 NTT-AT로 상용화되어 제작된다. 인식될 것으로, 비가역 위상 편이부(120A)는 입사 광신호 및 반사 광신호 모두를 동일한 방향(예를 들면, 시계 방향)으로 회전시키며, 가역 위상 편이부(120B)는 입사 광신호를 하나의 방향(예를 들면, 시계 방향)으로 회전시키고 반사 광신호를 반대 방향(예를 들면, 반시계 반향)으로 회전시킨다.
도 1의 아이솔레이터(100)의 일부분(즉, 제 1 모드 스플리터)의 단면도가 도 2a에 나타나있다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 입력포트(111)로 들어가는 입사 광신호의 제 1 입사모드(예를 들면, TE 모드)는 위상 편이 영역(120)을 향하여 제 1 리브(110)를 따라 코어층(106)을 통하여 진행한다. 그러나, 제 1 입사모드의 누설 부분은 제 2 입사모드와 동일한 경로를 따라간다. 즉, 누설 부분은 제 1 크로스오버 리브(114) 및 제 2 리브(112)를 따라가고, 위상 편이 영역(120)을 향하여 제 2 리브(112)를 따라 코어층(106) 내에서 진행한다. 상술한 바와 같이, 제 1 리브(110) 및 제 1 크로스오버 리브(114)의 교차점에 배치된 제 1 MQW 구조(104A)의 유효 굴절률은 제 1 입사모드가 제 1 리브(110)를 계속하여 따라가서 입사 광신호의 제 1 입사모드(예를 들면, TE 모드)를 실질적으로 통과시키도록 선택된다.도 2b에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 입력포트(111)로 들어가는 입사 광신호의 제 2 입사모드(예를 들면, TM 모드)는 제 2 입사모드가 코어층(106)을 통하여 진행함에 따라 제 1 크로스오버 리브(114)를 따라가는 점인 제 1 리브(110) 및 제 1 크로스오버 리브(114)의 교차점에 배치된 제 1 MQW 구조(104A)와 만날 때까지 제 1 리브(110)를 따라간다. 상술한 바와 같이, 이것은 제 1 MQW 구조의 유효 굴절률 때문이다. 유사하게, 제 1 크로스오버 리브(114) 및 제 2 리브(112)의 교차점에 배치된 제 2 MQW 구조(104C)는 입사 광신호의 제 2 입사모드가 위상 편이 영역(120)을 향하여 제 2 리브(112)를 따라 전송되게 한다.
출구 리브(exit rib; 118)는 위상 편이 영역(120)과 제 1 크로스오버 리브(114) 사이의 제 1 리브(110)에 연결된다. 이하 보다 상세하게 기술될 것으로, 출구 리브(118)를 따라 입력포트(111)로부터 제 2 반사모드를 재전송하기 위하여, 제 1 MQW 구조는 제 1 리브(110)와 출구 리브(118)의 교차점까지 확장하는 것이 바람직하다. 다른 방법으로, 출구 리브(118)를 따라 입력포트(111)로부터 제 2 반사모드를 전송하기 위하여, 다른 MQW 구조가 제 1 리브(110)와 출구 리브(118)의 교차점에 배치될 수 있다.
도 3은 명확함을 위하여 클래딩층(118), 자석(122) 및 폴리이미드 반파장판(124)이 제거된 도 1의 아이솔레이터(100)의 평면도이다. 도 3은 입사 광신호의 제 1 입사모드(예를 들면, TE 모드) 및 제 2 입사모드(예를 들면, TM 모드)에 의하여 취해지는 경로를 도시한 것이다. 제 1 리브(110)와 제 1 크로스오버 리브(114)의 교차점에서, 입사 광신호의 모드는 분할된다(제 1 MQW 구조(104A)의 굴절률에 기인함). 나타낸 바와 같이, 제 2 입사모드는 제 1 크로스오버 리브(114)를 따라 코어층(106)을 통하여 전송된다. 제 1 입사모드는 코어층(106)내에 리브(110)를 계속하여 따라간다. 상기 논의된 바와 같이, 제 1 입사모드와 제 2 입사모드의 분할은 제 2 입사모드로 알 수 있는 바와 같은 제 1 MQW 구조(104A)와 코어층(106)의 굴절률의 차이의 결과이다. 제 1 입사모드는 위상 편이 영역(120)까지 제 1 리브(110)를 따라 코어층(106)내에서 진행한다. 위상 편이 영역(120)을 나온다면, 제 1 입사모드는 제 2 회전된 입사모드(예를 들면, TM 모드)로 변환된다.
제 1 리브(110)와 제 2 크로스오버 리브(116)의 교차점에 배치된 제 3 MQW 구조(104B)는 제 2 회전된 입사모드가 코어층(106)을 통하여 제 2 크로스오버 리브(116)를 따라가게 한다. 제 4 MQW 구조(104D)를 만나면, 제 2 회전된 입사모드는 출력포트(113)를 향하여 제 2 리브(112)를 따라 전송된다. 다시 한번, 이것은 코어층(106)의 굴절률에 대하여 MQW 구조(104D)의 보다 낮은 유효 굴절률에 기인한다. 상기 논의된 바와 같이, 제 1 리브(110)와 제 1 크로스오버 리브(114)의 교차점에 배치된 제 1 MQW 구조(104A)는 코어층(106) 내에 제 1 크로스오버 리브(114)에 의해 유도되는 제 2 입사모드를 실질적으로 재전송한다. 위상 편이 영역(120)을 향하여, 궁극적으로는 출력포트(113)까지 코어층(106) 내에 제 2 리브(112)에 의해 유도되는 제 2 입사모드를 실질적으로 재전송하기 위하여, 제 2 MQW 구조(104C)는 제 1 크로스오버 리브(114)와 제 2 리브(112)의 교차점에 배치된다. 제 2 MQW 구조(104C)는 출력포트(111)로부터 떨어져서 제 2 리브(112)에 의해유도되는 반사 광신호의 제 1 반사모드(예를 들면, TE 모드)를 실질적으로 통과시키도록 설계된다.
위상 편이 영역(120)을 나오면, 제 2 입사모드(예를 들면, TM 모드)는 제 1 회전된 입사모드(예를 들면, TE 모드)가 된다. 각각의 모드에 의해 진행되는 경로 길이가 실질적으로 동일하기 때문에, 신호가 출력포트(116)에서 입사 광신호를 재형성하기 위하여, 제 1 회전된 입사모드 및 제 2 회전된 입사모드는 제 2 크로스오버 리브(116)와 제 2 리브(112)의 교차점에서 재결합한다.
도 4로 이동하면, 반사 광신호의 성분의 경로가 도시되어 있다. 반사 광신호는 출력포트(113)로 들어가고, 코어층(106)을 통하여 제 2 리브(112)를 따라간다. 제 4 MQW 구조(104D)와 만나면, 반사 광신호는 제 1 반사모드(예를 들면, TE 모드) 및 제 2 반사모드(예를 들면, TM 모드)로 분할된다. 제 2 반사모드는 제 2 크로스오버 리브(116)를 따라가며, 제 1 반사모드는 MQW 구조(104D)를 통과하고 위상 편이 영역(120)을 통하여 제 2 리브(112)를 따라 재전송된다. 제 2 반사모드는 제 2 크로스오버 리브(116)와 제 1 리브(110)의 교차점에 MQW 구조(104B)를 만난다. MQW 구조(104B)의 굴절률은 제 2 반사모드가 코어층(106) 내에 제 1 리브(110)를 따라 위상 편이 영역(120)을 향하여 재전송되게 한다. 입사 광신호와 달리, 반사 광신호의 모드는 위상 편이 영역(120)을 통과함에 따라 변화되지 않는다. 제 1 반사모드가 제 2 리브(112)의 제 1 말단부 하단의 코어층(16)에 배치된 제 2 리브 출구포트(119)를 나오기 위하여, MQW 구조(104C)의 굴절률은 제 1 반사모드 신호가 MQW 구조(104C)를 통과하고 코어층(106) 내에 제 2 리브(112)를 따라가도록 설계된다. 제 2 반사모드는 제 1 리브(110) 따라 실질적으로 변화되지 않고 위상 편이 영역(120)을 통과하며, 출구 리브(118)와 제 1 리브(110)의 교차점에 제 1 MQW 구조(104A)를 만나면, 출구 리브(118)를 따라 입력포트(111)로부터 MQW 구조(104A)에 의하여 실질적으로 전송된다.
도 1의 아이솔레이터(100)에 대한 일실시예의 제작 과정이 도 5a 내지 도 5e에 도식적으로 나타나있다. 먼저, Ce:YIG 및 SiO2다층 필름은 MQW 구조들(104A∼104D)을 형성하기 위하여 스퍼터링 챔버(sputtering chamber; 도시되지 않음)에서 GGG(다른 방법으로, Sm3Ga5O12(SGG) 또는 Nd3Ga5O12(NGG)가 이용될 수 있음) 기판 상에 증착된다. 바람직하게는, 스퍼터링 챔버는 하나가 Ce:YIG 증착에 대한 것이고 다른 하나가 SiO2증착에 대한 것인 적어도 두 개의 타겟(target)을 구비한다. 바람직하게는, 기판은 550∼750℃의 범위에서 저항성 히터(resistive heater)에 의해 가열되고, 다층 필름은 각각의 타겟에서 기판(102) 위치를 교체함으로써 공기에 노출 없이 준비된다. 다층 MQW 구조(104A∼104D)의 형성 과정동안, 비가역적이고 보상하는 위상 편이 장치에 대한 영역(즉, 위상 편이 영역(120))은 마스크로 가려진다. 다음으로, 다층 필름은 도 5b에 나타낸 바와 같은 포토리소그래피(photolithography) 및 에칭(etching) 기술에 의하여 부분적으로 제거된다. 적절한 에칭 기술은 이온 빔 스퍼터링(ion beam sputtering) 방법과 비교해서 일반적으로 높은 에칭 비율을 제공하는 자기 중성 회로 방전 플라즈마(magnetic neutral loop discharge plasma) 기술로 실시된다. 반응성 이온 에칭(reactiveion etching; RIE) 공정이 에칭 가닛 필름(etching garnet film)에서 일반적으로 비효율적임이 주목된다. 여러 가지의 적절한 중성 회로 방전 플라즈마 에칭기(neutral loop discharge plasma etcher)가 반도체 산업에서 광범위하게 이용되고 있다. 도 5c에 나타낸 바와 같이, Ce:YIG 필름은 에칭된 영역 상에 스퍼터링된다. 다음으로, 도 5d에 나타낸 바와 같이, 클래딩층(예를 들면, SiO2; 108)이 스퍼터링에 의해 증착되고, 도 5e에 나타낸 바와 같이, 리브들이 포토리소그래피 기술 및 중성 회로 방전 플라즈마 에칭을 사용하여 형성된다. 비가역 위상 편이부를 달성하기 위하여, 자석(122)은 비가역 위상 편이부(120A)의 영역 상에 형성되고(예를 들면, 기상 증착에 의하여 형성됨), 폴리이미드 반파장판(124)은 가역 위상 편이부(120B)를 형성하기 위하여 코어층(106)에 내장된다. 자석이 하부에 있는 가닛 필름을 포화시키는데 요구되는 것이 인정되어야 한다. TiO2와 같은 다른 물질이 클래딩층(ncore(MQW)>ncladding이 유지되는 경우)으로 사용될 수 있고, 가닛 광도파관의 비가역성 효과를 강화시킬 수 있음도 인정되어야 한다. 래칭가능한 물질(latchable material)이 자석의 필요성을 제거하는 비가역적인 회전 효과를 달성하는데 이용될 수 있음도 심사숙고된다. 기판은 ncore가 nsubstrate보다 크도록 선택되는 것이 바람직하다.
도 6a에 보다 상세하게 묘사된 바와 같이, 도 1의 평면-타입의 광 아이솔레이터(100)의 구조적 크기 및 물질이 아이솔레이터(100)의 광학 특성에 영향을 주는 것은 당연하다. 아이솔레이터(100) 내에 MQW 구조의 층들을 구성하는 선택된 물질의 두께 및 굴절률 모두는 다른 구성요소에 대한 물질 및 크기의 선택에 영향을 준다. 여러 가지의 설계 방정식이 도 6a, 도6b 및 도 7에 관련하여 이하 기술된다. 구조 복굴절 ΔNm은 다음과 같이 정의된다.
여기서 Neq는 선 A-B(도 2a 및 도 7 참조)를 따른 유효 굴절률이다. 광도파관 상대 굴절률 편차 Δwm은 다음과 같이 정의된다.
여기서 m은 TE 또는 TM 모드 중 하나이다. 규격화된 주파수 Vx m은 다음과 같이 정의된다.
여기서 'a'는 리브 폭이고, 'λ'는 파장이며, 'm'은 TE 또는 TM 모드 중 하나이다.
빔 스플리터를 설계하기 위하여, MQW 구조의 구조적 파라미터(parameter) 값이 결정되어야 한다. 즉, 아이솔레이터 특성(즉, 아이솔레이션)은 MQW 구조의 구조적 파라미터에 의존한다. 도 6b에 나타낸 바와 같이, MQW 구조는 각각 다른 굴절률을 갖는 두 개의 물질로 구성된다. 주기적으로 적층된 고굴절률 및 저굴절률 층들(동작 파장과 비교해서 근사적으로 1/10 미만의 두께)로 구성된 다층이 큰 비등방성을 갖기 때문에, 예를 들어 1550nm에서 고투과성을 갖는 모든 물질은 MQW 구조에 대한 층으로서 후보가 된다. 다른 한편으로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 빔 스플리터에서 크로스토크 감소를 최대화하기 위하여, 선 A-B(도 2a 참조)를 따른 유효 굴절률 프로파일은 (Neq1)TE=(Neq3)TE인 것이 바람직하다. 40dB보다 큰 아이솔레이션을 실현하기 위하여, 적어도 40dB까지 모드들간의 크로스토크 감소를 최대화하는 것이 바람직하다. 조건 [(Neq1)TE=(Neq3)TE]는 두께('dH ' 및 'dL'), 굴절률('nH' 및 'nL') 및 코어 두께 'Dc'에 대응하고 MQW 구조에 대하여 선택된 물질의 전체 층 두께 'dM'을 조정함으로써 획득된다.
또한, MQW 구조는 큰 분기 각도 θ(도 6a 참조)를 달성하기 위하여 크게 요구되고 'dH', 'dL', 'Δn', 'dM', 'N' 및 리브 높이('dc'+'h')를 포함하는 클래딩 두께에 의해 영향을 받는 TM 모드에 대한 구조 복굴절(ΔNTM)을 제공한다. 일반적으로, 'Δn'과 'dM'에서 증가 및 'N'에서 감소는 큰 ΔNTM을 얻는데 요구된다. 'dM' 및 'N'의 값은 빔 스플리터를 통과하는 광선에 대한 단일모드 조건을 만족시키도록 선택되어야 한다. 빔 스플리터의 중심에 통과된 광선은 'dM'을 증가시키고 'N'을 감소시키는 다중모드로 전달하려는 경향을 갖는다.
MQW 구조에 대한 적절한 구조적 파라미터는 InP(저굴절률 물질 : n=3.1694),Ga0.4In0.6As0.86P0.14(고굴절률 물질 : n=3.4975) 및 Ga0.24In0.76As0.508P0.492(코어층 물질 : n=3.3487)를 사용하여 달성될 수 있다. 이 경우, Δn=0.33, dH=28nm, dL=25nm, dM(Dc)=876nm, N=33층 및 ΔNTM=0.1%이다.
0.33의 Δn을 제공하는 물질은 MQW를 제작하기 위한 적절한 파라미터 값을 제공한다. 예를 들면, Ce:YIG(Ce:YIG[CexY3-xFe5O12], x는 n=2.0이도록 결정됨), GGG(Gd3Ga5O12, n=2.3) 및 CexY3-xFe5O12(x는 n=2.1이도록 결정됨)는 각각 저굴절률 물질, 고굴절률 물질 및 코어층으로 유용하다. Ce:YIG/SiO2(Δn은 0.5∼0.8임)로 구성된 MQW 구조도 실현될 수 있다.
리브 폭 'a'에 대한 적절한 값은 일반적으로 다른 장치와 결합 효율을 최대화하는 5∼10㎛의 범위이다. 5∼10㎛의 리브 폭 'a'를 달성하기 위하여, 클래딩층 두께 'dc' 및 리브 높이 'h'의 적절한 값은 광도파관 굴절률 편차(Δwm)에 대한 고려사항과 함께 선택될 수 있다. 클래딩층의 굴절률은 코어 및 MQW 구조의 굴절률과 비교해서 작아야 한다. 모드 스플리터/아이솔레이터에서, TM 모드에 대한 광도파관 굴절률 편차(Δwm)가 'dc' 및 'h'의 값이 변화될 때 TE 모드에 대한 것보다 크기 때문에, 'dc' 및 'h'의 값은 Δwm값을 사용하여 선택되어야 한다. 보다 낮은 Δwm값은 최대 크로스토크 감소를 위하여 바람직하다. 입력포트(111)에서 TM 모드는 증가하는 Δwm값과 함께 포트(115)에 전달하는 경향이 있다. 모드 스플리터/아이솔레이터에서, 0.1%의 Δwm는 적어도 40dB에 의하여 크로스토크를 감쇠시키는 것이 바람직하다(그러나, Δwm<0.1%일 때, 리브 폭 'a'의 값은 많은 다른 장치와 결합하는데 너무 큰 값(예를 들면, 10㎛이상)이 된다). 그러므로, 'dc' 및 'h' 값은 약 5∼10㎛의 범위에서 설정된 'a' 및 약 0.1%에서 Δwm와 함께 선택되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 보다 얇은 'dc' 및/또는 보다 두꺼운 'h'는 보다 큰 Δwm값을 산출한다. 게다가, 방향 x에 대한 광선 전달의 규격화된 주파수 값(Vx TM)은 단일모드 광선 전달이 유지되기 위하여 약 1.5이어야 한다. 약 5㎛의 'a' 값을 달성하기 위하여, MQW 구조가 InP/Ga0.4In0.6As0.86P0.14이고, 코어층이 Ga0.24In0.76As0.508P0.492이며, InP 클래딩층이 사용될 때, 'dc'에 대한 적절한 값은 약 117nm이고 'h'에 대한 적절한 값은 약 55nm이다. Ce:YIG/GGG MQW 구조, Ce:YIG-코어층(n=2.0) 및 Ce:YIG-클래딩층(n=2.1)을 사용한 아이솔레이터는 상기 실시예와 비교해서 'dc' 및 'h'에 대하여 보다 작은 값을 제공한다. 그러나, 'dc' 대 'h'의 비율은 거의 동일하며, 즉, 근사적으로 2:1이다.
스넬(Snell)의 법칙을 근거로 하여, 빔 스플리터에서 최대 전체 반사 각도θc는 다음과 같이 정의된다.
상기 논의된 바와 같이, 7°의 적절한 분기 각도는 40dB보다 큰 크로스토크 감소를 산출한다. 상기 방정식으로부터 계산된 최대 각도의 약 60%보다 큰 값은 40dB보다 큰 값으로 감소된 크로스토크를 갖고 분할하는 모드를 허용한다. 일반적으로, 포트 분리 거리 'Ls'(도 6a 참조)는 TE 및 TM 모드간의 모드 결합을 피하기 위하여 20㎛보다 커야한다. Ce:YIG/GGG MQW 구조, Ce:YIG 코어층(n=2.1) 및 7°와 동일한 분기 각도 θ를 갖는 Ce:YIG 클래딩층(n=2.0)을 구비한 빔 스플리터의 전체 길이는 두 개의 모드 스플리터에 대한 길이(약 850㎛)와 가닛 광도파관 길이의 합의 전체 아이솔레이터 길이를 갖는다.
일반적인 화학식 Re3Fe5O12(여기서 Re는 Y, La, Bi 및 3가의 희토류 이온 등일 수 있음)를 구비한 강철 가닛 필름은 자기 광학(비가역성) 물질로 공지되어 있고, 본 명세서에서 기술되는 평면-타입의 광 아이솔레이터에서 사용되는 코어/광도파관 물질로 적절하다. 비가역성 특성을 갖는 다른 물질도 코어/광도파관 층에 대한 후보가 된다. 통상적으로, 단일 상태를 갖는 다양한 가닛 필름은 액상 적층(liquid phase epitaxial; LPE) 방법과 기상 적층 공정에 의하여 달성될 수 있다. 예를 들면, (BiY)3Fe5O12, (LaGa)3Fe5O12, (CeY)3Fe5O12, (YbPrBi)3(FeGa)5O12,(YbBi)3(FeGa)5O12및 (YbBi)3(FeAl)5O12는 편광-독립성 평면의 아이솔레이터에서 광도파관 물질로 사용에 대하여 제시되어왔다. 그러나, 단지 Bi- 및 Ce-치환형 YIG(Bi:YIG 및 Ce:YIG) 필름이 기상 증착 방법으로 실현되는 것이 보고되었다. 본 명세서에 기술되는 평면-타입의 광 아이솔레이터의 제작에서, 기상 적층 공정의 이용은 일반적으로 광도파관이 동일한 기판 상에 제작되는 모드 스플리터들간에 내장됨에 따라 가닛-필름 광도파관을 형성하기 위하여 필요하다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, Bi:YIG 및 Ce:YIG 필름을 사용한 가닛 광도파관은 평면-타입의 아이솔레이터에 대하여 실용적이다. Ce:YIG 필름은 일반적으로 큰 패러데이(Faraday) 회전각도(약 4000∼5000°/cm)를 제공함으로 바람직하다. 약 45°의 패러데이 회전을 달성하기 위한 길이 'Lm'은 유익하게 상대적으로 짧은 아이솔레이터의 실현을 허용하는 근사적으로 100㎛이다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 바람직한 아이솔레이터는 일반적으로 약 950㎛의 전체 장치 길이를 갖고 실현될 수 있다.
큰 패러데이 회전 각도를 달성하기 위하여 Ce:YiG 필름을 결정화하는 것은 바람직하다. 그러므로, Ce:YIG 필름과 거의 동일한 격자 상수를 갖는 기판은 결정화된 Ce:YIG 필름을 제공하기 위하여 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 유리(예를 들면, 비결정성 유리) 및/또는 다른 결정 기판 상에 비결정성 Ce:YIG(a-Ce:YIG) 필름은 O2환경 내에 임의의 온도에서 열처리함으로써 결정화될 수 있다. 결정화 온도 조건이 Ce:YIG 필름에 대하여 존재한다면, 어떠한 기판도 사용될 수 있다. 기판을 선택하기 위한 상대적으로 중요한 고려사항은 ncore(MQW)>nsubstrate의 조건을 만족시키는 것이다. 동일한 기판 상에 레이저를 가지고 아이솔레이터를 집적하기 위하여, 레이저 장치에 대한 기판인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 기판이 요구된다. 이 경우, 코어층 및 MQW 구조에 대한 물질은 ncore(MQW)>nⅢ-Ⅴ substrate이도록 선택된다. Ce:YIG 필름 사용의 다른 장점은 약 0.06∼0.45dB/cm의 낮은 삽입 손실을 제공하는 것이다.
바람직하게는, 본 명세서에 기술된 평면-타입의 광 아이솔레이터는 평면상에서 강하게 c-축 정렬을 나타내는 Sm-Co 필름과 같은 박막을 사용한다. 필름-기반의 자석의 사용의 장점은 아이솔레이터의 클래딩층 상에 직접적으로 증착될 수 있는 것이다. 자석 필름은 5∼10㎛의 폭 'Lw'를 가지고 근사적으로 100㎛의 거리 'Lm'에 대하여 가닛 광도파관 상에 증착되는 것이 바람직하다.
반파장판(124)은 아이솔레이터(100)의 광도파관 내에 제작되는 홈에 삽입되는 것이 바람직하다. 보다 넓은 홈의 폭이 일반적으로 보다 큰 회절 손실을 초래하기 때문에, 홈의 폭은 0.1dB 미만의 회절 손실을 달성하기 위하여 통상적으로 약 30㎛ 미만이어야 한다. 현재, 단지 NTT-AT(두께가 약 16㎛임)에 의해 제공되는 폴리이미드 파장판만이 이 기준을 충족시킨다. 무반사 필름은 홈의 면과 파장판 사이의 반사를 감소시키기 위하여 파장판 상에 증착된다. 다른 방법으로, 홈은 반사를 감소시키도록 광도파관에 대하여 임의의 각도(예를 들면, 8°의 각도)에서 제작될 수 있다.
일반적으로, 두 가지 타입의 모드 스플리터가 사용되어왔다. 제 1 모드 스플리터는 방향성 결합기 타입이고, 제 2 모드 스플리터는 Y자-분기 타입이다. 방향성 결합기 타입에 있어서, 분할된 TE/TM 모드는 TE와 TM 모드들간의 완벽한 결합 길이의 차이를 이용함으로써 수행된다(도 8a). 방향성 결합기의 장치 길이는 완벽한 결합 길이보다 크고, 수십 mm보다 클 것이다. 다른 한편으로, Y자-분기 타입의 모드 스플리터는 TE 및 TM 모드에 대하여 다른 굴절률들을 갖는 비대칭성 광도파관을 사용함으로써 TE/TM 분할을 실현한다(도 8b). 이 모드 스플리터의 분기 각도 θ는 수 mm 내지 수십 mm의 전체 장치 길이를 제공하도록 1°미만인 것으로 보고되었다. 상기 논의된 바와 같이, 본 명세서에 기술된 아이솔레이터에 사용된 모드 스플리터의 길이는 큰 분기 각도 때문에 다른 모드 스플리터와 비교해서 짧은 반면, 동시에 적어도 약 40dB까지 크로스토크를 감소시킨다.
따라서, 평면-타입의 광 아이솔레이터는 기판, 상기 기판 상에 형성된 제 1 모드 스플리터, 상기 기판 상에 형성된 제 2 모드 스플리터 및 상기 기판 상의 상기 제 1 모드 스플리터와 상기 제 2 모드 스플리터 사이에 형성된 위상 편이 영역을 포함하는 것으로 기술되었다. 평면-타입의 광 아이솔레이터는 상대적으로 작은 장치 범위에서 낮은 삽입 손실을 갖는 편광 독립성 광 아이솔레이션을 제공한다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다양한 변형이 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있음은 기술분야의 숙련된 당업자에게 분명할 것이다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되고, 입력포트를 통하여 입사 광신호를 수신하며, 상기 입사 광신호를 제 1 입사모드 및 제 2 입사모드로 분할하는 제 1 모드 스플리터(first mode splitter);
    상기 기판 상에 형성되고, 출력포트에서 입사 광신호를 재형성하도록 제 1 회전된 입사모드 및 제 2 회전된 입사모드를 결합시키며, 상기 출력포트에 반사 광신호를 수신하고, 상기 반사 광신호를 제 1 반사모드 및 제 2 반사모드로 분할하는 제 2 모드 스플리터(second mode splitter); 및
    상기 기판 상의 상기 제 1 모드 스플리터와 상기 제 2 모드 스플리터 사이에 형성되고, 비가역 위상 편이부(nonreciprocal phase shift section) 및 가역 위상 편이부(reciprocal phase shift section)를 포함하며, 상기 제 1 입사모드가 제 2 회전된 입사모드가 되고 상기 제 2 입사모드가 제 1 회전된 입사모드가 되는 동안 모드변환 없이 상기 반사 광신호를 통과시키는 위상 편이 영역(phase shift region)을 포함하고,
    상기 제 1 모드 스플리터가 상기 입력포트로부터 상기 제 1 반사모드 및 상기 제 2 반사모드를 전송하는 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면-타입의 광 아이솔레이터는,
    상기 기판 상에 형성된 다수의 다중 양자 우물(multiple quantum well; MQW) 구조;
    상기 기판 상에 형성되고, 상기 다수의 MQW 구조를 분리시키며, 상기 위상 편이 영역을 포함하는 코어층(core layer);
    상기 다수의 MQW 구조 및 상기 코어층 상에 형성되는 클래딩층(cladding layer); 및
    상기 위상 편이 영역 및 제 1 크로스오버 리브(first crossover rib) 사이의 상기 위상 편이 영역의 제 1 측면 상에 제 1 리브(first rib)와 결합되는 출구 리브(exit rib)를 더 포함하고,
    상기 클래딩층은,
    상기 코어층의 적어도 일부분을 통하여 상기 입사 광신호 및 상기 반사 광신호의 적어도 일부분을 유도하기 위한 제 1 리브;
    상기 코어층의 적어도 일부분을 통하여 상기 입사 광신호 및 상기 반사 광신호의 적어도 일부분을 유도하기 위한 제 2 리브(second rib);
    상기 위상 편이 영역의 제 1 측면 상에 상기 제 1 리브 및 상기 제 2 리브를 결합시키는 제 1 크로스오버 리브; 및
    상기 제 1 입사모드가 상기 제 2 회전된 입사모드가 되고 상기 제 2 입사모드가 상기 제 1 회전된 입사모드가 되는 동안 모드변환 없이 상기 반사 광신호를 통과시키는 상기 위상 편이 영역의 상기 제 1 측면의 반대편에 있는 제 2 측면 상에 상기 제 1 리브 및 상기 제 2 리브를 결합시키는 제 2 크로스오버 리브(second crossover rib)를 포함하고,
    상기 입력포트는 상기 제 1 리브의 제 1 말단부 하단의 상기 코어층에 배치되며, 제 1 리브 출구포트(first rib exit port)는 상기 제 1 리브의 제 2 말단부 하단의 상기 코어층에 배치되고,
    제 2 리브 출구포트(second rib exit port)가 상기 제 2 리브의 제 1 말단부 하단의 상기 코어층에 배치되며, 상기 출력포트는 상기 제 2 리브의 제 2 말단부 하단의 상기 코어층에 배치되고,
    상기 제 1 리브와 상기 제 1 크로스오버 리브의 교차점에 제 1 MQW 구조는 상기 제 1 크로스오버 리브에 의해 유도되는 상기 제 2 입사모드를 실질적으로 재전송하며, 상기 제 1 리브에 의해 유도되는 상기 제 1 입사모드를 실질적으로 통과시키고,
    상기 제 2 리브와 상기 제 1 크로스오버 리브의 교차점에 제 2 MQW 구조는 상기 출력포트를 향하여 상기 제 2 리브에 의해 유도되는 상기 제 2 입사모드를 실질적으로 재전송하며, 상기 입력포트로부터 상기 제 2 리브에 의해 유도되는 상기 제 1 반사모드를 실질적으로 통과시키고,
    상기 제 1 리브와 상기 제 2 크로스오버 리브의 교차점에 제 3 MQW 구조는 상기 제 2 크로스오버 리브에 의해 유도되는 상기 제 2 회전된 입사모드를 실질적으로 재전송하며, 상기 입력포트를 향하여 상기 제 1 리브에 의해 유도되는 제 2 반사모드를 실질적으로 재전송하고,
    상기 제 2 리브와 상기 제 2 크로스오버 리브의 교차점에 제 4 MQW 구조는 상기 입사 광신호를 재형성하도록 상기 제 1 회전된 입사모드와 결합시키기 위한 상기 출력포트를 향하여 상기 제 2 리브에 의해 유도되는 제 2 회전된 입사모드를 실질적으로 재전송하며, 상기 제 1 리브를 향하여 상기 제 2 크로스오버 리브에 의해 유도되는 상기 제 2 반사모드를 실질적으로 재전송하고, 상기 입력포트를 향하여 상기 제 2 리브에 의해 유도되는 제 1 반사모드를 통과시키며,
    상기 제 1 MQW 구조는 상기 출구 리브를 따라 상기 입력포트로부터 상기 제 2 반사모드를 실질적으로 재전송하기 위하여, 상기 제 1 리브 및 상기 출구 리브의 교차점까지 확장하는 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 리브 및 상기 제 2 리브는 실질적으로 평행인 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 크로스오버 리브 및 상기 제 2 크로스오버 리브는 실질적으로 평행인 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 크로스오버 리브와 상기 제 1 및 제 2 리브 사이의 분기 각도는약 5° 내지 10°의 범위이고,
    상기 제 2 크로스오버 리브와 상기 제 1 및 제 2 리브 사이의 분기 각도는 약 5° 내지 10°의 범위인 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 GGG(gadolinium gallium garnet) 기판이고,
    상기 코어층은 Ce:YIG(cerium yttrium iron garnet)층이며,
    각각의 상기 MQW 구조는 Ce:YIG층 및 SiO2층이 서로 교번하는 다층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 클래딩층은 SiO2및 TiO2중 하나인 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비가역 위상 편이부는 상기 클래딩에 인접하여 배치된 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가역 위상 편이부는 상기 코어층 내에 일체화된 폴리이미드 반파장판(polyimide halfwave plate)에 의하여 제작되는 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 입사모드, 상기 제 1 반사모드 및 상기 제 1 회전된 입사모드는 TE 모드(transverse electric mode)이고,
    상기 제 2 입사모드, 상기 제 2 반사모드 및 상기 제 2 회전된 입사모드는 TM 모드(transverse magnetic mode)인 것을 특징으로 하는 평면-타입의 광 아이솔레이터.
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