KR20050036404A - 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자 - Google Patents

실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소자의 크기가 작고 소멸비가 우수하며 공정변수에 둔감한 실리카/폴리머 하이브리드 광소자를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 양의 열광학 계수를 갖는 제1실리카층; 상기 제1실리카층 상에 일 방향으로 확장되어 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 실리카 코어; 상기 실리카 코어 상에 일정 간격으로 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 복수의 제2실리카층; 상기 제2실리카층 상부 및 일정한 상기 제2실리카층들 사이의 상기 실리카 코어 상부에 배치되며 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머층; 및 상기 폴리머층 상부에 배치되어 열광학 효과를 발생시켜 상기 실리카 코어와 상기 폴리머층 사이의 굴절율 차이를 증가시키기 위한 열광학 변위부를 포함하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자를 제공한다.
또한, 본 발명은, 양의 열광학 계수를 갖는 실리카층; 상기 실리카층 상에 일 방향으로 확장되어 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 실리카 코어; 상기 실리카 코어 상부에 배치되며 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머층; 및 열광학 효과를 발생시켜 상기 실리카 코어와 상기 폴리머층 사이의 굴절율 차이를 증가시키기 위해 상기 폴리머층 상부에 일정 간격으로 배치된 복수의 열광학 변위부를 포함하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자를 제공한다.

Description

실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자{OPTICAL DEVICE EMPLOYING THE SILICA／POLYMER HYBRID OPTICAL WAVEGUIDE}
본 발명은 PLC(Plasma Lightwave Circuit) 광소자에 관한 것으로, 특히 기판 상에 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용하여 집적한 광소자에 관한 것이다.
다양한 광부품과 감시 장비(Monitoring Equipment)로 고밀도 집적된 MNN (Metro Network Nodes)에서 증폭(Amplication), 다중화(Multiplexing), 그리고 애드-드랍(Add-drop)과 같은 기능을 수행하는 채널이 증가함에 따라 광출력이 불안정하게 되는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 채널 출력 변화(Power Fluctuation)는 광전송 시스템의 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio; SNR) 및 광수신기의 파워 패널티(Power Penalty) 값을 열화시키는 문제를 야기하므로 채널의 출력 균등화(Power Equalization), 출력 조절(Power Regulation), 그리고 감시(Monitoring)등과 같은 기능을 수행하는 광소자가 반드시 필요하다. 이러한 이유 때문에 채널 출력의 안정화를 위하여 실리카 및 폴리머를 기반으로 하는 PLC(Planar Lightwave Circuit) 형태의 가변광감쇄기(Variable Optical Attenuator; VOA)와 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 VOA 소자가 제시되었다. 이하 이러한 VOA 소자의 예를 살펴 본다.
<제1 종래기술>
도 1은 제1 종래기술에 따른 실리카 기반의 도파로를 이용한 VOA를 도시한 평면도이다.
도 1에 도시된 VOA는 3 dB 결합기로 구성된 Mach-Zehnder 간섭계를 직렬로 연결하고 박막 히터(Thin-Film Heater)를 이용하여 실리카 기반의 PLC 형 VOA를 제작한 것으로, T.V.Clap et al.(Broadband variable optical attenuator in silica waveguide technology, ECOC’98, pp. 301-302, 20-24 sep. 1998)에 의해 제안되어 있다.
즉, 도 1은 실리카 기반의 Mach-Zehnder 간섭계형 VOA 소자를 나타내고 있다.
도 1을 참조하면, 제1 종래기술에 따른 VOA는 Mach-Zehnder형 간섭계 구조로서, 상하부에 위치한 도파로(10)와, 2개의 3dB 결합기(11)와, 열광학 위상 변위기(12, Thermo-optic phase shifter)를 구비한다.
여기서 VOA의 도파로(10)는 실리카 재질로 제작되었으며, 열광학 위상 변위기(12)로는 박막 히터를 사용하고 있다. 박막 히터가 동작하지 않을 경우 상부 도파로(10a)의 입력단으로 인가된 입력광(λ1)은 도 1의 (a)에서 알 수 있듯이 출력단 하부 도파로(10b) 쪽을 통해 출력광(λ2)으로 출사되며, 박막 히터를 동작시켜 열을 가하게 되면 열광학 효과에 의하여 3dB 결합기(11) 사이에 있는 도파로 암(Arm) 사이에 위상차가 발생하여 입력광(λ1)은 점점 출력단 상부 도파로(10a) 쪽으로 출사되어 VOA의 기능을 수행하게 된다.
도 2는 도 1의 도파로의 단면을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도파로(10)는 기판(100)과, 기판(100) 상에 제공되는 코어(101)와, 코어(101)를 감싸도록 코어(101)와 기판(100) 상에 제공되는 상부 클래드층(102)을 구비한다. 여기서, 기판(100)은 실리카 재질의 기판이거나 실리카 하부 클래드층이 형성된 실리콘 기판을 포함하며, 코어(101)와 상부 클래드층(102)은 실리카 재질로 이루어진다.
전술한 도 1 및 도 2에 제시된 바와 같은 구조의 VOA는 광 감쇄비를 높이기 위하여 직렬로 연결하여 사용하는데 통상 -25 dB의 소멸비를 갖는다.
제1 종래기술에 따른 구조는 실리카 기반의 VOA 소자로서 방향성 결합기를 사용하고 있다. 방향성 결합기는 공정변수에 매우 민감하여 제작시 결합 길이가 매번 다르게 되고 소자의 특성이 균일하지 않아 대량 생산에 불리하다. 따라서, 실리카 기반의 VOA 소자는 방향성 결합기를 응용한 3 dB 결합기를 사용하고 있기 때문에 동일한 문제점을 가지고 있다. 아울러, 공정변수가 달라져 소자의 특성이 변하는 것을 보완하기 위한 방법으로 전술한 구조를 직렬로 연결하여 사용하는데 이것은 소자의 크기를 약 3 cm이상으로 크게할 뿐 아니라 광소자의 집적화에 불리한 구조이다.
특히, D.Bosc et al.의 미국특허 제 5,857,039호에서는 방향성결합기 형태의 실리카 코어상부에 폴리머 상부 클래드층을 적용하고 결합영역에 박막 히터를 증착하여 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 소자 제작방법을 제시하였다.
<제2 종래기술>
도 3은 제2 종래 기술에 따른 실리카/폴리머 하이브리드 VOA를 도시한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 제2 종래기술에 따른 VOA는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 방향성 결합기형 VOA로서, 상하부에 위치한 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로(30)와, 열광학 위상 변위기로써 박막 히터(31)를 구비한다.
도 4는 도 3의 도파로의 단면을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로(30)는 기판(300)과, 기판(300) 상에 제공되는 코어(301)와, 코어(301)를 감싸도록 코어(301)와 기판(300) 상에 제공되는 상부 클래드층(302)을 구비한다. 여기서, 기판(300)은 실리카 재질의 기판이거나 하부 클래드층이 형성된 실리콘 기판을 포함하며, 코어(301)는 실리카 재질이며, 상부 클래드층(302)은 폴리머 재질로 이루어진다.
전술한 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 소자의 구성 및 동작원리는 다음과 같다.
도 3의 VOA는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로(30)를 방향성 결합기 형태로 적용하고 박막 히터(31)로써 광을 조절한다. 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로(30)는 도 4에서 알 수 있듯이, 기판(300) 및 코어(301)를 실리카로 폴리머 물질을 상부 클래드층(302)에 적용한 구조이다.
박막 히터(31)가 동작하지 않을 경우 입력광(λ31)은 두 번 결합되어 도 3에서 알 수 있듯이 출력단 상부 도파로(30a) 쪽의 출력광(λ32)으로 출사된다. 박막 히터(31)를 동작시켜 열을 가하게 되면 열광학 효과에 의하여 기판(300) 및 코어(301)의 굴절률은 증가하고 음의 열광학계수를 갖는 폴리머 재질의 상부 클래드층(302)의 굴절률은 감소하게 됨으로써, 코어(301)와 상부 클래드층(302) 사이의 굴절률 차이가 증가하여 광의 결합 길이가 길어진다.
상술한 원리에 의하여 광 결합 길이가 길어지기 때문에 입력광(λ31)은 방향성 결합기에서 두 번 결합되지 않고 한 번만 결합하여 출력단 하부 도파로(30b)쪽으로 출력되며 VOA 기능을 수행하게 된다. 전술한 도 3 및 도 4와 같은 구조의 VOA는 광 감쇄비를 높이기 위하여 도 1 및 도 2의 구조에서 적용한 것처럼 직렬로 연결하여 사용할 수 있다.
상술한 제2 종래기술에 따른 도 3 및 도 4의 구조는 도 1 및 도 2의 구조와 마찬가지로 방향성 결합기를 사용하고 있기 때문에 공정변수에 매우 민감하여 도 1 및 도 2의 구조에서 발생되었던 문제점을 가질 수 밖에 없다. 도 1과 도 3의 구조는 광도파로의 구조가 다름으로써 VOA 동작원리가 다를 뿐 동일한 문제점을 가지고 있으며 집적화 및 대량 생산을 위한 해결책이 제시되지 않고 있다. 따라서, 소자의 크기가 작고 소멸비가 우수하며 공정변수에 둔감한 VOA 개발이 시급하며 기존의 VOA 소자의 크기를 크게 하지 않으면서 소자의 특성을 보완할 수 있는 해결책이 제시되어야만 대량 생산으로 이어질수 있고 상업화가 가능하다.
본 발명의 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 소자의 크기가 작고 소멸비가 우수하며 공정변수에 둔감한 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양의 열광학 계수를 갖는 제1실리카층; 상기 제1실리카층 상에 일 방향으로 확장되어 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 실리카 코어; 상기 실리카 코어 상에 일정 간격으로 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 복수의 제2실리카층; 상기 제2실리카층 상부 및 일정한 상기 제2실리카층들 사이의 상기 실리카 코어 상부에 배치되며 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머층; 및 상기 폴리머층 상부에 배치되어 열광학 효과를 발생시켜 상기 실리카 코어와 상기 폴리머층 사이의 굴절율 차이를 증가시키기 위한 열광학 변위부를 포함하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양의 열광학 계수를 갖는 실리카층; 상기 실리카층 상에 일 방향으로 확장되어 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 실리카 코어; 상기 실리카 코어 상부에 배치되며 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머층; 및 열광학 효과를 발생시켜 상기 실리카 코어와 상기 폴리머층 사이의 굴절율 차이를 증가시키기 위해 상기 폴리머층 상부에 일정 간격으로 배치된 복수의 열광학 변위부를 포함하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자를 제공한다.
본 발명은, 기판 상에 실리카와 폴리머 물질을 이용하여 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 형성한 PLC 광소자에 있어서, 입 출력단 광섬유와의 결합손실 온도 의존성 및 주기적으로 형성된 실리카 기반의 광도파로와 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로 경계에서 발생하는 결합손실 온도의존성을 이용하여 VOA를 구현한다.
VOA 구조로, 광섬유와 결합되는 PLC 광소자의 입 출력단과 중간 부분에 실리카 코어상부를 덮는 사각/메사형 실리카 상부 클래드를 주기적으로 복수개 형성한 후 기판 전체에 폴리머 물질을 상부 클래드로 덮는다. 본 발명은 실리카와 폴리머 물질의 열광학계수가 반대인 것을 이용하여 주기적으로 형성된 실리카 기반의 광도파로와 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로의 경계면에서 온도에 변화에 대한 모드불일치와 그로 인한 결합손실을 유도함으로써 실리카/폴리머 하이브리드 VOA를 구현한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 실리카 기반의 광도파로와 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로의 결합 손실 온도 의존성을 나타낸 도면으로서, 가로축은 온도의 변화를 나타내고 세로축은 결합 손실의 크기로 dB로 나타을 것이다.
도 5를 참조하면, 0.75 %의 굴절률차이를 갖는 6×6 ㎛2 실리카 기반의 광도파로와 같은 굴절률 차이 및 크기를 갖는 실리카/폴리머 하이브리드 도파로 간의 온도에 따른 결합손실 변화를 3차원 빔전송법(Beam Propagation Method ; BPM)을 이용하여 계산한 결과이다. 도 5에서 알 수 있듯이 온도가 105 ℃일 때 경계면에서 발생하는 결합손실은 약 0.6 dB/point 이상으로 계산되었다. 이러한 계산 결과를 근거로 하여 본 발명인 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 VOA 및 본 발명과 관련된 다양한 응용예를 제시한다.
<제1 실시예>
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 소자를 도시한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 제1 실시예에 따른 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 소자는, 양의 열광학 계수를 갖는 제1실리카층(도시하지 않음)과, 제1실리카층 상에 일 방향으로 확장되어 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 실리카 코어(61)와, 실리카 코어(61) 상부에 일정 간격으로 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 복수의 제2실리카층(62)과, 제2실리카층(62) 상부 및 인접한 제2실리카층(62)들 사이의 실리카 코어(61) 상부에 배치되며 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머층(63)과, 폴리머층 상부에 배치되어 열광학 효과를 발생시켜 실리카 코어(61)와 폴리머층(63) 사이의 굴절율 차이를 증가시키기 위한 열광학 변위부(64)를 구비하여 구성된다.
제1 실시예에서는 실리카 코어(61) 상부에 평면 형상이 사각형인 제2실리카층(62)과 그 상부의 폴리머층(63)을 구비하는 VOA를 그 예로 하였다. 여기서 제1실리카층은 실리콘 기판과 기판 상부의 실리카 하부 클래드층으로 구성되거나, 실리카 기판으로 구성될 수 있다.
통상적으로, 제조 공정이 용이하다는 이유 등으로 실리콘 기판을 사용하는 바, 제1실리카층은 실리콘 기판과 하부 클래드층으로 구성된 것을 예로 한다. 따라서, 제2실리카층(62)은 하부 클래드층에 대응하는 실리카 상부 클래드층, 폴리머층(63)은 폴리머 상부 클래드층이 된다.
도 7은 도 6을 a-a' 및 b-b' 방향으로 절취한 단면을 나타낸다.
도 7을 참조하면, a-a' 방향의 경우 실리콘 기판(60a)과 기판(60a) 상의 실리카 하부 클래드층(60b)으로 이루어진 제1실리카층(60)과, 제1실리카층(60) 상의 실리카 코어(61)와, 실리카 코어(61)를 감싸는 제2실리카층(62, 즉 실리카 상부 클래드층)과, 제2실리카층(62)을 감싸는 폴리머층(63, 즉 폴리머 상부 클래드층)과 박막 히터 등을 이용한 열광학 변위부(64)가 제공되는 바, 이는 a-a' 방향이 제2실리카층(62)이 배치된 방향으로 절취된 것이기 때문이다. 반면, b-b' 방향의 경우 실리카 코어(61) 상에 제2실리카층(62)이 존재하지 않고 폴리머층(63) 만이 존재하여 실리카 코어(61)와 폴리머층(63)이 직접 접촉되어 있다.
이하에서는 전술한 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 VOA의 제작 공정을 설명한다.
실리카 기판이나 혹은 실리카 하부 클래드층(60b)이 형성된 실리콘 기판(60a) 상에 실리카 코어(61)를 증착한다. 실리카 하부 클래드층(60b) 및 실리카 코어(61)는 화염가수분해법(Flame Hydrolysis Deposition ; FHD)에 의하여 증착하며, 특히 하부 클래드층(60b)은 실리콘 기판(60a)의 열산화(Thermal Oxidation)에 의해 형성이 가능하다.
실리카 코어(61)를 유도결합플라즈마(Inductive Coupled Plasma) 장비를 이용한 건식식각 방식을 이용하여 패터닝함으로써 도면부호 '61'과 같은 실리카 코어의 도파로 패턴을 형성한다.
이어서, 실리카 코어(61) 상에 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 수 마이크론(Micron)의 실리카막을 증착한다. 사각/메사형 제2실리카층(62)은 사진식각법(Photolithography)을 이용하여 주기적으로 형성할 수 있다. 실리카막은 BOE (Buffered Oxide Etch) 용액을 사용하여 습식식각하는 것이 바람직한데, 이는 FHD 실리카막과 PECVD 실리카막의 식각 선택비를 이용한 것이다. PECVD로 형성된 제2실리카층(62)을 선택적으로 식각하여 사각/메사형 제2실리카층(62)을 형성할 때, 포토마스크(Photomask)를 이용하여 제2실리카층(62)과 폴리머층(63) 사이의 계면에 요철을 갖도록 경계면인 제2실리카층(62)의 표면을 거칠게 형성하면 온도 증가시 경계면에서의 산란손실을 추가로 유도할 수 있다.
이어서, 기판(60a) 전체에 음의 열광학계수를 갖는 폴리머 물질을 스핀코팅하여 폴리머층(63)을 형성한 다음, 폴리머층(63) 상에 박막 히터(64)를 형성함으로써 실리카/폴리머 하이브리드 VOA를 구현한다.
도 6의 실리카 코어(61)는 직선 또는 곡선등 광도파로의 패턴에 제한을 두지 않는다. 사각/메사형의 제2실리카층(62)은 그 단면 형상이 사각형, 메사형, 또는 역메사형으로 형성 가능하며 주기적으로 복수개 형성할 수 있다.
메사형의 제2실리카층(62)는 음영 마스크(Shadow Mask)를 이용하여 사진식각법에 의하여 형성할 수 있으며, 역메사형 제2실리카층(62)은 PECVD에 의하여 형성된 실리카막을 BOE 식각시 과도하게 식각하면 포토마스크에 의하여 형성된 PR (Photoresist) 경계면 아래로 언더컷(Undercut) 현상이 발생하여 형성된다. 전술한 메사 및 역메사형 제2실리카층(62)은 경계면에서 반사된 광이 광의 입력방향으로 되돌아가지 않게 함으로써 반사 손실(Return Loss)를 감소시킨다.
제2실리카층(62)의 굴절률은 제1실리카층(60) 즉, 하부 클래드층(60b) 및 폴리머층(63)의 굴절률과 실질적으로 동일하며 도 6 및 도 7에서 사각/메사형 제2실리카층(62)의 폭과 높이는 상온에서 광도파로의 모드필드 직경(Mode Field Diameter)을 포함하고 제2실리카층(62)의 진행방향 길이 및 주기는 결합손실이 최대로 발생할 수 있는 최적의 길이로 한다.
이하에서는 전술한 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 VOA의 동작 원리를 설명한다.
도 6 및 도 7에서 박막 히터(64)가 동작하지 않으면 입력광(λ61)은 입ㆍ출력단 광섬유와의 결합손실 및 전파손실 이외에 추가 손실을 갖지 않으므로 광소자의 삽입손실이 작은 상태로 출력광(λ62)으로 출력된다.
박막 히터(64)를 동작시키면 열광학 효과에 의하여 양의 열광학계수를 갖는 하부 클래드층(60b) 및 실리카 코어(61)의 굴절률은 증가하고, 음의 열광학계수를 갖는 폴리머층(63)의 굴절율은 감소하게 된다. 도 6에서 제2실리카층(62)을 적용한 부분은 광도파로가 모두 실리카로 형성되었기 때문에 온도가 증가하여도 굴절률차이가 일정하게 유지되지만, 제2실리카층(62)를 형성하지 않은 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로 부분(즉, 실리카 코어(61)와 폴리머층(63)이로 이루어진 b-b' 부분)은 온도를 증가시켰을 때 실리카 코어(61)와 폴리머층(63) 사이의 굴절율 차이가 커짐으로써 모드 크기가 작아지게 된다. 따라서, 실리카 기반의 광도파로와 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로 경계면에서 모드 크기 불일치에 의한 결합 손실이 발생하게 된다. 상기 경계면을 포토마스크를 이용하여 거칠게 형성하면 박막 히터(64)를 동작시키지 않을 경우에 제2실리카층(62)과 폴리머층(63)의 굴절률이 실질적으로 동일하기 때문에 손실이 없지만 박막 히터(64)를 동작시켜 온도가 증가하게 되면 경계면에서 굴절률 차이에 의한 거칠기가 발생하여 산란 손실을 추가로 유도할 수 있다.
전술한 제1 실시예의 타당성을 검증하기 위한 해석 구조로 0.75 %의 굴절율차이를 갖는 6×6㎛2 실리카 코어(61)에 사각/메사형의 제2실리카층(62)을 115㎛ 길이 및 간격으로 30개 형성하였으며, 105 ℃에서 3차원 빔전송법으로 손실을 계산한 결과 30 dB 이상의 소멸비를 나타내었으며, 이 때 광소자의 길이는 약 5mm 정도에 불과하였다. 상기의 결과는 경계면을 거칠게 형성하지 않은 구조에서 계산한 것으로 광소자 제작시 경계면을 거칠게 하면 2mm 이하에서 15dB 이상의 소멸비를 갖는 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 제작이 가능할 것으로 예상된다.
전술한 바와 같이 이루어지는 실리카/폴리머 하이브리드 VOA는 상술한 바와 같이 소멸비 특성이 우수하고 구조가 간단하여 소자의 크기를 작게 제작가능하기 때문에 집적화에 유리하다. 또한, 상기의 VOA는 방향성 결합기를 사용하지 않기 때문에 동작 파장 대역이 넓고 공정 변수에 둔감하여 대량 생산 및 상용화에 유리한 장점을 가진다.
<제2 실시예>
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 소자를 도시한 평면도이다.
도 8을 참조하면, 제2 실시예에 따른 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 소자는 양의 열광학 계수를 갖는 실리카층(도시하지 않음)과, 실리카층 상에 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 실리카 코어(81)와, 실리카 코어(81) 상부에 배치되며 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머층(82)과, 열광학 효과를 발생시켜 실리카 코어(81)와 폴리머층(82) 사이의 굴절율 차이를 증가시키기 위해 폴리머층(82) 상부에 일정 간격으로 배치된 복수의 열광학 변위부를 이루는 박막 히터(83)를 구비하여 구성된다.
제2 실시예에서는 실리카 코어(81) 상부에 제1 실시예와 같은 제2실리카층 즉, 실리카 상부 클래드층을 배치하지 않고 폴리머층(82)을 배치한 다음, 박막 히터(83)를 제1 실시예에서의 제2실리카층과 같이 일정 간격으로 배치하였다. 여기서 실리카층은 실리콘 기판과 기판 상부의 실리카 하부 클래드층으로 구성되거나, 실리카 기판으로 구성될 수 있다. 박막 히터(83)들은 그들의 일측부가 연결부(83')를 통해 서로 연결되어 있어 동시에 동작한다.
통상적으로, 제조 공정이 용이하다는 이유 등으로 실리콘 기판을 사용하는 바, 실리카층은 실리콘 기판과 하부 클래드층으로 구성된 것을 예로 한다. 따라서, 폴리머층(82)은 하부 클래드층에 대응하는 폴리머 상부 클래드층이 된다.
도 9는 도 8을 x-x' 및 y-y' 방향으로 절취한 단면을 나타낸다.
도 9를 참조하면, x-x' 방향의 경우 실리콘 기판(80a)과 기판(80a) 상의 실리카 하부 클래드층(80b)으로 이루어진 실리카층(80)과, 실리카층(80) 상의 실리카 코어(81)와, 실리카 코어(81)를 감싸는 폴리머층(82, 즉 폴리머 상부 클래드층)과 박막 히터(83) 등을 이용한 열광학 변위부가 제공되는 바, 이는 x-x' 방향이 박막 히터(83)가 배치된 방향으로 절취된 것이기 때문다. 반면, y-y' 방향의 경우실리카 코어(81) 상에 박막 히터(83)가 존재하지 않는다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8은 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로 상부에 박막 히터(83)가 주기적으로 다단 형성되어 있다. 제2 실시예에서 제시된 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로는 전술한 제1 실시예의 구조에서 적용한 사각/메사형 제2실리카층이 없을 뿐 나머지는 동일하며 단지, 박막 히터(83)를 폴리머층(82) 상에 주기적으로 다단 형성한 것이다. 도 8 및 도 9의 박막 히터(83)는 직선 및 곡선등 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로의 패턴에 관계없이 광경로에 다양하게 적용할 수 있다.
아울러, 상술한 제1 실시예의 구조를 갖는 VOA의 동작원리와 마찬가지로 박막 히터(83)를 동작시키면 박막 히터(83) 하부에 있는 부분의 실리카 코어(81)와 폴리머층(82)간의 굴절률 차이가 증가하고, 박막 히터가(83) 없는 부분에서 실리카 코어(81)와 폴리머층(82)의 굴절률차이는 변화하지 않기 때문에 박막 히터(83)의 경계면에서 모드 크기 불일치에 의한 결합 손실이 발생하게 되며 VOA 기능을 수행하게 된다. 제2 실시예의 구조는 박막 히터(83)의 구조만으로 VOA 기능을 수행하기 때문에 구조가 간단하고 공정변수에 둔감하여 광소자의 제조 단가를 낮출수 있다.
한편, 전술한 제1 및 제2 실시예에서는 실리카 코어가 단순한 형태인 경우 만을 그 예로 하였는 바, 코어의 형태가 열격자배열도파로(Arrayed Waveguide Grating; 이하 AWG라 함) 또는 방향성결합기 등 다양한 형태인 경우에도 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예는 적용될 수 있다.
도 10은 실리카/폴리머 하이브리드 도파로를 이용한 AWG 파장다중화기에 제1 실시예의 VOA 구조를 적용한 V-MUX(VOA-Multiplexer)를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 실리카/폴리머 하이브리드 AWG 소자는 입력 도파로(110)와, 슬랩 도파로(111)와, 배열 도파로(112)와, 출력 도파로(113)으로 구성되는 바, 출력단인 출력 도파로(113)에 전술한 제1 실시예의 구조인 사각/메사형 제2실리카층과 박막 히터를 적용하여 V-MUX를 구현한 것이다.
일반적으로, AWG 파장다중화기를 광전송 시스템에 적용할 때에는 파워 패널티 및 안정적인 BER (Bit Error Rates) 특성확보를 위하여 VOA(113a ∼ 113d)를 출력단에 연결하여 사용한다.
도 10에 도시된 V-MUX는 AWG 파장다중화기에 VOA를 동일한 기판에 집적화하여 제작된 것으로 파장 다중화 및 역다중화 기능과 VOA의 기능을 동시에 수행할 수 있는 집적형 광소자이다. 상기 V-MUX의 AWG 부분은 실리카 하부 클래드층 및 실리카 코어에 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머 물질을 클래드층에 적용하였기 때문에 중심 파장의 온도 의존성 및 편광 의존성을 억제할수 있다. 따라서, VOA가 내장된 집적형 V-MUX는 크기가 작고 저가인 광소자 구현에 유리한 구조이다.
도 11은 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 VOA(도 2 참조)에 제1 실시예의 VOA 구조를 적용한 도면이다.
도 11을 참조하면, 종래 기술인 방향성 결합기형 실리카/폴리머 하이브리드 VOA의 입ㆍ출력단에 제1 실시예의 구조인 사각/메사형 제2실리카층 구조와 박막 히터를 적용한 것으로, 광도파로를 이루는 두개의 실리카 코어(123a, 123b)와, 입력단에 배치된 VOA(120)와, 출력단에 배치된 VOA(121)와, 박막 히터(122)를 구비한다. 입력단 및 출력단로 배치된 VOA(120, 121)는 각각 사각/메사형의 제2실리카층(120b, 121b)과 박막 히터(120a,121a)로 이루어진다.
제1 실시예의 구조를 적용하지 않은 방향성 결합기형 실리카/폴리머 하이브리드 VOA는 근본적으로 공정변수에 민감하여 우수한 소멸비를 얻기 위해서는 방향성 결합기를 직렬로 연결하여 사용하는 것이 일반적이다. 본 발명을 적용한 도 11의 구조는 광소자의 입ㆍ출력단에 추가로 사각/메사형 제2실리카층과 박막 히터를 형성함으로써 소자의 크기가 커지지 않으면서 VOA 소멸비 특성 열화를 보완할 수 있다.
이러한 이유는, 상술한 바와 같이 본 발명의 구조를 적용한 경우 2mm 이내에서 약 15dB 이상의 소멸비를 추가로 얻을 수 있기 때문에 도 11과 같은 구조는 방향성 결합기형 실리카/폴리머 하이브리드 VOA에서 공정변수가 변하여 소멸비가 열화되는 것을 충분히 보완할 수 있어 광소자의 대량생산에 유리하다.
도 12는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광스위치에 제1 실시예의 VOA 구조를 적용한 도면이다.
도 12를 참조하면, 종래 기술인 방향성 결합기형 실리카/폴리머 하이브리드 광스위치의 출력단 도파로 상ㆍ하부에 본 발명의 구조인 사각/메사형 제2실리카층 구조와 박막 히터를 적용한 것으로, 광도파로를 이루는 두개의 실리카 코어(133a, 133b)와, 출력단에 싱부에 배치된 VOA(130)와, 출력단 하부에 배치된 VOA(131)와, 박막 히터(132)를 구비한다. 출력단 상부 및 하부에 배치된 VOA(130, 131)는 각각 사각/메사형의 제2실리카층(130b, 131b)과 박막 히터(130a,131a)로 이루어진다.
방향성 결합기 영역에 형성된 박막 히터(132)를 동작시키지 않은 경우 입력광은 출력단 상부 도파로 쪽으로 출력되며, 일부 출력단 하부 도파로 쪽으로 출력된 광은 출력단 하부 VOA(131)의 박막 히터(131a)를 동작시켜 상ㆍ하부 도파로 간의 소멸비를 증가시킬 수 있다. 방향성 결합기 영역에 형성된 박막 히터(132)를 동작시키면 입력광은 하부 도파로 쪽으로 출력되며, 일부 출력단 상부 도파로 쪽으로 출력된 광은 출력단 VOA(130)의 박막 히터(130b)를 동작시키면 출력 도파로간 소멸비를 증가시킬 수 있다. 제1 실시예의 구조인 사각/메사형 제2실리카층을 적용한 실리카/폴리머 하이브리드 광스위치는 공정 변수가 변하여 소멸비가 열화되는 것을 보완할 수 있을 뿐 아니라 소자의 크기가 커지지 않는 장점을 가진다.
도 10, 도 11, 도 12를 통해 설명한 응용예에서는 제1 실시예의 VOA를 적용한 것을 예로 하였으나, 제2 실시예의 구조인 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로 상부에 박박 히터를 주기적으로 형성하는 구조를 적용할 수도 있다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로에서 입ㆍ출력단 광섬유와의 결합 손실과 온도의존성 및 주기적으로 형성된 실리카 기반의 광도파로와 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로 경계에서 발생하는 결합손실 및 산란손실 온도의존성을 이용하여 VOA를 구현하며, 또한 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로 상부에 박막 히터를 주기적으로 다단 형성하여 결합손실 온도의존성을 이용한 VOA를 구현하였는 바, 본 발명의 구조를 적용한 실리카/폴리머 하이브리드 VOA는 우수한 소멸비를 가지며 구조가 간단하고 작은 크기로 제작 가능하여 집적화에 유리하며, 본 발명의 VOA는 방향성 결합기를 사용하지 않기 때문에 동작 파장대역이 넓으며, 설계 및 공정변수에 둔감하여 대량생산 및 저가의 광소자를 제작할 수 있는 장점을 가짐을 실시예를 통해 알아 보았다.
아울러, 종래의 기술인 실리카/폴리머 하이브리드 AWG 소자의 출력단에 본 발명의 구조를 적용하여 파장 다중화 및 역다중화 기능과 VOA의 기능을 동시에 수행할 수 있는 V-MUX를 구현할 수 있는 바, V-MUX의 AWG 부분은 실리카 하부 클래드층 및 코어에 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머 물질을 상부 클래드층에 적용하였기 때문에 중심 파장의 온도 의존성 및 편광 의존성을 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명을 적용하여 VOA를 내장한 집적형 V-MUX는 크기가 작고 저가인 광소자 구현에 유리한 장점을 가짐을 확인하였다.
또한, 종래의 기술인 방향성 결합기형 실리카/폴리머 하이브리드 광스위치 및 VOA에 본 발명의 구조를 적용하면, 공정변수가 변하여 소멸비가 열화되는 것을 보완할 수 있으며, 본 발명의 구조를 방향성 결합기의 입ㆍ출력단 짧은 영역에 한하여 형성 가능하기 때문에 소자의 크기가 커지지 않아 집적화 및 대량 생산에 유리하며 상용화 가능성을 제공함을 실시예를 통해 알아 보았다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같이 본 발명은 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용하는 것으로, 광소자의 크기를 줄여 집적도를 높일 수 있고, 소멸비 특성을 높일 수 있으며, 공정 변수에 둔감하도록 하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 제1 종래기술에 따른 실리카 기반의 도파로를 이용한 VOA를 도시한 평면도.
도 2는 도 1의 도파로의 단면을 도시한 도면.
도 3은 제2 종래 기술에 따른 실리카/폴리머 하이브리드 VOA를 도시한 평면도.
도 4는 도 3의 도파로의 단면을 도시한 도면.
도 5는 실리카 기반의 광도파로와 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로의 결합 손실 온도 의존성을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 소자를 도시한 평면도.
도 7은 도 6을 a-a' 및 b-b' 방향으로 절취한 단면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리카/폴리머 하이브리드 VOA 소자를 도시한 평면도.
도 9는 도 8을 x-x' 및 y-y' 방향으로 절취한 단면도.
도 10은 실리카/폴리머 하이브리드 도파로를 이용한 AWG 파장다중화기에 도 6의 VOA 구조를 적용한 V-MUX를 도시한 도면.
도 11은 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 VOA에 도 6의 VOA 구조를 적용한 도면.
도 12는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광스위치에 도 6의 VOA 구조를 적용한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
61 : 실리카 코어 62 : 제2실리카층
63 : 폴리머층 64 : 박막 히터

Claims (12)

  1. 양의 열광학 계수를 갖는 제1실리카층;
    상기 제1실리카층 상에 일 방향으로 확장되어 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 실리카 코어;
    상기 실리카 코어 상에 일정 간격으로 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 복수의 제2실리카층;
    상기 제2실리카층 상부 및 일정한 상기 제2실리카층들 사이의 상기 실리카 코어 상부에 배치되며 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머층; 및
    상기 폴리머층 상부에 배치되어 열광학 효과를 발생시켜 상기 실리카 코어와 상기 폴리머층 사이의 굴절율 차이를 증가시키기 위한 열광학 변위수단
    을 포함하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2실리카층은,
    사각형, 메사형 또는 역메사형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2실리카층과 상기 폴리머층 사이의 계면에 요철을 갖는 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1실리카층은,
    기판과, 상기 기판 상에 제공되는 실리카 하부 클래드층으로 이루어지며, 상기 제2실리카층은 상부 클래드층인 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층 및 상기 폴리머층은 실질적으로 동일한 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2실리카층은,
    상온에서 광도파로의 모드 필드 직경을 포함하는 폭과 높이를 갖고, 결합 손실이 최대로 발생할 수 있는 진행방향 길이 및 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  7. 양의 열광학 계수를 갖는 실리카층;
    상기 실리카층 상에 일 방향으로 확장되어 배치되며 양의 열광학 계수를 갖는 실리카 코어;
    상기 실리카 코어 상부에 배치되며 음의 열광학 계수를 갖는 폴리머층; 및
    열광학 효과를 발생시켜 상기 실리카 코어와 상기 폴리머층 사이의 굴절율 차이를 증가시키기 위해 상기 폴리머층 상부에 일정 간격으로 배치된 복수의 열광학 변위수단
    을 포함하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 실리카층은,
    기판과, 상기 기판 상에 제공되는 실리카 클래드층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 실리카층과 폴리머층은 동일한 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  10. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 열광학 변위수단은, 박막 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  11. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 실리카 코어는,
    AWG(Arrayed Waveguide Gratings) 패턴 또는 방향성 결합기 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
  12. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 실리카 코어는, 직선 또는 곡선의 형태인 것을 특징으로 하는 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자.
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