KR20110002619A - 광 소자 - Google Patents

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KR20110002619A
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권오기
이철욱
이동훈
김종회
심은덕
백용순
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 광 소자를 제공한다. 상기 광 소자는 제 1 포트에서 들어오는 여러 채널의 광 신호들을 파장 별로 분리시켜 제 2 포트들에 제공하거나, 상기 제 2 포트들에서 들어오는 서로 다른 파장의 입력 광 신호들을 상기 제 1 포트에 제공하는 다중화기/역다중화기, 상기 제 1 포트에 연결된 다중 모드 간섭 결합기, 상기 다중 모드 간섭 결합기에 연결된 제 1 도파로, 및 상기 제 2 포트들에 연결된 제 2 도파로들을 포함한다. 상기 다중 모드 간섭 결합기의 폭은 상기 다중화기/역다중화기 방향으로 감소된다.
다중화기, 평탄투과, 다중 모드 간섭 결합기

Description

광 소자{OPTICAL DEVICE}
본 발명은 광대역 전송망에서 이용되는 광 소자에 관한 것이다. 본 발명은 지식 경제부의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-011-03, 과제명: ROADM용 광스위치 기술개발].
정보 통신 기술의 발달로 인한 수많은 정보를 처리하기 위하여 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing : WDM) 방식 등의 광 대역 전송망을 해결하는 기술이 빠르게 발전하고 있다. 상기 파장 분할 다중화 방식에서 다중화기(multiplexer)는 여러 입력 도파로에서 들어오는 서로 다른 파장의 입력 광 신호들을 합쳐 하나의 출력 도파로에 제공하는 역할을 수행한다. 역다중화기(demultiplexer)는 하나의 입력 도파로에서 들어오는 여러 채널의 광 신호들을 파장 별로 분리시키는 출력 도파로에 제공하는 역할을 수행한다. 상기 다중화기는 파장 분할 다중화를 기반으로 하는 광 시스템에서는 필수적이다. 상기 다중화기는 초기의 벌크 타입의 형태에서 발전하여 수 cm 혹은 수 mm 크기의 도파로 기반의 소자로 발전되었다.
본 발명은 박스형 스펙트럼 응답을 가지는 다중 모드 간섭 결합기와 다중화기를 포함하는 광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 소자는 제 1 포트에서 들어오는 여러 채널의 광 신호들을 파장 별로 분리시켜 제 2 포트들에 제공하거나, 상기 제 2 포트들에서 들어오는 서로 다른 파장의 입력 광 신호들을 상기 제 1 포트에 제공하는 다중화기/역다중화기, 상기 제 1 포트에 연결된 다중 모드 간섭 결합기, 상기 다중 모드 간섭 결합기에 연결된 제 1 도파로, 및 상기 제 2 포트들에 연결된 제 2 도파로들을 포함한다. 상기 다중 모드 간섭 결합기의 폭은 상기 다중화기 방향으로 감소된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 도파로는 상기 다중 모드 간섭 결합기 방향으로 폭이 증가하는 제 1 테이퍼부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제 2 도파로는 상기 다중화기 방향으로 폭이 증가하는 제 2 테이퍼부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중 모드 간섭 결합기는 두 번째 다중 모드 패턴이 형성되는 영역에서 상기 제 1 포트에 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 광 소자는 평탄 투과특성을 가지는 광 소자를 제공한다. 광 소자는 평탄투과 특성을 가지도록 다중화기/역다중화기의 입력단에 배치된 테이퍼 된 다중 모드 간섭 결합기를 포함할 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기에서 형성되는 모드 폭은 길이 방향으로 가변적이다. 따라서, 상기 평탄투과 특성은 상기 다중 모드 간섭 결합기의 길이를 적절히 선정하여 얻을 수 있다.
상기 다중 모드 간섭 결합기의 입력 도파로의 폭을 테이퍼시킬 경우, 상기 광 소자는 입력 도파로 폭의 의존성을 감소시킬 수 있어, 안정적인 평탄 투과 특성을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 광 소자는 다중화기/역다중화기의 구조변화 없이 평탄투과 밴드폭을 구현할 수 있다.
상기 다중 모드 간섭 결합기의 테이퍼 경사에 따라 상기 다중 모드 간섭 결합기의 출력 광 모드의 간격을 용이하게 변형시킬 수 있다. 상기 광 소자는 양질의 평탄투과 밴드 구현을 제공하고, 제작시 소자의 신뢰성을 높일 수 있다. 상기 광 소자는 높은 굴절율 차이를 가진 도파로 구조 및 좁은 입력 도파로 폭을 가지는 구조에서 매우 효과적으로 작용한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 실시예들에서 설명되는 다중화기/역다중화기는 일반적인 다중화기 뿐만 아니라 역다중화기를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다. 상기 다중화기/역다중화기는 동작 파장 영역에서 채널 필터로서 동작하기 때문에 이상적인 박스형 스펙트럼 응답(box-like spectral response) 특성을 가지는 것이 요구된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 소자를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 광 소자(100)는 그의 일단의 제 1 포트(142)에서 들어오는 여러 채널의 광 신호들(λ1,...,λN)을 파장 별로 분리시켜 그의 타단의 제 2 포트들(144)에 제공하는 다중화기/역다중화기(130), 상기 다중화기/역다중화기(130)의 상기 제 1 포트(142)에 연결된 다중 모드 간섭 결합기(120), 상기 다중 모드 간섭(multi mode interference: MMI) 결합기(120)에 연결된 제 1 도파로(112), 및 상기 다중화기/역다중화기(130)의 상기 제 2 포트들(144)에 연결된 제 2 도파로들(114)을 포함한다.
상기 다중화기/역다중화기(130)는 제 1 암(arm, 132), 배열 도파로 회절격자(arrayed waveguide grating:AWG,134), 및 제 2 암(136)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 암(132)은 상기 제 1 포트(142)를 포함할 수 있다. 상기 제 2 암(136)은 상기 제 2 포트(144)를 포함할 수 있다. 상기 다중화기/역다중화기(130)의 상기 제 1 암(132)은, 상기 제 1 도파로(112) 및 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)를 통하여, 상기 제 1 포트(142)에 인가된 신호를 방사(빔이 퍼짐)시킬 수 있다. 상기 방사된 빔은 상기 배열 도파로 회절격자(134)와 결합되고, 상기 방사된 빔은 상기 제 2 암(136)에서 집속(focus)되어 상기 제 2 포트(144) 및 상기 제 2 도파로(114)를 통하여 출사될 수 있다. 반대로, 상기 다중화기/역다중화기(130)는 상기 제 2 포트들(144)에서 들어오는 각기 서로 다른 파장의 입력 광 신호들을 상기 제 1 포트(142)에 제공할 수 있다. 상기 배열 도파로 회절격자(134)는 상기 배열 도파로 회절격자(134)에 결합된 빔들의 위상을 조절할 수 있다. 상기 위상의 조절은 도파로 길이를 통해 수행될 수 있다. 상기 배열 도파로 회절격자(134)는 파장 별로 보강 간섭(constructive interference)을 제공할 수 있다.
상기 다중 모드 간섭 결합기(120)는 상기 제 1 도파로(112)와 상기 다중화기/역다중화기(130) 사이에 배치된다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)는 상기 다중화기/역다중화기(130)의 제 1 포트(142)에 연결될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)는 상기 제 1 도파로(112)와 같은 수직 구조를 가질 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭은 상기 다중화기/역다중화기(130) 방향으로 감소할 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭은 상기 제 1 포트(142) 방향으로 점진적으로 좁아질 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭이 테이퍼지도록 구성되면, 상기 다중 모드 간섭 결합기(120) 내 간섭패턴(interference pattern)의 폭(width)과 공간 주기(spatial periode)가 점차 좁아질 수 있다. 따라서, 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 길이(L1)에 따라 다양한 폭을 가진 간섭 패턴이 제공될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 길이(L1)에 따라, 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)와 상기 다중화기/역다중화기(130)는 플랫탑(flat-top) 특성 또는 박스형 스펙트럼 응답을 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 도 파로(112)의 도파 모드 의존성이 감소될 수 있다. 상기 다중화기/역다중화기(130)의 구조 변경없이 평탄 투과 폭이 구현될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)는, 높은 굴절율 차이를 가진 구조이거나, 상기 제 1 도파로(112)의 폭이 좁은 구조에서도, 박스형 스펙트럼 응답을 제공할 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)는 상기 다중화기/역다중화기(130) 또는 상기 제 1 도파로(112)와 일체형으로 제작될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 소자를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 부분과 중복되는 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 상기 제 1 도파로(112)는 제 1 테이퍼부(112a)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(112a)는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)에 연결될 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(112a)의 폭은 상기 다중 모드 간섭 결합기(120) 방향으로 증가할 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(112a)의 최대 폭은 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭 보다 작을 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(112a)는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 간섭 특성(간섭패턴의 주기)을 변화시킬 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(112a)의 폭의 증가는 간섭패턴의 주기를 상대적으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 제작 공정시 발생되는 구조 변동에 불구하고, 안정적인 평탄투과 특성을 얻을 수 있다.
상기 제 2 도파로(114)는 제 2 테이퍼부(114a)를 포함할 수 있다. 상기 제 2 테이퍼부(114a)는 상기 제 2 암(136)에 연결될 수 있다. 상기 제 2 테이퍼부(114a)의 폭은 상기 제 2 암(136) 방향으로 증가할 수 있다. 상기 제 2 테이퍼부(114a)의 폭의 증가는 투과밴드 폭을 증가시킬 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(112a)의 길이는 상기 제 2 테이퍼부(114a)의 길이(L2)와 유사할 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(112a)와 상기 제 2 테이퍼부(114a)의 길이(L2)는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 길이(L1) 보다 작을 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 소자를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 광 소자(200)는 제 1 포트(242)에서 들어오는 여러 채널의 광 신호들(λ1,...,λN)을 파장 별로 분리시켜 제 2 포트들(244)에 제공하는 다중화기(230), 상기 다중화기/역다중화기(230)의 제 1 포트(242)에 연결된 다중 모드 간섭 결합기(220), 상기 다중 모드 간섭(multi mode interference: MMI) 결합기(220)에 연결된 제 1 도파로(212), 및 상기 다중화기/역다중화기(230)의 제 2 포트들(244)에 연결된 제 2 도파로들(214)을 포함한다.
상기 다중화기/역다중화기(230)는 오목 회절격자(concave grating: CG, 234)를 포함할 수 있다. 상기 다중화기/역다중화기(230)는 상기 제 1 포트(242)에 입력된 서로 다른 파장의 신호를 파장에 따라 공간적으로 각기 다른 위치에 출력 신호로 제공할 수 있다. 상기 제 1 도파로(212)에 인가된 신호는 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)를 통하여 상기 제 1 포트(242)에서 방사될 수 있다. 상기 방사된 빔은 오목 회절격자(234)에서 반사하게 될 수 있다. 반사된 빔은 제 2 도파로(214)에 결합되어 출사된다. 반대로, 상기 다중화기/역다중화기(230)는 상기 제 2 포트들(244)에서 들어오는 각기 서로 다른 파장의 입력 광 신호들을 제 1 포트(242)에 제공할 수 있다. 상기 오목 회절격자(234)는 오목 회절격자(234)에 입사된 빔들의 위상을 회절격자 주기를 통해 각 파장별로 상기 제 2 포트(214)에서 보강간섭하도록 조절할 수 있다.
상기 다중 모드 간섭 결합기(220)는 상기 다중화기/역다중화기(230)의 제 1 포트(242)에 연결될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)는 폭은 상기 다중화기/역다중화기(230) 방향에 따라 감소될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)의 폭은 상기 제 1 포트(242) 방향으로 점진적으로 좁아질 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)의 폭이 테이퍼지도록 구성되면, 상기 다중 모드 간섭 결합기(220) 내 간섭패턴(interference pattern)의 폭(width) 및 공간 주기(spatial periode)가 각각 점차 좁아질 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)의 길이(L1)에 따라 다양한 폭을 가진 간섭 패턴을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)의 길이(L1)에 따라, 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)와 상기 다중화기/역다중화기(230)는 플랫탑(flat-top) 특성 또는 박스형 스펙트럼 응답을 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 도파로(212)의 도파 모드의 의존성을 감소시킬 수 있고, 상기 다중화기/역다중화기(230)의 구조 변경없이 평탄 투과 폭을 구현할 수 있다. 따라서, 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)는 높은 굴절율 차이를 가진 구조, 또는 좁은 폭을 가진 제 1 도파로(212) 구조에서도, 박스형 스펙트럼 응답을 제공할 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)는 상기 다중화기/역다중화기(230) 및/또는 제 1 도파로(212)와 일체형으로 제작될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 소자를 설명하는 도면이다. 도 3에서 설명한 부분과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 상기 제 1 도파로(212)는 제 1 테이퍼부(212a)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(212a)는 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)에 연결될 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(212a)는 상기 다중 모드 간섭 결합기(220) 방향으로 폭이 증가할 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(220)의 최대 폭은 상기 제 1 테이퍼부(212a)의 최대 폭보다 클 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(212a)는 상기 다중 모드 간섭 결합기의 간섭 특성(간섭패턴의 주기)을 변화시킬 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부(212a)의 폭의 증가는 간섭패턴의 주기를 상대적으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 제작 공정시 발생되는 구조 변동에 대해서도 안정적인 평탄투과 특성을 얻을 수 있다.
상기 제 2 도파로(214)는 제 2 테이퍼부(214a)를 포함할 수 있다. 상기 제 2 테이퍼부(214a)는 상기 다중화기/역다중화기(230)의 상기 제 2 포트(244)에 연결될 수 있다. 상기 제 2 테이퍼부(214a)의 폭의 증가는 투과밴드 폭을 증가시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5f를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 모드 간섭 결합기의 구조들이 설명된다.
도 5a를 참조하면, 상기 다중 모드 간섭 결합기는 딥 리지 도파로(Deep ridge waveguide: deep RWG) 구조일 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기는 제 1 도파로와 일체형으로 제작될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로는 기판(20) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(22), 코어(24), 및 상부 클래드층(26)을 포함할 수 있다. 상기 하부 클래드층(22), 상기 코어(24), 및 상부 클래드층(26)의 측면은 서로 정렬될 수 있다.
상기 기판(20)은 실리카(Silica), 실리콘(Silcon), 비정질 실리콘(amorphous Silicon), 인듐포스퍼러스(InP), 갈륨아세나이도(GaAs),리튬탄탄륨옥사이드(LiTaO3), 또는 폴리머(Polymer)일 수 있다. 상기 기판(20)이 인듐포스퍼러스(InP)인 경우, 상기 코어(24)는 InGaAsP일 수 있다. 상기 코어(24)의 밴드갭은 1.05um 일 수 있다. 상기 코어(24)의 두께는 0.5um 일 수 있다. 상기 상부 클래드층(26) 및 상기 하부 클래층(22)의 두께는 1um일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 다중 모드 간섭 결합기는 매몰 헤테로구조(buried heterostructure:BH)일 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기는 상기 제 1 도파로와 일체형으로 제작될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로는 기판(30), 코어(32), 및 클래드층(34)을 포함할 수 있다. 상기 코어(32) 및 상기 클래드층(34)은 상기 기판 상에 배치될 수 있다. 상기 클래드층(34)은 상기 코어(32)를 감싸도록 배치될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 다중 모드 간섭 결합기는 샐루오 리지 도파로(shallow RWG) 구조일 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로는 기판(40) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(42), 코어(44), 및 상부 클래드층(46)을 포함할 수 있다. 상기 코어(42) 및 상기 하부 클래드층(44)의 측면은 서 로 정렬될 수 있다. 상기 상부 클래드층(46)은 상기 코어(44) 상에 배치될 수 있다. 상기 상부 클래드층(46)의 폭은 상기 코어(44)의 폭보다 작을 수 있다.
도 5d를 참조하면, 상기 다중 모드 간섭 결합기는 립 도파로(Rib WG) 구조일 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로는 기판(50) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(52), 코어(55), 및 상부 클래드층(56)을 포함할 수 있다. 상기 코어(55), 하부 클래드층(52),및 상기 하부 클래드층(52)의 측면은 서로 정렬될 수 있다. 상기 상부 클래드층(56)은 상기 코어(55) 상에 배치될 수 있다. 상기 하부 클래드층(52)은 중심 영역에 배치된 트렌치(54)를 포함할 수 있다. 상기 코어(55)는 상기 트렌치(54)를 채우고 상기 하부 클래딩층(52) 상에 배치될 수 있다.
도 5e를 참조하면, 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로는 기판(60) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(62), 코어(64), 및 상부 클래드층(67)을 포함할 수 있다. 상기 하부 클래드층(62), 상기 코어(64) 및 상기 하부 클래드층(67)의 측면은 서로 정렬될 수 있다. 상기 상부 클래드층(67)은 상기 코어(64) 상에 배치될 수 있다. 상기 상부 클래드층(67)은 중심 영역에 돌출부(66)를 포함할 수 있다.
도 5f를 참조하면, 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로는 기판(70) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(72), 코어(74), 및 상부 클래드층(76)을 포함할 수 있다. 상기 코어(74) 및 상기 하부 클래드층(72)의 측면은 서로 정렬될 수 있다. 상기 코어(74)는 중심에 코어 돌출부(74a)를 포함할 수 있다. 상기 상부 클래딩층(76)은 상기 코어 도출부(74a) 상에 배치될 수 있다. 상기 코어 돌출 부(74a)와 상기 상부 클래딩층(76)의 측면은 서로 정렬될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 다중 모드 간섭 결합기(120) 및 상기 제 1 도파로(112)의 도파 특성을 설명한다. 도 6a는 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로의 사시도이다. 도 6b는 도 6a의 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로의 평면도이다. 도 6c는 도 6a의 상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로의 간섭 패턴의 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 상기 다중 모드 간섭 결합기(120) 및 제 1 도파로(112)는 Deep RWG 구조일 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120) 및 상기 제 1 도파로(112)는 기판(20) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(22), 코어(24), 및 상부 클래드층(26)을 포함할 수 있다. 상기 하부 클래드층(22), 상기 코어(24), 및 상부 클래드층(26)의 측면은 서로 정렬될 수 있다.
상기 기판(20)은 InP substrate일 수 있다. 상기 코어(24)는 1.05um 밴드갭을 가진 InGaAsP일 수 있다. 상기 코어(24)의 두께는 0.5um일 수 있다. 상기 상부 클래드층(26)의 두께는 1um일 수 있다. 상기 제 1 도파로(112)의 폭(Win)은 2.5um 일 수 있다.
상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭(Wst)은 출력 폭(Wfin)보다 크다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭이 테이퍼지도록 하면, 빔 진행시 상기 다중 모드 간섭 결합기(120) 내 간섭패턴의 폭은 좁아지고, 주기는 짧아지게 된다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 길이(L1)에 따라 다양한 간섭 패턴의 폭을 제 공할 수 있다.
컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 구조는 Win=2.5um, Wst=5um, Wfin=2.5um이다. 상기 다중 모드 간섭 결합기의 a, b, c, d 지점은 각각 z=0 um, z=154 um, z=159 um, z=162 um이다. b, c, d의 지점은 두 번째 다중모드 패턴이 형성되는 영역(l2 ~ 59um) 내에서 선정하였다. 상기 두 번째 다중모드 패턴이 형성되는 영역에서 보다 좋은 평탄투과 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 다중 모드 간섭 결합기는 상기 두 번째 다중모드 패턴이 형성되는 영역에서 상기 제 1 포트와 연결될 수 있다. 첫 번째(l1) 혹은 세 번째(l3) 다중모드 패턴이 형성되는 영역에서도 평탄투과 특성을 얻을 수 있지만, 첫 번째의 것에서는 폭이 너무 넓으므로 원하는 평탄투과 특성을 얻기 힘들고 세 번째의 것에서는 영역이 좁으므로 설계마진이 적은 단점이 있다.
상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭(Wst)은 5um일 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭이 3um 보다 적은 구조에서는 실제 양호한 다중 모드 간섭이 나타나지 않았다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭(Wst)이 10um 보다 큰 구조는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 모드 변환 주기가 짧기 때문에 구현하기 어려울 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭(Wst)을 증가시킨 구조는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)에서 형성된 모드 간격이 넓어져서 리플(ripple)이 증가하게 되는 문제가 있었다.
테이퍼된 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)에서 형성되는 모드 폭을 길이방향(z축 방향)으로 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 평탄투과 특성을 얻을 수 있는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭에 해당되는 길이는 적절히 선정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광 소자는 다중화기의 구조변화 없이 평탄투과 밴드폭을 구현할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 도 6c의 a, b, c, d 지점의 특성을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다. 도 7a는 a, b, c, d 지점에 대한 횡 방향 광 크기의 절대값 (φa,b,c,d(x)을 나타낸다. 도 7b는 a, b, c, d 지점의 길이를 가진 상기 다중 모드 간섭 결합기에 따른 다중화기의 출력지점의 전달 특성 Y(x)을 나타낸다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 구조는 Win=2.5um, Wst=5um, Wfin=2.5um이다. 상기 다중 모드 간섭 결합기의 a, b, c, d 지점은 각각 z=0 um, z=154 um, z=159 um, z=162 um이다. b, c, d의 지점은 두 번째 다중모드 패턴이 형성되는 영역(l2 ~ 59um) 내에서 선정하였다.
상기 전달 특성(Y(x)은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112009040478253-PAT00001
c 지점에서 전달특성(Y(x)은 약 -3dB의 피크치(peak value)와 0.2dB의 리플(ripple)을 보였다. b와 d 지점에서 전달특성 Y(x)은 약 -2dB 피크치의 플랫탑(flat-top) 특성을 보였다. c 지점을 기준으로, z 방향으로 ±4um 범위 내에서 전달특성(Y(x)은 -3dB에서 -2dB의의 변동(1dB)을 보였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전달 특성 Y(x)은 동일 조건의 테이퍼가 없는 구조에 비해 높은 투과율 (-3.2dB → -2dB), 낮은 리플(3dB → 0.2dB), 적은 변동치(2.8dB → 1dB)가 얻어짐이 확인되었다. 한편, 첫 번째(l1) 혹은 세 번째(l3) 다중모드 패턴이 형성되는 영역에서도 각각 평탄투과 특성을 얻을 수 있다. 다중모드 패턴의 순서가 증가할수록, 상기 다중 모드 간섭 결합기의 폭이 좁아지므로 평탄투과 폭은 감소한다. 따라서, 플래탑 피크(flat-top peak)는 높아지고, 길이 변화에 따른 투과특성 변동은 심해진다.
상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭이 5um 보다 적은 구조에서는 실제 양호한 다중 모드 간섭이 나타나기 어렵고, 모드 변환 주기가 짧기 때문에 구현이 어렵다. 또한, 상기 다중 모드 간섭 결합기의 폭을 증가시킨 구조에서는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)에서 형성된 모드 간격이 넓어져서 리플(ripple)이 증가할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 구조는 상술한 구조에 국한되지 않는다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 Wst 및 Wfin을 조절함으로써 간섭패턴의 폭의 변화를 조절할 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 구조는 평탄밴드 특성을 얻도록 간섭패턴이 발생되는 영역을 다양하게 선정할 수도 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 구조는 폭 방향으로 대칭적 테이퍼 구조, 및 비대칭적 테이퍼 구조를 포함할 수 있다. 또한, 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 기울기는 선형 또는 비선형일 수 있다.
도 8a 내지 도 8c을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 다중 모드 간섭 결합기, 상기 제 1 테이퍼부 및 상기 제 1 도파로의 도파 특성을 설명한다. 도 8a는 상기 다중 모드 간섭 결합기, 상기 제 1 테이퍼부, 및 상기 제 1 도파로의 사시도이다. 도 8b는 도 8a의 상기 다중 모드 간섭 결합기, 상기 제 1 테이퍼부, 및 상기 제 1 도파로의 평면도이다. 도 8c는 도 8a의 상기 다중 모드 간섭 결합기, 상기 제 1 테이파투, 및 상기 제 1 도파로의 간섭 패턴의 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
상기 다중 모드 간섭 결합기(120) 및 상기 제 1 도파로(112)는 Deep RWG 구조일 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120) 및 상기 제 1 도파로(112)는 기판(20) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(22) , 코어(24), 및 상부 클래드층(26)을 포함할 수 있다. 상기 하부 클래드층(22), 상기 코어(24), 및 상부 클래드층(26)의 측면은 서로 정렬될 수 있다.
상기 제 1 도파로(112)는 제 1 테이퍼부(112a)를 포함할 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 길이는 L1이고, 상기 제 1 테이퍼부(112a)의 길이는 L2이다.
상기 기판(20)은 InP substrate일 수 있다. 상기 코어(24)는 1.05um 밴드갭 파장을 가진 InGaAsP일 수 있다. 상기 코어(24)의 두께는 0.5um일 수 있다. 상기 상부 클래드층(26)의 두께는 1um일 수 있다. 상기 제 1 도파로(112)의 폭은 2.5um 일 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부의 입력 폭(Win)은 2.5um 일 수 있다. 상기 제 1 테이퍼부의 출력 폭(Wtp)는 3.5um일 수 있다.
상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭(Wst)은 출력 폭(Wfin)보다 크다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭이 테이퍼지도록 하면, 빔 진행시 상기 다중 모드 간섭 결합기 내 간섭패턴의 폭과 주기가 각각 점차 좁아진다. 상기 다중 모드 간섭 결합기의 길이에 따라 다양한 간섭 패턴의 폭을 제공할 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기의 길이는 적절히 선정될 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭(Wst)은 5um일 수 있다.
컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 구조는 Win=2.5um, Wtp=3.5um, Wst=7um, Wfin=4.5um이다. 상기 다중 모드 간섭 결합기의 a, b, c, d 지점은 각각 z=0um, z=207m, z=217um, z=225um이다.
상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭이 3um 보다 적은 구조에서는 실제 양호한 다중 모드 간섭이 나타나지 않았다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭(Wst)이 10um 보다 큰 구조는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 모드 변환 주기가 짧기 때문에 구현하기 어려울 수 있다. 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 입력 폭(Wst)을 증가시킨 구조는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)에서 형성된 모드 간격이 넓어져서 리플(ripple)을 증가시킨다.
테이퍼된 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)에서 형성되는 모드 폭을 길이 방향(z축 방향)으로 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 평탄투과 특성을 얻을 수 있는 상기 다중 모드 간섭 결합기(120)의 폭에 해당되는 길이는 적절히 선정될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 소자는 다중화기의 구조변화 없이 평탄투과 밴드폭을 변화시킬 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 도 8b의 a, b, c, d 지점의 특성을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다. 도 9a는 a, b, c, d 지점에 대한 횡 방향 광 크기의 절대값 (φa,b,c,d(x)을 나타낸다. 도 9c는 a, b, c, d 지점의 길이를 가진 모드 간섭 결합기에 따른 다중화기의 출력지점의 전달 특성(Y(x)을 나타낸다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, b 지점에서 전달특성 Y(x)은 약 -2dB의 피크치(peak value)를 보였다. d 지점에서 전달특성 Y(x)은 약 -2.3 dB 피크치의 플랫탑(flat-top) 특성을 보였다. c 지점에서 전달특성 Y(x)은 약 -3dB의 피크치(peak value)를 보였다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 일실시 예들에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자를 설명하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5f는 모드 간섭 결합기의 구조를 나타내는 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 간섭 결합기 및 제 1 도파로를 설명하는 도면들이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6c의 a, b, c, d 지점의 특성을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모드 간섭 결합기 및 도파로를 설명하는 도면들이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8c의 a, b, c, d 지점의 특성을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.

Claims (10)

  1. 제 1 포트에서 들어오는 여러 채널의 광 신호들을 파장 별로 분리시켜 제 2 포트들에 제공하거나, 상기 제 2 포트들에서 들어오는 서로 다른 파장의 입력 광 신호들을 상기 제 1 포트에 제공하는 다중화/역다중화기;
    상기 제 1 포트에 연결된 다중 모드 간섭 결합기;
    상기 다중 모드 간섭 결합기에 연결된 제 1 도파로; 및
    상기 제 2 포트들에 연결된 제 2 도파로들을 포함하고,
    상기 다중 모드 간섭 결합기의 폭은 상기 다중화기/역다중화기 방향으로 감소되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도파로는 상기 다중 모드 간섭 결합기 방향으로 폭이 증가하는 제 1 테이퍼부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 도파로는 상기 다중화기/역다중화기 방향으로 폭이 증가하는 제 2 테이퍼부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다중 모드 간섭 결합기 및 상기 제 1 도파로는 동일한 수직 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다중화기/역다중화기는 배열 도파로 회절격자 또는 도파로형 오목 회절격자인 것을 특징으로 하는 광 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다중 모드 간섭 결합기는 두 번째 다중 모드 패턴이 형성되는 영역에서 상기 제 1 포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 다중 모드 간섭 결합기의 입력 폭은 3um 내지 10 um인 것을 특징으로 하는 광 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 다중 모드 간섭 결합기는 폭 방향으로 대칭적인 것을 특징으로 하는 광 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 다중 모드 간섭 결합기의 길이 방향의 폭의 변화는 연속적인 것을 특징으로 하는 광 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 다중 모드 간섭 결합기의 길이 방향의 폭의 변화는 선형적인 것을 특징으로 하는 광 소자.
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