KR20110068039A - 광 소자 - Google Patents

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Abstract

광 소자가 제공된다. 이 광 소자는 클래드에 의해 둘러싸인 코어를 포함하는 광도파로, 광도파로로 광을 제공하기 위한 광원, 및 광도파로와 광원 사이에 배치되되, 광원으로부터 발생되는 광을 광도파로의 코어 및 코어에 인접하는 부위의 클래드에 집속시키는 광학계를 포함한다.
광 소자, 광 스위치, 광 감쇠기, 파장가변 레이저, 굴절률

Description

광 소자{Optical Device}
본 발명은 광 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로 광으로 광도파로의 굴절률을 제어하는 광 소자에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-011-03, 과제명: ROADM용 광스위치 기술개발].
도파로형 광스위치 및 가변 광감쇠기는 일반적으로 열광학 효과(thermo-optic effect)를 이용하여 광도파로의 굴절률을 변화시켜 스위칭 동작 및 감쇠 동작을 구현한다. 이때, 광도파로 상부 클래드(upper cladding) 표면에 히터(heater) 전극이 구비된다. 만일, 입/출력 단자를 N×N의 대규모로 확장할 경우, 상당히 많은 개수의 히터 전극들이 광도파로 표면에 가로질러 형성되어야 하기 때문에, 편광 의존 손실(Polarization Dependent Loss : PDL) 및 도파 손실(propagation loss) 등의 손실이 증가할 뿐만 아니라, 히터 전극에 대한 와이어 본딩(wire boding)의 어려움도 발생된다. 또한, 이러한 손실을 줄이기 위해 상부 클래드의 두께를 두껍게 할 경우, 소비전력이 증가하는 문제가 발생한다.
파장가변 레이저의 외부 공진 레이저(External Cavity Laser : ECL) 소자는 광도파로의 상부 클래드 표면에 그레이팅(grating) 금속 패턴 전극을 형성하고, 금속 패턴 전극에 인가되는 전기적인 전압 및 전류를 조정함으로써, 파장이 가변되는 원리를 이용한다. 이때, 조정되는 전압 및 전류는 전체 그레이팅에 동일하게 주어지기 때문에, 그레이팅 주기 및 간격의 변화없이 전체적인 굴절률만 변화하게 된다. 따라서, 이러한 방법은 넓은 대역의 파장을 가변시키는 데에는 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 편광 의존 및 도파 손실 등과 같은 손실, 및 소비전력이 적으면서, 넓은 대역의 파장이 가변될 수 있는 광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 광 소자를 제공한다. 이 광 소자는 클래드에 의해 둘러싸인 코어를 포함하는 광도파로, 광도파로로 광을 제공하기 위한 광원, 및 광도파로와 광원 사이에 배치되되, 광원으로부터 발생되는 광을 광도파로의 코어 및 코어에 인접하는 부위의 클래드에 집속시키는 광학계를 포함할 수 있다.
광원은 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 공진 공동 발광 다이오드 및 수직 공동 표면 발광 레이저 중에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 광은 코어 및 클래드의 굴절률을 변화시키는 파장을 가질 수 있다.
광원은 액정 소자를 포함할 수 있다. 액정 소자는 백라이트 유닛, 박막 트랜지스터 어레이, 액정 및 색 필터를 포함할 수 있다.
백라이트 유닛은 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 공진 공동 발광 다이오드 및 수직 공동 표면 발광 레이저 중에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
색 필터는 코어 및 클래드의 굴절률을 변화시키는 파장을 결정할 수 있다.
광원은 N×N 어레이(N은 자연수)로 구성될 수 있다.
광학계는 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 반구형 렌즈 및 실린더형 렌즈 중에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
광도파로는 광감성 물질을 포함할 수 있다.
광도파로는 직선형 광도파로일 수 있다.
광도파로는 곡선형 광도파로일 수 있다.
광도파로는 Y-분기 광도파로일 수 있다.
광도파로는 마하젠더 광도파로일 수 있다.
광도파로는 그레이팅 광도파로일 수 있다.
광도파로는 기판 상에 제공될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 광을 이용하여 광도파로의 코어 및 클래드의 굴절률을 변화시킴으로써, 편광 의존 및 도파 손실 등과 같은 손실이 감소될 수 있다. 이에 따라, 성능이 향상된 광 소자가 제공될 수 있다. 또한, 코어를 둘러싸는 클래드의 두께에 상관없이 코어 및 클래드의 굴절률을 변화시킴으로써, 소비 전력이 적은 광 소자가 제공될 수 있다.
본 발명의 과제 해결 수단에 따른 광 소자는 광도파로의 코어 및 클래드의 굴절률을 변화시키기 위한 광원의 형태 및 광의 세기를 원하는 데로 바꿀 수 있기 때문에, 대규모의 N×N 도파로형 광 소자에 적용될 수 있다. 이에 따라, 성능이 향상된 대규모의 N×N 도파로형 광 소자가 제공될 수 있다. 또한, 넓은 대역의 파장을 변화시킴으로써, 넓은 대역의 파장이 가변될 수 있는 광 소자가 제공될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 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 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 소자를 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도이다.
도 1을 참조하면, 광 소자는 광도파로(140), 발광 소자(210) 및 광학계(310)을 포함한다.
광도파로(140)는 기판(110) 상에 제공될 수 있다. 광도파로(140)는 기판(110) 상에 클래드(120) 및 이에 둘러싸인 코어(core, 130)를 포함할 수 있다. 광도파로(140)는 특정 파장 대역의 광(220)과 열광학 효과 또는 광광학 효과(photo-optic effect)를 일으킬 수 있는 광감성 물질(photosensitive material)을 포함할 수 있다.
발광 소자(210)는 광도파로(140)로 광(220)을 제공할 수 있다. 발광 소자(210)로부터 방출된 광(220)은 광도파로(140)의 코어(130) 및 클래드(120)의 굴절률을 변화시키는 특정 대역의 파장을 가질 수 있다. 발광 소자(210)는 레이저 다이오드(Laser Diode : LD), 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED), 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode : OLED), 공진 공동 발광 다이오드(Resonant Cavity Light Emitting Diode : RCLED) 또는 수직 공동 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser : VCSEL) 등과 같은 광을 방출할 수 있는 모든 소자가 가능할 수 있다. 발광 소자(210)는 N×N 어레이(N은 자연수)로 구성될 수 있다.
광학계(310)는 광도파로(140)와 발광 소자(210) 사이에 배치될 수 있다. 광학계(310)는 발광 소자(210)로부터 방출되는 광(220)을 광도파로(140)의 코어(130) 및 코어(130)에 인접하는 부위의 클래드(140)로 이루어지는 굴절률 변화 영역(150)에 집속광(320) 형태로 제공할 수 있다. 광학계(310)는 발광 소자(210)로부터 방출되는 광(220)을 광도파로(140)의 굴절률 변화 영역(150)에 집속하기 위한 렌즈(312)를 포함할 수 있다. 렌즈(312)는 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 반구형 렌즈(hemi-spherical lens) 및 실린더형 렌즈(cylinderical lens) 중에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 소자는 발광 소자(210)로부터 방출된 특정 파장 대역의 광(220)이 광학계(310)를 통해 집속광(320)으로 전환되고, 집속광(320)이 광도파로(140)의 코어(130) 및 코어(130)에 인접하는 부위의 클래드(120)로 이루어진 굴절률 변화 영역(150)과 열광학 효과 또는 광광학 효과를 일으킴으로써, 광도파로(140)의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 광 소자는 광도파로(140)의 굴절률이 광(220)에 의해 조절되어, 스위칭, 감쇠, 파장가변 등의 기능을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 소자를 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도이다.
도 2를 참조하면, 광 소자는 광도파로(140), 액정 소자(410) 및 광학계(310)을 포함한다.
광도파로(140)는 기판(110) 상에 제공될 수 있다. 광도파로(140)는 기판(110) 상에 클래드(120) 및 이에 둘러싸인 코어(130)를 포함할 수 있다. 광도파로(140)는 특정 파장 대역의 광과 열광학 효과 또는 광광학 효과를 일으킬 수 있는 광감성 물질(photosensitive material)을 포함할 수 있다.
액정 소자(410)는 광도파로(140)로 광을 제공할 수 있다. 액정 소자(410)는 일반적인 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display : LCD) 패널(panel)과 유사하게, 편광 시트(polarization sheet, 미도시), 백라이트 유닛(backlight unit, 412), 박막 트랜지스터 어레이(Thin Film Transistor array : TFT array, 414), 액정(416) 등을 포함할 수 있다. 액정 소자(410)가 일반적인 액정 디스플레이와 다른 점은 액정 소자(410)로부터 방출되는 광이 광도파로(140)의 코어(130) 및 클래드(120)의 굴절률을 변화시키는 특정 대역의 파장을 갖도록 결정하기 위한 색 필터(color filter, 418)를 가진다는 것일 수 있다. 액정 소자(410)의 백라이트 유닛(412)으로는 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 공진 공동 발광 다이오드 또는 수직 공동 표면 발광 레이저 등과 같은 광을 방출할 수 있는 모든 소자가 가능할 수 있다. 액정 소자(410)는 N×N 어레이(N은 자연수)로 구성될 수 있다.
광학계(310)는 광도파로(140)와 액정 소자(410) 사이에 배치될 수 있다. 광학계(310)는 액정 소자(210)로부터 방출되는 특정 대역의 파장을 갖는 광을 광도파로(140)의 코어(130) 및 코어(130)에 인접하는 부위의 클래드(140)로 이루어지는 굴절률 변화 영역(150)에 집속광(320) 형태로 제공할 수 있다. 광학계(310)는 액정 소자(410)로부터 방출되는 광을 광도파로(140)의 굴절률 변화 영역(150)에 집속하기 위한 렌즈(312)를 포함할 수 있다. 렌즈(312)는 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 반구형 렌즈 및 실린더형 렌즈 중에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광 소자는 액정 소자(410)로부터 방출된 특정 파장 대역의 광이 광학계(310)를 통해 집속광(320)으로 전환되고, 집속광(320)이 광도파로(140)의 코어(130) 및 코어(130)에 인접하는 부위의 클래드(120)로 이루어진 굴절률 변화 영역(150)과 열광학 효과 또는 광광학 효과를 일으킴으로써, 광도파로(140)의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 광 소자는 광도파로(140) 의 굴절률이 광에 의해 조절되어, 스위칭, 감쇠, 파장가변 등의 기능을 수행할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자들을 설명하기 위한 개략적인 구성 평면도들이다.
도 3을 참조하면, 광 소자는 곡선형 광도파로(140a)를 포함할 수 있다. 광원(도 1의 210 또는 도 2의 410 참조)으로부터 방출된 특정 대역의 파장을 갖는 광이 곡선형 광도파로(140a)의 굴절률 변화 영역 패턴(150a)에 집속되면, 곡선형 광도파로(140a)의 굴절률이 변하여, 곡선형 광도파로(140a)에서 광신호가 도파하거나, 또는 도파하고 있던 광신호가 차단될 수 있다. 도시된 것과 달리, 곡선형 광도파로(140a)가 아닌 직선형 광도파로에서도 동일한 현상이 발생한다.
도 4를 참조하면, 광 소자는 Y-분기 광도파로(140b)를 포함할 수 있다. 광원으로부터 방출된 특정 대역의 파장을 갖는 광이 Y-분기 광도파로(140b)의 어느 한 쪽 광도파로의 굴절률 변화 영역 패턴(150b)에 집속되면, 이 쪽 광도파로의 굴절률이 변하여, 입력 광도파로를 따라 도파하고 있던 광신호가 Y-분기 광도파로(140b)의 어느 한 쪽 광도파로만을 따라 진행된다.
이러한 스위칭 기능을 가진 Y-분기 광도파로(140b)가 대규모의 N×N 도파로형 광 소자를 구성할 경우, 광도파로의 상부 클래드 표면에 금속 패턴 형태의 히터 전극을 갖는 종래의 광 소자에 비해, 손실 및 소비전력이 상당히 감소될 수 있다.
도 5를 참조하면, 광 소자는 마하젠더(Mach-Zehnder) 광도파로(140c)를 포함할 수 있다. 광원으로부터 방출된 특정 대역의 파장을 갖는 광이 마하젠더 광도 파로(140c)의 어느 한 쪽 광도파로의 굴절률 변화 영역 패턴(150c)에 집속되면, 이 쪽 광도파로의 굴절률이 변하여, 입력 광도파로를 따라 도파하고 있던 광신호가 광이 집속된 쪽의 평행 광도파로의 위상이 바뀌어 출력 광도파로에 영향을 준다. 이에 따라, 스위칭 또는 감쇠 현상이 발생된다.
이러한 스위칭 또는 감쇄 기능을 가진 마하젠더 광도파로(140c)가 대규모의 N×N 도파로형 광 소자를 구성할 경우, 광도파로의 상부 클래드 표면에 금속 패턴 형태의 히터 전극을 갖는 종래의 광 소자에 비해, 손실 및 소비전력이 상당히 감소될 수 있다.
도 6을 참조하면, 광 소자는 그레이팅 광도파로(140d)를 포함할 수 있다. 광 소자는 외부 공진 레이저 소자를 더 포함하는 파장가변 레이저일 수 있다. 광원으로부터 방출된 특정 대역의 파장을 갖는 광이 그레이팅 광도파로(140d)의 굴절률 변화 영역 패턴(150d)에 집속되면, 광도파로의 굴절률이 변하여, 입력 광도파로를 따라 도파하고 있던 외부 공진 레이저 소자에서 방출된 광신호가 광이 집속된 영역에서 외부 공진 기능을 수행하여 특정 파장만 선택되어 출력 광도파로로 출력된다.
이러한 파장가변 기능을 가진 그레이팅 광도파로(140d)를 포함하는 광 소자를 구성할 경우, 광도파로의 상부 클래드 표면에 금속 패턴 형태의 히터 전극을 갖는 종래의 광 소자에 비해, 손실 및 소비전력이 상당히 감소될 수 있다. 또한, 광원을 N×N 어레이로 구성할 경우, 그레이팅 주기 및 간격을 임의적으로 변화시키는 것이 가능함은 물론, 어레이를 구성하는 각 셀마다 광의 세기를 달리함으로써, 넓은 대역의 파장이 가변될 수 있다. 이에 따라, 파장가변 레이저의 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광 소자는 광도파로의 굴절률을 변화시키기 위해, 광도파로의 상부 클래드 표면에 금속 패턴 형태의 히터 전극을 갖는 종래의 광 소자와는 달리, 광을 이용함으로써, 편광 의존 및 도파 손실 등과 같은 각종 손실이 보다 감소될 수 있다. 또한, 히터 전극을 갖는 종래의 광 소자를 제작하는 데 있어 필요한 와이어 본딩 공정이 생략될 수 있기 때문에, 광 소자의 제작이 보다 용이해질 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자는 히터 전극을 갖는 종래의 광 소자가 상기한 손실을 줄이기 위해, 상부 클래드의 두께를 두껍게 하는 것과는 달리, 상부 클래드의 두께에 상관없이 광도파로의 굴절률을 변화시킬 수 있기 때문에, 소비 전력이 보다 감소될 수 있다.
게다가, 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자를 파장가변 레이저의 외부 공진 레이저 소자에 적용하면, 그레이팅 전극의 금속 패턴을 갖는 종래의 파장가변 레이저가 그레이팅 주기 및 간격을 임의적으로 변화시킬 수 없는 것과는 달리, 광원의 형태 및 광의 세기를 임의적으로 조절할 수 있기 때문에, 파장가변 레이저가 넓은 대역의 파장이 가변될 수 있어, 성능이 향상될 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 과제 해결 수단에 따른 광 소자는 광도파로의 굴절률을 변화시키기 위한 광원의 형태 및 광의 세기를 원하는 데로 바꿀 수 있어, N×N 어레이로 자유롭게 구성할 수 있기 때문에, 대규모의 N×N 도파로형 광 소자에 적용될 수 있다. 이에 따라, 성능이 향상된 대규모의 N×N 도파로형 광 소자가 제 공될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 소자를 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도;
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 소자를 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도;
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자들을 설명하기 위한 개략적인 구성 평면도들.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 기판 120 : 코어
130 : 클래드
140, 140a, 140b, 140c, 140d : 광도파로
150 : 굴절률 변화 영역
150a, 150b, 150c, 150d : 굴절률 변화 영역 패턴
210 : 발광 소자 220 : 광
310 : 광학계 312 : 렌즈
320 : 집속광 410 : 액정 소자
412 : 백라이트 유닛 414 : TFT 어레이
416 : 액정 418 : 색 필터

Claims (10)

  1. 클래드에 의해 둘러싸인 코어를 포함하는 광도파로;
    상기 광도파로로 광을 제공하는 광원; 및
    상기 광도파로와 상기 광원 사이에 배치되되, 상기 광원으로부터 발생되는 상기 광을 상기 광도파로의 상기 코어 및 상기 코어에 인접하는 부위의 상기 클래드에 집속시키는 광학계를 포함하는 광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 공진 공동 발광 다이오드 및 수직 공동 표면 발광 레이저 중에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광은 상기 코어 및 상기 클래드의 굴절률을 변화시키는 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광원은 액정 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 액정 소자는:
    백라이트 유닛;
    박막 트랜지스터 어레이;
    액정; 및
    색 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 백라이트 유닛은 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 공진 공동 발광 다이오드 및 수직 공동 표면 발광 레이저 중에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 색 필터는 상기 코어 및 상기 클래드의 굴절률을 변화시키는 파장을 결정하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광원은 N×N 어레이(N은 자연수)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광학계는 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 반구형 렌즈 및 실린더형 렌즈 중에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광도파로는 광감성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
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