KR20110092044A - 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기 - Google Patents

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Abstract

벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기가 제공된다. 본 발명에 따른 변조기는 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판의 상기 트랜치에 형성되는 하부 클래드 층; 상기 하부 클래드 층의 위에 형성되는 복수개의 도파로들; 상기 하부 클래드 층의 위에 형성되며, 도파로의 굴절률을 변조하여 도파로를 통과하는 광 신호의 위상을 변조하는 위상변조부; 및 상기 복수개의 도파로들 및 상기 위상변조부 위에 형성되는 상부 클래드 층을 포함한다. 본 발명에 의하면, 벌크 실리콘 기판을 사용하므로 변조기의 제작 단가를 낮출 수 있다는 효과가 있다.

Description

벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기{MODULATOR FORMED ON BULK-SILICON SUBSTRATE}
본 발명은 변조기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기에 관한 것이다.
지금까지 광소자는 대부분 별도로 제작되어 PCB 기판상에서 조립되었다. 이러한 방식은 마치 집적회로 발명 이전의 전기소자와 마찬가지로 대량생산에 의한 가격절감의 혜택을 누리는데 불리하였다. 따라서 최근에는 전기 집적회로와 비슷한 광 집적회로를 구현하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 광 집적회로는 전기 집적회로와 마찬가지로 다양한 기능의 광과 전기 소자를 단일 기판에 집적하여 소형화한 소자이다.
광 집적회로를 이루는 광 소자들은 크게 능동 소자와 수동 소자로 구분할 수 있다. 능동 소자는 전력이 공급되는 소자로서 광원, 변조기, 수신기 등이 있으며, 수동 소자는 전력이 공급되지 않는 소자로서 도파로, 커플러, 필터, 다중화기 등이 있다. 이들 중 변조기는 간섭계형과 공진형으로 구분된다. 간섭계형 변조기는 고속 동작이 가능하고, 동작 스펙트럼 대역이 넓으며, 온도 변화에 둔감한 장점을 가지나 수 밀리미터의 길이로 인하여 소형화가 어려운 단점이 있다. 공진형 변조기는 수 십 마이크로미터의 짧은 길이가 가능하다는 것이 장점이나 동작 스펙트럼 대역이 협소하고, 온도 변화에 민감한 단점을 가지고 있다.
또한, 변조기는 주로 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 사용된다. 광소자의 기본 구조인 도파로를 제작하기 위해서는 굴절률이 큰 실리콘 코어(core)를 굴절률이 작은 SiO2 클래딩(cladding)으로 둘러싸 주어야 하는데, 실리콘 코어 하부의 하부 클래딩 층(bottom cladding layer)을 형성하는 것이 관건이다. SOI 기판을 이용하면 기판 내부의 BOX(Buried Oxide)가 하부 클래딩의 역할을 해 주므로 공정이 간단해 진다. 그러나 SOI 기판은 벌크 실리콘(Bulk-Si) 기판에 비해 약 10배 가격이 높아 원가 절감에 크게 불리하다는 문제가 있다. 따라서 저가의 Bulk-Si 기판 기반의 변조기 개발이 시급히 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고속 동작이 가능하고, 동작 스펙트럼 대역이 넓으며, 온도 변화에 둔감한 동시에 길이가 짧은 변조기, 변조기를 이용한 변조방법 및 이를 이용하는 광통신 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 저가의 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기의 구조를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판의 상기 트랜치에 형성되는 하부 클래드 층; 상기 하부 클래드 층의 위에 형성되는 복수개의 도파로들; 상기 하부 클래드 층의 위에 형성되며, 도파로의 굴절률을 변조하여 도파로를 통과하는 광 신호의 위상을 변조하는 위상변조부; 및 상기 복수개의 도파로들 및 상기 위상변조부 위에 형성되는 상부 클래드 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 하부 클래드 층의 두께는 상기 벌크 실리콘 기판의 상기 트랜치의 깊이와 동일하거나, 상기 트랜치의 깊이보다 더 작은 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 하부 클래드 층 및 상기 상부 클래드 층의 두께는 각각 0.5㎛ 내지 3.0㎛ 인 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 위상변조부 하부에 형성된 상기 하부 클래드 층의 폭은 1.5㎛ 내지 10.0㎛인 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 복수개의 도파로들의 하부에 형성된 상기 하부 클래드 층의 폭은 1.0㎛ 내지 10.0㎛인 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 위상변조부의 중심과 상기 위상변조부 하부에 형성된 상기 하부 클래드 층의 중심 사이의 수평 위치 차이는 0.1㎛ 내지 5.0㎛인 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 위상변조부는, 상기 하부 클래드 층의 위에 실리콘 층으로 형성되는 슬래브; 상기 슬래브의 일부에 소정의 높이로 형성되는 코어; P 형태 캐리어를 주입하기 위한 제1전극; N 형태 캐리어를 주입하기 위한 제2전극; 상기 제1전극에 접속되고, 상기 슬래브에 형성되어 P 형태 캐리어를 도핑하는 P 형태 캐리어 도핑부; 및 상기 제2전극에 접속되고, 상기 슬래브에 형성되어 N 형태 캐리어를 도핑하는 N 형태 캐리어 도핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
또한 바람직하기로는, 상기 P 형태 캐리어 도핑부 및 상기 N 형태 캐리어 도핑부는 상기 코어에 대칭적으로 형성되며, 상기 슬래브의 일부에만 형성되는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
또한 바람직하기로는, 상기 P 형태 캐리어 도핑부 및 상기 N 형태 캐리어 도핑부는 상기 코어에 대칭적으로 형성되며, 상기 슬래브의 일부와 상기 코어의 일부에 형성되는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
또한 바람직하기로는, 상기 P 형태 캐리어 도핑부 및 상기 N 형태 캐리어 도핑부는 상기 코어에 대칭적으로 형성되며, 상기 슬래브 및 상기 코어의 전부에 형성되는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
또한 바람직하기로는, 상기 P 형태 캐리어 및 상기 N 형태 캐리어의 도핑 농도 각각 10E-17 내지 10E-22인 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
또한 바람직하기로는, 상기 슬래브의 두께는 10㎚ 내지 100㎚인 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
또한 바람직하기로는, 상기 코어의 표면에서 상기 슬래브의 끝단까지의 수평 길이는 1㎛ 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
또한 바람직하기로는, 상기 코어의 표면에서 상기 제1전극 또는 제2전극까지의 수평 길이는 0.5㎛ 내지 3.0㎛인 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판의 상기 트랜치에 형성되는 하부 클래드 층; 상기 하부 클래드 층의 위에 형성되는 복수개의 도파로들; 상기 하부 클래드 층의 위에 형성되며, 도파로의 굴절률을 변조하여 도파로를 통과하는 광 신호의 위상을 변조하는 위상변조부; 및 상기 복수개의 도파로들 및 상기 위상변조부 위에 형성되는 상부 클래드 층을 포함하며, 상기 복수개의 도파로들은, 광 신호를 입력시키는 입력 도파로; 광 신호를 출력시키는 출력 도파로; 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로에 각각 연결된 제1 연결부; 상기 제1 연결부와 제2 연결부를 연결하는 연결 도파로; 상기 입력 도파로를 통하여 입력된 광 신호를 복수개의 분기 도파로들로 분기시키고, 복수개의 반사부들에서 각각 반사된 광 신호들을 합성하는 제2 연결부; 및 상기 제2 연결부에 의해 분기된 광 신호들을 입력시키는 복수개의 분기 도파로들을 포함하고, 상기 위상 변조부는, 상기 분기 도파로들 중 적어도 하나 이상의 분기 도파로의 굴절률을 변조하여 상기 적어도 하나 이상의 분기 도파로를 통과하는 광 신호의 위상을 변조하며, 상기 복수개의 분기 도파로들 각각의 일단에 위치하며, 상기 복수개의 분기 도파로들로 분기된 상기 광 신호들을 반사하는 복수개의 반사부들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 하부 클래드 층의 두께는 상기 벌크 실리콘 기판의 상기 트랜치의 깊이와 동일하거나, 상기 트랜치의 깊이 보다 더 작은 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 위상변조부는, 상기 하부 클래드 층의 위에 실리콘 층으로 형성되는 슬래브; 상기 슬래브의 일부에 소정의 높이로 형성되는 코어; P 형태 캐리어를 주입하기 위한 제1전극; N 형태 캐리어를 주입하기 위한 제2전극; 상기 제1전극에 접속되고, 상기 슬래브에 형성되어 P 형태 캐리어를 도핑하는 P 형태 캐리어 도핑부; 및 상기 제2전극에 접속되고, 상기 슬래브에 형성되어 N 형태 캐리어를 도핑하는 N 형태 캐리어 도핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 제2 연결부에서는 상기 복수개의 반사부들에서 각각 반사된 광 신호들이 합성되어 보강 간섭이 일어나거나, 상쇄 간섭이 일어나는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 제1 연결부는 상기 제2 연결부에서 합성된 광 신호를 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로로 분기하는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 입력 도파로는 아이솔레이터를 포함하며, 상기 아이솔레이터는 외부에서 상기 입력 도파로로 입력되는 광 신호는 통과하고, 상기 제2 연결부에서 합성되어 상기 제1 연결부에 의해 상기 입력 도파로로 분기되는 광 신호는 차단하는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
바람직하기로는, 상기 제1 연결부는 서큐레이터이며, 상기 서큐레이터는 상기 제2 연결부에서 합성된 광 신호가 상기 출력 도파로로만 출력될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 변조기가 제공된다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 광 신호가 위상 변조부를 두 번 이상 지나가므로 두 배 이상의 변조효율을 가지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 변조기는 고속 동작이 가능하고, 동작 스펙트럼 대역이 넓으며, 온도 변화에 둔감한 동시에 길이가 짧아 소형화 제작이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하므로 변조기의 제작 단가를 낮출 수 있다는 효과가 있다.
도 1a는 간섭계형 변조기의 구성도이고, 도 1b는 도 1a의 구성도를 A-A` 방향으로 자른 단면도이다.
도 2는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기의 구성도이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 제1실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기를 나타내는 도면으로, 도 2의 구성도를 A-A` 방향으로 자른 단면도이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기를 나타내는 도면으로, 도 2의 구성도를 A-A` 방향으로 자른 단면도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 제3실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기를 나타내는 도면으로, 도 2의 구성도를 A-A` 방향으로 자른 단면도이다.
도 6는 공진형 변조기의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 변조기의 블럭도이다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 8b는 도 8a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 8c 및 도 8d의 변조기는 각각 도 8a 및 도 8b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 9b는 도 9a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 9c 및 도 9d의 변조기는 각각 도 9a 및 도 9b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 10b는 도 10a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 10c 및 도 10d의 변조기는 각각 도 10a 및 도 10b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 11a는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 11b는 도 11a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 11c 및 도 11d의 변조기는 각각 도 11a 및 도 11b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 12a는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 12b는 도 12a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 12c 및 도 12d의 변조기는 각각 도 12a 및 도 12b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 13a는 본 발명의 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부와 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 혼합형 변조기의 구성도이고, 도 13b는 도 13a의 혼합형 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 13c 및 도 13d의 변조기는 각각 도 13a 및 도 13b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 14a는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부와 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 혼합형 변조기의 구성도이고, 도 14b는 도 14a의 혼합형 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 14c 및 도 14d의 변조기는 각각 도 14a 및 도 14b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 15a는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부와 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 혼합형 변조기의 구성도이고, 도 15b는 도 15a의 혼합형 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 15c 및 도 15d의 변조기는 각각 도 15a 및 도 15b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 16a, 도 16b 및 도 16c는 본 발명의 변조기에 사용되는 연결부의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 변조방법을 나타내는 순서도이다.
도 18는 본 발명의 일실시예에 따른 변조기를 사용하는 광 통신 시스템의 구성도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는" 과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a는 간섭계형 변조기의 구성도이고, 도 1b는 도 1a의 구성도를 A-A` 방향으로 자른 단면도이다.
도 1a는 간섭계형 변조기(100)의 구조를 나타낸다. 광 신호가 입력 도파로(110)을 통하여 입력되고, 입력된 광 신호는 제1연결부(120)을 통하여 각각 제1도파로(130)와 제2도파로(140)로 각각 분기된다. 제1도파로(130)로 분기된 광 신호의 위상은 직선형 위상 변조부(170)에서 변조된다. 반면, 제2도파로(140)로 분기된 광 신호는 위상이 변하지 않는다. 상기 제1도파로(130)와 상기 제2도파로(140)를 통과한 광 신호들은 제2연결부(150)에서 합쳐지므로, 제2연결부(15)에서는 간섭계가 형성되고, 상기 간섭계는 마흐-젠더형 간섭계일 수 있다.
제2연결부(150)에서 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 일어난 광 신호는 출력 도파로(160)를 통하여 출력된다.
구체적으로, 제1도파로(130)로 분기되어 직선형 위상 변조부(170)를 지나는 광 신호의 위상이 제2도파로(140)로 분기된 광 신호의 위상과 180도 차이가 발생하면, 제2연결부(160)에서는 상쇄 간섭이 일어나 출력 도파로(160)를 통하여 출력되는 출력 광 신호의 세기가 0이 된다.
반면 제1도파로(130)로 분기되어 직선형 위상 변조부(170)를 지나는 광 신호의 위상이 제2도파로(140)로 분기된 광 신호의 위상과 차이가 발생하지 않으면, 제2연결부(160)에서는 보강 간섭이 일어나 출력 도파로(160)를 통하여 출력되는 출력 광 신호의 세기가 1이 된다.
도 1a의 도파로(110, 130, 140, 160), 연결부(120, 150) 및 직선형 위상 변조부(170)는 실리콘 온 인슐레이터(Silicon On Insulator; SOI) 기판에서 구현될 수 있다.
광 소자의 기본 구조인 도파로를 제작하기 위해서는 굴절률이 큰 실리콘 코어를 굴절률이 작은 인슐레이터(예컨데, SiO2)로 둘러싸 주어야 한다.
도 1b를 참조하면, 도파로(110, 130, 140, 160), 연결부(120, 150) 및 직선형 위상 변조부(170)는 모두 굴절률이 작은 하부 클래딩 층(180)의 위에 형성된다. 또한, 상기 하부 클래딩 층(180)은 실리콘 기판(181)의 위에 형성된다. 이와 같이, 하부 실리콘 기판(181)과 그 상부에 인슐레이터인 하부 클래딩 층(180)이 형성되는 기판을 실리콘 온 인슐레이터(Silicon On Insulator; SOI) 기판이라고 한다.
직선형 위상 변조부(170)을 구현하는 방법은 여러 가지이며, 대표적으로 도파로에 전하를 주입하는 방법이 있다. 도파로에 전하가 주입되면 도파로의 굴절률이 감소하여, 상기 도파로를 지나가는 광의 위상이 변하게 된다.
직선형 위상 변조부(170)를 통과하는 도파로는 코어(core)(171)와 슬래브(slab)(172)를 포함한다.
슬래브(172)는 상기 하부 클래드 층(180)의 위에 실리콘 층으로 형성되며, 코어(171)는 슬래브(172)의 일부에 소정의 높이로 형성된다. 슬래브(172)는 도파로의 도파 특성에 영향을 주지 않도록 충분히 얇아야 한다.
상기 직선형 위상 변조부(170)는 P 형태 캐리어(P type carrier)를 주입하기 위한 제1전극(175)과 N 형태 캐리어(N type carrier)를 주입하기 위한 제2전극(176)을 포함한다.
또한, 상기 직선형 위상 변조부(170)는 제1전극(175)에 접속되고, 슬래브(172)에 형성되어 P 형태 캐리어를 도핑하는 P 형태 캐리어 도핑부(173)와 제2전극(176)에 접속되고, 슬래브(172)에 형성되어 N 형태 캐리어를 도핑하는 N 형태 캐리어 도핑부(174)를 포함한다.
도파로(110, 130, 140, 160), 연결부(120, 150) 및 직선형 위상 변조부(170) 위에는 상부 클래드 층(182)이 형성된다.
이러한 간섭계형 변조기(100)에서는 직선형 위상 변조부(170)를 광이 한 번 지나가게 되므로 충분한 위상 변조를 얻기 위해 밀리미터 길이의 위상 변조부가 필요하게 된다. 이러한 간섭계형 변조기(100)는 고속 동작이 가능하고 광대역의 동작 스펙트럼을 가지며, 온도 변화에 둔감한 장점을 가지고 있으나, 낮은 변조 효율로 인하여 밀리미터 길이의 위상 변조부가 필요하여 소형화에 어려움이 있다.
도 2는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기의 구성도이다.
도 2는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 간섭계형 변조기(200)의 구조를 나타낸다. 광 신호가 입력 도파로(210)을 통하여 입력되고, 입력된 광 신호는 제1연결부(220)을 통하여 각각 제1도파로(230)와 제2도파로(240)로 각각 분기된다. 제1도파로(230)로 분기된 광 신호의 위상은 직선형 위상 변조부(270)에서 변조된다. 반면, 제2도파로(240)로 분기된 광 신호는 위상이 변하지 않는다. 상기 제1도파로(230)와 상기 제2도파로(240)를 통과한 광 신호들은 제2연결부(250)에서 합쳐지므로, 제2연결부(250)에서는 간섭계가 형성되고, 상기 간섭계는 마흐-젠더형 간섭계일 수 있다.
도 2의 도파로(210, 230, 240, 260), 연결부(220, 250) 및 직선형 위상 변조부(270)는 벌크 실리콘(bulk-silicon) 기판(281)에서 구현될 수 있다.
벌크 실리콘 기판(281)은 BOX(Buried Oxide)가 없으므로 하부 클래드 층(bottom cladding layer)(280)을 먼저 형성해야 한다. 이를 위하여 벌크 실리콘 기판(281)에 트랜치(trench)를 만들고, 이를 인슐레이터(예컨데, SiO2)로 채워 하부 클래드 층(280)을 형성한다. 이 때 트랜치의 모양은 전체적으로 도로파들(210, 230, 240, 260)이 형성되는 모양과 같고, 트랜치의 폭은 충분히 넓도록 제작하여 코어(271)가 SiO2로 둘러 싸이도록 만든다.
벌크 실리콘 기판(281)에 형성된 트랜치에 하부 클래드 층(280)을 형성한 후, 상기 하부 클래드 층(280) 상부에 실리콘 층을 형성하고 이를 가공하여 도파로(210, 230, 240, 260), 연결부(220, 250) 및 직선형 위상 변조부(270)를 형성한다.
이후 인슐레이터(예컨데, SiO2)로 상부 클래드 층(top cladding layer)(282)을 형성한다. 도 2에 도시된 변조기(200)는 도 1의 변조기(100)와 달리, SOI 기판의 BOX 부분이 벌크 실리콘 기판(281)의 트랜치로 대체된 것임 알 수 있다.
즉, 도 1의 경우에는 하부 클래드 층(180)이 불필요한 부분에도 실리콘 기판(181) 상부에 형성되었으나, 도 2의 경우에는 도파로(210, 230, 240, 260), 연결부(220, 250) 및 직선형 위상 변조부(270)와 같이 필요한 부분에만 하부 클래드 층(280)이 형성된다.
본 발명의 일실시예에 따라, 상기 직선형 위상변조부(270) 하부에 형성된 상기 하부 클래드 층(280)의 폭(W1)은 1.5㎛ 내지 10.0㎛일 수 있고, 상기 복수개의 도파로들(210, 230, 240, 260)의 하부에 형성된 상기 하부 클래드 층(280)의 폭(W2)은 1.0㎛ 내지 10.0㎛일 수 있다.
이하부터는 상기 도 2의 변조기(200)를 A-A` 방향으로 자른 단면도로 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 제1실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기를 나타내는 도면으로, 도 2의 구성도를 A-A` 방향으로 자른 단면도이다.
도 2와 도 3a를 동시에 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(200_1a)는 벌크 실리콘 기판(281), 하부 클래드 층(280) 복수개의 도파로들(210, 230, 240, 260), 직선형 위상변조부(270) 및 상부 클래드 층(282)을 포함한다.
벌크 실리콘 기판(281)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(281)의 트랜치에 하부 클래드 층(280)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(280)의 위에 도 2에 도시된 복수개의 도파로들(210, 230, 240, 260)이 형성된다.
직선형 위상 변조부(270)는 상기 하부 클래드 층(280)의 위에 형성되며, 도파로의 굴절률을 변조하여 도파로를 통과하는 광 신호의 위상을 변조한다. 특히, 도 2 및 도 3a에서는 도파로(230)을 통과하는 광 신호의 위상을 변조한다.
상부 클래드 층(282)은 상기 복수개의 도파로들(210, 230, 240, 260) 및 상기 직선형 위상 변조부(270) 위에 형성된다.
도 3a의 변조기(200_1A)는 상기 하부 클래드 층(280)의 두께(H1)와 상기 벌크 실리콘 기판(281)의 상기 트랜치의 깊이가 동일한 경우를 나타낸다. 또한, 상기 하부 클래드 층(280)의 두께(H1) 및 상기 상부 클래드 층의 두께(H2)는 각각 0.5㎛ 내지 3.0㎛ 일 수 있다.
직선형 위상 변조부(270)를 통과하는 도파로는 코어(core)(271)와 슬래브(slab)(272)를 포함한다.
슬래브(272)는 상기 하부 클래드 층(280)의 위에 실리콘 층으로 형성되며, 코어(271)는 슬래브(272)의 일부에 소정의 높이로 형성된다. 슬래브(272)는 도파로의 도파 특성에 영향을 주지 않도록 충분히 얇아야 하며, 슬래브의 두께(H3)는 10㎚ 내지 100㎚인 것이 바람직하다.
코어(271)의 표면에서 슬래브(272)의 끝단까지의 수평 길이(L1, L2)는 각각 1㎛ 내지 5㎛인 것이 바람직하다.
상기 직선형 위상 변조부(270)는 P 형태 캐리어(P type carrier)를 주입하기 위한 제1전극(275)과 N 형태 캐리어(N type carrier)를 주입하기 위한 제2전극(276)을 포함한다. 코어(271)의 표면에서 제1전극(275) 또는 제2전극(276)까지의 수평 길이(L3, L4)는 각각 0.5㎛ 내지 3.0㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 직선형 위상 변조부(270)는 제1전극(275)에 접속되고, 슬래브(272)에 형성되어 P 형태 캐리어를 도핑하는 P 형태 캐리어 도핑부(273)와 제2전극(276)에 접속되고, 슬래브(272)에 형성되어 N 형태 캐리어를 도핑하는 N 형태 캐리어 도핑부(274)를 포함한다.
상기 P 형태 캐리어 및 상기 N 형태 캐리어의 도핑 농도 각각 10E-17 내지 10E-22인 것이 바람직하다. 또한, P 형태 캐리어 도핑부(273) 및 N 형태 캐리어 도핑부(274)는 코어(271)에 대칭적으로 형성될 수 있으며, 상기 슬래브(272)의 일부에만 형성될 수 있다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 도 3b 및 도 3c의 변조기(200_1b, 200_1c)는 도 3a의 변조기(200_1a)와 대부분 구성은 동일하나, P 형태 캐리어와 N 형태 캐리어가 도핑되는 영역에 차이가 있다.
도 3a의 변조기(200_1a)에서는 P 형태 캐리어 도핑부(273) 및 N 형태 캐리어 도핑부(274)가 상기 슬래브(272)의 가장자리 일부에만 형성되나, 도 3b의 변조기(200_1b)는 P 형태 캐리어 도핑부(273) 및 N 형태 캐리어 도핑부(274)가 상기 슬래브(272)의 일부와 상기 코어(271)의 일부에 모두 형성될 수도 있음을 나타낸다. 또한, 도 3c의 변조기(200_1c)는 P 형태 캐리어 도핑부(273) 및 N 형태 캐리어 도핑부(274)가 상기 슬래브(272) 및 상기 코어(271)의 전부에 형성될 수도 있음을 도시하고 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기를 나타내는 도면으로, 도 2의 구성도를 A-A` 방향으로 자른 단면도이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(200_2a, 200_2b, 200_2c)는 각각 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 변조기(200_1a, 200_1b, 200_1c)와 대부분의 구성이 동일하나, 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 변조기(200_1a, 200_1b, 200_1c)와 달리 직선형 위상변조부(270)의 중심(또는 코어(271)의 중심)과 상기 직선형 위상변조부(270) 하부에 형성된 하부 클래드 층(280)의 중심 사이의 수평 위치가 소정의 거리(D)만큼 차이가 날 수 있음을 나타낸다.
직선형 위상변조부(270)의 중심과 직선형 위상변조부(270) 하부에 형성된 하부 클래드 층의 중심 사이의 수평 위치 차이(D)는 0.1㎛ 내지 5.0㎛인 것이 바람직하다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 제3실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기를 나타내는 도면으로, 도 2의 구성도를 A-A` 방향으로 자른 단면도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(200_3a, 200_3b, 200_3c)는 각각 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 변조기(200_1a, 200_1b, 200_1c)와 대부분의 구성이 동일하나, 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 변조기(200_1a, 200_1b, 200_1c)와 달리 하부 클래드 층(280)의 두께가 벌크 실리콘 기판(281)의 상기 트랜치의 깊이 보다 더 작을 수 있음을 나타낸다.
즉, 본 발명의 제3실시예에 따른 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(200_3a, 200_3b, 200_3c)는 벌크 실리콘 기판(281)의 가장자리 상단이 코어(271)의 상단과 일치하는 구조이다. 이러한 변조기의 구조는 벌크 실리콘 기판(281)에 트랜치를 보다 깊게 형성하고 적정 높이까지만 하부 클래드 층(280)을 형성한 후, 나머지 부분에 실리콘 층을 형성하여 복수개의 도파로들(210, 230, 240, 260)과 직선형 위상변조부(270)를 가공하는 구조이다.
도 6는 공진형 변조기의 구성도이다.
도 6은 공진형 변조기(300)의 구조로서 링 공진기 기반 변조기를 나타낸다.
직선 도파로(310)를 따라 도파되는 광 신호는 공진 조건이 만족될 경우 링 공진형 위상 변조부(370) 내부의 링 도파로(374)으로 옮겨지고, 링 도파로(374) 안에서 계속 도파되면서 점차 손실을 겪게 된다.
이때, 링 공진형 위상 변조부(370)를 이용하여 링 도파로(374)의 굴절률을 변조하면 공진 조건이 변조되므로 출력되는 광 신호의 세기가 변조된다.
링 공진형 위상 변조부(370)를 통과하는 링 도파로(374)는, 도 1a 및 도 1b와 마찬가지로, 코어 및 슬래브(도면에 표시되지 않음)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 링 공진형 위상 변조부(370)는 슬래브에 형성되어 P 형태 캐리어를 도핑하는 P 형태 캐리어 도핑부(373)와 슬래브에 형성되어 N 형태 캐리어를 도핑하는 N 형태 캐리어 도핑부(374)를 포함할 수 있다.
한편, 이러한 공진형 변조기(300)에서는 링 공진형 위상 변조부(370)를 광 신호가 여러 번 지나가게 되므로 충분한 위상 변조를 얻기 위해 필요한 링 공진형 위상 변조부(370)의 길이(지름)가 짧다는 장점이 있으나, 공진 조건에서만 변조기로서 동작하게 되므로 변조 동작 스펙트럼이 매우 협소하다는 단점을 가지게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 변조기의 블럭도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 변조기는 입력부(11), 연결부(12), 위상 변조부(17), 반사부(19) 및 출력부(16)를 포함한다. 입력부(11)로 입력된 광 신호는 연결부(12)를 지난 후 위상 변조부(17)에서 위상이 변조된다.
위상이 변조된 광 신호는 반사부(19)에서 반사되어 상기 위상 변조부(17)를 반복하여 통과하게 된다. 따라서, 광 신호의 위상 변조가 두 번 일어나게 된다. 이러한 구조에서는 광 신호가 위상 변조부(43)를 두 번 거치게 되므로 위상 변조를 위해 필요한 위상 변조부(17)의 길이를 절반으로 줄일 수 있다. 따라서, 변조기의 크기가 상대적으로 소형화 될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 8b는 도 8a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부를 포함하는 변조기(400_1)는 입력 도파로(410), 제1 연결부(420), 제2 연결부(430), 연결 도파로(431), 분기 도파로(440, 450), 직선형 위상 변조부(170), 반사부(490_1, 490_2) 및 출력 도파로(460)를 포함한다.
광 신호는 입력 도파로(410)를 통하여 입력되고, 입력된 광 신호는 입력 도파로(410)와 출력 도파로(460)에 각각 연결된 제1 연결부(420)를 통과하여, 상기 제1 연결부(420)와 연결 도파로(431)를 통하여 연결된 제2 연결부(430)에서 분기 도파로들(440, 450)로 분기된다.
제2 연결부(430)는 입력 도파로(410)를 통하여 입력된 광 신호를 복수개의 분기 도파로들(440, 450)로 분기시키고, 복수개의 반사부들(490_1, 490_2)에서 각각 반사된 광 신호들을 합성한다.
복수개의 분기 도파로들(440, 450)은 제2 연결부(430)에 의해 분기된 광 신호들을 입력시키며, 도 8a에서는 분기 도파로가 2개인 경우를 도시하고 있으나, 3 이상의 분기 도파로가 제2 연결부(430)에 연결될 수 도 있다.
직선형 위상 변조부(170)는 복수개의 분기 도파로들(440, 450) 중 적어도 하나 이상의 분기 도파로(440)의 굴절률을 변조하여, 상기 적어도 하나 이상의 분기 도파로(440)를 통과하는 광 신호의 위상을 변조한다.
복수개의 반사부들(490_1, 490_2)은 복수개의 분기 도파로들(440, 450) 각각의 일단에 위치하며, 복수개의 분기 도파로들(490_1, 490_2)로 분기된 광 신호들을 반사한다. 도 8a에서는 반사부가 2개인 경우를 도시하고 있으나, 3 이상의 분기 도파로가 제2 연결부(430)에 연결된 경우에는 각각의 분기 도파로의 일단에 반사부가 위치할 수 있으므로, 3 이상의 반사부가 존재할 수도 있다.
제2 연결부(430)는 복수개의 반사부들(490_1, 490_2)에서 각각 반사된 광 신호들을 합성한다. 구체적으로, 분기 도파로(440)로 분기된 광 신호는 직선형 위상 변조부(170)에 의하여 위상이 변조되고, 위상 변조된 광 신호는 반사부(490_1)에서 반사되어 역방향으로 직선형 위상 변조부(170)를 통과하면서 위상이 다시 변조되어 제2 연결부(430)로 되돌아 온다.
반면, 분기 도파로(450)으로 분기된 광 신호는 위상이 변조되지 않고, 그대로 반사부(490_2)에서 반사되어 제2 연결부(430)로 되돌아 온다.
상기 반사부(490_1)에서 반사되고 위상이 변조된 광 신호와 상기 반사부(490_2)에서 반사된 광 신호는 제2 연결부(430)에서 합성되어, 제2 연결부(430)에서는 간섭계가 형성되고, 상기 간섭계는 마흐-젠더형 간섭계일 수 있다.
제2 연결부(430)에서 합성된 광 신호는 위상 관계에 따라 보강 간섭이 되면 1의 세기를 가지게 되고 상쇄 간섭을 일으키면 0의 세기를 가지게 된다. 또한, 제2 연결부(430)에서 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 일어난 광 신호는 출력 도파로(460)를 통하여 출력된다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 제2 연결부(430)에서 합성되어 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 일어난 광 신호는 연결 도파로(431)를 통하여 제1 연결부(420)로 진행한다. 제2 연결부(430)에서 합성된 광 신호는 제1 연결부(420)에서 출력 도파로(460)로만 분기되어 출력하는 것이 아니고, 입력 도파로(410)로도 분기되어 출력된다. 이렇게 입력 도파로(410)로 출력되는 광 신호는 아이솔레이터(411) 등을 이용하여 제거할 수 있다.
결국, 상기 아이솔레이터(411)는 외부에서 입력 도파로(410)로 입력되는 광 신호는 통과하고, 제2 연결부(430)에서 합성되어 제1 연결부(420)에 의해 입력 도파로(410)로 분기되는 광 신호는 차단한다.
따라서 도 8a에서 제안된 변조기(400_1)는 도 1a의 간섭계형 변조기(100)에 비하여 3 dB의 추가 손실이 발생하게 된다. 그러나, 도 8a에서 제안된 변조기(400_1)는 광 신호가 직선형 위상 변조부(170)를 2번 거치게 되므로 도 1a의 간섭계형 변조기(100)에 비하여 충분한 위상 변조를 위해 필요한 위상 변조부(170)의 길이를 절반으로 줄일 수 있어, 소형화가 가능하다.
도 8a에 도시된 도파로(410, 431, 440, 450, 460), 연결부(420, 430) 및 직선형 위상 변조부(170)는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판에서 구현될 수 있다.
상기 실리콘 온 인슐레이터 기판은 도 1a 및 도 1b에서 설명된 바와 같이, 하부 실리콘 기판(도 8a에는 도시되지 않음)과 그 상부에 인슐레이터인 하부 클래딩 층(480)이 형성되는 기판이다.
또한, 도 8a에 사용되는 직선형 위상 변조기(170)는 도 1a 및 도 1b에서 설명된 바와 동일한 구조를 가지고 있으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8b를 참조하면, 도 8b에 도시된 변조기(400_2)는 도 8a의 변조기(400_1)와 대부분의 구조가 동일하나, 도 8a의 제1 연결부(420)가 서큐레이터(circulator)(421)인 경우를 나타내는 도면이다.
서큐레이터(421)는 제2 연결부(430)에서 합성된 광 신호가 출력 도파로(460)로만 출력될 수 있도록 한다.
구체적으로, 입력 도파로(410)로 입력된 광 신호는 서큐레이터(421)를 통과하게 된다. 서큐레이터(421)를 통과한 광 신호는 연결 도파로(431)를 따라 제2 연결부(430)를 통과하며, 복수개의 분기 도파로들(490_1, 490_2)로 분기된다.
복수개의 분기 도파로들(490_1, 490_2)로 분기된 광 신호는 도 8a의 변조기와 같은 방식으로 다시 제2 연결부(430)에서 합쳐진다. 제2 연결부(430)에서 합쳐진 광 신호는 서큐레이터(421)를 통해 출력 도파로(460)로만 출력된다.
도 8b의 변조기(400_2) 구조에서는 도4a의 변조기(400_1) 구조와는 달리, 입력 도파로(410)로는 광 신호가 출력되지 않기 때문에 3 dB의 손실이 발생하지 않고, 입력 도파로(410)에 아이솔레이터를 구비하지 않아도 된다. 결국, 도 8b의 변조기(400_2) 구조에서는 서큐레이터(421)의 삽입 손실 이외의 추가 손실은 발생하지 않는다는 장점이 있다.
도 8c 및 도 8d의 변조기는 각각 도 8a 및 도 8b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 8c 및 도 8d의 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(400_3, 400_4)로서, 각각 도 8a 및 도 8b의 변조기(400_1, 400_2)에 도 2 내지 도 5c에서 설명된 벌크 실리콘 기판을 적용한 것이다.
구체적으로, 도 8c 및 도 8d의 변조기(400_3, 400_4)에 사용되는 벌크 실리콘 기판(481)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(481)의 트랜치에 하부 클래드 층(480)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(480)의 위에 복수개의 도파로들(410, 430, 440, 460), 직선형 위상 변조부(270) 및 반사부들(490_1, 490_2)이 형성된다.
이하부터는 위상 변조부 이외의 구성이 모두 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d와 동일한 본 발명의 다양한 변조기 구조를 설명하기로 하고, 각각의 설명에서 위상 변조부 이외의 구성에 관한 설명은 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d와 관련한 내용에서 설명된 바와 동일하므로 생략하기로 한다.
도 9a는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 9b는 도 9a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
하나의 분기 도파로(440)에만 직선형 위상 변조부(170)가 형성되는 도 8a 및 도4b의 변조기(400_1, 400_2)와 달리, 도 9a 및 도 9b의 변조기(500_1, 500_2)는 복수개의 분기 도파로들(440, 450) 모두에 직선형 위상 변조부(170_1, 170_2)가 각각 형성될 수 있음을 나타낸다.
도 9c 및 도 9d의 변조기는 각각 도 9a 및 도 9b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 9c 및 도 9d의 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(500_3, 500_4)로서, 각각 도 9a 및 도 9b의 변조기(500_1, 500_2)에 도 2 내지 도 5c에서 설명된 벌크 실리콘 기판을 적용한 것이다.
구체적으로, 도 9c 및 도 9d의 변조기(500_3, 500_4)에 사용되는 벌크 실리콘 기판(481)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(481)의 트랜치에 하부 클래드 층(480)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(480)의 위에 복수개의 도파로들(410, 430, 440, 460), 직선형 위상 변조부(270_1, 270_2) 및 반사부들(490_1, 490_2)이 형성된다.
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 10b는 도 10a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
분기 도파로(440)에 직선형 위상 변조부(170)가 형성되는 도 8a 및 도4b의 변조기(400_1, 400_2)와 달리, 도 10a 및 도 10b의 변조기(600_1, 600_2)는 분기 도파로(440)에 링 공진형 위상 변조부(370)가 형성될 수 있음을 나타낸다.
링 공진형 위상 변조부(370)는 도 6와 관련한 내용에서 설명된 바와 동일하므로 생략하기로 한다.
도 10c 및 도 10d의 변조기는 각각 도 10a 및 도 10b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 10c 및 도 10d의 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(600_3, 600_4)로서, 각각 도 10a 및 도 10b의 변조기(600_1, 600_2)에 도 2 내지 도 5c에서 설명된 벌크 실리콘 기판을 적용한 것이다.
구체적으로, 도 10c 및 도 10d의 변조기(600_3, 600_4)에 사용되는 벌크 실리콘 기판(481)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(481)의 트랜치에 하부 클래드 층(480)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(480)의 위에 복수개의 도파로들(410, 430, 440, 460), 링 공진형 위상 변조부(370) 및 반사부들(490_1, 490_2)이 형성된다.
도 11a는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 11b는 도 11a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
하나의 분기 도파로(440)에만 링 공진형 위상 변조부(370)가 형성되는 도 10a 및 도6b의 변조기(600_1, 600_2)와 달리, 도 11a 및 도 11b의 변조기(700_1, 700_2)에서는 복수개의 분기 도파로들(440, 450) 모두에 링 공진형 위상 변조부(370_1, 370_2)가 각각 형성될 수 있음을 나타낸다.
도 11c 및 도 11d의 변조기는 각각 도 11a 및 도 11b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 11c 및 도 11d의 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(700_3, 700_4)로서, 각각 도 11a 및 도 11b의 변조기(700_1, 700_2)에 도 2 내지 도 5c에서 설명된 벌크 실리콘 기판을 적용한 것이다.
구체적으로, 도 11c 및 도 11d의 변조기(700_3, 700_4)에 사용되는 벌크 실리콘 기판(481)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(481)의 트랜치에 하부 클래드 층(480)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(480)의 위에 복수개의 도파로들(410, 430, 440, 460), 링 공진형 위상 변조부(370_1, 370_2) 및 반사부들(490_1, 490_2)이 형성된다.
도 12a는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 변조기의 구성도이고, 도 12b는 도 12a의 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 12a 및 도 12b의 변조기(800_1, 800_2)에서는 복수개의 분기 도파로들(440, 450) 사이에 링 공진형 위상 변조부(370)가 형성될 수 있음을 나타낸다. 이러한 구조를 가지는 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 변조기(800_1, 800_2)에서는 링 공진형 위상 변조부(370)가 분기 도파로(440)와 분기 도파로(450) 사이에 형성되어, 변조 효율을 높이면서도 변조기(800_1, 800_2)의 초소형 제작이 가능하다는 장점이 있다.
도 12c 및 도 12d의 변조기는 각각 도 12a 및 도 12b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 12c 및 도 12d의 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(800_3, 800_4)로서, 각각 도 12a 및 도 12b의 변조기(800_1, 800_2)에 도 2 내지 도 5c에서 설명된 벌크 실리콘 기판을 적용한 것이다.
구체적으로, 도 12c 및 도 12d의 변조기(800_3, 800_4)에 사용되는 벌크 실리콘 기판(481)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(481)의 트랜치에 하부 클래드 층(480)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(480)의 위에 복수개의 도파로들(410, 430, 440, 460), 링 공진형 위상 변조부(370_1) 및 반사부들(490_1, 490_2)이 형성된다.
도 13a는 본 발명의 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부와 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 혼합형 변조기의 구성도이고, 도 13b는 도 13a의 혼합형 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 13a 및 도 13b의 변조기(900_1, 900_2)는 소정의 분기 도파로(440)에는 직선형 위상 변조부(170)가 형성되고, 또 다른 소정의 분기 도파로(450)에는 링 공진형 위상 변조부(370)가 형성될 수 있음을 나타낸다.
도 13c 및 도 13d의 변조기는 각각 도 13a 및 도 13b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 13c 및 도 13d의 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(900_3, 900_4)로서, 각각 도 13a 및 도 13b의 변조기(900_1, 900_2)에 도 2 내지 도 5c에서 설명된 벌크 실리콘 기판을 적용한 것이다.
구체적으로, 도 13c 및 도 13d의 변조기(900_3, 900_4)에 사용되는 벌크 실리콘 기판(481)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(481)의 트랜치에 하부 클래드 층(480)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(480)의 위에 복수개의 도파로들(410, 430, 440, 460), 직선형 위상 변조부(270), 링 공진형 위상 변조부(370) 및 반사부들(490_1, 490_2)이 형성된다.
도 14a는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부와 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 혼합형 변조기의 구성도이고, 도 14b는 도 14a의 혼합형 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 14a 및 도 14b의 변조기(1000_1, 1000_2)는 소정의 분기 도파로(440)에는 직선형 위상 변조부(170)가 형성되고, 상기 소정의 분기 도파로(440)와 또 다른 소정의 분기 도파로(45) 사이에 링 공진형 위상 변조부(370)가 형성될 수 있음을 나타낸다.
도 14c 및 도 14d의 변조기는 각각 도 14a 및 도 14b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 14c 및 도 14d의 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(1000_3, 1000_4)로서, 각각 도 14a 및 도 14b의 변조기(1000_1, 1000_2)에 도 2 내지 도 5c에서 설명된 벌크 실리콘 기판을 적용한 것이다.
구체적으로, 도 14c 및 도 14d의 변조기(1000_3, 1000_4)에 사용되는 벌크 실리콘 기판(481)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(481)의 트랜치에 하부 클래드 층(480)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(480)의 위에 복수개의 도파로들(410, 430, 440, 460), 직선형 위상 변조부(270), 링 공진형 위상 변조부(370) 및 반사부들(490_1, 490_2)이 형성된다.
도 15a는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 직선형 위상 변조부와 링 공진형 위상 변조부를 포함하는 혼합형 변조기의 구성도이고, 도 15b는 도 15a의 혼합형 변조기에서 제1연결부가 서큐레이터인 것을 나타내는 도면이다.
도 15a 및 도 15b의 변조기(1100_1, 1100_2)는 소정의 분기 도파로(440)에는 직선형 위상 변조부(170)와 링 공진형 위상 변조부(370)가 동시에 형성될 수 있음을 나타낸다.
도 15c 및 도 15d의 변조기는 각각 도 15a 및 도 15b의 변조기를 벌크 실리콘 기판에서 구현한 것을 나타내는 도면이다.
도 15c 및 도 15d의 변조기는 벌크 실리콘 기판을 사용하는 변조기(1100_3, 1100_4)로서, 각각 도 15a 및 도 15b의 변조기(1100_1, 1100_2)에 도 2 내지 도 5c에서 설명된 벌크 실리콘 기판을 적용한 것이다.
구체적으로, 도 15c 및 도 15d의 변조기(1100_3, 1100_4)에 사용되는 벌크 실리콘 기판(481)은 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하며, 벌크 실리콘 기판(481)의 트랜치에 하부 클래드 층(480)이 형성된다. 또한, 하부 클래드 층(480)의 위에 복수개의 도파로들(410, 430, 440, 460), 직선형 위상 변조부(270), 링 공진형 위상 변조부(370) 및 반사부들(490_1, 490_2)이 형성된다.
도 16a, 도 16b 및 도 16c는 본 발명의 변조기에 사용되는 연결부의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 16a는 연결부가 Y-브랜치(Y-branch)(422)인 경우를 나타내고, 도 16b는 연결부가 엠엠아이 커플러(multi mode-interference coupler)(423)인 경우를 나타내며, 도 16c는 연결부가 에바네슨트 커플러(evanescent coupler)(424)인 것을 나타낸다. 본 발명의 변조기에 사용되는 연결부는 상기 Y-브랜치(422), 엠엠아이 커플러(423), 에바네슨트 커플러(424) 이외에 다양한 커플러들이 사용될 수도 있다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 변조방법을 나타내는 순서도이다.
광 신호는 입력 도파로(410)를 통하여 입력된다(S1).
입력된 광 신호는 입력 도파로(410)와 출력 도파로(460)에 각각 연결된 제1 연결부(420)를 통과하여, 상기 제1 연결부(420)와 연결 도파로(431)를 통하여 연결된 제2 연결부(430)에서 복수개의 분기 도파로들(440, 450)로 분기된다(S2).
직선형 위상 변조부(170) 및/또는 링 공진형 위상 변조부(370)는 복수개의 분기 도파로들(440, 450) 중 적어도 하나 이상의 분기 도파로의 굴절률을 변조하여, 상기 적어도 하나 이상의 분기 도파로(440)를 통과하는 광 신호의 위상을 변조한다 (S3).
복수개의 반사부들(490_1, 490_2)은 복수개의 분기 도파로들(440, 450) 각각의 일단에 위치하며, 복수개의 분기 도파로들(490_1, 490_2)로 분기된 광 신호들을 반사한다(S4).
제2 연결부(430)는 복수개의 반사부들(490_1, 490_2)에서 각각 반사된 광 신호들을 합성한다(S5). 구체적으로, 소정의 분기 도파로로 분기된 광 신호는 직선형 위상 변조부(170), 링 공진형 위상 변조부(370) 및 직선형 위상 변조부(170)와 링 공진형 위상 변조부(370)가 혼합된 혼합형 위상 변조부에 의하여 위상이 변조되고, 위상 변조된 광 신호는 반사부에서 반사되어 역방향으로 상기 위상 변조부를 통과하면서 위상이 다시 변조되어 제2 연결부(430)로 되돌아 온다.
반면, 위상 변조부를 포함하지 않는 분기 도파로로 분기된 광 신호는 위상이 변조되지 않고, 그대로 반사부에서 반사되어 제2 연결부(430)로 되돌아 온다.
제2 연결부(430)로 되돌아 온 상기 광 신호들은 제2 연결부(430)에서 합성되어, 제2 연결부(430)에서는 간섭계가 형성되고, 상기 간섭계는 마흐-젠더형 간섭계일 수 있다. 제2 연결부(430)에서 합성된 광 신호는 위상 관계에 따라 보강 간섭이 되면 1의 세기를 가지게 되고 상쇄 간섭을 일으키면 0의 세기를 가지게 된다.
또한, 제2 연결부(430)에서 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 일어난 광 신호는 출력 도파로(460)를 통하여 출력된다(S6). 이를 보다 구체적으로 설명하면, 제2 연결부(430)에서 합성되어 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 일어난 광 신호는 연결 도파로(431)를 통하여 제1 연결부(420)로 진행한다. 제2 연결부(430)에서 합성된 광 신호는 제1 연결부(420)에서 출력 도파로(460)로만 분기되어 출력하는 것이 아니고, 입력 도파로(410)로도 분기되어 출력된다. 이렇게 입력 도파로(410)로 출력되는 광 신호는 아이솔레이터(411) 등을 이용하여 제거할 수 있다.
결국, 상기 아이솔레이터(411)는 외부에서 입력 도파로(410)로 입력되는 광 신호는 통과하고, 제2 연결부(430)에서 합성되어 제1 연결부(420)에 의해 입력 도파로(410)로 분기되는 광 신호는 차단한다.
반면, 상기 아이솔레이터(411)를 사용하지 않고도, 제2 연결부(430)에서 합성된 광 신호를 출력 도파로(460)로만 출력할 수 있다. 이를 위하여 제1 연결부(420)는 서큐레이터(421)일 수 있다. 서큐레이터(421)는 제2 연결부(430)에서 합성된 광 신호가 출력 도파로(460)로만 출력될 수 있도록 한다.
도 18는 본 발명의 일실시예에 따른 변조기를 사용하는 광 통신 시스템의 구성도이다.
도 18에 도시된 광 통신 시스템(10)은 송신부(20)와 수신부(30)를 포함한다. 송신부(20)에서는 전기 신호를 광 섬유 케이블(40)을 통하여 수신부(30)로 전송한다.
송신부(20)는 전기 신호를 생성하는 전기 IC(21)와 상기 전기 신호를 광 신호로 변조하는 변조소자(22)를 포함하며, 수신부(30)는 광 신호를 전기 신호로 복조하는 복조소자(32)와 상기 복조된 전기 신호를 수신하는 전기 IC(31)를 포함한다.
또한, 외부 전원 공급부(23)에서는 상기 변조소자(22)에 광원을 공급한다. 즉, 외부 전원 공급부(23)에 의해 공급된 광 신호는 변조소자에 의해 위상 변조되어 전기 신호로 변조되고, 상기 변도된 전기 신호가 수신부(30)로 전송되는 것이다.
한편, 송신부(20)의 변조소자(22)에 본 발명에 따른 변조기를 사용할 수 있다.
도 18에서는 일실시예로 도 8a에 도신된 변조기(400_1)가 광 통신 시스템(10)의 변조소자(22)로 사용될 수 있음을 나타내고 있다.
상기 변조소자(22)는 입력 도파로(410), 제1 연결부(420), 제2 연결부(430), 연결 도파로(431), 분기 도파로(440, 450), 직선형 위상 변조부(170), 반사부(490_1, 490_2) 및 출력 도파로(460)를 포함하며, 각 구성에 대한 내용은 도 8a와 동일하므로 구체적 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면, 도 8a의 변조기(400_1) 뿐 만 아니라 본 발명에서 설명되고 있는 다양한 구조의 복수개의 변조기들이 모두 광 통신 시스템(10)에 사용될 수 있음을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
170, 270: 위상 변조부, 171, 271: 코어
172, 272: 슬래브, 173, 273: P 형태 캐리어 도핑부
174, 274: N 형태 캐리어 도핑부, 175, 275: 제1전극
176, 276: 제2전극, 180, 280: 하부 클래딩 층
181: 실리콘 기판, 281: 벌크 실리콘 기판
182, 282: 상부 클래딩 층

Claims (10)

  1. 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하는 벌크 실리콘 기판;
    상기 벌크 실리콘 기판의 상기 트랜치에 형성되는 하부 클래드 층;
    상기 하부 클래드 층의 위에 형성되는 복수개의 도파로들;
    상기 하부 클래드 층의 위에 형성되며, 도파로의 굴절률을 변조하여 도파로를 통과하는 광 신호의 위상을 변조하는 위상변조부; 및
    상기 복수개의 도파로들 및 상기 위상변조부 위에 형성되는 상부 클래드 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 클래드 층의 두께는 상기 벌크 실리콘 기판의 상기 트랜치의 깊이와 동일하거나, 상기 트랜치의 깊이 보다 더 작은 것을 특징으로 하는 변조기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상변조부 하부에 형성된 상기 하부 클래드 층의 폭은 1.5㎛ 내지 10.0㎛인 것을 특징으로 하는 변조기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 도파로들의 하부에 형성된 상기 하부 클래드 층의 폭은 1.0㎛ 내지 10.0㎛인 것을 특징으로 하는 변조기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상변조부의 중심과 상기 위상변조부 하부에 형성된 상기 하부 클래드 층의 중심 사이의 수평 위치 차이는 0.1㎛ 내지 5.0㎛인 것을 특징으로 하는 변조기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 위상변조부는,
    상기 하부 클래드 층의 위에 실리콘 층으로 형성되는 슬래브;
    상기 슬래브의 일부에 소정의 높이로 형성되는 코어;
    P 형태 캐리어를 주입하기 위한 제1전극;
    N 형태 캐리어를 주입하기 위한 제2전극;
    상기 제1전극에 접속되고, 상기 슬래브에 형성되어 P 형태 캐리어를 도핑하는 P 형태 캐리어 도핑부; 및
    상기 제2전극에 접속되고, 상기 슬래브에 형성되어 N 형태 캐리어를 도핑하는 N 형태 캐리어 도핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 P 형태 캐리어 도핑부 및 상기 N 형태 캐리어 도핑부는 상기 코어에 대칭적으로 형성되며, 상기 슬래브의 일부에만 형성되는 것을 특징으로 하는 변조기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 P 형태 캐리어 도핑부 및 상기 N 형태 캐리어 도핑부는 상기 코어에 대칭적으로 형성되며, 상기 슬래브의 일부와 상기 코어의 일부에 형성되는 것을 특징으로 하는 변조기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 P 형태 캐리어 도핑부 및 상기 N 형태 캐리어 도핑부는 상기 코어에 대칭적으로 형성되며, 상기 슬래브 및 상기 코어의 전부에 형성되는 것을 특징으로 하는 변조기.
  10. 소정의 폭과 소정의 깊이로 식각된 트랜치를 포함하는 벌크 실리콘 기판;
    상기 벌크 실리콘 기판의 상기 트랜치에 형성되는 하부 클래드 층;
    상기 하부 클래드 층의 위에 형성되는 복수개의 도파로들;
    상기 하부 클래드 층의 위에 형성되며, 도파로의 굴절률을 변조하여 도파로를 통과하는 광 신호의 위상을 변조하는 위상변조부; 및
    상기 복수개의 도파로들 및 상기 위상변조부 위에 형성되는 상부 클래드 층을 포함하며,
    상기 복수개의 도파로들은,
    광 신호를 입력시키는 입력 도파로;
    광 신호를 출력시키는 출력 도파로;
    상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로에 각각 연결된 제1 연결부;
    상기 제1 연결부와 제2 연결부를 연결하는 연결 도파로;
    상기 입력 도파로를 통하여 입력된 광 신호를 복수개의 분기 도파로들로 분기시키고, 복수개의 반사부들에서 각각 반사된 광 신호들을 합성하는 제2 연결부; 및
    상기 제2 연결부에 의해 분기된 광 신호들을 입력시키는 복수개의 분기 도파로들을 포함하고,
    상기 위상 변조부는,
    상기 분기 도파로들 중 적어도 하나 이상의 분기 도파로의 굴절률을 변조하여 상기 적어도 하나 이상의 분기 도파로를 통과하는 광 신호의 위상을 변조하며,
    상기 복수개의 분기 도파로들 각각의 일단에 위치하며, 상기 복수개의 분기 도파로들로 분기된 상기 광 신호들을 반사하는 복수개의 반사부들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변조기.
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