KR20120003240A - 경계 홀 삽입을 통하여 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스트립 도파로와 광자결정 도파로의 결합효율을 향상시키기 위한 구조에 관한 것으로, 종래, 광자결정 도파로는, 유전물질 내에 삼각격자 형태로 공기구멍이 배열된 광자결정과, 상기 광자결정 내의 한 줄의 공기구멍을 제거하여 형성된 도파로로 이루어져 있으며, 빛이 진행하게 될 때 스트립 도파로와 광자결정 도파로에서 각기 서로 다른 모드로 진행하여 두 도파로가 맞닿아 있는 부분에서 모드의 어긋남이 발생하게 되며, 이러한 모드의 어긋남으로 인해 결합손실이 발생하는 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, 두 도파로가 맞닿아 있는 경계면에 공기 홀을 삽입함으로써 국부적인 공동모드를 해소하고, 이를 통하여 결합손실을 최소화하는 스트립 도파로와 광자결정 도파로의 결합효율을 향상시키기 위한 구조가 제공된다.

Description

경계 홀 삽입을 통하여 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조{A interface structure between a photonic crystal waveguide and a strip waveguide with the modification of inlet holes for enhanced coupling efficiency}

본 발명은 도파로의 결합효율을 향상시키기 위한 방법에 관한 것이며, 더 상세하게는, 스트립 도파로(strip waveguide)와 광자결정 도파로(photonic crystal waveguide) 사이의 결합효율을 향상시키기 위한 광자결정 도파로 입사부의 구조에 관한 것이다.

종래, 광자결정 구조는 광소자의 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 광 집적화를 위해 좋은 대안이 되어 왔고, 분산특성을 조절하여 광 스위치나 광 변조기를 제작하여 왔다.

또한, 광자결정 도파로에 빛을 입사시키는데 있어서는, 스트립 도파로가 그 제작의 용이성으로 인해 많이 사용되어 왔다.

그러나 빛이 도파로를 진행하게 될 때, 스트립 도파로와 광자결정 도파로에서 각기 서로 다른 모드로 진행을 하게 되고, 따라서 두 도파로가 맞닿아 있는 부분에서 모드의 어긋남이 발생하게 된다.

아울러, 이러한 모드의 어긋남으로 인해 결합손실이 발생하게 된다.

즉, 광자결정 도파로는, 유전물질 내에 삼각격자 형태로 공기구멍이 배열된 광자결정과, 상기 광자결정 내의 한 줄의 공기구멍을 제거하여 형성된 도파로로 이루어져 있으며, 빛이 진행하게 될 때 스트립 도파로와 광자결정 도파로에서 각기 서로 다른 모드로 진행을 하게 되고, 두 도파로가 맞닿아 있는 부분에서는 모드의 어긋남이 발생하게 되고, 따라서 이러한 모드의 어긋남으로 인해 결합 손실이 발생하게 된다.

따라서 상기한 바와 같이 두 도파로가 맞닿아 있는 경계면에서의 결합손실을 최소화하는 구조에 대한 수요가 존재해 왔고, 이와 같이 결합손실을 최소화하기 위한 광자결정 도파로 구성의 예로서는, 본 발명의 출원인에 의해 2008년 12월 4일자로 한국 특허청에 출원된 공개특허 제2010-0063971호(2010.06.14. 공개)의 "광자결정 도파로 입사부 구조"에 개시된 바와 같은 것이 있다.

더 상세하게는, 상기한 특허문헌에 기재된 광자결정 도파로 입사부 구조는, 광자결정 도파로와 스트립 도파로의 결합효율의 향상을 위한 이종 접합 도파로의 결합부 구조로서, 유전물질 내에 삼각격자 형태로 공기구멍이 배열된 광자결정과, 광자결정 도파로의 입사부 영역이 스트립 도파로와 이격되도록 적어도 하나 이상의 공기구멍을 제거한 후에 이격하여 형성된 혼성 도파로를 포함하여 구성된 것이다.

즉, 상기한 특허문헌에 기재된 광자결정 도파로 입사부 구조는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 스트립 도파로와 광자결정 도파로의 결합손실을 줄이기 위해 스트립 도파로와 광자결정 도파로 사이에 혼성모양 도파영역을 두는 것에 의하여 스트립 도파로와 광자결정 도파로 사이에 효율적인 모드변환이 일어나도록 하는 것이며, 또한, 스트립 도파로와 광자결정 도파로가 만나는 부분의 공기홀의 위치를 조절하여 공기홀에서 반사되는 파의 위상을 상쇄시켜 광자결정 도파로 안으로 더 많은 빛이 진행하도록 하는 것이다.

다시 말하면, 상기 특허문헌의 내용은, 스트립 도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 위치를 변경함으로써 광자결정의 경계면에 발생하는 표면모드를 조절하고, 그것에 의해 투과율의 향상을 도모하는 것이다.

또한, 결합손실을 줄이기 위한 다른 방법으로서, 종래에는, "coupling into the slow light mode in slab-type photonic crystal waveguide", optics letters, vol. 31, no.1, pp. 50-52에 기재된 바와 같이, 빛이 입사하는 방향의 수직방향으로 유전율의 주기적인 변화가 있을 때 형성되는 광자결정의 표면모드(surface mode)를 이용하여 결합효율 향상을 도모하는 것이 있다.

즉, 상기 논문의 내용은, 입사하는 빛이 표면모드(surface mode)와 결합하고 결합된 빛이 광자결정 도파로 안으로 투과됨으로써 결합효율이 향상되도록 하는 것으로, 격자의 주기성으로 인해 표면모드는 a/2의 주기성으로 나타난다.

그러나 실제로는, 입사도파로에 의한 국부적인 공동모드(localized cavity mode)의 영향으로 인해 홀의 위치에 따라 투과효율이 비대칭으로 나타나게 된다.

따라서 상기한 바와 같은 입사도파로에 의한 국부적인 공동모드의 영향으로 홀의 위치에 따라 투과효율이 비대칭으로 나타나는 종래기술의 문제점을 해결하여 국부적인 공동모드를 조절 가능하고, 그것에 의해 결합효율을 증가시키킬 수 있는 광자결정 도파로를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 두 도파로가 맞닿아 있는 경계면에서의 국부적인 공동모드를 변경하고, 이를 통하여 결합손실을 최소화할 수 있도록 하는 새로운 스트립 도파로와 광자결정 도파로의 구조를 제공하고자 하는 것이다.

즉, 본 발명의 목적은, 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면에 경계 홀(inlet holes)을 삽입함으로써 국부적인 공동모드를 조절하고 이를 이용하여 결합효율을 증가시킬 수 있는, 경계 홀 삽입을 통하여 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조를 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 유전물질 내에 삼각 격자 형태로 공기구멍이 배열된 광자결정과 상기 광자결정 내의 한 줄(line)의 공기구멍을 제거하여 형성된 도파로로 이루어지는 광자결정 도파로(photonic crystal waveguide)와 상기 광자결정 도파로에 빛을 입사시키는 스트립 도파로(strip waveguide) 사이의 결합효율을 향상시키기 위한, 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조에 있어서, 상기 스트립 도파로와 상기 광자결정 도파로의 경계면에 삽입되는 적어도 하나 이상의 경계 홀(inlet holes)을 포함하여 구성되며, 그것에 의해, 입사도파로에 의한 국부적인 공동모드(localized cavity mode)를 조절하여 상기 입사도파로와 상기 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 상관없이 투과율을 향상하고, 또한, 상기 스트립 도파로와 상기 광자결정 도파로가 맞닿아 있는 부분에서 빛이 서로 다른 모드로 진행하여 모드의 어긋남이 발생함으로 인한 결합손실을 감소하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조가 제공된다.

여기서, 상기 구조는, 상기 광자결정 도파로의 격자상수를 a라 할 때, 상기 경계 홀의 크기는 r=0.28×a이며, 그 너비(W)는

인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 경계 홀은, 상기 경계면의 위치를 t(a)라 했을 때, -0.5a ~ 0.5a의 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 적절한 위치에 경계 홀(inlet holes)을 삽입하는 것으로 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 상관없이 투과율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 적절한 위치에 경계 홀을 삽입하여 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 상관없이 투과율을 향상시킴으로써, 광자결정 도파로를 설계함에 있어 매우 유용한 이점을 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 스트립 도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 따른 투과율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 종래기술에 따른 스트립 도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 따른 투과율 변화의 결과를 설명하기 위해 빛의 진행방향 및 진행방향에 수직한 방향에 대한 분산특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 경계면의 위치에 따른 투과율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 경계면의 위치가 t = -4/16일 때 경계 홀의 위치에 따른 투과율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 광자결정 도파로의 구조 및 분산특성을 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 경계 홀을 삽입하지 않았을 경우 경계면의 위치 t의 변화에 따른 투과율과, 경계 홀을 적절한 위치에 삽입하였을 경우 투과율의 최대값 및 최소값을 나타내는 도면이며, 검정색 선(a)이 경계 홀을 삽입하지 않았을 경우이고, 적색 선(b)은 경계 홀을 적절한 위치에 삽입하였을 경우 투과율의 최대값이며, 청색 선(c)은 경계 홀을 적절한 위치에 삽입하였을 경우 투과율의 최소값을 각각 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 광자결정 도파로 구조의 각 경계면의 위치에서 경계 홀의 위치에 따른 투과율의 최대값 및 최소값을 나타내는 표이다.
도 8은 종래기술에 따른 광자결정 도파로의 입사부 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 경계 홀 삽입을 통한 광자결정 도파로와 스트립 도파로의 결합효율 향상방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 종래기술에 따른 투과효율의 향상방법에 대하여 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1과 도 2는 "coupling into the slow light mode in slab-type photonic crystal waveguide", optics letters, vol. 31, no.1, pp. 50-52에 기재된 바와 같은 종래기술에 따른 투과효율의 향상방법을 나타내는 도면이다.

여기서, 도 1은 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 따라 투과율의 변화를 실험적으로 구한 도면이고, 도 2는 이러한 결과를 설명하기 위해 빛의 진행방향(Γ-K)과 빛의 진행방향에 수직한 방향(Γ-M)에 대해 분산특성을 전산모사로 구한 도면이다.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 따라 표면모드(surface mode)(Γ-M 방향으로의 모드)의 변화가 a/2의 주기성으로 나타나는 것을 알 수 있다.

또한, 도 2에 점선으로 표시된 바와 같이, 빛의 진행방향에 대한 모드가 표면모드와 만나는 점에서 표면모드의 그룹 속도(group velocity)(즉, 모드(mode)의 기울기)가 0이 될 때 높은 투과율을 보이는 것을 알 수 있다.

하지만 실제로는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 입사도파로에 의한 국부적인 공동모드(localized cavity mode)의 영향으로 인해 경계면의 위치에 따라 투과효율이 비대칭으로 나타난다.

즉, 이러한 특성을 이용하여, 본 발명의 발명자들은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 경계면에 경계 홀(5)을 추가적으로 삽입하게 되면 국부적인 공동모드가 조절이 되고, 그것에 의해 인해 투과효율의 향상을 이룰 수 있음을 거듭된 연구를 통하여 발견하였다.

도 4는 경계면의 위치 t=-4/16일 때 경계 홀(41)을 삽입하였을 경우 투과율의 변화를 나타내는 도면이다.

여기서, 도 4에서 굵은 화살표는 경계 홀(41)을 추가적으로 삽입하지 않았을 때의 투과율을 나타내며, 또한, 도 4로부터, 경계 홀(41)을 추가적으로 삽입하게 되면 약 11%정도 투과율이 향상됨을 알 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 결과에 근거하여, 본 발명의 발명자들은 도 5에 나타낸 바와 같은 광자결정 도파로의 구조를 제시하게 되었다.

도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명에 따른 광자결정 도파로(50)의 구조 및 그 분산특성을 나타내는 도면이다.

즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 광자결정 도파로(50)는 한 줄의 공기 홀(51)을 제거한 구조로서, 그 격자상수를 a라 할 때, 공기 홀(51)의 크기는 r=0.28×a이며, 그 너비(W)는

이다.

또한, 여기서, 빛의 진행방향은 Γ-K 방향이고, Γ-K와 Γ-M 방향에 대한 분산특성은 도 5의 우측에 나타낸 바와 같다.

또한, 도 6은 경계 홀(41)을 삽입하지 않았을 경우 경계면의 위치 t의 변화에 따른 투과율과, 경계 홀(41)을 적절한 위치에 삽입하였을 경우 투과율의 최대값 및 최소값을 검정색 선(a), 적색 선(b), 청색 선(c)으로 각각 나타내고 있다.

즉, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 경계 홀(41)을 적절한 위치에 삽입하게 되면 대부분의 경우 투과율이 향상되는 결과를 얻을 수 있다.

이때, 투과율의 최대값 및 최소값이 얻어지는 경계 홀(41)의 위치는 도 7에 나타낸 바와 같다.

즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 경계 홀(41)의 위치는, 경계면의 위치를 t(a)라 했을 때, -0.5a ~ 0.5a의 사이에 위치하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이, 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 적절한 위치에 경계 홀(41)을 삽입함으로써, 입사도파로와 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 상관없이 투과율을 향상시킬 수 있으며, 또한, 그것에 의해, 광자결정 도파로를 설계함에 있어 매우 유용한 이점을 제공할 수 있다.

이상 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 광자결정 도파로의 구성에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

41. 경계 홀 50. 광자결정 도파로
51. 공기 홀

Claims (3)

1. 유전물질 내에 삼각 격자 형태로 공기구멍이 배열된 광자결정과 상기 광자결정 내의 한 줄(line)의 공기구멍을 제거하여 형성된 도파로로 이루어지는 광자결정 도파로(photonic crystal waveguide)와 상기 광자결정 도파로에 빛을 입사시키는 스트립 도파로(strip waveguide) 사이의 결합효율을 향상시키기 위한, 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조에 있어서,
   상기 스트립 도파로와 상기 광자결정 도파로의 경계면에 삽입되는 적어도 하나 이상의 경계 홀(inlet holes)을 포함하여 구성되며,
   그것에 의해, 입사도파로에 의한 국부적인 공동모드(localized cavity mode)를 조절하여 상기 입사도파로와 상기 광자결정 도파로의 경계면의 위치에 상관없이 투과율을 향상하고, 또한, 상기 스트립 도파로와 상기 광자결정 도파로가 맞닿아 있는 부분에서 빛이 서로 다른 모드로 진행하여 모드의 어긋남이 발생함으로 인한 결합손실을 감소하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 광자결정 도파로의 격자상수를 a라 할 때, 상기 경계 홀의 크기는 r=0.28×a이며, 그 너비(W)는

   

   인 것을 특징으로 하는 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 경계 홀은, 상기 경계면의 위치를 t(a)라 했을 때, -0.5a ~ 0.5a의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 스트립 도파로와의 결합효율이 향상된 광자결정 도파로 구조.
   

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