KR20120048258A - 경사진 거울 및 렌즈를 구비한 광 도파로 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평판형 광 도파로 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광원 및 수광 소자 또는 이종 광 도파로 소자와의 효율적인 광 신호 연결을 위한 광 도파로 종단 구조에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 하부 클래드(clad), 하부 클래드 상에 형성되는 도파로 코아(core) 및 도파로 코아 상에 형성된 클래드 막을 포함하는 평판형 광 도파로, 및 클래드 막의 표면 상에 형성된 광학 렌즈를 포함하고, 광 도파로의 일 종단이 미리 결정된 경사각을 갖는 경사면을 형성하는 것인 광 도파로 구조체가 개시된다.

Description

경사진 거울 및 렌즈를 구비한 광 도파로 구조체{Optical Waveguide Structure Equipped With Angled Mirror and Lens}
본 발명은 평판형 광 도파로 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 광원 및 수광 소자 또는 이종 광 도파로 소자와의 효율적인 광 신호 연결을 위한 광 도파로 종단 구조에 관한 것이다.
내부 전반사(Total Internal Reflection) 원리에 의해 광파(Lightwave)가 외부로 방사(Radiation)하지 않고 구속된 상태로 진행하기 위해서는, 특정한 유전체 물질이 상대적으로 굴절률이 작은 또 다른 유전체 물질에 의해 둘러싸여 있는 단면 구조가 필요하다. 이러한 단면 구조가 유지되는 광파의 진행 경로를 광 도파로(Optical Waveguide)라고 정의할 수 있으며, 통신용 광섬유는 이러한 광 도파로가 적용된 대표적인 사례이다. 또한, 광 도파로를 구성하는 상대적으로 굴절률이 큰 유전체 물질을 코아(Core)라고 부르며, 이 코아 물질을 둘러싸고 있는 상대적으로 굴절률이 작은 유전체 물질을 클래딩(Cladding) 또는 클래드(Clad)라고 부른다.
광 도파로는 실리카(SiO2) 유리 기판이나 폴리머(polymer) 기판 그리고 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP), 리튬나이오베이트(LiNbO3) 등과 같은 단결정 기판 상부에 기존 반도체 공정 기술을 적용하여 구현될 수 있으며, 이러한 방식으로 제작된 광 소자를 일반적으로 평판형 광 도파로 소자라고 부른다. 광 도파로의 코아와 클래딩으로 사용되는 물질들은 기판을 형성하는 물질 중에서 용도에 맞게 적절하게 선택될 수 있으며, 굴절률 및 제반 광학적 특성 조절을 위하여 다른 물질이 첨가될 수 있다.
이러한 평판형 광 도파로 소자에서는 서로 다른 기능을 수행하는 다양한 광 회로들을 동일 기판 상에 통합하여 단일 집적(monolithic integration)하는 것이 가능하다. 이러한 단일 집적에 의하면, 개별 광 회로로 구성되는 복수의 광 도파로 소자를 광학적으로 연결하는 과정에서 발생하는 광파 에너지의 손실을 획기적으로 줄일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
기본적인 광통신 방법은 발광 소자에서 출사되는 광파를 광 변조 소자를 이용하여 원하는 광 신호로 변환시킨 다음 상기 광섬유 또는 광 도파로 소자를 통과시켜 마지막으로 수광 소자에 도달하여 검출하는 과정을 수반한다. 여기서, 발광 소자는 특정 광을 발생시키는 소자를 의미하며, 직접 밴드갭(direct band gap) 물질인 갈륨비소 또는 인듐인 계 화합물로 구성된 광 도파로에 전류를 주입함으로써 레이저 다이오드와 같은 발광 소자를 구현할 수 있다. 반대로 수광 소자는 특정 광을 수신하고 검출하는 소자로서, 위의 화합물 물질에 광파가 흡수될 때 전류가 발생되는 현상을 이용하여 포토 다이오드와 같은 수광 소자를 구현할 수 있다. 또한, 리튬나이오베이트(LiNbO3)와 인듐인(InP)계 화합물의 전기광학 효과를 이용하여 고속 디지털 변조가 가능한 광 변조 소자를 구현할 수 있다. 광통신 효율의 증대를 위해서는 전술한 발광 소자, 수광 소자, 광 변조 소자들 사이의 광학적인 연결 과정에서 광파 에너지의 손실을 최소한 줄이는 것이 바람직하다.
서로 다른 두 도파로들 간의 도파 모드 크기의 차이가 작을 경우에는 두 도파로들의 광축이 서로 일치된 상태에서 두 도파로들의 종단이 서로 맞닿도록 한 후 접착제로 고정시키는 것이 일반적인 광 연결 방법이며, 동종 또는 이종 광섬유들 간의 스플라이싱(splicing) 그리고 실리카 광 도파로 소자와 광섬유 블록과의 접합이 그 예이다. 그렇지만, 서로 다른 두 도파로들 간의 도파 모드 크기의 차이가 크거나 광 패키징 구조상 불가피할 경우에는 광학 렌즈 및 거울을 사용하는 것이 일반적인 광 연결 방법이며, 레이저 다이오드 및 포토 다이오드의 피그테일(pigtail)이 전형적인 예이다.
전술한 바와 같이, 서로 다른 두 도파로들 간의 도파 모드 크기의 차이가 크거나 광 패키징 구조상 불가피할 경우에는 광학 렌즈 및 거울을 사용하는 것이 광파 에너지의 손실 측면에서 효율적인 광 연결 방법이 될 수 있다. 그렇지만, 광학 렌즈 및 거울의 도입에 의해 광축 정렬이 보다 더 복잡해지고 어려워지는 문제점이 발생한다.
도 1은 이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에 제안된 광 도파로 구조체의 개념도이다. 도 1과 같은 광 도파로 구조체는 광 도파로의 클래드로 작용하는 특정한 유리 기판(101)의 표면에 이온 교환 기법을 이용하여 유리 기판(101)에 비해 상대적으로 굴절률이 큰 도파로 코아(102)를 형성한 다음 광 도파로의 양단을 연마하는 과정을 거쳐 제작 가능하다. 이때, 한 쪽 연마면의 각도가 도파로 코아(102)를 기준으로 45도만큼 경사를 이루고 있는 경우에는 광파(103)의 진행 방향이 90도 꺾여 반사되며, 이 경사진 연마면에 금속 막(104)이 존재할 경우에는 광파(103)의 반사 효율이 극대화된다. 또한, 도파로 코아(102)가 존재하지 않는 유리 기판(101)의 반대쪽 면에 이온 교환(ion exchange) 기법을 이용하여 광학 렌즈(105)를 형성하여 경사면에서 반사된 광파의 집광 효율을 향상시킬 수 있다. 게다가 도파로 코아(102)와 광학 렌즈(105)의 형성 시에는 정밀 정렬이 가능한 포토 리소그라피 공정이 적용 가능하므로 도파로 코아(102)의 광축과 광학 렌즈(105)의 광축이 정확하게 90도를 유지하면서 교차하도록 하는 것이 가능하다.
일반적으로 구형 렌즈(spherical lens)의 경우 초점 거리는 렌즈의 굴절률에 반비례하며 렌즈의 반경과는 비례한다. 따라서, 도 1에 도시된 광 도파로 구조체에서 광학 렌즈(105)의 초점 거리를 예를 들어 0.1 mm 이하로 매우 작게 하고자 할 경우에는, 유리 기판의 표면에서 이온 교환이 이루어지는 렌즈 영역의 면적을 감소시킴과 동시에 이온 교환이 이루어지는 영역에서의 유효 굴절률을 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이온 교환 원리상 이 렌즈 영역의 면적 감소와 유효 굴절률의 증가는 서로 트레이드-오프(trade-off) 관계이므로, 광학 렌즈(105)의 초점 거리를 0.1 mm 이하로 줄이는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 또한, 렌즈 반경의 축소에 기인하여 초점 거리가 원하는 만큼 감소된 경우에도, 유리 기판(101)의 두께가 초점 거리에 비해 매우 크므로 광파(103)의 집광 효율이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제점이 발생하게 되는 근본적인 이유는 도파로 코아(102)와 광학 렌즈(105)가 유리 기판(101)의 반대 면에 존재하기 때문이다.
전술한 바와 같이, 종래의 광 도파로 구조체 제조 방법에 의하면 도파로 코아와 광학 렌즈가 유리 기판의 반대 면에 존재하기 때문에, 광학 렌즈의 초점 거리를 0.1 mm 이하로 줄이기 힘들고, 유리 기판의 두께에 의해 광파의 집광 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
본 발명은, 광학 렌즈의 초점 거리를 0.1 mm 이하로 줄이고, 광파의 집광 효율의 저하를 억제하고, 광 도파로 및 광학 렌즈를 동일한 평면 상에 형성할 수 있는 광 도파로 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하부 클래드(clad), 하부 클래드 상에 형성되는 도파로 코아(core) 및 도파로 코아 상에 형성된 클래드 막을 포함하는 평판형 광 도파로, 및 클래드 막의 표면 상에 형성된 광학 렌즈를 포함하고, 광 도파로의 일 종단이 미리 결정된 경사각을 갖는 경사면을 형성하는 것인 광 도파로 구조체가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 하부 클래드(clad)를 형성하는 단계, 하부 클래드 상에 도파로 코아(core)를 형성하는 단계, 도파로 코아 상에 클래드 막을 형성하는 단계, 하부 클래드, 도파로 코아 및 클래드 막을 포함하는 광 도파로의 일 종단이 미리 결정된 경사각을 갖는 경사면을 형성하도록 연마하는 단계, 및 클래드 막의 표면 상에 광학 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 광 도파로 구조체 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 의한 광 도파로 구조체에서는 도파로 코아와 광학 렌즈를 구성하는 물질을 서로 다르게 적용하는 것이 가능하다. 따라서, 광학 렌즈의 반경을 허용 범위 내에서 작게 유지하면서 굴절률이 매우 큰 물질을 적용하여 광학 렌즈를 구현하는 경우, 광학 렌즈의 초점 거리를 예를 들어 0.1 mm 이하로 줄이는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 의한 광 도파로 구조체에서는 도파로 코아의 경사진 종단과 광학 렌즈 사이의 거리를 수십 μm 이내로 줄이는 것이 가능하다. 따라서, 렌즈 반경의 축소에 기인하여 초점 거리가 0.1 mm 이내로 줄어들었을 경우에도 종래의 광 도파로 구조체와 달리 광파의 집광 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광 도파로 구조체에서는 광 도파로가 형성된 기판 면 위에 광학 렌즈가 형성될 수 있기 때문에, 복수의 광 도파로 및 광학 렌즈를 동일 평면 상에 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 의하면 광 신호 연결 지점이 복수인 광원 및 수광 소자 또는 이종 광 도파로 소자와 광 패키징이 용이한 장점을 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 기술이 적용된 경사진 거울 및 광학 렌즈를 구비한 광 도파로 구조체에 대한 개념도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 광 도파로 구조체 형성 방법을 설명하기 위한 광 도파로의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사진 거울 및 광학 렌즈를 구비한 광 도파로 구조체에 대한 개념도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 3에 도시된 광 도파로 구조체와 광 신호 연결을 위해 결합된 이종 광 도파로 소자의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 광 도파로 구조체의 형성 방법을 설명하기 위한 광 도파로의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 광 도파로의 클래드로 작용하는 하부 클래드(201)가 제공된다. 이 하부 클래드(201)는 기판 자체로서 작용하거나, 특정한 기판(도시되지 않음) 상부에 존재하는 별도의 막 구조를 가질 수 있다.
도 2b를 참조하면, 하부 클래드(201)의 표면에 하부 클래드(201)에 비해 상대적으로 큰 굴절률을 갖는 도파로 코아(202)가 형성된다. 예컨대, 하부 클래드(201) 및 도파로 코아(202)는 모두 실리카(SiO2)를 포함하는 유리(glass) 재료로 구성될 수 있다. 이 경우, 하부 클래드(201)의 표면에 상대적으로 굴절률이 큰 도파로 코아(202)를 형성하기 위해, 스퍼터링(sputtering), CVD(Chemical Vapor Deposition), 이온 교환(ion exchange), 이온 주입(ion implantation) 등의 다양한 방법이 이용 가능하며, 이들에 한정되지 않는다.
다른 예로, 하부 클래드(201) 및 도파로 코아(202)는 모두 유기 고분자 재료로 구성될 수 있다. 이 경우, 하부 클래드(201)의 표면에 상대적으로 굴절률이 큰 도파로 코아(202)를 형성하기 위해, 스핀 코팅(spin coating), 고분자 중합화(polymerization) 등의 다양한 방법이 이용 가능하며, 이들에 한정되지 않는다.
또 다른 예로, 하부 클래드(201)가 특정한 기판 상부에 존재하는 별도의 막의 구조를 갖는 경우, 특정한 기판과 하부 클래드(201)는 각각 실리콘 단결정과 실리카 유리로 구성될 수 있다. 이 경우, 도파로 코아(202)는 이 특정한 기판과 동일한 실리콘 단결정으로 구성되거나, 또는 하부 클래드(201)의 실리카 유리보다 굴절률이 큰 또 다른 실리카 유리로 구성될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 도파로 코아(202) 상에 클래드로 작용하는 클래드 막(203)이 형성된다. 예컨대, 클래드 막(203)은 도파로 코아(202) 상에 증착된 유리 막일 수 있다. 클래드 막(203)은 하부 클래드(201)에 비해 상당히 얇은 막의 형태를 가지며, 클래드 막(203)의 두께(d)는 예컨대, 1μm 내지 100 μm, 또는 10 μm 내지 50μm를 가질 수 있다.
도 2d를 참조하면, 광 도파로의 종단이 하부 클래드(201)의 바닥면과 소정의 경사각 α를 형성한다. 도파로 코아(202)의 종단이 하부 클래드(201)의 표면과 경사각 α를 갖도록 광 도파로의 종단이 연마된다. 도파로 코아(202)를 통해 진행하는 광파의 진행 방향이 광 도파로의 종단의 경사면에서 90도 꺾여서 진행되도록 하기 위해, 경사각 α는 45도로 정해질 수 있다. 이와 같이 광 도파로의 종단이 45도의 경사각을 갖도록 연마되는 경우, 빛의 반사의 법칙에 의해 광 도파로를 통한 광의 입사각 및 반사각이 모두 45도를 갖게 되어, 광파의 진행 방향이 광 도파로의 종단의 경사면에서 90도 꺾여서 진행하게 된다.
도 2e를 참조하면, 광 도파로의 경사진 종단면에 반사체(204)가 형성될 수 있다. 반사체(204)는 광 도파로의 경사진 종단면에서 광 반사 효율을 극대화시키는 기능을 수행한다. 반사체(204)는 예컨대 금속 막으로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명에서의 일 실시 예를 보여주는 광 도파로 구조체에 대한 개념도이다. 도 3에는 도 2에 도시된 광 도파로가 위 아래로 뒤집혀 도시되어 있으며, 클래드 막(203)의 표면 상에 광학 렌즈(205)가 형성되어 있다. 광 도파로로 입사한 광파(210)는 광 도파로 종단의 경사면에 형성된 반사체(204)에 의해 진행 방향이 90도 꺾이게 되어 광학 렌즈(205)가 위치한 방향을 향해 입사 방향과 수직 방향으로 진행된다.
광학 렌즈(205)는 예컨대 평판형 렌즈일 수 있다. 이러한 평판형 렌즈는 마이크로 어레이 렌즈로 구성 가능하다. 광학 렌즈(205)는 경사진 종단면의 반사체(204)에서 반사된 광파(211)를 집광시키는 기능을 수행한다. 광학 렌즈(205)의 위치는 도파로 코아(202)의 광축, 즉 광 도파로로 입사하는 광파(210)의 진행 방향의 축과 광학 렌즈(205)의 광축, 즉 반사체(204)에서 반사된 광파(211)의 진행 방향의 축이 한 점에서 서로 교차하도록 결정된다. 도파로 코아(202)와 광학 렌즈(205)의 형성은 정밀 정렬이 가능한 포토 리소그라피 공정을 이용하여, 도파로 코아(202)의 광축과 광학 렌즈(205)의 광축이 정확하게 90도를 이루면서 교차하도록 제조하는 것이 가능하다.
도 3에 도시된 광 도파로 구조체에서는 도파로 코아(202)와 광학 렌즈(205)를 서로 상이한 물질로 구성할 수 있다. 따라서, 광학 렌즈(205)의 반경을 허용 범위 내에서 작게 유지하면서 굴절률이 매우 큰 물질을 적용하여 광학 렌즈를 구현함으로써 광학 렌즈의 초점 거리를 감소시킬 수 있다. 광학 렌즈(205)는 실리카 또는 유기 고분자 등의 재료를 이용하여 반사체(204) 표면 상에 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 광 도파로 구조체에서는 도파로 코아(202)와 광학 렌즈(205) 사이에 얇은 클래드 막(203)의 형성에 의해, 도파로 코아(202)와 광학 렌즈(205) 사이의 거리(d)가 수십 μm 이내로 감소될 수 있다. 따라서, 도 1에서와 같이 유리 기판(101)의 두께가 초점 거리에 비해 매우 크기 때문에 광파(103)의 집광 효율이 저하되는 문제점을 갖는 종래 기술에 비하여, 도 3에 도시된 광 도파로 구조체에서는 반사된 광파(211)가 하부 클래드(201) 쪽이 아닌 도파로 코아(202) 쪽에 형성된 얇은 두께의 클래드 막(203)을 거쳐 광학 렌즈(205)에 도달함에 따라 광파의 집광 효율의 저하가 효과적으로 억제된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 3에 도시된 광 도파로 구조체와 광 신호 연결을 위해 결합된 이종 광 도파로 소자를 포함하는 광 도파로 구조체를 도시한다.
도 4에서 광 도파로 구조체를 구성하고 있는 광 도파로(410)는 단면 구조가 사각형인 지지대(401)에 의해 고정된 이종 광 도파로(420)와 서로 90도의 각도를 이루며 위치하게 된다. 여기서, 광 도파로(410)와 반사체(204)와의 계면에서 발생하는 광파의 반사 및 광학 렌즈(205)의 집광 능력에 의해 모드 크기가 서로 다른 광 도파로(410)와 이종 광 도파로(420)의 효율적인 광 신호 연결이 가능하다.
도 4에는 광 도파로(410)와 수직 방향으로 위치된 이종 광 도파로(420)가 도시되었으나, 이종 광 도파로(420)의 위치에 각종 발광 소자 또는 수광 소자가 배치될 수 있다. 예컨대, 이종 광 도파로(420)의 위치에 측면 방출형 레이저 다이오드 또는 광 도파로 형 포토 다이오드가 배치될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 이종 광 도파로(420)의 위치에 광 도파로가 필요하지 않는 수직 출사형 레이저 다이오드 또는 수직 입사형 포토 다이오드가 배치될 수 있다.
또한, 도 4에는 광 도파로(410)와 접합된 광섬유 블록(402)를 더 포함하며, 광섬유 블록(402)과의 접합 및 연마를 위한 덮개 기판(403)이 지지대(401) 상에 부착될 수 있다.
본원에서 전술한 특정 실시예들은 예시의 목적으로 설명된 것이므로, 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범주 내에서 전술한 실시예들에 대해 다양한 변경들이 행해질 수 있다.

Claims (17)

  1. 하부 클래드(clad), 상기 하부 클래드 상에 형성되는 도파로 코아(core) 및 상기 도파로 코아 상에 형성된 클래드 막을 포함하는 평판형 광 도파로; 및
    상기 클래드 막의 표면 상에 형성된 광학 렌즈를 포함하고,
    상기 광 도파로의 일 종단이 미리 결정된 경사각을 갖는 경사면을 형성하는 것인 광 도파로 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 클래드는 기판으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 경사각은 45도인 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도파로 코아의 광축과 상기 광학 렌즈의 광축이 한 점에서 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 클래드 막은 상기 도파로 코아 상에 유리 막을 증착시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유리 막의 두께는 1μm 내지 100 μm 인 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학 렌즈는 평판형 렌즈인 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 도파로 코아는 실리카, 실리콘 또는 유기 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광 도파로의 일 종단의 경사면 상에 형성된 반사체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반사체는 금속 막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광학 렌즈는 실리카, 실리콘 또는 유기 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체.
  12. 하부 클래드(clad)를 형성하는 단계;
    상기 하부 클래드 상에 도파로 코아(core)를 형성하는 단계;
    상기 도파로 코아 상에 클래드 막을 형성하는 단계;
    상기 하부 클래드, 상기 도파로 코아 및 상기 클래드 막을 포함하는 광 도파로의 일 종단이 미리 결정된 경사각을 갖는 경사면을 형성하도록 연마하는 단계; 및
    상기 클래드 막의 표면 상에 광학 렌즈를 형성하는 단계
    를 포함하는 광 도파로 구조체 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 클래드 막 형성 단계는 상기 도파로 코아 상에 유리 막을 증착시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 유리 막의 두께는 1μm 내지 100 μm 인 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 미리 결정된 경사각은 45도인 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 도파로 코아의 광축과 상기 광학 렌즈의 광축이 한 점에서 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 광 도파로의 일 종단의 경사면 상에 금속 막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 구조체 제조 방법.
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