KR20130069146A - 광연결 소자 및 이를 구비하는 실리콘 포토닉스 칩 - Google Patents
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Abstract
광연결 소자 및 이를 구비하는 실리콘 포토닉스 칩을 제공한다. 이 소자는 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖는 하부층, 제 1 및 제 2 영역들 상에 각각 배치되는 제 1 및 제 2 도파로들을 구비하면서 하부층 상에 배치되는 제 1 코어층, 제 1 도파로를 덮는 클래드층, 및 클래드층과 하부층 사이에 개재되어 제 2 도파로를 덮는 제 2 코어층을 포함할 수 있다. 제 2 도파로는 제 1 영역으로부터 멀어질수록 감소하는 폭을 갖고 제 1 도파로보다 큰 수직 두께를 가질 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘 포토닉스 기술에 있어서의 주요 기술들 중 하나인 광 연결 기술에 관한 것이다.
그레이팅 커플러(grating coupler) 및 모드 사이즈 컨버터(mode size converter)는 실리콘 포토닉스 집적 회로에 광을 접속하기 위하여 현재 가장 보편적으로 사용되는 기술들이다. 특히, 모드 사이즈 컨버터를 사용한 광연결 기술은 1 dB이하의 높은 광연결 효율 및 파장에 비의존적인 출력 파워 특성과 같은 기술적 장점들을 갖는다.
하지만, 모드 사이즈 컨버터를 사용하는 많은 광연결 기술들은 사이드 커플링(side coupling)을 요구하기 때문에, 웨이퍼 수준(wafer level)에서의 수직적 커플링(vertical coupling)을 구현하기 어려울 뿐만 아니라 최종 실리콘 포토닉스 칩의 단면을 연마하는 공정이 추가적으로 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 실리콘 포토닉스 집적 회로로의 광 연결에 있어서 높은 효율을 제공할 수 있는 광 연결 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 수직적 커플링을 구현할 수 있는 광 연결 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 높은 광 연결 효율을 제공하면서 수직적 커플링을 구현할 수 있는, 광 연결 소자를 구비하는 실리콘 포토닉스 칩을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 광 연결 소자는 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖는 하부층, 상기 제 1 및 제 2 영역들 상에 각각 배치되는 제 1 및 제 2 도파로들을 구비하면서 상기 하부층 상에 배치되는 제 1 코어층, 상기 제 1 도파로를 덮는 클래드층, 및 상기 클래드층과 상기 하부층 사이에 개재되어 상기 제 2 도파로를 덮는 제 2 코어층을 포함할 수 있다. 상기 제 2 도파로는 상기 제 1 영역으로부터 멀어질수록 감소하는 폭을 갖고 상기 제 1 도파로보다 큰 수직 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 코어층은 상기 제 1 도파로의 양측에 배치되어 상기 하부층의 상기 제 1 영역을 덮는 슬랩 부분을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 도파로와 상기 슬랩 부분의 상부면들 사이의 높이 차이는 상기 제 2 도파로의 수직 두께보다 작을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 슬랩 부분은 상기 하부층의 상기 제 2 영역을 노출시키도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 도파로는 테이퍼진 구조를 갖도록 형성되어 상기 제 1 도파로로부터 이격된 팁을 구비하고, 상기 제 2 도파로의 상기 팁은 상기 제 2 코어층에 의해 덮일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 코어층은 외부 광 섬유에 대향하도록 배치되는 바깥 표면을 가질 수 있으며, 상기 제 2 코어층의 상기 바깥 표면은 상기 외부 광 섬유의 코어에 상응하는 면적을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 도파로의 종축 방향을 따라 측정되는 상기 제 2 코어층의 수평 폭은 실질적으로 균일할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제 2 도파로의 종축 방향을 따라 측정되는 상기 제 2 코어층의 수평 폭은 상기 제 1 도파로에 가까울수록 감소할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 도파로는 상기 제 2 코어층의 상기 바깥 표면 및 상기 제 1 도파로로부터 이격된 팁을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 코어층은 실리콘으로 형성되고, 상기 제 2 코어층은 상기 제 1 코어층보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 형성되고, 상기 클래드층은 상기 제 2 코어층보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 연결 소자는 제 1 및 제 2 도파로들을 구비하는 제 1 코어층, 상기 제 1 도파로를 덮는 클래드층, 및 상기 제 2 도파로를 덮는 제 2 코어층을 포함할 수 있다. 상기 제 2 도파로는 상기 제 1 도파로로부터 멀어질수록 감소하는 폭을 갖고 상기 제 1 도파로보다 큰 수직 두께를 갖고, 상기 제 2 코어층은 상기 제 2 도파로의 종축 방향 상에 위치하는 반사면을 가질 수 있다. 상기 반사면은 상기 제 2 도파로의 종축 방향에 경사지게 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 코어층의 상기 반사면의 경사각은 입사 광의 진행 방향을 상기 제 2 도파로에 평행한 방향에서 상기 클래드층의 상부면에 실질적으로 수직한 방향으로 변경시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 광 연결 소자는 높은 반사율을 갖는 물질로 형성되면서 상기 반사면을 덮는 반사체를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 코어층은 그것의 상부면에 경사지게 형성되는 슬릿을 갖도록 형성되고, 상기 슬릿의 일 표면은 상기 반사면으로 이용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 광 연결 소자는 상기 제 1 및 제 2 코어층들의 아래에 배치되는 하부층을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 코어층은 상기 슬릿의 양측에 각각 배치되고 상기 하부층에 부착되는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 부분들 사이의 상대적 배치는 상기 하부층에 의해 고정될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 실리콘 포토닉스 칩은 적어도 하나의 광 소자, 상기 광 소자에 연결된 제 1 도파로, 상기 제 1 도파로로부터 연장되는 제 2 도파로, 상기 제 1 및 제 2 도파로들 상에 배치되는 클래드층, 상기 클래드층과 상기 제 2 도파로 사이에 개재되어 상기 제 2 도파로를 덮는 제 3 도파로를 포함할 수 있다. 상기 클래드층은 상기 제 1 및 제 2 도파로들보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 형성되고, 상기 제 3 도파로는 상기 제 2 도파로보다 작고 상기 클래드층보다 큰 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 2 도파로는 상기 제 1 도파로로부터 멀어질수록 감소하는 폭을 갖고 상기 제 1 도파로보다 큰 수직 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 실리콘 포토닉스 칩은 상기 제 1 도파로의 양쪽 측벽들을 덮는 슬랩 도파로를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 도파로와 상기 슬랩 도파로의 상부면들 사이의 높이 차이는 상기 제 2 도파로의 수직 두께보다 작을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 3 도파로는 상기 제 2 도파로의 종축 방향 상에 위치하는 반사면을 갖고, 상기 반사면은 상기 제 2 도파로의 종축 방향에 경사지게 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 실리콘 포토닉스 칩은 높은 반사율을 갖는 물질로 형성되면서 상기 반사면을 덮는 반사체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광 연결 소자는 리지 구조의 도파로로부터 연장되는 역 테이퍼 구조의 도파로를 포함할 수 있다. 이때, 상기 역 테이퍼 구조의 도파로는 상기 리지 구조의 도파로보다 큰 측벽 두께를 갖도록 형성되며, 광 섬유 코어에 상응하는 단면적을 갖는 제 2 코어층에 의해 덮인다. 이러한 구성의 결과로서, 상기 역 테이퍼 구조의 도파로에서의 모드 크기 및 모드 모양은 광 섬유 코어의 그것들과 유사해질 수 있으며, 이는 모드 미스매치에 의한 광 손실을 줄이는 것을 가능하게 한다.
이에 더하여, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 코어층은 경사진 반사면을 갖도록 구성될 수 있으며, 이러한 구성은 수직적 광 연결을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 연결 소자를 도시하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 연결 소자를 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 점선 I-I'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 4은 도 1의 점선 II-II'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 도 1 내지 도 4의 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역(Finite-difference time-domain; FDTD) 방식의 분석 결과들을 도시하는 도면들이다.
도 9은 비교예에 따른 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역 방식의 분석 결과를 도시하는 도면이다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 연결 소자를 도시하는 평면도이다.
도 11은 도 10의 점선 I-I'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 12는 도 10의 점선 II-II'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 13 및 도 14은 본 발명의 또다른 실시예들에 따른 광 연결 소자들을 도시하는 단면도들이다.
도 15 및 도 16은 도 13 또는 도 14의 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역 방식의 분석 결과를 도시하는 도면들이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 또다른 실시예들에 따른 광 연결 소자들을 도시하는 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 연결 소자를 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 점선 I-I'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 4은 도 1의 점선 II-II'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 도 1 내지 도 4의 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역(Finite-difference time-domain; FDTD) 방식의 분석 결과들을 도시하는 도면들이다.
도 9은 비교예에 따른 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역 방식의 분석 결과를 도시하는 도면이다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 연결 소자를 도시하는 평면도이다.
도 11은 도 10의 점선 I-I'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 12는 도 10의 점선 II-II'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 13 및 도 14은 본 발명의 또다른 실시예들에 따른 광 연결 소자들을 도시하는 단면도들이다.
도 15 및 도 16은 도 13 또는 도 14의 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역 방식의 분석 결과를 도시하는 도면들이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 또다른 실시예들에 따른 광 연결 소자들을 도시하는 단면도들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 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 제공되는 것이다.
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, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 연결 소자를 도시하는 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 연결 소자를 도시하는 사시도이다. 도 3은 도 1의 점선 I-I'을 따라 보여지는 단면도이고, 도 4은 도 1의 점선 II-II'을 따라 보여지는 단면도이다.
도 1 내지 도 4을 참조하면, 이 실시예에 따른 광 연결 소자(1000)는 광 섬유 코어(2000)의 절단면(2010)을 마주보도록 배치된다. 상기 광 연결 소자(1000)는 하부층(10) 상에 형성된 제 1 코어층(100), 상기 제 1 코어층(100) 상에 형성된 클래드층(300), 및 상기 하부층(10)과 상기 클래드층(300) 사이에 개재되어 상기 제 1 코어층(100)의 일부분을 덮는 제 2 코어층(200)을 포함한다.
상기 하부층(10) 및 상기 클래드층(300) 각각은 상기 제 1 및 제 2 코어층들(100, 200)보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 형성되고, 상기 제 1 코어층(100)은 상기 제 2 코어층(200)보다 큰 굴절률을 갖는 물질로 형성된다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 하부층(10) 및 상기 클래드층(300)은 산화물(예를 들면, 실리콘 산화물)로 형성될 수 있고, 상기 제 1 코어층(100)은 실리콘으로 형성될 수 있고, 상기 제 2 코어층(200)은 상기 하부층(10) 및 상기 클래드층(300)보다 크고 상기 제 1 코어층(100)보다 작은 굴절률을 갖는 물질들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 하부층(10) 및 상기 제 1 코어층(100)은 에스오아이(SOI) 기판을 구성하는 매립 산화막(buried oxide layer) 및 실리콘층을 이용하여 구현될 수 있다.
상기 하부층(10)은 상기 광 섬유 코어(2000)에 인접하는 제 1 영역(first region)(11) 및 상기 광 섬유 코어(2000)로부터 이격된 제 2 영역(second region)(12)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 코어층(100)은 상기 제 1 영역(11)을 가로질러 상기 제 2 영역(12)으로 연장되는 도파로 부분(waveguide portion)(110) 및 상기 도파로 부분(110)의 양측에 위치하여 상기 하부층(10)의 상기 제 1 영역(11)을 덮는 슬랩 부분(slab portion)(120)을 포함할 수 있다. 상기 도파로 부분(110) 및 상기 슬랩 부분(120)은 리지 도파로 구조를 갖도록 구성될 수 있다.
상기 도파로 부분(110)은 상기 제 1 영역(11)에 위치하는 제 1 도파로 부분(first waveguide portion)(111) 및 상기 제 2 영역(12)에 위치하는 제 2 도파로 부분(second waveguide portion)(112)을 포함할 수 있다. 상기 슬랩 부분(120)은 상기 도파로 부분(110)보다 얇은 두께로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 상기 제 1 코어층(100)은 상기 제 1 및 제 2 영역들(11, 12)의 경계 근방에서 계단형 영역(130)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 슬랩 부분(120)은 상기 제 2 영역(12)에서 제거되어 상기 하부층(10)의 상부면을 노출시킬 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제 1 코어층(100)은 상기 슬랩 부분(120)보다 얇은 두께를 가지면서 상기 제 2 영역(12)에 배치되는 평판형 부분(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 도파로 부분(111)의 수평 폭은, 적어도 상기 제 1 영역(11)의 일부에서는, 실질적으로 일정할 수 있다. 상기 제 1 도파로 부분(111)의 수직 두께 역시, 적어도 상기 제 1 영역(11)의 일부에서는, 실질적으로 일정할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 도파로 부분(111)은, 적어도 상기 제 1 영역(11)의 일부에서는, 직육면체 모양일 수 있다.
상기 제 2 도파로 부분(112)의 수평 폭은 상기 제 1 영역(11)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 도파로 부분(112)은 역 테이퍼 구조를 갖도록 구성될 수 있으며, 상기 제 1 영역(11)으로부터 이격되어 형성되는 팁(115)을 가질 수 있다. 상기 제 2 도파로 부분(112)의 수직 두께는 상기 제 1 도파로 부분(111)의 그것과 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 제 2 코어층(200)은 상기 제 1 코어층(100)의 상기 제 2 도파로 부분(112)을 덮도록 형성된다. 예를 들면, 상기 제 2 도파로 부분(112)의 상부면 및 측면들은 상기 제 2 코어층(200)에 의해 덮일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 코어층(200)은 상기 제 1 영역(11)으로 연장되어, 상기 제 2 도파로 부분(112)에 인접하는 상기 제 1 도파로 부분(111)의 일부분을 덮을 수도 있다.
상술한 것처럼, 상기 제 2 코어층(200)은 상기 제 1 코어층(100)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 상기 제 2 코어층(200)은 상기 제 1 코어층(100)에 대해 클래드로서 기능할 수 있다. 또한, 상기 클래드층(300)은 상기 제 2 코어층(200)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 상기 클래드층(300)은 상기 제 2 코어층(200)에 대해 클래드로서 기능할 수 있다.
상기 제 2 코어층(200)은 상기 광 섬유 코어(2000)의 상기 절단면(2010)을 마주보는 경계면(interface)(210)을 갖는다. 도 1에 도시된 것처럼, 상기 경계면(210)의 수평 폭은 상기 절단면(2010)의 그것과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 상기 경계면(210)의 수직 두께는 상기 절단면(2010)의 그것과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 코어층(200)의 상기 경계면(210)은 상기 광 섬유 코어(2000)의 상기 절단면(2010)과 실질적으로 같은 면적 및 같은 모양을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 광 섬유 코어(2000)는 상기 제 2 코어층(200)의 상기 경계면(210)의 중심점이 상기 광 섬유 코어(2000)의 중심축 상에 위치하도록 정렬될 수 있다.
상술한 실시예들에 따르면, 상기 광 연결 소자(1000)와 상기 광 섬유 코어(2000) 사이의 광 연결은 상기 광 연결 소자(1000)의 측면(즉, 상기 제 2 코어층(200)의 상기 경계면(210))을 통해 구현된다. 일 측면에 따르면, 리지(ridge) 구조를 갖는 상기 제 1 도파로 부분(111)을 통해 들어오는 광은 역 테이퍼 구조를 갖는 상기 제 2 도파로 부분(112)을 지나면서 증가된 모드 크기를 가질 수 있다. 즉, 모드 크기는 상기 팁(115)의 위치에서 최대로 증가된 후 상기 광 섬유 코어(2000)로 입사될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제 1 코어층(100)이 상기 제 1 및 제 2 도파로 부분들(111, 112)의 경계에서 상기 계단형 영역(130)을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 슬랩 부분(120)은 상기 제 2 영역(12)에서 제거되어 상기 하부층(10)의 상부면을 노출시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제 2 코어층(200)에 의해 덮이는 상기 제 2 도파로 부분(112)의 측벽 높이는 상기 클래드층(300)에 의해 덮이는 상기 제 1 도파로 부분(111)의 측벽 높이보다 클 수 있다. 상기 계단형 영역(130)이 존재하는 경우, 아래에서 도 5 내지 도 9를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것처럼, 상기 제 2 도파로 부분(112)을 지나는 광 모드는 원형에 가까운 프로파일을 갖도록 변형될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제 2 코어층(200)의 상기 경계면(210)은 상기 광 섬유 코어(2000)와 유사한 크기를 갖도록 구성될 수 있으며, 이러한 모드 크기 매치의 결과로서, 광 연결에 있어서의 광 손실을 줄일 수 있다.
상기 광 섬유 코어(2000)로부터 상기 광 연결 소자(1000)로 전송되는 광의 경우에 있어서도, 이러한 감소된 광 손실 특성을 구현할 수 있다. 즉, 상기 광 섬유 코어(2000)와 상기 제 2 코어층(200)이 모드 크기 매칭을 구현하도록 구성되기 때문에, 상기 광 섬유 코어(2000)로부터 입사된 광(예를 들면, 싱글 모드의 광)은 감소된 광 손실 특성을 가지고, 상기 제 2 코어층(200) 및 상기 제 2 도파로 부분(112)의 상기 팁(115)을 경유하여, 상기 제 1 도파로 부분(111)로 전송될 수 있다.
도 5 내지 도 8은 도 1 내지 도 4의 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역(Finite-difference time-domain; FDTD) 방식의 분석 결과들을 도시하는 도면들이고, 도 9은 비교예에 따른 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역 방식의 분석 결과를 도시하는 도면이다.
보다 구체적으로, 도 5는 도 1의 점선 I-I'을 따라 측정된 본 발명에 따른 광 연결 소자의 FDTD 분석 결과를 도시하고, 도 6 내지 도 9는 도 1의 점선 II-II'에 평행한 평면들에서 측정된 본 발명에 따른 광 연결 소자의 FDTD 분석의 결과를 도시한다. 이때, 도 9를 얻는데 사용된 광 연결 소자는, 상기 계단형 영역(130)이 없다는 점을 제외하면, 도 1의 광 연결 소자와 동일하게 구성되었다. 또한, 도 8 및 도 9는 모두 상기 팁(115)의 위치를 지나는 도 1의 점선 II-II'에 평행한 평면들에서의 FDTD 분석 결과들이다.
도 5에 도시된 것처럼, 모드 크기는 (상기 제 1 도파로 부분(111)에 상응하는) 좌측으로부터 (상기 경계면(210)에 상응하는) 우측으로 갈수록 증가하였다. 이러한 모드 크기의 증가는 도 6 내지 도 8을 통해서도 확인할 수 있다. 예를 들면, 도 8에 도시된 것처럼, 모드 크기는 상기 팁(115)의 위치에서 대략 3 mm x 3 mm였다. 이에 더하여, 도 8에 도시된 것처럼, 상기 계단형 영역(130)을 갖는 본 발명에 따른 광 연결 소자의 경우, 상기 팁(115)의 위치에서의 모드 형태는 원형에 가까웠다.
반면, 도 9에 도시된 것처럼, 상기 계단형 영역(130)이 없는 광 연결 소자의 경우, 상기 팁(115)의 위치에서, 모드 형태는 타원형에 가까웠으며, 모드 크기는 대략 0.8 mm x 3.5 mm였다. 이에 따라, 싱글모드 광 섬유로의 광 연결에서, 미스 매칭에 의한 광 손실이 발생할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 연결 소자를 도시하는 평면도이고, 도 11은 도 10의 점선 I-I'을 따라 보여지는 단면도이고, 도 12는 도 10의 점선 II-II'을 따라 보여지는 단면도이다. 설명에서의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 실시예들과 동일한, 이 실시예에 따른 광 연결 소자의 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 이 실시예에 따른 광 연결 소자(1000)는 광 섬유 코어(2000)의 절단면(2010)을 마주보도록 배치되며, 하부층(10) 상에 형성된 제 1 코어층(100), 상기 제 1 코어층(100) 상에 형성된 클래드층(300), 및 상기 하부층(10)과 상기 클래드층(300) 사이에 개재되어 상기 제 1 코어층(100)의 일부분을 덮는 제 2 코어층(205)을 포함한다. 이 실시예에 따른 상기 하부층(10), 상기 제 1 코어층(100), 및 상기 클래드층(300)은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 앞선 실시예의 그것들과 동일한 기술적 특징을 갖도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 코어층(205)은 상기 제 1 코어층(100)의 상기 제 2 도파로 부분(112)을 덮도록 형성된다. 예를 들면, 상기 제 2 도파로 부분(112)의 상부면 및 측면들은 상기 제 2 코어층(205)에 의해 덮일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 제 2 코어층(205)은 상기 제 1 영역(11)으로 연장되어, 상기 제 2 도파로 부분(112)에 인접하는 상기 제 1 도파로 부분(111)의 일부분을 덮을 수도 있다.
상기 제 2 코어층(205)은 상기 제 1 코어층(100)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 상기 제 2 코어층(205)은 상기 제 1 코어층(100)에 대해 클래드로서 기능할 수 있다. 또한, 상기 클래드층(300)은 상기 제 2 코어층(205)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 상기 클래드층(300)은 상기 제 2 코어층(205)에 대해 클래드로서 기능할 수 있다.
상기 제 2 코어층(205)은 상기 광 섬유 코어(2000)의 상기 절단면(2010)을 마주보는 경계면(interface)(210)을 갖는다. 도 10에 도시된 것처럼, 상기 경계면(210)의 수평 폭은 상기 절단면(2010)의 그것과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 11에 도시된 것처럼, 상기 경계면(210)의 수직 두께는 상기 절단면(2010)의 그것과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 코어층(205)의 상기 경계면(210)은 상기 광 섬유 코어(2000)의 상기 절단면(2010)과 실질적으로 같은 면적 및 같은 모양을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 광 섬유 코어(2000)는 상기 제 2 코어층(205)의 상기 경계면(210)의 중심점이 상기 광 섬유 코어(2000)의 중심축 상에 위치하도록 정렬될 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 제 2 코어층(205)의 수평 폭은 상기 광 섬유 코어(2000)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 코어층(205)은 테이퍼 구조를 갖도록 구성될 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 도파로 부분들(111, 112)의 경계 근방에서 최소의 수평 폭을 가질 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 광 연결 소자(1000)와 상기 광 섬유 코어(2000) 사이의 광 연결은 상기 광 연결 소자(1000)의 측면(즉, 상기 제 2 코어층(205)의 상기 경계면(210))을 통해 구현된다. 일 측면에 따르면, 리지(ridge) 구조를 갖는 상기 제 1 도파로 부분(111)을 통해 들어오는 광은 역 테이퍼 구조를 갖는 상기 제 2 도파로 부분(112)을 지나면서 증가된 모드 크기를 가질 수 있다. 즉, 모드 크기는 상기 팁(115)의 위치에서 최대로 증가된 후 상기 광 섬유 코어(2000)로 입사될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제 1 코어층(100)이 상기 제 1 및 제 2 도파로 부분들(111, 112)의 경계에서 상기 계단형 영역(130)을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 슬랩 부분(120)은 상기 제 2 영역(12)에서 제거되어 상기 하부층(10)의 상부면을 노출시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제 2 코어층(205)에 의해 덮이는 상기 제 2 도파로 부분(112)의 측벽 높이는 상기 클래드층(300)에 의해 덮이는 상기 제 1 도파로 부분(111)의 측벽 높이보다 클 수 있다. 상기 계단형 영역(130)이 존재하는 경우, 도 5 내지 도 9를 참조하여 설명된 것처럼, 상기 제 2 도파로 부분(112)을 지나는 광 모드는 원형에 가까운 프로파일을 갖도록 변형될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제 2 코어층(205)의 상기 경계면(210)은 상기 광 섬유 코어(2000)와 유사한 크기를 갖도록 구성될 수 있으며, 이러한 모드 크기 매치의 결과로서, 광 연결에 있어서의 광 손실을 줄일 수 있다.
상기 광 섬유 코어(2000)로부터 상기 광 연결 소자(1000)로 전송되는 광의 경우에 있어서도, 이러한 감소된 광 손실 특성을 구현할 수 있다. 즉, 상기 광 섬유 코어(2000)와 상기 제 2 코어층(205)이 모드 크기 매칭을 구현하도록 구성되기 때문에, 상기 광 섬유 코어(2000)로부터 입사된 광(예를 들면, 싱글 모드의 광)은 감소된 광 손실 특성을 가지고, 상기 제 2 코어층(205) 및 상기 제 2 도파로 부분(112)의 상기 팁(115)을 경유하여, 상기 제 1 도파로 부분(111)로 전송될 수 있다. 특히, 상기 제 2 코어층(205)의 상기 테이퍼 구조에 의해, 상기 광 전송은 양 방향 모두에서 효과적으로 구현될 수 있다.
도 13 및 도 14은 본 발명의 또다른 실시예들에 따른 광 연결 소자들을 도시하는 단면도들이고, 도 15 및 도 16은 도 13 또는 도 14의 광 연결 소자에 대해 실시한 유한차분 시간구역 방식의 분석 결과를 도시하는 도면들이다. 설명에서의 간결함을 위해, 이 실시예들에 따른 광 연결 소자들의 앞서 기술된 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 수 있다.
도 13 및 도 14을 참조하면, 이들 실시예들에 따른 광 연결 소자들(1000)은 그것의 상부면을 통해 상기 광 섬유 코어(2000)의 상기 절단면(2010)을 마주보도록 배치된다. 예를 들면, 상기 광 섬유 코어(2000)은 상기 광 연결 소자(1000)의 상부에 배치되며, 상기 절단면(2010)은 상기 하부층(10) 또는 상기 클래드층(300)의 상부면에 실질적으로 평행할 수 있다.
상기 광 연결 소자(1000)의 상기 제 2 코어층(200)은, 상기 하부층(10) 또는 상기 클래드층(300)의 상부면에 대해 경사진, 반사면(220)을 갖도록 형성된다. 상기 반사면(220)에 의해, 상기 제 2 도파로 부분(112)으로부터 나오는 또는 그곳으로 입사되는 광의 경로는 수평 방향에서 (예를 들면) 수직 방향으로 변경될 수 있다. 도 15 및 도 16에 도시된 유한차분 시간구역의 분석 결과들은 이러한 광로의 변경이 양방향 모두에서 유효하게 구현될 수 있음을 보여준다. 이런 점에서, 이 실시예들에서의 상기 반사면(220)은 광을 투과시키도록 구성되는 앞선 실시예들의 상기 경계면(210)과 구별된다.
상기 반사면(220)은 다양한 방법들 중의 하나를 통해 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사면(220)을 형성하는 단계는 쏘잉(sawing) 기술 또는 연마(polishing) 기술 중의 적어도 하나를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 또는, 상기 반사면(220)을 형성하는 단계는 상기 하부층(10) 상에 경사진 표면을 갖는 희생 패턴을 형성한 후, 상기 희생 패턴을 주형(mold)으로 사용하여 상기 제 2 코어층(200)을 형성한 후, 상기 희생 패턴을 선택적으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 희생 패턴은 상기 제 1 코어층(100)의 일부분 또는 그것으로부터 에피-성장된 패턴일 수 있다.
한편, 일부 실시예들에 따르면, 상기 광 섬유 코어(2000)는 상기 하부층(10) 또는 상기 클래드층(300)의 상부면 및 그 법선 모두에 평행하지 않을 수 있다. 즉, 상기 광 섬유 코어(2000)는 상기 광 연결 소자(1000)에 대해 경사진 각도를 형성하도록 배치될 수 있다. 상기 반사면(220)의 경사각은 상기 광 섬유 코어(2000)의 이러한 경사진 배치에 대응하도록 조절될 수 있다.
이에 더하여, 일부 실시예들에 따르면, 도 14에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 반사면(220) 상에는 반사체(250)가 더 배치될 수 있다. 상기 반사체(250)는 고반사율을 갖는 물질(예를 들면, 금속)로 형성될 수 있으며, 상기 반사면(220)을 덮도록 형성될 수 있다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 또다른 실시예들에 따른 광 연결 소자들을 도시하는 단면도들이다. 아래에서 설명될 점을 제외하면, 이 실시예들에 따른 광 연결 소자들은 도 13 및 도 14를 참조하여 설명된 실시예들의 그것들과 실질적으로 동일할 수 있으며, 따라서, 설명에서의 간결함을 위해, 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 것이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 상기 제 2 코어층(200)은 상기 반사면(220)을 정의하는 슬릿(SL)을 가질 수 있다. 즉, 상기 슬릿(SL)은 상기 하부층(10) 또는 상기 클래드층(300)의 상부면에 대해 경사지게 형성될 수 있으며, 상기 슬릿(SL)의 일 표면이 상기 반사면(220)으로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 슬릿(SL)은 상기 제 2 코어층(200)을 쏘잉(sawing)함으로써 형성될 수 있다.
상기 제 2 코어층(200)은 상기 슬릿(SL)에 의해 광의 전달 경로로서 사용되는 제 1 부분 및 상기 제 1 부분으로부터 이격된 제 2 부분(202)으로 구분될 수 있다. 또한, 상기 제 2 코어층(200)의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분(202)은 그것의 아래에 위치하는 상기 하부층(100)에 부착됨으로써, 이들 사이의 상대적 배치는 고정될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 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 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1000: 광 연결 소자 10: 하부층
11: 제 1 영역 12: 제 2 영역
100: 제 1 코어층 110: 도파로 부분
111: 제 1 도파로 부분 112: 제 2 도파로 부분
115: 팁 120: 슬랩 부분
130: 계단형 영역 200: 제 2 코어층
210: 경계면 300: 클래드층
2000: 광 섬유 코어 2010: 절단면
11: 제 1 영역 12: 제 2 영역
100: 제 1 코어층 110: 도파로 부분
111: 제 1 도파로 부분 112: 제 2 도파로 부분
115: 팁 120: 슬랩 부분
130: 계단형 영역 200: 제 2 코어층
210: 경계면 300: 클래드층
2000: 광 섬유 코어 2010: 절단면
Claims (19)
- 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖는 하부층;
상기 제 1 및 제 2 영역들 상에 각각 배치되는 제 1 및 제 2 도파로들을 구비하면서, 상기 하부층 상에 배치되는 제 1 코어층;
상기 제 1 도파로를 덮는 클래드층; 및
상기 클래드층과 상기 하부층 사이에 개재되어 상기 제 2 도파로를 덮는 제 2 코어층을 포함하되,
상기 제 2 도파로는 상기 제 1 영역으로부터 멀어질수록 감소하는 폭을 갖고 상기 제 1 도파로보다 큰 수직 두께를 갖는 광 연결 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 코어층은 상기 제 1 도파로의 양측에 배치되어 상기 하부층의 상기 제 1 영역을 덮는 슬랩 부분을 더 포함하는 광 연결 소자. - 청구항 2에 있어서,
상기 제 1 도파로와 상기 슬랩 부분의 상부면들 사이의 높이 차이는 상기 제 2 도파로의 수직 두께보다 작은 광 연결 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 슬랩 부분은 상기 하부층의 상기 제 2 영역을 노출시키도록 형성되는 광 연결 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 도파로는 테이퍼진 구조를 갖도록 형성되어 상기 제 1 도파로로부터 이격된 팁을 구비하고, 상기 제 2 도파로의 상기 팁은 상기 제 2 코어층에 의해 덮이는 광 연결 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 코어층은 외부 광 섬유에 대향하도록 배치되는 바깥 표면을 갖되,
상기 제 2 코어층의 상기 바깥 표면은 상기 외부 광 섬유의 코어에 상응하는 면적을 갖는 광 연결 소자. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 2 도파로의 종축 방향을 따라 측정되는 상기 제 2 코어층의 수평 폭은 실질적으로 균일한 광 연결 소자. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 2 도파로의 종축 방향을 따라 측정되는 상기 제 2 코어층의 수평 폭은 상기 제 1 도파로에 가까울수록 감소하는 광 연결 소자. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 2 도파로는 상기 제 2 코어층의 상기 바깥 표면 및 상기 제 1 도파로로부터 이격된 팁을 갖는 광 연결 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 코어층은 실리콘으로 형성되고,
상기 제 2 코어층은 상기 제 1 코어층보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 형성되고,
상기 클래드층은 상기 제 2 코어층보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 형성되는 광 연결 소자. - 제 1 및 제 2 도파로들을 구비하는 제 1 코어층;
상기 제 1 도파로를 덮는 클래드층; 및
상기 제 2 도파로를 덮는 제 2 코어층을 포함하되,
상기 제 2 도파로는 상기 제 1 도파로로부터 멀어질수록 감소하는 폭을 갖고 상기 제 1 도파로보다 큰 수직 두께를 갖고,
상기 제 2 코어층은 상기 제 2 도파로의 종축 방향 상에 위치하는 반사면을 갖되, 상기 반사면은 상기 제 2 도파로의 종축 방향에 경사지게 형성되는 광 연결 소자. - 청구항 11에 있어서,
상기 제 2 코어층의 상기 반사면의 경사각은 입사 광의 진행 방향을 상기 제 2 도파로에 평행한 방향에서 상기 클래드층의 상부면에 실질적으로 수직한 방향으로 변경시키도록 구성되는 광 연결 소자. - 청구항 11에 있어서,
높은 반사율을 갖는 물질로 형성되면서 상기 반사면을 덮는 반사체를 더 포함하는 광 연결 소자. - 청구항 11에 있어서,
상기 제 2 코어층은 그것의 상부면에 경사지게 형성되는 슬릿을 갖도록 형성되되, 상기 슬릿의 일 표면은 상기 반사면으로 이용되는 광 연결 소자. - 청구항 11에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 코어층들의 아래에 배치되는 하부층을 더 포함하고,
상기 제 2 코어층은 상기 슬릿의 양측에 각각 배치되고 상기 하부층에 부착되는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 부분들 사이의 상대적 배치는 상기 하부층에 의해 고정되는 광 연결 소자. - 적어도 하나의 광 소자;
상기 광 소자에 연결된 제 1 도파로;
상기 제 1 도파로로부터 연장되는 제 2 도파로;
상기 제 1 및 제 2 도파로들 상에 배치되는 클래드층;
상기 클래드층과 상기 제 2 도파로 사이에 개재되어 상기 제 2 도파로를 덮는 제 3 도파로를 포함하되,
상기 클래드층은 상기 제 1 및 제 2 도파로들보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 형성되고, 상기 제 3 도파로는 상기 제 2 도파로보다 작고 상기 클래드층보다 큰 굴절률을 갖는 물질로 형성되고,
상기 제 2 도파로는 상기 제 1 도파로로부터 멀어질수록 감소하는 폭을 갖고 상기 제 1 도파로보다 큰 수직 두께를 갖는 실리콘 포토닉스 칩. - 청구항 16에 있어서,
상기 제 1 도파로의 양쪽 측벽들을 덮는 슬랩 도파로를 더 포함하되,
상기 제 1 도파로와 상기 슬랩 도파로의 상부면들 사이의 높이 차이는 상기 제 2 도파로의 수직 두께보다 작은 실리콘 포토닉스 칩. - 청구항 16에 있어서,
상기 제 3 도파로는 상기 제 2 도파로의 종축 방향 상에 위치하는 반사면을 갖되, 상기 반사면은 상기 제 2 도파로의 종축 방향에 경사지게 형성되는 실리콘 포토닉스 칩. - 청구항 18에 있어서,
높은 반사율을 갖는 물질로 형성되면서 상기 반사면을 덮는 반사체를 더 포함하는 실리콘 포토닉스 칩.
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