KR20150055389A - 편광 모드 제어 기능을 이용한 평면 도파로 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 - Google Patents

편광 모드 제어 기능을 이용한 평면 도파로 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 Download PDF

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Abstract

집적형 광 아이솔레이터(Optical Isolator)는 제1 광 도파로(Optical Waveguide)를 통하여 미리 설정된 방향으로 입사되는 빛을 편광 상태에 따라 TE(Transverse Electric Wave; TE) 편광 또는 TM(Transverse Magnetic Wave; TM) 편광으로 분리하여 상기 제1 광 도파로 및 상기 제1 광 도파로와 구별되는 제2 광 도파로를 통하여 전송하는 편광 모드 분파기; 상기 편광 모드 분파기에서 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로로 분리되어 전송된, 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하거나 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하는 편광 모드 회전기; 및 상기 편광 모드 회전기에서 변환된, 상기 TM 편광 및 상기 TE 편광을 병합하여 상기 제1 광 도파로와 구별되는 제2 광 도파로를 통하여 출력하는 편광 모드 결합기를 포함하고, 상기 편광 모드 분파기, 상기 편광 모드 회전기 및 상기 편광 모드 결합기는 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로로 연결되어, 상기 미리 설정된 방향의 역방향으로 입사되는 빛은 상기 제2 광 도파로를 통하여 출력되도록 한다.

Description

편광 모드 제어 기능을 이용한 평면 도파로 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터{INTEGRATABLE PLANAR WAVEGUIDE-TYPE OPTICAL ISOLATOR AND CIRCULATOR WITH POLARIZATION-MODE CONTROL}
본 발명은 편광 모드 제어 기능을 이용한 평면 도파로 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 광원 또는 광신호처리 소자들과의 집적이 가능하며, 광원에서 입사된 빛이 진행 방향으로 나아갈 때는 빛을 통과시키고, 광원을 향해서 빛이 반사되어 되돌아가는 것을 차단하는 광 아이솔레이터 및 그 생성 방법에 대한 기술이다.
온-칩(On-Chip)형 광 아이솔레이터는 실리콘 광 도파로 기반 광자 집적 소자로 사용되어 광배선 및 광통신, 광신호 처리, 광센서 등에서 중요한 역할을 한다. 광 아이솔레이터는 광원에서 입사된 빛이 진행하는 과정에서 반사된 빛이 광원으로 입사되어 광원에 손상을 주는 것을 막는 역할뿐만 아니라, 고속 및 정밀 광신호 발생에 나쁜 영향을 미치는 것을 차단해 주는 역할을 한다. 자기광학효과(Magneto-Optic Effect)에서의 패러데이 회전 기능(Faraday Rotator)을 이용한 벌크 광학계형 광 아이솔레이터는 널리 사용되고 있다. 하지만, 다른 광 소자들과의 집적이 가능한 광자 집적 회로용 평면 도파로형 광 아이솔레이터는 현재 여러 방법으로 개발 중에 있으나, 아직 실용화하기에는 적절한 집적형 광 아이솔레이터가 없는 상황이다.
종래의 집적형 광 아이솔레이터 기술로는 실리콘 도파로 위에 Ce(Cerium):YIG(Yttrium Iron Garnet) 등의 자기 광학 물질을 증착하거나, 접착한 후 자석을 부착하여 자기장을 걸어 주는 방법들이 있다. 자기광학 효과로 인해 링형 광 도파로에서 서로 반대 방향으로 진행하는 빛의 편광 회전 방향이 달라져 이에 따라 굴절률 값이 달라서 비가역적인 위상변화로 출력되는 투과 파장이 달라지는 것을 이용한다. 그러나 자기광학 물질은 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기반의 포토닉 플랫폼에 집적하기가 어렵기 때문에 이를 위한 하이브리드 집적 및 본딩 기술이 필요하며 삽입 손실이 크고 광 아이솔레이션이 낮다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 집적형 광 아이솔레이터 기술로는 링형 공진기와 실리콘의 열광학 효과를 이용한 방법이 있다. 소자는 좁은 선폭을 가진 노치(Notch) 필터 특성의 링형 공진기와 비대칭 애드-드롭(add-drop) 필터 특성의 링형 공진기로 구성되어있다. 링형 공진기에서 발생하는 강한 비선형 광학 효과로 인해 공진 파장이 적색 편이하는 특성을 이용하여 서로 반대 방향으로 진행하는 광신호의 투과 파장 특성이 달라지는 현상을 이용한다. 그러나, 광 아이솔레이터 대역폭이 링형 공진기의 대역폭과 거의 동일하여 아주 좁은 단점이 있고, 제조 결함에 의한 공진 조건 변화에 상대적으로 민감하며, 공진 조건 변화를 조절하기 위해 공진기 부분에 마이크로 히터 등을 집적하여 온도 조절을 통해 공진 파장을 조절해야 하기 때문에, 링형 공진기 내에서 비선형 광학 효과를 일으키기 위해 입력 광신호의 파워가 제한되는 단점이 있다.
또한, 종래의 집적형 광 아이솔레이터 기술로는 실리콘 광 기판 상에 형성된 서로 다른 광자 결정 배열 구조를 가진 2차원 광자 결정 경계면에서의 광산란 정도의 차이에 기반한 비가역성을 이용하는 방법이 있다. 이 방법에서는 기본적으로 빛의 산란 특성을 이용하기 때문에, 광 손실이 큰 단점이 있다.
또한, 종래의 집적형 광 아이솔레이터 기술로는 광 도파로 방향성 결합기를 이용한 편광 모드 분파기, 강자성 반도체 소재를 이용한 비가역적 편광 모드 회전기 및 가역적 편광 모드 회전기로 구성된 집적형 광 아이솔레이터 구조가 있다. 이 구조에서는 강자성을 가진 실리콘이나 게르마늄 등의 적층 구조가 필요하고, 출력 광신호가 편광 모드 빔에 따라 분리되어 나오기 때문에, 광신호 손실이 큰 단점이 있다.
또한, 종래의 집적형 광 아이솔레이터 기술로는 집적형 편광 무의존성 광 도파로형 광 아이솔레이터 및 편광 회전기로 마하젠더 간섭계와 비대칭적인 자기 광학 광 도파로 구조를 이용하여 입출력단 사이에 한 방향의 광신호 전송이 가능한 광 아이솔레이터 기능과 출력단에서 반대편으로 입사되는 빛은 기존 입력단이 아닌 다른 출력단으로 빛 신호가 출력되도록 하는 광 서큘레이터 기능이 가능한 구조가 있다. 이 구조에서는 비대칭적인 자기 광학 광 도파로의 형성이 필요하기 때문에, 기존의 CMOS 공정만을 이용하여 제작하기가 용이하지 않은 단점이 있다.
또한, 종래의 집적형 광 아이솔레이터 기술로는 강자성 물질과 인화인듐(InP) 계열의 화합물 반도체를 이용한 광 도파로 구조에 자기장에 의해 작동되는 파라데이 편광 회전 및 광 아이솔레이션 구조가 있다. 이 구조 역시 강자성 물질을 사용하기 때문에, 기존의 CMOS 공정만을 이용하여 제작하기가 용이하지 않은 단점이 있다.
또한 종래의 편광 소자 기술로는 3개의 코어를 가진 광 도파로 방향성 결합기(Optical Coupler)에서의 편광 분리 기능이 제안되고, 3개의 코어형 광 도파로 방향성 결합기에서 가운데 다리 기능의 광 도파로에 플라즈모닉 광 도파로를 하이브리드 집적한 구조로 편광 분리형 집적 소자 구조가 제안된 바 있으나, 단지 편광 분리 기능만 다루고 있다. 또한, 비대칭적으로 테이퍼링(Tapering)된 실리콘 광 도파로와 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)로 씌워진 비대칭적인 이중 광 도파로 구조로 구성된 편광 회전기가 제안되고, 실리콘 광 도파로와 은 박막층을 이용한 하이브리드형 플라즈모닉 편광 회전기로 수평 편광인 TM(Transverse Magnetic Wave) 모드를 수직 편광인 TE(Transverse Electric Wave) 모드로 편광을 회전시키는 편광 회전기가 제안되며, 단열 테이퍼 및 비대칭형 방향성 커플러를 이용한 편광 회전기가 제안된 바 있으나, 이들 소자 구조들도 단지 편광 회전 기능만 다루고 있다. 이러한 편광 분리 및 회전 소자들은 광원에서 입사되는 빛이 한 쪽 방향으로만 진행되고, 반사되는 빛을 차단하는 광 아이솔레이터의 기능을 하지 못한다.
이에, 본 명세서에서는 편광 모드 분파기/결합기 및 편광 모드 회전기를 이용하는 집적형 광 아이솔레이터 및 그 생성 방법을 제안한다.
표 1은 종래의 기술이 기재된 참고 문헌과 본 발명과의 차이점을 나타낸다.
관련자료 (참고 문헌, 학회지 등) 참고 문헌 명, 저자, 페이지 등 기 술 요 약 참고 문헌과 비교시 본 발명의 특징
Opt. Express 20, 25345 (2012) 3개의 코어를 가진 광 도파로 방향성 결합기에서 가운데 다리 기능의 광 도파로에 플라즈모닉 광 도파로를 하이브리드 집적한 구조로 편광 분리형 집적 소자 구조를 제안하고 있음. 이 기존 기술에서는 단지 편광 분리 기능형 광 도파로 소자만 제안하고 있는 반면에 본 발명에서는 편광 분리 기능 구조에서는 플라즈모닉 구조 없는 저손실형 구조를 이용하고, 편광 모드 회전기를 집적한 광 아이솔레이터 구조를 제안하고 있는 점이 차별화됨.
Opt. Lett. 38, 4054 (2013) 실리콘 광 도파로와 은 박막층을 이용한 하이브리드형 플라즈모닉 편광 회전기로 TM 모드를 TE 모드로 편광을 실험적으로 회전한 결과를 보고함. 이 기존 기술에서는 실리콘 광 도파로와 은 박막층을 이용한 하이브리드형 플라즈모닉 구조로 TM -> TE 모드 편광 회전기만 구현하였으나, 본 발명에서는 편광 모드 분파기와 편광 모드 회전기의 특성을 활용한 광 아이솔레이터 기능의 구조를 제안한 점이 주된 차이임.
Opt. Express 16, 2628 (2008) 비대칭적으로 테이퍼링(tapering)된 실리콘 광 도파로와 SiON로 덧씌워진 비대칭적인 이중 광 도파로 구조로 편광 회전이 가능한 구조를 제안하고 있음. 이 기존 기술에서는 비대칭적으로 테이퍼링 (tapering)된 실리콘 광 도파로와 SiON로 덧씌워진 비대칭적인 이중 광 도파로 구조로 편광 회전기 구조를 제안함에 반해 본 발명에서는 편광 분파기와 플리즈모닉스와 실리콘 광 도파로의 하이브리드형 편광 회전기의 특성을 활용한 광 아이솔레이터 기능의 구조를 제안한 점이 주된 차이임.
본 발명의 실시예들은 광원 또는 광신호처리 소자들과의 집적이 가능하며, 광원에서 입사된 빛이 진행 방향으로 나아갈 때는 빛을 통과시키고, 광원을 향해서 빛이 반사되어 되돌아가는 것을 차단하는 광 아이솔레이터, 그 생성 방법 및 그 생성 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 편광 분리 및 결합하는 편광 모드 분파기/결합기 및 편광을 변환하는 편광 모드 회전기를 포함함으로써, 낮은 삽입 손실(Insertion Loss; IL), 높은 편광 소멸 계수(Polarization Extinction Ratio; PER) 및 넓은 동작 대역폭을 갖고, 수 마이크로미터 크기의 작은 소자로 제작 가능한 광 아이솔레이터, 그 생성 방법 및 그 생성 시스템을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터(Optical Isolator)는 제1 광 도파로(Optical Waveguide)를 통하여 입사되는 빛을 편광 상태에 따라 서로 수직인 TE(Transverse Electric Wave; TE) 편광 또는 TM(Transverse Magnetic Wave; TM) 편광으로 분리하는 편광 모드 분파기; 상기 편광 모드 분파기에서 분리된, 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하거나 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하는 편광 모드 회전기; 및 상기 편광 모드 회전기에서 변환된, 상기 TM 편광 및 상기 TE 편광을 병합하여 상기 제1 광 도파로와 구별되는 제2 광 도파로를 통하여 출력하는 편광 모드 결합기를 포함하고, 상기 편광 모드 분파기, 상기 편광 모드 회전기 및 상기 편광 모드 결합기는 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로로 연결된다.
상기 편광 모드 회전기는 미리 설정된 방향으로 진행하는 상기 TE 편광 및 상기 TM 편광 각각에 대해서만 변환할 수 있다.
상기 편광 모드 분파기는 상기 제1 광 도파로를 통하여 입사되는 빛으로부터 분리된 상기 TM 편광을 상기 제2 광 도파로로 전송하는 통로인 분리 다리 도파로를 포함할 수 있다.
상기 편광 모드 회전기는 상기 제2 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하는 TM/TE 회전기; 및 상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하는 TE/TM 회전기를 포함할 수 있다.
상기 편광 모드 결합기는 상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TM 편광을 상기 제2 광 도파로로 전송하는 통로인 결합 다리 도파로를 포함하고, 상기 편광 모드 결합기는 상기 결합 다리 도파로를 통하여 전송받은 상기 TM 편광을 상기 제2 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TE 편광에 병합하여 상기 제2 광 도파로를 통하여 출력할 수 있다.
상기 편광 모드 회전기는 높은 굴절률의 유전체 코어 광 도파로; 상기 높은 굴절률의 유전체 코어 광 도파로 상부에 배치되는 낮은 굴절률의 유전체 층(Thin Low-index Dielectric Layer); 및 상기 낮은 굴절률의 유전체 층 상부에 배치되는 금속 플라즈모닉 층(Metal Plasmonics Layer)을 포함할 수 있다.
상기 편광 모드 회전기는 단열 테이퍼(Adiabatic Taper); 및 비대칭형 방향성 결합기(Asymmetric Directional Coupler)를 포함할 수 있다.
상기 집적형 광 아이솔레이터는 상기 편광 모드 결합기에서 출력되는, 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하거나, 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하는 상기 편광 모드 회전기와 구별되는 다른 편광 모드 회전기를 더 포함할 수 있다.
미리 설정된 방향의 역방향으로 상기 제2 광 도파로를 통하여 빛이 입사되는 경우, 상기 편광 모드 결합기는 상기 제2 광 도파로를 통하여 상기 입사되는 빛을 상기 편광 상태에 따라 상기 TE 편광 또는 상기 TM 편광으로 분리하고, 상기 분리된 TM 편광을 결합 다리 도파로를 통하여 상기 제1 광 도파로 전송하며, 상기 편광 모드 분파기는 상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TM 편광을 분리 다리 도파로를 통하여 상기 제2 광 도파로로 전송함으로써, 상기 TE 편광 및 상기 TM 편광을 병합하여 상기 제2 광 도파로를 통하여 출력하여 광 서큘레이터 기능을 수행할 수 있다.
상기 편광 모드 결합기는 편광 빔의 결합 길이(Coupling Length)를 조절함으로써, 상기 편광 모드 회전기를 지나서 상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 편광 빔은 그대로 진행하도록 하고, 상기 편광 모드 회전기를 지나서 상기 제2 광 도파로를 통하여 전송받은 편광 빔은 상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 편광 빔에 결합되도록 하여, 결합된 빔이 상기 제1 광 도파로를 통하여 출력되도록 하며, 상기 제1 광 도파로의 역방향으로 입사되는 빛은 상기 제2 광 도파로를 통하여 출력되도록 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터(Optical Isolator)를 생성하는 방법은 빛이 입사되는 제1 광 도파로(Optical Waveguide) 및 상기 제1 광 도파로와 구별되어 빛이 출력되는 제2 광 도파로를 배치하는 단계; 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로의 입력단 부분에 상기 제1 광 도파로를 통하여 입사되는 빛을 편광 상태에 따라 TE(Transverse Electric Wave; TE) 편광 또는 TM(Transverse Magnetic Wave; TM) 편광으로 분리하는 편광 모드 분파기를 배치하는 단계; 상기 편광 모드 분파기의 다음에, 상기 편광 모드 분파기에서 분리된, 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하거나 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하는 편광 모드 회전기를 배치하는 단계; 및 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로의 출력단 부분에, 상기 편광 모드 회전기의 다음으로, 상기 편광 모드 회전기에서 변환된, 상기 TM 편광 및 상기 TE 편광을 병합하여 상기 제2 광 도파로를 통하여 출력하는 편광 모드 결합기를 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 광원 또는 광신호처리 소자들과의 집적이 가능하며, 광원에서 입사된 빛이 진행 방향으로 나아갈 때는 빛을 통과시키고, 광원을 향해서 빛이 반사되어 되돌아가는 것을 차단하는 광 아이솔레이터, 그 생성 방법 및 그 생성 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 편광 분리 및 결합하는 편광 모드 분파기/결합기 및 편광을 변환(회전)하는 편광 모드 회전기를 포함함으로써, 낮은 삽입 손실(Insertion Loss; IL), 높은 편광 소멸 계수(Polarization Extinction Ratio; PER) 및 넓은 동작 대역폭을 갖고, 수 마이크로 미터 크기의 작은 소자로 제작 가능한 광 아이솔레이터, 그 생성 방법 및 그 생성 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 편광 모드 회전기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 편광 모드 회전기를 나타낸 도면이다.
도 4는 편광 모드 회전기가 구비되지 않은 경우, 광 아이솔레이터에서 입사되는 빛의 편광 상태에 따른 출력된 빛의 전기장 분포를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터에 포함되는 TE/EM 회전기에서 입사되는 빛의 편광 상태에 따른 출력된 빛의 전기장 분포를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 분리 다리 도파로 및 결합 다리 도파로의 폭에 따른 삽입 손실 및 편광 소멸 비율을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터를 생성하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 미리 설정된 방향인 정방향으로 빛이 입사되는 경우(110), 집적형 광 아이솔레이터는 제1 광 도파로(111) 및 제1 광 도파로(111)과 구별되는 제2 광 도파로(112)를 통하여 연결되는 편광 모드 분파기(120), 편광 모드 회전기(130) 및 편광 모드 결합기(140)를 포함한다. 여기서, 제1 광 도파로(111)의 입력단 부분은 광원으로부터 빛이 입사되는 입력단으로, 편광 모드 분파기(120)에서 제1 광 도파로(111)는 수직 편광인 TE 편광 모드 진행 도파로일 수 있고, 편광 모드 분파기(120)에서 제2 광 도파로(112)는 수평 편광인 TM 편광 모드 진행 도파로일 수 있다. 또한, 제2 광 도파로(112)의 출력단 부분은 빛이 출력되는 출력단일 수 있다.
편광 모드 분파기(120)는 제1 광 도파로(111)를 통하여 입사되는 빛을 편광 상태에 따라 수직 편광 빔인 TE 편광 또는 수평 편광 빔인TM 편광으로 분리한다. 예를 들어, 편광 모드 분파기(120)는 평면형 도파로가 갖는 구조적인 복굴절성에 의해 발생되는, 광원으로부터 입사되는 빛의 TE 편광 및 TM 편광 각각의 전파 상수(Propagation Constant)의 차이를 이용하여, TE 편광 및 TM 편광을 분리할 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 편광 모드 분파기(120)는 TE 편광 및 TM 편광 각각의 전파 상수의 차이로 인해 발생되는 TE 편광의 결합 길이(Coupling Length) 및 TM 편광의 결합 길이의 차이를 이용하여 TE 편광 및 TM 편광을 분리할 수 있다.
여기서, 편광 모드 분파기(120)는 제1 광 도파로(111)를 통하여 입사되는 빛으로부터 분리된 TM 편광을 제2 광 도파로(112)로 전송하는 통로인 분리 다리 도파로(121)를 포함할 수 있다.
편광 모드 회전기(130)는 편광 선택형 편광 모드 회전기로서, 편광 모드 분파기(120)에서 분리된, TE 편광을 TM 편광으로 변환하거나 TM 편광을 TE 편광으로 변환한다. 여기서, 편광 모드 회전기(130)는 제1 광 도파로(111)를 통하여 전송 받은 TE 편광을 TM 편광으로 변환하는 TE/TM 회전기(131) 및 제2 광 도파로(112)를 통하여 전송받은 TM 편광을 TE 편광으로 변환하는 TM/TE 회전기(132)를 포함할 수 있다.
또한, 편광 모드 회전기(130)는 높은 굴절률을 갖는 물질, 낮은 굴절률을 갖는 물질 및 금속 물질로 구성되는 하이브리드 플라즈모닉 도파로 형태일 수 있다. 예를 들어, 편광 모드 회전기(130)는 높은 굴절률의 유전체 코어 광 도파로, 높은 굴절률의 유전체 코어 광 도파로 상부에 배치되는 낮은 굴절률의 유전체 층(Thin Low-index Dielectric Layer) 및 낮은 굴절률의 유전체 층 상부에 배치되는 금속 플라즈모닉 층(Metal Plasmonics Layer)으로 구성될 수 있다. 이는 도 2를 참조하여 상세히 기재하기로 한다. 또한, 편광 모드 회전기(130)는 다른 구조로 형성될 수 있는데, 이는 도 3을 참조하여 상세히 기재하기로 한다.
하이브리드 플라즈모닉 도파로에 입사된 TE 편광 및 TM 편광 각각은 진행되는 동안 두 가지 하이브리드 모드로 들뜨게 되고, 서로 다른 전파 상수를 갖고 있기 때문에, 진행되는 동안 두 가지 하이브리드 모드는 서로 섞이게 되고 결과적으로 비대칭적인 하이브리드 광 도파로 구조에 의해 TE 편광은 TM 편광으로, TM 편광은 TE 편광으로 회전될 수 있다.
편광 모드 결합기(140)는 편광 모드 회전기(130)에서 변환된, TM 편광 및 TE 편광을 병합하여 제2 광 도파로(112)를 통하여 출력한다. 여기서, 편광 모드 결합기(140)는 제1 광 도파로(111)를 통하여 전송받은 TM 편광을 제2 광 도파로(112)로 전송하는 통로인 결합 다리 도파로(141)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 편광 모드 결합기(140)는 결합 다리 도파로(141)를 통하여 전송받은 TM 편광을 제2 광 도파로(112)를 통하여 전송받은 TE 편광에 병합하여 제2 광 도파로(112)를 통하여 출력할 수 있다.
반면에, 본 발명의 일실시예에 따른 미리 설정된 방향인 정방향의 역방향으로 빛이 입사되는 경우(150), 반사된 빛은 제2 광 도파로(112)의 출력단을 통하여 입사될 수 있다.
편광 모드 결합기(140)는 제2 광 도파로(112)를 통하여 입사되는 빛을 편광 상태에 따라 TE 편광 또는 TM 편광으로 분리하고, 분리된 TM 편광을 결합 다리 도파로(141)를 통하여 제1 광 도파로(111)로 전송할 수 있다. 이 때, 편광 모드 결합기(140)에서 제1 광 도파로(111)는 TM 편광 모드 진행 도파로일 수 있고, 편광 모드 결합기(140)에서 제2 광 도파로(112)는 TE 편광 모드 진행 도파로일 수 있다.
편광 모드 회전기(130)에 포함되는 TE/TM 회전기(131)는 제1 광 도파로(111)를 통하여 전송받은 TM 편광을 회전하지 못하므로 그대로 TM 편광으로 출력할 수 있고, TM/TE 회전기(132) 역시 제2 광 도파로(112)를 통하여 전송받은 TE 편광을 회전하지 못하므로 그대로 TE 편광으로 출력할 수 있다.
편광 모드 분파기(120)는 제1 광 도파로(111)를 통하여 전송받은 TM 편광을 분리 다리 도파로(121)를 통하여 제2 광 도파로(112)로 전송함으로써, TE 편광 및 TM 편광을 병합하여 제2 광 도파로(112)의 입력단을 통하여 출력할 수 있다.
따라서, 미리 설정된 방향인 정방향의 역방향으로 입사되는 빛이 제1 광 도파로(111)의 입력단을 통하여 출력되지 않으므로, 광 아이솔레이터의 기능이 수행될 수 있고, 미리 설정된 방향인 정방향의 역방향으로 입사되는 빛이 제2 광 도파로(112)의 입력단을 통하여 출력되므로, 광 서큘레이터의 기능도 동시에 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 편광 모드 회전기를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 편광 모드 회전기는 높은 굴절률을 갖는 물질, 낮은 굴절률을 갖는 물질 및 금속 물질로 구성되는 하이브리드 플라즈모닉 도파로 형태일 수 있다.
편광 모드 회전기의 윗면도(210)를 정면에서 바라본 정면도(220)를 살펴보면, 편광 모드 회전기는 높은 굴절률의 유전체 코어 광 도파로(221), 높은 굴절률의 유전체 코어 광 도파로 상부에 배치되는 낮은 굴절률의 유전체 층(222) 및 낮은 굴절률의 유전체 층 상부에 배치되는 비대칭적인 구조의 금속 플라즈모닉 층(223)으로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 편광 모드 회전기를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 편광 모드 회전기는 단열 테이퍼(Adiabatic Taper)(310) 및 비대칭형 방향성 결합기(Asymmetric Directional Coupler)(320)로 구성될 수 있다.
이와 같이, 편광 모드 회전기는 도 2에 도시된 구조 및 도 3에 도시된 구조에 제한되지는 않고, TE 편광을 TM 편광으로 변환하고, TM 편광을 TE 편광으로 변환하는 기능을 수행할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
도 4는 편광 모드 회전기가 구비되지 않은 경우, 광 아이솔레이터에서 입사되는 빛의 편광 상태에 따른 출력된 빛의 전기장 분포를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 출력된 빛의 전기장 분포에 따르면, 입사되는 빛의 편광 상태에 따라 편광 모드 분파기에서 TE 편광 및 TM 편광으로 분리되고, 편광 모드 결합기에 의해 TE 편광 및 TM 편광이 결합되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터에 포함되는 TE/EM 회전기에서 입사되는 빛의 편광 상태에 따른 출력된 빛의 전기장 분포를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 출력된 빛의 전기장 분포에 따르면, TE/TM 회전기에 TE 편광이 입사되는 경우, TM 편광으로 변환되지만, TE/TM 회전기에 TM 편광이 입사되는 경우, 변환되지 않는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 분리 다리 도파로 및 결합 다리 도파로의 폭에 따른 삽입 손실 및 편광 소멸 비율을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 편광 모드 분파기의 분파 다리 도파로의 폭이 550nm인 경우 1550nm 파장에서, TE 편광의 삽입 손실은 0.5dB이고, TE 편광의 편광 소멸 비율이 30dB인 것을 알 수 있고, TM 편광의 삽입 손실은 0.8dB이고, TM 편광의 편광 소멸 비율이 23dB인 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터를 생성하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터를 생성하는 시스템은 광원으로부터 빛이 입사되는 제1 광 도파로 및 제1 광 도파로와 구별되어 빛이 출력되는 제2 광 도파로를 배치한다(710).
또한, 집적형 광 아이솔레이터를 생성하는 시스템은 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로의 입력단 부분에, 제1 광 도파로를 통하여 입사되는 빛을 편광 상태에 따라 TE 편광 또는 TM 편광으로 분리하는 편광 모드 분파기를 배치하고, 이어서 편광 모드 회전기 및 편광 모드 결합기를 배치한다(720). 이 때, 편광 모드 분파기는 분리된 TM 편광이 제2 광 도파로로 전송되는 통로인 분리 다리 도파로를 포함할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 집적형 광 아이솔레이터(Optical Isolator)에 있어서,
    제1 광 도파로(Optical Waveguide)를 통하여 입사되는 빛을 편광 상태에 따라 서로 수직인 TE(Transverse Electric Wave; TE) 편광 또는 TM(Transverse Magnetic Wave; TM) 편광으로 분리하는 편광 모드 분파기;
    상기 편광 모드 분파기에서 분리된, 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하거나 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하는 편광 모드 회전기; 및
    상기 편광 모드 회전기에서 변환된, 상기 TM 편광 및 상기 TE 편광을 병합하여 상기 제1 광 도파로와 구별되는 제2 광 도파로를 통하여 출력하는 편광 모드 결합기
    를 포함하고,
    상기 편광 모드 분파기, 상기 편광 모드 회전기 및 상기 편광 모드 결합기는
    상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로로 연결되는 집적형 광 아이솔레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 편광 모드 회전기는
    미리 설정된 방향으로 진행하는 상기 TE 편광 및 상기 TM 편광 각각에 대해서만 변환하는 집적형 광 아이솔레이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 편광 모드 분파기는
    상기 제1 광 도파로를 통하여 입사되는 빛으로부터 분리된 상기 TM 편광을 상기 제2 광 도파로로 전송하는 통로인 분리 다리 도파로
    를 포함하는 집적형 광 아이솔레이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 편광 모드 회전기는
    상기 제2 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하는 TM/TE 회전기; 및
    상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하는 TE/TM 회전기
    를 포함하는 집적형 광 아이솔레이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 편광 모드 결합기는
    상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TM 편광을 상기 제2 광 도파로로 전송하는 통로인 결합 다리 도파로
    를 포함하고,
    상기 편광 모드 결합기는
    상기 결합 다리 도파로를 통하여 전송받은 상기 TM 편광을 상기 제2 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TE 편광에 병합하여 상기 제2 광 도파로를 통하여 출력하는 집적형 광 아이솔레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 편광 모드 회전기는
    높은 굴절률의 유전체 코어 광 도파로;
    상기 높은 굴절률의 유전체 코어 광 도파로 상부에 배치되는 낮은 굴절률의 유전체 층(Thin Low-index Dielectric Layer); 및
    상기 낮은 굴절률의 유전체 층 상부에 배치되는 금속 플라즈모닉 층(Metal Plasmonics Layer)
    을 포함하는 집적형 광 아이솔레이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 편광 모드 회전기는
    단열 테이퍼(Adiabatic Taper); 및
    비대칭형 방향성 결합기(Asymmetric Directional Coupler)
    를 포함하는 집적형 광 아이솔레이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 편광 모드 결합기에서 출력되는, 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하거나, 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하는 상기 편광 모드 회전기와 구별되는 다른 편광 모드 회전기
    를 더 포함하는 집적형 광 아이솔레이터.
  9. 제1항에 있어서,
    미리 설정된 방향의 역방향으로 상기 제2 광 도파로를 통하여 빛이 입사되는 경우,
    상기 편광 모드 결합기는
    상기 제2 광 도파로를 통하여 상기 입사되는 빛을 상기 편광 상태에 따라 상기 TE 편광 또는 상기 TM 편광으로 분리하고, 상기 분리된 TM 편광을 결합 다리 도파로를 통하여 상기 제1 광 도파로 전송하며,
    상기 편광 모드 분파기는
    상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 상기 TM 편광을 분리 다리 도파로를 통하여 상기 제2 광 도파로로 전송함으로써, 상기 TE 편광 및 상기 TM 편광을 병합하여 상기 제2 광 도파로를 통하여 출력하여 광 서큘레이터 기능을 수행하는 집적형 광 아이솔레이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 편광 모드 결합기는
    편광 빔의 결합 길이(Coupling Length)를 조절함으로써, 상기 편광 모드 회전기를 지나서 상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 편광 빔은 그대로 진행하도록 하고, 상기 편광 모드 회전기를 지나서 상기 제2 광 도파로를 통하여 전송받은 편광 빔은 상기 제1 광 도파로를 통하여 전송받은 편광 빔에 결합되도록 하여, 결합된 빔이 상기 제1 광 도파로를 통하여 출력되도록 하며,
    상기 제1 광 도파로의 역방향으로 입사되는 빛은
    상기 제2 광 도파로를 통하여 출력되도록 하는 집적형 광 아이솔레이터.
  11. 집적형 광 아이솔레이터(Optical Isolator)를 생성하는 방법에 있어서,
    빛이 입사되는 제1 광 도파로(Optical Waveguide) 및 상기 제1 광 도파로와 구별되어 빛이 출력되는 제2 광 도파로를 배치하는 단계;
    상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로의 입력단 부분에 상기 제1 광 도파로를 통하여 입사되는 빛을 편광 상태에 따라 TE(Transverse Electric Wave; TE) 편광 또는 TM(Transverse Magnetic Wave; TM) 편광으로 분리하는 편광 모드 분파기를 배치하는 단계;
    상기 편광 모드 분파기의 다음에, 상기 편광 모드 분파기에서 분리된, 상기 TE 편광을 상기 TM 편광으로 변환하거나 상기 TM 편광을 상기 TE 편광으로 변환하는 편광 모드 회전기를 배치하는 단계; 및
    상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로의 출력단 부분에, 상기 편광 모드 회전기의 다음으로, 상기 편광 모드 회전기에서 변환된, 상기 TM 편광 및 상기 TE 편광을 병합하여 상기 제2 광 도파로를 통하여 출력하는 편광 모드 결합기를 배치하는 단계
    를 포함하는 집적형 광 아이솔레이터를 생성하는 방법.
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