KR20170011941A - 평면형 광파 회로 기반의 집적 광학 칩 - Google Patents

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Abstract

일실시예에서, 집적 광학 칩은 기판, 상기 기판의 일면 상에 형성된 평면형 광파 회로 기반의 복수의 광학 컴포넌트, 및 상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고, 상기 복수의 광학 컴포넌트를 서로 연결하는 복수의 광도파로를 포함한다. 일실시예에서, 상기 복수의 광학 컴포넌트는 비선형 손실 특성을 가지는 포화 흡수체를 포함한다. 상기 포화 흡수체는, 상기 기판의 상기 일면 상에 형성되는 코어층, 상기 코어층의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층, 및 상기 오버클래딩층의 적어도 일부 상에 형성되고 상기 코어층의 적어도 일부를 도파하는 광의 감쇠장과 상호 작용하도록 배치되는 포화 흡수층을 포함할 수 있다.

Description

평면형 광파 회로 기반의 집적 광학 칩{PLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT BASED INTEGRATED OPTICAL CHIP}
평면형 광파 회로 기반의 집적 광학 칩에 연관되며, 보다 상세하게는 복수의 광학 컴포넌트를 하나의 광학 칩에 집적하여 예를 들어 다이싱 공정에 의해 대량 생산하는 것에 연관된다.
펨토초 레이저 기술은 상용화 및 산업 현장 활용의 역사가 비교적 짧은 분야로서, 현재에도 세계적으로 많은 연구 기관에서 펨토초 레이저 및 그와 관련된 다양한 응용 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 산업 현장에서 펨토초 레이저 기반 시스템이 활용되고 있는 대표적인 예로는 미세 정밀 가공, 유리 접합(glass welding), 레이저 각인(direct laser writing), 나노 입자 생성, 의료 시술용 레이저, 비선형 광학 현상을 이용한 바이오 이미징 등이 있다. 그 밖에도, 펨토초 레이저의 피코초 미만의 펄스폭, 높은 첨두 출력(peak power), 넓은 광 스펙트럼, 낮은 위상 잡음 특성과 낮은 타이밍 잡음 특성 등 기존의 전자 기반 시스템에서 구현할 수 없었던 특성으로 인하여 펨토초 레이저와 관련된 응용 분야가 계속해서 확대되고 있다.
그러나, 현재까지 개발된 상용 펨토초 레이저는 고체 크리스탈 또는 광섬유 기반의 광학 컴포넌트를 조합하여 제작되기 때문에 대량 생산이 어렵고 제조 단가가 높다. 특히, 일반적인 고체 크리스탈 기반 펨토초 레이저의 경우, 복수의 광학 컴포넌트의 광경로를 정밀하게 정렬(align)하여 광학 공진기를 구성하고 모드 잠금(mode-locking) 조건을 찾아야 하므로 숙련된 기술자의 수작업을 필요로 하는 등 비효율적인 생산 공정이 요구된다. 또한, 광섬유 기반 펨토초 레이저의 경우에도, 복수의 광섬유 컴포넌트를 일일이 융착접속(splicing)하여 제작되므로, 마찬가지로 숙련된 기술자의 수작업을 필요로 하며 공진기의 길이와 레이저의 부피가 커질 수 있다.
따라서, 펨토초 레이저에 사용되는 복수의 광학 컴포넌트를 보다 효율적으로 생산할 수 있는 기술이 요구된다.
일측에 따르면, 집적 광학 칩은 기판, 상기 기판의 일면 상에 형성된 평면형 광파 회로(planar lightwave circuit) 기반의 복수의 광학 컴포넌트, 및 상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고, 상기 복수의 광학 컴포넌트를 서로 연결하는 복수의 광도파로(optical waveguide)를 포함한다.
일실시예에서, 상기 복수의 광학 컴포넌트는 비선형 손실 특성을 가지는 포화 흡수체(saturable absorber)를 포함한다. 상기 포화 흡수체는, 상기 기판의 상기 일면 상에 형성되는 코어층, 상기 코어층의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층, 및 상기 오버클래딩층의 적어도 일부 상에 형성되고 상기 코어층의 적어도 일부를 도파하는 광의 감쇠장과 상호 작용하도록 배치되는 포화 흡수층을 포함할 수 있다. 상기 포화 흡수층은 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 복수의 광학 컴포넌트는 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer)를 포함한다. 상기 파장 분할 다중화기는, 상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고 복수의 분리된 광도파로를 포함하는 코어층, 및 상기 코어층의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 복수의 광학 컴포넌트는 출력 커플러(output coupler)를 포함한다. 상기 출력 커플러는, 상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고 복수의 분리된 광도파로를 포함하는 코어층, 및 상기 코어층의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 기판은 상기 복수의 광도파로보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함한다. 다른 일실시예에서, 상기 기판 및 상기 복수의 광도파로 사이에 개재되는(interposed) 언더클래딩층을 더 포함하고, 상기 언더클래딩층은 상기 복수의 광도파로보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함한다. 일실시예에서, 상기 복수의 광학 컴포넌트 및 상기 복수의 광도파로는 증착 공정, 포토리소그래피 공정, 에칭 공정 및 이온 교환 공정 중 적어도 하나를 이용하여 형성된다.
다른 일측에 따르면, 펄스 레이저 장치는 기판, 상기 기판의 일면 상에 형성된 평면형 광파 회로(planar lightwave circuit) 기반의 복수의 광학 컴포넌트, 및 상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고, 상기 복수의 광학 컴포넌트를 서로 연결하는 복수의 광도파로(optical waveguide)를 포함하는 집적 광학 칩, 및 상기 집적 광학 칩의 적어도 하나의 단부의 광도파로 및 적어도 하나의 광섬유의 코어를 연결하는 적어도 하나의 광섬유 배열 블록(fiber array block; FAB)을 포함한다.
다른 일측에 따르면, 펄스 레이저 장치는 기판, 상기 기판의 일면 상에 형성된 평면형 광파 회로(planar lightwave circuit) 기반의 복수의 광학 컴포넌트, 및 상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고, 상기 복수의 광학 컴포넌트를 서로 연결하는 복수의 광도파로(optical waveguide)를 포함하는 집적 광학 칩, 펌핑 광원 모듈을 포함하는 제1 광학 칩, 및 이득 매질을 포함하는 제2 광학 칩을 포함하고, 상기 집적 광학 칩의 제1 단부는 상기 제1 광학 칩과 결합되고 상기 집적 광학 칩의 제2 단부는 상기 제2 광학 칩과 결합된다.
다른 일측에 따르면, 집적 광학 칩 제조 방법은 웨이퍼를 제공하는 단계, 상기 웨이퍼 상에 광도파로를 형성하는 단계, 상기 웨이퍼 및 상기 광도파로 상에 오버클래딩층을 형성하는 단계, 상기 오버클래딩층의 적어도 일부를 제거하는 단계, 및 상기 오버클래딩층 상에 비선형 손실 특성을 가지는 포화 흡수층 - 상기 포화 흡수층은 상기 광도파로의 적어도 일부를 도파하는 광의 감쇠장과 상호 작용하도록 배치됨 - 을 형성하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 광도파로를 형성하는 단계는, 상기 웨이퍼 상에 코어층을 형성하는 단계, 및 상기 코어층의 적어도 일부를 제거하여 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장하는 광도파로를 형성하는 단계를 포함한다. 일실시예에서, 집적 광학 칩 제조 방법은 상기 코어층 상에 마스크층을 형성하는 단계, 및 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 마스크층의 적어도 일부를 제거하는 단계를 더 포함한다. 일실시예에서, 집적 광학 칩 제조 방법은 상기 웨이퍼를 절단하여 복수의 집적 광학 칩으로 분리시키는 단계를 더 포함한다.
일실시예에서, 상기 포화 흡수층은 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함한다. 일실시예에서, 상기 웨이퍼는 상기 광도파로보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함한다. 일실시예에서, 상기 웨이퍼 상에 상기 복수의 광도파로보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 언더클래딩층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 코어층을 형성하는 단계는 상기 언더클래딩층 상에 상기 코어층을 형성하는 단계를 포함한다.
도 1은 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 일부를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2는 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 일부를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 일부를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 4a는 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 출력을 시간 영역에서 나타내는 그래프이다.
도 4b는 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 출력을 주파수 영역에서 도시한 그래프이다.
도 4c는 일실시예에 따른 포화 흡수체의 특성을 도시한 그래프이다.
도 5a 및 5b는 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 일부를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 6a 내지 6d는 일실시예에 따른 집적 광학 칩을 도시한 평면도 및 사시도이다.
도 7은 일실시예에 따른 집적 광학 칩의 생산 공정을 도시한다.
도 8a 내지 도 8m은 일실시예에 따른 집적 광학 칩의 생산 공정을 도시한다.
이하에서, 실시예들을, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 일부를 도시하는 블록 다이어그램이다. 일실시예에 따른 펨토초 레이저는 펌프 광원(pump light source)(110), 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer)(120), 이득 매질(130), 광 차폐기(optical isolator)(140), 포화 흡수체(saturable absorber)(150), 및 출력 커플러(output coupler)(160)를 포함할 수 있다.
펨토초 레이저는 이득과 포화 흡수 기능을 구비한 광 공진기(optical cavity)를 이용하여 광 펄스열(optical pulse train pulse train)을 생성하는 레이저로서, 종래에 널리 이용되어 온 연속파(continuous wave) 레이저와는 차이가 있다. 도 4a를 참조하면, 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 출력이 시간 영역에서 도시된다. 도시된 바와 같이, 펨토초 레이저는 일정한 펄스 폭(410) 및 일정한 주기(420)를 가진 광 펄스열을 생성할 수 있다. 또한, 도 4b를 참조하면, 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 출력이 주파수 영역에서 도시된다. 도시된 바와 같이, 다수의 주파수 모드(mode)가 동시에 발진되는 모드 잠금(mode-locking)이 구현될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 파장 분할 다중화기(120), 이득 매질(130), 광 차폐기(140), 포화 흡수체(150), 및 출력 커플러(160)는 펨토초 레이저의 광 공진기의 일부를 구성할 수 있다. 일실시예에서, 광 공진기는 고리형(ring-type) 공진기를 포함할 수 있다.
펨토초 레이저의 펌프 광원(110)은 광 공진기 내부로 입력되는 펌프 광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 펌프 광원(110)은 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 펌프 광원(110)에 의해 제공된 펌프 광은 파장 분할 다중화기(120)를 통해 광 공진기에 입력될 수 있다.
펨토초 레이저의 파장 분할 다중화기(120)는 특정한 파장의 광을 원하는 경로로 가이드(guide)하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 파장 분할 다중화기(120)는 펌프 광원(110)으로부터 입력되는 광이 광 공진기 내의 이득 매질(130)로 입력되도록 펌프 광원의 광을 가이드할 수 있다. 또한, 파장 분할 다중화기(120)는 이득 매질(130)로부터 출력되는 신호(signal) 광이 파장 분할 다중화기(120)를 통과시 광 공진기 내부를 벗어나지 않도록 신호 광을 가이드할 수 있다. 일실시예에서, 파장 분할 다중화기(120)는 방향성 결합기(directional coupler) 또는 다중모드 간섭 결합기(multimode interference coupler)의 형태로 구현될 수 있다. 파장 분할 다중화기(120)의 연결 경로 및 구현 형태는 본 명세서에 예시적으로 제시된 것 이외에도 설계상의 필요에 따라 적합한 것으로 선택될 수 있다.
펨토초 레이저는 이득 매질(130)을 이용하여 광 공진기 내부에서 이득을 구현할 수 있다. 일실시예에서, 이득 매질(130)은 어븀(Er) 도핑된 매질 또는 이터븀(Yb) 도핑된 매질을 포함할 수 있다. 또한, 이득 매질(130)은 광섬유 형태 또는 칩 형태로 구현될 수 있다. 이득 매질(130)이 포함하는 물질 및 이득 매질(130)의 구현 형태는 본 명세서에 예시적으로 제시된 것 이외에도 설계상의 필요에 따라 적합한 것으로 선택될 수 있다.
또한, 펨토초 레이저는 광 차폐기(140)를 이용하여 광의 단방향 공진을 유도할 수 있다.
또한, 펨토초 레이저는 비선형 손실 특성을 가지는 포화 흡수체(150)를 이용하여 광 공진기 내부에서 포화 흡수 기능을 구현할 수 있다. 본 명세서에서, 비선형 손실 특성은 입사광의 세기가 커지면 광이 겪는 손실 비율이 감소하는 특성을 지칭한다. 도 4c는 예시적인 비선형 손실 특성을 도시한 그래프이다. 예를 들어, 포화 흡수체(150)는 비선형 손실 특성을 가지는 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체를 포함할 수 있다. 포화 흡수체(150)가 포함하는 물질 및 구현 형태는 본 명세서에 예시적으로 제시된 것 이외에도 설계상의 필요에 따라 적합한 것으로 선택될 수 있다.
또한, 펨토초 레이저는 광 공진기에서 생성되는 모드 잠금된 광 펄스열을 출력 커플러(160)를 통해 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력 커플러(160)는 광의 10%를 출력하는 10:90 광 커플러를 포함할 수 있다. 일실시예에서, 출력 커플러(160)는 방향성 결합기, 다중모드 간섭 결합기, Y형 분기관(Y-branch), 또는 고리형 거울(loop mirror)의 형태로 구현될 수 있다. 출력 커플러(160)의 출력 비율 및 구현 형태는 본 명세서에 예시적으로 제시된 것 이외에도 설계상의 필요에 따라 적합한 것으로 선택될 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 일부를 도시하는 블록 다이어그램이다. 일실시예에 따른 펨토초 레이저는 펌프 광원 (210), 파장 분할 다중화기(220), 이득 매질(230), 반사 거울(240, 270), 출력 커플러(250), 및 포화 흡수체(260)를 포함할 수 있다. 펌프 광원 (210), 파장 분할 다중화기(220), 이득 매질(230), 반사 거울(240, 270), 출력 커플러(250), 및 포화 흡수체(260)는 펨토초 레이저의 광 공진기의 일부를 구성할 수 있다. 일실시예에서, 광 공진기는 선형(linear-type) 공진기를 포함할 수 있다.
펨토초 레이저의 반사 거울(240, 270)은 입사되는 광의 전부 또는 일부를 반사하는 기능을 수행할 수 있다. 펨토초 레이저는 반사 거울(240, 270)을 이용하여 광 공진기 내부에서 광의 간섭에 의해 특정 파장의 공진 모드(resonator mode)를 선별할 수 있다.
도 2에 도시된 일실시예에 따른 펨토초 레이저에는 도 1을 참조하여 설명된 내용이 유사하게 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 내용은 생략한다.
도 3은 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 일부를 도시하는 블록 다이어그램이다. 일실시예에 따른 펨토초 레이저는 펌프 광원 (310), 파장 분할 다중화기(320), 이득 매질(330), 출력 커플러(340, 350), 및 광 차폐기(360)를 포함할 수 있다. 펌프 광원 (310), 파장 분할 다중화기(320), 이득 매질(330), 출력 커플러(340, 350), 및 광 차폐기(360)는 펨토초 레이저의 광 공진기의 일부를 구성할 수 있다. 일실시예에서, 광 공진기는 8자형(figure of 8 type) 공진기를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 일실시예에 따른 펨토초 레이저에는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 내용이 유사하게 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 내용은 생략한다.
이상에서 설명된 바와 같이, 일실시예에 따른 펨토초 레이저는 복수의 광학 컴포넌트를 포함하며, 위에서 설명된 유형 이외에도 다양한 유형의 구조를 가지는 공진기가 존재할 수 있다. 다만, 고체 크리스탈 기반의 복수의 광학 컴포넌트의 광경로를 정밀하게 정렬하거나 광섬유 기반의 복수의 광학 컴포넌트를 융착접속에 의해 연결하는 경우, 펨토초 레이저의 부피와 생산 공정의 복잡도 면에서 불리할 수 있다. 이러한 문제를 개선하기 위하여, 예를 들어 평면형 광파 회로 기반의 복수의 광학 컴포넌트를 이용하여 펨토초 레이저를 구현하는 것을 고려할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 일실시예에 따른 펨토초 레이저를 도시한 블록 다이어그램이다. 일실시예에서, 펨토초 레이저는 펌프 광원(510), 집적 광학 칩(integrated optical chip)(520), 이득 매질(530) 및 광 차폐기(540)를 포함할 수 있다. 다른 일실시예에서, 펨토초 레이저는 펌프 광원(510), 집적 광학 칩(integrated optical chip)(520), 이득 매질(530) 및 반사 거울(550)을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3의 펨토초 레이저와 달리, 도 5a 및 도 5b의 펨토초 레이저는 복수의 광학 컴포넌트가 하나의 칩 내에 집적되어 형성된 집적 광학 칩(520)을 포함한다. 일실시예에서, 집적 광학 칩(520) 내에는 평면형 광파 회로 기반의 복수의 광학 컴포넌트가 집적될 수 있다. 예를 들어, 복수의 광학 컴포넌트는 파장 분할 다중화기, 포화 흡수체 및 출력 커플러 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 파장 분할 다중화기, 포화 흡수체 및 출력 커플러 중 일부가 집적 광학 칩(520) 내에 집적될 수 있으며, 그 이외에도 다른 광학 컴포넌트가 집적 광학 칩(520) 내에 집적될 수 있다. 또한, 집적 광학 칩(520)은 복수의 광학 컴포넌트를 서로 연결하는 복수의 광도파로(optical waveguide)를 포함할 수 있다.
복수의 광학 컴포넌트의 기능이 단일 칩 내에 구현된 집적 광학 칩(520)을 이용하는 경우, 복수의 광학 컴포넌트를 융착접속 또는 버트-커플링에 의해 서로 연결할 필요가 없기 때문에 생산 공정을 크게 단순화시킬 수 있다. 또한, 개별적인 광학 컴포넌트들을 이용하는 경우에 비하여 사용되는 광섬유의 길이가 감소되고 레이저 부피가 감소될 수 있다. 일실시예에 따른 집적 광학 칩(520)의 구조 및 생산 공정에 대하여 이하에서 더 상세하게 설명된다.
도 6a는 일실시예에 따른 집적 광학 칩(600)을 도시한 평면도이다. 집적 광학 칩(600)은 평면형 광파 회로 기반의 복수의 광학 컴포넌트 및 복수의 광학 컴포넌트를 서로 연결하는 복수의 광도파로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 광학 컴포넌트는 파장 분할 다중화기(610), 포화 흡수체(620), 및 출력 커플러(630)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 파장 분할 다중화기(610)는 일정한 간격을 두고 동일한 방향으로 연장하는 복수의 분리된 광도파로를 포함할 수 있다. 복수의 분리된 광도파로는 전반사를 일으키는 데 적합한 굴절률을 가지는 코어층의 일부로서 형성될 수 있다. 또한, 파장 분할 다중화기(610)는 복수의 분리된 광도파로의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 포함할 수 있다. 파장 분할 다중화기(610)는 도시된 예와 상이한 위치에 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 도시된 예에 의해 제한되지 않는다.
일실시예에서, 포화 흡수체(620)는 광도파로 및 광도파로의 적어도 일부를 도파하는 광의 감쇠장과 상호 작용하는 포화 흡수층을 포함할 수 있다. 광도파로는 전반사를 일으키는 데 적합한 굴절률을 가지는 코어층의 일부로서 형성될 수 있다. 포화 흡수층은 비선형 손실 특성을 가지는 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노 구조물은 그래핀 또는 탄소 나노관을 포함할 수 있고, 위상학적 절연체는 Bi2Se3, Bi2Te3 및 Sb2Te3 중 하나를 포함할 수 있다. 또한, 포화 흡수체(620)는 광도파로의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 포함할 수 있다. 포화 흡수체(620)는 도시된 예와 상이한 위치에 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 도시된 예에 의해 제한되지 않는다.
일실시예에서, 출력 커플러(630)는 일정한 간격을 두고 동일한 방향으로 연장하는 복수의 분리된 광도파로를 포함할 수 있다. 복수의 분리된 광도파로는 전반사를 일으키는 데 적합한 굴절률을 가지는 코어층의 일부로서 형성될 수 있다. 또한, 출력 커플러(630)는 복수의 분리된 광도파로의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 포함할 수 있다. 출력 커플러(630)는 도시된 예와 상이한 위치에 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 도시된 예에 의해 제한되지 않는다.
일실시예에서, 복수의 광도파로(640)는 복수의 광학 컴포넌트(예를 들어, 파장 분할 다중화기(610), 포화 흡수체(620), 및 출력 커플러(630))를 서로 연결할 수 있다. 또한, 복수의 광도파로(640)는 복수의 광학 컴포넌트와 집적 광학 칩(600)의 적어도 하나의 단부 사이를 연결할 수 있다. 예를 들어, 복수의 광도파로(640)는 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장하도록 형성될 수 있다. 또한, 복수의 광도파로(640)는 전반사를 일으키는 데 적합한 굴절률을 가지는 코어층의 일부로서 형성될 수 있다.
일실시예에서, 집적 광학 칩(600)은 하나 이상의 광섬유 어레이 블록(fiber array block; FAB)(650)과 결합될 수 있다. 예를 들어, 집적 광학 칩(600)의 양측 단부가 광섬유 어레이 블록(650)과 결합될 수 있다. 광섬유 어레이 블록(650)은 집적 광학 칩(600) 내의 광도파로(640)와 하나 이상의 광섬유(660)의 코어를 연결한다. 이와 같이, 집적 광학 칩(600)은 광섬유 어레이 블록(650)을 통해 집적 광학 칩(600)은 외부의 광학 컴포넌트와 연결될 수 있다.
도 6b는 일실시예에 따른 집적 광학 칩(600)을 도시한 사시도이다. 일실시예에서, 집적 광학 칩(600)은 기판(601), 기판의 적어도 일부 상에 형성된 오버클래딩층(602), 오버 클래딩층의 적어도 일부 상에 형성된 포화 흡수층(603)을 포함할 수 있다. 또한, 집적 광학 칩(600)은 기판의 적어도 일부 상에 형성된 코어층을 포함할 수 있다. 코어층은 파장 분할 다중화기(610), 포화 흡수체(620), 출력 커플러(630) 및 복수의 광도파로(640)의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 코어층은 전반사를 일으키는 데 적합하도록 기판(601) 및 오버클래딩층(602)보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함한다.
다른 일실시예에서, 집적 광학 칩(600)은 기판(670) 및 코어층 사이에 형성된 언더클래딩층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(670)이 코어층보다 높은 굴절률을 가지는 경우, 코어층의 일부로서 형성된 광도파로가 전반사를 일으키도록 하기 위하여, 코어층보다 낮은 굴절률을 가지는 언더클래딩층이 기판 및 코어층 사이에 언더클래딩층이 개재될 수 있다.
도 6c는 일실시예에 따른 집적 광학 칩(600)을 도시한 사시도이다. 일실시예에서, 집적 광학 칩(600)은 하나 이상의 광학 칩(670, 680)과 결합될 수 있다. 예를 들어, 집적 광학 칩(600)의 양측 단부는 펌핑 광원 모듈(672)을 포함하는 제1 광학 칩(670) 및 광도파로 기반의 이득 매질(682)을 포함하는 제2 광학 칩(680)과 결합될 수 있다. 일실시예에서, 집적 광학 칩(600)과 하나 이상의 광학 칩(670, 680)은 자외선 경화 방식을 통해 결합될 수 있다. 이와 같이, 집적 광학 칩(600)은 하나 이상의 광학 칩(670, 680)을 통해 집적 광학 칩(600)은 외부의 광학 컴포넌트와 연결될 수 있다.
도 6d는 일실시예에 따른 집적 광학 칩(600)을 도시한 사시도이다. 일실시예에서, 집적 광학 칩(600)은 하나 이상의 광섬유 어레이 블록(650) 및 하나 이상의 광학 칩(670)과 결합될 수 있다. 예를 들어, 집적 광학 칩(600)의 양측 단부는 광섬유 어레이 블록(650) 및 펌핑 광원 모듈을 포함하는 광학 칩(670)과 결합될 수 있다. 광섬유 어레이 블록(650)은 집적 광학 칩(600) 내의 광도파로와 하나 이상의 광섬유(660)의 코어를 연결한다. 이와 같이, 집적 광학 칩(600)은 광섬유 어레이 블록(650) 및 광학 칩을 통해 외부의 광학 컴포넌트와 연결될 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 집적 광학 칩의 생산 공정을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 하나의 웨이퍼(700) 상에 복수의 집적 광학 칩(710)을 제작한 후 다이싱 공정을 수행함으로써, 많은 수량의 집적 광학 칩(710)을 일시에 생산할 수 있다. 웨이퍼(700) 상에 복수의 집적 광학 칩(710)을 제작하는 공정은 예를 들어 증착 공정, 포토리소그래피 공정, 에칭 공정 및 이온 교환 공정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 생산 공정을 통하여, 복수의 광학 컴포넌트가 집적된 집적 광학 칩(710)을 대량 생산할 수 있다. 따라서, 종래의 펨토초 레이저 생산 공정에 비하여 시간 소모 및 비용 소모 면에서 크게 향상된 생산성을 얻을 수 있다.
도 8a 내지 도 8j는 일실시예에 따른 집적 광학 칩의 생산 공정을 도시한다.
도 8a는 웨이퍼(810) 상에 코어층(820)이 형성된 단계를 도시한다. 예를 들어, 코어층(820)은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD)을 이용하여 증착될 수 있다. 일실시예에서, 웨이퍼(810)는 실리콘(Si) 또는 실리카(SiO2)를 포함할 수 있고, 코어층(820)은 웨이퍼(810)보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
도 8b는 코어층(820) 상에 마스크층(830)이 형성된 단계를 도시한다. 예를 들어, 마스크층(830)은 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 증착될 수 있다. 일실시예에서, 마스크층(830)은 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
도 8c는 마스크층(830) 상에 포토레지스트층(840)이 형성된 단계를 도시한다. 예를 들어, 포토레지스트층(840)은 스핀코팅(spincoating)을 이용하여 코팅될 수 있다.
도 8d는 포토레지스트층(840)에 패턴이 형성된 단계를 도시한다. 예를 들어, 패턴은 마스크 얼라이너를 이용한 노광에 의하여 형성될 수 있다.
도 8e는 마스크층(830)의 적어도 일부가 제거된 단계를 도시한다. 예를 들어, 마스크층(830)은 마스크층(830)에 대응하는 부식액(etchant)을 이용하여 에칭될 수 있다.
도 8f는 포토레지스트층(840)이 제거된 단계를 도시한다. 예를 들어, 포토레지스트층(840)은 포토레지스트층(840)에 대응하는 포토레지스트 스트리퍼(stripper)를 이용하여 제거될 수 있다.
도 8g는 코어층(820)의 일부가 제거된 단계를 도시한다. 예를 들어, 코어층(820)은 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma)를 이용하여 에칭될 수 있다.
도 8h는 마스크층(830)이 제거된 단계를 도시한다. 예를 들어, 마스크층(830)은 마스크층(830)에 대응하는 부식액을 이용하여 에칭될 수 있다.
도 8i는 웨이퍼(810) 및 코어층(820) 상에 오버클래딩층(850)이 형성된 단계를 도시한다. 예를 들어, 오버클래딩층(850)은 화학 기상 증착법을 이용하여 증착될 수 있다.
도 8j를 참조하면, 오버클래딩층(850)의 적어도 일부가 선택적으로 제거된 후 코어층(820) 및 오버클래딩층(850) 상에 포화 흡수층(860)이 형성된 구조가 도시된다. 일실시예에서, 오버클래딩층(850)이 선택적으로 제거된 부분은 집적 광학 칩 내의 포화 흡수체의 일부일 수 있다. 예를 들어, 오버클래딩층(850)의 제거 및 포화 흡수층(860)의 형성은 포화 흡수층(860)이 코어층(820)의 적어도 일부를 도파하는 광의 감쇠장과 상호 작용할 수 있도록 배치된다.
도 8k 내지 도 8m을 참조하면, 일실시예에 따라 각각 다양한 형태로 구현된 오버클래딩층(850) 및 포화 흡수층(860)이 도시된다. 도 8j의 구조와 유사하게, 오버클래딩층(850) 및 포화 흡수층(860)은 포화 흡수층(860)이 코어층(820)의 적어도 일부를 도파하는 광의 감쇠장과 상호 작용할 수 있도록 배치된다. 오버클래딩층(850) 및 포화 흡수층(860)은 도시된 예와 상이한 위치에 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 도시된 예에 의해 제한되지 않는다.
이상과 같은 방식으로, 증착 공정, 포토리소그래피 공정 및 에칭 공정 등을 이용하여 웨이퍼 상에 집적 광학 칩을 제작할 수 있다. 웨이퍼 상에 복수의 집적 광학 칩이 제작되면, 다이싱 공정을 통하여 많은 수량의 집적 광학 칩을 일시에 생산할 수 있다. 따라서, 종래의 펨토초 레이저 생산 공정에 비하여 시간 소모 및 비용 소모 면에서 크게 향상된 생산성을 얻을 수 있다.
또한, 실시예들이 모드 잠금된 펄스의 폭이 펨토초 단위(즉, 1 피코초 미만)인 경우의 펨토초 레이저를 기준으로 설명되었으나, 설명된 실시예들이 가지는 이점은 펨토초 레이저 이외에도 임의의 펄스 폭을 가지는 펄스 레이저에 적용이 가능하다. 즉, 필요에 따라 집적 광학 칩의 성능을 조정하여 펄스 폭을 늘리거나 줄일 수 있다. 따라서, 실시예들이 가지는 이점이 펨토초 레이저에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 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 (20)

  1. 기판;
    상기 기판의 일면 상에 형성된 평면형 광파 회로(planar lightwave circuit) 기반의 복수의 광학 컴포넌트; 및
    상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고, 상기 복수의 광학 컴포넌트를 서로 연결하는 복수의 광도파로(optical waveguide)
    를 포함하는, 집적 광학 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광학 컴포넌트는 비선형 손실 특성을 가지는 포화 흡수체(saturable absorber)를 포함하는, 집적 광학 칩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 포화 흡수체는,
    상기 기판의 상기 일면 상에 형성되는 코어층;
    상기 코어층의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층; 및
    상기 오버클래딩층의 적어도 일부 상에 형성되고 상기 코어층의 적어도 일부를 도파하는 광의 감쇠장과 상호 작용하도록 배치되는 포화 흡수층
    을 포함하는, 집적 광학 칩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 포화 흡수층은 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함하는, 집적 광학 칩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광학 컴포넌트는 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer)를 포함하는, 집적 광학 칩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파장 분할 다중화기는,
    상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고 복수의 분리된 광도파로를 포함하는 코어층; 및
    상기 코어층의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층
    을 포함하는, 집적 광학 칩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광학 컴포넌트는 출력 커플러(output coupler)를 포함하는, 집적 광학 칩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 출력 커플러는,
    상기 기판의 상기 일면 상에 형성되고 복수의 분리된 광도파로를 포함하는 코어층; 및
    상기 코어층의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층
    을 포함하는, 집적 광학 칩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 복수의 광도파로보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는, 집적 광학 칩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 복수의 광도파로 사이에 개재되는(interposed) 언더클래딩층을 더 포함하고, 상기 언더클래딩층은 상기 복수의 광도파로보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는, 집적 광학 칩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광학 컴포넌트 및 상기 복수의 광도파로는 증착 공정, 포토리소그래피 공정, 에칭 공정 및 이온 교환 공정 중 적어도 하나를 이용하여 형성되는, 집적 광학 칩.
  12. 제1항에 기재된 집적 광학 칩; 및
    상기 집적 광학 칩의 적어도 하나의 단부의 광도파로 및 적어도 하나의 광섬유의 코어를 연결하는 적어도 하나의 광섬유 배열 블록(fiber array block; FAB)을 포함하는, 펄스 레이저 장치.
  13. 제1항에 기재된 집적 광학 칩;
    펌핑 광원 모듈을 포함하는 제1 광학 칩; 및
    이득 매질을 포함하는 제2 광학 칩을 포함하고,
    상기 집적 광학 칩의 제1 단부는 상기 제1 광학 칩과 결합되고 상기 집적 광학 칩의 제2 단부는 상기 제2 광학 칩과 결합되는, 펄스 레이저 장치.
  14. 웨이퍼를 제공하는 단계;
    상기 웨이퍼 상에 광도파로를 형성하는 단계;
    상기 웨이퍼 및 상기 광도파로 상에 오버클래딩층을 형성하는 단계;
    상기 오버클래딩층의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
    상기 오버클래딩층 상에 비선형 손실 특성을 가지는 포화 흡수층 - 상기 포화 흡수층은 상기 광도파로의 적어도 일부를 도파하는 광의 감쇠장과 상호 작용하도록 배치됨 - 을 형성하는 단계
    를 포함하는, 집적 광학 칩 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광도파로를 형성하는 단계는,
    상기 웨이퍼 상에 코어층을 형성하는 단계; 및
    상기 코어층의 적어도 일부를 제거하여 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장하는 광도파로를 형성하는 단계
    를 포함하는, 집적 광학 칩 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 코어층 상에 마스크층을 형성하는 단계; 및
    포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 마스크층의 적어도 일부를 제거하는 단계
    를 더 포함하는, 집적 광학 칩 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 절단하여 복수의 집적 광학 칩으로 분리시키는 단계를 더 포함하는, 집적 광학 칩 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 포화 흡수층은 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함하는, 집적 광학 칩 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 상기 광도파로보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는, 집적 광학 칩 제조 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 웨이퍼 상에 상기 복수의 광도파로보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 언더클래딩층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 코어층을 형성하는 단계는 상기 언더클래딩층 상에 상기 코어층을 형성하는 단계를 포함하는, 집적 광학 칩 제조 방법.
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