KR20180079009A - 비가역 광투과 소자 및 이를 포함하는 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

비가역 광투과 소자 및 이를 포함하는 광학 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 비가역 광투과 소자는 적어도 두 개의 광도파로를 포함할 수 있고, 상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 복소굴절률은 입력부와 출력부 사이에서 변화될 수 있다. 상기 복소굴절률의 변화에 의해 상기 비가역 광투과 소자를 통한 광의 투과 방향이 제어될 수 있다. 개시된 비가역 광투과 소자는 적어도 두 개의 광도파로를 포함할 수 있고, 상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 폭 및/또는 두께는 입력부에서 출력부로 가면서 변화될 수 있다. 상기 비가역 광투과 소자는 상기 적어도 두 개의 광도파로의 적어도 일측에 구비된 사이드 패치를 더 포함할 수 있다. 상기 사이드 패치와 이에 인접한 광도파로 사이의 간격은 입력부에서 출력부로 가면서 변화될 수 있다.

Description

비가역 광투과 소자 및 이를 포함하는 광학 장치{Nonreciprocal optical transmission device and optical apparatus including the same}
개시된 실시예들은 광학 소자 및 광학 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비가역 광투과 소자 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
신호 전송 도파로(waveguide)는 기본적으로 양방향 광전송을 동등하게 지원하기 때문에, 후속하는 광신호 처리 과정들, 예컨대, 신호 변조, 파장 및 편광 필터링, 논리 연산, 신호 증폭 등에 의해 역방향 광신호가 불가피하게 발생하게 된다. 역방향 광신호가 광원부 등에 전달되면, 그로 인해 2차적인 효과가 발생하여 파장 및 광도 불안정을 유발하고 제어하기 어려운 노이즈를 발생하게 된다. 따라서, 이러한 역방향 광신호를 격리하기 위한 광학 소자가 요구된다.
역방향 광신호 격리는 레이저 광원을 사용하는 장치뿐 아니라 비선형 효과를 기반으로 하는 모든 광소자의 안정적인 동작을 위해 필요할 수 있다. 비선형 효과를 기반으로 하는 광소자는 광학적 논리 연산 소자, 파장 변환 소자, 광증폭기, 광버퍼, 고차조화파 발생(high-order harmonic generation) 소자 등으로 매우 다양하고, 이들은 광학적 신호 처리를 위한 핵심적인 부품(요소)일 수 있다.
광도파로 타입의 비가역 광투과 소자(nonreciprocal optical transmission device)를 제공한다.
복소굴절률(complex index of refraction)의 변화를 이용하는 비가역 광투과 소자를 제공한다.
칩-집적형(chip-integration type) 비가역 광투과 소자를 제공한다.
넓은 투과 대역폭(transmission bandwidth)을 갖는 비가역 광투과 소자를 제공한다. 비가역 투과비(nonreciprocal transmission ratio) 및 순방향 투과효율(forward transmission efficiency)이 높은 비가역 광투과 소자를 제공한다.
상기 비가역 광투과 소자를 포함하는 광학 장치(ex, LiDAR 장치, mobile health care 장치 등)를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 광학적 입력부와 출력부; 및 상기 입력부와 출력부 사이에 구비된 중간연결부;를 포함하고, 상기 중간연결부는 적어도 두 개의 광도파로를 구비하고, 상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 복소굴절률은 상기 입력부와 출력부 사이에서 변화되고, 상기 복소굴절률의 변화에 의해 광의 투과 방향이 제어된 비가역 광투과 소자(nonreciprocal optical transmission device)가 제공된다.
상기 입력부에서 상기 출력부로 가는 방향으로 상기 복소굴절률의 변화 프로파일과 상기 출력부에서 상기 입력부로 가는 방향으로 상기 복소굴절률의 변화 프로파일은 상기 중간연결부의 중심을 기준으로 서로 비대칭 관계일 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로는 제1 및 제2 광도파로를 포함할 수 있고, 상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn1')과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn2')의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로는 제1 및 제2 광도파로를 포함할 수 있고, 상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 폭 및/또는 두께가 변화될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로 중 어느 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로 중 어느 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있고, 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
상기 중간연결부의 적어도 일측에 구비된 사이드 패치부(side patch portion)를 더 포함할 수 있고, 상기 적어도 두 개의 광도파로 중 상기 사이드 패치부에 인접한 광도파로와 상기 사이드 패치부 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화될 수 있다.
상기 사이드 패치부와 이에 인접한 상기 광도파로 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다.
상기 사이드 패치부와 이에 인접한 상기 광도파로 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
상기 중간연결부의 적어도 일측에 구비된 사이드 패치를 더 포함할 수 있고, 상기 적어도 두 개의 광도파로 중 상기 사이드 패치에 인접한 광도파로와 상기 사이드 패치 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화될 수 있으며, 상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화될 수 있다.
상기 입력부와 출력부 중 적어도 하나는 Y-branch 구조를 가질 수 있다.
상기 입력부, 상기 출력부 및 상기 중간연결부의 적어도 일부는 반도체, 고분자, 유전체 및 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 비가역 광투과 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다. 구체적인 예로, 전술한 비가역 광투과 소자; 상기 비가역 광투과 소자의 입력부에 광을 입력하기 위한 제1 광학요소; 및 상기 비가역 광투과 소자의 출력부로 출력된 광을 수신하는 제2 광학요소;를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 비가역 광투과 소자, 상기 제1 광학요소, 상기 제2 광학요소 중 적어도 두 개는 하나의 칩(chip) 상에 구비될 수 있다.
상기 광학 장치는, 예컨대, 라이다(LiDAR) 장치일 수 있다.
상기 광학 장치는, 예컨대, 헬스케어(health care) 장치일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 광학적 입력부와 출력부; 및 상기 입력부와 출력부 사이에 적어도 두 개의 광도파로를 구비하는 중간연결부;를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화된다는 조건, 및 상기 중간연결부의 적어도 일측에 사이드 패치가 더 구비되고 상기 사이드 패치와 이에 인접한 광도파로 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화된다는 조건 중 적어도 하나를 만족하는 비가역 광투과 소자가 제공된다.
상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 복소굴절률은 상기 입력부와 상기 출력부 사이에서 변화될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로는 제1 및 제2 광도파로를 포함할 수 있고, 상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn1')과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn2')의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로는 제1 및 제2 광도파로를 포함할 수 있고, 상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로 중 어느 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 광도파로 중 어느 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있고 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
상기 사이드 패치와 이에 인접한 상기 광도파로 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다.
상기 사이드 패치와 이에 인접한 상기 광도파로 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 비가역 광투과 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다. 구체적인 예로, 전술한 비가역 광투과 소자; 상기 비가역 광투과 소자의 입력부에 광을 입력하기 위한 제1 광학요소; 및 상기 비가역 광투과 소자의 출력부로 출력된 광을 수신하는 제2 광학요소;를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 비가역 광투과 소자, 상기 제1 광학요소, 상기 제2 광학요소 중 적어도 두 개는 하나의 칩(chip) 상에 구비될 수 있다.
상기 광학 장치는, 예컨대, 라이다(LiDAR) 장치일 수 있다.
상기 광학 장치는, 예컨대, 헬스케어(health care) 장치일 수 있다.
광도파로 타입의 비가역 광투과 소자를 구현할 수 있다. 복소굴절률의 변화를 이용하는 비가역 광투과 소자를 구현할 수 있다. 제조가 용이하고 On-chip device로 제조될 수 있는 비가역 광투과 소자를 구현할 수 있다. 넓은 투과 대역폭을 갖는 비가역 광투과 소자를 구현할 수 있다. 비가역 투과비 및 순방향 투과효율이 높은 비가역 광투과 소자를 구현할 수 있다.
실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용하여 다양한 광학 장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용하여 우수한 성능을 갖는 라이다(LiDAR) 장치, 모바일 헬스케어(mobile health care) 장치 등을 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자(nonreciprocal optical transmission device)를 개략적으로 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 평면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 평면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 평면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 평면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 평면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에서 복수의 광도파로와 관련된 에너지 파라미터(ξ)의 복소 평면에서의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에 의한 비가역적 광투과 특성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에 대한 FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 11a는 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 사시도이다.
도 11b는 도 11a의 비가역 광투과 소자의 중간연결부를 위에서 바라본 평면도이다.
도 11c는 도 11a의 비가역 광투과 소자의 중간연결부의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 11d는 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 사시도이다.
도 12는 도 11a 내지 도 11d를 참조하여 설명한 비가역 광투과 소자에서 제1 광도파로의 폭(w1) 변화 프로파일 및 제1 광도파로와 사이드 패치 사이의 간격(dS) 변화 프로파일을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 13은 다른 실시예의 비가역 광투과 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 14는 다른 실시예의 비가역 광투과 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 15는 다른 실시예의 비가역 광투과 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 16은 다른 실시예의 비가역 광투과 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자의 성능을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에 적용될 수 있는 중간연결부를 보여주는 평면도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용한 광학 장치를 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 20은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용한 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 21은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용한 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 포함하는 광학 장치의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 22는 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용한 집적화된 광학 프로세서(integrated optical processor)를 보여주는 도면이다.
도 23a 내지 도 23d는 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 제조하는 방법을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
이하, 실시예들에 따른 비가역 광투과 소자 및 이를 포함하는 광학 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자(nonreciprocal optical transmission device)를 개략적으로 설명하기 위한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 광도파로 타입의 소자일 수 있다. 상기 비가역 광투과 소자는 광학적 입력부(optical input portion)(P10) 및 광학적 출력부(optical output portion)(P30)를 포함할 수 있다. 입력부(P10)는 입력단이라 할 수 있고, 출력부(P30)는 출력단이라 할 수 있다. 상기 비가역 광투과 소자는 입력부(P10)와 출력부(P30) 사이에 중간연결부(intermediate connecting portion)(P20)를 포함할 수 있다. 중간연결부(P20)는 적어도 두 개의 광도파로(optical waveguide)(W10, W20)를 포함할 수 있다. 예컨대, 중간연결부(P20)는 제1 광도파로(W10) 및 제2 광도파로(W20)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 중간연결부(P20)가 두 개의 광도파로(W10, W20)를 포함하는 경우, 입력부(P10) 및 출력부(P30) 중 적어도 하나는 Y-branch 구조를 가질 수 있다. 여기서는, 입력부(P10) 및 출력부(P30)가 모두 Y-branch 구조를 갖는 경우가 도시되어 있다.
중간연결부(P20)에 포함된 적어도 두 개의 광도파로(W10, W20) 중 적어도 하나의 복소굴절률(complex index of refraction)은 입력부(P10)와 출력부(P30) 사이에서 변화될 수 있다. 이러한 복소굴절률의 변화에 의해, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 통한 광의 투과 방향이 제어될 수 있다. 이와 관련해서, 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가는 방향으로 상기 복소굴절률의 변화 프로파일(profile)과 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가는 방향으로 상기 복소굴절률의 변화 프로파일은 중간연결부(P20)의 중심을 기준으로 서로 비대칭한(asymmetric or nonsymmetric) 관계일 수 있다.
도 1의 중간연결부(P20) 위쪽에 제1 광도파로(W10)의 복소굴절률 변화와 관련된 그래프가 도시되어 있고, 중간연결부(P20) 아래쪽에 제2 광도파로(W20)의 복소굴절률 변화와 관련된 그래프가 도시되어 있다. 도 1은 제1 및 제2 광도파로(W10, W20) 각각의 복소굴절률이 입력부(P10)와 출력부(P30) 사이에서 변화되는 경우를 보여준다.
제1 광도파로(W10)의 길이 방향으로의 복소굴절률 변화(Δn1)는 수학식 Δn1(x) = Δn1'(x) + iΔn1"(x) 로 표현될 수 있다. 여기서, Δn1'는 제1 광도파로(W10)의 복소굴절률의 실수부(real part)의 변화량을 나타내고, Δn1"는 제1 광도파로(W10)의 복소굴절률의 허수부(imaginary part)의 변화량을 나타낸다. 제2 광도파로(W20)의 길이 방향으로의 복소굴절률 변화(Δn2)는 수학식 Δn2(x) = Δn2'(x) + iΔn2"(x) 로 표현될 수 있다. 여기서, Δn2'는 제2 광도파로(W20)의 복소굴절률의 실수부의 변화량을 나타내고, Δn2"는 제2 광도파로(W20)의 복소굴절률의 허수부의 변화량을 나타낸다. 상기 실수부는 실질적인 빛의 굴절에 관련되고, 상기 허수부는 빛의 흡수 및 에너지 손실(loss)과 관련된다.
중간연결부(P20) 위쪽에 도시된 그래프를 참조하면, Δn1' 및 Δn1"의 예시적인 변화 경향을 알 수 있다. Δn1'는 n1'의 변화를 나타내는 1차 미분 값일 수 있고, Δn1'의 변화는 2차 미분 값이라 할 수 있다. Δn1"는 n1"의 변화를 나타내는 1차 미분 값일 수 있고, Δn1"의 변화는 2차 미분 값이라 할 수 있다. 이는 중간연결부(P20) 아래쪽에 도시된 그래프에 표시된 Δn2' 및 Δn2" 에 대해서도 마찬가지이다. 이 그래프를 참조하면, Δn2' 및 Δn2"의 예시적인 변화 경향을 알 수 있다.
중간연결부(P20)의 상하에 도시된 두 개의 그래프를 비교하면, 제1 광도파로(W10)의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn1')과 제2 광도파로(W20)의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn2')의 차이(즉, Δn1'-Δn2')는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가면서는 감소하다가 증가할 수 있다. 더 자세히 설명하면, 상기 실수부 변화량의 차이(즉, Δn1'-Δn2')는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소한 후 다시 증가할 수 있고, 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가면서는 감소하다가 증가한 후 다시 감소할 수 있다. Δn1'의 변화 그래프는 중간연결부(P20)의 중심부 혹은 그 근방에서 변곡점을 가질 수 있고, Δn2'의 변화 그래프도 중간연결부(P20)의 중심부 혹은 그 근방에서 변곡점을 가질 수 있다.
한편, 제1 광도파로(W10)의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 제2 광도파로(W20)의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이(즉, Δn1"-Δn2")는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다. 상기 허수부 변화량의 차이(즉, Δn1"-Δn2")는 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가면서도 증가하다가 감소할 수 있다. Δn1"의 변화 그래프 및 Δn2"의 변화 그래프는 중간연결부(P20)의 중심부 혹은 그 근방에서 정점을 가질 수 있다.
입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가는 방향으로 제1 광도파로(W10)의 복소굴절률의 변화 프로파일과 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가는 방향으로 상기 복소굴절률의 변화 프로파일은 중간연결부(P20)의 중심을 기준으로 서로 비대칭 관계일 수 있다. 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가는 방향으로 제2 광도파로(W20)의 복소굴절률의 변화 프로파일과 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가는 방향으로 상기 복소굴절률의 변화 프로파일은 중간연결부(P20)의 중심을 기준으로 서로 비대칭 관계일 수 있다.
이상에서 설명한 중간연결부(P20)의 복소굴절률 변화와 관련해서, 본 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 통한 광의 투과 방향이 제어될 수 있다. 즉, 입사부(P10)에서 출사부(P30) 쪽으로는 광이 투과/전파할 수 있고, 출사부(P30)에서 입사부(P10) 쪽으로는 광이 실질적으로 투과/전파하지 않을 수 있다. 이에 대해서는 추후에 도 9 및 도 10을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1에서는 Δn1', Δn1", Δn2', Δn2"의 변화에 대해 예시적으로 도시하고 설명하였지만, 이들의 변화 그래프는 다양하게 변화될 수 있다. 그 예들이 도 2 내지 도 7에 도시되어 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 중간연결부(P21)는 제1 광도파로(W11) 및 제2 광도파로(W21)를 포함할 수 있다. 제1 광도파로(W11)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn1')과 허수부 변화량(Δn1")은 상부 그래프에 도시된 바와 같이 변화될 수 있다. 한편, 제2 광도파로(W21)의 복소굴절률의 실수부(n2')와 허수부(n2")는 하부 그래프에 도시된 바와 같이 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, Δn2' 및 Δn2"는 0으로 유지될 수 있다. 다시 말해, 제2 광도파로(W21)의 복소굴절률은 변화시키지 않으면서, 제1 광도파로(W11)의 복소굴절률을 변화시킬 수 있다. 이 경우, 제1 광도파로(W11)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn1')과 허수부 변화량(Δn1") 각각의 변화폭은 도 1의 제1 광도파로(W10)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn1')과 허수부 변화량(Δn1") 각각의 변화폭보다 클 수 있다. 예컨대, 제1 광도파로(W11)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn1')과 허수부 변화량(Δn1") 각각의 변화폭은 도 1의 제1 광도파로(W10)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn1')과 허수부 변화량(Δn1") 각각의 변화폭보다 약 2배 정도 클 수 있다.
도 2의 실시예에서도 제1 광도파로(W11)의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn1')과 제2 광도파로(W21)의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn2')의 차이(즉, Δn1'-Δn2')는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가면서는 감소하다가 증가할 수 있다. 또한, 제1 광도파로(W11)의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 제2 광도파로(W21)의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이(즉, Δn1"-Δn2")는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다. 따라서, 도 2의 비가역 광투과 소자는 도 1의 비가역 광투과 소자와 유사한 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
도 3은 중간연결부(P22)에서 제1 광도파로(W12)의 복소굴절률은 변화되지 않고, 제2 광도파로(W22)의 복소굴절률은 변화되는 경우를 보여준다. 이 경우, 제2 광도파로(W22)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn2')과 허수부 변화량(Δn2") 각각의 변화폭은 도 1의 제2 광도파로(W20)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn2')과 허수부 변화량(Δn2") 각각의 변화폭보다 클 수 있다. 예컨대, 약 2배 정도 클 수 있다. 도 3의 실시예에서도 제1 광도파로(W12)의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn1')과 제2 광도파로(W22)의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn2')의 차이(즉, Δn1'-Δn2')는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가면서는 감소하다가 증가할 수 있다. 또한, 제1 광도파로(W12)의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 제2 광도파로(W22)의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이(즉, Δn1"-Δn2")는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다. 따라서, 도 3의 비가역 광투과 소자는 도 1의 비가역 광투과 소자와 유사한 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
도 4는 중간연결부(P23)에서 제1 광도파로(W13)의 복소굴절률의 실수부(n1')가 변화되고 허수부(n1")는 변화되지 않으며, 제2 광도파로(W23)의 복소굴절률의 허수부(n2")가 변화되고 실수부(n2')는 변화되지 않는 경우를 보여준다. 제1 광도파로(W13)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn1')의 변화는 도 2의 Δn1'의 변화와 동일하거나 유사할 수 있고, 제2 광도파로(W23)의 복소굴절률의 허수부 변화량(Δn2")의 변화는 도 3의 Δn2"의 변화와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 5는 중간연결부(P24)에서 제1 광도파로(W14)의 복소굴절률의 허수부(n1")가 변화되고 실수부(n1')는 변화되지 않으며, 제2 광도파로(W24)의 복소굴절률의 실수부(n2')가 변화되고 허수부(n2")는 변화되지 않는 경우를 보여준다. 제1 광도파로(W14)의 복소굴절률의 허수부 변화량(Δn1")의 변화는 도 2의 Δn1"의 변화와 동일하거나 유사할 수 있고, 제2 광도파로(W24)의 복소굴절률의 실수부 변화량(Δn2')의 변화는 도 3의 Δn2'의 변화와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 6은 중간연결부(P25)에서 제1 광도파로(W15)의 복소굴절률의 실수부(n1') 및 허수부(n1")가 변화되고, 제2 광도파로(W25)의 복소굴절률의 실수부(n2')는 변화되고 허수부(n2")는 변화되지 않는 경우를 보여준다. Δn1' 및 Δn2'의 변화는 도 1의 그것과 동일하거나 유사할 수 있고, Δn1"의 변화는 도 2의 그것과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 7은 중간연결부(P26)에서 제1 광도파로(W16)의 복소굴절률의 실수부(n1') 및 허수부(n1")가 변화되고, 제2 광도파로(W26)의 복소굴절률의 실수부(n2')는 변화되지 않고 허수부(n2")는 변화되는 경우를 보여준다. Δn1" 및 Δn2"의 변화는 도 1의 그것과 동일하거나 유사할 수 있고, Δn1'의 변화는 도 2의 그것과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 4 내지 도 7의 실시예에서 제1 광도파로(W13∼W16)의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn1')과 제2 광도파로(W23∼W26)의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn2')의 차이(즉, Δn1'-Δn2')는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 출력부(P30)에서 입력부(P10)로 가면서는 감소하다가 증가할 수 있다. 또한, 제1 광도파로(W13∼W16)의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 제2 광도파로(W23∼W26)의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이(즉, Δn1"-Δn2")는 입력부(P10)에서 출력부(P30)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다. 따라서, 도 4 내지 도 7의 비가역 광투과 소자는 도 1의 비가역 광투과 소자와 유사한 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 도 6의 실시예에서 제1 광도파로(W15)의 복소굴절률의 허수부(n1")를 변화시키지 않고, 그 대신에, 제2 광도파로(W25)의 복소굴절률의 허수부(n2")를 변화시킬 수도 있다. 이와 유사하게, 도 7의 실시예에서 제1 광도파로(W16)의 복소굴절률의 실수부(n1')를 변화시키지 않고, 그 대신에, 제2 광도파로(W26)의 복소굴절률의 실수부(n2')를 변화시킬 수도 있다. 또한, 도 1 내지 도 7의 실시예에서 제1 광도파로(W10∼W16)를 제2 광도파로로 여길 수 있고, 제2 광도파로(W20∼W26)를 제1 광도파로로 여길 수도 있다. 도 1 내지 도 7의 실시예에서 Δn1', Δn1", Δn2', Δn2"의 변화 그래프는 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에서 복수의 광도파로와 관련된 에너지 파라미터(ξ)의 복소 평면에서의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 8a는 입력부에서 출력부로 가는 순방향으로의 에너지 파라미터(ξ)의 변화를 나타내고, 도 8b는 출력부에서 입력부로 가는 역방향으로의 에너지 파라미터(ξ)의 변화를 나타낸다. 각 그래프에서 Re(ξ)는 에너지 파라미터(ξ)의 실수 파트를 나타내고, Im(ξ)은 에너지 파라미터(ξ)의 허수 파트를 나타내며, EP는 eigenvalue (고유값)의 exceptional point를 나타낸다. Re(ξ) 및 Im(ξ)는 복소굴절률과 관련되고, eigenvalue는 에너지 파라미터(ξ)와 관련된다.
도 8a을 참조하면, 순방향으로 가면서 에너지 파라미터(ξ)는 EP(exceptional point)를 중심으로 제1 방향으로 회전하도록 변화될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 역방향으로 가면서 에너지 파라미터(ξ)는 EP(exceptional point)를 중심으로 제2 방향으로 회전하도록 변화될 수 있다.
일반적으로 에너지 파라미터(ξ)가 EP를 중심으로 회전하면서 변화하게 되면, 빛의 eigenstate가 변화하게 되어 두 도파로 사이 빛의 위상이 비대칭 모드로 변환될 수 있다. 하지만 도 8a와 같이 변화되는 경우, 즉, 에너지 파라미터(ξ)의 실수 파트가 양(+)의 값을 갖고 허수 파트가 양(+)의 값을 갖는 경우, anti-adiabatic state jump 현상이 발생하여 eigenstate가 변하지 않고 대칭 모드를 유지할 수 있다. 그러나 이와 같은 anti-adiabatic state jump 현상은 역방향 진행에서는 발생하지 않아 역방향 진행시에는 eigenstate가 변화되고 비대칭 모드로 변환될 수 있다.
도 8a 및 도 8b에서는 에너지 파라미터(ξ)가 EP(exceptional point)를 중심으로 원형으로 변화되는 경우를 도시하였지만, 이는 예시적인 것이고, 변화 형태는 달라질 수 있다. 예컨대, 원형이 아닌 타원형이나 다각형 모양으로 에너지 파라미터(ξ)가 변화될 수도 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명한 물리적 특성과 관련해서, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 순방향으로만 광을 투과하고 역방향으로는 광을 투과시키지 않을 수 있다. 그러나 도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명한 물리적 특성 및 관련 메커니즘은 예시적인 것이고 달라질 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에 의한 비가역적 광투과 특성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9를 참조하면, 비가역 광투과 소자는 입력부(P1), 출력부(P3) 및 이들 사이에 중간연결부(P2)를 포함할 수 있고, 중간연결부(P2)는 적어도 두 개의 광도파로, 예컨대, 제1 및 제2 광도파로(W1, W2)를 포함할 수 있다. 이러한 비가역 광투과 소자는 도 1 내지 도 7 중 어느 하나의 비가역 광투과 소자에 대응될 수 있다.
광이 순방향으로 진행하는 경우, 즉, 광이 입력부(P1)에서 출력부(P3)로 진행하는 경우, 입력부(P1)에서 분기된 광은 중간연결부(P2)에서 대칭 모드로 유지된 후, 출력부(P3)에서 결합되어 출력될 수 있다. 반면, 광이 역방향으로 진행하는 경우, 즉, 광이 출력부(P3)에서 입력부(P1)로 진행하는 경우, 출력부(P3)에서 분기된 광은 중간연결부(P2)에서 반대칭 모드로 변환될 수 있고, 결과적으로, 입력부(P1)에서 소멸될 수 있다. 다시 말해, 입력부(P1)의 광도파로 외부로 광이 빠져나가 입력부(P1)를 통한 광전파가 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 광은 순방향으로만 투과되고, 역방향으로는 투과되지 않을 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에 대한 FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이때, 중간연결부에서 두 개의 광도파로의 폭은 각각 1 ㎛, 두 개의 광도파로 사이의 간격은 2 ㎛, 중간연결부의 길이는 5 mm, 입력부 및 출력부 각각의 Y-branch 길이는 300 ㎛ 였고, 사용된 광의 파장은 1030 nm 였다. 또한, 광도파로 일부의 굴절률은 1.55 였고, 복소굴절률의 변조 진폭은 0.0006 이었으며, 광도파로에 접촉된 클래딩층(cladding layer)의 굴절률은 1.5 이었다. 상기 비가역 광투과 소자의 복소굴절률은 도 1에 도시된 바와 같이 변조되었다.
도 10을 참조하면, (A)와 같이 광이 순방향으로 진행하는 경우, 출력부에서 출력되는 광의 세기가 강하게 나타났다. 이는 광이 순방향으로 잘 투과된다는 것을 의미한다. 반면, (B)와 같이 광이 역방향으로 진행하는 경우, 입력부 근방에서 광이 산란되어 소멸되고, 입력부를 통한 광의 전파가 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 광도파로의 복소굴절률의 공간 변조(spatial variation)를 이용해서 광의 투과 방향을 제어하는 소자일 수 있다. 이때, 상기 복소굴절률은 광도파로의 연장 방향을 따라 점진적으로(gradually) 변화될 수 있다.
도 1 내지 도 7의 실시예에서와 같이, 중간연결부(P20∼P26)를 구성하는 광도파로(W10∼W16, W20∼W26)의 복소굴절률을 변화시키기 위해서는, 광도파로(W10∼W16, W20∼W26)의 물질이나 조성비 등을 길이 방향으로 점진적으로(gradually) 변화시킬 수 있다. 그 밖에도 다른 방법을 이용해서, 광도파로(W10∼W16, W20∼W26)의 물성이나 특성을 길이 방향으로 점진적으로 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 광도파로(W10∼W16, W20∼W26)의 폭이나 두께를 길이 방향으로 변화시키거나, 광도파로(W10∼W16, W20∼W26)에 인접한 사이드 패치(side patch)를 형성하고, 사이드 패치와 광도파로(W10∼W16, W20∼W26) 사이의 간격을 조절함으로써, 광도파로(W10∼W16, W20∼W26)의 복소굴절률(유효 복소굴절률)을 변화시킬 수 있다. 광도파로의 부피가 증가할수록 상기 광도파로의 유효 복소굴절률의 실수부(즉, 유효 실수부)가 증가할 수 있다. 따라서, 광도파로의 폭이나 두께를 변화시킴으로써, 상기 광도파로의 유효 복소굴절률의 실수부(즉, 유효 실수부)를 조절할 수 있다. 또한, 광도파로와 이에 인접한 사이드 패치(side patch) 사이의 간격이 감소할수록 상기 광도파로의 유효 복소굴절률의 허수부(즉, 유효 허수부)가 증가할 수 있다. 따라서, 광도파로와 이에 인접한 사이드 패치 사이의 간격을 변화시킴으로써, 상기 광도파로의 유효 복소굴절률의 허수부(즉, 유효 허수부)를 조절할 수 있다. 광도파로의 폭이나 두께를 변화시키거나 광도파로와 사이드 패치 사이의 간격을 변화시킴으로써, 광도파로의 복소굴절률(유효 복소굴절률)을 변화시키는 것에 대해서는 도 11a 내지 도 16 등을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 11a는 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 보여주는 사시도이다.
도 11a를 참조하면, 본 실시예의 비가역 광투과 소자는 입력부(P100), 출력부(P300) 및 이들 사이에 중간연결부(P200)를 포함할 수 있다. 중간연결부(P200)는 적어도 두 개의 광도파로, 예컨대, 제1 및 제2 광도파로(W100, W200)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광도파로(W100, W200) 중 적어도 하나는 그의 길이 방향으로 폭 및/또는 두께가 변화될 수 있다. 여기서는, 제1 광도파로(W100)의 폭이 입력부(P100)와 출력부(P300) 사이에서 점진적으로 변화되는 경우가 도시되어 있다. 제1 광도파로(W100)의 폭은 입력부(P100)에서 출력부(P300)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 출력부(P300)에서 입력부(P100)로 가면서는 감소하다가 증가할 수 있다. 이와 관련해서, 제1 광도파로(W100)의 유효 복소굴절률의 실수부(즉, 유효 실수부)의 변화량은 입력부(P100)에서 출력부(P300)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 출력부(P300)에서 입력부(P100)로 가면서는 감소하다가 증가할 수 있다.
본 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 중간연결부(P200)의 적어도 일측에 구비된 사이드 패치(side patch)(S100)를 더 포함할 수 있다. 여기서는, 제1 광도파로(W100) 옆에 하나의 사이드 패치(S100)가 구비된 경우가 도시되어 있다. 이 경우, 제1 광도파로(W100)와 사이드 패치(S100) 사이의 간격은 입력부(P100)와 출력부(P300) 사이에서 변화될 수 있다. 제1 광도파로(W100)와 사이드 패치(S100) 사이의 간격은 입력부(P100)에서 출력부(P300)로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다. 이와 관련해서, 제1 광도파로(W100)의 유효 복소굴절률의 허수부(즉, 유효 허수부)의 변화량은 입력부(P100)에서 출력부(P300)로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
한편, 제2 광도파로(W200)의 폭 및 두께는 입력부(P100)와 출력부(P300) 사이에서 실질적으로(대체적으로) 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 제2 광도파로(W200)의 유효 복소굴절률의 실수부(즉, 유효 실수부)는 입력부(P100)와 출력부(P300) 사이에서 실질적으로(대체적으로) 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 사이드 패치(S100)는 제2 광도파로(W200)에 영향을 주지 않고, 제2 광도파로(W200)에 인접한 제2 사이드 패치가 없기 때문에, 제2 광도파로(W200)의 유효 복소굴절률의 허수부(즉, 유효 허수부)는 입력부(P100)와 출력부(P300) 사이에서 실질적으로(대체적으로) 일정하게 유지될 수 있다.
도 11a의 비가역 광투과 소자에 사용된 중간연결부(P200)의 복소굴절률 변화는 도 2를 참조하여 설명한 중간연결부(P21)의 복소굴절률 변화와 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 도 11a의 비가역 광투과 소자는 순방향으로만 광을 투과하고 역방향으로는 광을 투과하지 않을 수 있다.
도 11b는 도 11a의 비가역 광투과 소자의 중간연결부(P200)를 위에서 바라본 평면도이다.
도 11b를 참조하면, 제1 광도파로(W100)의 폭(w1)은 x축 방향으로 가면서 변화될 수 있고, 제2 광도파로(W200)의 폭(w2)은 일정하게 유지될 수 있다. 제1 광도파로(W100)와 사이드 패치(S100) 사이의 간격(dS)은 x축 방향으로 가면서 변화될 수 있다. 간격(dS)이 좁아질수록 제1 광도파로(W100)의 유효 흡수 계수가 증가할 수 있고, 결과적으로, 제1 광도파로(W100)의 복소굴절률의 유효 허수부 변화량이 증가할 수 있다. 제1 광도파로(W100)와 제2 광도파로(W200) 사이의 간격(dW)도 x축 방향으로 가면서 변화될 수 있다. 단, 제1 광도파로(W100)와 제2 광도파로(W200) 사이의 간격(dW)은 서로의 흡수 계수에 영향을 주지 않을 정도로 클 수 있다. 따라서, 간격(dW)이 변화하더라도, 제1 광도파로(W100)와 제2 광도파로(W200)는 서로의 흡수 계수에 영향을 주지 않을 수 있다. 중간연결부(P200)의 길이는 L로 표시한다. 길이(L)에 따라서도 비가역 광투과 소자의 특성 및 성능이 변화될 수 있다.
일례로, 제1 및 제2 광도파로(W100, W200) 및 사이드 패치(S100)가 실리콘(Si)을 포함하는 경우, 이들의 두께는 약 150 nm 일 수 있고, w1의 변동폭은 약 10 nm 정도일 수 있고, w2는 약 800 nm 일 수 있고, dS의 최소값은 약 70 nm 일 수 있고, dW의 평균값은 약 300 nm 이하일 수 있다. 다른 예로, 제1 및 제2 광도파로(W100, W200) 및 사이드 패치(S100)가 소정의 도펀트로 도핑된 poly(methyl methacrylate), 즉, doped PMMA를 포함하는 경우, 이들의 두께는 약 400 nm 일 수 있고, w1의 변동폭은 약 100 nm 정도일 수 있고, w2는 약 1.2 ㎛ 일 수 있고, dS의 최소값은 약 300 nm 일 수 있고, dW의 평균값은 약 1.2 ㎛ 일 수 있다. 그러나 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)의 물질 및 관련 치수는 예시적인 것에 불과하고 다양하게 변화될 수 있다.
도 11c는 도 11a의 비가역 광투과 소자의 중간연결부(P200)의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 11c를 참조하면, 소정의 제1 클래딩층(cladding layer)(C100) 상에 제1 및 제2 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)가 구비될 수 있다. 또한, 제1 클래딩층(C100) 상에 제1 및 제2 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)를 덮는 제2 클래딩층(C200)이 더 구비될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)는 클래딩층(C100 + C200) 내에 임베드(embed) 되었다고 할 수 있다. 제1 클래딩층(C100)은 하부층(underlayer) 또는 지지층이라 할 수 있고, 제2 클래딩층(C200)은 상부층 또는 커버층이라 할 수 있다. 제1 및 제2 클래딩층(C100, C200)은 광도파로(W100, W200) 및 사이드 패치(S100)보다 굴절률이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 클래딩층(C100, C200)은 동일한 물질로 형성되거나, 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다. 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)는 클래딩층(C100, C200)보다 굴절률이 높은 물질로 형성될 수 있다. 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)는 동일한 물질로 형성되거나, 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다. 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)의 두께는 t로 표시한다. 두께(t)는 광도파로(W100, W200)의 길이 방향으로 실질적으로(대체적으로) 일정하게 유지될 수 있다. 그러나 경우에 따라서는, 광도파로(W100, W200)의 길이 방향으로 광도파로(W100, W200) 중 적어도 하나의 두께(t)를 변화시킬 수도 있다.
도 11a의 구조에 도 11c의 제1 및 제2 클래딩층(C100, C200)을 구비시킨 경우가 도 11d에 도시되어 있다. 도 11d에서 제1 및 제2 클래딩층(C100, C200)은 저굴절률(low-index) 물질로 형성될 수 있고, 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)는 고굴절률(high-index) 물질로 형성될 수 있다. 여기서, 저굴절률 및 고굴절률은 굴절률의 대소를 나타내는 상대적인 개념일 수 있다.
도 11d를 참조하여 설명한 비가역 광투과 소자에서 광도파로(W100, W200) 및 사이드 패치(S100)는, 예컨대, 반도체, 고분자, 유전체 및 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 클래딩층(C100, C200)은 실리콘 산화물과 같은 유전체나 폴리머 계열의 물질로 형성될 수 있다. 광도파로(W100, W200) 각각의 폭은, 예컨대, 100 nm ∼ 100 ㎛ 정도일 수 있다. 폭이 변화되는 광도파로(W100)의 폭 변조율은, 예컨대, 10 nm ∼ 10 ㎛ 정도일 수 있다. 복수의 광도파로(W100, W200) 사이의 간격은, 예컨대, 10 nm ∼ 10 ㎛ 정도일 수 있다. 광도파로(W100)와 사이드 패치(S100) 사이의 간격은, 예컨대, 1 nm ∼ 10 ㎛ 정도일 수 있다. 중간연결부(P200)의 길이는, 예컨대, 1 ㎛ ∼ 15 mm 정도일 수 있다. 비가역 광투과 소자의 전체 길이는, 예컨대, 약 20 mm 이하일 수 있다. 한편, 광도파로(W100, W200) 및 사이드 패치(S100)의 두께는, 예컨대, 5 nm ∼ 2 ㎛ 정도일 수 있다. 이러한 비가역 광투과 소자의 구성 물질 및 관련 치수는 추후에 설명할 도 13 내지 도 16의 실시예에도 적용될 수 있다.
도 12는 도 11a 내지 도 11d를 참조하여 설명한 비가역 광투과 소자에서 제1 광도파로(W100)의 폭(w1) 변화 프로파일 및 제1 광도파로(W100)와 사이드 패치(S100) 사이의 간격(dS) 변화 프로파일을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, w1은 x축 방향으로 가면서 증가하다가 감소한 후, 다시 증가하는 경향을 나타낼 수 있다. dS는 x축 방향으로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다. 그러나, 도 12에 도시된 w1의 프로파일 및 dS의 프로파일은 예시적인 것과 불과하고, 이들 각각의 변동폭 및 변화 경향은 달라질 수 있다.
도 11a 내지 도 11d 및 도 12를 참조하여 설명한 비가역 광투과 소자의 복소굴절률 변화는 도 2에 도시된 바와 동일하거나 유사할 수 있다. 아래에서 설명할 도 13의 비가역 광투과 소자의 복소굴절률 변화는 도 1에 도시된 바와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에 적용될 수 있는 중간연결부를 보여주는 평면도이다.
도 13을 참조하면, 제1 및 제2 광도파로(W110, W210) 중 적어도 하나의 폭 및/또는 두께는 길이 방향으로 가면서 변화될 수 있다. 여기서는, 제1 및 제2 광도파로(W110, W210)의 폭이 모두 변화되는 경우를 보여준다. 제1 광도파로(W110)의 폭은 입력부에서 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있고, 출력부에서 입력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다. 제2 광도파로(W210)의 폭은 입력부에서 출력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있고, 출력부에서 입력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다. 제1 광도파로(W110)와 제1 사이드 패치(S110) 사이의 간격은 입력부에서 출력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다. 제2 광도파로(W210)와 제2 사이드 패치(S210) 사이의 간격은 입력부에서 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다. 이 경우, 비가역 광투과 소자의 복소굴절률 변화는 도 1에 도시된 바와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 11b에서 제1 광도파로(W100)의 폭의 변화 정도는 도 13에서 제1 광도파로(W110)의 폭의 변화 정도보다 약 2배 정도 클 수 있다. 또한, 도 11b에서 제1 광도파로(W100)와 사이드 패치(S100) 사이의 간격의 변화 정도는 도 13에서 제1 광도파로(W110)와 제1 사이드 패치(S110) 사이의 간격의 변화 정도보다 약 2배 정도 클 수 있다. 편의상, 도 11b 및 도 13에서 제1 광도파로(W100, W110)를 서로 동일하게 도시하였고, 사이드 패치(S100, S110)도 서로 동일하게 도시하였지만, 실제 이들의 변화 정도는 두 실시예에서 다를 수 있다. 도 11b에서는 두 개의 광도파로(W100, W200) 중 하나(W100)의 폭만 변화시키고 사이드 패치(S100)를 하나만 사용하는데 반해, 도 13에서는 두 개의 광도파로(W110, W210)의 폭을 모두 변화시키고 두 개의 사이드 패치(S110, S210)를 사용하기 때문에, 도 11b의 광도파로(W100)의 폭의 변화량을 도 13의 제1 및 제2 광도파로(W110, W210)에 분산시킬 수 있고, 도 11b의 사이드 패치(S100)로 인한 효과(복소굴절률 변화 효과)를 도 13의 제1 및 제2 사이드 패치(S110, S210)에 분산시킬 수 있다. 도 11b와 같이, 두 개의 광도파로(W100, W200) 중 하나(W100)의 폭만 변화시키고 하나의 사이드 패치(S100)를 사용하는 경우, 구조가 단순화되고 설계 및 제조가 용이해질 수 있다.
도 14 내지 도 16은 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 설명하기 위한 평면도이다. 이들은 각각 비가역 광투과 소자에 적용될 수 있는 중간연결부를 보여준다.
도 14에 도시된 중간연결부의 복소굴절률 변화는 도 3에 도시된 복소굴절률 변화에 대응될 수 있다. 제1 광도파로(W120)의 폭은 일정하게 유지될 수 있고, 제2 광도파로(W220)의 폭은 입력부에서 출력부 사이에서 변화될 수 있다. 예컨대, 제2 광도파로(W220)의 폭은 입력부에서 출력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있고, 출력부에서 입력부로 가면서는 증가하다가 감소할 수 있다. 제2 광도파로(W220)의 일측에 사이드 패치(S220)가 구비될 수 있고, 제2 광도파로(W220)와 사이드 패치(S220) 사이의 간격은 입력부에서 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
도 15에 도시된 중간연결부의 복소굴절률 변화는 도 4에 도시된 복소굴절률 변화에 대응될 수 있다. 제1 광도파로(W130)의 폭은 길이 방향으로 변화될 수 있고, 제2 광도파로(W230)의 폭은 일정하게 유지될 수 있다. 제2 광도파로(W230)의 일측에 사이드 패치(S230)가 구비될 수 있고, 제2 광도파로(W230)와 사이드 패치(S230) 사이의 간격은 입력부에서 출력부로 가면서 증가하다가 감소할 수 있다.
도 16에 도시된 중간연결부의 복소굴절률 변화는 도 5에 도시된 복소굴절률 변화에 대응될 수 있다. 제1 광도파로(W140)의 폭은 일정하게 유지될 수 있고, 제2 광도파로(W240)의 폭은 길이 방향으로 변화될 수 있다. 제1 광도파로(W140)의 일측에 사이드 패치(S140)가 구비될 수 있고, 제1 광도파로(W140)와 사이드 패치(S140) 사이의 간격은 입력부에서 출력부로 가면서 감소하다가 증가할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 도 6 및 도 7에 도시된 복소굴절률 변화에 대응하는 중간연결부를 포함하는 비가역 광투과 소자를 디지인할 수 있다. 예컨대, 도 13에서 제2 사이드 패치(S210)를 배제하고 그 효과를 제1 사이드 패치(S110)에 통합할 경우, 도 6과 같은 복소굴절률 변화가 나타날 수 있다. 또한, 도 13에서 제2 광도파로(W210)의 폭을 일정하게 유지하고 제2 광도파로(W210)의 폭 변화 효과를 제1 광도파로(W110)에 통합할 경우, 도 7과 같은 복소굴절률 변화가 나타날 수 있다. 그 밖에도, 도 1 내지 도 7로부터 변형될 수 있는 다양한 형태의 복소굴절률 변화를 반영하도록 다양한 형태의 비가역 광투과 소자를 디지인할 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자의 성능을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 17은 비가역 광투과 소자의 비가역 투과비(nonreciprocal transmission ratio)(NTR) 및 순방향 투과효율(forward transmission efficiency)(FTE)의 해석적 계산(모델)에 따른 결과 및 FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션에 따른 결과를 포함한다. 도 17의 결과는 도 11d의 구조를 갖는 소자에서 중간연결부(P200)의 길이(L)가 1 mm, 5 mm, 10 mm 인 세 가지 경우에 대한 것이다. FEM 시뮬레이션은 길이(L)가 5 mm 인 소자에 대해서 수행하였다.
도 17의 상부 그래프를 참조하면, 소정의 파장 영역에서 비교적 높은 NTR (dB) 값이 나타나는 것을 알 수 있다. 파장이 증가하면서 NTR (dB) 값은 증가하다가 감소하는 경향을 보였다. 또한, 소자(중간연결부)의 길이(L)가 증가할수록, NTR (dB) 값은 증가하는 것을 알 수 있다.
도 17의 하부 그래프를 참조하면, 파장에 따른 FTE (dB) 값의 변화 경향을 확인할 수 있다. 또한, 소자(중간연결부)의 길이(L)에 따른 FTE (dB) 값의 변화 경향도 확인할 수 있다. 여기서, FTE (dB) 값은 로그 스케일(log scale)이다. 따라서, 여기서 FTE (dB)가 0(zero)이라는 것은 일반적인 스케일로 효율이 1 (out/in ratio), 즉, 100% 라는 것을 의미한다.
아래의 표 1은 도 17의 결과로부터 얻어진 것으로, 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자의 주요 특성 파라미터를 정리한 것이다.
Figure pat00001
표 1에서 [NTR]max는 NTR의 최대값을 나타낸다. 단, 길이(L)가 10 mm 인 경우, 도 17에서 스파이크 피크(spike peak) 부분은 배제하고 NTR의 최대값을 설정하였다. <FTE>avg는 FTE의 평균값을 일반적인 스케일(비율)로 나타낸 것이다. 따라서, <FTE>avg가 1 이라는 것은 효율이 100% 라는 것을 의미한다.
한편, 표 1에서 λmax는 NTR의 최대값, 즉, [NTR]max에 해당하는 파장을 나타낸다. Δλ10 -dB는 도 17의 NTR (dB) 그래프에서 NTR이 10 dB 이상인 영역의 파장 폭을 나타낸다. Δν10 -dB는 Δλ10 -dB (파장 값)을 주파수 값으로 변환한 것이다. Δν10-dB는 비가역 광투과 소자의 투과 대역폭(transmission bandwidth)을 주파수 값으로 나타낸 것이라 할 수 있다.
실시예에 따르면, 비가역 투과비(nonreciprocal transmission ratio)(NTR) 및 순방향 투과효율(forward transmission efficiency)(FTE)이 높고, 넓은 투과 대역폭(transmission bandwidth)을 갖는 비가역 광투과 소자를 구현할 수 있다. 특히, NTR은 약 20 dB 이상 또는 약 30 dB 이상일 수 있고, 대역폭(10 dB 대역폭)은 약 70 THz 이상 또는 약 100 THz 이상일 수 있다. 또한, 대역폭 내에서 평균 FTE는 약 1 정도일 수 있으므로, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 신호 손실 없이(거의 없이) 사용할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 칩-집적형(chip-integration type) 소자일 수 있다. 따라서, 상기 비가역 광투과 소자는 칩 상에 용이하게 제조할 수 있고, 하나의 칩 내에 다른 광학요소(광학소자)들과 함께 집적(integrated)될 수 있다. 이는 제조의 용이성 및 광학 칩 구현에 있어서 중요한 의미를 가질 수 있다.
종래의 광 아이솔레이터(optical isolator)는 Yttrium-Iron-Garnet (YIG) 결정 등의 단결정 자기-광학 매질(magneto-optic medium)에서 나타나는 패러데이 회전(Faraday rotation)을 이용한다. 그러나 단결정 자기-광학 매질은 아직 확립된 박막 증착 기술이 없기 때문에, 칩-집적형 소자를 구현하는데 적용할 수 없다. 또한, 단결정 자기-광학 매질 기반 소자의 길이는 5 cm ∼ 10 cm 정도이고, 단면적은 수 cm2 정도이기 때문에, 고집적 광학 장치 및 시스템 내에 삽입하기 어려운 문제가 있다. 또한, NTR, FTE, 대역폭 등의 성능과 관련해서도, 우수한 성능을 구현하는데 한계가 있다.
단결정 자기-광학 매질 기반의 소자 이외에, 다결정 자기-광학 매질 박막을 적용한 Si 도파로 공진기 소자, Indirect interband photonic transition을 이용한 도파로 회절격자 소자, 비선형 비대칭 도파로/광자결정(photonic crystal) 공진기 소자 등이 있으나, 이 기술들은 모두 100 GHz 이내의 좁은 대역폭 및 낮은 순방향 투과효율(FTE)을 갖는다는 단점이 있고, 경우에 따라서는, 고출력 광원을 사용해야 하는 등의 문제도 있기 때문에, 실용화 수준의 소자 구현은 어려울 수 있다. 특히, 다결정 자기-광학 매질 박막을 적용한 Si 도파로 공진기 소자는 좁은 대역폭(＜ 2 GHz) 및 낮은 FTE (∼1%)의 문제가 있다. Indirect interband photonic transition을 이용한 도파로 회절격자 소자는 낮은 NTR (＜ 3 dB)을 가지며, 10 GHz 대역의 고출력(0.1 W 급) 초고주파 음향파(acoustic wave) 또는 전기-광학 진행파(electro-optic traveling wave) 발생장치가 도파로 소자와 함께 집적되어야 하는 문제가 있다. 비선형 비대칭 도파로/광자결정(photonic crystal) 공진기 소자는 좁은 대역폭(＜ 100 GHz) 및 낮은 FTE (＜ 10%)를 가지며, 고출력 광신호에 대해서만 동작이 가능하다는 문제/한계가 있다.
그러나 본원의 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 칩 상에 용이하게 제조할 수 있으면서, 높은 NTR 및 높은 FTE 및 넓은 bandwidth 등 우수한 성능을 용이하게 확보할 수 있다. 예컨대, 약 90% 이상의 FTE 및 약 100 THz 이상의 대역폭 구현이 가능할 수 있고, 또한, 저전력 동작이 가능할 수 있다. 특히, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 resonance cavity나 맥놀이 현상에 의존하지 않고, 복소굴절률의 변조를 이용하기 때문에, 매우 넓은 대역폭(약 100 THz 이상)을 구현할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 차세대 10 THz 또는 100 THz 급 초광대역/초고밀도 디지털 정보 처리를 위한 광집적회로 소자에서 매우 유용하게 사용될 수 있다. 종래에 제안된 다양한 비가역 광소자들은 협대역 특성, 낮은 순방향 투과효율, 비현실적인 초고주파수 음향파 발생장치 요구, 고출력 광파에 대해서만 작동 가능, 집적화 불가 등의 한계와 문제가 있다. 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 이러한 한계 및 문제점들을 극복할 수 있기 때문에, 차세대 디지털 광정보 처리 기기 및 시스템을 구현하는데 매우 유용하게 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에서는 비가역 광투과 소자의 중간연결부에 2개의 광도파로가 적용된 경우에 대해서 주로 도시하고 설명하였지만, 경우에 따라서는, 중간연결부에 2개 보다 많은 광도파로가 적용될 수 있다. 그 일례가 도 18에 도시되어 있다.
도 18은 다른 실시예에 따른 비가역 광투과 소자에 적용될 수 있는 중간연결부를 보여주는 평면도이다.
도 18을 참조하면, 중간연결부는, 예컨대, 제1 내지 제4 광도파로(W150, W250, W350, W450)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 광도파로(W150, W250, W350, W450) 중 적어도 하나의 폭이 입력부에서 출력부로 가면서 변화될 수 있다. 여기에는, 제1 및 제4 광도파로(W150, W450)의 폭이 변화되는 경우가 도시되어 있다. 제2 및 제3 광도파로(W250, W350)의 폭은 실질적으로(대체적으로) 변화되지 않고 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 제1 광도파로(W150)의 일측에 제1 사이드 패치(S150)가 더 구비될 수 있다. 또한, 제4 광도파로(W450)의 일측에 제2 사이드 패치(S250)가 더 구비될 수 있다. 제1 광도파로(W150)와 제1 사이드 패치(S150) 사이의 간격은 입력부와 출력부 사이에서 변화될 수 있다. 제4 광도파로(W450)와 제2 사이드 패치(S250) 사이의 간격도 입력부와 출력부 사이에서 변화될 수 있다. 제1 및 제2 광도파로(W150, W250) 및 제1 사이드 패치(S150)의 구조는 도 11b의 제1 및 제2 광도파로(W100, W200) 및 사이드 패치(S100)의 구조와 유사할 수 있다. 제3 및 제4 광도파로(W350, W450) 및 제2 사이드 패치(S250)의 구조는 제1 및 제2 광도파로(W150, W250) 및 제1 사이드 패치(S150)의 구조와 대칭적인 관계를 이룰 수 있다. 그러나, 도 18에서 설명한 제1 내지 제4 광도파로(W150, W250, W350, W450)의 형태와 제1 및 제2 사이드 패치(S150, S250)의 형태는 예시적인 것이고, 이들은 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 도 13 내지 도 16의 실시예에 기초해서, 도 18의 구조를 다양하게 변형할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 복수의 광도파로(W150, W250, W350, W450)의 일측에 이들과 연결된 입력부가 구비될 수 있고, 복수의 광도파로(W150, W250, W350, W450)의 타측에 이들과 연결된 출력부가 구비될 수 있다. 상기 입력부 및 출력부 각각은 4개의 branch를 포함할 수 있다. 또한, 중간연결부에 포함된 광도파로의 개수는 3개이거나 5개 이상일 수도 있다. 또한, 경우에 따라서는, 복수의 광도파로 사이에 사이드 패치를 구비시킬 수도 있다.
도 11a 내지 도 18 등에서는 광도파로의 폭을 변화시키고, 광도파로와 사이드 패치의 간격을 조절하는 경우에 대해서 주로 설명하였지만, 광도파로의 폭을 변화시키는 대신에 광도파로의 두께를 변화시킬 수 있다. 이때, 광도파로의 길이 방향으로의 두께의 변화 경향은 상기 폭의 변화 경향과 유사할 수 있다. 경우에 따라서는, 광도파로의 폭 및 두께를 함께 변화시킬 수 있다. 또한, 광도파로의 폭/두께 변화(즉, 부피 변화) 및 광도파로와 사이드 패치의 간격 조절을 함께 사용하지 않을 수도 있다. 다시 말해, 광도파로의 폭/두께를 길이 방향으로 변화시키면서 사이드 패치를 사용하지 않고, 사이드 패치로 인한 효과를 다른 방식으로 구현할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 사이드 패치를 사용하면서 광도파로의 폭/두께를 변화시키지 않고, 그 효과를 다른 방식으로 구현할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 비가역 광투과 소자는 다양한 분야의 광학 장치에 적용할 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용한 광학 장치를 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 19를 참조하면, 기판(SUB1) 상에 실시예에 따른 비가역 광투과 요소(E2)가 구비될 수 있다. 비가역 광투과 요소(E2)는 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 비가역 광투과 소자에 대응될 수 있다. 비가역 광투과 요소(E2)는 일종의 광 아이솔레이터(optical isolator)일 수 있다. 비가역 광투과 요소(E2)의 입력부에 광을 입력하기 위한 입력단 연결 광학요소(E1)가 구비될 수 있다. 또한, 비가역 광투과 요소(E2)의 출력부로 출력된 광을 수신하기 위한 출력단 연결 광학요소(E3)가 더 구비될 수 있다. 입력단 연결 광학요소(E1)와 출력단 연결 광학요소(E3)는 비가역 광투과 요소(E2)와 함께 동일한 기판(SUB1) 상에 구비될 수 있다. 입력단 연결 광학요소(E1)는, 예컨대, 소정의 광원을 포함할 수 있다. 상기 광원은 레이저 소스이거나 그 밖에 다른 광원일 수도 있다. 출력단 연결 광학요소(E3)는, 예컨대, 소정의 도파로 및 광학 성분(optical component)을 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 기판(SUB1) 상에 출력단 연결 광학요소(E3)에 연결된 적어도 하나의 다른 광학요소가 더 구비될 수 있다.
일례로, 실시예들에 따른 비가역 광투과 소자(요소)는 라이다(LiDAR)(Light Detection And Ranging) 장치에 적용될 수 있다. 도 20은 실시예에 따른 비가역 광투과 소자(요소)를 라이다(LiDAR) 장치의 빔 스티어링 소자(beam steering device)에 적용한 경우를 예시적으로 보여준다.
도 20은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용한 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 빔 스티어링 소자는 기판(SUB10) 상에 구비된 입력 광학요소(E10)와 출력 광학요소(E50)를 포함할 수 있다. 입력 광학요소(E10)는 광원이거나 외부의 광원으로부터 광을 수신하는 입력 커플러일 수 있다. 출력 광학요소(E50)는 광을 출사하는 출사부(emitter)일 수 있다. 출력 광학요소(E50)는 일종의 출력 커플러라고 할 수 있다. 상기 빔 스티어링 소자는 입력 광학요소(E10)와 출력 광학요소(E50) 사이에 비가역 광투과 요소(E20)와 광분할기(optical splitter)(E30) 및 광변조기(optical modulator)(E40)를 더 포함할 수 있다. 비가역 광투과 요소(E20)는 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 비가역 광투과 소자에 대응될 수 있다. 광분할기(E30)는 비가역 광투과 요소(E20)로부터 전달된 광을 복수의 광으로 분할하는 역할을 할 수 있다. 광변조기(E40)는 분할된 복수의 광을 변조하는 역할을 할 수 있다. 광변조기(E40)에 의한 광의 변조에 의해 출력 광학요소(E50)로 출사되는 광(즉, 출사광)의 방향이 제어될 수 있다.
기판(SUB10) 상에 선택적으로(optionally) 절연층(N10)이 구비될 수 있고, 절연층(N10) 상에 입력 광학요소(E10), 비가역 광투과 요소(E20), 광분할기(E30), 광변조기(E40) 및 출력 광학요소(E50)가 구비될 수 있다. 편의상, 입력 광학요소(E10), 비가역 광투과 요소(E20), 광분할기(E30), 광변조기(E40) 및 출력 광학요소(E50)를 단순한 구조로 도시하였다. 또한, 도시하지는 않았지만, 인접한 두 개의 요소 사이, 즉, 입력 광학요소(E10)와 비가역 광투과 요소(E20) 사이, 비가역 광투과 요소(E20)와 광분할기(E30) 사이, 광분할기(E30)와 광변조기(E40) 사이, 광변조기(E40)와 출력 광학요소(E50) 사이에는 광도파로(들)이 구비될 수 있다.
기판(SUB10) 상에 입력 광학요소(E10), 비가역 광투과 요소(E20), 광분할기(E30), 광변조기(E40) 및 출력 광학요소(E50)를 덮는 커버층(C10)이 더 구비될 수 있다. 커버층(C10)은 굴절률이 비교적 낮은 저굴절 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 커버층(C10)은 실리콘 산화물과 같은 유전체나 폴리머 계열의 물질로 형성될 수 있다. 커버층(C10)은 일종의 보호막의 역할을 겸할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 커버층(C10)을 사용하지 않을 수도 있다.
입력 광학요소(E10), 비가역 광투과 요소(E20), 광분할기(E30), 광변조기(E40) 및 출력 광학요소(E50) 중 적어도 하나는 반도체, 고분자, 유전체, 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 입력 광학요소(E10), 비가역 광투과 요소(E20), 광분할기(E30), 광변조기(E40) 및 출력 광학요소(E50) 중 적어도 하나는 Ⅳ족 물질(ex, Si, Ge 등), Ⅳ족 물질을 포함하는 화합물(ex, SiGe 등), Ⅲ-Ⅴ족 화합물, 산화물(oxide), 질화물(nitride) 및 폴리머(polymer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 입력 광학요소(E10), 비가역 광투과 요소(E20), 광분할기(E30), 광변조기(E40) 및 출력 광학요소(E50) 중 적어도 두 개의 요소는 서로 다른 물질을 포함할 수도 있다. 기판(SUB10)이 실리콘(Si)을 포함하거나, 입력 광학요소(E10), 비가역 광투과 요소(E20), 광분할기(E30), 광변조기(E40) 및 출력 광학요소(E50) 중 적어도 하나가 Si을 포함하는 경우, 본 실시예에 따른 빔 스티어링 소자는 "실리콘 포토닉스(silicon photonics)" 분야의 기술을 이용해서 구현/제조할 수 있다. 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 기술은 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 공정과 함께 사용될 수 있는(즉, compatible한) 기술이기 때문에, 공정의 용이성 측면에서 유리할 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용한 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 포함하는 광학 장치(A1)의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다. 광학 장치(A1)는 라이다(LiDAR) 장치일 수 있다.
도 21을 참조하면, 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000)는 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 포함하는 것으로, 예컨대, 도 20을 참조하여 설명한 소자 구성을 가질 수 있다. 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000) 내에 광원을 포함하거나, 빔 스티어링 소자(1000)와 별도로 구비된 광원을 포함할 수 있다. 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)에 의해 조향된 광이 피사체(미도시)에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 검출부(2000)를 포함할 수 있다. 검출부(2000)는 광수신부를 포함할 수 있다. 또한, 검출부(2000)는 소정의 필터나 그 밖에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 또한, 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(3000)를 더 포함할 수 있다. 회로부(3000)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(3000)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
도 21에서는 광학 장치(A1)가 하나의 장치 내에 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(3000)는 빔 스티어링 소자(1000)나 검출부(2000)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수도 있다. 그 밖에도 도 21의 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
실시예에 따른 광학 장치는, 예컨대, 라이다(LiDAR) 장치일 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 장치는 TOF(time-of-flight) 방식 또는 phase-shift 방식의 장치일 수 있다. 이러한 라이다(LiDAR) 장치는 자율 주행 자동차, 드론(drone) 등의 비행 물체, 모바일(mobile) 기기, 소형 보행 수단(예컨대, 자전거, 오토바이, 유모차, 보드 등), 로봇류, 사람/동물의 보조 수단(예컨대, 지팡이, 헬멧, 장신구, 의류, 시계, 가방 등), IoT(Internet of Things) 장치/시스템, 보안 장치/시스템 등에 적용될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 광학 장치는 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라 등에 적용될 수 있다. 그 밖에도 상기 빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 광학 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 빔 스티어링 소자나 라이다(LiDAR) 장치 이외에 다른 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 모바일 헬스케어(mobile health care) 장치를 포함한 다양한 헬스케어 장치 등에 적용될 수 있다.
도 22는 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 적용한 집적화된 광학 프로세서(integrated optical processor)를 보여주는 도면이다.
도 22를 참조하면, 집적화된 광학 프로세서(integrated optical processor)는 실시예에 따른 비가역 광투과 소자(E200)를 포함할 수 있다. 비가역 광투과 소자(E200)는 On-chip optical isolator 일 수 있다. 비가역 광투과 소자(E200)에 광을 입력하기 위한 광원부(E100)가 구비될 수 있다. 또한, 비가역 광투과 소자(E200)로부터 연장된 버스 도파로(bus waveguide)가 구비될 수 있다.
실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 레이저 광원을 사용하는 장치뿐 아니라 비선형 효과를 기반으로 하는 모든 광소자에 적용될 수 있다. 상기 비선형 효과를 기반으로 하는 광소자는 광학적 논리 연산 소자, 파장 변환 소자, 광증폭기, 광버퍼, 고차조화파 발생(high-order harmonic generation) 소자 등을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 optical isolator 뿐 아니라 optical diode, optical circulator 등에 응용될 수도 있다.
이하에서는, 실시예에 따른 비가역 광투과 소자의 제조방법에 대해 간략히 설명한다.
실시예에 따른 비가역 광투과 소자는 다양한 기판 상에 제조될 수 있다. 예컨대, 반도체 기판이나 절연 기판 또는 도전성 기판 상에 비가역 광투과 소자를 제조할 수 있다. 상기 반도체 기판을 사용하는 경우, 일반적인 반도체 기판을 사용하거나, SOI(semiconductor-on-insulator) 기판, SOG(semiconductor-on-glass) 기판 등을 사용할 수 있다. 또는, 소정의 기판 상에 비정질 반도체층(ex, Si층)을 형성(성장)한 후, 상기 비정질 반도체층으로부터 비가역 광투과 소자를 제조할 수도 있다. 일례로, SOI 기판을 사용해서 비가역 광투과 소자를 제조하는 방법은 도 23a 내지 도 23d에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 23a 내지 도 23d는 일 실시예에 따른 비가역 광투과 소자를 제조하는 방법을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 23a를 참조하면, 제1 기판(100) 상에 절연층(110)이 구비되고, 절연층(110) 상에 반도체층(120)이 구비될 수 있다. 제1 기판(100)은 반도체 기판일 수 있다. 제1 기판(100)과 절연층(110) 및 반도체층(120)은 하나의 SOI 기판을 구성한다고 할 수 있다. 절연층(110)은 유전체이거나 폴리머일 수도 있다. 반도체층(120)은, 예컨대, Si, Ge, SiGe 등 다양한 반도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 23b를 참조하면, 반도체층(120)을 패터닝하여 반도체층(120)으로부터 복수의 광도파로(120a, 120b)를 형성할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 광도파로(120a, 120b)를 형성할 수 있다. 또한, 상기 패터닝시, 반도체층(120)으로부터 적어도 하나의 사이드 패치(120c)를 더 형성할 수 있다. 제1 및 제2 광도파로(120a, 120b)와 사이드 패치(120c)는 도 11a 등에서 설명한 제1 및 제2 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)에 대응될 수 있다. 다음, 절연층(110) 상에 제1 및 제2 광도파로(120a, 120b)와 사이드 패치(120c)를 덮는 클래딩층(130)을 형성할 수 있다. 클래딩층(130)은 유전체나 폴리머 등으로 형성할 수 있다.
도 23c를 참조하면, 클래딩층(130) 등이 형성된 제1 기판(100)을 제2 기판(200)에 부착할 수 있다. 제2 기판(200)의 일면에 클래딩층(130)의 일면을 부착할 수 있다. 따라서, 제1 기판(100)과 제2 기판(200) 사이에 클래딩층(130)이 구비될 수 있다. 제2 기판(200)과 클래딩층(130) 사이에 소정의 본딩층(bonding layer)(210)을 구비시킬 수 있다. 본딩층(210)은 폴리머나 금속 등을 포함할 수 있다. 경우에 따라, 본딩층(210)은 사용하지 않을 수도 있다.
다음, 도 23c의 구조체(적층구조체)로부터 제1 기판(100)을 제거/분리할 수 있다. 그 결과물이 도 23d에 도시되어 있다. 도 23d를 참조하면, 제2 기판(200) 상에 클래딩층(130)이 구비될 수 있고, 클래딩층(130) 내에 제1 및 제2 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)가 구비될 수 있다. 클래딩층(130) 상에 제1 및 제2 광도파로(W100, W200)와 사이드 패치(S100)를 덮는 절연층(110)이 구비될 수 있다. 절연층(110)은 상부 클래딩층이라 할 수 있다.
도 23a 내지 도 23d를 참조하여 설명한 비가역 광투과 소자의 제조방법은 예시적인 것에 불과하고, 이는 매우 다양하게 변화될 수 있다. 기판의 물질 및 광도파로의 물질 등에 따라서, 제조방법은 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 도 23a 내지 도 23d에서와 같은 전이(transfer) 공정을 사용하지 않을 수 있다. 또한, 비가역 광투과 소자를 제조하면서, 이들과 광학적으로 연결된 적어도 하나의 광학요소를 더 형성하여 다양한 광학 장치를 제조할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 비가역 광투과 소자의 구체적인 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 19 내지 도 22를 참조하여 설명한 광학 장치의 구성도 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그 밖에도, 비가역 광투과 소자와 광학 장치의 적용 분야 및 적용 방식은 다양하게 변화될 수 있다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
P10, P100 : 입력부 P20∼P26, P200 : 중간연결부
P30, P300 : 출력부 W10∼W16, W100 : 제1 광도파로
W20∼W26, W200 : 제2 광도파로 S100, S110 : 사이드 패치
S210 : 제2 사이드 패치 E1 : 입력단 연결 광학요소
E2 : 비가역 광투과 요소 E3 : 출력단 연결 광학요소
E10 : 입력 광학요소 E20 : 비가역 광투과 요소
E30 : 광분할기 E40 : 광변조기
E50 : 출력 광학요소 N10 : 절연층
C10 : 커버층 SUB1, SUB10 : 기판
1000 : 빔 스티어링 소자 2000 : 검출부
3000 : 회로부 A1 : 광학 장치

Claims (25)

  1. 광학적 입력부와 출력부; 및
    상기 입력부와 출력부 사이에 구비된 중간연결부;를 포함하고,
    상기 중간연결부는 적어도 두 개의 광도파로를 구비하고,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 복소굴절률은 상기 입력부와 출력부 사이에서 변화되고, 상기 복소굴절률의 변화에 의해 광의 투과 방향이 제어된 비가역 광투과 소자(nonreciprocal optical transmission device).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력부에서 상기 출력부로 가는 방향으로 상기 복소굴절률의 변화 프로파일과 상기 출력부에서 상기 입력부로 가는 방향으로 상기 복소굴절률의 변화 프로파일은 상기 중간연결부의 중심을 기준으로 서로 비대칭 관계인 비가역 광투과 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로는 제1 및 제2 광도파로를 포함하고,
    상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn1')과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn2')의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하고, 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 감소하다가 증가하는 비가역 광투과 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하는 비가역 광투과 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로는 제1 및 제2 광도파로를 포함하고,
    상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하는 비가역 광투과 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 폭 및/또는 두께가 변화되는 비가역 광투과 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 어느 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하고, 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 감소하다가 증가하는 비가역 광투과 소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 어느 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 감소하다가 증가하고, 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 증가하다가 감소하는 비가역 광투과 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간연결부의 적어도 일측에 구비된 사이드 패치부(side patch portion)를 더 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 상기 사이드 패치부에 인접한 광도파로와 상기 사이드 패치부 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화되는 비가역 광투과 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 사이드 패치부와 이에 인접한 상기 광도파로 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 감소하다가 증가하는 비가역 광투과 소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 사이드 패치부와 이에 인접한 상기 광도파로 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하는 비가역 광투과 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간연결부의 적어도 일측에 구비된 사이드 패치를 더 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 상기 사이드 패치에 인접한 광도파로와 상기 사이드 패치 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화되고,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화되는 비가역 광투과 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력부와 출력부 중 적어도 하나는 Y-branch 구조를 갖는 비가역 광투과 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력부, 상기 출력부 및 상기 중간연결부의 적어도 일부는 반도체, 고분자, 유전체 및 금속 중 적어도 하나를 포함하는 비가역 광투과 소자.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 하나에 기재된 비가역 광투과 소자;
    상기 비가역 광투과 소자의 입력부에 광을 입력하기 위한 제1 광학요소; 및
    상기 비가역 광투과 소자의 출력부로 출력된 광을 수신하는 제2 광학요소;를 포함하는 광학 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 비가역 광투과 소자, 상기 제1 광학요소, 상기 제2 광학요소 중 적어도 두 개는 하나의 칩(chip) 상에 구비되는 광학 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 라이다(LiDAR) 장치인 광학 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 헬스케어(health care) 장치인 광학 장치.
  19. 광학적 입력부와 출력부; 및
    상기 입력부와 출력부 사이에 적어도 두 개의 광도파로를 구비하는 중간연결부;를 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 폭 또는 두께는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화된다는 조건, 및 상기 중간연결부의 적어도 일측에 사이드 패치가 더 구비되고 상기 사이드 패치와 이에 인접한 광도파로 사이의 간격은 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 변화된다는 조건 중 적어도 하나를 만족하는 비가역 광투과 소자.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 적어도 하나의 복소굴절률은 상기 입력부와 상기 출력부 사이에서 변화되는 비가역 광투과 소자.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로는 제1 및 제2 광도파로를 포함하고,
    상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn1')과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 실수부의 변화량(Δn2')의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하고, 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 감소하다가 증가하는 비가역 광투과 소자.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로는 제1 및 제2 광도파로를 포함하고,
    상기 제1 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn1")과 상기 제2 광도파로의 복소굴절률의 허수부의 변화량(Δn2")의 차이는 상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하는 비가역 광투과 소자.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광도파로 중 어느 하나의 폭 또는 두께는,
    상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하고 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 감소하다가 증가하거나, 또는,
    상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 감소하다가 증가하고 상기 출력부에서 상기 입력부로 가면서 증가하다가 감소하는 비가역 광투과 소자.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 사이드 패치와 이에 인접한 상기 광도파로 사이의 간격은,
    상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 감소하다가 증가하거나, 또는,
    상기 입력부에서 상기 출력부로 가면서 증가하다가 감소하는 비가역 광투과 소자.
  25. 청구항 19 내지 24 중 어느 하나에 기재된 비가역 광투과 소자;
    상기 비가역 광투과 소자의 입력부에 광을 입력하기 위한 제1 광학요소; 및
    상기 비가역 광투과 소자의 출력부로 출력된 광을 수신하는 제2 광학요소;를 포함하는 광학 장치.
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