KR20180112164A - 모드 크기 변환기 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

모드 크기 변환기 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이 모드 크기 변환기에서는 코어와 유사한 굴절률을 가지는 물질로 모드 크기 변환부를 구성한다. 이 방법에서는 코어를 형성한 후에 모드 크기 변환부를 형성한다.

Description

모드 크기 변환기 및 이의 제조 방법{Spot size converter and method of fabricating the same}

본 발명은 모드 크기 변환기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

광통신에 사용하는 화합물 반도체 기반의 광소자는 실리카 기반(1.55㎛의 파장 대역에서 n1.44)의 광섬유에 비해 높은 굴절률(n>3.0)을 가지고 있어 광도파로의 모드크기가 작아 광섬유와 화합물 기반 반도체 광소자와 결합 (fiber-to-chip coupling)시에 많은 결합 손실이 발생한다. 이를 해결하기 위해 화합물 광소자의 광도파로의 형상을 변화시켜 모드크기를 확장하는 모드크기 변환기 (spot size converter, SSC) 구조를 채택하여 광섬유 또는 광학렌즈와 결합에 이용한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 광결합 효율을 제공할 수 있는 모드 크기 변환기를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 코어층의 결함을 줄일 수 있는 모드 크기 변환기의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 실시예들에 따른 모드 크기 변환기는, 평면적으로 라인 형태의 돌출부를 가지는 기판; 상기 돌출부 상에 배치되며 서로 대향되는 제 1 코어 단면과 제 2 코어 단면을 포함하는 코어; 상기 제 1 코어 단면에 인접한 상기 코어를 일부 덮되 상기 제 2 코어 단면과 이격되는 제 1 클래딩 패턴; 및 상기 제 1 클래딩 패턴으로 덮이지 않은 코어를 덮으며 상기 코어의 측면 및 상기 돌출부의 측면과 접하는 모드 크기 변환부를 포함하되, 상기 모드 크기 변환부는 상기 코어를 구성하는 물질의 굴절률의 0.933~1.067 배의 굴절률을 가진다.

상기 모드 크기 변환부의 폭은 상기 제 1 클래딩 패턴으로부터 상기 코어의 상기 제 2 코어 단면으로 갈수록 커질 수 있다.

상기 코어는 서로 교대로 적층된 웰층들과 베리어층들을 포함하며, 상기 모드 크기 변환부는 바람직하게는 상기 베리어층의 굴절률의 0.933~1.067 배의 굴절률을 가진다.

보다 바람직하게는 상기 모드 크기 변환부는 상기 베리어층의 굴절률의 0.965~1.035 배의 굴절률을 가진다.

매우 바람직하게는 상기 모드 크기 변환부는 상기 베리어층과 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 상기 베리어층과 상기 모드 크기 변환부는 서로 동일한 조성의 물질로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 모드 크기 변환부는 상기 제 1 클래딩 패턴보다 큰 굴절률을 가진다.

상기 모드 크기 변환기는, 상기 코어와 상기 돌출부 사이에 개재되는 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴; 및 상기 코어와 상기 제 1 클래딩 패턴 사이에 개재되는 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 모드 크기 변환부는 상기 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴의 상부면과 측면 그리고 상기 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴의 측면과 접할 수 있다.

상기 제 1 및 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴들은 상기 베리어층들과 동일한 조성의 물질로 이루어질 수 있다.

상기 모드 크기 변환기는, 적어도 상기 기판과 상기 제 1 클래딩 패턴을 덮는 제 2 클래딩막을 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 클래딩막은 바람직하게는 상기 제 1 클래딩 패턴보다 작은 굴절률을 가진다.

상기 모드 크기 변환부는 상기 제 2 코어 단면에 인접한 제 1 면을 포함할 수 있으며, 상기 모드 크기 변환기는, 상기 제 1 면에 인접하는 광섬유; 및 상기 제 1 면과 상기 광섬유 사이에 개재되는 반사 방지막을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 반사 방지막은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막(SiO2) 또는 티타늄산화물 같은 금속산화물로 형성될 수 있으며, 1~300nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제 1 코어 단면의 중심과 상기 제 2 코어 단면의 중심을 잇는 선과 상기 제 1 면이 이루는 각도는 바람직하게는 69~84°이다.

바람직하게는, 상기 제 2 코어 단면의 폭은 상기 제 1 코어 단면의 폭보다 좁다.

상기 모드 크기 변환부와 접하는 상기 제 1 클래딩 패턴은 상기 제 1 단부 쪽으로 함몰된 표면을 가질 수 있다.

상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 모드 크기 변환기의 제조 방법은, 기판 상에 코어막 및 제 1 클래딩막을 차례로 형성하는 단계; 상기 제 1 클래딩막, 상기 코어막 및 상기 기판의 일부분을 패터닝하여 평면적으로 라인 형태를 가지며 서로 적층된 제 1 클래딩 패턴과 코어를 형성하고 상기 코어 밑에 상기 기판으로부터 돌출된 돌출부를 형성하는 단계; 상기 제 1 클래딩 패턴의 일부를 제거하는 단계; 및 상기 제 1 클래딩 패턴으로 덮이지 않은 상기 코어를 덮는 모드 크기 변환부를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 모드 크기 변환부를 형성하는 단계는 상기 제 1 클래딩 패턴으로 덮이지 않은 상기 코어의 표면으로부터 모드 크기 변환막을 성장시키거나 증착하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 모드 크기 변환부를 형성하는 단계는 상기 모드 크기 변환막을 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 방법은, 상기 기판 상에 코어막을 형성하기 전에 상기 기판 상에 제 1 분리 집속 이종 구조층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 클래딩막을 형성하기 전에 상기 코어막 상에 제 2 분리 집속 이종 구조층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 제 1 클래딩막과 상기 코어막을 패터닝할 때, 상기 제 1 및 제 2 분리 집속 이종 구조층들도 패터닝되며, 상기 제 1 클래딩 패턴의 일부를 제거하여 상기 제 2 분리 집속 이종 구조층이 노출되며, 상기 모드 크기 변환부는 상기 제 2 분리 집속 이종 구조층과 접하도록 형성될 수 있다.

상기 방법은, 상기 제 1 클래딩막과 이격된 상기 모드 크기 변환부의 단면을 반사 방지막으로 코팅하는 단계; 및 상기 반사 방지막에 광섬유를 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 방법은, 적어도 상기 제 1 클래딩막과 상기 기판을 덮는 제 2 클래딩막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 모드 크기 변환기에서는 모드 크기 변환부가 상기 코어의 굴절률의 0.933~1.067 배의 굴절률을 가짐으로써, 코어와 광섬유 간의 모드 크기를 효율적으로 변환할 수 있으며, 광섬유와 코어 간의 광결합 효율을 80% 이상을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 모드 크기 변환기의 제조 방법에서는 코어층을 형성한 후에 모드 크기 변환부를 형성함으로써, 모드 크기 변환부의 성장이 코어층을 구성하는 다중 양자 우물 구조의 웰층들과 베리어층들의 성장에 영향을 미치지 않는다. 따라서 코어층의 결함을 줄일 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 모드 크기 변환기의 사시도들이다.
도 3은 제 1 코어 단면에 인접한 도 2의 모드 크기 변환기의 단면을 나타낸다.
도 4는 제 2 코어 단면에 인접한 도 2의 모드 크기 변환기의 단면을 나타낸다.
도 5와 도 6은 각각 도 2의 구조를 가지는 모드 크기 변환기에서 빛이 입사될 때와 출력될 때의 빛의 세기 분포를 나타낸다.
도 7은 모드 크기 변환부와 코어 간의 굴절률 차이와 도 6의 D1 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8 내지 도 12는 도 1 또는 도 2의 모드 크기 변환기의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 공정 사시도들이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모드 크기 변환기의 사시도이다.
도 14는 도 13의 모드 크기 변환기에서 코어의 폭에 따른 광섬유와 코어간의 광결합효율을 나타낸다.
도 15는 도 1의 모드 크기 변환기의 부분 사시도이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 모드 크기 변환기의 사시도들이다. 도 3은 제 1 코어 단면에 인접한 도 2의 모드 크기 변환기의 단면을 나타낸다. 도 4는 제 2 코어 단면에 인접한 도 2의 모드 크기 변환기의 단면을 나타낸다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 모드 크기 변환기(100, 100a)는 기판(1)을 포함한다. 상기 기판(1)은 바람직하게는 N형의 불순물로 도핑된 InP로 형성될 수 있다. 상기 기판(1)은 상기 기판(1)의 상부면으로부터 돌출된 돌출부(1a)를 포함한다. 상기 돌출부(1a)는 평면적으로 라인 형태를 가진다. 상기 돌출부(1a) 상에는 코어(5)가 배치된다. 상기 코어(5) 상에는 제 1 클래딩 패턴(9)이 배치된다. 상기 코어(5)는 서로 대향되는 제 1 코어 단면(5a)과 제 2 코어 단면(5b)을 포함한다. 상기 제 1 클래딩 패턴(9)은 예를 들면, InP 또는 InGaAs로 형성될 수 있다.

상기 코어(5)는 상기 기판(1)과 상기 제 1 클래딩 패턴(9)보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 코어(5)는 InGaAsP 또는 InAlGaAs로 형성될 수 있다. 상기 코어(5)는 다중양자우물구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 코어(5)는 서로 교대로 적층되는 웰(Well)층들과 베리어(barrier)층들을 포함할 수 있다. 웰층은 에너지 밴드갭이 작은 물질로 형성될 수 있다. 베리어층은 반대로 에너지 밴드갭이 보다 큰 물질로 형성될 수 있다. 웰층들은 예를 들면 InGaAsP(1.48Q)로 형성될 수 있고, 상기 베리어층은 예를 들면 InGaAsP(1.15Q)로 형성될 수 있다. 괄호 안의 Q는, 이 물질에 전기를 인가할 때 발생되는 빛의 파장 대역을 의미하며 단위는 ㎛일 수 있다. 상기 웰층들과 상기 베리어층 모두 In_xGa_{1 - x}As_yP_{1 -y}(x는 0~0.455이고 y는 0~1)로 형성될 수 있으나 물질의 조성을 다르게 조절하여 에너지 밴드갭을 다르게 할 수 있다. 상기 코어(5)에는 전기가 인가되어, 빛을 내거나 상기 코어(5)의 굴절률이 바뀔 수 있다.

상기 제 1 클래딩 패턴(9)은 상기 제 1 코어 단면(5a)에 인접한 상기 코어(5)의 일부만 덮도록 형성될 수 있다. 상기 제 1 코어 단면(5a)은 제 1 폭(W1)을 가지고 상기 제 2 코어 단면(5b)은 상기 제 1 폭(W1)보다 좁은 제 2 폭(W2)을 가질 수 있다. 즉, 상기 코어(5)는 상기 제 2 코어 단면(5b)에 인접한 부분에서 테이퍼(taper)질 수 있다.

상기 코어(5)와 상기 돌출부(1a) 사이에는 제 1 분리 집속 이종 구조(separate-confinement heterostructure (SCH)) 패턴(3)이 개재될 수 있다. 상기 코어(5)와 상기 제 1 클래딩 패턴(9) 사이에는 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴(7)이 개재될 수 있다. 상기 돌출부(1a), 상기 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴(3), 상기 코어(5) 및 상기 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴(7)은 평면적으로 서로 동일한 형태를 가지며 적층될 수 있다. 상기 제 1 클래딩 패턴(9)은 상기 제 2 코어 단면(5b)에 인접한 상기 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴(7)의 상부면을 노출시킨다. 상기 제 1 및 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴들(3,7)은 모두 예를 들면 InGaAsP(1.15Q)로 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴들(3,7)은 실질적으로 상기 코어(5)를 구성하는 베리어층들과 동일한 조성의 동일한 물질로 형성될 수 있으나 상기 베리어층 보다 두꺼울 수 있다.

상기 제 1 클래딩 패턴(9)으로 덮이지 않은 상기 코어(5)는 모드 크기 변환부(13)로 덮인다. 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴(7)의 상부면과 측면, 상기 코어(5)의 측면, 상기 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴(3)의 측면, 상기 돌출부(1a)의 측면과 이에 인접한 상기 기판(1)의 상부면과 접할 수 있다. 상기 모드 크기 변환부(13)에 인접한 상기 제 1 클래딩 패턴(9)은 상기 제 1 코어 단면(5a) 쪽으로 함몰된 면(9a)을 가질 수 있다. 상기 모드 크기 변환부(13)의 측부는 테이퍼질 수 있다. 즉 상기 모드 크기 변환부(13)의 폭은 상기 제 1 클래딩 패턴(9)으로부터 상기 제 2 코어 단면(5b) 쪽으로 갈수록 넓어질 수 있다. 상기 모드 크기 변환부(13)의 상부면의 높이는 상기 제 1 클래딩 패턴(9)의 상부면보다 높다. 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 제 2 코어 단면(5b)에 인접한 모드 단면(13a)을 가질 수 있다.

상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 기판(1)과 상기 제 1 클래딩 패턴(9) 보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 물질과 유사한 굴절률을 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 물질의 굴절률의 0.933~1.067 배의 굴절률을 가질 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 물질의 굴절률의 0.965~1.035 배의 굴절률을 가질 수 있다. 매우 바람직하게는 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 물질의 굴절률과 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 상기 코어(5)는 웰층들과 베리어층들로 구성될 수 있으며, 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 물질 중에서도 베리어층의 굴절률과 동일/유사한 굴절률을 가질 수 있다. 즉, 바람직하게는 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 베리어층의 굴절률의 0.933~1.067 배의 굴절률을 가진다. 보다 바람직하게는 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 베리어층의 굴절률의 0.965~1.035 배의 굴절률을 가진다. 매우 바람직하게는 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 베리어층과 동일한 조성의 물질로 형성되어 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 상기 모드 크기 변환부(13)는 예를 들면 InGaAsP(1.15Q)로 형성될 수 있다.

상기 제 1 클래딩 패턴(9)은 도 2의 모드 크기 변환기(100a)처럼 제 2 클래딩 패턴(15)으로 덮일 수 있다. 상기 제 2 클래딩 패턴(15)은 상기 제 1 클래딩 패턴(9)의 상부면과 측면, 상기 제 1 코어 단면(5a)에 인접한 상기 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴(7)의 상부면과 측면, 상기 코어(5)의 측면, 상기 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴(3)의 측면, 상기 돌출부(1a)의 측면과 이에 인접한 상기 기판(1)의 상부면과 접할 수 있다. 상기 제 2 클래딩 패턴(15)은 상기 모드 크기 변환부(13)의 측면과 접할 수 있다. 상기 제 2 클래딩 패턴(15)은 예를 들면 실리콘산화막이나 고분자등의 절연성 물질로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 도 1의 모드 크기 변환기(100)과 같이 상기 제 2 클래딩 패턴(15)은 없을 수도 있다.

도 5와 도 6은 각각 도 2의 구조를 가지는 모드 크기 변환기에서 빛이 입사될 때와 출력될 때의 빛의 세기 분포를 나타낸다.

구체적으로 도 2에서 코어(5)의 제 1 폭(W1)이 약 2㎛이고, 상기 코어(5)의 두께가 404nm 이고, 상기 코어(5)를 구성하는 베리어층은 InGaAsP(1.15Q)로 형성되며 8nm 두께를 가지며 웰 층은 InGaAsP(1.48Q)로 형성되며 10nm의 두께를 가진다. 그리고 23개의 베리어층들이 적층되며 그 이들 사이에 웰층이 총 22개 개재됨으로써 상기 코어(5)를 구성하였다. 상기 제 1 및 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴들(3, 7)은 상기 베리어층과 동일한 조성의 물질로, 각각 100nm의 두께를 가지며, 상기 제 1 클래딩 패턴(9)은 InP로 약 500nm의 두게를 가진다. 상기 코어(5)로 입사되는 빛이 1.55㎛의 파장을 가질 때 상기 제 1 클래딩 패턴(9)은 약 3.1696의 굴절률을 가지며, InGaAsP(1.15Q)은 약 3.3064의 굴절률을 그리고 InGaAsP(1.48Q)은 약 3.4785의 굴절률을 가질 수 있다. 상기 제 2 클래딩 패턴(15)은 실리콘 산화막으로 형성되며 약 1.444의 굴절률을 가질 수 있다. 그리고 모드 크기 변환부(13)을 상기 코어(5)를 구성하는 상기 베리어층과 동일한 InGaAsP(1.15Q)로 형성하여 동일한 굴절률을 가지도록 한다.

이러한 광 도파로 구조를 가지는 모드 크기 변환기에서 상기 제 1 코어 단면(5a)에 인접한 영역과 상기 제 2 코어 단면(5b)에 인접한 영역에서 TE(transverse electric)가 기초 모드의 전기장 형상을 각각 도 5와 도 6에 나타내었다. 도 5와 도 6에서 네모 안의 숫자는 빛의 세기를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 대부분의 빛이 코어(5) 안과 주변에 존재하는 것을 알 수 있다. 도 6을 참조하면, 제 1 클래딩 패턴(9)의 부재로 인해 도파로 모드의 집속이 약해져 모드 크기가 확장된 것을 알 수 있다. 도 6에서 D1은 빛이 가장 센 부분의 지름을 나타낸다.

도 7은 모드 크기 변환부와 코어 간의 굴절률 차이와 도 6의 D1 간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 모드 크기 변환부(13)와 코어(5)의 베리어층 간의 굴절률 차이가 6.5% 이하일 때 D1은 1 이상으로 증가되기 시작해서 굴절률 차이가 3.5% 이하일 때 1.5 이상으로 급격히 증가한다. 도 7을 통해 상기 모드 크기 변환부(13)는 상기 코어(5)를 구성하는 물질(즉, 베리어층)의 굴절률의 0.933~1.067 배의 굴절률을 가져야 하며, 보다 바람직하게는 0.965~1.035 배의 굴절률을 가짐을 알 수 있다.

도 8 내지 도 12는 도 1 또는 도 2의 모드 크기 변환기의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 공정 사시도들이다.

도 8을 참조하면, 기판(1) 상에 제 1 분리 집속 이종 구조층(3f), 코어층(5f), 제 2 분리 집속 이종 구조층(7f) 및 제 1 클래딩막(9f)을 순차적으로 성장시킨다.

도 9를 참조하면, 상기 제 1 클래딩막(9f), 상기 제 2 분리 집속 이종 구조층(7f), 상기 코어층(5f), 상기 제 1 분리 집속 이종 구조층(3f) 및 상기 기판(1)의 일부분을 순차적으로 식각하여 기판(1)으로부터 돌출된 돌출부(1a), 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴(3), 코어(5), 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴(7) 및 제 1 클래딩 패턴(9)을 형성한다. 이때 상기 코어(5)의 제 2 코어 단면(5b)에 인접한 패턴들(3, 5, 7, 9) 및 상기 돌출부(1a)은 테이퍼지도록 형성될 수 있다.

도 10을 참조하면, 상기 제 1 클래딩막(9f)을 식각하여 상기 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴(7)의 상부면을 노출시키는 동시에 제 1 클래딩 패턴(9)을 형성한다. 이때 상기 제 1 클래딩 패턴(9)은 상기 제 2 코어 단면(5b)에 인접한 단면이 상기 제 1 코어 단면(5a) 쪽으로 함몰된 면(9a)을 갖도록 형성될 수 있다.

도 11을 참조하면, 도 10의 구조물을 덮는 모드 크기 변환막(13f)을 형성한다. 상기 모드 크기 변환막(13f)은 상기 제 1 클래딩 패턴(9)에 의해 덮이지 않은 상기 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴(7), 상기 코어(5), 및 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴(3)의 표면으로부터 일반적인 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 성장법으로 형성되거나 모드 크기 변환기 영역만 선택적 에피택시얼 성장(Selective epitaxial growth) 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 또는 상기 모드 크기 변환막(13f)는 증착 공정으로 형성될 수 있다.

도 12를 참조하면, 상기 모드 크기 변환막(13f)을 식각하여 상기 제 1 클래딩 패턴(9)의 상부면과 측벽 그리고 상기 제 1 클래딩 패턴(9) 아래의 상기 패턴들(7, 5, 3) 및 상기 돌출부(1a)의 측벽 및 이에 인접한 상기 기판(1)의 상부면을 노출시키되 상기 제 2 코어 단면(5b)에 인접하도록 모드 크기 변환부(13)를 형성한다. 이때 상기 모드 크기 변환부(13)의 측벽은 테이퍼지도록 형성될 수 있다. 이로써 도 1의 모드 크기 변환기(100)를 형성할 수 있다.

후속으로 도 2를 참조하여 제 1 클래딩 패턴(9)과 이에 인접한 부분들을 덮도록 제 2 클래딩 패턴(15)을 증착과 식각 공정으로 형성하여 도 2의 모드 크기 변환기(100a)를 완성할 수 있다.

본 실시예에 따른 모드 크기 변환기의 제조 방법에서는, 코어층(5f)을 형성한 후에 모드 크기 변환막(13f)를 형성함으로써, 모드 크기 변환막(13f)의 성장이 코어층(5f)을 구성하는 다중 양자 우물 층들의 성장에 영향을 미치지 않는다. 만약 모드 크기 변환막(13f)을 먼저 형성한 후에 코어층(5f)을 형성한다면 모드 크기 변환부(13)에 내재될 수 있는 결함도 같이 성장하여 코어층(5f)에 결함이 커질 수 있다. 본 발명에서는 코어층(5f)의 성장이 상기 모드 크기 변환막(13f)의 성장 전에 독립적으로 이루어져 코어층(5f)의 결함을 상대적으로 줄일 수 있다. 상기 코어(5)에는 전기가 인가되어, 빛을 내거나 상기 코어(5)의 굴절률이 바뀔 수 있다. 만약 상기 코어(5)에 결함이 많다면, 빛을 내거나 굴절률을 바꾸는데 문제가 발생할 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모드 크기 변환기의 사시도이다.

도 13을 참조하면, 본 예에 따른 모드 크기 변환기(100b)에서는 모드 크기 변환부(13)의 모드 단면(13a)에 반사 방지막(17)을 개재하여 광섬유(19)가 부착된 형태를 도시한다. 상기 반사 방지막(17)은 예를 들면 실리콘 산화막 또는 금속 산화막으로 형성될 수 있으며 예를 들면 1~300nm의 두께를 가질 수 있다. 또는 상기 반사 방지막(17)은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 광섬유(19)는 주로 실리카 성분으로 형성되며 약 1.44의 굴절률을 가질 수 있고, 상기 모드 크기 변환부(13)가 InGaAsP로 형성될 경우 예를 들면 3 이상의 굴절률을 가질 수 있다. 상기 코어(5)로부터 상기 광섬유(19)로 또는 상기 광섬유(19)로부터 상기 코어(5)로 빛이 전송될 때, 두 물질의 굴절률의 차이에 의해 빛이 두 물질의 계면에서 반사될 수 있는데 상기 반사 방지막(17)은 이를 방지하는 역할을 할 수 있다.

도 14는 도 13의 모드 크기 변환기에서 코어의 폭에 따른 광섬유와 코어간의 광결합효율을 나타낸다.

도 14를 참조하면, 코어의 폭은 도 3과 같이 제 1 코어 단면(5a)에 인접한 부분의 폭을 나타낸다. 코어(5)의 두께는 400nm이고 도 5와 6을 참조하여 설명한 물질로 형성하였다. 광섬유 직경이 4㎛와 8㎛일 때 코어(5)의 폭(W1)에 따른 광결합효율은 도 14처럼 변하였다. 도 14를 참조하면, 본 발명의 모드 크기 변환기를 사용하면 상기 코어(5)의 폭을 조절하여, 대략 80% 이상의 광결합효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 상기 광섬유(19)는 일반적인 광섬유 구조 외에 광섬유 끝단에 반구형태의 렌즈가 붙어 있는 lensed fiber일 수 있다.

도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 모드 크기 변환기의 부분 사시도이다.

도 15를 참조하면, 상기 광섬유(19)와 결합하는 상기 모드 크기 변환부(13)의 끝부분과 상기 코어(5)의 길이부가 이루는 각도(θ)는 바람직하게는 69~84°이다. 즉, 모드 단면(13a)과, 상기 코어(5)의 상기 제 1 코어 단면(5a)의 중심과 상기 제 2 코어 단면(5b)의 중심을 잇는 선(L1)이 이루는 각도(θ)는 바람직하게는 69~84°이다. 이러한 각도 범위는 상기 반사 방지막(17)외에도 추가로 반사를 줄이는데 매우 효과적일 수 있다.

1: 기판
1a: 돌출부
3, 7: 분리 집속 이종 구조 패턴
5: 코어
9, 15: 클래딩막
13: 모드 크기 변환부
17: 반사 방지막
19: 광섬유

Claims (19)

1. 평면적으로 라인 형태의 돌출부를 가지는 기판;
   상기 돌출부 상에 배치되며 서로 대향되는 제 1 코어 단면과 제 2 코어 단면을 포함하는 코어;
   상기 제 1 코어 단면에 인접한 상기 코어를 일부 덮되 상기 제 2 코어 단면과 이격되는 제 1 클래딩 패턴; 및
   상기 제 1 클래딩 패턴으로 덮이지 않은 코어를 덮으며 상기 코어의 측면 및 상기 돌출부의 측면과 접하는 모드 크기 변환부를 포함하되,
   상기 모드 크기 변환부의 폭은 상기 제 1 클래딩 패턴으로부터 상기 코어의 상기 제 2 코어 단면으로 갈수록 커지는 모드 크기 변환기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 모드 크기 변환부는 상기 코어를 구성하는 물질의 굴절률의 0.933~1.067 배의 굴절률을 가지는 모드 크기 변환기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 코어는 서로 교대로 적층된 웰층들과 베리어층들을 포함하며,
   상기 모드 크기 변환부는 상기 베리어층의 굴절률의 0.933~1.067 배의 굴절률을 가지는 모드 크기 변환기.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어는 서로 교대로 적층된 웰층들과 베리어층들을 포함하며,
   상기 베리어층과 상기 모드 크기 변환부는 서로 동일한 조성의 물질로 이루어지는 모드 크기 변환기.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 모드 크기 변환부는 상기 제 1 클래딩 패턴보다 큰 굴절률을 가지는 모드 크기 변환기.
6. 제 2 항에 있어서
   상기 코어와 상기 돌출부 사이에 개재되는 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴; 및
   상기 코어와 상기 제 1 클래딩 패턴 사이에 개재되는 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴을 더 포함하며,
   상기 모드 크기 변환부는 상기 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴의 상부면과 측면 그리고 상기 제 1 분리 집속 이종 구조 패턴의 측면과 접하는 모드 크기 변환기.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 코어는 서로 교대로 적층된 웰층들과 베리어층들을 포함하며,
   상기 제 1 및 제 2 분리 집속 이종 구조 패턴들은 상기 베리어층들과 동일한 조성의 물질로 이루어지는 모드 크기 변환기.
8. 제 2 항에 있어서,
   적어도 상기 기판과 상기 제 1 클래딩 패턴을 덮는 제 2 클래딩막을 더 포함하는 모드 크기 변환기.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제 2 클래딩막은 상기 제 1 클래딩 패턴보다 작은 굴절률을 가지는 모드 크기 변환기.
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 모드 크기 변환부는 상기 제 2 코어 단면에 인접한 제 1 면을 포함하며,
    상기 제 1 면에 인접하는 광섬유; 및
    상기 제 1 면과 상기 광섬유 사이에 개재되는 반사 방지막을 더 포함하는 모드 크기 변환기.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 코어 단면의 중심과 상기 제 2 코어 단면의 중심을 잇는 선과 상기 제 1 면이 이루는 각도는 69~84°인 모드 크기 변환기.
12. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 코어 단면의 폭은 상기 제 1 코어 단면의 폭보다 좁은 모드 크기 변환기.
13. 제 2 항에 있어서,
    상기 모드 크기 변환부와 접하는 상기 제 1 클래딩 패턴은 상기 제 1 단부 쪽으로 함몰된 표면을 가지는 모드 크기 변환기.
14. 기판 상에 코어막 및 제 1 클래딩막을 차례로 형성하는 단계;
    상기 제 1 클래딩막, 상기 코어막 및 상기 기판의 일부분을 패터닝하여 평면적으로 라인 형태를 가지며 서로 적층된 제 1 클래딩 패턴과 코어를 형성하고 상기 코어 밑에 상기 기판으로부터 돌출된 돌출부를 형성하는 단계;
    상기 제 1 클래딩 패턴의 일부를 제거하는 단계; 및
    상기 제 1 클래딩 패턴으로 덮이지 않은 상기 코어를 덮는 모드 크기 변환부를 형성하는 단계를 포함하는 모드 크기 변환기의 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 모드 크기 변환부를 형성하는 단계는 상기 제 1 클래딩 패턴으로 덮이지 않은 상기 코어의 표면으로부터 모드 크기 변환막을 성장시키거나 증착하는 단계를 포함하는 모드 크기 변환기의 제조 방법.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 모드 크기 변환부를 형성하는 단계는 상기 모드 크기 변환막을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 모드 크기 변환기의 제조 방법.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판 상에 코어막을 형성하기 전에 상기 기판 상에 제 1 분리 집속 이종 구조층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 클래딩막을 형성하기 전에 상기 코어막 상에 제 2 분리 집속 이종 구조층을 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제 1 클래딩막과 상기 코어막을 패터닝할 때, 상기 제 1 및 제 2 분리 집속 이종 구조층들도 패터닝되며,
    상기 제 1 클래딩 패턴의 일부를 제거하여 상기 제 2 분리 집속 이종 구조층이 노출되며,
    상기 모드 크기 변환부는 상기 제 2 분리 집속 이종 구조층과 접하도록 형성되는 모드 크기 변환기의 제조 방법.
18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 클래딩막과 이격된 상기 모드 크기 변환부의 단면을 반사 방지막으로 코팅하는 단계; 및
    상기 반사 방지막에 광섬유를 연결하는 단계를 더 포함하는 모드 크기 변환기의 제조 방법.
19. 제 14 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 클래딩막과 상기 기판을 덮는 제 2 클래딩막을 형성하는 단계를 더 포함하는 모드 크기 변환기의 제조 방법.
    

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