KR20190115757A - 광 회로 소자 - Google Patents

광 회로 소자

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KR20190115757A
KR20190115757A KR1020180038833A KR20180038833A KR20190115757A KR 20190115757 A KR20190115757 A KR 20190115757A KR 1020180038833 A KR1020180038833 A KR 1020180038833A KR 20180038833 A KR20180038833 A KR 20180038833A KR 20190115757 A KR20190115757 A KR 20190115757A
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optical
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KR1020180038833A
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이서영
한영탁
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 광 회로 소자에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 하나의 광 신호를 2개의 편광 신호로 분리하거나 2개의 편광 신호를 하나의 광 신호로 결합하는 광 회로 소자에 대한 것이다. 본 발명은 광 신호가 입력되는 복수개의 입력 커플러들; 광 신호가 출력되는 복수개의 출력 커플러들; 상기 입력 커플러들과 상기 출력 커플러들을 서로 연결하는 제1 경로 및 제2 경로; 및 적어도 하나의 파장판을 포함한다.

Description

광 회로 소자 {OPTICAL CIRCUIT ELEMENT}
본 발명은 광 회로 소자에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 하나의 광 신호를 2개의 편광 신호로 분리하거나 2개의 편광 신호를 하나의 광 신호로 결합하는 광 회로 소자에 대한 것이다.
편광 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter; PBS)는 수평 편광 모드(Transverse Electric; TE mode)와 수직 편광 모드(Transverse Magnetic; TM mode)로 함께 입력된 광을 특정 포트로 각각 분할하는 소자이다. 평판형 편광 빔 스플리터는 다른 광 회로 소자와 함께 제작될 수 있어 저비용 및 집적화에 유리하며, 편광 편이 변조 및 편광 다중화의 기능을 하는 광통신 모듈에 사용될 수 있다. 편광 빔 스플리터는 마하젠더(Mach-Zender) 간섭계의 구조를 가지고, 2개의 광 경로의 수평 편광과 수직 편광의 위상 차이가 180도가 되면 입력된 광이 편광에 따라 분리된다. 2개의 광 경로의 위상은 복굴절 도파로를 형성하거나 파장판(Wave plate)을 삽입하여 제어할 수 있다.
본 발명은 파장판을 삽입하기 위한 슬릿으로 인한 삽입 손실을 최소화할 수 있는 광 회로 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 사용되는 파장판의 수량을 최소화할 수 있는 광 회로 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광 신호가 입력되는 복수개의 입력 커플러들; 광 신호가 출력되는 복수개의 출력 커플러들; 상기 입력 커플러들과 상기 출력 커플러들을 서로 연결하는 제1 경로 및 제2 경로; 및 적어도 하나의 파장판을 포함하고, 상기 제1 경로는 각각의 상기 입력 커플러들과 연결되는 복수개의 제1 입력 도파로들, 각각의 상기 출력 커플러들과 연결되는 복수개의 제1 출력 도파로들, 각각의 상기 제1 입력 도파로들과 연결되는 복수개의 제1 모드 크기 변환기들, 각각의 상기 제1 출력 도파로들과 연결되는 복수개의 제2 모드 크기 변환기들, 및 상기 제1 및 제2 모드 크기 변환기들 사이의 제1 슬릿을 포함하고, 상기 제2 경로는 각각의 상기 입력 커플러들과 연결되는 복수개의 제2 입력 도파로들, 각각의 상기 출력 커플러들과 연결되는 복수개의 제2 출력 도파로들, 각각의 상기 제2 입력 도파로들과 연결되는 복수개의 제3 모드 크기 변환기들, 각각의 상기 제2 출력 도파로들과 연결되는 복수개의 제4 모드 크기 변환기들, 및 상기 제3 및 제4 모드 크기 변환기들 사이의 제2 슬릿을 포함하고, 상기 적어도 하나의 파장판은 적어도 하나의 상기 제1 및 제2 슬릿들에 삽입되는 광 회로 소자를 제공한다.
각각의 상기 제1 내지 제4 모드 크기 변환기들은 서로 이격되는 코어들을 포함할 수 있다.
상기 제1 모드 크기 변환기들 및 상기 제3 모드 크기 변환기들은 광 간섭을 일으키지 않도록 서로 평행하게 이격되고, 상기 제2 모드 크기 변환기들 및 상기 제4 모드 크기 변환기들은 광 간섭을 일으키지 않도록 서로 평행하게 이격될 수 있다.
상기 제1 및 제2 슬릿들은 다이싱 공정 또는 건식 식각 공정을 통하여 형성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 파장판의 두께는 8㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 및 제2 슬릿들 내에 경도가 변할 수 있는 굴절률 정합 에폭시가 채워질 수 있다.
적어도 하나의 상기 제1 입력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 입력 도파로들은 서로 교차하고, 서로 30도 이상의 교차각을 가지며, 적어도 하나의 상기 제1 출력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 출력 도파로는 서로 교차하고, 서로 30도 이상의 교차각을 가질 수 있다.
적어도 하나의 상기 제1 입력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 입력 도파로들은 서로 교차하고, 적어도 하나의 상기 제1 입력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 입력 도파로들 각각은 교차점에 배치되는 테이퍼형 모드 크기 변환기를 포함하고, 적어도 하나의 상기 제1 출력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 출력 도파로들은 서로 교차하고, 적어도 하나의 상기 제1 출력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 출력 도파로들 각각은 교차점에 배치되는 테이퍼형 모드 크기 변환기를 포함할 수 있다.
상기 제1 슬릿에 제1 파장판이 삽입되고, 상기 제1 파장판은 제1 광축을 갖는 1/4l 파장판이고, 상기 제2 슬릿에 제2 파장판이 삽입되고, 상기 제2 파장판은 상기 제1 광축과의 각도 차이가 90도인 제2 광축을 갖는 1/4l 파장판일 수 있다.
상기 제1 슬릿 및 상기 제2 슬릿 사이에 하나의 상기 파장판이 삽입되고, 상기 파장판의 상기 제1 슬릿 사이에 배치되는 부분은 제1 광축을 가지고, 상기 제2 슬릿 사이에 배치되는 부분은 상기 제1 광축과의 각도 차이가 90도인 제2 광축을 가지고, 상기 파장판은 1/4l 파장판일 수 있다.
상기 파장판은 제1 슬릿에 삽입되고, 제2 슬릿에 삽입되지 않는 1/2l 파장판일 수 있다.
각각의 상기 입력 커플러들은 하나의 광 신호를 입력 받고, 각각의 상기 출력 커플러들은 2개의 광 신호들을 출력할 수 있다.
각각의 상기 입력 커플러들은 2개의 광 신호들을 입력 받고, 각각의 상기 출력 커플러들은 하나의 광 신호를 출력할 수 있다.
본 발명은 모드 크기 변환기를 포함함으로써 파장판을 위한 슬릿으로 인한 삽입 손실을 최소화할 수 있는 광 회로 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 도파로들을 바람직하게 배치함으로써 사용되는 파장판의 수량을 최소화할 수 있는 광 회로 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 도 1의 A영역의 확대도이다.
도 2b 및 도 2c는 모드 크기 변환기의 다른 실시예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b 및 도 3c는 입력 도파로들의 교차점에 배치되는 모드 크기 변환기를 설명하기 위한 도 3a의 B영역의 확대도들이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
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(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 회로 소자는 입력부(101), 입력부(101)로부터 광 신호가 입력되는 입력 커플러(110), 제1 출력부(102) 및 제2 출력부(103), 제1 및 제2 출력부(102,103)로 광 신호를 출력하는 출력 커플러(120), 입력 커플러(110)와 출력 커플러(120)를 연결하는 제1 경로(130) 및 제2 경로(140) 및 파장판들(151,152)을 포함할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 회로 소자는 마하젠더 간섭계의 구조를 가질 수 있다.
제1 경로(130)는 입력 커플러(110)와 연결되는 제1 입력 도파로(131), 출력 커플러(120)와 연결되는 제1 출력 도파로(135), 제1 입력 도파로(131)와 연결되는 제1 모드 크기 변환기(Spot size converter, 132) 및 제1 출력 도파로(135)와 연결되는 제2 모드 크기 변환기(134), 및 제1 모드 크기 변환기(132) 및 제2 모드 크기 변환기(134) 사이에 형성되는 제1 슬릿(133)을 포함할 수 있다.
제2 경로(140)는 입력 커플러(110)와 연결되는 제2 입력 도파로(141), 출력 커플러(120)와 연결되는 제2 출력 도파로(145), 제2 입력 도파로(141)와 연결되는 제3 모드 크기 변환기(142) 및 제2 출력 도파로(145)와 연결되는 제4 모드 크기 변환기(144), 및 제3 모드 크기 변환기(142) 및 제4 모드 크기 변환기(144) 사이에 형성되는 제2 슬릿(143)을 포함할 수 있다.
입력 커플러(110)는 하나의 광 신호를 입력 받아 2개의 광 신호를 출력할 수 있다. 입력 커플러(110)는 제1 입력 도파로(131) 및 제2 입력 도파로(141)로 광 신호를 출력할 수 있다. 입력 커플러(110)는 1x2 또는 2x2 다중 모드 간섭 결합기(Multi-mode interference coupler) 또는 1x2 광분배기(Splitter) 또는 2x2 방향성 결합기(Directional coupler)일 수 있다.
제1 및 제2 입력 도파로들(131,141)은 입력 커플러(110)로부터 전달된 광 신호들을 제1 및 제3 모드 크기 변환기들(132,142)로 전달할 수 있다. 각각의 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141)은 곡선으로 형성될 수 있다. 제1 입력 도파로(131) 및 제2 입력 도파로(141)는 입력 커플러(110)에서 연결되는 부분 사이의 거리(L1)보다 제1 및 제3 모드 크기 변환기들(132,142)과 연결되는 부분 사이의 거리(L2)가 더 길게 형성될 수 있다.
제1 내지 제4 모드 크기 변환기들(132,134,142,144)은 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141)로부터 전달된 광 신호들을 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145)로 전달할 수 있다. 전달 과정에서, 광 신호들은 슬릿들(133,143)을 통과할 수 있다. 제1 모드 크기 변환기(132) 및 제3 모드 크기 변환기(142), 제2 모드 크기 변환기(134) 및 제4 모드 크기 변환기(144)는 광 신호의 간섭을 일으키지 않도록 서로 평행하게 이격되어 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 모드 크기 변환기들(132,134,142,144)에 대하여는 도 2에서 다시 설명한다.
제1 슬릿(133)은 제1 및 제2 모드 크기 변환기(132,134) 사이에 형성되는 실질적으로 빈 공간이다. 제2 슬릿(143)은 제3 및 제4 모드 크기 변환기(142,144) 사이에 형성되는 실질적으로 빈 공간이다. 슬릿들(133,143)의 두께는 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 슬릿들(133,143)은 다이싱(Dicing) 공정 또는 건식 식각 공정을 통하여 형성될 수 있다. 다이싱 공정을 이용하면, 한번의 공정으로 제1 내지 제4 모드 크기 변환기들(132,134,142,144) 사이에 동일한 두께를 가지는 제1 및 제2 슬릿들(133,143)을 형성할 수 있다.
제1 및 제2 파장판들(151,152)은 제1 및 제2 슬릿들(133,143)에 삽입될 수 있다. 제1 및 제2 파장판들(151,152)은 제1 내지 제4 모드 크기 변환기들(132,134,142,144)의 길이 방향에 대하여 수직으로 삽입될 수 있다. 제1 및 제2 파장판들(151,152)은 8㎛ 내지 20㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 및 제2 파장판들(151,152)은 제1 및 제2 슬릿들(133,143)에 삽입되어야 하므로, 제1 및 제2 파장판들(151,152)의 두께는 제1 및 제2 슬릿들(133,143)의 두께보다 작아야 한다. 제1 및 제2 파장판들(151,152)은 수백㎛의 길이를 가질 수 있다.
제1 및 제2 슬릿들(133,143)을 통과하는 광 신호들은 제1 편광 성분 및 제2 편광 성분을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 편광 성분은 수직 편광 성분일 수 있고, 제2 편광 성분은 수평 편광 성분일 수 있다. 제1 및 제2 파장판들(151,152)은 제1 및 제2 슬릿들(133,143)을 통과하는 광 신호들 중 특정 편광 성분의 위상을 변화시킬 수 있다. 즉, 제1 및 제2 파장판들(151,152)은 복굴절체(Briefringent)일 수 있다. 제1 슬릿(133)에는 제1 파장판(151)이 삽입될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장판(151)은 제1 광축을 갖는 1/4l 파장판일 수 있다. 제2 슬릿(143)에는 제2 파장판(152)이 삽입될 수 있다. 예를 들어, 제2 파장판(152)은 제1 광축과의 각도 차이가 90도인 제2 광축을 갖는 1/4l 파장판일 수 있다. 제1 파장판(151)을 통과하는 광 신호의 제1 편광 성분의 위상이 90도 지연될 수 있다. 제2 파장판(152)을 통과하는 광 신호의 제2 편광 성분의 위상이 90도 빨라질 수 있다. 결론적으로, 제1 경로(130)를 통과하는 광 신호 및 제2 경로(140)를 통과하는 광 신호의 제1 편광 성분 및 제2 편광 성분은 총 180도의 위상차이를 가질 수 있다.
제1 및 제2 출력 도파로들(135,145)은 제2 및 제4 모드 크기 변환기(134,144)로부터 전달된 광 신호들을 출력 커플러(120)로 전달한다. 각각의 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145)은 곡선으로 형성될 수 있다. 제1 출력 도파로(135) 및 제2 출력 도파로(145)는 제2 및 제4 모드 크기 변환기(134,144)와 연결되는 부분 사이의 거리(L3)보다 출력 커플러(120)와 연결되는 부분 사이의 거리(L4)가 더 짧게 형성될 수 있다.
출력 커플러(120)는 2개의 광 신호를 입력 받아 2개의 광 신호를 출력한다. 출력 커플러(120)는 2x2 방향성 결합기 또는 2x2 다중 모드 간섭 결합기일 수 있다. 출력 커플러(120)에 입력되는 광 신호들의 제1 편광 성분과 제2 편광 성분은 총 180도의 위상 차이를 가질 수 있으므로, 출력 커플러(120)는 제1 편광 신호 및 제2 편광 신호를 제1 출력부(102) 및 제2 출력부(103)로 출력할 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 회로 소자는 하나의 입력 광 신호를 2개의 광 신호로 출력하는 편광 스플리터일 수 있다. 위에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 회로 소자의 모든 구성요소들은 평판 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 저비용화 및 집적화에 유리하다.
도 2a는 도 1의 A영역의 확대도이다.
도 2a를 참조하면, 제1 모드 크기 변환기(132)는 제1 코어들(136)을 포함할 수 있다. 제1 코어들(136)은 제1 모드 크기 변환기(132)의 길이 방향을 따라 서로 이격될 수 있다. 제1 코어들(136)은 제1 입력 도파로(131)에 가깝게 배치될수록 폭이 두껍고 길이가 짧을 수 있고, 높은 유효 굴절률을 가질 수 있다. 제1 코어들(136)은 제1 슬릿(133)에 가깝게 배치될수록 폭이 얇고 길 수 있고, 낮은 유효 굴절률을 가질 수 있다. 광 신호는 제1 모드 크기 변환기(132)의 제1 코어들(136)을 통과하면서, 그 크기가 점점 커질 수 있다. 크기가 커진 광 신호는 회절(Deflection)이 작게 발생하므로, 제1 코어들(136)을 통과한 광 신호는 제1 슬릿(133)을 통과할 때 광 삽입 손실이 크게 발생하지 않을 수 있다. 서로 이격되어 형성되는 제1 코어들(136)은 연속적으로 형성되는 것과 비교하여 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 광 신호의 크기를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 광 신호의 크기가 커지면서 단일 모드가 유지되지 않으면, 고차 모드로 여기되어 큰 광 손실이 발생할 수 있다. 서로 이격되어 형성되는 제1 코어들(136)은 단일 모드로의 여기 효율이 더 양호하므로, 연속적으로 형성되는 것과 비교하여 더 안정적으로 광 신호의 단일 모드를 유지할 수 있다.
제2 모드 크기 변환기(134)는 제2 코어들(137)을 포함할 수 있다. 제2 코어들(137)은 제2 모드 크기 변환기(134)의 길이 방향을 따라 서로 이격될 수 있다. 제2 코어들(137)은 제1 출력 도파로(135)에 가깝게 배치될수록 폭이 두껍고 길이가 짧게 형성될 수 있고, 높은 유효 굴절률을 가질 수 있다. 제2 코어들(137)은 제1 슬릿(133)에 가깝게 배치될수록 폭이 얇고 길이가 길게 형성될 수 있고, 낮은 유효 굴절률을 가질 수 있다. 광 신호는 제2 모드 크기 변환기(134)의 제2 코어들(137)을 통과하면서, 그 크기가 점점 작아질 수 있다. 따라서, 제1 코어들(136)을 통과하면서 크기가 커진 광 신호는 제2 코어들(137)을 통과하면서 다시 그 크기가 작아질 수 있다. 서로 이격되어 형성되는 제2 코어들(137)은 연속적으로 형성되는 것과 비교하여 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 광 신호의 크기를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도시되지는 않았지만, 제1 및 제2 모드 크기 변환기들(132,134)과 유사하게, 제2 경로(140, 도 1 참조)의 제3 및 제4 모드 크기 변환기들(142,144, 도 1 참조)도 코어들을 포함할 수 있다.
도 2b 및 도 2c는 모드 크기 변환기의 다른 실시예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2b를 참조하면, 제1 모드 크기 변환기(132)는 제1 입력 도파로(131)에 가까울수록 폭이 얇을 수 있고, 제1 슬릿(133)에 가까울수록 폭이 두꺼울 수 있다. 광 신호는 제1 모드 크기 변환기(132)를 통과하면서, 그 크기가 점점 커질 수 있다. 제2 모드 크기 변환기(134)는 제1 출력 도파로(135)에 가까울수록 폭이 얇을 수 있고, 제1 슬릿(133)에 가까울수록 폭이 두꺼울 수 있다. 광 신호는 제2 모드 크기 변환기(132)를 통과하면서, 그 크기가 점점 작아질 수 있다.
도 2c를 참조하면, 제1 모드 크기 변환기(132)는 제1 입력 도파로(131)에 가까울수록 폭이 두꺼울 수 있고, 제1 슬릿(133)에 가까울수록 폭이 얇을 수 있다. 광 신호는 제1 모드 크기 변환기(132)를 통과하면서, 그 크기가 점점 커질 수 있다. 제2 모드 크기 변환기(134)는 제1 출력 도파로(135)에 가까울수록 폭이 두꺼울 수 있고, 제1 슬릿(133)에 가까울수록 폭이 얇을 수 있다. 광 신호는 제2 모드 크기 변환기(132)를 통과하면서, 그 크기가 점점 작아질 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 광 신호는 제1 슬릿(133)을 통과할 수 있다. 제1 슬릿(133)을 채우는 물질에 따라 광 신호의 반사율이 달라질 수 있다.
[수학식 1]
R = ((n2-n1)/(n2+n1))2
수학식 1에 따라 제1 모드 크기 변환기(132), 제1 슬릿(133) 및 제2 모드 크기 변환기(134)를 통과하는 광 신호의 반사계수를 구할 수 있다. 광 신호가 제1 모드 크기 변환기(132)에서 제1 슬릿(133)으로 입사될 때, n1은 제1 모드 크기 변환기(132)가 포함하는 물질의 굴절률이고, n2는 제1 슬릿(133)을 채우는 물질의 굴절률이고, R은 제1 모드 크기 변환기(132)와 제1 슬릿(133)의 계면에서의 광 신호의 반사계수이다. 광 신호가 제1 슬릿(133)에서 제2 모드 크기 변환기(134)로 입사될 때, n1은 제1 슬릿(133)을 채우는 물질의 굴절률이고, n2는 제2 모드 크기 변환기(134)가 포함하는 물질의 굴절률이고, R은 제1 슬릿(133)과 제2 모드 크기 변환기(134)의 계면에서의 광 신호의 반사계수이다.
제1 슬릿(133)을 채우는 물질이 공기인 경우, n1 과 n2의 차이가 클 수 있다. 따라서, 광 신호의 반사계수 R이 클 수 있다. 다시 말하면, 제1 슬릿(133)과 제1 및 제2 모드 크기 변환기들(132,134)의 계면에서 광 신호의 반사율이 클 수 있다.
광 신호의 반사율을 줄이기 위해, 제1 슬릿(133)에 굴절률 정합 에폭시를 채울 수 있다. 굴절률 정합 에폭시는 연한 성질을 가진 상태에서 제1 슬릿(133)에 채워진 후, 열 또는 자외선에 의해 단단한 성질을 가지도록 변성될 수 있다. 다시 말하면, 굴절률 정합 에폭시는 그 경도가 변할 수 있다. 제1 슬릿(133)을 채우는 물질이 굴절률 정합 에폭시인 경우, 상대적으로 n1 과 n2의 차이가 작을 수 있다. 따라서, 광 신호의 반사계수 R이 작을 수 있다. 다시 말하면, 1 슬릿(133)과 제1 및 제2 모드 크기 변환기들(132,134)의 계면에서 광 신호의 반사율이 상대적으로 작을 수 있다. 제1 슬릿(133)을 채우는 물질이 굴절률 정합 에폭시인 경우, 광 신호는 순차적으로 제1 모드 크기 변환기(132), 굴절률 정합 에폭시, 제1 파장판(151), 굴절률 정합 에폭시 및 제2 모드 크기 변환기(134)를 통과할 수 있다. 굴절률 정합 에폭시의 굴절률은 제1 모드 크기 변환기(132), 제1 파장판(151) 및 제2 모드 크기 변환기(134)의 굴절률에 따라 결정될 수 있다. 굴절률 정합 에폭시에 의해, 광 신호의 삽입 손실 및 반사 손실이 감소될 수 있고, 편광 소광비 확보가 용이해질 수 있다.
제1 슬릿(133)과 유사하게, 제2 슬릿(143, 도 1 참조)에도 굴절률 정합 에폭시가 채워질 수 있다.
도 3a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하는 도면이고, 도 3b 및 도 3c는 입력 도파로들의 교차점에 배치되는 모드 크기 변환기를 설명하기 위한 도 3a의 B영역의 확대도들이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자는 아래에서 설명하는 것을 제외하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 회로 소자와 유사하다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자는 2개의 입력 커플러들(110) 및 2개의 출력 커플러들(120)을 포함할 수 있다. 입력 커플러들(110) 및 출력 커플러들(120)은 2개인 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않을 수 있다.
또한, 제1 경로(130)는 2개의 제1 입력 도파로들(131), 2개의 제1 모드 크기 변환기들(132), 제1 슬릿(133), 2개의 제2 모드 크기 변환기들(134), 2개의 제1 출력 도파로들(135)을 포함할 수 있다.
제2 경로(140)는 2개의 제2 입력 도파로들(141), 2개의 제3 모드 크기 변환기들(142), 제2 슬릿(143), 2개의 제4 모드 크기 변환기들(144), 2개의 제2 출력 도파로들(145)을 포함할 수 있다.
제1 경로(130) 및 제2 경로(140)의 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141), 제1 내지 제4 모드 크기 변환기들(132,134,142,144) 및 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145)은 2개인 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않을 수 있다.
제1 파장판(151)의 길이는 수백㎛가 될 수 있고, 제1 모드 크기 변환기들(132) 간의 간격 및 제2 모드 크기 변환기들(134) 간의 간격은 수십㎛ 이하가 될 수 있으므로, 하나의 제1 파장판(151)이 복수개의 제1 모드 크기 변환기들(132) 및 복수개의 제2 모드 크기 변환기들(134) 사이에 삽입될 수 있다. 마찬가지로, 하나의 제2 파장판(152)이 복수개의 제3 모드 크기 변환기들(142) 및 복수개의 제4 모드 크기 변환기들(144) 사이에 삽입될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자의 모든 구성요소는 평판 상에 형성되므로, 제1 입력 도파로들(131)의 일부 및 제2 입력 도파로들(141)의 일부는 평면적으로 교차할 수 있다. 또한, 제1 출력 도파로들(135)의 일부 및 제2 출력 도파로들(145)의 일부는 평면적으로 교차할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141)의 교차점 및 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145)의 교차점에서 광 신호의 누화(Crosstalk)가 발생할 수 있다.
제1 및 제2 입력 도파로들(131,141) 및 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145)은 교차각 α를 가질 수 있다. 교차각 α가 90도이면, 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141) 및 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145) 사이의 누화를 최소화할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 교차각 α는 30도 이상으로 유지될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141)의 교차점에 1x1 MMI(Multi mode interference) 소자가 배치될 수 있고, 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145)의 교차점에 1x1 MMI 소자가 배치될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 다른 실시예에 있어서, 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141) 각각은 교차점에 가까워 질수록 폭이 넓어질 수 있다. 다시 말하면, 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141) 각각은 교차점에 배치되는 제5 모드 크기 변환기들(131a,141a)을 포함할 수 있다. 제5 모드 크기 변환기들(131a,141a)은 테이퍼형 구조를 가질 수 있다. 제5 모드 크기 변환기들(131a,141a)에 의해, 광 신호의 크기가 큰 상태에서 다른 도파로와 교차할 수 있고, 광 신호의 삽입손실과 누화를 최소화할 수 있다. 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141)과 유사하게, 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145) 각각은 테이퍼형 구조를 가지는 제5 모드 크기 변환기들을 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3c를 참조하면, 또 다른 실시예에 있어서, 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141) 각각은 교차점에 가까워 질수록 폭이 얇아질 수 있다. 다시 말하면, 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141) 각각은 교차점에 배치되는 제6 모드 크기 변환기들(131b,141b)을 포함할 수 있다. 제6 모드 크기 변환기들(131b,141b)은 역테이퍼형 구조를 가질 수 있다. 제6 모드 크기 변환기들(131b,141b)에 의해, 광 신호의 크기가 큰 상태에서 다른 도파로와 교차할 수 있고, 광의 삽입손실과 누화를 최소화할 수 있다. 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141)과 유사하게, 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145) 각각은 역테이퍼형 구조를 가지는 제6 모드 크기 변환기들을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141) 각각은 교차점에 배치되는 세그먼트 구조의 모드 크기 변환기들을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 입력 도파로들(131,141)과 유사하게, 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145) 각각은 세그먼트 구조의 모드 크기 변환기들을 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 광 회로 소자와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자의 제1 경로(130)를 통과하는 광 신호들 및 제2 경로(140)를 통과하는 광 신호들의 제1 편광 성분 및 제2 편광 성분은 총 180도의 위상 차이를 가질 수 있다.
이에 따라, 각각의 출력 커플러들(120)은 제1 편광 신호 및 제2 편광 신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자는, 2개의 제1 및 제2 파장판들(151,152) 만을 이용하여, 2개 이상의 입력 광 신호를 입력 광 신호의 2배의 개수의 광 신호로 출력할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 파장판들(151,152) 형성을 위한 공정의 비용과 시간이 절약된다. 또한, 제1 및 제2 파장판들(151,152)을 삽입하기 위한 공간이 여유로울 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자는 코히어런트 광수신기 모듈의 이중 편광 광학 하이브리드(Dual-Polarization Optical Hybrid, DP-OH) 또는 코히어런트 광 송신기 모듈의 다채널 편광 빔커플러(Polarization Beam Coupler) 소자 등에 사용될 수 있으며, 단일 파장 혹은 다수의 파장이 사용되는 이중 편파 광학 하이브리드에도 적용 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하는 도면이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 광 회로 소자는 아래에서 설명하는 것을 제외하면 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자와 유사하다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 회로 소자는 제1 슬릿(133) 및 제2 슬릿(143)에 하나의 제1 파장판(151)이 삽입될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장판(151)은 1/4l 파장판일 수 있다. 제1 파장판(151)의 제1 슬릿(133) 사이에 배치되는 부분은 제1 광축을 가질 수 있고, 제2 슬릿(143) 사이에 배치되는 부분은 제1 광축과의 각도 차이가 90도인 제2 광축을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 경로(130)를 통과하는 광 신호들 및 제2 경로(140)를 통과하는 광 신호들의 제1 편광 성분 및 제2 편광 성분은 총 180도의 위상 차이를 가질 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 광 회로 소자는, 하나의 제1 파장판(151) 만을 이용하여, 2개 이상의 입력 광 신호를 입력 광 신호의 2배의 개수의 편광 신호로 출력할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하는 도면이다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 광 회로 소자는 아래에서 설명하는 것을 제외하면 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자와 유사하다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 회로 소자는 제1 슬릿(133)에 제1 파장판(151)이 삽입될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장판(151)은 제1 광축을 갖는 1/2l파장판일 수 있다. 또한, 제2 슬릿(143)에는 파장판이 삽입되지 않을 수 있다. 이에 따라, 제1 경로(130)를 통과하는 광 신호들의 제1 편광 성분 또는 제2 편광 성분의 위상이 180도 지연될 수 있다. 또는, 제1 경로(130)를 통과하는 광 신호들의 제1 편광 성분 또는 제2 편광 성분의 위상이 180도 빨라질 수 있다. 결론적으로, 제1 경로(130)를 통과하는 광 신호 및 제2 경로(140)를 통과하는 광 신호의 제1 편광 성분 및 제2 편광 성분은 총 180도의 위상차이를 가질 수 있다.
이에 따라, 각각의 출력 커플러들(120)은 제1 편광 신호 및 제2 편광 신호를 출력할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광 회로 소자를 설명하는 도면이다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 광 회로 소자는 아래에서 설명하는 것을 제외하면 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 회로 소자와 유사하다.
2개의 입력부(101)로부터 광 신호가 입력되는 입력 커플러(110)에는 서로 코히어런트하고 수직하는 제1 편광 신호와 제2 편광 신호가 입력될 수 있다. 제1 편광 신호와 제2 편광 신호는 180도의 위상 차이를 가질 수 있다. 입력 커플러(110)는 제1 입력 도파로(131)에 제1 편광 성분과 제2 편광 성분을 포함하는 광 신호를 출력할 수 있다. 일 예로, 제1 입력 도파로(131)에 출력되는 광 신호는 제1 편광 성분의 위상이 제2 편광 성분의 위상 보다 90도 빠를 수 있다. 입력 커플러(110)는 제2 입력 도파로(141)에 제1 편광 성분과 제2 편광 성분을 포함하는 광 신호를 출력할 수 있다. 일 예로, 제2 입력 도파로(141)에 출력되는 광 신호는 제2 편광 성분의 위상이 제1 편광 성분의 위상 보다 90도 빠를 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 성분은 수직 편광 성분일 수 있고, 제2 편광 성분은 수평 편광 성분일 수 있다. 입력 커플러(110)는 2x2 다중 모드 간섭 결합기 또는 2x2 방향성 결합기일 수 있다.
제1 입력 도파로(131)에 입력된 광 신호의 제1 편광 성분 및 제2 편광 성분은 제1 파장판(151)을 통과하면서 위상 차이가 없어질 수 있다. 제1 파장판(151)은 제1 광축을 가지는 1/4l 파장판일 수 있다. 제2 입력 도파로(141)에 입력된 광 신호의 제1 편광 성분 및 제2 편광 성분은 제2 파장판(152)을 통과하면서 위상 차이가 없어질 수 있다. 제2 파장판(152)은 제1 광축과의 각도 차이가 90도인 제2 광축을 가지는 1/4l 파장판일 수 있다. 제1 및 제2 파장판들(151,152)을 대신하여, 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 광 회로 소자의 제1 파장판(151)과 같이 하나의 파장판이 형성될 수 있다.
출력 커플러(120)는 출력 제1 및 제2 출력 도파로들(135,145)로부터 2개의 광 신호를 입력 받아 출력부(102)로 하나의 광 신호를 출력한다. 출력 커플러(120)는 2x2 방향성 결합기 또는 2x2 또는 2x1 다중 모드 간섭 결합기일 수 있다. 결론적으로, 180도의 위상 차이를 가지는 제1 편광 신호와 제2 편광 신호는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광 회로 소자를 통과하면서 하나의 광 신호로 출력된다. 따라서, 본 발명의 제5 실시예에 따른 광 회로 소자는 편광 결합기일 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.
110 : 입력 커플러
120 : 출력 커플러
130 : 제1 경로
140 : 제2 경로
132, 134, 142, 144 : 모드 크기 변환기
133, 143 : 슬릿
151, 152 : 파장판

Claims (13)

  1. 광 신호가 입력되는 복수개의 입력 커플러들;
    광 신호가 출력되는 복수개의 출력 커플러들;
    상기 입력 커플러들과 상기 출력 커플러들을 서로 연결하는 제1 경로 및 제2 경로; 및
    적어도 하나의 파장판을 포함하고,
    상기 제1 경로는 각각의 상기 입력 커플러들과 연결되는 복수개의 제1 입력 도파로들, 각각의 상기 출력 커플러들과 연결되는 복수개의 제1 출력 도파로들, 각각의 상기 제1 입력 도파로들과 연결되는 복수개의 제1 모드 크기 변환기들, 각각의 상기 제1 출력 도파로들과 연결되는 복수개의 제2 모드 크기 변환기들, 및 상기 제1 및 제2 모드 크기 변환기들 사이의 제1 슬릿을 포함하고,
    상기 제2 경로는 각각의 상기 입력 커플러들과 연결되는 복수개의 제2 입력 도파로들, 각각의 상기 출력 커플러들과 연결되는 복수개의 제2 출력 도파로들, 각각의 상기 제2 입력 도파로들과 연결되는 복수개의 제3 모드 크기 변환기들, 각각의 상기 제2 출력 도파로들과 연결되는 복수개의 제4 모드 크기 변환기들, 및 상기 제3 및 제4 모드 크기 변환기들 사이의 제2 슬릿을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 파장판은 적어도 하나의 상기 제1 및 제2 슬릿들에 삽입되는 광 회로 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 제1 내지 제4 모드 크기 변환기들은 서로 이격되는 코어들을 포함하는 광 회로 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 모드 크기 변환기들 및 상기 제3 모드 크기 변환기들은 광 간섭을 일으키지 않도록 서로 평행하게 이격되고,
    상기 제2 모드 크기 변환기들 및 상기 제4 모드 크기 변환기들은 광 간섭을 일으키지 않도록 서로 평행하게 이격되는 광 회로 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 슬릿들은 다이싱 공정 또는 건식 식각 공정을 통하여 형성되는 광 회로 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파장판의 두께는 8㎛ 내지 20㎛인 광 회로 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 및 제2 슬릿들 내에 경도가 변할 수 있는 굴절률 정합 에폭시가 채워지는 광 회로 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 입력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 입력 도파로들은 서로 교차하고, 서로 30도 이상의 교차각을 가지며,
    적어도 하나의 상기 제1 출력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 출력 도파로는 서로 교차하고, 서로 30도 이상의 교차각을 가지는 광 회로 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 입력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 입력 도파로들은 서로 교차하고, 적어도 하나의 상기 제1 입력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 입력 도파로들 각각은 교차점에 배치되는 테이퍼형 모드 크기 변환기를 포함하고,
    적어도 하나의 상기 제1 출력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 출력 도파로들은 서로 교차하고, 적어도 하나의 상기 제1 출력 도파로들 및 적어도 하나의 상기 제2 출력 도파로들 각각은 교차점에 배치되는 테이퍼형 모드 크기 변환기를 포함하는 광 회로 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 슬릿에 제1 파장판이 삽입되고,
    상기 제1 파장판은 제1 광축을 갖는 1/4l 파장판이고,
    상기 제2 슬릿에 제2 파장판이 삽입되고,
    상기 제2 파장판은 상기 제1 광축과의 각도 차이가 90도인 제2 광축을 갖는 1/4l 파장판인 광 회로 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 슬릿 및 상기 제2 슬릿 사이에 하나의 상기 파장판이 삽입되고,
    상기 파장판의 상기 제1 슬릿 사이에 배치되는 부분은 제1 광축을 가지고, 상기 제2 슬릿 사이에 배치되는 부분은 상기 제1 광축과의 각도 차이가 90도인 제2 광축을 가지고,
    상기 파장판은 1/4l 파장판인 광 회로 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장판은 제1 슬릿에 삽입되고, 제2 슬릿에 삽입되지 않는 1/2l 파장판인 광 회로 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 입력 커플러들은 하나의 광 신호를 입력 받고,
    각각의 상기 출력 커플러들은 2개의 광 신호들을 출력하는 광 회로 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 입력 커플러들은 2개의 광 신호들을 입력 받고,
    각각의 상기 출력 커플러들은 하나의 광 신호를 출력하는 광 회로 소자.
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