KR20200087026A - 광결합 장치 및 그의 발광 방법 - Google Patents

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KR20200087026A
KR20200087026A KR1020190003531A KR20190003531A KR20200087026A KR 20200087026 A KR20200087026 A KR 20200087026A KR 1020190003531 A KR1020190003531 A KR 1020190003531A KR 20190003531 A KR20190003531 A KR 20190003531A KR 20200087026 A KR20200087026 A KR 20200087026A
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김진태
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한국전자통신연구원
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means

Abstract

광결합 장치 및 그의 발광 방법이 제공된다. 상기 광결합 장치는 기판, 그래핀(graphine)을 이용하여 광신호를 생성하는 광원, 그리고 상기 기판 상에서 형성되어 있으며, 상기 광원과 일차원 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 공명 구조로 결합되어 있는 광도파로를 포함한다.

Description

광결합 장치 및 그의 발광 방법{Optical coupling apparatus and luminescence method thereof}
본 발명은 광결합 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 광결합 장치 및 그의 발광 방법에 관한 것이다.
광통신을 위해 반도체 광원(예를 들어, 수직 캐비티 광방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) 또는 레이저 다이오드(laser diode))에서 발생된 광을 광도파로에 전달하여야 한다.
관련 기술로는 미국 등록 특허 제9031363호에 기재된 "Optical communication device with photoelectric element and driver chip"이 있다. 이 기술은, 광통신을 위해 반도체 광원에서 발생된 광을 광도파로에 전달하기 위해, 별도로 제작된 반도체 광을 기판에 칩 본딩을 통해 고정하고, 렌즈와 반사경 등이 형성된 별도의 광학 부품을 사용한다. 그러나 이러한 구조에서는 반도체 광원을 별도로 제작해야 하고, 기판에 고정하는 과정에서 광학 정렬이 틀어져 결합효율이 저하될 수 있다. 또한, 광 결합을 위해 별도로 제작되는 광학 부품의 정밀도에 따라 광 결합 효율이 저하될 수 있다.
또한, 반도체 광원인 레이저 다이오드(laser diode, LD)에서 발생된 광신호를 광도파로에 전달하기 위해, LD 칩을 광도파로 위에 칩 본딩을 하고, LD 칩에서 발생된 광이 광도파로에 자동적으로 광 결합되는 구조를 제공하는 기술이 있다. 그러나 이러한 구조에서는, LD 칩 본딩을 위해 광도파로 기판 표면을 정밀하게 가공해야 하는 단점이 있으며, 또한 LD 칩 동작 때 발생하는 열을 효율적으로 냉각시키기 어려워 LD 칩에서 발생되는 광원의 파장이 변화될 수 있다.
또한, 광섬유와 포토닉 크리스탈 광도파로 간의 광결합 구조를 제공하는 기술이 있다. 그러나 이 기술에서는, 매우 얇은 두께의 광섬유를 제작하고 포토닉 크리스탈 광도파로와 광섬유 사이의 거리를 미세 조정하여 광결합 구조를 완성하기 때문에, 광정렬의 오차가 증대될 수 있고 안정적이지 않은 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광원과 광도파로 사이에서 보다 안정적인 효율적인 광결합 구조를 가지는 광결합 장치 및 그의 발광 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광결합 장치는, 기판; 그래핀(graphine)을 이용하여 광신호를 생성하는 광원; 및 상기 기판 상에서 형성되어 있으며, 상기 광원과 일차원 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 공명 구조로 결합되어 있는 광도파로를 포함한다.
상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원일 수 있으며, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로일 수 있다.
이 경우, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 나노홀부를 포함할 수 있으며, 상기 나노홀부에 대응하는 영역에서 상기 광원으로부터 생성된 광신호와의 공명이 발생되며, 상기 광신호가 상기 광도파로에서 상기 나노홀부가 형성되지 않은 영역으로 진행할 수 있다.
상기 광원은 일차원으로 배열되는, 제1 크기의 복수의 나노홀을 포함하는 제1 나노홀부 및 제2 크기의 복수의 나노홀을 포함하는 제2 나노홀부를 포함할 수 있으며, 상기 제1 크기가 상기 제2 크기보다 클 수 있다.
상기 제1 나노홀부는 제1-1 나노홀부 및 제1-2 나노홀부를 포함할 수 있으며, 상기 제1-1 나노홀부와 상기 제1-2 나노홀부 사이에 상기 제2 나노홀부가 위치될 수 있다.
상기 제2 나노홀부에서 빛이 생성될 수 있으며, 상기 제1-1 나노홀부 및 제1-2 나노홀부에서는 빛이 생성되지 않을 수 있다.
상기 제2 나노홀부에서 생성된 빛이 상기 광도파로에서 복수의 나노홀이 형성된 영역으로 입사하여 공명이 발생할 수 있다.
상기 광결합 장치는, 상기 기판 상에 형성되어 있으며, 상기 광원을 상기 기판으로부터 이격시키는 지지부; 상기 지지부와 상기 광원 사이에 형성되어 있으며, 상기 광원의 상부에 놓여 있는 상기 그래핀으로 전기 신호를 전달하는 금속 패드; 및 상기 광도파로의 일측에 형성되어 상기 광도파로를 통해 진행되는 빛을 방사하는 결합기를 더 포함할 수 있다.
상기 지지부는 제1 지지부와 제2 지지부를 포함할 수 있으며, 상기 광도파로의 양측에 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부가 각각 형성될 수 있다.
또한, 상기 광결합 장치는, 상기 기판 상에 형성되어 있는 그래핀 지지대; 및 상기 그래핀 지지대 상에 형성되어 있는 금속 패드를 더 포함할 수 있으며, 상기 그래핀은 상기 금속 패드 상에서, 상기 그래핀 지지대와 상기 광원을 덮는 형태로 형성될 수 있다.
한편, 상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 포토닉 크리스탈 밴드 에지(band-edge) 레이저 광원일 수 있으며, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 광결합 장치는, 기판; 그래핀을 이용하여 광신호를 생성하는 활성 영역을 포함하는 광원; 상기 광원의 상부에 놓여 있는 상기 그래핀으로 전기 신호를 전달하는 금속 패드; 및 상기 기판 상에서 형성되어 있으며, 상기 광원의 상기 활성 영역으로부터 생성되는 광신호에 공명하는 공명 영역을 포함하며, 상기 공명 영역으로의 광신호를 전달하는 광도파로를 포함하고, 상기 활성 영역과 상기 공명 영역이 서로 대응하도록, 상기 광원이 상기 광도파로 상부에 형성되어 있다.
상기 금속 패드로부터 전기 신호가 공급되면, 상기 금속 패드로부터의 전자와 상기 그래핀으로부터의 홀이 상기 활성 영역에서 만나서 상기 광신호가 생성될 수 있다.
상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원이고, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로일 수 있다.
이 경우, 상기 광원에서 복수의 나노홀의 일부에 대응하는 영역이 상기 활성 영역으로 동작하고, 상기 광도파로에서 복수의 나노홀이 형성된 영역이 상기 공명 영역으로 동작하며, 상기 공명 영역에 수직으로 입사되는 광신호가 상기 광도파로에서 나노홀이 형성되지 않은 영역으로 진행할 수 있다.
또한, 상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 포토닉 크리스탈 밴드 에지(band-edge) 레이저 광원이고, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 방법은, 광원과 광도파를 결합한 장치에서 광신호를 생성하는 발광 방법으로서, 상기 광원의 하부에 형성된 금속 패드에 전기 신호가 공급되면, 상기 광원의 상부에 형성되어 있는 상기 그래핀으로부터의 홀과 상기 금속 패드로부터의 전자가 상기 광원의 활성 영역에서 만나서 광신호가 생성되는 단계; 상기 광신호가 상기 광원이 형성되어 있는 평면에 수직하는 방향으로 발산되어 상기 광원의 하부에 형성되어 있는 광도파로의 공명 영역으로 입사되는 단계; 상기 광도파로의 공명 영역으로 입사된 광신호가 상기 광도파로를 따라 진행하는 단계; 및 상기 광도파로의 일측에 형성된 커플러를 통해 상기 광신호가 발산되는 단계를 포함한다.
상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원이고, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로일 수 있다.
상기 광원에서 복수의 나노홀의 일부에 대응하는 영역이 상기 활성 영역으로 동작하고, 상기 광도파로에서 복수의 나노홀이 형성된 영역이 상기 공명 영역으로 동작할 수 있다. 이 경우, 상기 광도파로를 따라 진행하는 단계는, 상기 공명 영역에 수직으로 입사되는 광신호가 상기 광도파로에서 나노홀이 형성되지 않은 영역으로 진행할 수 있다.
상기 광도파로와 상기 광원은 상기 금속 패드를 사이에 두고 서로 어긋나게 교차하며 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저 광원과 광도파로 사이의 광결합이 일차원 포토닉 크리스탈 공명 구조로 이루어진다. 반도체 광원을 별도로 제작하고 기판에 고정하는 과정에서 광학 정렬이 틀어져 결합효율이 저하될 수 있는 종래 기술과는 달리, 본 발명의 실시 예에서는 일차원 포토닉 크리스탈 공명 구조가 적용된 반도체 레이저 광원과 광도파로를 이용한다. 따라서, 효율적이고 안정적인 광결합 구조를 가지는 광결합 장치가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치에서 A-A'의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 일차원 포토닉 크리스탈 광원의 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 일차원 포토닉 크리스탈 광원의 발광 동작을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치에서, 일차원 포토닉 크리스탈 광원과 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로 사이의 광 이동 상태를 나타낸 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치 및 그의 발광 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치(1)는 기판(10), 광도파로(20), 커플러(coupler)(30), 광원(40), 그래핀(graphene)(50), 금속 패드(60), 지지부(70), 및 그래핀 지지대(80)를 포함한다.
기판(10)은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 유전체 물질은 실리콘, 실리콘 질화물, 폴리머 등일 수 있다.
광도파로(20)는 빛이 소정의 축을 따라 진행할 수 있도록 전파시키며, 기판(10) 상에 형성될 수 있다. 광도파로(20)는 유전체 물질로 이루어질 수 있으며, 유전체 물질은 실리콘, 실리콘 질화물, 폴리머 등일 수 있다. 여기서, 광도파로(20)는 일차원 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 광도파로이다.
커플러(30)는 광도파로(20) 상에 형성될 수 있으며, 도 1에서와 같이, 광도파로(20)의 일측 끝에 형성될 수 있다. 여기서, 커플러(30)는 그레이팅 커플러(grating coupler)로 이루어진다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 커플러(30)는 그래핀(50)에서 발생하는 광의 파장, 세기 등에 따라 다양한 형태를 갖도록 변경될 수 있으며, 예를 들어 광자결정(photonic crystal)을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
광원(40)은 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(또는 광소자라고도 명명됨)으로 이루어진다. 광원(40)은 지지부(70) 상에 형성되어 있다.
그래핀(50)은 광원(40)과 그래핀 지지대(80) 상에 형성되어 있으며, 구체적으로, 광원(40)과 그래핀 지지대(80)를 덮을 수 있는 형태로 구성된다. 그래핀(50)은 단일층 그래핀일 수도 있으며, 2층 이상의 다층 그래핀으로 구성될 수도 있다. 그래핀(50)은 탄소 원자가 서로 연결되어 벌집 모양을 이룬 얇은 평면 구조의 물질로 전기적 성질을 갖는다. 탄소 원자는 6원환을 기본 단위하며, 5원환 또는 7원환으로 형성될 수도 있다. 단일층의 그래핀은 탄소 원자 1개의 두께와 동일할 수 있다.
금속 패드(60)는 그래핀(50)으로 전압을 공급한다. 금속 패드(60)는 제1 금속 패드(61), 제2 금속 패드(62) 및 제3 금속 패드(63)를 포함한다. 광원(40)과 지지부(70) 사이에 제1 금속 패드(61) 및 제2 금속 패드(62)가 형성되며, 그래핀(50)과 그래핀 지지대(80) 사이에 제3 금속 패드(63)가 형성된다. 기판(10) 상에 형성되는 그래핀 지지대(80) 상에 제3 금속 패드가(63)가 형성되고, 제3 금속 패드(63)가 형성되며, 그래핀(50)이 제3 금속 패드(63) 상에 형성되면서 광원(40)과 그래핀 지지대(80)를 덮을 수 있는 형태로 구성된다.
지지부(70)는 제1 지지부(71)와 제2 지지부(72)를 포함한다. 제1 지지부(71)와 제2 지지부(72)에 의해 광원(40)이 기판(1)과 이격된다.
그래핀 지지대(80)는 그래핀(50)을 지지한다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치에서 A-A'의 단면도이다.
첨부한 도 2를 참조하면, 광원(40) 즉, 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)의 양측에 제1 금속 패드(61) 및 제2 금속 패드(62)가 배치되며, 광도파로(20) 즉, 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로(20)와 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)은 제1 및 제2 금속 패드(61, 62)를 사이에 두고 서로 어긋나게 교차하며 위-아래로 쌓여 있다.
보다 구체적으로, 기판(10) 상에 형성된 광도파로(20)의 양쪽에 제1 지지부(71)와 제2 지지부(72)가 형성되며, 제1 지지부(71) 상에 제1 금속 패드(61)가 형성되며, 제2 지지부(72) 상에 제2 금속 패드(62)가 형성된다. 광원(40)이 제1 금속 패드(61)와 제2 금속 패드(62)의 일부 영역 상에 형성되어 광도파로(20)가 이격된다. 그래핀(50)은 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)의 상부에 놓여 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 3의 (a)에서와 같이, 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로(20)는 긴 직사각형 형태로 이루어질 수 있다. 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로(20)에 나노홀(nano-hole)(부(21)가 형성되어 있다. 나노홀부(21)는 복수의 나노홀을 포함한다. 나노홀부(21)에 포함되는 나노홀들은 상이한 크기를 가질 수 있다.
나노홀부(21)는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로(20)의 일측 또는 타측 중 하나에 형성될 수 있다. 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로(20)에서 나노홀부(21)가 형성되지 않은 영역(R1)은 광이 진행하는 광도파로로 이용될 수 있다. 나노홀부(21)가 형성된 영역에서 공명(C)이 일어날 수 있다. 나노홀부(21)에 대응하는 영역이 공명 영역으로 동작할 수 있다. 빛이 나노홀부(21)에 수직 방향으로 입사되면, 도 3의 (b)에서와 같이, 나노홀부(21)가 형성되지 않은 광도파로 영역(R1)으로 빛이 진행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치(1)에서, 광원(40)과 광도파로(20) 사이의 광결합이 일차원 포토닉 크리스탈 공명 구조로 이루어진다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 일차원 포토닉 크리스탈 광원의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 4의 (a)에서와 같이, 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)은 긴 직사각형 형태로 이루어질 수 있다. 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)은 제1 크기를 가지는 복수의 나노홀을 포함하는 제1 나노홀부(41, 42)와 제2 크기를 가지는 복수의 나노홀을 포함하는 제2 나노홀부(43)를 포함한다. 제1 크기는 제2 크기보다 크다. 제2 크기는 설정 크기보다 작은, 매우 작은 나노 크기를 가지며, 제1 크기는 제2 크기에 비해 상대적으로 조금 더 큰 크기이다. 제1-1 나노홀부(41)와 제1-2 나노홀부(42) 사이에 제2 나노홀부(43)가 위치될 수 있다.
제2 나노홀부(43)에서 광(빛)이 생성되며, 빛은 도 4의 (b)에서와 같이, 광원(40)이 형성된 평면의 수직 방향인 상부 및 하부로 진행한다. 제2 나노홀부(43)에 대응하는 영역이 활성 영역으로 동작할 수 있다. 제1-1 나노홀부(41) 및 제1-2 나노홀부(42)에서는 빛이 생성되지 않으며, 제1-1 나노홀부(41) 및 제1-2 나노홀부(42)는 레이저에서 미러와 같은 역할을 한다.
이러한 구조로 이루어지는 광원(40)에서 사용되는 나노홀의 크기와 사용되는 광의 파장에 따라 레이저의 양호도(Quality factor)는 달라질 수 있다.
한편, 광도파로(40)는 갈륨 아세 나이드(GaAs) 또는 InP 기판을 기반으로 한 직접 밴드 갭(band gap) 반도체 재료로 구성될 수 있다. 이들은 주기율표의 III 족 및 V 족 원소에 기초한 화합물이다. 이들 재료의 합금은 정확한 양의 다른 재료를 함유하는 층 구조로 기판 상에 형성될 수 있다.
다음에는 도 5 및 도 6을 토대로 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 발광 방법에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치의 일차원 포토닉 크리스탈 광원의 발광 동작을 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치에서, 일차원 포토닉 크리스탈 광원과 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로 사이의 광 이동 상태를 나타낸 도이다.
제1 금속 패드(61) 및 제2 금속 패드(62)를 이용하여 전압을 인가하면, 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)의 활성영역(D)에서 빛(또는 광신호라고도 명명됨)이 생성된다. 그래핀(50)이 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)과 그래핀 지지대(80)를 덮을 수 있는 형태로 구성됨으로써, 도 5에서와 같이, 제1 금속 패드(61) 및 제2 금속 패드(62)로부터의 전자가 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)의 활성 영역(D)에서 그래핀(50)의 홀이 만나면 빛이 생성된다. 이와 같이, 생성된 빛은 상하방향(예를 들어, 광원이 형성된 평면과 수직하는 방향)으로 발산된다.
이와 같이, 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(8)에서 발생된 빛이 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로(20)에 결합된다.
구체적으로, 도 6의 (a)에서와 같이, 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)의 활성영역(D)과 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로(20)의 공명영역(C)이 서로 일치하는 위치에 놓여 있다. 도 6의 (b)에서와 같이, 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원(40)의 활성영역(D)에서 발생한 빛은 상하로 발산된다. 이때, 발산되는 빛이 레이저 광원(40)의 하부에 위치한 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로(20)의 공명영역(C)에 전달된다. 공명영역(C)에 전달된 빛은 수평 방향으로 광도파로를 따라 이동하고, 최종적으로 그레이팅 커플러(30)에 의해 방사된다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따르면, 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원과 포토틱크리스탈 광도파로 사이의 효율적인 광결합 구조를 가지는 광결합 장치를 제공할 수 있다. 아울러, 그래핀을 이용한 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원을 효율적으로 발광시킬 수 있다.
이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 실시 예에 따른 광결합 장치에서, 광원은 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원 대신에, 포토닉 크리스탈 밴드 에지(band-edge) 레이저 광원으로 이루어질 수 있다. 광원이 포토닉 크리스탈 밴드 에지 레이저 광원으로 이루어지는 경우에도, 광결합 장치의 광결합 원리와 레이저 발광 원리 등은 위의 실시 예와 동일하므로, 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 기판;
    그래핀(graphine)을 이용하여 광신호를 생성하는 광원; 및
    상기 기판 상에서 형성되어 있으며, 상기 광원과 일차원 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 공명 구조로 결합되어 있는 광도파로
    를 포함하는 광결합 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원이고, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로인, 광결합 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 나노홀부를 포함하며, 상기 나노홀부에 대응하는 영역에서 상기 광원으로부터 생성된 광신호와의 공명이 발생되며, 상기 광신호가 상기 광도파로에서 상기 나노홀부가 형성되지 않은 영역으로 진행하는, 광결합 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광원은 일차원으로 배열되는, 제1 크기의 복수의 나노홀을 포함하는 제1 나노홀부 및 제2 크기의 복수의 나노홀을 포함하는 제2 나노홀부를 포함하며, 상기 제1 크기가 상기 제2 크기보다 큰, 광결합 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 나노홀부는 제1-1 나노홀부 및 제1-2 나노홀부를 포함하며, 상기 제1-1 나노홀부와 상기 제1-2 나노홀부 사이에 상기 제2 나노홀부가 위치되는, 광결합 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 나노홀부에서 빛이 생성되며, 상기 제1-1 나노홀부 및 제1-2 나노홀부에서는 빛이 생성되지 않는, 광결합 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 나노홀부에서 생성된 빛이 상기 광도파로에서 복수의 나노홀이 형성된 영역으로 입사하여 공명이 발생하는, 광결합 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 형성되어 있으며, 상기 광원을 상기 기판으로부터 이격시키는 지지부;
    상기 지지부와 상기 광원 사이에 형성되어 있으며, 상기 광원의 상부에 놓여 있는 상기 그래핀으로 전기 신호를 전달하는 금속 패드; 및
    상기 광도파로의 일측에 형성되어 상기 광도파로를 통해 진행되는 빛을 방사하는 결합기
    를 더 포함하는 광결합 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지부는 제1 지지부와 제2 지지부를 포함하고,
    상기 광도파로의 양측에 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부가 각각 형성되어 있는, 광결합 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 형성되어 있는 그래핀 지지대; 및
    상기 그래핀 지지대 상에 형성되어 있는 금속 패드
    를 더 포함하고,
    상기 그래핀은 상기 금속 패드 상에서, 상기 그래핀 지지대와 상기 광원을 덮는 형태로 형성되어 있는, 광결합 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 포토닉 크리스탈 밴드 에지(band-edge) 레이저 광원이고, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로인, 광결합 장치.
  12. 기판;
    그래핀을 이용하여 광신호를 생성하는 활성 영역을 포함하는 광원;
    상기 광원의 상부에 놓여 있는 상기 그래핀으로 전기 신호를 전달하는 금속 패드; 및
    상기 기판 상에서 형성되어 있으며, 상기 광원의 상기 활성 영역으로부터 생성되는 광신호에 공명하는 공명 영역을 포함하며, 상기 공명 영역으로의 광신호를 전달하는 광도파로
    를 포함하고,
    상기 활성 영역과 상기 공명 영역이 서로 대응하도록, 상기 광원이 상기 광도파로 상부에 형성되어 있는, 광결합 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속 패드로부터 전기 신호가 공급되면, 상기 금속 패드로부터의 전자와 상기 그래핀으로부터의 홀이 상기 활성 영역에서 만나서 상기 광신호가 생성되는, 광결합 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원이고, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로인, 광결합 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광원에서 복수의 나노홀의 일부에 대응하는 영역이 상기 활성 영역으로 동작하고, 상기 광도파로에서 복수의 나노홀이 형성된 영역이 상기 공명 영역으로 동작하며, 상기 공명 영역에 수직으로 입사되는 광신호가 상기 광도파로에서 나노홀이 형성되지 않은 영역으로 진행하는, 광결합 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 포토닉 크리스탈 밴드 에지(band-edge) 레이저 광원이고, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로인, 광결합 장치.
  17. 광원과 광도파를 결합한 장치에서 광신호를 생성하는 발광 방법으로서,
    상기 광원의 하부에 형성된 금속 패드에 전기 신호가 공급되면, 상기 광원의 상부에 형성되어 있는 상기 그래핀으로부터의 홀과 상기 금속 패드로부터의 전자가 상기 광원의 활성 영역에서 만나서 광신호가 생성되는 단계;
    상기 광신호가 상기 광원이 형성되어 있는 평면에 수직하는 방향으로 발산되어 상기 광원의 하부에 형성되어 있는 광도파로의 공명 영역으로 입사되는 단계;
    상기 광도파로의 공명 영역으로 입사된 광신호가 상기 광도파로를 따라 진행하는 단계; 및
    상기 광도파로의 일측에 형성된 커플러를 통해 상기 광신호가 발산되는 단계
    를 포함하는 발광 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 레이저 광원이고, 상기 광도파로는 복수의 나노홀을 포함하는 일차원 포토닉 크리스탈 광도파로인, 발광 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광원에서 복수의 나노홀의 일부에 대응하는 영역이 상기 활성 영역으로 동작하고, 상기 광도파로에서 복수의 나노홀이 형성된 영역이 상기 공명 영역으로 동작하며,
    상기 광도파로를 따라 진행하는 단계는, 상기 공명 영역에 수직으로 입사되는 광신호가 상기 광도파로에서 나노홀이 형성되지 않은 영역으로 진행하는, 발광 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 광도파로와 상기 광원은 상기 금속 패드를 사이에 두고 서로 어긋나게 교차하며 형성되어 있는, 발광 방법.
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