KR20210016788A - 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로 및 그 제조 방법 - Google Patents

궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로는, 클래드부와,중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖고 클래드부에 의해 둘러싸이는 코어부를 포함하고, 서로 다른 위상차를 갖는 도파 모드가 코어부를 통과하면, 궤도각운동량을 갖는 도파 모드로 도파될 수 있다.

Description

궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로 및 그 제조 방법{INTEGRATED WAVEGUIDE FOR ORBITAL ANGULAR MOMENTUM MODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 궤도각운동량 모드를 갖는 도파 모드를 제공할 수 있는 집적형 광도파로 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
점점 늘어나는 데이터 전송속도 요구치를 충족시키기 위해, 한정된 개수의 수직 모드들을 가지는 광도파로들과 달리, 무수히 많은 수의 수직 모드들을 가질 수 있는 OAM 모드의 연구가 활발히 진행되고 있다.
OAM 모드는 진행방향에 수직인 평면에서 방위각 방향의 위상변화로 각 모드를 구분하며, 이는 OAM모드의 양자수 l로 구분된다. 이러한 l차 OAM 모드는 기존의 주파수 또는 편광을 이용한 모드와는 다른 새로운 모드이며, 두 가지 이상을 섞어 더 높은 자유도를 가지는 모드도 만들 수 있다.
OAM 모드는 회전하는 소용돌이 모양을 일반적으로 가지므로, 광파이버와 같은 원통형 구조의 광도파로에서는 그 생성과 전파가 용이하나, 일반적으로 사각형 구조를 가지는 광도파로를 사용하는 광집적회로에 응용하기에는 모드의 생성과 전파에 많은 어려움이 있다.
한국등록특허 제10-0577929호(등록일: 2006. 05. 02.)
본 발명은, 서로 같은 전파상수를 가지는 다수의 모드를 이용하여 궤도각운동량 모드를 합성할 수 있는 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은, 일 관점에 따라, 클래드부; 및 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖고, 상기 클래드부에 의해 둘러싸이는 코어부;를 포함하고, 서로 다른 위상차를 갖는 도파 모드가 상기 코어부를 통과하면, 궤도각운동량(OAM: orbital angular momentum)을 갖는 도파 모드로 도파(導波)될 수 있다.
이때, 상기 클래드부 및 상기 코어부는 광투과성 물질인 SiO2 SiN 또는 Si를 포함할 수 있다.
또한, 상기 코어부는 상기 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖는 십자 모양으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 코어부는 코어 중심부; 및 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖도록 상기 코어 중심부의 둘레 방향으로 동일간격으로 이격되어 돌출 형성되는 코어 대칭부;를 포함할 수 있다.
본 발명은, 일 관점에 따라, 제 1 클래드층을 적층하는 단계; 제 1 클래드층의 상부에 홈부가 형성되도록 제 1 클래드층을 1차 에칭하는 단계; 홈부가 형성된 제 1 클래드층에 코어층을 적층하는 단계; 제 1 클래드층의 홈부를 중심으로 하여 코어층의 양측부를 2차 에칭하는 단계; 회전 대칭성을 갖는 코어부가 형성되도록 코어층을 3차 에칭하는 단계; 및 코어부를 둘러싸도록 클래드부가 형성되도록 코어부 및 제 1 클래드층 위에 제 2 클래드층을 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 2차 에칭하는 단계 및 상기 3차 에칭하는 단계는, 상기 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖는 십자 모양의 코어부가 형성되도록 코어층을 에칭할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 일반적인 반도체 적층 공정을 통하여 제작한 광도파로에서 OAM 모드의 합성 및 전파가 가능하고, 이는 서로 같은 전파상수를 가지는 다수의 모드들의 합성을 통한 특정 OAM을 가지는 라게르-가우시안 모드의 도파가 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 코어층의 구조를 변경하여 서로 다른 양자수를 가지는 라게르-가우시안 모드들을 하나의 구조에서 생성 및 전파가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 1차 OAM(궤도각운동량) 모드를 개략적으로 도시한 상태도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 2차 OAM(궤도각운동량) 모드를 개략적으로 도시한 상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 2차 OAM(궤도각운동량) 모드의 전기장 분포를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 3차 OAM(궤도각운동량) 모드의 전기장 분포를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 4차 OAM(궤도각운동량) 모드의 전기장 분포를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로의 제작 과정을 도시한 상태도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 집적형 광도파로는, 서로 다른 위상차를 갖는 도파 모드가 코어부(120)로 전파되면, 궤도각운동량을 갖는 도파 모드로 도파(導波)될 수 있도록 하는 코어부(120)를 제공할 수 있다. 여기서, 궤도각운동량(OAM:Orbital Angular Momentum)은 매질의 중심(중심 축방향)으로 주기적으로 회전하는 궤도 운동을 할 때 가지는 운동량으로 이해될 수 있다. 광 도파로는 광이 도파되는 방향과 나란한 중심 축방향을 갖도록 배치될 수 있다.
구체적으로, 코어부(120)는 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖는 구조를 통해, 광도파로에서 궤도각운동량 모드의 도파가 가능하도록 할 수 있다. 코어부(120)는 클래드부(110)에 의해 둘러싸이는 구조로 제공될 수 있다. 클래드부(110) 및 코어부(120)는 광투과성 물질인 SiO2 SiN 및 Si 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 클래드부(110)는 광투과성 물질인 SiO2로 구성될 수 있고, 코어부(120)는 Si로 구성될 수 있다.
이러한 코어부(120)는 중심 축(C)방향을 포함하는 코어 중심부(121)와, 코어 중심부(121)의 둘레 방향으로 동일간격으로 이격되어 돌출 형성되는 코어 대칭부(122)를 포함할 수 있다. 코어 대칭부(122)는 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖도록 쌍을 이루는 복수로 제공될 수 있다. 여기서, 회전대칭성은 중심 축방향에 대하여 소정 각도 회전하였을 때 동일한 자세를 유지하도록 대칭적인 형상을 가진다는 것을 의미한다.
일 예로, 코어부(120)는 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖는 십자 모양으로 제공될 수 있다. 코어부(120)는 회전 대칭성을 갖는 십자 모양을 가지므로, 서로 같은 전파상수를 가지는 다수의 모드들의 합성을 통한 특정 궤도각운동량을 가지는 라게르-가우시안 모드를 전파할 수 있다. OAM(궤도각운동량)을 가지는 라게르-가우시안 모드를 만들기 위해, 복수의 모드를 특정 비율로 합성할 수 있다.
본 실시예에서, 코어부의 장폭(W2)은 1.626 ㎛ 이고, 단폭(W1)은 1.118 ㎛이고, 고높이(L2)는 1.504 ㎛ 이고, 저높이(L1)은 0.921 ㎛일 수 있다. 이때, 고높이(L2)에 대한 장폭(W2)의 장 길이비(W2/L2)는, 1.0 ~ 1.2 범위를 만족하고, 저높이(L1)에 대한 단폭(W1)의 단 길이비(W1/L1)는 1.1 ~ 1.3 범위를 만족할 수 있다. 장 길이비(W2/L2)가 1.0 미만이거나 장 길이비(W2/L2)가 1.2 초과이면, 광도파로에서 OAM 모드의 합성 및 전파가 잘 구현되지 않을 수 있고, 단 길이비(W1/L1)가 1.1 미만이이거나 단 길이비(W1/L1)가 1.3 초과이면, 광도파로에서 고차 OAM 모드의 합성 및 전파가 잘 구현되지 않을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 1차 OAM(궤도각운동량) 모드를 개략적으로 도시한 상태도이다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집적형 광도파로의 코어부(120)에서, 에르미트-가우시안 10모드(200: HG10), 에르미트-가우시안 01모드(201:HG01 )를 같은 크기와 서로 90도의 위상차이로 합성하여 주면, 라게르-가우시안 01모드(202:LG01)가 합성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 2차 OAM(궤도각운동량) 모드를 개략적으로 도시한 상태도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 2차 OAM(궤도각운동량) 모드의 전기장 분포를 나타낸 사진이다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집적형 광도파로의 코어부(120)에서, 에르미트-가우시안 20모드(HG20)와 02모드(HG02)의 합으로 라게르-가우시안 02-even모드(300)를 합성할 수 있다. 합성된 라게르-가우시안 02-even모드(300:LGe 02)와 위상차 90도인 에르미트-가우시안 11모드(HG11)와 같은 전기장 분포를 가지는 라게르-가우시안 02-odd모드(301: LGo 02)로부터 완전한 라게르-가우시안 02모드(302: LG02)을 합성할 수 있다.
이와 같이, 에르미트-가우시안 20모드(HG20)와 02모드(HG02)를 직접 여기 시키는 대신, 라게르-가우시안 02-even모드(LGe 02)를 이용함으로써 보다 간단히 라게르-가우시안 02모드를 합성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 3차 OAM(궤도각운동량) 모드의 전기장 분포를 나타낸 사진이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집적형 광도파로의 코어부(120)에서, 에르미트-가우시안 30모드(HG30)와 12모드(HG12)의 합으로 라게르-가우시안 03-even모드(LGe 03)를 합성할 수 있다. 그리고 에르미트-가우시안 21모드(HG21)와 03모드(HG03)의 합으로 라게르-가우시안 03-odd모드(LGo 03)를 합성할 수 있다.
라게르-가우시안 03-even모드(LGe 03)와 라게르-가우시안 03-odd모드(LGo 03)가 합성되면, 합성된 라게르-가우시안 03-even모드(LGe 03)와 라게르-가우시안 03-odd모드(LGo 03)로부터 완전한 라게르-가우시안 03모드(LG03)을 합성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로를 통해 도파되는 4차 OAM(궤도각운동량) 모드의 전기장 분포를 나타낸 사진이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집적형 광도파로의 코어부(120)에서, 에르미트-가우시안 40모드(HG40), 22모드(HG22) 및 04모드(HG04)의 합으로 라게르-가우시안 04-even모드(LGe 04)를 합성할 수 있다. 그리고 에르미트-가우시안 31모드(HG31)와 13모드(HG13)의 합으로 라게르-가우시안 04-odd모드(LGo 04)를 합성할 수 있다.
라게르-가우시안 04-even모드(LGe 04)와 라게르-가우시안 04-odd모드(LGo 04)가 합성되면, 합성된 라게르-가우시안 04-even모드(LGe 04)와 라게르-가우시안 04-odd모드(LGo 04)로부터 완전한 라게르-가우시안 04모드(LG04)을 합성할 수 있다.
한편, 도면에 명시하지 않은 더 높은 차수의 고 차수의 OAM 모드들도 상술한 바와 같은 방식으로 생성될 수 있다.
특히, OAM 모드가 광도파로 내에서 왜곡없이 전파되기 위해서는, OAM 모드를 구성하는 에르미트-가우시안 모드간의 전파상수 차이가 최소화 되어야 한다. 본 발명에서는 십자 모양의 대칭성을 이용하여 각 에르미트-가우시안 모드간의 합으로 나타나는 라게르-가우시안 모드의 even항과 odd항의 전파상수 차이를 최소화 함으로서 이를 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로의 제조 방법을 도시한 순서도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로의 제작 과정을 도시한 상태도이다.
도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 집적형 광도파로의 제조방법은, 제 1 클래드층을 적층하는 단계(S100)와, 제 1 클래드층을 1차 에칭하는 단계(S200)와, 제 1 클래드층에 코어층을 적층하는 단계(S300)와, 코어층(코어막)의 양측부를 2차 에칭하는 단계(S400)와, 코어층(코어막)을 3차 에칭하는 단계(S500)와, 제 2 클래드층을 적층하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.
제 1 클래드층을 적층하는 단계(S100)는, 제 1 클래드층(101)을 베이스(Si) 상에 적층(depostion)할 수 있다. 제 1 클래드층(101)의 적층을 위해, 저압화학 기상 증착장비(LPCVD: Low pressure chemical vapor deposition)가 사용될 수 있다.
제 1 클래드층을 1차 에칭하는 단계(S200)는, 제 1 클래드층(101)의 상부에 홈부(101a)가 형성되도록 제 1 클래드층(101)을 1차 에칭(RIE(reactive ion etching) 또는, (ICP)-RIE(inductively coupled plasma reactive ion etching))할 수 있다. 제 1 클래드층(101)를 부분적으로 1차 에칭하기 위해서, 포터마스크(photomask) 및 포터레지스트(photorestists)가 사용될 수 있다.
제 1 클래드층에 코어층을 적층하는 단계(S300)는, 홈부(101a)가 형성된 제 1 클래드층(101)에 코어층(102, 코어막)을 적층할 수 있다. 코어층(102)을 제 1 클래드층(101) 상에 적층을 위해, 저압화학 기상 증착장비(LPCVD)가 사용될 수 있다.
코어층(코어막)의 양측부를 2차 에칭하는 단계(S400)는, 제 1 클래드층(101)에 적층된 코어층(102)의 양측부(102a)를 2차 에칭할 수 있다. 이때, 제 1 클래드층(101)의 홈부(101a)를 중심으로 하여 코어층(102)의 양측부(102a)가 2차 에칭될 수 있다.
코어층(코어막)을 3차 에칭하는 단계(S500)는, 양측부(102a)가 2차 에칭된 코어층(102)의 양측 에지부(102b)을 3차 에칭한다. 이때, 코어층(102)은 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖는 십자 모양의 코어부(120)로 에칭될 수 있다.
제 2 클래드층을 적층하는 단계(S600)는, 십자 모양의 코어부(120) 및 제 1 클래드층(101) 위에 제 2 클래드층(101)을 적층할 수 있다. 코어부(120) 및 제 1 클래드층(101) 위에 제 2 클래드층(101)을 적층되면, 코어부(120)를 둘러싸는 클래드부(110)가 형성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 :클래드부
120 :코어부
121 :코어 중심부
122 :코어 대칭부
200 :에르미트-가우시안 10모드(HG10)의 전기장 분포
201 :에르미트-가우시안 01모드(HG01)의 전기장 분포
202 :라게르-가우시안 01모드(LG01)의 전기장 분포
300 :라게르-가우시안 02-even모드(LGe 02)의 전기장 분포
301 :라게르-가우시안 02-odd모드(LGo 02)의 전기장 분포
302 :라게르-가우시안 02모드(LG02)의 전기장 분포

Claims (6)

  1. 클래드부; 및
    중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖고, 상기 클래드부에 의해 둘러싸이는 코어부;를 포함하고,
    서로 다른 위상차를 갖는 도파 모드가 상기 코어부를 통과하면, 궤도각운동량(OAM: orbital angular momentum)을 갖는 도파 모드로 도파(導波)되는,
    궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클래드부 및 상기 코어부는
    광투과성 물질인 SiO2 SiN 및 Si 중 하나 이상을 포함하는,
    궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부는
    상기 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖는 십자 모양으로 제공되는,
    궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부는
    코어 중심부; 및
    중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖도록 상기 코어 중심부의 둘레 방향으로 동일간격으로 이격되어 돌출 형성되는 코어 대칭부;를 포함하는,
    궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로.
  5. 제 1 클래드층을 적층하는 단계;
    제 1 클래드층의 상부에 홈부가 형성되도록 제 1 클래드층을 1차 에칭하는 단계;
    홈부가 형성된 제 1 클래드층에 코어층을 적층하는 단계;
    제 1 클래드층의 홈부를 중심으로 하여 코어층의 양측부를 2차 에칭하는 단계;
    회전 대칭성을 갖는 코어부가 형성되도록 코어층을 3차 에칭하는 단계; 및
    코어부를 둘러싸는 클래드부가 형성되도록 코어부 및 제 1 클래드층 위에 제 2 클래드층을 적층하는 단계를 포함하는,
    궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 2차 에칭하는 단계 및 상기 3차 에칭하는 단계는,
    상기 중심 축방향에 대해서 회전 대칭성을 갖는 십자 모양의 코어부가 형성되도록 코어층을 에칭하는,
    궤도각운동량 모드를 위한 집적형 광도파로의 제조 방법.
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