KR20240029287A - 광학 장치 - Google Patents

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KR20240029287A
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Abstract

본 발명은 광학 장치를 개시한다. 그의 장치는 기판과, 상기 기판 상에 배치되어 일 방향으로 연장하는 광 도파로와, 상기 광 도파로 상에 제공되어 일정 간격으로 분리되는 상변화 격자들을 포함한다.

Description

광학 장치{optical device}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 초소형 광변조기 및 편광 필터를 구현할 수 있는 광학 장치에 관한 것이다.
일반적으로 광집적회로 (photonic integrated circuit) 설계에서 중요한 요소 중에 하나인 광변조기는 광 도파로를 통해 전송되는 광신호의 세기 및 위상을 변조하는 소자이다. 기존에 발표되었던 광 도파로 기반 광변조기의 예로, 실리콘의 전하농도에 따른 굴절률 변화를 이용한 MZI (Mach-Zehnder Interferometer) 구조의 광변조기나, 그래핀과 같은 물질을 활용한 전기흡수 변조기 (electro-absorption modulator) 등이 발표 되었다. 그러나, 실리콘 기반 MZI 광변조기의 경우에는 소자의 크기가 밀리미터 정도로 매우 크고, 그래핀 기반 전기흡수 변조기의 경우에는 변조 효율에 한계가 있고 공정에 어렵다는 단점이 있다.
본 발명의 과제는 광 변조기가 갖는 변조 효율 및 편광 효율을 증가시킬 수 있는 광학 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 광학 장치를 개시한다. 그의 장치는 기판; 상기 기판 상에 배치되어 일 방향으로 연장하는 광 도파로; 및 상기 광 도파로 상에 제공되어 일정 간격으로 분리되는 상변화 격자들을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 상변화 격자들은 Ge2Sb2Te5를 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 광 도파로는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 기판은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 상변화 격자들은 상기 광 도파로 보다 얇을 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 상변화 격자들은 상기 광 도파로의 폭과 동일한 길이를 가질 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 광 도파로는 정사각형의 단면을 가질 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 상변화 격자들은 상기 광 도파로의 방향과 교차하는 방향으로 연장할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 기판은 실리콘을 더 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 상변화 격자들 상에 제공되는 히터 전극을 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 실리콘 질화물의 광 도파로와, 상기 광 도파로 상에 제공되는 상변화 격자들을 이용하여 변조 효율 및 편광 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 광학 장치의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 상변화 격자들과 일반적인 상변화 박막의 상변화에 따른 투과도를 보여주는 그래프들이다
도 3은 도 1의 도 1의 상변화 격자들의 상변화와, TE 편광 및 TM 편광에 따른 투과도를 보여주는 그래프들이다
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당 업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 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 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 명세서에서 레이저, 코드, 및 이광자는 광학, 바이오, 및 의학 용어들로 이해될 수 있을 것이다. 바람직한 실시 예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 광학 장치(100)의 일 예를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 광학 장치(100)는 광 도파로 기반의 초소형 광변조기 또는 동적 편광 필터를 포함할 수 있다. 일 예에 따르면, 본 발명의 광학 장치(100)는 기판(10), 광 도파로(20), 및 상변화 격자들(30)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 투명할 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있다. 대안으로, 기판(10)은 실리콘을 포함할 수 있으며 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
광 도파로(20)는 기판(10) 상에 제공될 수 있다. 광 도파로(20)는 일 방향으로 연장할 수 있다. 광 도파로(20)는 수직적 관점에서 정사각형의 단면을 가질 수 있다. 광 도파로(20)는 실리콘 질화물(SiN)을 포함할 수 있다. 광 도파로(20)는 광(40)을 전달할 수 있다.
상변화 격자들(30)은 광 도파로(20) 상에 제공될 수 있다. 상변화 격자들(30)은 광 도파로(20)의 방향과 교차하는 방향으로 연장할 수 있다. 상변화 격자들(30)은 광 도파로(20)의 폭과 동일한 길이를 가질 수 있다. 상변화 격자들(30)은 광 도파로(20)보다 얇을 수 있다. 상변화 격자들(30)은 광 도파로(20)의 방향으로 일정한 간격을 가질 수 있다. 상변화 격자들(30)은 Ge2Sb2Te5(GST225)를 포함할 수 있다. 상변화 격자들(30)은 광(40)을 변조하거나 편광시킬 수 있다. 상변화 격자들(30)의 주기는 SiN의 광 도파로(20) 모드의 유효 굴절률과 GST225-SiN 광 도파로 모드의 유효 굴절률 차이의 절대 값에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 상변화 격자들(30)의 주기는 광(40)의 파장에 비례하고, 유효 굴절률 차이에 반비례할 수 있다. 상변화 격자들(30)이 GST225의 결정으로 이루어질 때, 광(40)은 상변화 격자들(30)에 흡수되고, 광 도파로(20)의 투과도는 매우 낮아질 수 있다. 반면, 상변화 격자들(30)이 GST225의 비정질(amorphous)로 이루어질 때, 상기 상변화 격자들(30)의 굴절률은 낮아지고, SiN의 광 도파로(20) 모드의 유효굴절률과 GST225-SiN 광 도파로 모드의 유효굴절률의 차이는 작아질 수 있다. 광(40)은 비정질의 상변화 격자들(30)과 상호작용하지 않고, 거의 손실 없이 광 도파로(20)를 따라 진행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 광학 장치(100)는 상변화 격자들(30)의 상변화에 근거하여 광 변조기로서 기능 또는 작동할 수 있다.
이와 같은 광학 장치(100)의 광(40)의 변조 방법은 광학적 방법, 전기적 방법, 및 열적 방법을 포함할 수 있다. 광학적 방법의 변조 방법은 아주 짧은 시간 펄스를 갖는 고출력 레이저 광을 이용하는 방법일 수 있다. 전기적 방법은 상변화 격자들(30)에 전류 신호를 인가하여 상기 상변화 격자들(30)의 상을 변화시키는 방법일 수 있다. 열적 방법은 상변화 격자들(30) 상의 히터(미도시)를 이용하여 상기 상변화 격자들(30)의 상을 변화시키는 방법일 수 있다.
상변화 격자들(30)의 두께는 GST225-SiN 복합 도파로 구조의 유효굴절률을 결정하는 설계 요소일 수 있다. 상변화 격자들(30)의 두께가 증가하면, 광 도파로(20) 및 상기 상변화 격자들(30)의 유효 굴절률 차이는 증가되고, 변조 효율은 증가될 수 있다. 상변화 격자들(30)의 삽입 손실은 증가될 수 있다. 상변화 격자들(30)의 두께가 감소하면, 광 도파로(20) 및 상기 상변화 격자들(30)의 유효 굴절률 차이는 감소하고, 변조 효율은 감소할 수 있다. 따라서, 상변화 격자들(30)의 두께는 광학 장치(100)의 광(40)의 변조 효율을 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 장치(100)는 상변화 격자들(30)의 상변화에 근거하여 편광기로서 기능 또는 작동할 수 있다. 결정질의 상변화 격자들(30)은 TE(Transverse Electric) 편광을 제거 및/또는 필터링할 수 있다. TE 편광에 수직인 TM(transverse magnetic) 편광은 상변화 격자들(30)의 상변화와 상관없이 광 도파로(20)를 따라 진행할 수 있다. 따라서, 상변화 격자들(30)은 TE 편광 효율을 증가시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 상변화 격자들(30)과 일반적인 상변화 박막의 상변화에 따른 투과도를 보여준다.
도 2를 참조하면, 결정의 상변화 격자들(30)의 제 1 변조 효율(52)은 일반적인 상변화 박막의 제 2 변조 효율(54)보다 크고, 비정질의 상변화 격자들(30)의 제 3 변조 효율(56)은 일반적인 상변화 박막의 제 4 변조 효율(58)과 유사할 수 있다. 제 1 변조 효율(52)은 약 13dB 내지 약 25dB이고, 제 2 변조 효율(54)은 약 6dB 내지 약 7.5dB이고, 제 3 변조 효율(56) 및 제 4 변조 효율(58)은 약 0.3dB 내지 약 0.9dB일 수 있다.
도 3은 도 1의 도 1의 상변화 격자들(30)의 상변화와, TE 편광 및 TM 편광에 따른 투과도를 보여준다.
도 3을 참조하면, 상변화 격자들(30)은 결정 상태의 제 1 TE 편광 특성(62) 및 제 1 TM 편광 특성(66)과 비정질 상태의 제 2 TE 편광 특성(64) 및 제 2 TM 편광 특성(68)을 가질 수 있다.
제 1 TE 편광 특성(62)과 제 2 TE 편광 특성(64)의 차이는 제 1 TM 편광 특성(66) 및 제 2 TM 편광 특성(68)의 차이에 비해 월등이 클 수 있다.
제 1 TE 편광 특성(62)은 약 7dB 내지 약 27dB의 투과율이고, 제 2 TE 편광 특성(64)은 약 0.5dB 내지 약 2.5dB의 투과율일 수 있다. 제 1 TM 편광 특성(66)은 약 1dB 내지 약 3dB의 투과율이고, 제 2 TM 편광 특성(68)은 약 0.2dB 내지 약 0.5dB의 투과율일 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 예를 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 실시 예들 및 응용 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되어 일 방향으로 연장하는 광 도파로; 및
    상기 광 도파로 상에 제공되어 일정 간격으로 분리되는 상변화 격자들을 포함하는 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 격자들은 Ge2Sb2Te5를 포함하는 광학 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파로는 실리콘 질화물을 포함하는 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 산화물을 포함하는 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 격자들은 상기 광 도파로 보다 얇은 광학 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 격자들은 상기 광 도파로의 폭과 동일한 길이를 갖는 광학 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파로는 정사각형의 단면을 갖는 광학 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 격자들은 상기 광 도파로의 방향과 교차하는 방향으로 연장하는 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘을 더 포함하는 광학 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 격자들 상에 제공되는 히터 전극을 더 포함하는 광학 장치.
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