KR20240055638A - Integrated optical device - Google Patents

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KR20240055638A
KR20240055638A KR1020230126572A KR20230126572A KR20240055638A KR 20240055638 A KR20240055638 A KR 20240055638A KR 1020230126572 A KR1020230126572 A KR 1020230126572A KR 20230126572 A KR20230126572 A KR 20230126572A KR 20240055638 A KR20240055638 A KR 20240055638A
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고현성
김인규
문기원
주정진
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 집적 광학 소자를 개시한다. 그의 소자는 입력 광 펄스를 수신하는 입력 도파로와, 상기 입력 도파로에 연결되고 상기 입력 광 펄스의 출력 광 펄스를 출력하는 출력 도파로와, 상기 입력 도파로에서 분기되어 상기 출력 도파로에 연결되고, 상기 입력 광 펄스의 일부를 상기 출력 도파로에 제공하여 상기 출력 광 펄스를 생성시키는 브랜치 도파로들과, 상기 브랜치 도파로들 중 어느 하나에 선택적으로 제공되어 상기 입력 광 펄스의 일부를 감속 또는 굴절시키는 광 격자 구조를 포함한다.The present invention discloses an integrated optical device. Its element includes an input waveguide that receives an input optical pulse, an output waveguide connected to the input waveguide and outputting an output optical pulse of the input optical pulse, branched from the input waveguide and connected to the output waveguide, and an output waveguide connected to the input optical pulse. Branch waveguides that provide a portion of a pulse to the output waveguide to generate the output optical pulse, and an optical grating structure that is selectively provided to one of the branch waveguides to decelerate or refract a portion of the input optical pulse. do.

Description

집적 광학 소자{Integrated optical device}Integrated optical device

본 발명은 광학 소자에 관한 것으로, 상세하게는 집적 광학 소자에 관한 것이다.The present invention relates to optical devices, and more particularly to integrated optical devices.

타임빈 복호화 방법은(time-bin encoding)을 이용하면 광자를 이용하여 큐빗(qubit)를 만드는 방법 중 한가지이다. 타임빈 복호화를 구현하는 방법 중 한가지는 비대칭 마흐-젠더 간섭계 (Asymmetric Mach Zehnder interferometer: AMZI)를 이용하는 방법이다. 일반적인 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 스파이럴 광도파로를 가질 수 있었다. Time-bin decoding is one of the methods of creating a qubit using photons. One way to implement time bin decoding is to use an asymmetric Mach Zehnder interferometer (AMZI). A typical asymmetric Mach-Zehnder interferometer could have a spiral optical waveguide.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 집적도 및 생산 수율을 증가시킬 수 있는 집적 광학 소자를 제공하는 데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an integrated optical device that can increase the degree of integration and production yield.

본 발명은 집적 광학 소자를 개시한다. 그의 소자는 입력 광 펄스를 수신하는 입력 도파로; 상기 입력 도파로에 연결되고 상기 입력 광 펄스의 출력 광 펄스를 출력하는 출력 도파로; 상기 입력 도파로에서 분기되어 상기 출력 도파로에 연결되고, 상기 입력 광 펄스의 일부를 상기 출력 도파로에 제공하여 상기 출력 광 펄스를 생성시키는 브랜치 도파로들; 및 상기 브랜치 도파로들 중 어느 하나에 선택적으로 제공되어 상기 입력 광 펄스의 일부를 감속 또는 굴절시키는 광 격자 구조를 포함한다. The present invention discloses an integrated optical device. Its device includes an input waveguide that receives an input optical pulse; an output waveguide connected to the input waveguide and outputting an output optical pulse of the input optical pulse; branch waveguides branched from the input waveguide and connected to the output waveguide, and providing a portion of the input optical pulse to the output waveguide to generate the output optical pulse; and an optical grating structure selectively provided to one of the branch waveguides to decelerate or refract a portion of the input optical pulse.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 집적 광학 소자는 광 격자 구조를 이용하여 브랜치 도파로의 길이를 감소시켜 집적도 및 생산 수율을 증가시킬 수 있다. As described above, the integrated optical device according to an embodiment of the present invention can increase the degree of integration and production yield by reducing the length of the branch waveguide using an optical lattice structure.

도 1은 일반적인 광학 소자의 일 예를 보여주는 평면도이다.
도 2 및 도 3은 일반적인 광학 소자의 일 예를 보여주는 평면도들이다.
도 4는 본 발명의 개념에 따른 집적 광학 소자의 일 예를 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 개념에 따른 집적 광학 소자의 일 예를 보여주는 평면도이다.
Figure 1 is a plan view showing an example of a general optical element.
Figures 2 and 3 are plan views showing an example of a general optical element.
Figure 4 is a plan view showing an example of an integrated optical device according to the concept of the present invention.
Figure 5 is a plan view showing an example of an integrated optical device according to the concept of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in different forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same elements throughout the specification.

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, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. The terminology used herein is for describing embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context. As used in the specification, 'comprises' and/or 'comprising' means that a referenced component, operation and/or element excludes the presence or addition of one or more other components, operations and/or elements. I never do that. Additionally, since this is according to a preferred embodiment, reference signs presented according to the order of description are not necessarily limited to that order.

또한, 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. Additionally, embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, the form of the illustration may be modified depending on manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in form produced according to the manufacturing process.

도 1은 일반적인 광학 소자(100)의 일 예를 보여준다. Figure 1 shows an example of a general optical element 100.

도 1을 참조하면, 일반적인 광학 소자(100)는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함할 수 있다. 일 예에 따르면, 일반적인 광학 소자(100)는 입력 도파로(10), 출력 도파로(20), 및 브랜치 도파로들(30)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a general optical device 100 may include an asymmetric Mach-Zehnder interferometer. According to one example, a general optical device 100 may include an input waveguide 10, an output waveguide 20, and branch waveguides 30.

입력 도파로(10)는 입력 광 펄스(12)를 수신하여 브랜치 도파로들(30) 및 출력 도파로(20)에 제공할 수 있다. 입력 광 펄스(12)는 레이저 광을 포함할 수 있다. The input waveguide 10 may receive the input optical pulse 12 and provide it to the branch waveguides 30 and the output waveguide 20. Input light pulse 12 may include laser light.

출력 도파로(20)는 입력 도파로(10) 및 브랜치 도파로들(30)에 연결될 수 있다. 출력 도파로(20)는 입력 도파로(10)의 방향과 동일한 방향으로 연장할 수 있다. 출력 도파로(20)는 입력 광 펄스(12)의 간섭에 의해 생성된 출력 광 펄스(14)를 출력할 수 있다. Output waveguide 20 may be connected to input waveguide 10 and branch waveguides 30. The output waveguide 20 may extend in the same direction as the input waveguide 10. The output waveguide 20 may output an output optical pulse 14 generated by interference of the input optical pulse 12.

브랜치 도파로들(30)은 입력 도파로(10)에서 분기되어 출력 도파로(20)에 연결될 수 있다. 일 예에 따르면, 브랜치 도파로들(30)은 제 1 브랜치 도파로(32) 및 제 2 브랜치 도파로(34)를 포함할 수 있다. 제 1 브랜치 도파로(32) 및 제 2 브랜치 도파로(34)는 제 1 길이(L1) 및 제 2 길이(L2)를 각각 가질 수 있다. 제 1 브랜치 도파로(32) 및 제 2 브랜치 도파로(34)는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 브랜치 도파로(32)는 제 1 굴절률(n1)을 갖고, 제 2 브랜치 도파로(34)는 제 2 굴절률(n2)를 가질 수 있다. 제 1 브랜치 도파로(32)의 제 1 광 길이는 제 1 굴절률(n1)과 제 1 길이(L1)의 곱으로 계산될 수 있다. 제 2 브랜치 도파로(34)의 제 2 광 길이는 제 2 굴절률(n2)과 제 2 길이(L2)의 곱으로 계산될 수 있다. 제 2 광 길이가 제 1 광 길이보다 크면, 입력 광 펄스(12)의 시간 차이(T)는 제 1 광 길이와 제 2 광 길이의 차이를 광속으로 나눈 값으로 계산될 수 있다. The branch waveguides 30 may branch from the input waveguide 10 and be connected to the output waveguide 20 . According to one example, the branch waveguides 30 may include a first branch waveguide 32 and a second branch waveguide 34. The first branch waveguide 32 and the second branch waveguide 34 may have a first length (L1) and a second length (L2), respectively. The first branch waveguide 32 and the second branch waveguide 34 may have different refractive indices. For example, the first branch waveguide 32 may have a first refractive index (n 1 ), and the second branch waveguide 34 may have a second refractive index (n 2 ). The first optical length of the first branch waveguide 32 may be calculated as the product of the first refractive index (n 1 ) and the first length (L 1 ). The second optical length of the second branch waveguide 34 may be calculated as the product of the second refractive index (n 2 ) and the second length (L 2 ). If the second light length is greater than the first light length, the time difference (T) of the input light pulse 12 may be calculated as the difference between the first light length and the second light length divided by the speed of light.

양쪽 경로의 광 길이 차이가 광 펄스 폭보다 크면, 출력단에서 두 개로 분기된 출력 광 펄스(14)를 얻을 수 있다.If the difference in optical length between both paths is greater than the optical pulse width, an output optical pulse 14 divided into two can be obtained at the output end.

비대칭 마흐-젠더 간섭계를 이용하여 타임빈을 만들려면, 광 펄스 대신에 단일 광자(single photon)를 사용한다. 도 1과 같은 비대칭 마흐-젠더 간섭계에 광 펄스 대신에 단일 광자를 입사하면, 출력단으로 나오는 광자는 제 1 브랜치 도파로(32)를 지나온 빛과 제 2 브랜치 도파로(34)를 지나온 빛의 중첩인 상태가 된다. 즉 출력단에서 검출될 전 까지는 단일 광자가 어느 쪽 경로를 지나 왔는지 결정되지 않으며, 단일 광자를 검출한 뒤에 어느 쪽 경로를 지나왔는지 결정된다. To create time bins using asymmetric Mach-Zehnder interferometry, single photons are used instead of light pulses. When a single photon instead of an optical pulse is incident on an asymmetric Mach-Zehnder interferometer as shown in FIG. 1, the photon coming out of the output stage is a superposition of the light that passed through the first branch waveguide 32 and the light that passed through the second branch waveguide 34. It becomes. In other words, it is not determined which path a single photon has taken until it is detected at the output stage, and which path it has taken is determined after the single photon is detected.

타임빈을 형성할 경우 제 1 브랜치 도파로(32)의 광길이와 제 2 브랜치 도파로(34)의 광길이의 차이는, 두 개의 광을 구분할 수 있도록 결맞음 길이(coherence length)보다 길어야 한다. 통상적인 타임빈 제작 시스템에서 비대칭 마흐-젠더 간섭계 출력단(106)에서 사용하려면, 출력 도파로(20)에서 두 개의 광 펄스간의 시간 차이(T) 가 1 ns정도의 값을 가져야 하며, 이는 진공중에서 광길이 차이가 30 cm임을 의미한다. 자유 공간 광학계(free space optics)나 광섬유 부품을 이용하면, 양쪽 경로 사이 광길이 차이가 30 cm인 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 쉽게 구현할 수 있다.When forming a time bin, the difference between the optical length of the first branch waveguide 32 and the optical length of the second branch waveguide 34 must be longer than the coherence length so that the two lights can be distinguished. To use the asymmetric Mach-Zehnder interferometer output stage 106 in a typical time bin production system, the time difference (T) between two optical pulses in the output waveguide 20 must have a value of about 1 ns, which is This means that the length difference is 30 cm. Using free space optics or optical fiber components, an asymmetric Mach-Zehnder interferometer with an optical length difference of 30 cm between both paths can be easily implemented.

자유 공간 광학계 혹은 광섬유 부품을 이용하여 제작한 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 전체 부품이 커지는 문제가 있다. 최근 발전하고 있는 실리콘 온 인슐레이터(Silicon on insulator: SOI) 기판위에 광도파로 등을 제작하는 실리콘 포토닉스 (Si photonics) 기술, 평판형 광회로(planar lightwave circuit), 니오브산리튬(LiNbO3) 기판위에 타이타늄(Ti) 등을 도핑하여 광도파를 제작 등의 집적광학 기술이 크게 발전하고 있다. 이 기술을 이용하면 마흐-젠더 간섭계를 하나의 기판위에 제작할 수 있으며, 또한 부품 크기를 줄일 수 있다. 광통신에 필요한 고속 마흐-젠더 간섭계를 이용한 광변조기(modulator)를 이러한 기술을 이용하여 제작하여 사용하고 있다.Asymmetric Mach-Zehnder interferometers manufactured using free space optical systems or optical fiber components have the problem of increasing the overall size of the components. Recently developed silicon photonics (Si photonics) technology for producing optical waveguides on silicon on insulator (SOI) substrates, planar lightwave circuits, and titanium (on lithium niobate (LiNbO3) substrates) Integrated optical technology, such as producing optical waveguides by doping Ti), etc., is making great progress. Using this technology, a Mach-Zehnder interferometer can be manufactured on a single substrate and the component size can also be reduced. An optical modulator using a high-speed Mach-Zehnder interferometer required for optical communication is manufactured and used using this technology.

타임빈 형성을 위한 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 광통신용 변조기에 사용하는 마흐-젠더 간섭계와의 가장 큰 차이점은 마흐-젠더 간섭계 사용목적, 마흐-젠더 간섭계 양쪽 광경로의 광길이 차이, 광원의 차이이다. 광통신용 변조기에 사용하는 마흐-젠더 변조기는 연속광(continuous wave) 광을 사용하고, 출력단에서 보강 혹은 상쇄 간섭이 일어날 수 있도록 양쪽 광경로의 광길이 차이를 0~파장/2로 바꾼다. 광통신용 비대칭 마흐-젠더 변조기에서는 양쪽 광경로의 물리적 길이를 동일하게 제작하고 전압을 이용하여 한쪽 광경로의 광길이를 바꾼다.The biggest differences between the asymmetric Mach-Zehnder interferometer for forming time bins and the Mach-Zehnder interferometer used in optical communication modulators are the purpose of using the Mach-Zehnder interferometer, the difference in the optical lengths of both optical paths of the Mach-Zehnder interferometer, and the difference in the light source. . The Mach-Zehnder modulator used in optical communication modulators uses continuous wave light and changes the difference in optical length between both optical paths from 0 to wavelength/2 so that constructive or destructive interference can occur at the output end. In an asymmetric Mach-Zehnder modulator for optical communication, the physical length of both optical paths is manufactured to be the same and the optical length of one optical path is changed using voltage.

타임빈 형성을 위한 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 변조기로 작동하지 않고 양쪽 광경로 중에서 한쪽 광경로를 광지연선(optical delay line)으로 사용한다. 단일 광자를 광원으로 사용하고, 출력단에서 양쪽 경로를 지나온 광자기 구분할 수 있도록 양쪽 광경로의 광길이 차이가 충분히 커야 한다. 출력단에서 시간 차이(T)가 1 ns이면 양쪽 광경로의 광길이 차이는 30 cm가 되어야 한다. 이렇게 큰 광경로의 차이를 구현하려면 전압을 이용해서 바꿀 수 없고, 양쪽 광경로의 물리적길이를 크게 다르게 제작하여야 한다.The asymmetric Mach-Zehnder interferometer for time bin formation does not operate as a modulator, but uses one of the two optical paths as an optical delay line. A single photon is used as a light source, and the difference in the optical lengths of both optical paths must be sufficiently large so that the photonics that have passed through both paths can be distinguished at the output end. If the time difference (T) at the output stage is 1 ns, the difference in optical length between both optical paths should be 30 cm. To realize such a large difference in optical paths, it cannot be changed using voltage, and the physical lengths of both optical paths must be manufactured to be significantly different.

실리콘 굴절률이 ~3.4이므로 1 nS의 T를 얻으려면, 실리콘 기판에서 양쪽 광경로의 광길이 차이가 8.8 cm 이상이 되어야 한다. 또한 폭 1.1 m, 높이 0.26 m 인 SiO2로 둘러쌓인 실리콘 채널(channel) 광도파로의 유효 굴절률은 2.88이며, 이경우 광길이 차이가 30cm가 되려면 양쪽 광경로의 실리콘 광도파로 물리적 길이 차이는 10.4 cm가 되어야 한다.Since the refractive index of silicon is ~3.4, to obtain a T of 1 nS, the difference in optical length between both optical paths on the silicon substrate must be 8.8 cm or more. In addition, the effective refractive index of a silicon channel optical waveguide surrounded by SiO2 with a width of 1.1 m and a height of 0.26 m is 2.88. In this case, for the optical length difference to be 30 cm, the physical length difference between the silicon optical waveguides on both optical paths must be 10.4 cm. do.

길이 10 cm이상의 직선 실리콘 광도파로를 만들기 힘들고, 실리콘 온 인슐레이터 기판이나 니오브산리튬 기판 등의 크기 제한 때문에 기판위에 길이 10 cm이상의 광도파로를 많이 제작할 수 없는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 실리콘 온 인슐레이터 기판, 니오브산리튬 기판위에 길이 10 cm이상의 광도파로를 만들기 위하여, 제 2 브랜치 도파로(34)는 도 2 및 도 3의 스파이럴 구조를 가질 수 있다. It is difficult to make a straight silicon optical waveguide with a length of 10 cm or more, and due to size limitations of silicon-on-insulator substrates or lithium niobate substrates, there is a problem that many optical waveguides with a length of 10 cm or more cannot be manufactured on the substrate. In order to solve this problem and create an optical waveguide with a length of 10 cm or more on a silicon-on-insulator substrate or a lithium niobate substrate, the second branch waveguide 34 may have the spiral structure of FIGS. 2 and 3.

도 2 및 도 3은 일반적인 광학 소자(100)의 일 예를 보여준다. 2 and 3 show an example of a general optical element 100.

도 2 및 도 3을 참조하면, 일반적인 광학 소자(100)의 제 2 브랜치 도파로(34)는 스파이럴 도파로들을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 2 and 3 , the second branch waveguide 34 of the general optical device 100 may include spiral waveguides.

도 2를 참조하면, 제 2 브랜치 도파로(34)는 원 모양 스파이럴 도파로를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the second branch waveguide 34 may include a circular spiral waveguide.

도 3을 참조하면, 제 2 브랜치 도파로(34)는 사각형 스파이럴 도파로를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the second branch waveguide 34 may include a square spiral waveguide.

위와 같은 구조를 이용하여, 크기가 제한된 실리콘 온 인슐레이터 혹은 니오브산리튬 기판 등에 길이 10 cm이상의 광도파로를 만들 수 있으나, 실리콘 온 인슐레이터 기판 혹은 니오 브산리튬 기판위에 제작한 광도파로가 길어 짐에 따라 다음과 같은 문제가 발생한다.Using the above structure, an optical waveguide of more than 10 cm in length can be made on a silicon-on-insulator or lithium niobate substrate of limited size. However, as optical waveguides manufactured on a silicon-on-insulator substrate or lithium niobate substrate become longer, the following The same problem occurs.

먼저, 광도파로가 길어 짐에 따라 광도파로 제작 수율이 떨어진다.First, as the optical waveguide becomes longer, the yield of optical waveguide manufacturing decreases.

다음, 실리콘 광도파로에서 발생하는 손실중에서 광도파로 표면 거칠기에 의한 손실이 큰 값을 차지한다. 직선길이 10 cm의 광도파로를 제작할 수 있더라도, 길이가 길어짐에 따라 증가하는 광도파로 표면 거칠기에 의한 손실이 증가함을 피할 수 없다. 직선 실리콘 광도파로에서 손실은 1~3 dB/cm이며, 이는 길이가 10cm가되면 손실이 10~30 dB가 됨을 의미한다.Next, among the losses occurring in silicon optical waveguides, the loss due to surface roughness of the optical waveguide accounts for a large amount. Even if it is possible to manufacture an optical waveguide with a straight line length of 10 cm, it is inevitable that loss due to surface roughness of the optical waveguide increases as the length increases. In a straight silicon optical waveguide, the loss is 1 to 3 dB/cm, which means that when the length becomes 10 cm, the loss becomes 10 to 30 dB.

구조에선 접힌 구조와 나선형 구조에서는 광도파로가 직선이 아니라 곡선이므로, 광도파로 곡선부분에서 빛이 광도파로 외부로 방출되는 방사 손실(radiation loss)이 발생한다. 높이 0.22 um, 폭 0.5 um인 SiO2로 둘러 쌓인 곡률반경이 50 um인 실리콘 도포관의 손실은 110 dB/cm이고, 이 경우 도포관의 길이가 10cm이면 출력단에서 광출력이 나오지 않음을 의미한다.In the folded structure and the spiral structure, the optical waveguide is not a straight line but a curve, so radiation loss occurs in the curved part of the optical waveguide, where light is emitted to the outside of the optical waveguide. The loss of a silicone tube with a radius of curvature of 50 um surrounded by SiO2 with a height of 0.22 um and a width of 0.5 um is 110 dB/cm. In this case, if the length of the tube is 10 cm, this means that no optical output comes out of the output terminal.

위와 같이 길이 10cm이상의 직선 광도파로 혹은 접힌 구조, 나선 구조 광도파로를 사용하여 타임빈 형성을 위한 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 제작한 경우 한 쪽 경로에서 손실이 급격히 증가하는 문제가 발생한다. 광통신용 마흐-젠더 간섭계의 경우 한쪽 광경로의 손실이 클 경우, 입력단 광커플러의 광분배 비율을 조절하여 문제를 해결할 수 있다. 타임빈 형성을 위한 비대칭 마흐-젠더 간섭계의 경우 한쪽 광경로의 손실이 클 경우, 출력단에서 타임빈 형성이 잘 돼지 않는 문제가 발생한다.As shown above, when an asymmetric Mach-Zehnder interferometer for forming a time bin is manufactured using a straight optical waveguide with a length of 10 cm or more, or a folded structure or a spiral structure optical waveguide, a problem occurs in which loss rapidly increases in one path. In the case of Mach-Zehnder interferometer for optical communication, if the loss of one optical path is large, the problem can be solved by adjusting the optical distribution ratio of the input optical coupler. In the case of an asymmetric Mach-Zehnder interferometer for forming time bins, if the loss of one optical path is large, a problem occurs in which time bin formation is not performed well at the output stage.

도 4는 본 발명의 개념에 따른 집적 광학 소자(200)의 일 예를 보여준다. Figure 4 shows an example of an integrated optical device 200 according to the concept of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 집적 광학 소자(200)는 광 격자 구조(50) 및 변조 전극(60)을 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, the integrated optical device 200 of the present invention may further include an optical grid structure 50 and a modulation electrode 60.

광 격자 구조(50)는 제 2 브랜치 도파로(34)에 제공될 수 있다. 광 격자 구조(50)는 저속광 구조일 수 있다. 예를 들어, 광 격자 구조(50)는 광격자 도파로 (photonic crystal waveguide), 올패스 공진기 어레이(all-pass cavity array), 결합-공진기 광도파로(coupled-resonator optical waveguide), High-Q 마이크로 스피어(microsphere)를 포함할 수 있다. 광 격자 구조(50)는 그의 내부의 복수개의 광 결정들(52)을 포함할 수 있다. 광 결정들(52)의 각각은 양자점을 포함할 수 있다. 제 2 브랜치 도파로(34)는 광 결정들(52) 사이에 제공될 수 있다. 광 격자 구조(50)는 입력 광 펄스(12)의 일부의 광 경로를 조절할 수 있다. 광 격자 구조(50)는 실리콘 굴절률의 10의 유효 굴절률을 가질 수 있다. 광 격자 구조(50)의 유효 굴절률이 실리콘 광 굴절률의 10배인 경우, 제 2 브랜치 도파로(34)의 광 길이는 제 1 브랜치 도파로(32)의 광 길이의 30cm에 해당하는 약 0.88cm일 수 있다. 광 격자 구조(50)는 제 2 브랜치 도파로(34)의 유효 굴절률을 증가시켜 제 2 브랜치 도파로(34)를 직선으로 배열시킬 수 있다. An optical grating structure 50 may be provided in the second branch waveguide 34 . The optical grid structure 50 may be a slow light structure. For example, the optical grating structure 50 may include a photonic crystal waveguide, an all-pass cavity array, a coupled-resonator optical waveguide, and a high-Q microsphere. It may contain microspheres. The optical grating structure 50 may include a plurality of photonic crystals 52 therein. Each of the photonic crystals 52 may include a quantum dot. A second branch waveguide 34 may be provided between the photonic crystals 52 . The optical grating structure 50 can adjust the optical path of a portion of the input optical pulse 12. The optical grating structure 50 may have an effective refractive index of 10 of the refractive index of silicon. If the effective refractive index of the optical grating structure 50 is 10 times the optical refractive index of silicon, the optical length of the second branch waveguide 34 may be about 0.88 cm, corresponding to 30 cm of the optical length of the first branch waveguide 32. . The optical grating structure 50 can increase the effective refractive index of the second branch waveguide 34 and arrange the second branch waveguide 34 in a straight line.

따라서, 본 발명의 집적 광학 소자(200)는 광 격자 구조(50)를 이용하여 제 2 브랜치 도파로(34)의 연장 길이를 감소시켜 집적도 및 생산 수율을 증가 또는 개선할 수 있다. Accordingly, the integrated optical device 200 of the present invention can increase or improve integration and production yield by reducing the extension length of the second branch waveguide 34 using the optical grid structure 50.

변조 전극(60)은 제 1 브랜치 도파로(32)에 제공될 수 있다. 변조 전극(60)은 제 1 브랜치 도파로(32)의 유효 굴절률을 조절할 수 있다. 변조 전극(60)은 제 1 브랜치 도파로(32)를 가열하여 유효 굴절률을 조절할 수 있다. 이와 달리, 변조 전극(60)은 제 1 브랜치 도파로(32)에 전기장을 제공하여 유효 굴절률을 조절할 수 있다.The modulation electrode 60 may be provided on the first branch waveguide 32. The modulation electrode 60 can adjust the effective refractive index of the first branch waveguide 32. The modulation electrode 60 can adjust the effective refractive index by heating the first branch waveguide 32. In contrast, the modulation electrode 60 can adjust the effective refractive index by providing an electric field to the first branch waveguide 32.

입력 도파로(10)와 브랜치 도파로들(30) 사이에 제 1 광 커플러(42)가 제공될 수 있다. 제 1 광 커플러(42)는 와이브랜치 혹은 멀티모드간섭계(multi-mode interferometer)를 포함할 수 있다. 제 1 광 커플러(42)는 1X2 광 커플러일 수 있다. 제 1 광 커플러(42)는 입력 광 커플러일 수 있다. 제 1 광 커플러(42)는 입력 광 펄스(12)를 분할하여 제 1 브랜치 도파로(32) 및 제 2 브랜치 도파로(34)에 제공할 수 있다. A first optical coupler 42 may be provided between the input waveguide 10 and the branch waveguides 30. The first optical coupler 42 may include a Wi branch or a multi-mode interferometer. The first optical coupler 42 may be a 1X2 optical coupler. The first optical coupler 42 may be an input optical coupler. The first optical coupler 42 may split the input optical pulse 12 and provide the split signals to the first branch waveguide 32 and the second branch waveguide 34.

출력 도파로(20)와 브랜치 도파로들(30) 사이에 제 2 광 커플러(44)가 제공될 수 있다. 제 2 광 커플러(44)는 와이브랜치 혹은 멀티모드간섭계(multi-mode interferometer)를 포함할 수 있다. 제 2 광 커플러(44)는 1X2 광 커플러일 수 있다. 제 2 광 커플러(44)는 출력 광 커플러일 수 있다. 제 2 브랜치 도파로(34) 및 제 1 브랜치 도파로(32)를 진행한 입력 광 펄스(12) 또는 상기 입력 광 펄스(12)의 단일 광자는 제 2 광 커플러(44)에서 합쳐져서, 출력 도파로(20)에 제공될 수 있다. A second optical coupler 44 may be provided between the output waveguide 20 and the branch waveguides 30. The second optical coupler 44 may include a Wi branch or a multi-mode interferometer. The second optical coupler 44 may be a 1X2 optical coupler. The second optical coupler 44 may be an output optical coupler. The input optical pulse 12 that has traveled through the second branch waveguide 34 and the first branch waveguide 32 or a single photon of the input optical pulse 12 is combined in the second optical coupler 44 and output waveguide 20 ) can be provided.

도 5는 본 발명의 개념에 따른 집적 광학 소자(200)의 일 예를 보여준다. Figure 5 shows an example of an integrated optical device 200 according to the concept of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 집적 광학 소자(200)는 광 격자 구조(50) 내에서 굽은 제 2 브랜치 도파로(34)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5, the integrated optical device 200 of the present invention may include a curved second branch waveguide 34 within the optical grating structure 50.

입력 도파로(10), 출력 도파로(20), 제 1 브랜치 도파로(32), 제 1 광 커플러(42), 및 제 2 광 커플러(44)는 도 3과 동일하게 구성될 수 있다. The input waveguide 10, the output waveguide 20, the first branch waveguide 32, the first optical coupler 42, and the second optical coupler 44 may be configured in the same manner as in FIG. 3.

제 2 브랜치 도파로(34)는 광 격자 구조(50) 내에서 90°로 꺽이거나 n자 모양으로 굽을 수 있다. 제 2 브랜치 도파로(34) 내의 입력 광 펄스(12)는 광 격자 구조(50)에 의해 느려질 수 있다. 광 격자 구조(50)는 제 2 브랜치 도파로(34)에서의 입력 광 펄스(12)의 방사 손실(radiation loss)을 줄이거나 최소화할 수 있다. The second branch waveguide 34 may be bent at 90° or n-shaped within the optical grid structure 50. The input optical pulse 12 in the second branch waveguide 34 may be slowed by the optical grating structure 50. The optical grating structure 50 may reduce or minimize radiation loss of the input optical pulse 12 in the second branch waveguide 34.

광 격자 구조(50)는 제한된 파장 범위에서만 그 특성을 보이며, 그 구조에 따라 사용할 수 있는 파장 밴드폭이 정해져 있다. 또한, 광 격자 구조(50)에 따라 손실이 저속광 구조를 사용하지 않은 일반 광도파로 구조를 사용했을 때의 손실보다 클 수 있다.The optical grid structure 50 exhibits its characteristics only in a limited wavelength range, and the wavelength bandwidth that can be used is determined depending on its structure. Additionally, depending on the optical grid structure 50, the loss may be greater than the loss when using a general optical waveguide structure without using a slow light structure.

광격자 구조의 경우 사용할 수 있는 파장폭은 규격화 지연-밴드 폭(Normalized delay bandwidth-product: NDBP)로 표시할 수 있다. 규격화 지연-밴드 폭(NDBP)은 광 격자 구조(50)의 굴절률(ng)과, 제 1 브랜치 도파로(32) 및 제 2 브랜치 도파로(34)에서의 입력 광 펄스(12)의 파장 차이()에 비례하고, 입력 광 펄스(12)의 파장에 반비례할 수 있다. 연구가 진행됨에 따라, 실리콘 온 인슐레이터 기판위에 형성한 실리콘 광결정 광도파의 경우 파장 1.5 m인 빛을 사용할 경우 23인 구조를 만들 수 있음이 실험적으로 증명되어 있다. 또한 실리콘 온 인슐레이터 기판위에 형성한 실리콘 광결정의 경우 손실을 최대 2 dB/cm까지 줄일 수 있음이 실험적으로 증명되었다.In the case of an optical grid structure, the usable wavelength width can be expressed as normalized delay bandwidth-product (NDBP). The normalized delay-bandwidth (NDBP) is the refractive index (n g ) of the optical grating structure 50 and the wavelength difference of the input optical pulses 12 in the first branch waveguide 32 and the second branch waveguide 34 ( ) and may be inversely proportional to the wavelength of the input light pulse 12. As research progresses, it has been experimentally proven that in the case of a silicon photonic crystal optical waveguide formed on a silicon-on-insulator substrate, a 23-inch structure can be created when light with a wavelength of 1.5 m is used. Additionally, it has been experimentally proven that loss can be reduced up to 2 dB/cm in the case of silicon photonic crystals formed on a silicon-on-insulator substrate.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 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 예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Above, embodiments of the present invention have been described with reference to the attached drawings, but those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. You will understand that it exists. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (1)

입력 광 펄스를 수신하는 입력 도파로;
상기 입력 도파로에 연결되고 상기 입력 광 펄스의 출력 광 펄스를 출력하는 출력 도파로;
상기 입력 도파로에서 분기되어 상기 출력 도파로에 연결되고, 상기 입력 광 펄스의 일부를 상기 출력 도파로에 제공하여 상기 출력 광 펄스를 생성시키는 브랜치 도파로들; 및
상기 브랜치 도파로들 중 어느 하나에 선택적으로 제공되어 상기 입력 광 펄스의 일부를 감속 또는 굴절시키는 광 격자 구조를 포함하는 집적 광학 소자.
an input waveguide that receives an input optical pulse;
an output waveguide connected to the input waveguide and outputting an output optical pulse of the input optical pulse;
branch waveguides branched from the input waveguide and connected to the output waveguide, and providing a portion of the input optical pulse to the output waveguide to generate the output optical pulse; and
An integrated optical device comprising an optical grating structure selectively provided to one of the branch waveguides to slow down or refract a portion of the input optical pulse.
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