KR102472132B1 - 광학 장치 - Google Patents

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김성구
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Abstract

광학 장치는, 기판 상에 배치되며, 가이딩부(guiding portion)와 테이퍼부(taper portion)를 포함하는 광 도파로(waveguide); 및 광학 장치는 상기 기판 상에서 상기 테이퍼부 일측 상에 배치되는 그레이팅 패턴(grating pattern);을 포함하며, 상기 그레이팅 패턴은, 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 교대로 배열되는 복수의 저굴절율부 및 복수의 고굴절율부를 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부 각각은 원형 경로(circular path)에 의해 정의되는 곡률(curvature)을 갖는 곡면화된(curved) 내측벽 및 곡면화된 외측벽을 구비하며, 상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 및 외측벽은 제1 초점 위치(focusing position)를 가지며, 상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 또는 외측벽, 또는 상기 테이퍼부의 측벽은 상기 제1 초점 위치와는 다른 제2 초점 위치를 갖는다.

Description

광학 장치{Optical apparatus}
본 발명의 기술적 사상은 광학 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그레이팅 커플러를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
전자 기기의 소형화 및 고속화를 구현하기 위하여, 전자 기기에 포함된 반도체 장치에서 신호 전달이 고속화될 것이 요구된다. 전기 신호는 구리선 등과 같은 배선을 통해 전달되므로 고속화에는 한계가 있고, 광 신호를 통한 신호 전달 방식이 제안되었다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광 신호 송수신 과정에서의 배면 반사(back-reflection)에 의한 광 손실을 최소화할 수 있는 광학 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 광학 장치는, 기판 상에 배치되며, 가이딩부(guiding portion)와 테이퍼부(taper portion)를 포함하는 광 도파로(waveguide); 및 상기 기판 상에서 상기 테이퍼부 일측 상에 배치되는 그레이팅 패턴(grating pattern);을 포함하며, 상기 그레이팅 패턴은, 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 교대로 배열되는 복수의 저굴절율부 및 복수의 고굴절율부를 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부 각각은 원형 경로(circular path)에 의해 정의되는 곡률(curvature)을 갖는 곡면화된(curved) 내측벽 및 곡면화된 외측벽을 구비하며, 상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 및 외측벽은 제1 초점 위치(focusing position)를 가지며, 상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 또는 외측벽, 또는 상기 테이퍼부의 측벽은 상기 제1 초점 위치와는 다른 제2 초점 위치를 갖는다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 초점 위치는 상기 가이딩부와 상기 테이퍼부 사이의 계면 상에 위치하고, 상기 제2 초점 위치는 상기 테이퍼부 내에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 초점 위치는 상기 가이딩부와 상기 테이퍼부 사이의 계면 상에 위치하고, 상기 제2 초점 위치는 상기 가이딩부 내에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 테이퍼부 중 상기 가이딩부에 가까운 일 부분의 제1 폭보다 상기 그레이팅 패턴에 가까운 일부분의 제2 폭이 더 크고, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 곡면화될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 복수의 저굴절율부 중 상기 테이퍼부와 가장 가깝게 배치되는 저굴절율부의 측벽과 접촉할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 제2 초점 위치를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 제2 초점 위치를 가지며, 상기 복수의 고굴절율부 중 상기 테이퍼부와 가장 가깝게 배치되는 고굴절율부의 내측벽은 상기 제2 초점 위치를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 또는 외측벽, 또는 상기 테이퍼부의 측벽은 상기 제1 초점 위치 및 상기 제2 초점 위치와는 다른 제3 초점 위치를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 초점 위치 및 상기 제3 초점 위치는 상기 테이퍼부 내에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 초점 위치는 상기 테이퍼부 내에 위치하고, 및 상기 제3 초점 위치는 상기 가이딩부 내에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 내지 제3 초점 위치들은 상기 제1 방향을 따라 일직선 상에 배열될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 저굴절율부는 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부는 실리콘을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 저굴절율부는 에어(air)를 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부는 실리콘을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 테이퍼부는 상기 제1 방향을 따라 제1 길이를 가지며, 상기 제1 초점위치와 상기 제2 초점 위치 사이의 제1 거리는 상기 제1 길이의 80%보다 작을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 그레이팅 패턴의 상면이 상기 광 도파로의 상면과 동일한 레벨 상에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 그레이팅 패턴의 상면이 상기 광 도파로의 상면보다 높은 레벨 상에 위치할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 기술적 사상에 따른 광학 장치는, 기판 상에 배치되며, 가이딩부와 테이퍼부를 포함하고, 상기 테이퍼부는 곡면화된 측벽을 구비하는, 광 도파로; 및 상기 기판 상에서 상기 테이퍼부의 상기 측벽 상에 배치되는 그레이팅 패턴;을 포함하며, 상기 그레이팅 패턴은, 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 교대로 배열되는 복수의 저굴절율부 및 복수의 고굴절율부를 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부 각각은 곡면화된 내측벽 및 곡면화된 외측벽을 구비하며, 상기 복수의 고굴절율부의 적어도 하나의 내측벽 및 적어도 하나의 외측벽은 제1 초점 위치를 가지며, 상기 제1 초점 위치는 상기 가이딩부와 상기 테이퍼부 사이의 계면 상에 위치하고, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 제1 초점 위치와는 다른 제2 초점 위치를 갖는다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 가이딩부는 상기 제1 방향을 따라 연장하며, 상기 제2 초점 위치는 상기 제1 방향을 따른 상기 가이딩부의 중심선의 연장선 상에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 초점 위치는 상기 테이퍼부 내에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 초점 위치는 상기 가이딩부 내에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 고굴절율부의 적어도 하나의 내측벽 또는 적어도 하나의 외측벽이 상기 제1 초점 위치와는 다른 제3 초점 위치를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제3 초점 위치는 상기 제2 초점 위치와 동일한 지점 상에 놓일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제3 초점 위치는 상기 제2 초점 위치와 다른 지점 상에 놓일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 기판의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 제1 높이를 가지며, 상기 복수의 고굴절율부의 내측벽 및 외측벽은 상기 제3 방향을 따라 제2 높이를 가지며, 상기 제2 높이는 상기 제1 높이와 동일할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 기판의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 제1 높이를 가지며, 상기 복수의 고굴절율부의 내측벽 및 외측벽은 상기 제3 방향을 따라 제2 높이를 가지며, 상기 제2 높이는 상기 제1 높이보다 클 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 기술적 사상에 따른 광학 장치는, 광원; 광학 파이버(optical fiber); 가이딩부와 테이퍼부를 포함하는 광 도파로; 및 상기 광 도파로의 일측 상에 배치되며, 상기 광학 파이버로부터 전달되는 광을 회절시켜 상기 테이퍼부를 통해 상기 가이딩부 내로 구속하도록 구성되는 그레이팅 패턴을 포함하며, 상기 그레이팅 패턴은, 교대로 배열되는 복수의 저굴절율부 및 복수의 고굴절율부를 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부 각각은 곡면화된 내측벽 및 곡면화된 외측벽을 구비하며, 상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 또는 외측벽, 또는 상기 테이퍼부의 측벽은 상기 테이퍼부 내에 또는 상기 가이딩부 내에 위치하는 초점 위치를 갖는다.
상기 광학 장치는, 상기 테이퍼부와 상기 그레이팅 패턴 사이의 계면에서 주로 발생하는 배면 반사를 감소시킬 수 있고, 이에 따라 상기 광학 장치의 안정성이 향상될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 광학 장치를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 1의 III-III' 선을 따른 단면도이다.
도 4는 그레이팅 패턴을 통한 광 커플링 원리를 나타내는 개략도이다.
도 5는 테이퍼부 내에서의 제1 및 제2 초점 위치의 상대적인 배치를 나타내는 개략도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치를 나타내는 평면도이다.
도 7은 상기 광학 장치를 나타내는 단면도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치를 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 8의 IX 부분의 확대도이다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치를 나타내는 평면도이다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치를 나타내는 평면도이다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치를 나타내는 평면도이다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치를 나타내는 평면도이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치를 나타내는 단면도이다.
도 15a 및 도 15b는 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 16은 예시적인 실시예들에 따른 광학 집적 회로를 나타내는 블록도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "상에" 있다거나 "접하여" 있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "바로 위에" 있다거나 "직접 접하여" 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "～사이에"와 "직접 ～사이에" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치(100)를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 광학 장치(100)를 나타내는 평면도이며, 도 3은 도 1의 III-III' 선을 따른 단면도이다. 도 2 및 도 3에서는 광학 장치(100)의 일부 구성이 생략되어 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 광학 장치(100)는 광 도파로(optical waveguide)(120), 그레이팅 패턴(130) 및 광학 파이버(160)를 포함할 수 있다.
광 도파로(120)는 기판(110) 상에 배치되며, 기판(110)의 상면에 평행한 제1 방향(예를 들어, 도 1의 X 방향)을 따라 연장될 수 있다. 광 도파로(120)는 가이딩부(122) 및 테이퍼부(124)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판, 저머늄 기판, 또는 SiC (silicon carbide), GaAs (gallium arsenide) 기판, InAs (indium arsenide) 기판, 및 InP (indium phosphide) 기판과 같은 화합물 반도체 기판일 수 있다. 또한, 기판(110)은 SOI(silicon-on-insulator) 구조를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판(110)은 SOI 기판일 수 있고, 도 1에 예시적으로 도시된 것과 같이 기판(110)은 베이스 기판(112), 매립 절연층(buried oxide layer)(114) 및 반도체층(116)을 포함할 수 있다. 매립 절연층(114)은 수십 나노미터 내지 수십 마이크로미터 두께로 형성될 수 있고, 매립 절연층(114)을 사이에 두고 반도체층(116)이 베이스 기판(112) 상에 소정의 두께로 형성될 수 있다. 반도체층(116)은 매립 절연층(114)에 의해 베이스 기판(112)으로부터 전기적으로 고립(isolate)될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 기판(110)은 벌크 실리콘 기판(112)일 수 있고, 실리콘 기판(112)의 일부분 상에 매립된 매립 절연층(114) 및 매립 절연층(114) 상에 배치되는 반도체층(116)을 포함할 수도 있다. 이러한 경우에, 광 도파로(120)는 반도체층(116) 상에서 반도체층(116)의 상면에 평행한 일 방향을 따라 연장될 수 있다.
가이딩부(122)는 광 신호가 전송될 수 있는 광 채널일 수 있다. 가이딩부(122)는 기판(110) 상에 배치되는 회로 내부에서 전송되는 광 신호를 전달하거나, 회로 외부에서 입사된 광 신호를 전달할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 가이딩부(122)는 코어층 및 상기 코어층 상하부에 배치되는 상부 클래딩층 및 하부 클래딩층을 포함할 수 있다. 상기 코어층은 상하부 클래딩층에 의해 둘러싸인 단면 구조를 가지며, 내부 전반사(total internal reflection) 원리에 의해 광파(lightwave)가 외부로 방사(radiate)하지 않고 구속된 상태로 진행할 수 있다. 상하부 클래딩층들은 상대적으로 굴절율이 낮은 유전체 물질을 포함할 수 있고, 코어층은 상대적으로 굴절율이 높은 유전체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코어층은 실리콘을 포함할 수 있고, 상기 상하부 클래딩층들은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 에어(air)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예들에 있어서, 가이딩부(122) 아래에 위치하는 매립 절연층(114) 부분이 하부 클래딩층으로 작용하고, 가이딩부(122) 상의 에어층이 상부 클래딩층으로 작용할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 실리콘 산화물을 포함하며 가이딩부(122)를 커버하는 상부 절연층(미도시)이 더 형성되어, 상기 상부 절연층이 상부 클래딩층으로 작용할 수도 있다.
테이퍼부(124)는 기판(110) 상에서 가이딩부(122) 일단으로부터 제1 방향(예를 들어, 도 1의 X 방향)으로 연장될 수 있다. 테이퍼부(124)는 가이딩부(122)로부터 전달된 광 신호를 그레이팅 패턴(130)을 통해 광학 파이버(160)로 전달하거나, 광학 파이버(160)로부터 그레이팅 패턴(130)에 전달된 광 신호를 가이딩부(122) 내부로 전달하기 위한 중간 영역일 수 있다. 특히, 테이퍼부(124)는 그레이팅 패턴(130)으로부터의 광을 가이드하고 포커싱하여 가이딩부(122)로 전달하거나, 가이딩부(122)로부터의 광을 그레이팅 패턴(130)으로 가이드하고 전달할 수 있다.
테이퍼부(124)는 가이딩부(122)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장하며, 가이딩부(122)의 연장 방향에 수직한 제2 방향(예를 들어, 도 2의 Y 방향)을 따른 폭이 점진적으로 증가하는(또는 일정한 비율로 증가하는) 형상을 가질 수 있다. 테이퍼부(124)는 측벽(124S)을 구비할 수 있고, 측벽(124S)은 원형 경로(circular path)에 의해 정의되는 곡률(curvature)을 갖는 곡면화된(curved) 측벽일 수 있다. 테이퍼부(124)의 측벽(124S)은 테이퍼부(124) 내부에 위치하는 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수 있으며, 이에 따라 테이퍼부(124)의 측벽(124S)에서 주로 발생하는 배면 반사를 감소시킬 수 있다. 한편, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)에 의한 배면 반사의 감소와 관련하여 이후에 상세히 설명하도록 한다.
그레이팅 패턴(130)은 테이퍼부(124)의 일측 상에 배치될 수 있다. 그레이팅 패턴(130)은 그레이팅 패턴(130) 상부에 놓여지는 광학 파이버(160)로부터 수신되는 광을 광 도파로(120) 내로 전달하기 위한 광 커플링 영역일 수 있다.
그레이팅 패턴(130)은 제1 방향(또는 도 1의 X 방향)을 따라 교대로 배열되는 복수의 저굴절율부(140) 및 복수의 고굴절율부(150)를 포함할 수 있다. 복수의 저굴절율부(140)는 테이퍼부(124)와 인접한 위치로부터 순서대로 배열되는 제1 저굴절율부(141), 제2 저굴절율부(142), 제3 저굴절율부(143) 및 제4 저굴절율부(144)를 포함할 수 있다. 복수의 고굴절율부(150)는 테이퍼부(124)와 인접한 위치로부터 순서대로 배열되는 제1 고굴절율부(151), 제2 고굴절율부(152), 제3 고굴절율부(153) 및 제4 고굴절율부(154)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 테이퍼부(124)의 일측 상에 제1 저굴절율부(141)가 배치되고, 테이퍼부(124)와의 사이에 제1 저굴절율부(141)가 위치하도록 제1 고굴절율부(151)가 제1 저굴절율부(141)의 일측 상에 배치될 수 있다. 또한, 제1 저굴절율부(141)와의 사이에 제1 고굴절율부(151)가 위치하도록 제2 저굴절율부(142)가 제1 고굴절율부(151)의 일측 상에 배치될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 3에는 도시의 편의를 위하여 복수의 저굴절율부(140) 및 복수의 고굴절율부(150)가 각각 제1 내지 제4 저굴절율부(141, 142, 143, 144) 및 제1 내지 제4 고굴절율부(151, 152, 153, 154)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 복수의 저굴절율부(140) 및 복수의 고굴절율부(150) 각각의 개수들은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 저굴절율부(140) 및 복수의 고굴절율부(150) 각각의 개수들은 광학 파이버(160)의 크기, 테이퍼부(124)의 사이즈, 광 신호의 파장, 광 신호의 선폭, 요구되는 광 커플링 효율 값 등에 따라 달라질 수 있다.
복수의 저굴절율부(140)는 제1 굴절율을 가지며, 복수의 고굴절율부(150)는 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 복수의 고굴절율부(150)는 실리콘을 포함할 수 있고, 복수의 저굴절율부(140)는 실리콘 산화물(SiOx)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘의 굴절율은 약 3.4434일 수 있고, 실리콘 이산화물(SiO2)의 굴절율은 1.4310일 수 있다. 그러나, 복수의 저굴절율부(140) 및 복수의 고굴절율부(150)의 물질 및 굴절율이 이에 한정되는 것은 아니다.
그레이팅 패턴(130)에 포함되는 복수의 저굴절율부(140) 및 복수의 고굴절율부(150)는 제1 방향을 따라 일정한 제1 주기(P1) 및 제1 폭(W1)을 가지며 배열될 수 있다. 여기서, 복수의 고굴절율부(150) 중 하나의 고굴절율부(150)의 제1 방향을 따른 폭을 그레이팅 패턴(130)의 제1 폭(W1)으로 지칭할 수 있다. 또한, 복수의 저굴절율부(140) 중 하나의 저굴절율부(141)의 제1 방향을 따른 폭과, 복수의 고굴절율부(150) 중 이에 인접한 하나의 고굴절율부(151)의 제1 방향을 따른 폭의 합을 그레이팅 패턴(130)의 제1 주기(P1)로 지칭할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 그레이팅 패턴(130)의 제1 주기(P1)는 약 20 내지 500 nm일 수 있고, 그레이팅 패턴(130)의 제1 폭(W1)은 약 10 내지 300 nm일 수 있다. 그러나, 그레이팅 패턴(130)의 제1 주기(P1) 및 제1 폭(W1)이 이에 한정되는 것은 아니며, 그레이팅 패턴(130)의 제1 주기(P1) 및 제1 폭(W1)은 입사되는 광의 폭(w), 파수 벡터(k-vector) 등에 의해 달라질 수 있다.
광학 파이버(160)로부터 광 도파로(120) 내부로의 광 커플링 효율(다시 말하여, 광학 파이버(160)로부터 수신되는 광 신호의 총 양 또는 강도(intensity)에 대한 가이딩부(122) 내로 구속되는 광 신호의 양 또는 강도의 비율)을 증가시키도록 복수의 저굴절율부(140) 및 복수의 고굴절율부(150)의 물질들, 또는 이들의 굴절율들, 그레이팅 패턴(130)의 주기(P1) 및 폭(W1)이 적절하게 조절될 수 있다. 이하에서는 도 4를 참조로 그레이팅 패턴(130)에서 발생하는 광 커플링의 원리를 개략적으로 설명하도록 한다.
도 4는 그레이팅 패턴(130)을 통한 광 커플링 원리를 나타내는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 우선, 입사광이 높은 광 커플링 효율로 그레이팅 커플러에 광 결합하기 위해서는 그 위상이 일치하여야 한다. 그러한 위상 매칭 조건은 아래의 수학식 1과 같이 나타난다.
Figure 112015091242794-pat00001
여기서, λ는 입사광의 중심 파장이고, Λ는 그레이팅 패턴의 주기이며, n0는 실리콘을 둘러싸고 있는 물질, 즉 에어(air)의 굴절율이며, nw는 그레이팅 패턴의 유효 굴절율이다. 그레이팅 패턴의 유효 굴절율(nw)은 복수의 저굴절율부(140) 및 복수의 고굴절율부(150)의 각각의 폭에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 유효 굴절율(nw)은 그레이팅 패턴 내에서 실리콘과 에어가 차지하는 비율(예를 들어 실리콘 및 에어 각각의 부피의 비율 또는 실리콘 및 에어 각각의 폭의 비율)에 의해 달라질 수 있고, 유효 굴절율(nw)은 n0와 Si 굴절률(n=3.48) 사이의 값을 가질 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 복수의 고굴절율부(150) 각각은 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO)을 구비할 수 있다. 여기서 복수의 고굴절율부(150)의 양 측벽 중 테이퍼부(124)와의 거리가 더 가까운 측벽을 내측벽(150SI)으로, 테이퍼부(124)와의 거리가 더 먼 측벽을 외측벽(150SO)으로 지칭할 수 있다. 복수의 고굴절율부(150) 각각의 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO)은 원형 경로에 의해 정의되는 곡률을 갖는 곡면화된 측벽일 수 있다. 따라서, 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO)에 의해 반사 또는 회절되는 광은 하나의 지점에 집중될 수 있고, 상기 하나의 지점을 제1 초점 위치(FP1)라고 지칭할 수 있다. 복수의 고굴절율부(150) 각각의 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO)은 동일한 제1 초점 위치(FP1)를 가질 수 있다. 즉, 복수의 고굴절율부(150) 각각의 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO)은 제1 초점 위치(FP1)를 원의 중심으로 하는 복수의 동심원들의 원주(outer circumference)의 일부분들일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 초점 위치(FP1)는 가이딩부(122)와 테이퍼부(124) 사이의 계면 상에 위치할 수 있다. 또한, 제1 초점 위치(FP1)는 가이딩부(122)의 연장 방향을 따라 연장되는 가이딩부(122)의 중심선의 연장선(CL) 상에 위치할 수 있다. 전술한 바와 같이, 복수의 고굴절율부(150) 각각의 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO) 상에서 반사 또는 회절되는 광은 제1 초점 위치(FP1)에 집중될 수 있고, 제1 초점 위치(FP1)가 가이딩부(122)의 중심선의 연장선(CL) 상에서 가이딩부(122)와 테이퍼부(124) 사이의 계면 상에 위치함에 따라, 그레이팅 패턴(130)의 광 커플링 효율이 증가될 수 있다.
복수의 고굴절율부(150) 각각의 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO)이 제1 초점 위치(FP1)를 갖는 반면, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)은 제1 초점 위치(FP1)와 다른 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수 있다. 제2 초점 위치(FP2)는 가이딩부(122)의 중심선의 연장선(CL) 상에서, 테이퍼부(124) 내부에 위치할 수 있다. 즉, 광학 파이버(160)로부터 수신된 광 신호 중 테이퍼부(124)의 측벽(124S)과 만나는 광 신호는 가이딩부(122)와 테이퍼부(124)가 접하는 계면에 집중되는 대신, 테이퍼부(124) 내부의 지점에 포커싱될 수 있다. 이에 따라, 광 커플링 효율이 다소 감소되기는 하지만, 광 도파로(120) 및 그레이팅 패턴(130)의 계면에서의 급격한 굴절율 차이에 기인하는 배면 반사가 상당히 감소될 수 있다.
구체적으로, 테이퍼부(124)의 측벽(124S), 복수의 고굴절율부(150) 각각의 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO)이 모두 제1 초점 위치(FP1)를 가지며, 제1 초점 위치(FP1)가 가이딩부(122)의 말단, 또는 가이딩부(122)의 출구 표면(exit surface)에 놓여진다면 테이퍼부(124)와 복수의 저굴절율부(140) 사이의 계면에서의 큰 굴절율 차이, 또는 가이딩부(122)와 외부(즉, 공기) 사이의 상대적으로 큰 굴절율 차이에 의하여 배면 반사가 발생할 수 있다. 특히, 단일 모드의 레이저 소스와 같은 광원에 의한 광 신호가 광 도파로(120)로부터 전송될 때, 상기 단일 모드의 레이저 소스는 테이퍼부(124)과 그레이팅 패턴(130) 사이의 계면에서 큰 굴절율 차이에 의하여 배면 반사가 발생하기 쉽다. 테이퍼부(124)의 측벽(124S)이 제1 초점 위치(FP1)를 가지는 경우, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)과 그레이팅 패턴(130) 사이의 계면에서 반사된 광이 제1 초점 위치(FP1), 즉 가이딩부(122)의 말단에 포커싱될 수 있으므로, 상기 반사된 광은 전송 방향과 반대 방향으로 전달될 수 있다. 만약, 배면 반사된 광의 양이 큰 경우, 광원, 예를 들어 반도체 다이오드 형태의 레이저 소스에 손상이 가해질 수 있다. 특히, 큰 반사광에 의해 상기 광원의 출력 파워가 감소하거나, 수명이 감소할 수 있다. 따라서, 가이딩부(122) 내부로 배면 반사된 광의 양이 클수록 광원의 안정성이 저하될 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 것과 같이 테이퍼부(124)의 측벽(124S)이 제2 초점 위치(FP2)를 가지며, 제2 초점 위치(FP2)는 테이퍼부(124) 내에 위치하므로, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)과 그레이팅 패턴(130) 사이의 계면에서 반사된 광은 테이퍼부(124) 내부에 포커싱된다. 따라서, 가이딩부(122) 내부로 배면 반사되는 광의 양이 현저히 감소될 수 있다. 이러한 효과는 제1 초점 위치(FP1)와 제2 초점 위치(FP2) 사이의 제1 거리(D1)에 따른 광 커플링 효율과 배면 반사를 측정한 시뮬레이션 결과에서도 확인될 수 있다. 상기 시뮬레이션 결과는 이후에 도 13을 참조로 다시 설명하도록 한다.
아래에서는, 도 5를 참조로 테이퍼부(124) 내에서의 제1 및 제2 초점 위치(FP1, FP2)의 상대적인 배치에 대하여 설명하도록 한다.
도 5과 도 2를 함께 참조하면, 제1 초점 위치(FP1)와 제2 초점 위치(FP2)는 모두 가이딩부(122) 중심선의 연장선(CL) 상에 위치할 수 있다. 제1 초점 위치(FP1)와 제2 초점 위치(FP2)는 가이딩부(122)의 연장 방향, 즉 제1 방향을 따라 제1 거리(D1)로 이격되어 배치될 수 있다. 테이퍼부(124)는 제1 방향을 따라 제1 길이(R1)을 가질 수 있고, 중심각이 2δ인 부채꼴 형상을 가질 수 있다. 도 5에는 테이퍼부(124)의 측벽이 제1 초점 위치(FP1)를 중심으로 하는 원의 원주의 일부분인 경우에서의 상기 측벽을 기준 측벽(124R)으로 지칭하며, 기준 측벽(124R)의 아웃라인을 점선으로 표시하였다. 기준 측벽(124R)은 반지름(124r1, 124r2)의 크기가 제1 길이(R1)이고, 중심각의 크기가 2δ인 부채꼴에서의 원호(arc)에 대응될 수 있다.
테이퍼부(124)의 측벽(124S)은 테이퍼부(124) 내부에 위치하는 제2 초점 위치(FP2)를 중심으로 하는 원의 원주의 일부분일 수 있다. 측벽(124S)은 반지름이 제1 길이(R1)보다 작은 제2 길이(R2)이며, 중심각이 2δ보다 큰 2δ(OC)인 부채꼴에서의 원호에 대응될 수 있다. 측벽(124S)의 곡률반경이 제2 길이(R2)이며, 이는 기준 측벽(124R)의 곡률반경인 제1 길이(R1)보다 작다. 따라서, 두 개의 반지름(124r1, 124r2) 및 기준 측벽(124R)에 의해 한정되는 부채꼴의 면적에 비하여, 두 개의 반지름(124r1, 124r2) 및 측벽(124S)에 의해 한정되는 부채꼴의 면적이 작을 수 있다. 즉, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)의 곡률반경이 작아질수록 테이퍼부(124)의 면적이 감소될 수 있다. 테이퍼부(124)의 면적이 감소될수록 광 커플링 효율이 감소될 수 있으므로, 측벽(124S)이 이루는 부채꼴에서의 중심각(2δ(OC))은 90˚를 초과하지 않는 것이 유리할 수 있다.
도 5에는 측벽(124S)이 이루는 부채꼴에서의 중심각(2δ(OC))이 90˚인 경우의 테이퍼부(124)의 레이아웃을 개략적으로 표시하였다. 여기서, 아래의 수학식 2와 같이, 제1 초점 위치(FP1)와 제2 초점 위치(FP2) 사이의 제1 거리(D1)는 제1 길이(R1)와 제2 길이(R2)의 차이일 수 있다.
Figure 112015091242794-pat00002
측벽(124S)이 이루는 부채꼴에서의 중심각(2δ(OC))이 90도인 조건에서는 아래의 수학식 3의 관계식이 성립한다.
Figure 112015091242794-pat00003
수학식 3으로부터 R1에 대한 R2의 비율을 계산하면 아래의 수학식 4가 도출될 수 있다.
Figure 112015091242794-pat00004
즉, R1에 대한 R2의 비율은 기준 측벽(124R)이 이루는 부채꼴에서의 중심각(2δ)에 따라 달라질 수 있다.
아래의 표 1에는 테이퍼부(124) 중심각(2δ)의 크기에 따른 제1 길이(R1)에 대한 제2 길이(R2)의 비율(즉, R2/R1) 및 제1 길이(R1)에 대한 제1 거리(D1)의 비율(즉, D1/R1)을 기재하였다.
2δ (degree) R2/R1 D1/R1
90˚ 1 0
60˚ 0.658 0.442
45˚ 0.5 0.5
40˚ 0.447 0.553
30˚ 0.341 0.659
20˚ 0.232 0.768
10˚ 0.119 0.881
예시적인 실시예들에 있어서, 테이퍼부(124)의 중심각(2δ)의 크기는 광학 파이버(160)의 사이즈, 테이퍼부(124)의 사이즈, 광 중심 파장, 광 선폭, 요구되는 광 커플링 효율 값 등을 고려하여 달라질 수 있다. 예를 들어, 테이퍼부(124)의 중심각(2δ)의 크기는 약 10˚ 내지 약 60˚일 수 있으나, 테이퍼부(124)의 중심각(2δ)의 크기가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 초점 위치(FP1)와 제2 초점 위치(FP2) 사이의 제1 거리(D1)는 제1 길이(R1)의 90% 이내일 수 있다. 예를 들어, 제1 초점 위치(FP1)와 제2 초점 위치(FP2) 사이의 제1 거리(D1)는 제1 길이(R1)의 80% 이내일 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 초점 위치(FP1)와 제2 초점 위치(FP2) 사이의 제1 거리(D1)가 너무 크면, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)의 곡률반경이 너무 작아질 수 있고, 이에 따른 테이퍼부(124)의 면적 감소로 광 커플링 효율이 저하될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)은 기판(110)의 상면에 수직한 제3 방향(예를 들어, 도 3의 Z 방향)을 따라 제1 높이(H1)를 가질 수 있고, 복수의 고굴절율부(150)는 내측벽(150SI) 또는 외측벽(150SO)은 제3 방향을 따라 제2 높이(H2)를 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 제2 높이(H2)는 제1 높이(H1)와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 다시 말하면, 복수의 고굴절율부(150)의 상면 레벨(LV2)은 테이퍼부(124)의 상면 레벨(LV1)과 실질적으로 동일할 수 있다. 이는 광학 장치(100)를 형성하기 위한 예시적인 공정에서, 소정의 높이를 갖는 반도체층(116)을 식각 마스크를 사용하여 식각함으로써, 테이퍼부(124)의 측벽(124S) 및 복수의 고굴절율부(150)의 내측벽(150SI)과 외측벽(150SO)을 동시에 형성하기 때문일 수 있다. 구체적으로, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)이 테이퍼부(124) 내에 위치하는 제2 초점 위치(FP2)를 가짐에 따라 전달될 광의 배면 반사가 현저히 감소될 수 있다. 따라서, 그레이팅 패턴 부분의 상면 레벨을 테이퍼부의 상면 레벨보다 높게 형성함으로써 배면 반사를 방지하기 위하여 복수의 식각 공정을 수행하거나, 또는 식각 공정 이후에 뒤따르는 그레이팅 패턴 부분의 재성장을 위한 공정을 수행할 필요가 없다.
상기 광학 장치(100)에 따르면, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)의 제2 초점 위치(FP2)가 복수의 고굴절율부(150)의 제1 초점 위치(FP1)와 다르게 위치할 수 있고, 이에 따라 광 커플링 효율이 미미하게 감소하는 반면 전달될 광의 배면 반사가 현저하게 감소될 수 있다. 따라서, 상기 광학 장치(100)의 안정성이 향상될 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치(100A)를 나타내는 평면도이고, 도 7은 상기 광학 장치(100A)를 나타내는 단면도이다. 도 7은 도 1의 III-III'에 따른 단면에 대응하는 단면도일 수 있다. 도 6 및 도 7에 있어서, 도 1 내지 도 3에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 여기서는 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다. 도 6 및 도 7을 참조로 설명하는 광학 장치(100A)는 복수의 저굴절율부(140A)의 구성을 제외하면 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 광학 장치(100)와 유사하므로, 전술한 차이점을 위주로 설명한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 광학 장치(100A)는 테이퍼부(124) 일측 상에 제1 방향을 따라 교대로 배열된 복수의 저굴절율부(140A) 및 복수의 고굴절율부(150)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 복수의 고굴절율부(150)는 실리콘을 포함할 수 있고, 복수의 저굴절율부(140A)는 에어(air)를 포함할 수 있다. 에어의 굴절율은 1.000293일 수 있다. 예를 들어, 실리콘의 굴절율은 약 3.4434이고 에어의 굴절율은 1.000293이므로, 실리콘과 에어의 굴절율 차이가 상대적으로 클 수 있다. 따라서, 복수의 저굴절율부(140A) 및 복수의 고굴절율부(150)를 포함하는 그레이팅 패턴(130A)은 상대적으로 높은 굴절율 차이를 갖는 그레이팅 패턴일 수 있고, 이러한 그레이팅 패턴(130A)은 HCG(high index contrast grating)로도 지칭될 수 있다.
광학 장치(100A)를 형성하기 위한 예시적인 공정에서, 소정의 높이를 갖는 반도체층(116)을 식각 마스크를 사용하여 식각함으로써, 테이퍼부(124) 및 복수의 고굴절율부(150)를 형성할 수 있다. 상기 식각 공정 이후에 잔류하는 반도체층(116) 부분은 테이퍼부(124) 및 복수의 고굴절율부(150)가 될 수 있다. 또한, 상기 식각 공정에 의해 반도체층(116)이 제거된 부분이 복수의 저굴절율부(140A)가 될 수 있다. 구체적으로, 복수의 저굴절율부(140A) 각각은 복수의 고굴절율부(150) 중 하나의 내측벽(150SI)과, 이에 마주보는 인접한 고굴절율부(150)의 외측벽(150SO) 사이의 공간으로 정의될 수 있다. 또한, 복수의 저굴절율부(140A) 중 테이퍼부(124)에 가장 인접한 제1 저굴절율부(141A)는 테이퍼부(124)의 측벽(124S)과 제1 고굴절율부(151)의 내측벽(150SI) 사이의 공간으로 정의될 수 있다.
상기 광학 장치(100A)에 따르면, 복수의 저굴절율부(140A)가 에어를 포함하여 복수의 저굴절율부(140A) 및 복수의 고굴절율부(150) 사이의 굴절율 차이가 더욱 커질 수 있고, 이에 따라 향상된 광 커플링 효율을 가질 수 있다. 또한, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)의 제2 초점 위치(FP2)가 복수의 고굴절율부(150)의 제1 초점 위치(FP1)와 다르게 위치할 수 있고, 이에 따라 광 커플링 효율이 미미하게 감소하는 반면 전달될 광의 배면 반사가 현저하게 감소될 수 있다. 따라서, 상기 광학 장치(100A)의 안정성이 향상될 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치(100B)를 나타내는 평면도이고, 도 9는 도 8의 IX 부분의 확대도이다. 도 8 및 도 9에 있어서, 도 1 내지 도 7에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 여기서는 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 그레이팅 패턴(130B)은 복수의 저굴절율부(140B) 및 복수의 고굴절율부(150B)를 포함할 수 있다. 복수의 고굴절율부(150B)의 내측벽(150SI) 및 외측벽(150SO)은 제1 초점 위치(FP1)를 가질 수 있고, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)은 제1 초점 위치(FP1)와는 다른 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수 있다. 복수의 고굴절율부(150B) 중 테이퍼부(124)에 가장 가깝게 배치되는 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)은 제1 초점 위치(FP1)와는 다른 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수 있다. 제2 초점 위치(FP2)는 제1 방향(도 8의 X 방향)을 따른 가이딩부(122)의 중심선의 연장선 상에 배치될 수 있고, 테이퍼부(124) 내부에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 복수의 고굴절율부(150B) 중 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)은 제2 초점 위치(FP2)를 중심으로 하는 원의 원주의 일부분일 수 있다. 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)은 나머지 고굴절율부(150B)의 측벽들(150SI, 150SO)의 곡률반경(즉, R1)(도 5 참조)보다 작은 곡률반경(CR2)을 가질 수 있다. 도 9에는 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)이 제1 초점 위치(FP1)를 중심으로 하는 원의 원주의 일부분인 경우에서의 상기 측벽을 기준 내측벽(151SR)로 지칭하며, 기준 내측벽(151SR)의 아웃라인을 점선으로 표시하였다. 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)은 기준 내측벽(151SR)보다 테이퍼부(124)에 더욱 가깝게 배치될 수 있다.
한편, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)이 제2 초점 위치(FP2)를 중심으로 하는 원의 원주의 일부분일 수 있고, 이때 테이퍼부(124)의 측벽(124S)의 곡률반경(CR1)은 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)의 곡률반경(CR2)보다 작을 수 있다. 테이퍼부(124)의 측벽(124S)과 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)은 동일한 중심을 갖는 원주들의 일부분들일 수 있다.
상기 광학 장치(100B)에 따르면, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)이 제2 초점 위치(FP2)를 가지며, 복수의 고굴절율부(150B) 중 테이퍼부(124)에 가장 가깝게 배치되는 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)이 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수 있다. 제2 초점 위치(FP2)는 복수의 고굴절율부(150) 중 나머지 고굴절율부(150)의 측벽들(150SI, 150SO)의 제1 초점 위치(FP1)와 다르게 위치할 수 있다. 이에 따라 광 커플링 효율이 미미하게 감소하는 반면 전달될 광의 배면 반사가 현저하게 감소될 수 있다. 따라서, 상기 광학 장치(100B)의 안정성이 향상될 수 있다.
한편, 도 8에서는 테이퍼부(124)의 측벽(124S)과, 복수의 고굴절율부(150B) 중 테이퍼부(124)에 가장 가깝게 배치되는 제1 고굴절율부(151B)의 내측벽(151SI)이 제2 초점 위치(FP2)를 가지는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 8에 예시적으로 도시된 것과는 달리, 복수의 고굴절율부(150B) 중 테이퍼부(124)에 가장 가깝게 배치되는 제1 고굴절율부(151B)의 외측벽(151SO)이 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수도 있다. 이와는 달리, 테이퍼부(124)에 두번째로 가깝게 배치되는 제1 고굴절율부(152)의 내측벽(150SI) 또는 외측벽(151SO)이 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수도 있다.
또한, 도 8에서는 복수의 고굴절율부(150B)의 측벽들(150SI, 150SO) 중 하나의 내측벽(151SI)만이 제2 초점 위치(FP2)를 가지는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 8에 예시적으로 도시된 것과는 달리, 복수의 고굴절율부(150B)의 측벽들(150SI, 150SO) 중 적어도 하나의 내측벽(150SI)과 적어도 하나의 외측벽(150SI)이 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수도 있다. 이와는 달리, 복수의 고굴절율부(150B)의 측벽들(150SI, 150SO) 중 두 개 이상의 하나의 내측벽(150SI), 또는 두 개 이상의 외측벽(150SI)이 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수도 있다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치(100C)를 나타내는 평면도이다. 도 10에 있어서, 도 1 내지 도 9에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 여기서는 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 10을 참조하면, 그레이팅 패턴(130C)은 복수의 저굴절율부(140C) 및 복수의 고굴절율부(150C)를 포함할 수 있다. 광 도파로(120C)는 테이퍼부(124C)를 포함하며, 테이퍼부(124C)의 측벽(124S)은 제2 초점 위치(FP2A)를 가질 수 있다. 제2 초점 위치(FP2A)는 가이딩부(122) 내부에 위치할 수 있다. 또한, 제2 초점 위치(FP2A)는 제1 방향을 따른 가이딩부(122)의 중심선의 연장선 상에 위치할 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 초점 위치(FP2A)는 가이딩부(122)와 테이퍼부(124C)의 계면 상에 위치하는 제1 초점 위치(FP1)와 제1 거리(D1A)로 이격될 수 있다. 따라서, 테이퍼부(124C)의 측벽(124S)은 제2 초점 위치(FP2A를 중심으로 하는 원의 원주의 일부분일 수 있고, 테이퍼부(124C)의 측벽(124S)의 곡률반경은 제1 방향을 따른 테이퍼부(124C)의 길이(R1)(도 5 참조)와 제1 거리(D1A)의 합일 수 있다. 테이퍼부(124C)의 측벽(124S)의 상기 곡률반경은 기준 측벽(124R)의 곡률반경(즉, R1)보다 클 수 있고, 테이퍼부(124C)의 측벽(124S)은 기준 측벽(124R)보다 가이딩부(122)로부터 더 멀리 배치될 수 있다. 따라서, 테이퍼부(124C)는 상대적으로 더 큰 면적을 가질 수 있다.
상기 광학 장치(100C)에 따르면, 테이퍼부(124C)의 측벽(124S)이 제2 초점 위치(FP2A)를 가지며, 제2 초점 위치(FP2A)는 가이딩부(122) 내부에 위치할 수 있다. 이에 따라 광 커플링 효율이 미미하게 감소하는 반면 전달될 광의 배면 반사가 현저하게 감소될 수 있다. 따라서, 상기 광학 장치(100C)의 안정성이 향상될 수 있다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치(100D)를 나타내는 평면도이다. 도 11에 있어서, 도 1 내지 도 10에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 여기서는 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 11을 참조하면, 테이퍼부(124)의 측벽(124S)은 제2 초점 위치(FP2)를 가지며, 복수의 고굴절율부(150D) 중 테이퍼부(124)에 가장 가깝게 배치되는 고굴절율부(151D)의 내측벽(151SI)은 제2 초점 위치(FP2)와는 다른 제3 초점 위치(FP3)를 가질 수 있다. 제2 및 제3 초점 위치(FP2, FP3)는 제1 초점 위치(FP1)와는 다르게 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 초점 위치(FP1)는 가이딩부(122)와 테이퍼부(124)의 계면 상에 위치하며, 제2 및 제3 초점 위치(FP2, FP3)는 테이퍼부(124) 내부에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 초점 위치(FP2)는 제1 초점 위치(FP1)로부터 제1 거리(D1B)로 이격되어 위치할 수 있고, 제3 초점 위치(FP3)는 제1 초점 위치(FP1)로부터 제2 거리(D2)로 이격되어 위치할 수 있다. 도 11에는 제2 거리(D2)가 제1 거리(D1B)보다 작은 것이 예시적으로 도시되었다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 11에 도시된 것과 달리 제2 거리(D2)가 제1 거리(D1B)보다 클 수도 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 거리(D2)는 제1 방향을 따른 테이퍼부(124)의 길이(R1)(도 5 참조)의 80%보다 작을 수 있다. 또한, 제1 거리(D1A) 역시 제1 방향을 따른 테이퍼부(124)의 길이(R1)의 80%보다 작을 수 있다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치(100E)를 나타내는 평면도이다. 도 12에 있어서, 도 1 내지 도 11에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 여기서는 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 12를 참조하면, 테이퍼부(124A)의 측벽(124S)은 제2 초점 위치(FP2A)를 가지며, 복수의 고굴절율부(150E) 중 테이퍼부(124)에 가장 가깝게 배치되는 고굴절율부(151E)의 내측벽(151SI)은 제2 초점 위치(FP2A)와는 다른 제3 초점 위치(FP3A)를 가질 수 있다. 제2 및 제3 초점 위치(FP2A, FP3A)는 제1 초점 위치(FP1)와는 다르게 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 초점 위치(FP1)는 가이딩부(122)와 테이퍼부(124)의 계면 상에 위치하며, 제2 초점 위치(FP2A)는 가이딩부(122) 내에 위치하고, 제3 초점 위치(FP3A)는 테이퍼부(124A) 내부에 위치할 수 있다. 그러나, 이와는 달리, 제2 초점 위치(FP2A)가 테이퍼부(124A) 내부에 위치하고, 제3 초점 위치(FP3A)가 가이딩부(122) 내에 위치할 수 있다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치(100F)를 나타내는 평면도이다. 도 13에 있어서, 도 1 내지 도 11에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 여기서는 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면, 테이퍼부(124F)의 측벽(124S)은 제1 초점 위치(FP1)를 가질 수 있고, 복수의 고굴절율부(150F) 중 테이퍼부(124F)에 가장 가깝게 배치되는 고굴절율부(151F)의 내측벽(151SI)은 제2 초점 위치(FP2)를 가질 수 있다. 복수의 고굴절율부(150F) 중 나머지 고굴절율부(150F)의 측벽들(150SI, 150SO)은 제1 초점 위치(FP1)를 가질 수 있다. 제1 초점 위치(FP1)는 가이딩부(122) 및 테이퍼부(124F)의 계면 상에 위치할 수 있고, 제1 방향을 따른 가이딩부(122)의 중심선 상에 위치할 수 있다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치(100G)를 나타내는 단면도이다. 도 14는 도 1의 III-III'에 따른 단면에 대응하는 단면도일 수 있다. 도 14에 있어서, 도 1 내지 도 11에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 여기서는 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 14를 참조하면, 광 도파로(120G)의 상면 레벨(LV1A)은 그레이팅 패턴(130G)의 상면 레벨(LV2A)보다 낮을 수 있다. 복수의 저굴절율부(140G) 중 테이퍼부(124G)와 가장 인접한 저굴절율부(140G)의 하측 측벽(lower sidewall)이 테이퍼부(124G)의 측벽(124S)과 접촉할 수 있다. 테이퍼부(124G)의 측벽(124S)은 제1 높이(H1A)를 가지며, 복수의 고굴절율부(150G)의 내측벽(150SI) 또는 외측벽(150SO)은 제1 높이(H1A)보다 큰 제2 높이(H2A)를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 테이퍼부(124G)의 제1 높이(H1A)는 약 20 내지 200 nm일 수 있고, 복수의 고굴절율부(150G)의 제2 높이(H2A)는 약 20 내지 400 nm일 수 있다. 그러나, 제1 높이(H1A) 및 제2 높이(H2A)가 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 13에 도시되지는 않았지만, 광 도파로(120G)와 그레이팅 패턴(130G)은 도 1 내지 도 12를 참조로 설명한 광학 장치(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F)의 레이아웃을 가질 수 있다. 즉, 테이퍼부(124G), 또는 복수의 고굴절율부(150) 중 적어도 하나의 내측벽(150SI) 또는 외측벽(150SO)은 제1 초점 위치(FP1)(도 1 참조)와는 다른 제2 초점 위치(FP2)(도 1 참조)를 가질 수 있다. 또한, 복수의 고굴절율부(150) 중 적어도 하나의 내측벽(150SI) 또는 외측벽(150SO)은 제2 초점 위치(FP2)와는 다른 제3 초점 위치(FP3)(도 11 참조)를 가질 수 있다.
광 도파로(120G)와 그레이팅 패턴(130G) 상에는 보호층(170)이 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 보호층(170)은 실리콘 산화물(SiOx)을 포함할 수 있다. 보호층(170)은 복수의 저굴절율부(140G)와 일체로 형성될 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 13에 예시적으로 도시된 것과 같이, 보호층(170)이 그레이팅 패턴(130G) 전체를 커버할 수 있고, 그레이팅 패턴(130G) 상부에 광학 파이버(160)가 오정렬될 때 광학 파이버(160)의 물리적 접촉에 의한 그레이팅 패턴(130G)의 손상을 방지할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 보호층(170)은 에어를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 광 도파로(120G)의 상면과 복수의 고굴절율부(150G)의 측벽들(150SI, 150SO)이 공기 중에 노출될 수 있다.
도 13에 예시적으로 도시된 것과 같이, 테이퍼부(124G)의 제1 높이(H1A)가 복수의 고굴절율부(150G)의 제2 높이(H2A)보다 작게 형성됨에 따라, 광 도파로(120G)로부터 그레이팅 패턴(130G)으로 광 신호가 전달될 때 테이퍼부(124G)과 그레이팅 패턴(130G) 사이의 계면에서 상대적으로 작은 치수 변화 및 상대적으로 작은 굴절율 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 광 도파로(120G) 및 그레이팅 패턴(130G) 사이에서 발생하는 배면 반사가 감소될 수 있고, 또한 급격한 모드 미스매치에 의한 광 손실이 감소될 수 있다.
광학 장치(100G)를 형성하기 위한 예시적인 공정에서, 제1 상면 레벨(LV1A)를 갖는 반도체층(116)을 식각 마스크(미도시)를 사용하여 식각함으로써 테이퍼부(124G)의 측벽(124S) 및 복수의 고굴절율부(150G)의 측벽(150SI, 150SO) 하측을 형성할 수 있다. 이때, 복수의 고굴절율부(150G)는 제1 상면 레벨(LV1A)과 실질적으로 동일한 상면 레벨을 가질 수 있고, 복수의 고굴절율부(150G)의 측벽(150SI, 150SO)은 테이퍼부(124G)의 측벽(124S)의 제1 높이(H1A)와 실질적으로 동일한 높이를 가질 수 있다. 이후, 테이퍼부(124G) 상면을 커버하는 성장 방지층(미도시)을 형성하고, 상기 성장 방지층에 의해 커버되지 않는 복수의 고굴절율부(150G) 부분을 템플릿(template)으로 사용한 에피택셜 성장(epitaxial growth) 공정을 수행하여, 복수의 고굴절율부(150G)을 제2 높이(H2A)까지 성장시킬 수 있다. 상기 에피택셜 성장 공정 이후에, 복수의 고굴절율부(150G)의 제2 상면 레벨(LV2A)은 테이퍼부(124G)의 제1 상면 레벨(LV1A)보다 높을 수 있다. 이후, 상기 성장 방지층을 제거할 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 예시적인 실시예들에 따른 광학 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프들이다. 구체적으로 도 15a에는 그레이팅 패턴의 곡률 변화에 따른 커플링 효율을 도시하였고, 도 15b에는 그레이팅 패턴의 곡률 변화에 따른 배면 반사를 도시하였다.
도 15a를 참조하면, 그레이팅 패턴의 곡률을 달리한 실험예의 커플링 효율(310)은 그레이팅 패턴의 곡률을 변경하지 않은 비교예(320)의 커플링 효율보다 다소 감소되었음을 확인할 수 있다. 그러나, 최대 10 마이크로미터까지 곡률을 변경한 실험예(310)의 경우에도, 비교예(320)와의 커플링 효율 차이는 미미함을 알 수 있다.
도 15b를 참조하면, 그레이팅 패턴의 곡률을 달리한 실험예의 배면 반사(330)는 그레이팅 패턴의 곡률을 변경하지 않은 비교예(340)의 배면 반사보다 현저히 감소되었음을 확인할 수 있다. 특히, 최대 10 마이크로미터까지 곡률을 변경한 실험예(330)의 경우, 곡률의 증가에 따라(또는 제1 초점 위치(FP1)와 제2 초점 위치(FP2)의 제1 거리(D1)(도 1 참조)의 증가에 따라 점진적으로 감소하였다.
도 15a 및 도 15b에 도시된 시뮬레이션 결과에 따르면, 일부 그레이팅 패턴의 곡률을 달리한 실험예(310, 330)에서 커플링 효율은 다소 감소하지만 그 감소량이 크지는 않으며, 배면 반사는 상당히 감소되었음을 확인할 수 있다.
도 16은 예시적인 실시예들에 따른 광학 집적 회로(1000)를 나타내는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 광학 집적 회로(1000)는 제1 소자(1010) 및 제2 소자(1020)를 포함할 수 있다. 제1 소자(1010) 및 제2 소자(1020)는 시리얼 통신을 통하여 광 신호를 통신할 수 있다.
제1 소자(1010)는 제1 광원(1012), 제1 광 변조기(1014), 제1 광 복조기(1016)를 포함할 수 있다. 제1 광원(1012)은 지속 파형을 갖는 광 신호를 출력할 수 있다. 제1 광원(1012)은 레이저 다이오드(laser diode, LD)와 같은 광학 소자일 수 있다. 제1 광 변조기(1014)는 전-광 변환(electrical to optical conversion) 동작을 수행할 수 있다. 제1 광 변조기(1014)는 변조되지 않은 입력 광 신호를 수신하여 광 도파로로 전송하는 광 입출력부 및 상기 광 도파로로 전송되는 광 신호의 위상을 변조하여 위상 변조 신호를 출력하는 위상 천이기를 포함할 수 있다. 제1 광 변조기(1014)는 도 1 내지 도 14를 참조로 설명한 광학 장치(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G)를 포함할 수 있다. 제1 광 복조기(1016)는 광-전 변환(optical to electrical conversion) 동작을 수행할 수 있다. 제1 광 복조기(1016)는 제2 소자(1020)의 제2 광 변조기(1024)로부터 출력된 광 신호를 수신하여 복조하고, 복조된 전기 신호를 출력할 수 있다.
제2 소자(1020)는 제2 광원(1022), 제2 광 변조기(1024), 제2 광 복조기(1026)를 포함할 수 있다. 제2 광원(1022)은 지속 파형을 갖는 광 신호를 출력할 수 있다. 제2 광 변조기(1024)는 도 1 내지 도 14를 참조로 설명한 광학 장치(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G)를 포함할 수 있다. 제2 광 복조기(1026)는 제1 소자(1020)의 제1 광 변조기(1014)로부터 출력된 광 신호를 수신하여 복조하고, 복조된 전기 신호를 출력할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
110: 기판 112: 베이스 기판
114: 매립 절연층 116: 반도체층
120: 광 도파로 122: 가이딩부
124: 테이퍼부 130: 그레이팅 패턴
140: 복수의 저굴절율부 150: 복수의 고굴절율부
160: 광학 파이버 170: 보호층

Claims (20)

  1. 기판 상에 배치되며, 가이딩부(guiding portion)와 테이퍼부(taper portion)를 포함하는 광 도파로(waveguide); 및
    상기 기판 상에서 상기 테이퍼부 일측 상에 배치되는 그레이팅 패턴(grating pattern);을 포함하며,
    상기 그레이팅 패턴은, 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 교대로 배열되는 복수의 저굴절율부 및 복수의 고굴절율부를 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부 각각은 원형 경로(circular path)에 의해 정의되는 곡률(curvature)을 갖는 곡면화된(curved) 내측벽 및 곡면화된 외측벽을 구비하며,
    상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 및 외측벽은 제1 초점 위치(focusing position)를 가지며, 상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 또는 외측벽, 또는 상기 테이퍼부의 측벽은 상기 제1 초점 위치와는 다른 제2 초점 위치를 갖고,
    상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 복수의 저굴절율부 중 상기 테이퍼부와 가장 가깝게 배치되는 저굴절율부의 측벽과 접촉하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(optical apparatus).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초점 위치는 상기 가이딩부와 상기 테이퍼부 사이의 계면 상에 위치하고, 상기 제2 초점 위치는 상기 테이퍼부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초점 위치는 상기 가이딩부와 상기 테이퍼부 사이의 계면 상에 위치하고, 상기 제2 초점 위치는 상기 가이딩부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 테이퍼부 중 상기 가이딩부에 가까운 일 부분의 제1 폭보다 상기 그레이팅 패턴에 가까운 일부분의 제2 폭이 더 크고, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 곡면화된 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 저굴절율부 중 상기 테이퍼부와 가장 가깝게 배치되는 상기 저굴절율부는, 상기 저굴절율부의 중앙에서 상기 제1 방향으로 제1 폭을 가지고 상기 저굴절율부의 에지부에서 상기 제1 방향으로 상기 제1 폭보다 더 큰 제2 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 제2 초점 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 제2 초점 위치를 가지며,
    상기 복수의 고굴절율부 중 상기 테이퍼부와 가장 가깝게 배치되는 고굴절율부의 내측벽은 상기 제2 초점 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 고굴절율부 중 적어도 하나의 고굴절율부의 내측벽 또는 외측벽, 또는 상기 테이퍼부의 측벽은 상기 제1 초점 위치 및 상기 제2 초점 위치와는 다른 제3 초점 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 초점 위치 및 상기 제3 초점 위치는 상기 테이퍼부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 초점 위치는 상기 테이퍼부 내에 위치하고, 및 상기 제3 초점 위치는 상기 가이딩부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 초점 위치들은 상기 제1 방향을 따라 일직선 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 저굴절율부는 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부는 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 저굴절율부는 에어(air)를 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부는 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 테이퍼부는 상기 제1 방향을 따라 제1 길이를 가지며,
    상기 제1 초점위치와 상기 제2 초점 위치 사이의 제1 거리는 상기 제1 길이의 80%보다 작은 것을 특징으로 하는 것을 광학 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 그레이팅 패턴의 상면이 상기 광 도파로의 상면과 동일한 레벨 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 그레이팅 패턴의 상면이 상기 광 도파로의 상면보다 높은 레벨 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  17. 기판 상에 배치되며, 가이딩부와 테이퍼부를 포함하고, 상기 테이퍼부는 곡면화된 측벽을 구비하는, 광 도파로; 및
    상기 기판 상에서 상기 테이퍼부의 상기 측벽 상에 배치되는 그레이팅 패턴;을 포함하며,
    상기 그레이팅 패턴은, 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향을 따라 교대로 배열되는 복수의 저굴절율부 및 복수의 고굴절율부를 포함하고, 상기 복수의 고굴절율부 각각은 곡면화된 내측벽 및 곡면화된 외측벽을 구비하며,
    상기 복수의 고굴절율부의 적어도 하나의 내측벽 및 적어도 하나의 외측벽은 제1 초점 위치를 가지며, 상기 제1 초점 위치는 상기 가이딩부와 상기 테이퍼부 사이의 계면 상에 위치하고, 상기 테이퍼부의 상기 측벽은 상기 제1 초점 위치와는 다른 제2 초점 위치를 갖고,
    상기 복수의 저굴절율부 중 상기 테이퍼부와 가장 가깝게 배치되는 저굴절율부는, 상기 저굴절율부의 중앙에서 상기 제1 방향으로 제1 폭을 가지고 상기 저굴절율부의 에지부에서 상기 제1 방향으로 상기 제1 폭보다 더 큰 제2 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가이딩부는 상기 제1 방향을 따라 연장하며,
    상기 제2 초점 위치는 상기 제1 방향을 따른 상기 가이딩부의 중심선의 연장선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제2 초점 위치는 상기 테이퍼부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제2 초점 위치는 상기 가이딩부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
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