KR20110017545A - 광 결합기 - Google Patents

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KR20110017545A
KR20110017545A KR1020090075062A KR20090075062A KR20110017545A KR 20110017545 A KR20110017545 A KR 20110017545A KR 1020090075062 A KR1020090075062 A KR 1020090075062A KR 20090075062 A KR20090075062 A KR 20090075062A KR 20110017545 A KR20110017545 A KR 20110017545A
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cladding layer
upper cladding
optical
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substrate
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김덕준
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김경옥
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한국전자통신연구원
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
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Abstract

광 결합기가 제공된다. 광 결합기는 기판 상의 하부 클래딩층, 하부 클래딩층 상의 회절 격자 커플러 및 광 도파로를 포함하는 코어층, 코어층 상의 상부 클래딩을 포함한다. 상부 클래딩층은 코어층을 통과하는 광신호의 파장을 상부 클래딩층의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께를 가진다. 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있고, 페브리-페롯 간섭계가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
광 결합기, 클래딩, 반사

Description

광 결합기{OPTICAL COUPLER}
본 발명은 광 결합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회절 격자 커플러를 포함하는 광 결합기에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2006-S-004-04, 과제명: 실리콘 기반 초고속 광인터커넥션 IC].
내부 전반사(Total Internal Reflection) 원리에 의해 광파(Lightwave)가 외부로 방사(Radiation)하지 않고 구속된 상태로 진행하기 위해서는, 특정한 유전체 물질이 상대적으로 굴절률이 작은 또 다른 유전체 물질에 의해 둘러싸여 있는 단면 구조가 필요하다. 이러한 단면 구조가 유지되는 광파의 진행 경로를 광 도파로(Optical Waveguide)라고 정의할 수 있으며, 통신용 광섬유는 이러한 광 도파로가 적용된 대표적인 사례이다.
그리고, 상기 도파로를 구성하는 상대적으로 굴절률이 높은 유전체 물질을 코아(Core)라고 부르며, 이 코아 물질을 둘러싸고 있는 상대적으로 굴절률이 작은 유전체 물질을 클래딩(Cladding)이라고 부른다. 상기 도파로는 실리콘(Si), 실리 카(SiO2), 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP) 등과 같은 특정한 물질의 기판 상부에 기존 반도체 공정 기술을 적용하여 구현될 수 있으며, 이러한 방식으로 제작된 광 소자를 일반적으로 평판형 광 도파로 소자라고 부른다. 이러한 광 도파로 소자의 가장 큰 장점은 서로 다른 기능을 수행하는 다양한 광 회로들을 동일 기판 상에 집적하는 것이 가능하다는 점이다. 따라서, 상기 도파로의 평면 및 단면 구조는 구현하고자 하는 광 회로의 용도에 맞게 기판 상에서 다양한 형태로 변화할 수 있다.
본 발명의 목적은 상부 클래딩층에서 반사가 최소화된 광 결합기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 광 결합기는 기판 상의 하부 클래딩층, 상기 하부 클래딩층 상의, 회절 격자 커플러 및 광 도파로를 포함하는 코어층 및 상기 코어층 상의 제 1 상부 클래딩층을 포함한다. 상기 제 1 상부 클래딩층은 상기 제 1 상부 클래딩층을 통과하는 광신호의 파장을 상기 제 1 상부 클래딩층의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께를 가진다.
본 발명의 실시예들에 따른 광 결합기는 상기 제 1 상부 클래딩층 상의, 상기 제 1 상부 클래딩층 보다 작은 굴절율을 갖는 제 2 상부 클래딩층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 코어층의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층의 굴절률보다 클 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 코어층은 실리콘을 포함하고, 상기 제 1 상부 클래딩층은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함하고, 상기 제 2 상부 클래딩층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 회절 격자 커플러는 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광결합기는 상기 하부 클래딩층에 제공된 반사체를 더 포함할 수 있다. 상기 반사체는 상기 기판의 상부면과 평행한 평판 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광결합기는 상기 기판에 제공된 반사체를 더 포함할 수 있다. 상기 반사체는 상기 기판의 상부면과 평행한 평판 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 광 결합기는 광신호의 파장과 자신의 굴절률에 의하여 정해진 두께를 가지는 상부 클래딩층을 포함한다. 상기 상부 클래딩층은 자신을 통과하는 광신호의 파장을 자신의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께(t)를 가진다. 이러한 두께를 가지는 상부 클래딩층이 제공됨으로써, 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있으며, 페브리-페롯 간섭계가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예들에서 제 1, 제 2 등의 용어가 각각의 구성요소를 기술하기 위하여 설명되었지만, 각각의 구성요소는 이 같은 용어들에 의하여 한정되어서 는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 소정의 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다.
도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
한편, 설명의 간략함을 위해 아래에서는 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 몇가지 실시예들을 예시적으로 설명하고, 다양한 변형된 실시예들에 대한 설명은 생략한다. 하지만, 이 분야에 종사하는 통상의 지식을 가진 자는, 상술한 설명 및 예시될 실시예들에 기초하여, 본 발명의 기술적 사상을 다양한 경우들에 대하여 변형하여 적용할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 하부 클래딩층(lower cladding layer, 110)이 제공된다. 상기 기판(100)은 실리콘일 수 있다. 이와 다르게, 상기 기판(100)은 게르마늄 또는 화합물 반도체 등과 같은 다른 반도체일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(110)은 상기 기판(100)과 다른 굴절률을 갖는 절연물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래딩층(110)은 실리콘 산화물일 수 있다.
상기 하부 클래딩층(110) 상에 회절 격자 커플러(125) 및 광도파로(optical waveguide, 123)를 포함하는 코어층(core layer, 120)이 제공된다. 상기 코어층(120)은, 예를 들면 실리콘일 수 있다. 또는, 상기 코어층(120)은 게르마늄, 실리콘-게르마늄 또는 화합물 반도체 중 어느 하나일 수 있다. 상기 회절 격자 커플 러(125)는 상기 코어층의 상부면에서 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들(127)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 이격된 돌출부들(127)은 상기 회절 격자 커플러(125)를 제공할 수 있다. 상기 돌출부들(127)의 양측벽은 상기 기판(100)에 대하여 수직할 수 있다. 상기 회절 격자 커플러(125)는 상기 광도파로(123)의 일측에 제공될 수 있다.
상기 코어층(120) 상에 제 1 상부 클래딩층(first upper cladding layer, 130)이 제공된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(130) 상에 제 2 상부 클래딩층(140)이 제공된다. 상기 코어층(120)의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층(130)의 굴절률보다 크다. 상기 제 1 상부 클래딩층(130)의 굴절률은 상기 제 2 상부 클래딩층(140)의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제 1 상부 클래딩층(130)은, 예를 들면 실리콘과 질소를 포함할 수 있다. 상기 제 1 상부 클래딩층(130)은, 예를 들면 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층(140)은, 예를 들면 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 회절 격자 커플러(125) 상에 광섬유(optical fiber, 180)가 제공될 수 있다. 상기 광섬유(180)로부터 출력된 광신호는 상기 회절 격자 커플러(125)를 경유하여 상기 광도파로(123) 내로 전송된다. 상기 회절 격자 커플러(125)를 통한 광신호의 전달은 가역적이다. 즉, 상기 광도파로(123)로부터 상기 회절 격자 커플러(125)를 경유하여 상기 광섬유(180)로 광신호가 출력될 수 있다.
상기 광섬유(180)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(100)의 상부면에 대한 수직선에 대하여 소정 각도로 기울어져 조사될 수 있다. 예를 들면, 상기 광 섬유(180)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 수직선에 대하여 약 5도 내지 10도 기울어져 조사될 수 있다. 이와 다르게, 상기 광섬유(180)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(100)의 상부면에 대하여 수직한 방향으로 진행될 수 있다.
상기 제 1 상부 클래딩층(130)의 두께는 상기 광신호의 파장과 제 1 상부 클래딩층(130)의 굴절률에 의하여 결정된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(130)은 상기 코어층(120)을 통과하는 광신호의 파장을 상기 제 1 상부 클래딩층(130)의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께(t)를 가진다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(130)은 두께(t)=(파장/굴절률)×1/4)의 관계식을 만족하여야 한다. 이러한 두께를 가지는 제 1 상부 클래딩층(130)이 제공됨으로써, 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(130)과 다른 층과의 계면에서 발생하는 반사된 광신호들이 상쇄 간섭을 일으켜 프레넬 반사가 최소화될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다. 회절 격자 커플러가 광도파로의 양단에 제공된다는 점을 제외하면 이 실시예는 앞서 일 실시예의 그것과 유사하다. 따라서, 설명의 간략함을 위해, 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 아래에서 생략된다.
도 2를 참조하면, 기판(200) 상에 하부 클래딩층(lower cladding layer, 210)이 제공된다. 상기 기판(200)은 실리콘일 수 있다. 이와 다르게, 상기 기판(100)은 게르마늄 또는 화합물 반도체 등과 같은 다른 반도체일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(210)은 상기 기판(200)과 다른 굴절률을 갖는 절연물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래딩층(210)은 실리콘 산화물일 수 있다.
상기 하부 클래딩층(210) 상에 제 1 회절 격자 커플러(223), 제 2 회절 격자 커플러(225) 및 광도파로(optical waveguide, 224)를 포함하는 코어층(core layer, 220)이 제공된다. 상기 코어층(220)은 실리콘일 수 있다. 또는, 상기 코어층(220)은 게르마늄, 실리콘-게르마늄 또는 화합물 반도체 중 어느 하나일 수 있다. 상기 제 1, 제 2 회절 격자 커플러(223, 225)는 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들(227)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 이격된 돌출부들(227)에 의하여 상기 제 1, 제 2 회절 격자 커플러(223, 225)가 이루어진다. 상기 돌출부들(227)의 양측벽은 상기 기판(200)에 대하여 수직할 수 있다. 상기 제 1, 제 2 회절 격자 커플러(223, 225)는 상기 광 도파로(224)의 양단에 제공될 수 있다. 즉, 상기 제 1 회절 격자 커플러(223)는 상기 광 도파로(224)의 일단에 제공되며, 상기 제 2 회절 격자 커플러(225)는 상기 광 도파로(224)의 타단에 제공될 수 있다.
상기 코어층(220) 상에 제 1 상부 클래딩층(first upper cladding layer, 230)이 제공된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(230) 상에 제 2 상부 클래딩층(240)이 제공된다. 상기 코어층(220)의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층(230)의 굴절률보다 크다. 상기 제 1 상부 클래딩층(230)의 굴절률은 상기 제 2 상부 클래딩층(240)의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제 1, 제 2 회절 격자 커플러(223, 225)에 인접하여 광섬유(optical fiber) 또는 반도체 집적회로가 제공될 수 있다. 상기 제 1 상부 클래딩층(230)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층(240)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제 1 상부 클래딩층(230)은 상기 코어층(220)을 통과하는 광신호의 파 장을 상기 제 1 상부 클래딩층(230)의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께(t)를 가진다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(230)은 두께(t)=(파장/굴절률)×1/4)의 관계식을 만족하여야 한다. 이러한 두께를 가지는 제 1 상부 클래딩층(230)이 제공됨으로써, 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(230)과 다른 층과의 계면에서 발생하는 반사된 광신호들이 상쇄 간섭을 일으켜 프레넬 반사가 최소화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3을 참조하면, 기판(300) 상에 하부 클래딩층(lower cladding layer, 310)이 제공된다. 상기 기판(300)은 실리콘일 수 있다. 이와 다르게, 상기 기판(300)은 게르마늄 또는 화합물 반도체 등과 같은 다른 반도체일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(310)은 상기 기판(300)과 다른 굴절률을 갖는 절연물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래딩층(310)은 실리콘 산화물일 수 있다.
상기 하부 클래딩층(310) 상에 회절 격자 커플러(325) 및 광도파로(optical waveguide, 323)를 포함하는 코어층(core layer, 320)이 제공된다. 상기 코어층(320)은 실리콘일 수 있다. 또는, 상기 코어층(320)은 게르마늄, 실리콘-게르마늄 또는 화합물 반도체 중 어느 하나일 수 있다. 상기 회절 격자 커플러(325)는 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들(327)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 이격된 돌출부들(327)에 의하여 상기 회절 격자 커플러(325)가 이루어진다. 상기 돌출부들(327)의 양측벽은 상기 기판(300)의 상부면에 대하여 경사질 수 있다. 상기 돌출 부들(327)의 양측벽이 기판(300)의 상부면에 대하여 경사진 형태를 가짐으로써, 상기 회절 격자 커플러(325)의 커플링 효율성이 증가될 수 있다. 상기 회절 격자 커플러(325)는 상기 광도파로(323)의 일측에 제공될 수 있다.
상기 코어층(320) 상에 제 1 상부 클래딩층(first upper cladding layer, 330)이 제공된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(330) 상에 제 2 상부 클래딩층(340)이 제공된다. 상기 코어층(320)의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층(330)의 굴절률보다 크다. 상기 제 1 상부 클래딩층(330)의 굴절률은 상기 제 2 상부 클래딩층(340)의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제 1 상부 클래딩층(330)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층(340)은 실리ㅋ콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 회절 격자 커플러(325) 상에 광섬유(optical fiber, 380)가 제공될 수 있다. 상기 광섬유(380)로부터 출력된 광신호는 상기 회절 격자 커플러(325)를 경유하여 상기 광도파로(323) 내로 전송된다. 상기 회절 격자 커플러(325)를 통한 광신호의 전달은 가역적이다. 즉, 상기 광도파로(323)로부터 상기 회절 격자 커플러(325)를 경유하여 상기 광섬유(380)로 광신호가 출력될 수 있다.
상기 광섬유(380)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(300)의 상부면에 대한 수직선에 대하여 소정 각도로 기울어져 조사될 수 있다. 예를 들면, 상기 광섬유(380)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 수직선에 대하여 약 5도 내지 10도 기울어져 조사될 수 있다. 이와 다르게, 상기 광섬유(380)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(300)의 상부면에 대하여 수직한 방향으로 진행될 수 있다.
상기 제 1 상부 클래딩층(330)의 두께는 광신호의 파장과 제 1 상부 클래딩층(330)의 굴절률에 의하여 결정된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(330)은 상기 코어층(320)을 통과하는 광신호의 파장을 상기 제 1 상부 클래딩층(330)의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께(t)를 가진다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(330)은 두께(t)=(파장/굴절률×1/4)의 관계식을 만족하여야 한다. 이러한 두께를 가지는 제 1 상부 클래딩층(330)이 제공됨으로써, 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(330)과 다른 층과의 계면에서 발생하는 반사된 광신호들이 상쇄 간섭을 일으켜 프레넬 반사가 최소화될 수 있다.
한편, 상기 돌출부들(327)의 양측벽이 기판(300)의 상부면에 대하여 경사진 형태를 가짐으로써, 상기 회절 격자 커플러(325)의 커플링 효율성이 증가될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 1 변형예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4를 참조하면, 기판(400) 상에 하부 클래딩층(lower cladding layer, 410)이 제공된다. 상기 기판(400)은 실리콘일 수 있다. 이와 다르게, 상기 기판(400)은 게르마늄 또는 화합물 반도체 등과 같은 다른 반도체일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(410)은 상기 기판(400)과 다른 굴절률을 갖는 절연물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래딩층(410)은 산화물일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(410) 상에 회절 격자 커플러(425) 및 광도파로(optical waveguide, 423)를 포함하는 코어층(core layer, 420)이 제공된다.
상기 하부 클래딩층(410)에 반사체(415)가 제공된다. 상기 반사체(415)는 상기 기판(400)의 상부면과 평행한 평판 형태일 수 있다. 상기 반사체(415)는 상기 하부 클래딩층(410)과 굴절률이 다른 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 반사체(415)는 실리콘일 수 있다. 상기 반사체(415)는 상기 회절 격자 커플러(425) 아래에 제공된다. 상기 반사체(415)의 상부면이 반사면에 해당할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 다르게, 상기 반사체(415)는 차례로 적층되고 평판 형태를 가지는 복수 개의 반사체들일 수 있다. 상기 반사체(415)에 의하여, 광 결합기의 커플링 효율성이 증가할 수 있다. 즉, 상기 코어층(420)을 경유하는 광신호의 일부가 코어층(420) 아래로 투과될 수 있으며, 이러한 광신호는 상기 반사체(415)에 의하여 반사되어 다시 코어층(420)으로 되돌아갈 수 있다.
상기 코어층(420)은 실리콘일 수 있다. 또는, 상기 코어층(420)은 게르마늄, 실리콘-게르마늄 또는 화합물 반도체 중 어느 하나일 수 있다. 상기 회절 격자 커플러(425)는 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들(427)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 이격된 돌출부들(427)에 의하여 상기 회절 격자 커플러(425)가 이루어진다. 상기 회절 격자 커플러(425)는 상기 광도파로(423)의 일측에 제공될 수 있다.
상기 코어층(420) 상에 제 1 상부 클래딩층(first upper cladding layer, 430)이 제공된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(430) 상에 제 2 상부 클래딩층(440)이 제공된다. 상기 코어층(420)의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층(430)의 굴절률보다 크다. 상기 제 1 상부 클래딩층(430)의 굴절률은 상기 제 2 상부 클래딩층(440)의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제 1 상부 클래딩층(430)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층(440)은 실리ㅋ콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 회절 격자 커플러(425) 상에 광섬유(optical fiber, 480)가 제공될 수 있다. 상기 광섬유(480)로부터 출력된 광신호는 상기 회절 격자 커플러(425)를 경유하여 상기 광도파로(423) 내로 전송된다. 상기 회절 격자 커플러(425)를 통한 광신호의 전달은 가역적이다. 즉, 상기 광도파로(423)로부터 상기 회절 격자 커플러(425)를 경유하여 상기 광섬유(480)로 광신호가 출력될 수 있다.
상기 광섬유(480)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(400)의 상부면에 대한 수직선에 대하여 소정 각도로 기울어져 조사될 수 있다. 예를 들면, 상기 광섬유(480)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 수직선에 대하여 약 5도 내지 10도 기울어져 조사될 수 있다. 이와 다르게, 상기 광섬유(480)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(400)의 상부면에 대하여 수직한 방향으로 진행될 수 있다.
상기 제 1 상부 클래딩층(430)의 두께는 광신호의 파장과 제 1 상부 클래딩층(430)의 굴절률에 의하여 결정된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(430)은 상기 코어층(420)을 통과하는 광신호의 파장을 상기 제 1 상부 클래딩층(430)의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께(t)를 가진다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(430)은 두께(t)=(파장/굴절률)×1/4)의 관계식을 만족하여야 한다. 이러한 두께를 가지는 제 1 상부 클래딩층(430)이 제공됨으로써, 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(430)과 다른 층과의 계면에서 발생하는 반사된 광신호들이 상쇄 간섭을 일으켜 프레넬 반사가 최소화될 수 있다.
한편, 상기 반사체(415)에 의하여, 광 결합기의 커플링 효율성이 증가할 수 있다. 즉, 상기 코어층(420)을 경유하는 광신호의 일부가 코어층(420) 아래로 투과될 수 있으며, 이러한 광신호는 상기 반사체(415)에 의하여 반사되어 다시 코어층(420)쪽으로 되돌아갈 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 변형예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5를 참조하면, 기판(500) 상에 하부 클래딩층(lower cladding layer, 510)이 제공된다. 상기 기판(500)은 실리콘일 수 있다. 이와 다르게, 상기 기판(500)은 게르마늄 또는 화합물 반도체 등과 같은 다른 반도체일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(510)은 상기 기판(500)과 다른 굴절률을 갖는 절연물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래딩층(510)은 산화물일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(510) 상에 회절 격자 커플러(525) 및 광도파로(optical waveguide, 523)를 포함하는 코어층(core layer, 520)이 제공된다.
상기 하부 클래딩층(510)에 복수 개의 반사체들(515)이 제공된다. 상기 반사체들(515)은 동일한 높이에서 상기 기판(500)의 상부면과 평행한 일방향을 따라 배열될 수 있다. 상기 반사체들(515)은 상기 일방향을 따라 등간격으로 제공될 수 있다. 상기 반사체들(515)은 상기 하부 클래딩층(510)과 굴절률이 다른 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 반사체들(515)은 실리콘일 수 있다. 상기 반사체들(415)은 상기 회절 격자 커플러(525) 아래에 제공된다. 상기 반사체들(515)이 경사진 반사면을 가짐으로써, 상기 코어층(520) 아래로 투과한 광신호를 더욱 효율적으로 상기 코어층(520)으로 되돌릴 수 있다.
상기 코어층(520)은 실리콘일 수 있다. 또는, 상기 코어층(520)은 게르마늄, 실리콘-게르마늄 또는 화합물 반도체 중 어느 하나일 수 있다. 상기 회절 격자 커플러(525)는 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들(527)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 이격된 돌출부들(527)에 의하여 상기 회절 격자 커플러(525)가 이루어진다. 상기 회절 격자 커플러(525)는 상기 광도파로(523)의 일측에 제공될 수 있다.
상기 코어층(520) 상에 제 1 상부 클래딩층(first upper cladding layer, 530)이 제공된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(530) 상에 제 2 상부 클래딩층(540)이 제공된다. 상기 코어층(520)의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층(530)의 굴절률보다 크다. 상기 제 1 상부 클래딩층(530)의 굴절률은 상기 제 2 상부 클래딩층(540)의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제 1 상부 클래딩층(530)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층(540)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 회절 격자 커플러(525) 상에 광섬유(optical fiber, 580)가 제공될 수 있다. 상기 광섬유(580)로부터 출력된 광신호는 상기 회절 격자 커플러(525)를 경유하여 상기 광도파로(523) 내로 전송된다. 상기 회절 격자 커플러(525)를 통한 광신호의 전달은 가역적이다. 즉, 상기 광도파로(523)로부터 상기 회절 격자 커플러(525)를 경유하여 상기 광섬유(580)로 광신호가 출력될 수 있다.
상기 광섬유(580)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(500)의 상부면에 대한 수직선에 대하여 소정 각도로 기울어져 조사될 수 있다. 예를 들면, 상기 광 섬유(580)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 수직선에 대하여 약 5도 내지 10도 기울어져 조사될 수 있다. 이와 다르게, 상기 광섬유(580)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(500)의 상부면에 대하여 수직한 방향으로 진행될 수 있다.
상기 제 1 상부 클래딩층(530)의 두께는 광신호의 파장과 제 1 상부 클래딩층(530)의 굴절률에 의하여 결정된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(530)은 상기 코어층(520)을 통과하는 광신호의 파장을 상기 제 1 상부 클래딩층(530)의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께(t)를 가진다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(530)은 두께(t)=(파장/굴절률)×1/4)의 관계식을 만족하여야 한다. 이러한 두께를 가지는 제 1 상부 클래딩층(530)이 제공됨으로써, 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(530)과 다른 층과의 계면에서 발생하는 반사된 광신호들이 상쇄 간섭을 일으켜 프레넬 반사가 최소화될 수 있다.
한편, 상기 반사체들(515)이 경사진 반사면을 가짐으로써, 상기 코어층(520) 아래로 투과한 광신호를 더욱 효율적으로 상기 코어층(520)으로 되돌릴 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 변형예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6을 참조하면, 기판(600) 상에 하부 클래딩층(lower cladding layer, 610)이 제공된다. 상기 기판(600)은 실리콘일 수 있다. 이와 다르게, 상기 기판(600)은 게르마늄 또는 화합물 반도체 등과 같은 다른 반도체일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(610)은 상기 기판(600)과 다른 굴절률을 갖는 절연물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래딩층(610)은 산화물일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(610) 상에 회절 격자 커플러(625) 및 광도파로(optical waveguide, 623)를 포함하는 코어층(core layer, 620)이 제공된다.
상기 기판(600)에 반사체(615)가 제공된다. 상기 반사체(615)는 상기 기판(600)의 상부면과 평행한 평판 형태일 수 있다. 상기 반사체(615)는 상기 기판(600)과 굴절률이 다른 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 반사체(615)는 산화물 또는 질화물일 수 있다. 상기 반사체(615)는 상기 회절 격자 커플러(625) 아래에 제공된다. 상기 반사체(615)의 상부면이 반사면에 해당할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 다르게, 상기 반사체(615)는 차례로 적층되고 평판 형태를 가지는 복수 개의 반사체들일 수 있다. 상기 반사체(615)에 의하여, 광 결합기의 커플링 효율성이 증가할 수 있다. 즉, 상기 코어층(620)을 경유하는 광신호의 일부가 코어층(620) 아래로 투과될 수 있으며, 이러한 광신호는 상기 반사체(615)에 의하여 반사되어 다시 코어층(620)으로 되돌아갈 수 있다.
상기 코어층(620)은 실리콘일 수 있다. 또는, 상기 코어층(620)은 게르마늄, 실리콘-게르마늄 또는 화합물 반도체 중 어느 하나일 수 있다. 상기 회절 격자 커플러(625)는 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들(627)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 이격된 돌출부들(627)에 의하여 상기 회절 격자 커플러(625)가 이루어진다. 상기 회절 격자 커플러(625)는 상기 광도파로(623)의 일측에 제공될 수 있다.
상기 코어층(620) 상에 제 1 상부 클래딩층(first upper cladding layer, 630)이 제공된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(630) 상에 제 2 상부 클래딩층(640)이 제공된다. 상기 코어층(620)의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층(630)의 굴절률보다 크다. 상기 제 1 상부 클래딩층(630)의 굴절률은 상기 제 2 상부 클래딩층(640)의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제 1 상부 클래딩층(630)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층(640)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 회절 격자 커플러(625) 상에 광섬유(optical fiber, 680)가 제공될 수 있다. 상기 광섬유(680)로부터 출력된 광신호는 상기 회절 격자 커플러(625)를 경유하여 상기 광도파로(623) 내로 전송된다. 상기 회절 격자 커플러(625)를 통한 광신호의 전달은 가역적이다. 즉, 상기 광도파로(623)로부터 상기 회절 격자 커플러(625)를 경유하여 상기 광섬유(680)로 광신호가 출력될 수 있다.
상기 광섬유(680)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(600)의 상부면에 대한 수직선에 대하여 소정 각도로 기울어져 조사될 수 있다. 예를 들면, 상기 광섬유(680)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 수직선에 대하여 약 5도 내지 10도 기울어져 조사될 수 있다. 이와 다르게, 상기 광섬유(680)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(600)의 상부면에 대하여 수직한 방향으로 진행될 수 있다.
상기 제 1 상부 클래딩층(630)의 두께는 광신호의 파장과 제 1 상부 클래딩층(630)의 굴절률에 의하여 결정된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(630)은 상기 코어층(620)을 통과하는 광신호의 파장을 상기 제 1 상부 클래딩층(630)의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께(t)를 가진다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(630)은 두께(t)=(파장/굴절률)×1/4)의 관계식을 만족하여야 한다. 이러한 두께를 가지는 제 1 상부 클래딩층(630)이 제공됨으로써, 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(630)과 다른 층과의 계면에서 발생하는 반사된 광신호들이 상쇄 간섭을 일으켜 프레넬 반사가 최소화될 수 있다.
한편, 상기 반사체(615)에 의하여, 광 결합기의 커플링 효율성이 증가할 수 있다. 즉, 상기 코어층(620)을 경유하는 광신호의 일부가 코어층(620) 아래로 투과될 수 있으며, 이러한 광신호는 상기 기판(600)에 제공된 반사체(615)에 의하여 반사되어 다시 코어층(620)쪽으로 되돌아갈 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 4 변형예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 7을 참조하면, 기판(700) 상에 하부 클래딩층(lower cladding layer, 710)이 제공된다. 상기 기판(700)은 실리콘일 수 있다. 이와 다르게, 상기 기판(700)은 게르마늄 또는 화합물 반도체 등과 같은 다른 반도체일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(710)은 상기 기판(700)과 다른 굴절률을 갖는 절연물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 클래딩층(710)은 산화물일 수 있다. 상기 하부 클래딩층(710) 상에 회절 격자 커플러(725) 및 광도파로(optical waveguide, 723)를 포함하는 코어층(core layer, 720)이 제공된다.
상기 기판(700) 내에 복수 개의 반사체들(715)이 제공된다. 상기 반사체들(715)은 동일한 높이에서 상기 기판(700)의 상부면과 평행한 일방향을 따라 배열될 수 있다. 상기 반사체들(715)은 상기 일방향을 따라 등간격으로 제공될 수 있다. 상기 반사체들(715)은 상기 기판(700)과 굴절률이 다른 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 반사체들(715)은 산화물 또는 질화물일 수 있다. 상기 반사체들(715)은 상기 회절 격자 커플러(725) 아래에 제공된다. 상기 반사체들(715)이 경사진 반사면을 가짐으로써, 상기 코어층(720) 아래로 투과한 광신호를 더욱 효율적으로 상기 코어층(720)으로 되돌릴 수 있다.
상기 코어층(720)은 실리콘일 수 있다. 또는, 상기 코어층(720)은 게르마늄, 실리콘-게르마늄 또는 화합물 반도체 중 어느 하나일 수 있다. 상기 회절 격자 커플러(725)는 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들(727)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 이격된 돌출부들(727)에 의하여 상기 회절 격자 커플러(725)가 이루어진다. 상기 회절 격자 커플러(725)는 상기 광도파로(723)의 일측에 제공될 수 있다.
상기 코어층(720) 상에 제 1 상부 클래딩층(first upper cladding layer, 730)이 제공된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(730) 상에 제 2 상부 클래딩층(740)이 제공된다. 상기 코어층(720)의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층(730)의 굴절률보다 크다. 상기 제 1 상부 클래딩층(730)의 굴절률은 상기 제 2 상부 클래딩층(740)의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제 1 상부 클래딩층(730)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층(740)은 실리ㅋ콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 회절 격자 커플러(725) 상에 광섬유(optical fiber, 780)가 제공될 수 있다. 상기 광섬유(780)로부터 출력된 광신호는 상기 회절 격자 커플러(725)를 경유하여 상기 광도파로(723) 내로 전송된다. 상기 회절 격자 커플러(725)를 통한 광신호의 전달은 가역적이다. 즉, 상기 광도파로(723)로부터 상기 회절 격자 커플 러(725)를 경유하여 상기 광섬유(780)로 광신호가 출력될 수 있다.
상기 광섬유(780)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(700)의 상부면에 대한 수직선에 대하여 소정 각도로 기울어져 조사될 수 있다. 예를 들면, 상기 광섬유(780)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 수직선에 대하여 약 5도 내지 10도 기울어져 조사될 수 있다. 이와 다르게, 상기 광섬유(780)의 입력 또는 출력 광신호는 상기 기판(700)의 상부면에 대하여 수직한 방향으로 진행될 수 있다.
상기 제 1 상부 클래딩층(730)의 두께는 광신호의 파장과 제 1 상부 클래딩층(730)의 굴절률에 의하여 결정된다. 상기 제 1 상부 클래딩층(730)은 상기 코어층(720)을 통과하는 광신호의 파장을 상기 제 1 상부 클래딩층(730)의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께(t)를 가진다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(730)은 두께(t)=(파장/굴절률)×1/4)의 관계식을 만족하여야 한다. 이러한 두께를 가지는 제 1 상부 클래딩층(730)이 제공됨으로써, 프레넬(Fresnel) 반사가 최소화될 수 있다. 즉, 상기 제 1 상부 클래딩층(730)과 다른 층과의 계면에서 발생하는 반사된 광신호들이 상쇄 간섭을 일으켜 프레넬 반사가 최소화될 수 있다.
한편, 상기 기판(700) 내에 제공된 반사체들(715)이 경사진 반사면을 가짐으로써, 상기 코어층(720) 아래로 투과한 광신호를 더욱 효율적으로 상기 코어층(720)으로 되돌릴 수 있다.
전술한 실시예들에서, 프레넬 반사는 광통신 시스템의 성능을 저하시키는 요인으로 최대한 줄이는 것이 바람직하다. 상기 제 1 상부 클래딩층이 위의 조건를 만족하는 두께를 가지지 않는다면, 상기 코어층과 상기 제 1 상부 클래딩층과의 계 면에서 프레넬 반사가 발생한다. 광통신 시스템에서 많이 사용되는 1550nm 파장의 광신호가 상기 코어층과 상기 제 1 상부 클래딩층과의 계면에 대한 수직 방향에서 8도 기울어진 방향으로 입사 또는 출사될 경우, 상기 계면에 입사 또는 출사되는 광신호의 17% 정도가 반사될 수 있다. 만일, 회절 격자 커플러가 특정한 기능을 수행하는 코어층의 양 종단에 집적되어 통신용 광섬유와 광신호를 주고 받기 위한 광 결합기로서 사용될 경우, 광 도파로 내부에 페브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭계가 자연스럽게 형성될 수 있다. 이러한 의도하지 않은 페브리-페롯 간섭계는 구현하고자 하는 광통신 시스템의 성능 향상을 위해 제거되는 것이 바람직하다.
본 발명의 전술한 실시예들에 따르면, 상기 제 1 상부 클래딩층의 두께는 프레넬 반사를 최소화하면서, 페브리-페롯 간섭계가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 코어층과 상기 제 1 상부 클래딩층의 굴절률 차이가 크더라도, 그 계면에서 프레넬 반사가 발생되는 것이 방지될 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층의 두께는, 상기 제 1 상부 클래딩층과 다르게, 제한되지 않을 수 있다. 상기 제 2 상부 클래딩층의 두께에 대한 제한이 없기 때문에, 광 결합기의 설계 및 제조 공정에 대한 선택의 폭이 넓어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결합기(optical coupler)를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 변형예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 변형예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 변형예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 변형예에 따른 광결합기를 설명하기 위한 개략도이다.

Claims (9)

  1. 기판 상의 하부 클래딩층;
    상기 하부 클래딩층 상의, 회절 격자 커플러 및 광 도파로를 포함하는 코어층; 및
    상기 코어층 상의 제 1 상부 클래딩층을 포함하되,
    상기 제 1 상부 클래딩층은 상기 코어층을 통과하는 광신호의 파장을 상기 제 1 상부 클래딩층의 굴절률로 나눈 값의 4분의 1인 두께를 가지는 광 결합기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 상부 클래딩층 상의, 상기 제 1 상부 클래팅층 보다 작은 굴절율을 갖는 제 2 상부 클래딩층을 더 포함하는 광 결합기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 코어층의 굴절률은 상기 제 1 상부 클래딩층의 굴절률보다 큰 광 결합기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 코어층은 실리콘을 포함하고, 상기 제 1 상부 클래딩층은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함하고, 그리고 상기 제 2 상부 클래딩층은 실리콘 산화물을 포함하는 광 결합기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 격자 커플러는, 서로 옆으로 이격된 복수 개의 돌출부들을 포함하는 광 결합기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 클래딩층에 제공된 반사체를 더 포함하는 광 결합기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 반사체는 상기 기판의 상부면과 평행한 평판 형태인 광 결합기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판에 제공된 반사체를 더 포함하는 광 결합기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 반사체는 상기 기판의 상부면과 평행한 평판 형태인 광 결합기.
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