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KR102074172B1 - 원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자 - Google Patents

원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자 Download PDF

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KR102074172B1
KR102074172B1 KR1020180037109A KR20180037109A KR102074172B1 KR 102074172 B1 KR102074172 B1 KR 102074172B1 KR 1020180037109 A KR1020180037109 A KR 1020180037109A KR 20180037109 A KR20180037109 A KR 20180037109A KR 102074172 B1 KR102074172 B1 KR 102074172B1
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circular resonator
circular
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이창주
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자가 개시된다. 원형 공진기는 온도에 따라 기 설정된 비율로 변화하는 열-광학 계수(Thermo-Optic Coefficient)를 가지고 복수의 나노홀을 포함하는 원형으로 형성된 제1 물질 및 온도에 따른 제1 물질의 열-광학 계수의 변화 방향과 상반되는 방향으로 변화하는 열-광학 계수를 가지고, 복수의 나노홀에 채워지는 제2 물질을 포함하고, 복수의 나노홀 간의 간격은 입사되는 광의 파장보다 짧은 피치(pitch)로 형성된다.

Description

원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자{CIRCULAR RESONATOR, OPTICAL MODULATOR AND OPTICAL DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 개시는 원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도에 강인한 원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자에 관한 것이다.
일반적으로 광 변환기에는 Mach-Zehnder Interferometer(MZI) 타입의 구조나 마이크로링 공진기 타입의 구조가 사용된다. 마이크로링 공진기 구조는 MZI 구조 대비 많은 장점이 있다. 그러나, 기존의 마이크로링 공진기는 주로 실리콘으로 제작되는데, 실리콘의 높은 열-광학 계수(Thermo-Optic Coefficeint, TOC) 때문에 온도에 매우 민감한 단점이 있다.
실험적으로 기존의 실리콘 마이크로링 공진기는 온도에 따라 약 0.8nm의 공진 파장 변화를 나타내기 때문에 허용 가능한 외부 온도 변화 범위는 약 2℃ 정도로 나타난다. 그러나, 실제 광 소자가 동작하는 주변 온도는 일반적으로 0℃ 에서 70℃ 범위이기 때문에 마이크로링 공진기 구조가 많은 장점이 있음에도 불구하고 실제 제품으로 적용되기 어려운 점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 일반적인 공진기 재료인 실리콘의 TOC와 상이한 재료들을 광도파로의 외장재(cladding)로 형성하여 마이크로링 공진기의 온도 민감성을 낮추는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 외부 온도변화에 강인한 무열(athermal) 마이크로링 공진기 제작을 위해서는 유효 TOC를 거의 0으로 만들 수 있는 물질이 이상적이며, 적용하고자 하는 응용 분야에서 필요한 유효 TOC 한계 이하로 줄이는 것이 매우 중요하다. 또한, 실리콘의 TOC와 상이한 특성을 가지는 재료들은 대부분 CMOS 호환 공정이 안되는 유기물 기반 재료들이고, 대부분의 물질은 공기를 이용한 외장재 대비 대부분 1보다 큰 굴절율을 가지기 때문에 광 손실이 심하고 공진 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 광 손실 없이 마이크로링 공진기의 온도 의존성을 해결하고 공정 과정도 용이한 기술에 대한 필요성이 존재한다.
본 개시는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 개시의 목적은 광 손실 없이 공진 효율을 유지하면서 온도 변화에 강인한 원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자를 제공하는 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 원형 공진기는 온도에 따라 기 설정된 비율로 변화하는 열-광학 계수(Thermo-Optic Coefficient)를 가지고 복수의 나노홀을 포함하는 원형으로 형성된 제1 물질 및 온도에 따른 상기 제1 물질의 열-광학 계수의 변화 방향과 상반되는 방향으로 변화하는 열-광학 계수를 가지고, 상기 복수의 나노홀에 채워지는 제2 물질을 포함하고, 상기 복수의 나노홀 간의 간격은 입사되는 광의 파장보다 짧은 피치(pitch)로 형성된다.
그리고, 상기 제2 물질은 상기 온도에 따른 제2 물질의 열-광학 계수의 변화에 기초하여 상기 제1 물질의 열-광학 계수의 변화가 상쇄되도록 상기 제1 물질의 체적에 대한 비율로 상기 복수의 나노홀에 채워질 수 있다.
또한, 상기 복수의 나노홀 각각은 상기 제1 물질의 일면에서 타면으로 관통하는 관통 홀일 수 있다.
또한, 상기 복수의 나노홀의 간격은 서로 다른 피치로 형성된 간격을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 물질은 링 형태 또는 디스크 형태일 수 있다.
한편, 상기 제1 물질은 반도체 소재 또는 절연체 물질이고, 상기 반도체 소재는 Si, Ge 또는 화합물 반도체 소재이며, 상기 절연체 물질은 Si3N4 또는 SiO2일 수 있다.
그리고, 상기 제2 물질은 TiO2, MgZnO, YCOB 또는 GdCOB일 수 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 광 변환기는 상술한 원형 공진기, 기판, 상기 기판 상에 위치하고 입사된 광이 이동하는 광도파로를 더 포함하고, 상기 원형 공진기는 상기 기판 상에 위치하고 상기 광도파로에 인접하게 배치된다.
또한, 광학 소자는 상술한 원형 공진기를 포함하며, 상기 제1 물질은 이종의 물질들로 형성된 복수의 층을 포함하고, 상기 제1 물질의 열-광학 계수는 상기 이종의 물질들 각각에 대한 열-광학 계수의 평균 열-광학 계수이다.
이상 설명한 바와 같이, 원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자는 광 손실 없이 공진 효율을 유지하면서 온도 변화에 대한 영향을 최대한 줄일 수 있다.
또한, 원형 공진기, 이를 포함하는 광 변환기 및 광학 소자는 기존 공정 과정을 통해 용이하게 제작될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 원형 공진기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 나노홀과 빛의 파장과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 균일한 굴절률을 가지는 원형 공진기를 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 리마송 형태로 변형된 공진기를 설명하는 도면이다.
도 5는 실리콘과 이산화티타늄의 굴절 인덱스를 설명하는 도면이다.
도 6은 다양한 원형 공진기의 온도 특성을 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 광 변환기를 나타내는 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 광학 소자의 적층 구조를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시 예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 제어부에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 원형 공진기를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 링 형태의 원형 공진기(100)가 도시되어 있다. 원형 공진기(100)는 온도에 따라 기 설정된 비율로 변화하는 열-광학 계수(Thermo-Optic Coefficient)를 가지는 제1 물질(10)로 제작될 수 있다. 열-광학 계수는 소재가 가지고 있는 열 변화에 따른 굴절률(refractive index)의 변화를 의미한다. 열-광학 계수는 소재의 현재 온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 물질(10)은 반도체 소재 또는 절연체 물질일 수 있다. 반도체 소재는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 화합물 반도체 소재(예, GaAs, GaN, InP, InGaAs, InGaAsP 등) 등을 포함할 수 있다. 그리고, 절연체 물질은 질화규소(Si3N4) 또는 이산화규소(SiO2) 등을 포함할 수 있다. 한편, 제1 물질(10)은 상술한 물질에 한정되는 것은 아니고, 반도체에 사용될 수 있는 물질 또는 절연체로 사용할 수 있는 물질을 모두 포함할 수 있다.
제1 물질(10)에는 복수의 나노홀이 형성된다. 복수의 나노홀 각각은 제1 물질(10)의 일면에서 타면으로 관통하는 관통홀로 형성될 수 있다. 또한, 복수의 나노홀 각각은 관통홀이 아닌 제1 물질(10)의 양면에서 일정한 깊이로 형성될 수도 있다. 즉, 복수의 나노홀 각각은 제1 물질(10)의 일면에서 일정한 깊이로 형성되고, 타면에서 일정한 깊이로 형성될 수도 있다. 복수의 나노홀 각각의 직경은 수 nm 내지 수백 nm 일 수 있다. 복수의 나노홀 간의 간격은 입사되는 광의 파장보다 짧은 피치(pitch)로 형성된다. 예를 들어, 입사되는 광의 파장이 2nm라면, 복수의 나노홀의 모든 간격은 2nm보다 짧은 거리로 형성된다.
복수의 나노홀에는 제2 물질(11)이 채워진다. 제2 물질(11)은 제1 물질(10)의 열-광학 계수의 변화 방향과 상반되는 방향으로 변화하는 열-광학 계수를 가지는 물질이다. 예를 들어, 제1 물질(10)이 온도의 증가에 따라 열-광학 계수가 증가하는 물질로 형성되는 경우, 제2 물질(11)은 온도의 증가에 따라 열-광학 계수가 감소하는 물질일 수 있다. 또는, 제1 물질(10)이 온도의 증가에 따라 열-광학 계수가 감소하는 물질로 형성되는 경우, 제2 물질(11)은 온도의 증가에 따라 열-광학 계수가 증가하는 물질일 수 있다. 일 실시 예로서, 제1 물질(10)이 실리콘인 경우, 제2 물질(11)은 이산화티타늄(TiO2)일 수 있다. 또한, 제2 물질(11)은 이산화티타늄 이외에도 MgZnO, YCOB[YCa4O(BO3)3], GdCOB [GdCa4O(BO3)3] 등의 물질을 포함할 수 있다. 상술한 예는 일 실시 예이며, 제1 물질(10)의 열-광학 계수에 따라 제2 물질(11)은 적절하게 선택될 수 있다.
원형 공진기(100)는 입사되는 광을 반사 또는 굴절시켜 원하는 파장의 빛을 통과 또는 차단시킨다. 그러나, 원형 공진기(100)가 동작할 때, 시간에 따라 원형 공진기(100)를 형성하는 소재의 온도가 변화한다. 소재의 온도가 변화하는 경우 열-광학 계수가 달라지기 때문에 소재의 온도가 일정 범위 이상 변화하면 원형 공진기(100)는 정상적인 동작을 할 수 없다. 그러나, 본 개시의 원형 공진기(100)는 제1 물질(10)의 열-광학 계수를 상쇄시킬 수 있는 제2 물질(11)을 포함함으로써 온도가 변화하더라도 열-광학 계수의 변화를 거의 0에 가깝게 유지할 수 있다. 따라서, 본 개시의 원형 공진기(100)는 Q 인자(Q-factor)의 손실없이 온도에 강건한 특성을 가질 수 있다.
한편, 도 1에서는 링 형태의 원형 공진기가 도시되어 있으나, 원형 공진기는 디스크 형태로 형성될 수도 있다. 디스크 형태의 원형 공진기는 제1 물질이 전체 영역에 채워진 형태이고, 복수의 나노홀은 제1 물질 전체에 분포될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 복수의 나노홀에는 제1 물질의 열-광학 계수를 상쇄시킬 수 있는 제2 물질이 채워질 수 있다.
또한, 본 개시에서 표현한 원형은 완전한 원만을 의미하는 것이 아니고, 일부 영역이 찌그러진 원, 타원 등 꼭지점이 존재하지 않은 굴곡으로 형성된 유사 원을 포함하는 도형을 의미한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 나노홀과 빛의 파장과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 2(a)는 원형 공진기(100)에 입사되는 빛의 파장이 도시되어 있고, 도 2(b)에는 원형 공진기(100)의 측면이 도시되어 있다. 도 2(b)에서 원형 공진기(100)에 형성된 나노홀은 점선으로 표시되었다.
상술한 바와 같이, 원형 공진기(100)의 나노홀 간의 간격은 입사되는 빛의 파장보다 짧은 피치로 형성되어야 한다. 예를 들어, 입사되는 빛의 파장이 λ이고 나노홀 간의 간격이 d라면, 나노홀 간의 모든 간격에 대해 λ>d의 관계가 만족해야 한다.
한편, 도 2(b)에서는 나노홀이 원형 공진기(100)의 일면에서 타면으로 관통된 관통홀로 도시되어 있으나, 나노홀은 일면에서 일정한 깊이로 형성되고, 타면에서 일정한 깊이로 형성될 수도 있다. 또한, 도 2(b)에서는 나노홀이 대칭 형태로 배치되어 있으나, 나노홀은 비대칭형으로 배치될 수도 있다. 즉, 나노홀 간의 간격은 서로 동일한 피치로 형성될 수도 있고, 서로 다른 피치로 형성될 수 있다. 나노홀 간의 간격이 입사되는 광의 파장보다 짧다면, 나노홀은 임의의 위치에 임의의 형태로 배치될 수 있다.
아래에서는 본 개시의 원형 공진기(100)의 동작의 배경이 되는 변환 광학에 대해 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 균일한 굴절률을 가지는 원형 공진기를 설명하는 도면이다.
변환 광학 이론의 출발은 빛이 전파되는 공간을 왜곡시키면 왜곡된 공간에 따라 빛이 굴곡된다는 이론인 아이슈타인의 상대성 이론으로부터 출발된다. 중력에 의해 굴곡된 빛의 경로는 공간에 따라 변화될 수 있는 광학 재료 파라미터(optical material parameters)를 갖는 소재 내부에서 모방될 수 있다. 맥스웰 방정식(Maxwell’s equation)에 의해 모든 전자기파(electromagnetic field)의 움직임이 정의된다. 전자기파가 움직이는 공간이 바뀌면 맥스웰 방정식 자체는 변하지 않고 유전율(permittivity)과 자기투자율(magnetic permeability) 상수만 변하는 특징이 있다. 변환 광학 이론은 상술한 전자기파의 성질을 반대로 이용한 것으로 유전율과 자기투자율의 조절로 전자기파가 움직이는 공간을 제어하는 이론이다.
등각 매핑이 도입된 변환 광학의 이론의 적용으로 원형 공진기 내부의 굴절률이 설정될 수 있다. 원형 공진기 내부의 굴절률은 서로 다른 값이 되도록 설정될 수도 있다. 원형 공진기 내부의 굴절률은 유전율 및 투자율 중 적어도 어느 하나의 조절로 설정될 수 있다.
굴절률의 설정에 의해 완전한 원형의 공진기뿐만 아니라 유사 원형 유전체 공진기의 내부에서도 빛의 전반사가 발생될 수 있다. 따라서, 유사 원형 유전체 공진기에서도 '속삭임의 회랑 모드(WGM)'가 발생되면서 높은 Q 인자(Q-factor)가 유지될 수 있고, 굴절률이 설정되지 않은 종래의 유사 원형 유전체 공진기에 비해 빛이 머무르는 시간이 약 1천배 이상 길 수 있다. Q 인자(Q-factor)는 빛이 공진기 안에서 얼마나 오랫동안 갇혀있는가를 나타내는 정략적 지표를 의미한다.
도 3a 및 3b는 균일한 굴절률을 갖는 원형 공진기에 균일한 격자를 지닌 복소 평면 w(w=u+vi)이 매핑된 평면 직각 좌표계 및 빛의 궤적을 나타낸 것이다. χ는 공진기 내부의 w평면에서의 빛의 입사각을 의미한다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 원형 공진기 내부에서의 빛의 궤적이 직선 형태로 나타날 수 있다. 원형 공진기 내부에서 굴절률은 균일하게 분포되어 있으므로 원형 공진기 내부의 각각의 영역에서의 빛의 입사각은 전반사 조건을 만족할 수 있도록 임계각으로 유지될 수 있다. 따라서, 빛의 전반사에 의해 속삭임의 회랑 모드(WGM)가 발생될 수 있으므로 균일한 굴절률을 갖는 원형 공진기에서 공진 현상이 나타날 수 있다. 공진 현상은 외부로 나가는 경계 조건(outgoing boundary condition)하에서 2차 편미분 방정식 중의 하나인 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)의 해에 의해 발생될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 리마송 형태로 변형된 공진기를 설명하는 도면이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 도 3a에 개시된 균일한 굴절률을 갖는 원형 공진기의 평면 직각 좌표계에 대응되도록 리마송 형태의 공진기의 등각 변환 좌표가 획득될 수 있다.
도 3a에 개시된 원형 공진기의 직각 좌표인 복소 평면(w=u+vi)에 대응되도록 리마송 형태의 유전체 공진기의 등각 변환 좌표인 복소 평면(z=x+iy)이 획득될 수 있다.
상술한 방법에 의해 획득된 등각 변환 좌표는 리마송 형태의 유전체 공진기에 매핑(mapping)될 수 있다. 등각 변환 좌표인 z평면으로 매핑된 리마송 형태의 공진기 내부에서 빛의 입사각이 전반사 조건을 만족하도록 리마송 형태의 공진기 내부에서의 굴절률이 설정될 수 있다. 리마송 형태의 공진기 내부에서의 굴절률은 공간적인 위치에 따라 각각 다르게 설정될 수 있어 리마송 형태의 공진기 내부에서의 굴절률은 서로 다른 값을 가질 수도 있다.
z평면인 등각 변환 좌표가 매핑된 리마송 형태의 공진기 내부에서의 굴절률이 다르게 설정되면 균일한 굴절률을 가진 원형 유전체 공진기에서 나타나는 공진현상과 동일한 공진현상이 리마송 형태의 유전체 공진기에서 나타날 수 있다. 리마송 형태의 공진기 내부의 각각의 경계 영역에서 빛의 입사각은 임계각이 될 수 있으므로 빛의 전반사가 발생될 수 있다.
도 3a에 개시된 원형 공진기의 w평면의 균일한 격자에서 빛의 궤적이 직선이었지만 리마송 형태의 유전체 공진기의 z평면의 격자는 휘어질 수 있고, 빛의 궤적 또한 곡선 형태가 될 수 있다. 상술한 곡선 형태의 빛의 입사각은 w평면에서의 빛의 입사각χ와 동일하게 유지될 수 있고, 리마송 형태의 공진기 내부의 각각의 경계 영역에서 빛의 입사각χ는 임계각이 될 수 있다. 따라서, 리마송 형태의 공진기는 원형 공진기에서 나타나는 WGM의 형태와 동일한 높은 Q 인자를 유지할 수 있다.
본 개시는 상술한 원형 공진기의 동작 배경을 기초로 온도 변화에 강건한 원형 공진기를 제공하는 것이다. 따라서, 아래에서는 원형 공진기를 형성하는 제1 물질과 제2 물질의 열-광학 계수와 관련하여 설명한다. 일 실시 예로서 제1 물질은 실리콘, 제2 물질은 이산화티타늄인 경우를 설명한다.
도 5는 실리콘과 이산화티타늄의 굴절 인덱스를 설명하는 도면이다.
도 5(a)에는 실리콘의 굴절 인덱스가 도시되어 있고, 도 5(b)에는 이산화티타늄의 굴절 인덱스가 도시되어 있다. 도 5(a)를 참조하면 실리콘의 열-광학 계수는 온도의 증가에 따라 약 1.86×10-4 K-1의 비율로 증가하고, 도 5(b)를 참조하면 이산화티타늄의 열-광학 계수는 온도의 증가에 따라 약 2.15×10-4 K-1의 비율로 감소한다.
만일, 원형 공진기가 실리콘만으로 이루어진 경우, 원형 공진기는 온도의 변화에 따라 열-광학 계수가 변하고, 열-광학 계수가 일정 수준 이상 변하는 경우 원형 공진기는 정상적인 동작을 할 수 없다.
그러나, 실리콘에 나노홀을 형성하고, 나노홀에 이산화티타늄이 삽입되면, 온도가 변하더라도 실리콘의 열-광학 계수의 변화가 이산화티타늄의 열-광학 계수의 변화에 의해 상쇄될 수 있으므로 원형 공진기의 전체적인 열-광학 계수는 거의 변화하지 않는다. 따라서, 본 개시의 원형 공진기는 온도 민감성이 없고, 온도의 변화에 강건한 특성을 가질 수 있다.
상술한 실리콘 및 이산화티타늄은 일 실시 예이며, 제1 물질은 다양한 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제2 물질은 원형 공진기에 형성되는 제1 물질의 열-광학 계수를 고려하여 제1 물질의 열-광학 계수가 상쇄될 수 있는 열-광학 계수를 가지는 물질로 선택될 수 있다.
한편, 제2 물질은 온도에 따른 제2 물질의 열-광학 계수의 변화에 기초하여 제1 물질의 열-광학 계수의 변화가 상쇄될 수 있도록 원형 공진기를 형성하는 제1 물질의 체적에 대한 비율로 나노홀에 삽입될 수 있다. 제2 물질제1 물질일 실시 예로서, 제1 물질이 실리콘이고 제2 물질이 이산화티타늄인 경우, 원형 공진기의 제1 물질과 제2 물질의 비율은 약 1.15:1의 비율일 수 있다. 제1 물질의 체적에 따라, 나노홀의 갯수 또는 크기를 조절하여 전체 나노홀에 채워지는 제2 물질의 체적이 조절될 수 있다.
도 6은 다양한 원형 공진기의 온도 특성을 나타내는 도면이다.
도 6(a)에는 광학 시뮬레이션 툴인 COMSOL을 이용한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 먼저, 기존의 원형 공진기 구조에서는 주파수 스펙트럼의 온도 의존성(Temperaure Depnedence of the Wavelength Spectrum, TDWS)이 약 80.4 pm/℃ 정도로 매우 크다. 그러나, 제안된 구조의 경우, 실리콘의 비율에 따라 약 48 pm/℃, 19 pm/℃ 정도로 온도 의존성이 감소되었다.
도 6(b)에는 다른 광학 시뮬레이션 툴인 Lumerical FDTD를 이용한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 기존 구조에서는 TDWS가 약 79.6 pm/℃ 정도로 매우 크다. 그러나, 제안된 구조의 경우, 약 6.528 pm/℃ 정도로 온도 의존성이 감소되었다.
상술한 실험 결과에 의해 제1 물질만으로 형성된 원형 공진기보다 나노홀에 제2 물질을 삽입한 원형 공진기의 온도 의존성이 낮다는 결과를 알 수 있고, 제2 물질과 제1 물질의 비율에 따라 온도 의존성은 조절될 수 있다는 결과를 알 수 있다. 따라서, 본 개시는 제1 물질에 나노홀을 형성하고, 나노홀에 제1 물질의 열-광학 계수를 상쇄시킬 수 있는 체적의 제2 물질을 조절하여 삽입함으로써 온도 변화에 강건한 원형 공진기를 제공할 수 있다. 또한, 본 개시의 원형 공진기의 외장재(cladding)에 굴절 인덱스가 낮은 공기를 사용할 수 있고, 홀 사이 간격이 파장에 비해 매우 작으므로 기존 단일 물질 기반 원형 공진기가 갖는 높은 Q 인자의 손실을 최소화하여 동작하는 것이 가능하다.
지금까지, 제1 물질은 실리콘, 제2 물질은 이산화티타늄인 경우를 중심으로 설명하였다. 그러나, 상술한 바와 같이, 제1 물질은 실리콘 이외에도 다양한 반도체 소재 또는 절연체 물질일 수 있고, 제2 물질은 제1 물질의 열-광학 계수를 상쇄시킬 수 있는 다양한 물질일 수 있다. 제1 물질과 제1 물질의 열-광학 계수를 상쇄시킬 수 있는 제2 물질을 적용함으로써 원형 공진기는 온도가 변화하더라도 열-광학 계수의 변화를 거의 0에 가깝게 유지할 수 있다
한편, 본 개시의 원형 공진기는 다양한 장치에 이용될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 광 변환기를 나타내는 도면이다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면 본 개시의 일 실시 예에 따른 광 변환기가 도시되어 있다. 도 7(b)에는 원형 공진기(100)와 광도파로(110)의 단면이 도시되어 있다.
광 변환기는 원형 공진기(100), 광도파로(110) 및 기판(120)을 포함한다. 기판(120)은 다양한 물질로 형성될 수 있는데, 굴절 인덱스가 작은 물질이 유리하다. 상술한 바와 같이, 원형 공진기(100)는 제1 물질(10)과 제1 물질에 형성된 나노홀에 채워진 제2 물질(20)을 포함하고, 기판 상에 위치한다. 원형 공진기(100)의 제1 물질은 굴절 인덱스가 큰 물질이 유리하다. 광도파로(110)는 기판(120) 상에 위치하고 입사된 광이 이동하는 경로이다. 예를 들어, 광 변환기에 적외선이 입사되는 경우, 광도파로(110)는 굴절 인덱스가 작은 물질이 유리하다. 원형 공진기(100)와 광도파로(110)는 미세하게 이격되어 배치된다. 예를 들어, 원형 공진기(100)와 광도파로(110) 사이의 간격은 약 200nm로 형성될 수 있다. 원형 공진기(100)의 직경은 12um일 수 있고, 광도파로(110)의 폭은 450nm일 수 있다. 상술한 수치는 일 실시 예이며, 입사되는 빛의 파장 등을 고려하여 원형 공진기(100), 광도파로(110) 및 간격은 다양하게 형성될 수 있다.
광 변환기는 다음과 같이 동작한다. 광도파로(110)의 일단을 통해 다양한 파장의 광이 입사될 수 있다. 광도파로(110)에 입사된 광은 대부분 광도파로(110)의 타단을 통해 출력될 수 있다. 그러나, 원형 공진기(100)와 공진이 발생하는 파장의 빛은 원형 공진기(100)로 전달되어 원형 공진기(100) 내부에서 전반사된다. 따라서, 원형 공진기(100)와 공진이 발생하는 파장의 빛은 광도파로(110)의 타단으로 출력되지 않는다.
도 8에는 구체적인 광 변환기의 구조가 도시되어 있다.
상술한 바와 같이, 기판 상에 원형 공진기(100)와 광도파로(110)가 이격되어 배치될 수 있다. 원형 공진기(100)가 링 형태라면, 원형 공진기(100) 내부 및 외부에는 각각 n+ 타입으로 도핑된 제1 물질(130)과 p+ 타입으로 도핑된 제1 물질(140)이 배치될 수 있고, n+ 타입으로 도핑된 제1 물질(130)과 p+ 타입으로 도핑된 제1 물질(140) 간에 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, n+ 타입으로 도핑된 제1 물질(130)과 p+ 타입으로 도핑된 제1 물질(140)은 실리콘일 수 있고, 원형 공진기(100)는 n+ 타입으로 도핑된 제1 물질(130)과 p+ 타입으로 도핑된 제1 물질(140) 각각과 접합된 형태로 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 다양한 실시 예의 광 변환기가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 원형 공진기는 링 형태 또는 디스크 형태로 형성될 수 있다. 도 9(a)에는 디스크 형태의 원형 공진기(100a)를 포함하는 광 변환기가 도시되어 있고, 도 9(b)에는 링 형태의 원형 공진기(100b)를 포함하는 광 변환기가 도시되어 있다. 원형 공진기(100a, 100b)의 주변에는 광이 이동하는 광도파로(110)가 배치된다.
디스크 형태의 원형 공진기(100a)의 제1 물질에는 전체에 걸쳐 나노홀이 형성될 수 있고, 나노홀에는 온도에 따른 제1 물질의 열-광학 계수의 변화 방향과 상반되는 방향으로 변화하는 열-광학 계수를 가지는 제2 물질이 삽입될 수 있다. 나노홀의 배치 및 크기는 다양하게 형성될 수 있다. 그러나, 나노홀 간의 간격은 입사되는 빛의 파장보다 짧게 형성되어야 한다.
한편, 원형 공진기는 광학 소자에 사용될 수도 있다.
도 10a 내지 도 10c는 광학 소자의 적층 구조를 나타내는 도면이다.
일 실시 예로서, 광학 소자는 레이저 다이오드 등을 포함할 수 있다. 광학 소자는 다양한 화합물 반도체가 적층된 에피택셜(epitaxial) 구조로 형성될 수 있다. 즉, 상술한 원형 공진기에서 설명한 제1 물질은 단일 물질로 형성될 수 있을 뿐만 아니라 서로 다른 다양한 화합물을 적층하여 형성될 수도 있다. 광학 소자와 같이, 제1 물질이 다양한 화합물의 적층 구조로 형성되는 경우, 제2 물질은 제1 물질의 다양한 화합물 각각의 열-광학 계수의 평균 열-광학 계수에 기초하여 선택될 수 있다. 즉, 광학 소자의 제1 물질은 서로 다른 물질들로 형성된 복수의 층으로 구현되고, 제1 물질의 열-광학 계수는 서로 다른 물질들 각각에 대한 열-광학 계수의 평균 열-광학 계수일 수 있다.
지금까지, 본 개시의 원형 공진기가 광 변환기 및 레이저 다이오드와 같은 광학 소자에 응용되는 실시 예를 설명하였다. 그러나, 본 개시의 원형 공진기는 다양한 광학 소자, 바이오센서 등과 같은 소자에 적용될 수 있다. 또한, 본 개시의 원형 공진기는 온도 의존성을 해결함으로써 초소형, 고성능, 고감도 및 성능이 안정된 소자의 개발에 이용될 수 있다.
100: 원형 공진기
10: 제1 물질 11: 제2 물질

Claims (9)

  1. 온도에 따라 기 설정된 비율로 변화하는 열-광학 계수(Thermo-Optic Coefficient)를 가지고 복수의 나노홀을 포함하는 원형으로 형성된 제1 물질; 및
    온도에 따른 상기 제1 물질의 열-광학 계수의 변화 방향과 상반되는 방향으로 변화하는 열-광학 계수를 가지고, 상기 복수의 나노홀에 채워지는 제2 물질;을 포함하고,
    상기 복수의 나노홀 간의 간격은,
    입사되는 광의 파장보다 짧은 피치(pitch)로 형성되는 원형 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 물질은,
    상기 온도에 따른 제2 물질의 열-광학 계수의 변화에 기초하여 상기 제1 물질의 열-광학 계수의 변화가 상쇄되도록 상기 제1 물질의 체적에 대한 비율로 상기 복수의 나노홀에 채워지는 원형 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노홀 각각은,
    상기 제1 물질의 일면에서 타면으로 관통하는 관통 홀인 원형 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노홀의 간격은,
    서로 다른 피치로 형성된 간격을 포함하는 원형 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 물질은,
    링 형태 또는 디스크 형태인 원형 공진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 물질은 반도체 소재 또는 절연체 물질이고,
    상기 반도체 소재는 Si, Ge 또는 화합물 반도체 소재이며,
    상기 절연체 물질은 Si3N4 또는 SiO2인 원형 공진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 물질은,
    TiO2, MgZnO, YCOB 또는 GdCOB인 원형 공진기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항의 상기 원형 공진기;를 포함하고,
    기판;
    상기 기판 상에 위치하고 입사된 광이 이동하는 광도파로;를 더 포함하고,
    상기 원형 공진기는
    상기 기판 상에 위치하고 상기 광도파로에 인접하게 배치되는 광 변환기.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항의 상기 원형 공진기;를 포함하고,
    상기 제1 물질은 이종의 물질들로 형성된 복수의 층을 포함하고,
    상기 제1 물질의 열-광학 계수는 상기 이종의 물질들 각각에 대한 열-광학 계수의 평균 열-광학 계수인 광학 소자.
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