KR100442063B1 - 상부 증폭방식의 도파로 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 규소 나노클러스터와 희토류 원소가 공동으로 도핑된 실리카 또는 실리카 계열물질로 이루어진 도파로 증폭기에 관한 것으로서, 특히 상부 펌핑방식을 채택하고 펌핑광 집속수단에 의해 효율을 증가시킨 도파로 증폭기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 도파로 증폭기는: (a) 기판과; (b) 상기 기판 상에 형성된 하부 클래딩층과; 상기 하부 클래딩층 위에 형성되며, 규소 나노클러스터와 희토류 원소가 공동 도핑된 실리카 또는 실리카 계열물질로 이루어지며, 상기 하부 클래딩층보다 높은 굴절률을 갖는 코어층과; 상기 코어층 상에 형성된 상부 클래딩층;으로 이루어지는 광도파로와; (c) 상기 광도파로의 상부에 이격되게 위치하며, 상기 광도파로를 상부에서 펌핑하는 광원;을 구비하여, 상기 규소 나노클러스터에서 생성되는 전공결합을 통하여 희토류 원소를 여기시킴으로써 작동하는 것을 특징으로 한다.

Description

상부 증폭방식의 도파로 증폭기 {Top-pumped waveguide amplifier}

본 발명은 규소 나노클러스터와 희토류 원소가 공동으로 도핑된 실리카 또는 실리카 계열물질로 이루어진 도파로 증폭기에 관한 것으로서, 특히 상부 펌핑방식을 채택하고 펌핑광 집속수단에 의해 효율을 증가시킨 도파로 증폭기에 관한 것이다.

현재 도파로 증폭기(waveguide amplifier)의 제작에는 희토류 도핑된 실리카 또는 실리카 계열 물질들이 가장 널리 쓰이고 있다. 그러나 이들은 희토류 원소들을 광학적으로 직접 펌핑하기 때문에 흡수 단면적(absorption cross section)이 좁은 흡수대(absorption band)에 한정되어 있고, 값 또한 4x10^-21cm²정도로 극히 적다. 이 때문에 이러한 도파로 증폭기를 펌핑하기 위해서는 고가의 레이저를 광원으로 이용하고, 여기서 나오는 빛을 광섬유를 이용하여 도파로에 커플링하는 엔드-파이어(end-fire) 방식을 사용해야 한다.

그러나 이러한 도파로에 규소 나노클러스터를 공동 도핑할(co-doping)할 경우 규소 나노클러스터에서의 전공결합으로 희토류 원소들을 여기시킬 수 있는데, 이러한 경우 유효 여기 단면적(effective excitation cross section)은 대략 1x10^-15cm²정도가 된다. 통상적으로 규소 나노클러스터의 농도가 1x10¹⁸cm³임을 고려하면 이는 흡수 깊이(absorption depth)가 10㎛ 이하임을 의미한다. 따라서, 이러한 소재로 도파로 증폭기를 제작할 경우, 아직 시도된 바는 없지만, 광원을 도파로 위에 위치시키는 상부-펌핑(top-pumping)을 행한다면 효율성을 높일 수 있을 것이다. 특히 이러한 경우 광원은 규소 나노클러스터에 캐리어(carrier)만 생성하면 되므로 고가의 레이저가 아닌 저가의 광대역 광원, 예컨대 LED 등을 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 엔드-파이어 방식은 광원에서 나오는 빛을 광섬유를 이용하여 거의 모두 도파로에 커플링할 수 있는 것에 반하여 광원을 도파로 위에 위치시키는 상부-펌핑 방식은 광원에서 나오는 빛이 모두 도파로 안으로 유도되지 않기 때문에 실질적인 펌프파워는 광원에서 나오는 파워보다 훨씬 약하며, 이 때문에 여기 효율이 낮을 우려가 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 상부-펌핑을 행하면서도 광원으로부터의 광을 도파로 안으로 효율적으로 유도할 수 있는 도파로 증폭기를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

도 1은 본 발명의 기본적 아이디어인 상부-펌핑을 도식적으로 나타낸 도면;

도 2는 상부-펌핑 방식을 사용한 도파로 증폭기에서 외부 신호를 증폭시키는 예들을 보여주는 그래프;

도 3은 펌핑광을 공유하는 상부-펌핑 방식의 개요도;

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광집속방식을 이용한 도파로 증폭기의 개략적 단면도;

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광집속방식을 이용한 도파로 증폭기의 개략적 단면도; 및

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광집속방식을 이용한 도파로 증폭기의 개략적 단면도이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 도파로 증폭기는:

(a) 기판과;

(b) 상기 기판 상에 형성된 하부 클래딩층과; 상기 하부 클래딩층 위에 형성되며, 규소 나노클러스터와 희토류 원소가 공동 도핑된 실리카 또는 실리카 계열물질로 이루어지며, 상기 하부 클래딩층보다 높은 굴절률을 갖는 코어층과; 상기 코어층 상에 형성된 상부 클래딩층;으로 이루어지는 광도파로와;

(c) 상기 광도파로의 상부에 이격되게 위치하며, 상기 광도파로를 상부에서 펌핑하는 광원;

을 구비하여, 상기 규소 나노클러스터에서 생성되는 전공결합을 통하여 희토류 원소를 여기시킴으로써 작동하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 광원은 가시광선 영역의 광을 방출하는 것을 사용하는 것이 바람직하며, LED 또는 플래시 램프를 사용할 수 있다.

또한, 상기 광원의 빔 스폿 내에 복수 개의 광도파로를 배치할 수도 있다.

위와 같은 본 발명의 구성 전체에 걸쳐 상기 광원으로부터 나온 광을 상기 광도파로에 집속시키기 위한 집속수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 상기 상부 클래딩층 상에 볼록렌즈 모양의 돌출부를 형성하여, 상기 광원으로부터 나온 펌핑광을 굴절에 의해 상기 도파로에 집속한다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 상기 도파로의 주변에 거울 표면을 형성하여, 상기 광원으로부터 나온 펌핑광을 반사에 의해 상기 도파로에 집속한다.

본 발명의 제3 실시예에 따르면, 상기 기판과 하부 클래딩층 사이에 반사를 위한 거울 코팅을 행하여 상기 광원으로부터 나온 펌핑광을 반사에 의해 상기 도파로에 집속한다.

이하 첨부 도면을 참조하며 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 기본적 아이디어인 상부-펌핑을 도식적으로 나타낸 도면이다. 나노클러스터와 희토류 원소가 공동 도핑된 실리카 또는 실리카 계열물질로 이루어진 도파로는 가시광선 영역에서 강한 흡수특성을 나타내고 적외선 영역에서는 흡수특성을 나타내지 않는다는 것을 이용하여 가시광선 영역의 광을 방출하는 광대역 광원(미도시)을 도파로(100) 상부에 위치시키고 위에서부터 펌핑광을 쐬어준다. 도파로(100) 내부로 들어간 광은 나노클러스터의 전공결합을 일으키고 이에 의해 희토류 원소들이 여기된다. 입력광이 여기된 희토류 원소들로부터 에너지를 받아 도파로(100)를 통과하면서 증폭되어 출력광으로 나오게 된다.

도 2는 상부-펌핑 방식을 사용한 본 발명의 도파로 증폭기에서 외부 신호를 증폭시키는 예들을 보여주는 그래프이다. 그래프에 나타난 곡선들은 외부에서 광신호를 도파로에 입사시키면서 도파로에 펌핑광을 쬐어 주고, 이 때 도파로를 통과하여 나온 신호를 측정한 스펙트럼들이다. 도 2를 참조하면, 펌프 파워가 0.5 W/cm²이 초과하면서부터 광신호가 증폭됨을 알 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서는 펌핑광을 도파로에 집속시키는 수단을 사용하지 않았다. 따라서, 집속수단을 사용한다면 도파로 증폭기의 증폭효율을 더 증가시키게 된다.

한편, 이러한 광대역 광원을 이용한 상부-펌핑의 경우 광원에서 나오는 빛이 퍼지게 되기 때문에 광원에서 방출되는 빛이 모두 도파로 증폭기를 펌핑하는 데 사용되는 것은 아니다. 그러므로, 이 문제를 해결하기 위해서는 도파로의 크기를 늘리거나, 아니면 광원에서 방출되는 빛을 집속해야 한다.

하지만 하나 하나의 도파로의 크기는 광섬유와의 커플링 등의 문제 때문에 10㎛ 정도 이상으로 늘릴 수 없다. 또한, 광원에서 방출되는 광을 집속한다고 해도 빔 스폿(beam spot)도 무한정 줄일 수는 없다. 통상적인 광대역 광원에서의 빔 스폿이 1㎜ 정도이므로 이러한 빔 스폿 안에 수십 개의 도파로를 배치할 수 있으며, 이는 펌핑 효율을 실질적으로 수십 배 올려주는 결과를 가져온다. 도 3은 이와 같이 펌핑광을 공유하는 상부-펌핑 방식을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 기판(300) 상에 도파로(100)들이 평행하게 다수 개 형성되어 있는데, 이 도파로(100)들은 그 상부에 위치한 광대역 광원(310)에서 나온 광의 빔 스폿을 서로 공유한다.

한편, 상부-펌핑을 행함에 있어서 광원으로부터 나온 광을 광도파로에 집속시키기 위해 본 발명의 도파로 증폭기는 집속수단을 더 구비할 수 있는데, 이하의 실시예에서 이와 같은 집속수단에 대해 설명한다. 또한, 동일 참조부호는 동일 구성요소를 나타내며 중복적인 설명은 생략한다.

[제1 실시예]

펌핑효율을 높이기 위해, 물론 광원에서의 빛을 모아서 도파로에 펌핑할 수도 있다. 그러나, 이러한 경우 도파로의 크기가 극히 작기 때문에 렌즈 등의 광학소자를 따로 사용하는 것은 한계가 있다. 그러므로 광 집속을 저렴한 비용으로 하기 위해서, 도 4에 도시한 바와 같이, 코어층(102)의 상부 클래딩(400)에 볼록렌즈 역할을 하는 돌출부(410)를 형성한다. 이 돌출부(410)는 코어층(102)과 마찬가지로 라인형상으로 형성된다. 이와 같은 돌출부(410)는 상부 클래딩(400)을 식각해서 형성할 수도 있고, 상부 클래딩(400) 증착 후 PMMA 등의 폴리머를 사용하여 형성할 수도 있다.

한편, 상부 클래딩(400)을 식각하여 돌출부(410)를 형성할 경우에는 '확산제어식각(diffusion-limited etching)'을 이용할 수 있다. 이 식각방법은 반도체 소자의 제조공정에 거의 쓰이지 않지만 간혹 특수한 형태의 구조를 식각할 경우에 선택적으로 사용되기도 하는 것인데, 식각의 원리가 식각제 자체의 확산에 의존하고 있기 때문에, 확산이 원활하여 식각제가 많이 공급되는 영역에서는 식각속도가 빨라지는 반면, 확산이 적어 식각제 공급이 원활하지 않은 영역에서는 식각속도가 더뎌지는 현상이 존재한다. 따라서, 개구라인이 형성된 식각 마스크를 사용한다면 개구라인의 중앙 부분에서는 식각이 느리고, 개구라인의 둘레에서는 식각이 빨라서 라인 형태의 돌출부(410)를 갖게 된다.

도 4에서 설명되지 않은 참조번호 430은 기판이며, 420은 실리카 하부 클래딩이다.

[제2 실시예]

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광집속방식을 이용한 도파로 증폭기의 개략적 단면도이다. 본 실시예에서는 하부 클래딩(422)을 깊게 식각하고 코팅하여 오목거울(M1)을 형성함으로써 굴절이 아닌 반사에 의해 펌핑광을 코어층(102)으로 집속한다. 이 때 코어층(102)이 오목거울(M1)의 초점에 놓이도록 코어층(102)의 위치와 오목거울(M1)의 곡률을 조절한다. 도 5에서 설명되지 않은 참조번호 412는 상부 클래딩을 나타낸다.

[실시예 3]

제2 실시예에서는 거울을 제작하기 위해 깊은 식각을 해야 한다. 이러한 공정을 진행하기가 다소 곤란할 경우에는 거울을 사용하더라도 깊은 식각을 행하지 않는 구조를 채택하는 것이 바람직하다. 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광집속방식을 이용한 도파로 증폭기의 개략적 단면도이다. 도 6을 참조하면, 투명한 기판(432)에 라인형상의 그루브(groove)를 형성하고 이에 거울 코팅을 행하여 거울(M2)을 형성한다. 이 때에도, 코어층(102)은 거울(M2)의 초점에 위치하도록 한다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따르면 광대역 광원을 사용할 경우에 도파로당 당 펌프 효율이 높아지기 때문에 저가로도 고효율의 도파로 증폭기를 구현할 수 있다. 이는 광소자의 단가를 크게 낮출 뿐 아니라 광소자들끼리의 집적 역시 가능하게 하여 광소자의 개발에 혁신적 변화를 가져올 수 있다.

Claims (8)

1. (a) 기판과;

   (b) 상기 기판 상에 형성된 하부 클래딩층과; 상기 하부 클래딩층 위에 형성되며, 규소 나노클러스터와 희토류 원소가 공동 도핑된 실리카 또는 실리카 계열물질로 이루어지며, 상기 하부 클래딩층보다 높은 굴절률을 갖는 코어층과; 상기 코어층 상에 형성된 상부 클래딩층;으로 이루어지는 광도파로와;

   (c) 상기 광도파로의 상부에 이격되게 위치하며, 상기 광도파로를 상부에서 펌핑하는 광원;

   을 구비하여, 상기 규소 나노클러스터에서 생성되는 전공결합을 통하여 희토류 원소를 여기시킴으로써 작동하는 도파로 증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원이 가시광선 영역의 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 도파로 증폭기.
3. 제2항에 있어서, 상기 광원이 LED 또는 플래시 램프인 것을 특징으로 하는 도파로 증폭기.
4. 제1항에 있어서, 상기 광원의 빔 스폿 내에 복수 개의 광도파로를 배치한 것을 특징으로 하는 도파로 증폭기.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 광원으로부터 나온 광을 상기 광도파로에 집속시키기 위한 집속수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 도파로 증폭기.
6. 제5항에 있어서, 상기 상부 클래딩층 상에 볼록렌즈 모양의 돌출부를 형성하여, 상기 광원으로부터 나온 펌핑광을 굴절에 의해 상기 도파로에 집속하는 것을 특징으로 하는 도파로 증폭기.
7. 제5항에 있어서, 상기 도파로의 주변에 거울 표면을 형성하여, 상기 광원으로부터 나온 펌핑광을 반사에 의해 상기 도파로에 집속하는 것을 특징으로 하는 도파로 증폭기.
8. 제5항에 있어서, 상기 기판과 하부 클래딩층 사이에 반사를 위한 거울 코팅을 행하여 상기 광원으로부터 나온 펌핑광을 반사에 의해 상기 도파로에 집속하는 것을 특징으로 하는 도파로 증폭기.