광전자공학 챕터04.집적 광도파로 개요

집적광학이란 기판위에 광소자와 회로망들을 제작하는 기술이다.

이는 집적 전자회로들을 제작하는 기술과 유사하다.

또한 이 분야를 언급할 때 집적 광전자공학 또는 집적 광자공학 이라는 표현들이 쓰인다. 광자공학은 그 자체가 광학과 전자공학을 결합하여 구성된 전송 시스템을 나타내는 것이다. 집적 광학은 기능성 시스템 또는 부분시스템을 생산하기 위하여 단일기판 위에  광학소자와 전자소자들을 함께 결합시키는 것이다. 집적소자들은 대부분 광파장 차수의 크기를 갖는다. 이 기술은 집적회로의 경우처럼 견고성, 소형화, 그리고 저가의 제품생산과 같은 많은 제작상의 이점을 제공한다.

더욱이 광파이버를 이용한 장거리 상호통신을 위하여 필수적 광소자인 광 송신기, 수신기 그리고 중계기를 완전하게 설계할 수 있다.

집적광학망 내에서 광은 구형 유전체 평판 도파로를 통하여 부품간에 전송된다. 집적 광도파로에서 전송 특성은 광파이버의 전송 특성과 유사하므로 광이 평판 도파로에서 어떻게 전송하는지를 이장에서 알아볼것이다. 평판 도파로에서 진행하는 파동에 관한 연구는 우리에게 광파이버의 전송 특성을 가시화하는데 도움을 줄것이다. 구형 도파로는 원형의 광파이버 구조보다 해석하기에 훨씬 쉬우므로 광파이버를 해석하기 이전에 먼저 구형 도파로를 다룬다.

구형 도파로의 특성 해석과 더불어, 이장에서는 집적화된 부품과 집적회로의 결합 특성을 간단히 취급하겠다.

도파로 : 전송로로 사용되는 도체로 만든, 속이 빈 도관(導管). 마이크로파 이상의 높은 주파수(1GHz 이상)의 전기 에너지나 신호를 전송하기 위한 전송로의 일종인데, 구리 등의 전기 도체로 된 관 내부를 전자기파가 지나가게 한 것이다. 일종의 고역 필터 성질이 있으며, 차단 파장보다도 긴 파장의 전파는 전할 수 없다. 또 도파관의 축을 따라 전하는 파동의 파장은 관내 파장이라 불리며, 여진 파장(勵振波長)보다도 길다.

[네이버 지식백과] 도파관 [Waveguide, 導波管] (국방과학기술용어사전, 2011., 국방기술품질원)

4.1 유전체 평판 도파로

유전체 평판 도파로가 그림 4.1에 도시되어있다. 파동은 기본저긍로 굴절률 n1인 중간층에서 진행한다. 이층의 두께는 매우 얇고 보통 1um보다 작아 필름으로 간주하기로 한다.

임계각은 sin세타1=2/n1

n2,n3인 층으로 새어 나가지 않으려면 각 세타는 두 임계각중에 큰값보다 커야한다. 전반사를 얻으려면 경계면은 매끈해야한다.

필름의 비균일성역시 광을 산란시켜 손실을 증가시킨다.

결국 효과적인 전송을 위해서는 재료 흡수율은 작아야한다.

집적광학용으로 가장 흔히 쓰는 재료는 2db/cm를 약간 초과한 손실을 갖는다.

이 손실값들은 짧은 길이를 갖는 집적회로망에서는 허용될수 있다.

광파이버에서는 굴줄율이 n1인 코어가 굴절률이 n2인 클래딩으로 둘러쌓여있다. n3=1인 비대칭 광도파로역시 중요하다.

이는 필름 위층이 공기에 노출된 형태를 의미한다. 이경우 n2는 기판의 굴절률이 된다.

클래딩모드 :

클래딩을 둘러싸고 있는 비구속 모드 클래딩보다 굴절률이 낮은 매질에 의해 구속되어 있는 모드. 기하 광학에서의 클래딩 광선에 해당된다.