KR100686920B1 - 열광학 폴리머를 포함하는 광소자 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 집적 평면 포토닉스는 단일의 집적 광회로에서 전송을 위한 실리카 도파관(502) 및 굴절률을 기초로 한 능동 기능을 위한 폴리머 또는 하이브리드 실리카/폴리머 도파관(505)을 제공한다. 기능은 변조, 감쇠, 스위칭, 필터링, 및 이례적인 저손실 전송을 포함한다. 능동 및 수동의 광학요소가 동일한 기판(500)에 집적되면, 결과의 복합디바이스는 공지의 방법에 비해 적은 총 광손실을 가지고 강한 기능적인 반응을 나타낼 수 있다.
Figure 112001009725794-pct00001
집적 광소자, 도파관, 열-광학 폴리머

Description

열광학 폴리머를 포함하는 광소자{PHOTONIC DEVICES COMPRISING THERMO-OPTIC POLYMER}
본 발명은 광섬유 통신네트워크에서 뿐만 아니라, 광자료 신호가 한 지역에서 다른 지역으로 전송되거나 그것의 사용에 앞서 다른 광소자에 의해 변형될 필요가 있는 다른 용도에서 사용을 위한 집적 광소자를 제공한다.
광네트워크의 관리 및 파장 다중화와 역다중화 용도를 위한 광소자는 여러해에 걸쳐 집중적으로 연구되어 왔다. 이러한 디바이스의 중요한 부류는 일반적으로 "평면 광파회로(planar lightwave circuits)" 또는 "평면 광파칩(planar lightwave chips)" 또는 단순히 PLC로 불리는 것들이다. PLC는 복잡한 광학 구성요소 및 네트워크를 반도체 또는 글래스웨이퍼와 같은 통상의 기계적인 기판에 의해 지지되는 광학 박막들의 스택 또는 스택들내에 모놀리스로 배치하는 기술을 포함한다. PLC는 광섬유통신 네트워크내에서 사용을 위한 특정한 전송 또는 루팅 기능을 제공하도록 설계된다. 이들 네트워크는 다수의 지질학적으로 분산된 터미네이션에 분포되며 일반적으로 단일-모드 광섬유를 통한 터미네이션간 이송을 포함한다. 디바이스가 그러한 네트워크에서 광신호의 투명한 관리를 제공하기 위해서는 광신호의 단일모드 특성을 유지해야 한다. PLC는 그것 자체만으로는, 엄밀하게는 아니지만, 통상적으로 도파관의 형태를 기초로 한다. 광신호가 복귀 경로를 필요로 하지 않기 때문에, 이들 도파관 형태는 전형적으로 고전적인 "회로"의 정의를 따르지는 않지만 전자회로에 대한 이들의 물리적이고 기능적인 유사성 때문에 도파관 시스템은 또한 회로로서 자주 언급된다.
PLC의 실사용에서 중요한 성능 문제는 신호의 광에너지 전송에 있어서 회로의 효율이다. 이 성능은, 데시벨(dB) 단위로의 "손실" 또는 dB/cm 단위로의 "손실율"로 표시되는, 디바이스를 통과하는 신호로 부터 손실된 에너지 비율로 특징지워진다. 우수한 손실특성을 갖는 것으로 널리 알려진, PLC 도파관을 위한 재료의 표준 군은 일반적으로 실리카로 불리우는 이산화규소(SiO2)를 기재로 한다. 실리카 스택은 순수한 실리카 일 수 있는 층뿐만 아니라 붕소, 인, 게르마늄과 같은 원소 또는 다른 원소 또는 재료로 도핑될 수 있는 층을 포함한다. 도핑은 층의 굴절률 및 다른 필요한 물리적인 특성을 조절하기 위해 행한다. 도핑된 실리카를 포함하여 실리카 뿐만 아니라 소수의 덜 일반적으로 사용되는 다른 원소의 산화물도 또한 일반적으로 단지 "산화물"로 총칭된다. 더욱이 비록 기술적으로 "글래스"라는 용어가 폭 넓은 범위의 재료에 의해 얻어질 수 있는 물질의 상태를 가리키지만, "글래스"는 전형적으로 SiO2계인 투명한 비결정질 재료를 의미한다는 것이 일반적이다. 따라서 산화물 PLC가 "글래스" 도파관을 가리킨다는 것 또한 일반적이다. 결과적으로 "실리카"라는 별칭은 PLC 도파관 또는 다른 집적 광소자 제조에 적합한 규소산화물을 가리키는데 사용된다.
PLC의 유망한 특징중의 하나는 이송 및 접속 기능을 루팅, 스위칭, 감쇠, 및 프로그램 가능한 필터링과 같은 역학적으로 선택가능한 기능들과 더불어 집적하는 능력이다. 이들 역학적인 기능은 전형적으로 기능에 대한 집적된, 고체 상태의 대체물을 제공하는데 사용되며, 만약 그렇지 못하다면 기계적인 이동을 기초로 한 디바이스를 사용하는 불연속적인 구성요소에 의해 수행되어야 할 필요가 있다. 이들 기능은 도파관 디바이스의 능동영역에 가해지는 특정한 자극이 그 영역에서 도파관 내부 및 주위에서 굴절률의 크기를 변화시킬 것이라는 현상을 근거로 얻어진다. 굴절률 변경을 위한 전형적으로 사용되는 자극은 전기장(전기광학), 열(열-광학), 또는 역학적인 스트레스(음향광학)이다. 덜 일반적으로, 피에조-옵틱, 스태틱-스트레스, 광굴절 등과 같은 다른 효과들이 도파관 용도에 사용된다. 현재의 첨단기술에서, 열-광학은 가장 넓은 범위의 용도에 사용되고 있으며, 전자통신 네트워크가 제공하는 광신호의 불규칙적으로 변하는 편광에 대해 더욱 예측가능한 반응을 제공할 수 있다. 그렇기 때문에, 이 용도에서의 토론은 열-광학에 대해 촛점을 맞출 것이며, 여기에서 도파관 디바이스의 능동영역 근처에서의 열원은 온도를 변화시켜 굴절률 변화를 선택하고 디바이스를 작동하기 위해 사용된다. 이들 디바이스의 광학적인 거동은 발생된 굴절률 분포에 의해 쉽게 측정된다. 이 교시에서 기술된 디바이스 및 구조가 적절한 굴절률 프로필을 자극하는 전기광학 및 다른 방법들에 실질적으로 사용될 수 있다는 것이 당해 이들 기술분야의 당업자들에게는 명백한 일 이라는 것을 인식해야 한다.
상기한 바와 같이, 실리카 도파관은 이들 통신 네트워크에 사용되는 광신호 전송을 위한 우수한 손실 특성을 갖는다. 이들의 성능은 또한 이들의 지역적인 환경의 합리적인 변화에 대하여 매우 안정적이다. 이 거동은 이송과 접속 기능에 바람직하지만, 어떠한 자극된 기능을 얻는데는 어려움을 갖게 한다. 이들 용도를 위해 현재 실리카 도파관으로 제조된 열-광학 디바이스가 몇 개 있다. 명령될 수 있는 굴절률 변화가 미크론 당 단지 약 10-4이고 영역내에서 수 미크론 폭으로 국부화 될 수 없기 때문에, 열-광학 실리카 소자는 한계적으로 허용되는 성능을 보이는 한편 일반적이지 않은 섬세한 구동 조건의 제어를 요구한다.
다른 부류의 재료, 현저하게 광폴리머는 자극된 기능에 대한 우수한 반응을 갖는다. 그러나 이들은 관련 광파장에서 좋은 실리카의 저손실 전송 품질에 필적할 수 없다. 또한 광폴리머 도파관으로 제조된 다양한 열-광학 디바이스 및 회로가 있고 이것들은 이들의 능동기능에 대해 적당하고 로버스트한 수준의 성능을 얻지만, 전반적인 디바이스의 손실은 매우 높아 2×2 스위치와 같은 단순한 기능에 대해 2 ~ 3 dB이 전형적이다. 현재, 광섬유 전자통신네트워크에서 이러한 고체스위치의 광범위한 배치에 대한 주장애물은 1dB 미만의 디바이스 손실을 갖는 로버스트 스위치를 구할 수 없다는 것이다.
열-광학 도파관 스위치를 제조하고자 할 때, 광신호는 구동된 자극에 반응하여 입력 및 출력 포트사이에서 고효율을 가지고 적절하게 커플링되어야 하며, 비구동된 자극에 의해 심하게 변하지 않아야 한다는 것이 기대될 것이다. 즉, 열-광학 스위치를 위해, 우리는 다음을 동시에 얻기를 원할 것이다: (1) 사용자의 지시에 의해 가해지거나 제거되는 가열신호에 의해서 스위칭이 로버스트하게 형성되어야 하고; (2) 환경으로 부터 야기되는 조건에 의해 가해지거나 제거되는 열에 의해서는 스위칭이 발생하지 않아야 한다. 이 거동을 나타내기 위해서 디바이스는 환경적인 변화로부터 차폐되어야 하며 그리고/또는 스위치는 자연적으로는 발생할 수 없는 인가된 가열에 민감하고 자연적으로 발생할 수 있는 열패턴에는 둔감하도록 설계되어야 한다. 전자의 접근방식은 우수한 성능을 얻고자 하는데 별다른 방법이 없을 때 경우에 따라 사용되지만 후자의 접근 방식은 사용할 수 있을 때에는 변함없이 바람직하며, 이것은 안정화 기술이 현실화되고 유지하기에는 더욱 고가이어서 전형적으로 전반적인 디바이스의 신뢰도를 감소시키기 때문이다.
상기한 조건에 대한 몇가지 바람직한 특성을 보이는 통상적으로 "디지털 광스위치"라고 불리는 디바이스의 부류가 있다. 첫번째로, 이들 디바이스의 반응은 구동 온도가 증가될 때 포화하며, 그래서 디바이스는 "과다 구동"되어 구동신호에서 야기되지 않은 어떤 변화로 부터 반응을 격리시킬 수 있다. 두번째로, 이들 디바이스들은 전형적으로 강한 열에 의한 미크론 당 10-4 또는 그 이상의 굴절률 구배에만 반응하도록 형성된다. 이러한 구배는 사진평판술적으로 패턴을 형성한 저항히터로 행할 수 있는 국부적인 가열에 의해서만이 얻어지며, 자연적으로 발생하는 열적인 현상 또는 노이즈로 부터는 일어날 수 없다. 세번째로, 이러한 타입의 디바이스는 디바이스상의 한 지점에서 히터를 활성화 시킴으로써 디바이스를 한 상태로 포화시킬 수 있고, 한편 디바이스상의 다른 지점에서 히터를 활성화 시킴으로써 상 보상태에 대한 반응을 포화시킬 수 있는 상보대칭식으로 설계될 수 있다. 이것은 훨씬 더한 노이즈면역성을 제공한다. 본래의 디지털 광스위치는 단열적인 Y-접합이다(Burns, US 04070092, 1978). 현존의 기본적인 Y-접합 스위치를 도 1에서 도시하고 있다. 적절한 전류를 어느 하나의 히터에 통과시킴으로써 접합영역을 가로질러 기판까지 열구배를 부여할 것이며, 물론 구동된 히터의 쪽에 구배 고온측을 갖는다.
만약 이 디바이스가 온도 증가에 따라 굴절률의 감소를 보이는 광폴리머로 제조된다면, 제 1 도파관(101) 및 구동된 히터의 맞은 편에 배치된 도파관 암 사이에는 강한 광결합이 이루어질 것이다. 즉 구동 히터(111)는 도파관 (101) 및 (104)사이의 광로를 선택할 것이며, 반대로, 구동 히터(112)는 도파관 (101) 및 (103)사이의 광로를 선택할 것이다. 그러나, 전체가 폴리머인 디지털 광스위치는 높은 광손실을 받게된다. 결과적으로, 전체가 폴리머인 디지털 광스위치의 사용은 광회로내에 포함되어야 할 다수의 광증폭기를 요구할 것이다.
디지털 광스위치를 실리카로 제조하는 것은 현실적이지 못하다. 실리카는 온도에 따른 굴절률의 변화가 거의 없으며 상당히 높은 열전도도를 가진다. 결과적으로, 스위칭이 발생하도록 실리카의 온도를 충분히 올리기 위해 충분한 열을 제공하는 것은 매우 어렵다.
디지털 광스위치의 또 하나의 형태는 도 2에 도시된 포물선 모양의 커플러이다(Syahriar et al., 1998). 여기에서는, 히터가 구동되지 않을 때 기판의 열특성은 결합을 가로지르는 열구배가 없고 따라서 굴절률 구배가 없다는 것을 보장한다. 디바이스는 도파관(201)이 도파관(204)과 강하게 커플링되고 도파관(202)이 도파관(203)과 강하게 커플링된 "바(bar)"상태로 안정하다. 히터(211)가 구동될 때, 커플링 영역을 가로질러 굴절률 구배가 형성되고 디바이스는 도파관(201)이 도파관(203)에 강하게 커플링되고 도파관(202)이 도파관(204)에 강하게 커플링된 "크로스(cross)"상태로 포화된다.
다른 도파관용 재료와 비교하면, 실리카는 ℃당 대략 2×10-5 근처의 낮은 열-광학 계수를 가지며, 여기에서 열-광학 계수는 온도의 점증적인 변화에 대한 굴절률의 변화로 정의되며 전형적으로 (℃)-1의 단위로 측정된다. 실리카는 또한 와트-미터 당 대략 15℃부근의 상당히 높은 열전도도를 갖는다. 굴절률을 변경하기 위해서는 큰 온도 증가가 필요하지만, 실리카에 가해지는 대부분의 열은 실리카에 의해 빨리 방출된다. 결과적으로 디지털 광스위치 구조에 필요한 굴절률 구배를 생성하는 것은 실리카에서는 현실적이지 못하다. 유사한 문제들이 반도체 재료계로 제조된 도파관에서 나타나게 되며, 여기에서 열-광학 반응은 더욱 크지만, 열전도도가 커서, 디지털 광스위치에 필요한 가파른 굴절률 구배는 단순한 히터로 형성하기에는 동등하거나 더욱 어렵다. 강한 굴절률 구배를 얻을 수 없을 경우, 디바이스는 전형적으로 간섭에 의존해야만 한다. 광신호는 분리된 광로를 따라 이동하는 2 또는 그 이상의 광신호로 분리된다. 경로는 열-광학 굴절률 변화가 다른 경로와 독립적으로 하나의 경로에 인가될 수 있도록 수 십 미크론 또는 그 이상의 분할 거리로 분기되어야 한다. 그 후 신호는 재결합되고, 이것이 재결합 영역을 통해 어떻게 루팅되었는가는 각 분리된 경로에서 광신호에 의해 축적된 상대 위상으로 측정될 것이다. 결과의 디바이스, 전형적으로 "마흐 젠더(Mach-Zehnder)"-타입 간섭계를 도 3에 도시한다. 간섭계의 반응은 순환적이며 자극의 증가에 따라 포화하지 않는다. 이들은 그러나 매우 민감하여 1 ㎝의 광로에 걸쳐 약 5×10-5의 굴절률 변화로 인해 전체규모의 출력 변동을 생성할 수 있다. 간섭계는 광로에서 상대위상 축적을 극도로 정밀하게 제어할 필요가 있지만, 이것은 라이브 피드백(live feedback)이 구동신호의 능동제어를 위해 사용되어 수용될 수 있을 경우에 특히 유용할 수 있다.
무기재료 도파관과는 대조적으로, 많은 광폴리머는 실리카보다 10 내지 20 배(또는 그 이상) 큰 열-광학 반응의 크기를 가지며 이들의 열전도도는 실리카의 약 1/10이다. 매우 가파른 열에 의한 굴절률 구배가 광폴리머에서 얻어질 수 있어 디지털 광스위치 디바이스가 쉽게 실현될 수 있다. 그러나 폴리머로 제조된 도파관은 좋은 실리카 도파관보다 상당히 높은 광학적인 손실을 갖는다. 결과적으로, 대체로 광폴리머는 소형의 능동 광학구조물을 제조하기에는 우수한 재료이지만, 또한 디바이스간의 광학적인 접속으로서 그리고 칩의 광학적인 입/출력 터미네이션을 제공하기 위해 사용될 때 손실에서 성능의 핸디캡을 가져온다. 역으로, 실리카는 광회로상에서 이상적인 접속 매체이지만 능동디바이스 제조에는 좋지 않다.
본 발명의 디바이스 및 방법의 개요
본 발명은 거의 광학적인 손실 없이 광시스템의 스태틱 분포, 전송, 인터페이스, 및 접속을 위해 실리카 또는 유사한 무기 유전체 재료를 사용하여 제조된 광섬유 통신 네트워크를 위한 하이브리드 능동 광소자를 제공한다. 좋은 실리카 도파관은 0.01 dB이하의 손실율을 나타낼 수 있으며, 이것은 전형적인 PLC 단위에서는 본질적으로 측정되지 않는다. 접속을 위한 실리카 도파관과 더불어, 선택적으로 배치된 하나 또는 그 이상의 재료가 선택적으로 배치된 다른 재료를 통과하거나 또는 그 근처에서 광신호의 자극된 반응을 강화시키기 위해 디바이스내에 존재할 것이다. 이러한 다른 재료가 중대한 굴절률 변화의 역학적인 적용을 용이하게 하기 때문에, 그것은 능동재료로 언급되며, 능동디바이스를 위한 도파관 구조를 실현시킬 수 있다. 능동재료는 다수의 열-광학, 전기광학, 피에조-옵틱, 광굴절 및 일래스토-옵틱(광탄성) 재료이거나 이중의 어떤 것일 수 있으며 또는 그렇지 않으면 인가된 자극에 반응하여 쉽게 굴절률이 변하는 재료일 수 있다. 비록 역학적인 기능에 적합하더라도, 능동재료로 된 도파관은 포함된 무기 유전체 재료에 비해 전형적으로 높은 전파손실을 나타낼 것이며, 예를 들어 전자통신에 관한 파장범위에서 0.2 내지 1.0 dB/cm 또는 그 이상의 손실을 가지며, 여기에서 이러한 디바이스의 대부분의 적용이 이루어진다. 전형적인 PLC는 광로가 수 cm 내지 수십 cm에 이르며 그래서 전체의 광로가 폴리머로 제조된 디바이스는, 공지의 디바이스에 대한 경우 처럼, 중대한 광손실을 가진다.
현재의 대부분의 PLC에서, 분포, 이송 및 접속은 광로의 중요한 부분을 구성하며, 디바이스에서 능동 광기능을 위해 요구되는 부분적인 광로 길이는 다소 작은 종종 20 % 미만이다. 본 발명의 전형적인 구체예에서는, 다수의 집적 광소자 및 관련된 광로가 무기 유전체 재료 코어 및 클래딩(예를 들어, 실리카)을 포함하고 있고, 소수의 광소자가 능동재료, 예를 들어 열-광학 폴리머로 구성된 적어도 하나의 영역을 포함하고 있다. 이 영역내에서, 능동재료는 코어 재료 또는 하나 또는 그 이상의 클래딩 재료를 포함하거나 그것의 조합 또는 부분 집합을 포함할 수 있다. 이 영역에서 능동재료의 배치는 최소한으로 부수적인 손실을 도입하면서 바라는 기능이 효율적으로 수행될 수 있도록 설계된다. 실리카는 폴리머의 열전도도와 비교할 때 매우 높은 열전도도를 가지며, 가열된 열-광학 지역의 계면으로부터 쉽게 열을 방출한다. 광로를 가로질러 관련된 굴절률구배를 구동하기 위해 필요한 열구배는 폴리머와 접촉하거나 또는 폴리머내에 삽치된 실리카 토폴로지와 접촉하는 간단한 히터구조물을 가동함으로써 폴리머내에서 신속하게 형성될 수도 있고 붕괴될 수도 있다. 히터는 전체가 실리카인 디바이스 또는 전체가 폴리머인 디바이스에서 사용된 것과 같은 간단한 침착된 저항성 전극일 수 있다. 열-광학 폴리머가 그렇게 배치됨에 따라, 굴절률 프로필에서의 원하는 관계가 열적으로 자극될 수 있다. 열-광학 폴리머는 광신호에서 변화를 일으키기 위해 그리고 그로 인해 변조하고, 감쇠하고, 스위치하기 위해, 또는 그렇지 않으면 그것의 의도된 신호 또는 그것의 부분에 의도된 효과를 제공하기 위해 굴절률 프로필에 요구되는 최소한의 침입으로 디바이스상에 배치된다. 이것은 저손실 실리카에 대부분의 광로를 남긴다.
본 발명은 또한 능동재료 및 실리카간의 반응성 광계수에서의 차이가 광로를 따라서 또는 광로 근처에서 돌발적인 굴절률 변화의 크기를 역학적으로 제어하기 위해 활용되는 하이브리드 재료 집적 광도파관 또는 포토닉 도파관 디바이스를 제공한다. 집적 광소자는 기판 표면에 광학박막 조립체(필터, 감쇠기, 및 변조기와 같은)의 다수영역을 지지하는 단일의 기계적인 기판를 포함한다. 적어도 하나의 영역은 수동디바이스(예를 들어, 의도된 용도의 광주파수에서 낮은 광손실을 나타내고 열과 같은 선택된 자극하에서 굴절률를 미약하게 변화시키거나 변화시키지 않는 무기 광학화합물로 형성된 필터 또는 파장분할 다중화기)와 같은 비능동 영역을 제공한다. 이러한 무기 광학화합물은 실리카, 도핑된 실리카, 및 리튬 니오베이트를 포함한다. 적어도 하나의 다른 영역은 광코어 및 클래딩을 갖는 능동영역을 구성하며, 여기에서 코어 및/또는 클래딩의 적어도 하나의 부분은 자극으로 굴절률을 변화시키는 능동재료로 형성된다(예를 들어, 폴리머의 온도 변화로 굴절률의 변화를 나타내는 열-광학 폴리머). 이러한 능동재료는 전형적으로 수동재료가 갖는 것보다 훨씬 큰 굴절률의 변화를 가지며(전형적으로, 선택된 수준의 자극에 대해 능동재료는 수동재료가 경험하는 굴절률 변화의 적어도 10배를 갖는다) 그리고/또는 수동재료가 갖는 것보다 훨씬 낮은 열전도도를 가지지만(전형적으로, 능동재료는 실리카와 같은 무기재료의 열전도도보다 적어도 10배 낮은 열전도도를 갖는다), 그러나 능동재료는 또한 전형적으로 수동재료가 광신호의 강도를 감소기키는 것보다 훨씬 많이 광신호의 강도를 감소시킨다(전형적으로, 능동재료의 손실률은 약 0.5 내지 1 dB/cm 이지만, 반면에 실리카와 같은 무기 광학화합물은 0.01 dB/cm 미만의 손실률을 갖는다). 다수영역은 광신호가 영역들 사이를 효과적으로 통과하도록 물리적으로 그리고 광학적으로 결합되며, 이것은 도파관 또는 광신호 에너지의 미미한 손실을 갖는 영역들을 접속하는 렌즈와 같은 다른 광투과 매체에 의해 유도된다.
이러한 굴절률 단계를 활용하는 하나의 방법은 도파관을 가로질러 얕은 각으로 실리카에서 능동재료까지 경계를 두는 것이다. 이것은 능동재료의 굴절률이 실질적으로 실리카의 굴절률보다 낮게 구동될 경우, 도파관에 도입되는 광신호는 경계에서 벗어나 본래의 도파관에 대한 각으로 배치된 도파관으로 편향되도록 이용될 수 있다. 역으로, 능동재료의 굴절률이 실리카의 굴절률 근처 또는 이상에서 구동될 경우, 광신호는 경계를 통과하고 본래의 도파관의 축을 따라 도파관에서 계속 진행한다. "내부 전반사(Total-Internal-Reflection)", 즉 TIR, 가령 공지된 전체가 폴리머인 TIR 스위치와 같은 스위치를 도 4에 도시한다. 본 발명의 중요한 특징은 반사계면이 실리카 및 능동재료의 물리적인 경계에 의해 한정되고 공지의 TIR 스위치에서 사용된 필드를 기준한 경계보다 훨씬 돌발적일 수 있다. 이 돌발성은 TIR 스위치의 알려진 구체예와 비교할 때 스위칭 효율 및 크로스토크면에서 우수한 성능을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 스위치를 이하에서 더욱 상세하게 검토한다. 다시 능동재료는 온도에 따른 능동재료의 굴절률상의 큰 변화의 이점을 얻기 위해 리플렉터 및 도파관을 배열함으로써 기능수행에 요구되는 광신호와의 최소한의 상호반응을 갖도록 배치될 수 있고, 그래서 대다수의 광로는 여전히 실리카로 남겨진다.
광폴리머는 능동재료에 대한 우수한 후보재료이며, 열-광학 용도에 대한 특히 풍부한 부류의 재료이다. 열-광학 폴리머는 어떠한 용도에도 선택되어 폴리머의 가열에 의해 얻어지는 온도에 대한 굴절률의 원하는 변화 및 역학적으로 구성할 수 있는 구배를 제공할 것이다. 적절한 폴리머 재료는 능동 광학등급의 폴리실리콘, 폴리이미드, 에폭시, 우레탄, 폴리올레핀, 및 다른 폴리머 또는 히드로카르빌 시클릭 에테르로 구성된 5원 고리를 갖는 테트라플루오로에틸렌 및 트리플루오로 에틸렌의 공중합체와 같은 공중합체를 포함한다. 많은 다른 폴리머 및 관련된 재료들이 또한 본 발명의 목적을 위해 열-광학 도파관 재료로서 시사되었고, 매우 유사한 거동을 보이고 있다.
다른 요소들 가운데, 본 발명은:
> 하이브리드 재료 집적 광소자; 이중 다수는 실리카 또는 유사한 저손실의 무기 유전체이며;
> 이중 소수는 열-광학 폴리머 또는 실리카에 비해 덜 바람직한 손실 특성을 결과적으로 갖는 다른 적절한 능동재료라는 기술적인 발견을 기초로 하며;
동시에:
> 유효한 감쇠, 변조, 스위칭, 필터링, 또는 다른 능동능력을 가지고 광신호를 루팅하고;
> 대규모의 자극을 필요로하지 않고;
> 한편 광신호의 파워를 거의 손실시키지 않을 수 있다.
더욱이, 본 발명은 폴리머 재료가 인가된 자극에 대해 굴절률의 변화율을 주변재료가 갖는 것 보다 크게 가질 경우 도파관 디바이스의 변조, 감쇠, 스위칭, 및/또는 증폭 능력에서 매우 큰 향상을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다른 저손실 실리카의 작지만 임계영역에 열-광학 폴리머를 사용함으로써 열-광학 폴리머계의 유효한 능동능력은 여전히 유지되면서 도파관 디바이스에 광자료 신호의 원치 않는 감쇠는 거의 제공되지 않는다. 결과적으로, 스위치 어레이 및 다른 구조물이 매우 짧은 거리내에 부착될 수 있어, 단일 기판상에 제작된 모놀리스의 스위치 배열 또는 다른 구조물은 소형이다. 이들 및 다른 기술적인 발견과 이점들을 여기에서 검토한다.
도 1은 단열의 Y-결합 도파관 회로를 기초로 한 현존의 디지털 광스위치 형태를 보여준다.
도 2는 커플링영역을 따라 다양한 갭 및 폭을 갖는 커플링된 도파관을 기초로 한 공지의 디지털 광스위치를 도시한다.
도 3은 아날로그 변조 및 스위칭을 위한 현존의 1×2 채널 마흐 젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)의 도면이다.
도 4는 TIR 도파관 스위치에 대한 공지의 기본적인 레이아웃을 보여준다.
도 5는 폴리머 클래딩과 함께 폴리머 코어가 도파관 회로의 영역안에 삽치된 완전히 대체된 영역내에서의 단열적인 Y-분기 스위치의 삽화이다.
도 6은 완전히 치환된 구체예에 대한 바람직한 구성방법의 개략도이다.
도 7은 실리카 코어층으로부터 실리카 토폴로지가 도파관의 한정을 돕기 위해 폴리머의 밑에 배치한 부분적으로 치환된 영역을 갖는 커플러를 보여준다.
도 8은 부분적으로 치환된 본 발명의 구체예에 대한 하나의 가능한 개략적인 구조를 보여준다.
도 9는 골이 파인 도파관을 갖는 지향성 커플러를 보여준다.
도 10은 폴리머 오버코트를 갖는 공지된 형태의 실리카 리브에 대한 전형적인 전기장 분포를 보여준다.
도 11은 폴리머 오버코트를 갖는 골이 파인 실리카 도파관에 대한 전형적인 전기장 분포를 보여준다.
도 12는 분단된 도파관에서 정상상태의 파두 발진을 도시한다.
도 13은 분단된 도파관을 갖는 간섭계를 보여준다.
도 14는 채널, 골이 파인 채널, 및 세그먼트에 대한 폴리머-클래드 실리카의 상대적인 열반응 그래프이다.
도 15는 도파관 채널의 열억제에 의해 강화된 TIR 스위치를 보여준다.
도 16은 열-광학 폴리머 캐비티를 갖는 파브리-페로(Fabry-Perot)필터를 도시한다.
도 17은 열적인 불안정성을 감소시키는 얇게 피복된 리브상의 열-광학 폴리머를 보여준다.
도 18은 열-광학 폴리머 클래딩이 부분적으로 실리카 코어까지 확장하여 브래그 회절격자(Bragg grating)의 열감도를 감소시키는 브래그 회절격자를 보여준다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
하기에 설명하는 실시예들은 상기된 그리고 여기에서 기술된 본 발명의 특정한 원리를 구체화하고 있지만, 실시예들은 청구의 범위를 여기에서 설명된 구체적인 실시예로 한정하는 것으로 해석되어서는 않된다. 실제로, 청구항은 본원, 선행기술, 및 당업자의 지식의 관점에서 최광의로 합리적으로 해석 되어야 할 것이다.
실리카의 처리가 실리카 처리 동안에 명확히 냉각되지 않는 광폴리머가 결딜 수 있을 온도보다 높은 온도를 수반하기 때문에, 모든 실리카 구조물은 광폴리머 구조물을 적용하기에 앞서 만들어질 것이다. 이것은 본 발명이 제공한 단계의 순서를 부분적으로 지시하고 있다.
본 발명의 하나의 구체예에서, 실리카 도파관은 광의 입력/출력 포트 및 실리카 도파관의 네트워크내에 선택적으로 배치된 폴리머 도파관을 포함하는 하나 또는 그 이상의 능동 광학 요소를 접속하기 위해 사용된다. 그러한 구조는 도 5에 나타나 있으며, 이것은 단열의 Y-접합 스위치를 보여준다. 총초립체(즉, 스위치 및 스위치로의 그리고 스위치로부터의 도파관)는 실리콘 웨이퍼와 같은 기계적인 기판(500)에 의해 지지된다. 실리콘으로부터 유도된 광계를 격리시키기 위한 적절한 두께의 하부 광학적 클래딩(501)은 일정한 필름으로 기판상에 직접 놓인다. 실리카 채널 도파관(502)은 저손실 코어층내에 형성되고 상부 실리카 광학적 클래딩(503)으로 덮힌다. 능동 기능이 요구되는 곳에서, 실리카 구조물은 전형적으로 하부 클래딩의 상부 표면에서 또는 바로 그 사이에서 제거된다. 폴리머 클래딩(선택적으로 열-광학)은 생성된 공극에 침착되고, 폴리머 도파관(505)은 계면에서 실리카 코어에 대한 광식각법적인 정렬로 제조된다. 열-광학 기능을 능동화 하기 위한 히터(506)는 상부 폴리머 클래딩의 상부 표면상에 제조된다.
이 구조를 실현시키기 위한 하나의 가능한 접근 방법이 도 6에 요약되어 있다. 우선 반응성-이온 에칭(RIE)과 더불어 플라즈마 화학증착(PECVD)과 같은 적절한 공정으로 제조된 실리카 PLC(a)로 시작한다. 실리카 구조물은 실리카 기판(500), 기저 클래드(501), 실리카 도파관 코어(502), 및 실리카 코팅(503)을 포함하는 PLC를 생성하는 표준 방식으로 제조된다. 본 발명에 따라, RIE에 의해 실리카에 15 내지 20 미크론의 선택된 에칭 깊이를 가능하게 하는데 적합한 상부의 에치-마스크(601)를 PLC의 상부에 형성한다. 에치 마스크는 예를 들어 수 미크론의 비정질 실리콘일 수 있다. 그 다음 에치 마스크를 패턴작업하여(b) 의도된 능동영역이 형성된 PLC영역을 노출시킨다. 그 후 실리카를 노출된 영역에서 기저 클래딩의 상부 표면까지 에칭한다(c). 코어 폴리머를 에칭된 영역에 침착하여 요구되는 코어 두께와 일치하는 두께의 필름을 형성한다(d). 이 침착은 전형적으로 그 영역을 완전하게 채우는 피복으로 행해질것이며, 이후 기대하는 두께로 폴리머 표면을 선택적으로 부식하는 시한적인 에칭을 한다. 다음으로, 포토레지스트 에치 마스크를 사용하여 폴리머 코어 패턴을 보호하기 위한 패턴작업을 하며(e) 미반응 폴리머를 에칭하여 폴리머 도파관 코어(505)를 한정한다(f). 마지막으로, 클래딩-폴리머 오버코트를 적용하여 도 5의 영역(504)을 채우고 폴리머 코어에 측면 및 상부 클래딩을 제공할 것이다. 히터 전극을 적용하여 도 5에 도시된 바와 같은 능동영역(504)을 갖는 구조물을 실현한다. 이들 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 능동영역(504)내의 모든 본래의 실리카를 본 발명의 이 구체예에서 기저 클래드로부터 위쪽까지 대체한다. 이 용도에 있어서 이제부터는, 폴리머 코어 및 폴리머 클래딩 재료 모두가 이 영역내의 무기 광학재료를 대체하는데 사용되기 때문에 이 구체예의 구조 및 영역은 "완전 치환된"으로 표현될 것이다.
완전 치환된 부류의 구체예는 본 발명중 가장 용도가 많은 부류이며 가장 높은 능동 성능을 제공한다.
부분 치환을 사용하는 다른 부류의 구체예는 덜 민감한 처리에 사용되는 것이 중요할 경우 및 광폴리머가 실리카의 약 0.01내의 굴절률을 제공할 수 있을 경우에 또한 실현될 수 있다. 적절하게 구성되면, 부분 치환된 구체예는 완전치환된 구체예의 절반의 반응성을 보유할 수 있고 고효율의 능동디바이스를 간소한 처리로 제조할 수 있다. 부분 치환된 방법의 대부분의 구체예에 대한 요지는 실리카 코어층에서 특징들이 패턴화될 때, 능동 영역이 보호의, 희생 피복이 되고 이것으로 덮히는 곳에서 또한 특징들이 패턴화 된다는 것이다. 나중에, 실리카 처리가 완료된 후에 보호 코팅은 노출되고 제거되어 능동 영역에서 노출된 본래 특징물의 토폴로지를 남긴다. 그후 광폴리머를 이 토폴로지에 피복하여 능동 도파관 디바이스를 한정할 수 있다.
단면 스플릿을 갖는 대표적인 구조를 도 7에 도시한다. 여기에서 실리카 도파관을 따라 정렬된 도랑은 능동영역하에서 실리카 코어층내에 형성되고 노출되며 도랑에서 도파관으로서 작용하도록 코어 실리카 보다 약간 큰 굴절률을 갖는 폴리머(505)로 다시 채워졌다. 이후에 폴리머 코팅(507)을 하여 상부 클래딩을 제공하 고 전극 히터(506)를 부가한다.
본 실시예에 대한 하나의 가능한 제조 순서를 도 8에 도시한다. 실리콘 기판(805) 상부에 피복한 실리카층(804)의 상부 코어층을 패턴작업 하여 PLC의 실리카 영역에 대한 도파관 리브(801, 802, 803)를 한정하고, 이것을 동시에 패턴작업 하여 능동 코어가 존재할 코어 실리카 내에 도랑(806)을 생성한다(a). 이후 능동영역의 도랑을 선택적으로 제거될 수 있는 비정질 실리콘과 같은 희생재료(808)로 채운다(b). 그 다음 상부 실리카 피복(809)을 하여 PLC에 대한 실리카 처리를 마무리하고, 도랑(807)을 채울 뿐만 아니라 상부 피복을 형성한다(c). 그 다음 패턴화된 에칭을 능동영역에서 행하여 도랑에 사용된 희생층을 노출시킨다(d). 그 후 희생층을 선택적으로 제거하여 본래의 도랑을 노출시킨다(e). 만약 예를 들어 희생층이 비정질 실리콘이면, 그것은 크세논 디플루오라이드 화학 에칭으로 선택적으로 제거될 수 있다. 그 다음 도랑을 코어 광폴리머(810)로 다시 채우고, 필요하다면, 도랑의 상부 윗면을 평탄화한다(f). 이곳으로 부터, 상부 폴리머 클래딩(능동 또는 수동)을 코팅하고 전극을 적용하여 PLC를 완성한다. 폴리머(810)의 굴절률은 코어 폴리머(801, 802)의 굴절률 보다 높고 그래서 폴리머 부분(801, 802)이 코어(810)에 대한 클래딩으로서 효과적으로 기능한다.
희생재료 또는 임시 충전제는 스퍼터링 또는 무기층 침착(예를 들어, 실리카 침착)과 같은 다른 처리를 가능하게 하는 융점 및 화학적인 반응성과 같은 물리적이고 화학적인 특성을 갖지만, 또한 충전제는 제거하지만 주위의 무기 및/또는 유기 재료는 손상시키지 않는 선택적인 에칭제 또는 다른 제거 방법을 사용하여 쉽게 제거된다.
본 발명의 또 2개의 구체예는 폴리머가 클래딩으로서만 사용될 필요가 있고 따라서 단일의, 비정밀 코팅단계만을 요구하는 형상을 제공한다. 실리카 단일-모드 리브 도파관의 폴리머 오버코팅은 실리카계 PLC에 대한 증강된 능동 기능성을 얻는데 알려진 방법이다(예를 들어, Leonard, US 5,553,151, 1996; Bosc et al., US 5,857,039, 1999를 참조한다). 이 공지의 접근방식에서, 모든 도파관 코어가 실리카로 구성되기 때문에, 코어 폴리머는 필요하지 않으며 폴리머는 단지 광학적 피복을 제공하기 위해서만 요구된다. 피복은 간단한 스핀코터로 행해질 수 있고 또한 심지어는 분무될 수도 있으며, 패턴작업 또는 부수적인 평탄화작업이 필요없어, 매우 간단한 처리를 제공한다. 그러나, 이러한 방법의 중대한 결점은 능동 기능의 실질적인 향상이 다소 작다는 것으로, 이것은 전체가 폴리머인 형상으로 부터 가능한 향상의 약 10% 이하이다. 하기의 본 발명의 2개의 구체예는 폴리머만의 형상의 50% 범위에서 능동 성능의 향상을 제공할 것이며, 그래서 상기한 공지의 방법으로 얻어진 반응보다 약 5 내지 10배 큰 열-광학 반응을 가질 것이다.
도 9는 본 발명의 하나의 구체예를 보여주며, 여기에서 능동영역에서 하나 또는 그 이상의 실리카 도파관 코어는 코어의 깊이를 통해 길이방향으로 그것의 중심을 따라(즉 도파관의 광축을 따름) 부분적으로 또는 완전하게 골 형태로 패턴작업 되고, 폴리머는 단지 피복재료로만 사용된다. 클래딩 폴리머가 골이 파인 도파관에 피복되면, 결과의 도파관은, 중앙채널을 변방향으로 둘러싸는 2개의 좁은 실리카 코어 리지(ridge)를 갖는 구조로 광학모드를 수반하며, 채널은 클래딩을 제공하는 것과 동일한 폴리머로 채워진다. PLC의 모든 영역을 실리카로 형성하고 실리카 상부 클래딩을 통해 골들 및 커플러 갭을 에칭하고, 이어서 클래딩 폴리머로 파인 곳을 채움으로써 동일한 구조가 얻어질 수 있다는 것을 주목한다. 이 형태가 실질적으로 향상된 성능을 제공하는 근본 이유는 외부 클래딩 단독에서 보다 골을 가로지르는 높은 광계 때문이다. 비록 골에서 열-광학 피복의 굴절률이 실리카 코어의 굴절률보다 작지만, 광계의 실질적인 부분은 골내에 존재한다. 결과적으로, 모드의 굴절률은 폴리머 클래딩을 갖는 전체가 실리카인 코어를 갖는 형태에서보다 클래딩 폴리머의 굴절률에 의해 더욱 강하게 영향 받는다.
도 10은 도랑이 없는 단순한 실리카 리브에 폴리머 클래딩을 갖는 알려진 단일-모드 도파관에서 광계의 전형적인 분포를 보여준다. 여기에서 전기장을 코어 도파관의 단면 근처 및 그것을 가로지르는 변방향 거리의 함수로 나타냈다. (광강도는 그 전기장의 제곱일 것이다.) 도파관 모드의 전체 2차원장에 대해서는, 광에너지의 약 80%가 코어내에 있고 약 20%가 클래딩 내에 있다. 저부 클래딩이 실리카이기 때문에 약 85%의 광에너지가 실리카내에 있고 약 15%가 폴리머내에 있다. 만약 실리카에서 열-광학 계수의 크기가 폴리머의 그것 및 반대신호의 그것의 10분의 1내지 20분의 1이면, 이것은 전형적인 것으로, 이때 폴리머 클래드 도파관에서 모드의 열-광학 계수는 단지 폴리머의 그것의 단지 약 6% 내지 12%이다.
골이 파인 도파관의 단면에 대한 전기장 플롯을 도 11에서 보여준다. 이 경우에, 약 동일 수준의 광범위에 대해, 50 내지 60%의 광에너지가 폴리머내에 존재할 수 있고 그래서 폴리머의 열-광학 계수의 45 내지 55%를 사용할 수 있다.
실리카 코어에서 골의 길이 , 폭, 그리고 깊이 및 열-광학 폴리머의 굴절률 변화는 코어에서 광계 분포의 기대되는 변화를 제공하기 위해 선택될 수 있다. 바람직하게, 골은 사라져가는 커플링된 구역에서 도파관 코어의 완전한 깊이 및 길이를 통해 확장한다. 코어에서 골의 폭은 일반적으로 코어 폭의 약 20% 내지 80%이며, 바람직하게는 골이 코어에서 중심에 위치되며 코어 폭의 약 50%를 갖는다.
본 발명의 또 하나의 구체예에서, 능동영역에서 하나 또는 그 이상의 실리카 도파관 코어는 그 길이를 따른 다수의 로케이션에서 전체적으로 또는 부분적으로 제거된 짧은 구역을 갖는다. 제거된 지역과 더불어 클래딩이 요구되는 다른 지역은 그 후 단일의 광폴리머로 피복된다. 이것은 실리카 도파관 코어 및 비-유도(non-guiding) 폴리머가 번갈아 있는 구역을 갖는 도파관을 따라 분단된(segmented) 경로를 생성한다. 전형적으로 설계된 세그먼트라면 도파관의 수 밀리미터를 따라 공간을 형성한 수백개의 코어 세그먼트를 가질 것이며, 각 세그먼트는 광로를 따라 길이가 수 미크론이며 인접한 세그먼트와 수 미크론씩 떨어져 분리된다. 폴리머 및 실리카 세크먼트의 긴 주기성(Bragg grating과 비교할 때)은 디바이스가 브래그 반사를 이용하여 광신호의 파장 범위 밖의 파장을 제거할 수 있도록 해준다. 광신호는 약한 파동을 갖는 이 분단된 구조물을 따라 유도되고, 폴리머의 비유도된 구역에서 약하게 발산하며 실리카 코어 세그먼트에서 보상 수렴(compensating convergence)을 갖는다.
수 주기의 분단을 가로지르는 이 발진의 광위상 선단을 도 12에 도시한다(과장된 형태로). 분단된 디바이스의 광계는 도파관 세그먼트에 의해 유도되는 준-모 드(quasi-mode)를 갖는다. 광신호는 실제 유도된 모드를 갖지 않지만, 압도적인 비율의 광파워가 거의 손실 없이(전형적으로 0.1 dB/cm 미만) 디바이스의 축을 따라 진행한다.
폴리머 오버코팅에 적합한 각 암에서 분단을 갖는 마흐 젠더 간섭계를 도 13에 도시한다. 실제의 디바이스에서, 세그먼트의 수는 수 백 또는 그 이상이라는 것을 주목한다. 골이 파인 도파관과 같이, 클래딩 및 분단에서 모드의 비율을 고려할 때, 이 모드에 대한 50 내지 60%의 광로가 폴리머내에 있고 큰 비율의 폴리머 열-광학 계수가 얻어진다. 이것은 디바이스가 거의 손실이 없는 광신호를 갖지만 인가된 자극(예를 들어, 열)에 대해 높은 반응성을 갖도록 구성되게 한다. 이 구체예는 전체의 실리카 PLC를 형성하고 세그먼트를 상부 클래딩 및 코어를 통해 에칭하고 결과의 파인 곳을 폴리머로 채움으로써 동등하게 실현될 수 있다.
분단된 도파관의 실리카 및 폴리머 세그먼트의 길이는 준-모드에 대한 온도에 따른 전파상수(propagation constant)의 변동이 열-광학 폴리머(또는 능동 재료) 이거나 실리카(또는 다른 무기 광학재료)로 형성된 도파관에서 유도된 모드에 대한 전파상수의 변동보다 작도록 선택될 수 있다. 본 발명의 도파관의 실리카 코어 세그먼트의 길이에 대한 폴리머 세그먼트의 길이 비율은 도파관을 통해 이동하는 광신호의 준-모드가 전체가 폴리머이거나 전체가 실리카인 도파관의 모드 보다 변동이 적도록 선택된다. 변동은 매우 광범위한 온도범위에 대해서 근본적으로 0일 수 있다(전형적으로 변동은 ℃당 약 10-6이고, 실리카의 변동의 10분의 1 미만이다).
도 14는 전체의 모드 분석을 통해 3 타입의 도파관에 대한 온도에 따른 유효 모드 굴절률 시프트를 도시하고 있다: 즉 폴리머가 채워진 골이 없는 현존의 간단한 연속적인 폴리머-클래드 실리카 리브; 폴리머-클래드 골이 파인 도파관; 및 폴리머-클래드 분단된 도파관. 현존의 피복 리브의 상대적으로 낮은 경사는 동일한 수준의 범위에서(즉, 제 1 고차 모드에 대한 컷오프에서) 골이 파인 또는 분단된 도파관에 비해 훨씬 작은 굴절률 변화가 그러한 형태에 대한 온도를 변화시킴으로써 얻어진다는 것을 보여준다. 폴리머-클래드 리브는 통상 상대적으로 낮은 코어 대 클래드 굴절률 차이에서 출발하기 때문에, 그것은 전형적으로 주위 온도보다 약 50℃ 낮은 온도에서 유효하지 않은 도파관이 될 것이며, 이것이 폴리머-클래드 리브에 대한 플롯이 -20℃ 이하로 확장되지 않은 이유이다. 높은 굴절률 차이가 이 구조에 대한 온도범위를 확장하는데 사용될 수 있지만, 곡선을 더욱 평탄하게 하고 사용가능한 전체 굴절률 변화를 감소시킨다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 골이 파인 도파관 및 분단된 도파관 모두는 온도 변화에 대해 현저한 반응을 가지지만 반면에 현존의 간단한 폴리머-클래드 실리카 리브는 온도변화에 훨씬 낮은 반응을 갖는다.
본 발명 및 바람직한 구체예의 더욱 상세한 설명
활용되는 실리카의 대부분의 특성이, 예를 들어 리튬 니오베이트를 포함하는 매우 다양한 다른 무기 유전체 도파관 재료 및 집적 광소자 제조에 적합한 다른 결정질 광학구조물에 적용될 수 있을 것이다. 결과적으로, 비록 실리카가 바람직하지만 이들 광학재료를 사용하여 제조된 구조물 역시 본 발명의 범위 내에 있다.
능동재료는 열 자극에 대한 반응으로 굴절률을 변화시키는 열-광학 폴리머; 예를 들어, 전극에 의해 발생된 전기장 자극에 반응하여 굴절지수를 변화시키는 전기광학 폴리머; 예를 들어, 압전 마이크로미터 드라이버, 솔레노이드, 또는 재료내에 스트레인을 유도하기 위해 짧은 스로(throw)를 갖는 유압 램이 사용될 때 스트레인 자극에 반응하여 굴절률을 변화시키는 포토-일래스틱 재료; 스트레인 자극에 반응하여 굴절률을 변화시키는 피에조-옵틱 재료; 적절한 파장의 빛을 방출하는 레이저 또는 다른 디바이스와 같은 광계의 자극에 반응하여 굴절률을 변화시키는 광굴절 재료를 포함한다.
본 발명의 열-광학 구조물에서 바람직한 열원는 예를 들어, 적절한 재료를 열-광학 폴리머상에 또는 그 근처에 스퍼터링으로 침착한 박막 또는 전극 히터이다. 물론 다른 열원이 사용될 수 있으며, 이들은 열-광학 폴리머의 상부, 표면 또는 근처에 위치한 적외선 방사를 방출하는 레이저 또는 발광다이오드 뿐만 아니라 방사성 히터를 포함한다. 비록 히터가 집적 디바이스의 일부로서 형성되는 것이 바람직하지만, 히터는 집적 광소자로 부터 분리될 수 있다.
광신호의 손실은 가능한한 작은 것이 바람직하기 때문에, 본 발명의 바람직한 집적 광소자는 대다수의 무기 유전체 재료로 형성된 도파관을 가지며, 소수의 도파관이 열-광학 폴리머와 같은 하나 또는 그 이상의 능동 광학재료를 포함한다. 집적 광소자의 비능동영역은 전형적으로 대부분의 능동영역 구조물이 제조됨과 동시에 제조되어, 집적 광소자를 구성하는 공정을 단순화 시킨다. 능동 및 비능동영역 모두에 사용되는 무기 코어 및/또는 클래딩이 동시에 형성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 집적 광소자가 실리카 도파관을 통해 도 13에 도시한 본 발명의 마흐 젠더 간섭계에 연결된 실리카로 형성된 완전 수동 마흐 젠더 간섭계를 포함하는 경우에, 각 실리카 코어는 동일한 마스크 및 에칭 단계를 사용하여 각각 패턴작업되고 에칭작업 될 수 있으며, 각각은 각 MZI의 리브 코어상에 폴리머를 스피닝함으로써 동시에 동일한 열-광학 폴리머 클래딩으로 코팅될 수 있다.
이 용도에서 설명된 바와 같이 비능동과 능동영역 및 디바이스는 광신호가 단일 모드에 있거나 또는 멀티 모드 신호이도록 구성될 수 있다. 능동재료는 코어 부분, 클래딩 부분, 또는 둘 다를 대체하기 위해 사용될 수 있다. 능동영역은 전형적으로 본 발명의 집적 광소자의 물리적인 레이아웃의 작은 부분을 차지하고, 집적 광소자의 대부분은 비능동영역이 차지하며 실리카 도파관과 같은 광로와 접속된다.
어느 하나의 선행하는 구체예에 따라 실리카 도파관 회로상에 능동영역을 제조함으로써, 이 영역에서 능동 도파관이 생성된다. 이 도파관들은 능동이며 여기에서 이들은 국부적으로 인가된 가열과 같은 의도된 자극을 받을 때 2 가지의 기본적인 반응중 하나 또는 다른 하나, 및 전형적으로는 둘 다를 나타낸다. 하나의 반응은 모드-효과성 굴절률, 즉 도파관의 "베타"이다. 이것은 고정된 길이의 광로를 통과할 때 광신호가 축적하는 총 위상의 변화를 초래한다. 이것은 마흐 젠더 간섭계 와 같은 간섭계 타입 디바이스에 기능성을 제공하는 반응이다.
다른 하나의 반응은 멀티-모드화되고 커플링된 도파관의 수퍼모드의 공간적인 프로필에서 상대적인 변화를 유도하는 것이다. 이것은 이 영역으로 들어오는 광신호의 에너지가 수퍼모드 사이에서 분포되는 방식 그리고 따라서 이 지역을 벗어나 향해지는 장소의 변화를 일으킨다. 이것은 디지털 광스위치와 같은 디바이스에 기능성을 제공하는 반응이다. 둘 다의 반응이 본 발명에 의해 제공될 수 있기 때문에, 근본적으로 굴절률 변화를 사용하는 어느 하나의 공지된 도파관 디바이스도 얻어질 수 있다.
공지의 도파관 디바이스에 대한 본 발명의 또 하나의 전형적인 용도를 이후에 기술한다. 기술된 디바이스의 대부분은 상세히 기술된 구체예의 많은 다른 형태에 적합하며 가능한 조합은 상당히 많다. 이후의 실시예는 사용될 수 있는 몇 가지 조합중 단지 작은 샘플이다. 비록 각각의 디바이스가 기술되어 있지만, 다수의 요소를 능동영역내에 배치시키는 것 및/또는 단일 기판상에 다수의 능동영역을 적용하는 것에 의해 멀티-디바이스 회로 및 어레이에 동일한 적용이 만들어질 수 있다는 것은 명백하다.
이들 광소자는 투명하며 상호대당하다는 것을 주목해야 한다. 이것은 이들이 그려진 바와 같이 좌측에서 우측으로 또는 우측에서 좌측으로 전파하는 광신호상에서 그들의 기능을 수행할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 좌측에서 우측으로 이동하는 신호상에서 작동하도록 디바이스의 기능을 구체화하는 것이 통상적이다. 신호를 디바이스에 좌측에서 우측으로 실어나르는 도파관을 "입력" 도파관이라 하고, 반면에 신호를 디바이스에서 벗어나 우측으로 실어나르는 도파관을 "출력" 도파관이라 한다. 다음의 설명은 이 관습을 따를 것이지만, 실제의 작동에서 광신호는 한 쪽 또는 둘 다의 방향으로 디바이스를 통과하도록 의도될 수 있다는 것을 명심해야 한다.
마흐 젠더 스위치/감쇠기/변조기
마흐 젠더 도파관 간섭계는 고전적인 능동 도파관 디바이스이다. 그것은 여러 형태이며, 모든 형태가 본질적으로 동일하게 동작한다. 도입신호는 2개의 광로 사이에서 거의 균등하게 갈라진다. 신호의 각 절반은 그 경로를 이동하며 2개의 절반신호는 디바이스 출력을 위해 다시 재결합한다. 두 경로간의 상대적인 위상 축적은 두 절반신호가 재결합될 때 광에너지가 출력 영역의 모드에서 분포되는 방식에 큰 효과를 미친다. 다른 하나의 경로에 대해 한 경로를 따라 축적된 위상을 조절함으로써, 재결합된 광신호가 두 모드사이에서 임으로 선택가능한 비율로 분리될 수 있다. 하나의 출력이 있다면, 그것은 전형적으로 최저-차수 모드로 광에너지를 운반하도록 설계되며, 디바이스는 프로그램할 수 있는 감쇠기 또는 변조기로서 사용되며, 여기에서 높은 차수의 모드에서 광은 PLC가 사용되지 않은 영역으로 분산되게 된다. 디바이스는 또한 간섭계를 빠져나오는 광파워가 상대 위상 축적이 변할때 2개의 출력도파관들 사이에서 전후로 발진하도록 2개의 출력 가이드로 구성될 수 있다.
도 3은 1입력 2출력의 마흐-젠더 간섭계를 도시하고 있다. 이것은 간섭계에 스위칭 기능을 제공한다. 여기에서 입력신호는 2개의 출력 가이드사이에서 전후로 스위치될 수 있으며 또한 광로중의 하나에서 상대 위상 축적을 조절함으로써 중간 비율로 스위치 될 수 있다. 2개의 입력 신호의 중첩을 스위치하기 위해 적절한 입력 스플리터를 갖는 2개의 입력 도파관을 사용하는 것도 가능하다. 이것은 예를 들어 2×2 광스위칭 기능을 가능하게 한다.
하나의 이러한 마흐 젠더 간섭계를 전술한 바와 같이 도 13에 나타낸다. 다른 형태들은 다음과 같은 것들을 포함한다: 간섭계를 형성하는 도파관의 하나 또는 그 이상의 커플링되거나 또는 커플링되지 않은 부분이 적어도 하나의 도파관에서 폴리머로 채워진 골을 갖는 마흐 젠더 간섭계; 코어중 하나의 일부분이 열-광학 폴리머로 형성된 MZI; 및 코어 주위의 클래딩 부분이 열-광학 폴리머로 형성된 MZI.
지향-커플러 스위치/감쇠기/변조기
지향커플러는 전형적으로 하나의 디바이스로서, 여기에서 두 입력 도파관은 하나의 가이드를 따라 이동하는 광신호가 다른 가이드에 의해 지지될 수 있는 모드에 강하게 커플링되도록, 특정한 길이 방향의 거리를 위해 서로 매우 가깝게 배치된다. 그 다음 두 가이드는 분기하여 두개의 출력 가이드가 된다. 두 도파관이 커플링 영역에서 매우 잘 조화되면, 광신호는 높은 효율로 하나의 가이드에서 다른 가이드로 이동할 것이다. 이 효율은 각 가이드중 상대 베타 가이드의 섬세한 균형 및 한 가이드의 모드가 다른 가이드에서 모드의 공간적인 분포를 얼마나 많이 겹치고 있는 가에 의존한다. 공칭의 정적인 설계점으로부터 이들 특성의 어느 하나를 변경함으로써, 커플링이 파괴될 수 있고, 스위칭, 감쇠, 또는 변조가 얻어질 수 있다. 도 9는 본 발명의 기본적인 지향 커플러의 일반적인 레이아웃을 보여주며, 여기에서 커플링된 코어는 골이 파이고, 채워지고, 열-광학 클래딩이 씌워진다.
골이 파인 코어 대신, 적어도 하나의 커플링된 코어가 분단될 수 있고, 또는 적어도 하나의 커플링된 코어가 열-광학 폴리머로 형성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 커플링된 코어 주위의 피복 부분이 열-광학 폴리머일 수 있다.
열적으로 유도된/열적으로 억제된 도파관
예를 들어, 커플러의 커플링되지 않은 영역에서 코어부분 또한 열-광학 폴리머 일 수 있다. 실리카 및 폴리머간에는 열-광학 계수상의 큰 차이가 있기 때문에, 실제로 도파관을 생성시킬 수도 소멸시킬 수도 있다. 예를 들어 도 7에서 도시한 것과 같은 구조를 갖는 도파관을 고려한다. 실리카 클래딩내의 폴리머 코어는 예를 들어, 실온에서 기능적인 도파관을 정의한다. 만약 그 영역의 온도가 상승하면, 폴리머 코어의 굴절률은 급격하게 감소하고 실리카 클래딩의 굴절률은 서서히 증가한다. 굴절률이 동일한 값에 접근하면 도파관은 효과가 없게 된다. 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률 이하로 떨어지면, 그것은 실제로 코어에서 벗어나 빛의 회절을 강화시킨다.
이 메커니즘은 다른 타입의 스위치의 크로스토크 성능을 향상시키는데 유용하다는 것을 입증할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같은 현존의 TIR스위치는, 폴리머의 굴절률이 낮고(즉, 폴리머가 고온에 있을 때), 측면의 출력 도파관이 폴리머 클래딩 및 실리카 코어로 제조되며, 인라인-출력 도파관이 폴리머 코어 및 실리카 클래딩으로 제조될 때, 리플랙터가 작용하도록 구성된다.
본 발명에 따르는 이러한 형태가 도 15에 도시되어 있다. 이 디바이스는 두 도파관 채널의 피상의 도파관 교차점 또는 접합을 포함하며, 여기에서 상기의 능동 화합물의 띠가 교차점 또는 접합을 따라 배치되며, 도파관은 대략 임계각으로 띠에 배치되어 띠를 따라 유도된 광신호의 내부전반사를 이용하는 스위치 또는 변조기를 형성한다. 온도가 작동 범위에서 최저인 경우, 폴리머 영역(1501)의 굴절률이 높아 광신호는 경계를 지나 폴리머 채널(1502)까지 통과한다. 높은 굴절률을 갖는 폴리머-코어 도파관은 좋은 도파관이며 투과된 신호를 출력 실리카 도파관(1505)까지 이송한다. 측면의 출력 도파관이 실리카 코어(1506) 주위의 고 굴절률 폴리머 클래딩을 가짐으로써 미광(stray light)이 도파관쪽으로 유도하지 않으며 따라서 높은 크로스토크 성능을 위한 강화된 채널 리젝션을 나타낸다. 구동 온도가 증가될 때, 폴리머의 굴절률은 감소하고 실리카의 굴절률은 약간 증가한다. 그래서 미러(1501)는 광신호를 반사하고 측면의 출력 도파관은 클래딩의 굴절률이 감소할 때 작동한다. 한편, 인라인 출력(1502)에서 코어의 감소된 굴절률로 인해 도파관이 사라지게 되고 미러를 통해 누설되는 빛이 출력으로 이동되지 않아, 그 상태에 대한 크로스토크를 향상시킨다.
파브리-페로 필터
본 발명은 또한 도 16에서 보여주는 바와 같은 파장조절이 가능한 파브리-페로 필터를 제공할 수 있다. 실리카 도파관은 부분적으로 반사하는 경계를 갖는 갭에 의해 차단된다. 그림은 도면의 확실성을 높혀주기 위해 가이드에 대한 과장된 각으로 갭을 보여주고 있다. 갭은 에탈론을 형성하며 열-광학 폴리머로 채워진다. 보통 2개의 미러, 그리고 대부분 제 1 미러는 대부분의 광신호를 후방의 입력 도파관쪽으로 반사하거나 또는 도시한 바와 같이 반사각으로 다른 한 쪽으로 반사할 것이다. 그러나, 파브리-페로 캐비티의 왕복 전이에서 완벽한 정수의 위상파를 축적하는 특정 선택 파장은 캐비티와 공진하고 비교적 유효하게 통과할 수 있으며 출력 도파관에 의해 재수집되고 유도된다. 캐비티와 공진하는 파장은 폴리머의 굴절률을 열로 변화시킴으로써 이동될 수 있으며 그래서 왕복 위상 축적이 될 수 있다. 간단한 TIR스위치에서와 같이, 폴리머는 도파관에 코어 또는 피복 기능성을 제공할 필요가 없고 그래서 넓은 범위의 굴절률을 갖는 재료로부터 선택될 수 있다.
비열적인 파장 필터
이 용도에서 앞서 검토한 바와 같이, 코어 및 클래딩간의 광강도의 부분적인 분할때문에, 그리고 실리카 및 폴리머가 그들 각각의 열-광학 계수에 대해 상반된 신호를 갖기 때문에 폴리머 클래드 실리카 리브의 열-광학 반응은 감소된다. 만일 폴리머가 실리카 코어로부터 다소 멀리 배치되면, 예를 들어 폴리머로 피복하기전 코어 주위에 20 미크론의 실리카 피복을 형성함으로써, 도파관의 열-광학 반응이 0으로 감소될 수 있다.
도 17은 도핑된 실리카 코어(1705)주위에 순수한 실리카로된 얇은 외피(1702) 및 열-광학 폴리머(1703)로 구성된 나머지 측면과 상부 클래딩을 갖는 본 발명의 그러한 형태를 묘사한 것이다. 여기에서, 클래딩-유사 실리카 외피의 두께는 실리카 코어의 다른 재료 및 크기의 특성 함수로 선택된다. 외피는 실리카에서 모드의 부분적인 에너지를 증가시키는데 사용되어 모드에 대한 실리카의 열반응이 모드에 대한 폴리머 오버코트의 열반응을 확실히 상쇄할 것이다. 전형적인 용도에서, 적절한 외피의 두께는 0 또는 몇 분의 1 미크론 내지 약 2 미크론의 범위일 것이다. 단일모드보다 큰 가이드에 대해, 요구되는 외피의 두께는 0으로 떨어질 수 있으며, 이것이 멀티 모드 가이드를 항상 보상할 수 있는 것은 아닐 것이다. 적절한 외피의 두께는 도파관에 모드 굴절률에 대한 사라져가는 작은 열계수를 제공할 것이다(전형적으로 ℃당 10-6보다 작고, 실리카 열계수의 10분의 1보다 작다). 비록 이것이 능동디바이스의 필요를 저지하지만, 이러한 형태는 그렇지 않다면 능동 열안정화가 요구될 수 있는 수동 디바이스에 대해 자연적인 열안정화를 제공하는데 유용할 수 있다.
예를 들어, 밀집한 파장-분할 다중화(DWDM)신호를 다중화 또는 역다중화하기 위한 배열된 도파관 회절격자(AWG)필터는 명시된 파장에 대한 이것의 필터 피크의 정렬을 유지해야만 하며 이것은 회절격자내에서 광로의 극도로 정확한 균형에 의존한다. 이 균형은 온도 변화로 뒤집힐 수 있기 때문에, 현존의 AWG는 가열함으로써 그리고 몇몇의 경우에는 주변온도의 변화에 대하여 디바이스상의 중대한 변화가 없도록 디바이스를 냉각함으로써 전형적으로 특수한 온도에서 능동적으로 안정화된다. 필터 피크를 온도에 둔감하게 만든다면 능동 온도 제어에 대한 필요성을 제거할 수 있고 그래서 작동의 복잡성을 줄일 수 있으며 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 도파관 디바이스의 열감도를 줄이는 공지의 방법은 열-광학 폴리머의 웨지를 가로지르는 도파관의 분리를 수반한다.(Kaneko et. al., 1999). 이것은 필터 파장의 열의존성을 감소시키는 바람직한 효과를 가질 수 있지만, 광손실 및 크로스토크에 해를 입히며 우선 목표로한 파장을 얻는데 어려움을 증가시킨다.
본 원에서 기술한 부분 치환 방법으로 실현되는 AWG의 회절격자에서 본 발명의 형태를 사용함으로써, 필터에 대한 비열적인 거동은 수십 ℃의 온도에 걸쳐 실현될 수 있다. 게다가 이 형태는 자연적인 열변동에 둔감할 뿐만아니라, 이것은 가열의 상세한 패턴 또는 구배가 인가되는 인공적인 열자극에 대해 예측가능한 반응을 가질 수 있다. 따라서, 제조된 AWG가 전체가 실리카인 AWG를 열적으로 안정시키는데 요구되는 열파워의 미소부분으로 바람직한 파장 그리드에 능동적으로 맞추어질 수 있으며, 이것은 주변온도의 변화중에 바람직한 도파관 그리드에 동등한 낮은 열파워를 제공하기 위해 유지될 수 있다.
바람직하게는, 얇은 실리카 클래딩 "외피" 및 열-광학 폴리머 클래딩은 AWG의 2개의 렌즈사이에 뻗어 있는 회절격자의 총 코어길이를 연장한다. 그러나, 외피 및 폴리머가 각각의 총 도파관길이를 연장할 필요는 없다. 부분들은 그렇게 피복될 수 있으며 그 크기 및 굴절률 변화는 비열적인 거동이 도파관에 형성될 수 있도록 선택될 수 있다.
동일하거나 또는 유사한 방법이 브래그 회절격자 도파관 구조로 만들어진 파장 필터의 열감도를 감소시키기 위해 동등하게 사용될 수 있다. 브래그 회절격자 도파관 구조, 회절격자 주기성 및 폴리머로 채워진 회절격자 구성요소간의 갭은 전형적으로 약 1/4 내지 1 미크론으로, 회절격자는 광신호에 대한 파장의 범위 내에서 파장을 반사한다. 비열적인 효과를 제공하기 위해, 폴리머는 도 18에서 보여주 는 바와 같이 단지 부분적으로 실리카 코어까지 확장한다. 대안적으로, 폴리머는 실리카 세그먼트의 길이가 실리카 코어 구역들간의 갭 길이의 약 4배 또는 그 이상인 도파관의 실리카 코어 구역을 통해 완전히 확장할 수 있다.
달리, 만약 조절가능한 브래그 필터가 기대된다면, 요소의 크기 및 그것들 사이의 갭의 깊이와 크기는 브래그 회절격자에 의해 반사된 파장이 바람직한 양으로 브래그 회절격자를 가열함으로써 선택될 수 있도록 선택될 수 있다. 실리카 세그먼트 사이에서 폴리머 세그먼트의 굴절률 변화는 브래그 회절격자가 반사할 파장의 변화를 일으킨다.

Claims (20)

  1. 광주파수를 갖는 광신호를 전송하는 광섬유 통신 네트워크에서 광학구성요소로서 사용에 적합하게 구성된 집적 광소자로서, 상기 집적 광소자는, 표면의 광학박막 조립체의 다수 공동평면 영역을 지지하는 단일의 기계적인 기판을 포함하며:
    상기 다수 영역중 적어도 하나의 영역은, 코어와 클래딩을 갖는 적어도 하나의 광채널 도파관을 포함하도록 구성된 광 코어 및 클래딩 재료를 포함하는 저손실 영역이고, 상기의 저손실 영역을 형성하는 상기의 코어 및 클래딩 재료의 모두는 집적 광소자를 통해 전송된 광신호의 광주파수에서 낮은 광손실을 나타내는 무기 광학 화합물을 포함하며,
    상기 다수 영역중 또다른 적어도 하나의 영역은 광채널 도파관을 형성하도록 구성된 상기 광 코어 재료 및 또다른 클래딩 재료로 이루어진 능동영역이고,
    상기 또다른 클래딩 재료의 일부는 상기 능동영역의 광채널 도파관의 길이방향 부분을 따라 상기 코어 재료의 일부에 대신하여 사용되고, 또한 상기 또다른 클래딩 재료는 자극에 대한 반응으로 열전도도 및 굴절률 변화 중 하나 또는 둘 모두에서 무기 광학화합물에 대하여 실질적으로 더 큰 차이를 보이는 능동 광학화합물을 포함하며,
    상기 능동영역은 상기 저손실 영역에 물리적으로 인접하고, 상기 능동영역의 상기 광도파관은 상기 인접한 저손실 영역의 도파관과 광학적으로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 능동영역의 광코어가 상기 능동 광학화합물의 복수의 짧은 세그먼트를 포함하고, 상기 각 세그먼트가 도파관 코어의 전부 또는 부분 및/또는 바로 인접한 도파관 클래딩의 모두 또는 부분 사이사이에 독립적으로 끼워지는 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 능동영역의 도파관이 광축을 가지며 상기 능동영역의 상기 도파관의 광코어가 광축을 따라 도랑을 가지며, 광축을 따라 상기 도랑의 각 측면에 배치된 저손실 무기재료 광코어의 좁은 리브가 있고 상기 도랑내에는 능동 광학화합물이 있으며, 이것들 모두가 광코어의 2개의 리브가 능동재료에, 무기재료 코어의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 제공하는 것들을 포함하는 조건하에서, 상기 도랑을 메우는 광모드의 축방향의 유도를 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 능동화합물에 충분히 가깝게 배치한 상기 자극의 자극원을 더 포함하며, 이 자극원은 이 자극원 근처의 코어 및/또는 클래딩 재료에 대한 굴절률의 국부적인 분포의 변화를 실행하는 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 능동 화합물이 열-광학이며 자극원은 전기적으로 구동된 열원인 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 광소자가 적어도 2개의 암을 갖는 간섭계를 포함하며 적어도 하나의 암이 적어도 하나의 능동영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 광소자가 적어도 2개의 광학적으로 커플링된 도파관 및 도파관이 광학적으로 커플링되는 적어도 일부의 길이를 따라 능동 화합물을 함유하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  8. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 능동영역은 단열의 Y-분기, 단열의 X-분기, 또는 포물선 모양의 커플러로 제조된 디지털 광스위치를 포함하고 분기 영역 부근을 가로지르는 굴절률 구배를 이용하여 스위칭 기능성을 부여하며, 상기 굴절률 구배는 전형적으로 미크론당 10-4 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  9. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 광소자가 두 도파관 채널의 겉보기 도파관 교차점 또는 접점을 포함하며 여기에서 상기 능동 화합물의 띠가 교차점 또는 접점을 따라 배치되며, 도파관은 띠에 대해 약 임계각으로 배치되어 띠를 따라 유도된 광신호의 내부전반사를 이용하는 스위치 또는 변조기를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 능동영역내에서, 채널 도파관 코어는 저손실 무기 화합물이거나 능동 화합물이고 적어도 하나의 인접한 클래딩은 다른 저손실 무기 화합물 및 능동 화합물이며, 더욱이 능동화합물의 굴절률이 자극에 반응하여 저손실 무기화합물의 굴절률과 동등하고, 상기의 굴절률 동등성이 확립될 때 채널이 광도파를 수행하는 능력을 상실하는 그러한 굴절률인 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  11. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항 또는 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 광소자가 광로를 갖는 적어도 하나의 광학요소를 포함하고 여기에서 상기 적어도 하나의 능동영역은 상기 광학요소의 광로내에 또는 이것을 따라 배치되며 자극에 대한 광소자의 반응을 강화시키거나 억제하도록 구성되며, 상기 광소자는:
    > 변조기;
    > 가변 광감쇠기;
    > M 및 N이 각각 그리고 독립적으로 1보다 크거나 같은 정수 값을 가지는 MxN 광스위치;
    > 적어도 하나의 상기 능동영역이 도파관 어레이를 따라 배치한 배열된 도파관 회절격자;
    > 회절격자를 기초로한 필터; 및
    > 능동 화합물이 공진기 캐비티에 배치된 공진기 캐비티를 갖는 파브리-페로 필터로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    여기에서 능동 화합물은:
    > 열자극에 반응하여 굴절률을 변화시키는 열-광학 폴리머;
    > 전기장 자극에 반응하여 굴절률을 변화시키는 전기광학 폴리머;
    > 스트레인 자극에 반응하여 굴절률을 변화시키는 포토-일래스틱 재료;
    > 스트레인 자극에 반응하여 굴절률을 변화시키는 피에조-옵틱 재료; 및
    > 옵티컬-필드 자극에 반응하여 굴절률을 변화시키는 광굴절 재료로 이루어진 군으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  12. 제 3 항에 있어서, 상기 도파관의 상기 도랑내의 2개의 리브 및 능동 광학화합물이 상기 도파관을 통해 상기 축을 따라 이동하는 상기 광신호중 하나의 광신호가 TE(transverse-electric) 및 TM(transverse-magnetic) 광학 편광의 하나 또는 모두에 대해 단지 하나의 유도된 광모드를 갖도록 기하학적인 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  13. 제 2 항에 있어서, 준-모드의 광계를 제공하는 광소자로서, 상기 능동 세그먼트는 각각 제 1 길이를 가지고 인접한 능동 세그먼트 사이의 코어부분은 제 2 길이를 가지며, 상기 제 2 길이에 대한 상기 제 1 길이의 비율은 상기 준-모드에 대한 전파상수의 열변동이 상기 능동재료에서만의 광신호에 대한 것 또는 상기 무기 광학화합물에서만의 광신호에 대한 것 보다 실질적으로 적도록 한 것이며, 상기 변동이 선택된 공칭 작동 온도에서 본질적으로 0 인 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  14. 제 1 항에 있어서, 도파관 코어는 실리카로 구성되고, 상기 코어는 0 내지 약 3 미크론 범위에서 선택된 두께를 갖는 실리카 클래딩의 오버코트를 가지고, 상기 실리카 클래딩은 상기 도파관의 1차 모드에 대한 전파상수의 열변동이 상기 실리카 클래딩의 그것 보다 실질적으로 크기면에서 작도록 상기 실리카 클래딩보다 실질적으로 큰 굴절률의 열-광학 계수를 갖는 능동 재료의 클래딩을 가지며, 상기 변동은 선택된 공칭 작동 온도에서 본질적으로 0인 것을 특징으로 하는 집적 광소자.
  15. 집적 광소자를 제조하는 방법으로, 상기 방법은:
    a) 저손실을 갖는 무기 유전체 재료를 사용하여 단일 기판상에 복수의 무기 도파관을 형성하는 단계; 및
    b) 상기 기판상에 적어도 하나의 능동 도파관을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 광소자의 적어도 일부분은 고손실을 갖는 능동 재료로 형성되고,
    상기 기판상에 형성된 도파관의 대부분은 상기 무기 유전체 재료로 이루어지고,
    상기 기판상에 적어도 하나의 능동 도파관을 형성하는 상기 단계는, 상기 능동 도파관을 형성하기 위해, 상기 무기 도파관중 적어도 하나의 도파관의 코어의 적어도 일부를 제거하고 상기 일부를 능동 클래딩 재료로 대체하여 오버코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 능동 도파관을 통하여 이동하는 광신호가 또한 상기 무기 도파관의 적어도 하나를 통해서도 이동하도록, 상기 무기 도파관 및 상기 적어도 하나의 능동 도파관이 광학적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 무기 도파관 및 상기 적어도 하나의 능동 도파관이 능동영역을 갖는 적어도 하나의 광소자를 형성하도록 상기 기판상에 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 무기 도파관 및 상기 적어도 하나의 능동 도파관이, 능동영역을 갖는 적어도 하나의 광소자와 비능동영역을 갖는 적어도 하나의 수동 영역을 형성하고 광학적으로 접속하도록, 상기 기판상에 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 능동영역은 상기 능동영역이 형성될 기판상의 영역에 임시필터를 설치하고, 이어서 상기 임시 필터를 제거하여 간극을 생성시키고 상기 간극을 상기 능동 재료로 채움으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 기판상에 적어도 하나의 능동 도파관을 형성하는 단계가 적어도 하나의 상기 무기 도파관의 적어도 일부분을 제거하는 단계 및 상기 부분을 상기 능동 도파관을 형성하기 위해 적어도 하나의 능동 재료로 대체하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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