KR100908623B1 - 광출력의 횡단 전달을 이용하는 광학적 접합 장치 및 방법 - Google Patents

광출력의 횡단 전달을 이용하는 광학적 접합 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 광학 장치는 기판(1902)상에 형성된 광학 소자(910), 기판(1902) 및/또는 광학 소자상에 형성된 중간전달용 광도파로(1930), 및 전송용 광도파로(1920)를 구비한다. 광학 소자 및/또는 중간전달용 광도파로는 이들간의 광출력의 전달(종단 전달 또는 횡단 전달)을 위해 구성되고 위치설정된다. 중간전달용 광도파로 및/또는 전송용 광도파로는 이들간의 광출력의 횡단 전달(모드간섭 결합 또는 단열적)을 위한 것이다. 전송용 광도파로는 초기에는 기판, 소자 및 중간전달용 광도파로로부터 기계적으로 분리된 구성부품으로서 제공된다. 전송도파로의 기판, 소자 및/또는 중간전달용 광도파로를 조립함으로써, 이들간의 광출력의 횡단 전달이 가능하도록 하는 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로의 상대적 위치설정이 가능하다. 이에 의하여, 중간전달용 광도파로에 의한 광학 소자와 전송용 광도파로간의 광출력 전달이 가능해진다. 전송용 광도파로는 도파로 기판상의 평면 도파로를 구비하는 것이 바람직하다.

Description

광출력의 횡단 전달을 이용하는 광학적 접합 장치 및 방법 {OPTICAL JUNCTION APPARATUS AND METHODS EMPLOYING OPTICAL POWER TRANSVERSE-TRANSFER}
출원인 : 블라우벨트 헨리 에이, 바할라 케리 제이, 베르우니 데이빗 더블유, 파슬라스키 죠엘 에스
본 출원은 블라우벨트 헨리 에이(Henry A. Blauvelt), 바할라 케리 제이(Kerry J. Vahala), 세르셀 페터 씨(Peter C. Sercel), 페이터 오스커 제이(Oskar J. Painter) 및 훈자이커 구이도(Guido Hunziker)의 이름으로 2001년 10월 30일에 출원된 "집적된 종단 결합형 횡단 광결합 장치 및 방법(Integrated end-coupled transverse-optical-coupling apparatus and methods)"이란 명칭을 갖는 선출원된 계속출원 및 가출원 번호 제60/334,705호(관리번호 CQC15P)의 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에 인용하여 포함하는 것으로 한다. 본 출원은 블라우벨트 헨리 에이, 바할라 케리 제이, 베르누이 데이빗 더블유 및 파슬라스키 죠엘 에스의 이름으로 2002년 2월 27일에 출원된 "단열 광출력 전달을 채택한 얼라인먼트-인센시티브 방식의 광학적 접합용 장치 및 방법(Alignment-insensitive optical junction apparatus and methods employing adiabatic optical power transfer)"을 발명의 명칭으로 하는 선출원된 계속출원 및 가출원 번호 제60/360,261호(관리번호 CQC17P)의 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
본 발명은 광통신 분야에 관한 것으로서, 더 구체적으로 말하면, 조립한 광학 부품들 사이에서 광출력의 횡단 전달(transverse-transfer)을 이용하는 광학적 접합(optical junction) 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 이하 개시된 발명(subject matter)에 관한 것이다.
A1) 페인터(Oskar J. Painter)의 이름으로 2000년 12월 21일에 "Waveguides and resonators for integrated optical devices and methods of fabrication and use thereof"을 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 번호 제60/257,218호(관리번호 ALG04P)로서, 상기 가출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A2) 페인터(Oskar J. Painter), 베르누이(David W. Vernooy) 및 바할라(Kerry J. Vahala)의 이름으로 2001년 6월 27일에 "Waveguide-fiber Mach-Zender interferometer and methods of fabrication and use thereof"을 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 번호 제60/301,519호(관리번호 ALG05P)로서, 상기 가출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A3) 베르누이(David W. Vernooy)의 이름으로 2001년 9월 13일에 "Fiber-optic-taper probe for characterizing transversely-optically-coupled waveguides and resonators"을 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 번호 제60/322,272호 (관리번호 CQC11P)로서, 상기 가출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A4) 부크만(Peter, L. Buchman), 베티거(Peter Vettiger), 보에겔리(Otto Voegeli) 및 웹(David J. Webb)의 이름으로 1991년 7월 16일에 "Method for improving the planarity of etched mirror facets"을 발명의 명칭으로 하여 허가된 미국 특허 번호 제5,032,219호로서, 상기 특허는 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A5) 부크만(Peter, L. Buchman), 베티거(Peter Vettiger), 보에겔리(Otto Voegeli) 및 웹(David J. Webb)의 이름으로 1992년 4월 7일에 "Improved planar etched mirror facets"을 발명의 명칭으로 하여 허가된 미국 특허 번호 제5,103,493호로서, 상기 특허는 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A6) 부크만(Peter, L. Buchman), 웹(David J. Webb) 및 베티거(Peter Vettiger)의 이름으로 1993년 1월 5일에 "Method of passivating etched mirror facets of semiconductor laser diodes"을 발명의 명칭으로 하여 허가된 미국 특허 번호 제5,177,031호로서, 상기 특허는 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A7) 보나(Gian-Luca bona), 게펠러(Fritz Gfeller), 잭켈(Heinz Jaeckel) 및 웹(David J. Webb)의 이름으로 1993년 11월 2일에 "Self-aligned optical waveguide to laser structure and method of making the same"을 발명의 명칭으로 하여 허가된 미국 특허 번호 제5,259,049호로서, 상기 특허는 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A8) 블라우벨트(Henry A. Blauvelt), 바할라(Kerry J. Vahala), 세르셀(Peter C. Sercel), 페인터(Oskar J. Painter) 및 훈자이커(Guido Hnziker)의 이름으로 2001년 10월 30일에 "Integrated end-coupled transverse-optical-coupling apparatus and methods"을 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 번호 제60/334,705호 (관리번호 CQC15P)로서, 상기 가출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A9) 그로스쟝(Charles I. Grosjean), 훈자이커(Guido Hnziker), 브리져(Paul M. Bridger) 및 페인터(Oskar J. Painter)의 이름으로 2001년 11월 23일에 "Alignment apparatus and method for transverse optical coupling"을 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 번호 제60/333,236호(관리번호 CQC16P)로서, 상기 가출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A10) 페인터(Oskar J. Painter), 베르누이(David W. Vernooy) 및 바할라(Kerry J. Vahala)의 이름으로 2001년 12월 21일에 "Multi-layer dispersion-engineered waveguides and resonators"을 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 출원 번호 제10/037,966호(관리번호 CQC14NP)로서, 상기 출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
A11) 블라우벨트(Henry A. Blauvelt), 바할라(Kerry J. Vahala), 베르누이(David W. Vernooy) 및 파슬라스키(Joel S. Paslaski)의 이름으로 2002년 2월 27일에 "Alignment-insensitive optical junction apparatus and methods employing adiabatic optical power transfer"을 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 가출원 번호 제60/360,261호(관리번호 CQC17P)로서, 상기 가출원은 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
본 출원은 또한 이하의 간행물에 개시된 주제와도 관련되어 있으며, 이들 간행물들을 각각 본 명세서에 완전하게 개시되어 있는 것처럼 본 명세서에서 인용하여 포함하는 것으로 한다.
P1) 리(Y.P. Li), 헨리(C.H. Henry), 1997년, Academic Press, Optical Fiber Telecommunications, IIIb, I.P.Kaminow and T.l.Koch eds., Silicon Optical Bench Waveguide Technology.
P2) 라마단(T. Ramadan), 스카모지노(R, Scarmozzino), 및 오스굳(R Osgood), 1998년, IEEE J. Lightwave Tech., 제16권 제2호 277-283페이지, "Adiabatic Couplers: Design Rules and Optimization".
P3) 달고테(D.G. Dalgoutte), 스미스(R.B. Smith), 아츄타라마야(G. Achutaramayya) 및 해리스(J.H. Harris), 1975년, Appl. Optics, 제14권 제8호 1860-1865페이지, "Externally mounted fibers for integrated optics interconnections".
P4) 샤니(Y. Shani), 헨리(C.H. Henry), 키슬러(R.C. Kistler), 카자리노프(R.F. Kazarinov) 및 오리오스키(Oriowsky), 1991년, IEEE J.Quant. Elec., 제27권 제3호 556-566페이지, "Integrated optic adiabatic devices on silicon".
광통신 분야에서의 근본적인 과제는 조립된 광학 부품들 사이에서 효율적이면서 저비용으로 광신호를 전달하는 것이다. 특히 중요한 한가지 예로서, 능동 또는 수동 광학 소자(optical device)와 광섬유 및/또는 평면형 도파로 회로 등의 전송손실이 낮은 저전송손실형 광도파로의 사이에서 광신호 출력의 전달을 달성하는 것이다. 능동 광학 소자의 예로서는 반도체 레이저, 전자흡수 변조기(electro-absorption modulators), 전자흡수 변조 레이저, 전자광 변조기(electro-optic modulators), 반도체 광증폭기, 광다이오드를 비롯한 기타 광검출기, N×N형 광학 스위치 등이 있으며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 수동 광학 소자의 예로서는 파장분할 멀티플렉서/디멀티플렉서, 파장분할 슬라이서/인터리버, 파장분할 추가필터(add filter)/제거필터(drop filter), 기타 광필터, 스플리터(splitters)/컴바이너(combiners), 간섭계, 위상시프터, 분산보상기, 고정 또는 가변 광감쇄기 등이 있으며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 이러한 광학 소자는 지름이 수미크론 정도인 경우도 있고 높이가 1 미크론 이하인 경우도 있는 통상적으로 소형(특히 반도체를 기반으로 하는 소자에서)인 광모드의 생성, 상호작용 및/또는 조작을 포함하는 경우도 있다. 이러한 상호작용 모드의 크기는 단일 모드 광섬유 또는 평면 광파 회로에 의해 지지되는 광모드의 크기(일반적으로 지름이 10 미크론 정도)보다 매우 작은 것이 통상적이다. 따라서, 광학 소자에 대한 광섬유 또는 평면 도파광 회로의 종단 결합(end-coupling)은 공간모드의 불일치로 인해 비효율적(5-15% 정도)으로 되는 경우가 있어, 광학 소자에 매우 큰 삽입손실이 생기게 됨으로써 바람직하지 않다. 종단 결합의 효율을 높이는 방법이 있기는 하지만, 이들 종래의 방법들은 양호한 모드 매칭을 달성하기 위한 고가의 부품(비구면 렌즈 등)을 필요로 하고, 또한 광학 부품과 광학 소자에 대해 정밀도가 높은(요구되는 허용도가 0.1㎛ 정도로 작을 수 있으며, 일반적으로 각 소자에 대해 만족시켜야 한다) 액티브 정렬(active alignment)을 필요로 하는 경우도 있다.
종단 결합을 위한 광조립체를 저비용으로 하기 위한 종래의 방법(예컨대, 실리콘 재질의 옵티컬 벤치(optical bench) 기술에 기초한 방법 등)이 있다. 그러나, 이들 저비용의 해결 방법들은 광학 소자와 광섬유 등 기타 도파로간의 광출력 전달 효율이 낮아진다는 문제점이 있는 것이 일반적이며, 그 이유에 대해서는 이하에 설명한다.
종단 결합[종단 파이어(end-fire)결합, 종단 전달(end-transfer)결합이라고도 함]에 의한 광출력 전달은 전달될 광신호 출력의 전파 방향을 따라 실질적으로 종단을 서로 대향하여 광학 부품을 배치하는 특징이 있다. 이에 따라 광학적 접합(optical junction)이 형성되면, 광출력은 어느 하나의 광학 부품의 단면을 통해 외부로 나와서 다른 광학 부품의 단면을 통해 내부로 들어감으로써 전파된다. 또한, 광출력 전달은 소위 횡결합(횡단 전달이라고도 함)에 의해서도 달성되는데, 이 횡결합(transverse-coupling)에서는 광학 부품들이 광신호 출력의 전파 방향으로 병렬로 나란히 배치된다. 횡결합에 의해 광학적 접합이 형성되면, 그 접합의 양쪽 부품을 따라 광출력이 전파됨과 동시에 광학적 접합의 적어도 하나의 세그먼트가 존재하는 것이 통상적이다.
광학 부품들간의 효율적인 종단 전달(end-transfer)에서는 각 부품들에서의 광모드가 실질적으로 공간모드로 매칭될 필요가 있다. 광학 소자와 전송용 광도파로(transmittion optical waveguide)간의 광출력의 횡단 전달은 광학 소자와 전송용 도파로간에 광신호 출력을 전달(예컨대, 광섬유의 테이퍼 세그먼트를 통한 전달 또는 평면 도파로의 적절한 부분을 통한 전달)하기 위한 종단 전달에 대한 대안을 제공한다. 특히, 공간모드 매칭에 대한 필요성이 제거되어, 광출력의 횡단 전달이 공간모드의 크기 및/또는 형태가 상이한 광모드들 사이에서 달성될 수 있다.
횡단 전달(transverse-transfer)(횡결합, 횡적 광결합, 감쇠 광결합, 감쇠 결합, 지향성 광결합, 지향성 결합이라고도 함)은 상기 인용한 몇개의 종래의 특허출원에 상세히 개시되어 있으므로, 여기서는 전체적인 설명은 반복하지 않는 것으로 한다. 횡단 전달은 결합형 도파로 광시스템의 광모드 특징으로 전환하는 개별적인 광도파로(또는 기타 광학 부품)의 광모드 특징에 의해 용이하게 설명될 수 있다. 결합형 도파광 시스템의 광모드를 본 명세서에서는 "시스템 모드" 또는 "결합형 시스템 모드"라고 하며, 개별적인 광도파로의 광모드를 "고립 모드" 또는 "고립된 도파로 모드"라고 한다. 횡결합에 의한 광도파로들간의 광신호 출력의 효율적인 전달은 여러 개의 동작 체계 중 하나로 달성될 수 있다. 본 명세서에서 논의되는 2가지의 이러한 동작 체계는 소위 모드간섭 결합(mode-interference coupling) 및 단열 광출력 전달(adiabatic optical power transfer)이다.
상기 모드간섭 결합(상기 인용된 몇개의 문헌, 특히 A8, A10에 개시되어 있으며, 그 문헌에는 단순히 횡방향의 광결합으로 되어 있음)에서는, 하나의 도파로으로부터 접합 영역(junction region)으로 진입하는 광신호는 2개의 안내 시스템 모드로 분리된다. 이상적으로는, 이러한 접합 영역으로의 이행은, 고립 모드가 2개의 최하위차 시스템 모드의 거의 선형 중첩(linear superposition)으로 되는 것이다. 이러한 상태에 의해 광신호 출력이 접합 영역으로 진입할 때 상위차 시스템 모드(및/또는 방사 모드)에 대해 출력손실이 최소로 된다. 2개의 시스템 모드는 상이한 전파 정수(2개의 최하위차 시스템 모드에 대해 β+ 및 β- 로 지정됨)로 도파로를 따라 접합 영역을 통해 전파한다. 접합 영역의 끝에 도달하게 되면, 광신호 출력은 2개의 시스템 모드의 상대 위상에 따라 2개의 도파로로 분리된다. 상위차 및/또는 방사 모드에 대한 손실을 다시 최소로 하기 위하여, 고립 모드는 2개의 시스템 모드의 선형 중첩과 거의 유사하여야 한다. 이것은 통상적으로 실제 소자인 경우이고 그 경우가 아니라 하더라도 적절하게 유사한 경우, 고립 모드의 특성에 의해 접합 영역의 특성을 설명하는 것이 일반적으로 가능하게 되는데, 이러한 설명은 이후 이용될 것이다. 특히, 모드간섭 결합(mode-interference coupling)을 통한 광신호 출력 전달의 정도는 고립 도파로 모드들간의 횡적인 오버랩의 정도(결합 계수 κ에 특징 있음)와, 모드가 오버랩하는 전파 거리(즉, 접합 영역 길이 또는 상호작용 길이 L) 및 모드의 인덱스 불일치 정도(Δβ=β1 - β2 인 특징 있음, β는 각각의 고립 도파로 모드에 대한 전파 정수임)에 의해 결정된다. 모드간섭 결합에서, κ, β1, β2 는 접합 영역의 길이 L에 대해 실질적으로 일정하게 유지된다고 하는 것이 일반적이다. 모드간섭 결합의 도파로들간의 광출력의 전달은 다음과 같이 주어진다(광학적 손실에 의한 영향은 무시함).
Figure 112004018488579-pct00001
여기서, 이하의 정의를 적용한다.
E 1,2(z) 결합된 필드의 진폭(amplitudes of the coupled fields)
β1,2 결합된 필드의 전파 정수(propagation constants of the coupled fields)
κ 필드의 공간적 오버랩으로부터 생긴 결합 진폭(coupling amplitude resulting from spatial overlap of the fields)
z 길이방향 전파 거리 좌표(longitudinal propagation distance coordinate)
접합 영역 전의 제 1 광도파로에 대해 공간적으로 갇혀진 진폭 E1의 입사 필드는 z=L (여기서, 접합 영역의 시작부분에서 z=0으로 정의하고, 접합 영역의 끝부분에서 z=L로 정의한다)에서 결과로서의 필드 진폭 E2(L)을 갖는 다른 광학 소자로 전달할 것이다. 따라서, 접합 영역 길이 L의 함수로서의 광출력 전달은 κ와 Δβ에 따라 고유주기 또는 "비트길이(beat length)"로 진동하게 된다. 이것은 접합 영역내에서 여기되며, 모두 광신호 출력을 전달하는 시스템 모드들간의 간섭을 나타내는 것으로 생각될 수 있다. 결합 진폭 κ를 크게 하거나 및/또는 모드의 인덱스 불일치 Δβ를 크게 하면, 비트길이가 감소될 것이다. 진동하는 광출력 전달의 절대 크기는 모드의 인덱스 불일치가 증가하면 감소하고, Δβ가 제로에 가까운 값이 되면 광학 소자들 사이에서 광출력을 앞뒤로 실질적으로 완전하게 전달하게 된다. 하나의 도파로로부터 다른 도파로로의 광출력 전달의 특정된 정도는 주어진 소정의 Δβ 및 κ에 대한 원하는 전달 부분을 달성하기 위해 접합 영역을 길이 L로 형성함으로써 달성될 수 있다.
모드간섭 결합과 단열적 광출력 전달간의 차이를 이해하기 위해서는, 먼저 광도파로의 일반적인 전후관계내에서 단열 조건의 의미를 이해하는 것이 필요하다. 2가지 경우를 예를 들어 설명한다. 먼저, 안내 모드의 횡단 범위와 전파상수를 모두 변경하기 위하여 그 길이의 일부 세그먼트가 테이퍼링되는 단일모드 도파로를 고려해 본다. 단일모드도 지원하는 도파로의 테이퍼링에 의해 방사 모드에의 결합이 유도된다. 그러나, 테이퍼링이 충분히 점진적이어서 이러한 방사 손실이 약하다면(즉, 단열적 테이퍼링), 그 특성이 테이퍼링된 도파로 세그먼트를 횡단하는 것과 같이 길이방향의 위치 의존성(즉, z 의존성)을 갖는다고 하더라도, 테이퍼링된 도파로를 횡단하는 광출력이 단일모드를 나타내는 것으로 고려하는 것이 맞다. 단열 조건이 만족된다면(즉, 테이퍼링이 다른 모드에의 결합을 최소로 하기에 충분히 느리거나 동작상 허용 가능한 레벨 이하라면), z 의존성 전파 "상수" β(z)와 같은 길이방향으로 변하는 양을 이용하는 모드를 설명하는 것이 가능하게 된다.
다음 예로서, 도파로의 특성은 길이측 전파 방향을 따라 변하여 하나의 위치 에서의 도파로가 단일 횡단 모드를 지지하고 다른 위치에서는 2개 이상의 횡단 모드를 지지할 수 있다. 이 예에서, 도파로 특성의 단열적 변화는 그 전파 "상수" β 및/또는 그 횡단 공간 프로파일 등의 특성을 갖는 모드로서 도파로를 따라 길이방향 위치 z에 대한 의존성을 획득함에도 불구하고, 단일 "모드"가 도파로를 따라 전파할 때에도 보존되는 것으로 생각하는 것이 가능하도록 이들 다른 모드에 대한 결합이 무시(또는 동작상 허용 가능)할 수 있는 결과가 될 것이다.
길이방향 또는 전파방향을 따라 단열적으로 변화하는 광학적 모드를 고려하는 이러한 접근 방법은 단열적 광출력 전달 장치의 동작을 이해하는데 중요한 개념이다. "모드"란 용어는 단열 조건을 만족하는 도파로와 접합의 전후관계에서의 약간 더 일반적인 의미를 갖는다는 것에 주의하는 것이 중요하다. 특히, "모드" 및/또는 "광모드"란 용어는, 다른 모드에 대한 결합이 일부 동작이 허용 가능한 레벨 또는 그 이하에서 최소 또는 유지되는 범위까지, 모드 특성이 단열적으로 길이방향으로 변하는 도파로를 따라 전파함에 따라 공간적, 시간적 편광 및/또는 다른 특성이 점진적으로 변하게 되는 경우라도, 본 명세서에서 사용될 것이다. 이러한 모드의 보다 일반적인 번역은, 모드가 거의 길이방향으로 불변인 도파로를 따라 전파함에 따라, 전파 정수 β, 횡단 공간 프로파일, 편광 상태 등과 같은 소정의 모드 특성의 보존을 암시하는 것이 일반적인 "모드"란 용어의 보다 진부한 이용과는 구분된다.
단열 광출력 전달(adiabatic optical power transfer)의 경우, 고립된 도파로의 2개의 고립 모드 a1(z) 및 a2(z) 특성은 접합 영역에 진입함에 따라 결합이 약해지기 시작한다. 단열 조건하에서, 이러한 약한 결합은 결합 계수가 κ(z)이고 모드 인덱스 불일치가 Δβ=β1(z)-β2(z)인 특징을 가질 수 있다. 결과적으로, 시스템 모드는 이하에 의해 주어진 결합형 도파로 시스템의 중첩 모드 a+(z) 및 a-(z)와 거의 유사할 것이다.
Figure 112004018488579-pct00002
여기서, 모든 양은 z 의존성이다. 현재의 논의를 위해, "중첩 모드"와 "시스템 모드"란 용어는 시스템 모드가 접합 영역 전체를 통해 중첩 모드와 유사하지 않다고 하더라도, 상호교환적으로 이용될 수 있다. 접합 영역의 시작부분(즉, z=0)에서, 중첩 모드 a+는 고립된 도파로 모드 a1 또는 a2 중 하나의 모드와 매우 유사하고, 모드 a_는 다른 하나의 모드와 유사한 것이 바람직하다. 예를 들어, │Δβ│>>│κ│의 한정(즉, 모드 인덱스 불일치가 강함)에 있어서,
Figure 112004018488579-pct00003
이것은 각각의 중첩모드가 이러한 제한에서 단일의 고립된 도파로 모드와 크게 관련되는 것을 의미한다(즉, a+↔a1, a-↔a2). 단열 광결합의 경우, z=0에서 고립된 도파로 모드에 대해 │Δβ│>>│κ│인 것이 바람직하다. 이러한 입력 종단(input termination) 조건에서, 중첩 모드(또한 시스템 모드)는 고립된 도파로 모드와 실질적으로 유사하고, 제 1 도파로에서 접합 영역으로 진입하는 광신호 출력은 대응하는 시스템 모드로 현저하게 전달(독점적으로 전달될 수도 있다)된다. 접합 영역은 │Δβ│(고립된 도파로 모드를 위한)는 접합 영역을 따라 초기에는 감소한다. 계수 κ도 접합 영역을 따라 변경될 수 있으며, 접합 영역내에서 최대 절대값에 도달하는 것이 바람직하다. 상기 주어진 중첩 모드를 정의하는 등식으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, Δβ 및/또는 κ의 편차에 의해 접합 영역의 길이를 따라 중첩 모드(더 정확하게는, 시스템 모드)가 발전하게 된다. 상술한 바와 같이, 단열 조건이 필요로 하는 것은, 시스템 모드들간 및/또는 시스템 모드와 다른 광모드간의 광출력의 전달(안내되는 것으로 또는 다른 방법으로)이 일부 동작상 허용 가능한 레벨 이하로 유지되도록 Δβ 및/또는 κ의 편차가 충분히 점진적으로 되어야 한다. 이 기준은 상기 참조 간행물 P2에 개시되어 있는 단열 조건과 등가이다. 특히, 도파로 공간, 횡 치수, 모드 및/또는 재료 인덱스(material index), 기타 다른 특징들의 임의의 변화(접합 영역의 앞, 내부 및/또는 뒤에서)는 결합형 도파로 시스템의 바람직하지 않은 모드로의 광출력의 전달을 동작상 허용 가능한 레벨까지 최소화 또는 감소시키기 위해 충분히 점진적이어야 한다.
연결된 도파로의 "접근영역(approach regions)"(즉, 접합 영역의 바로 앞, 바로 뒤이며, 입력 및 출력 영역이라고 해도 된다)은 단열 조건을 만족시키도록 되어야 하는 것이 바람직하다. 연결될 도파로는 급격한 접근으로 인해 생길 수 있는 바람직하지 않은 광출력 전달 또는 광손실을 최소화하기 위하여 통상적으로 매우 완만한 각도로 서로 접근할 수 있다. 대안으로서, 하나의 도파로는 좁은 선단(narrow tip)으로부터 시작될 수 있으며, 완전한 횡단 치수에 도달하기 전에 다른 도파로의 길이를 따라 높이 및/또는 폭이 증가될 수 있다. 이러한 광학재료의 점진적인 "출현"은 단열 조건을 만족/유지하기 위하여 충분히 점진적으로 되어야 할 것이다. 마찬가지로, 접합 영역의 뒤에서, 도파로들은 완만한 각도로 이격되거나, 하나의 도파로가 좁은 선단에서 종단될 때까지 횡단치수를 감소시킬 수 있다. 접근영역과 접합 영역의 상대적인 길이는 연결된 도파로간의 상호작용의 강도에 의존하는 것이 일반적이다. 접합 영역에서 도파로들간의 강한 상호작용 때문에, 접합 영역은 비교적 짧게 될 수 있으며, 단열 조건을 유지하기 위해 도파로의 매우 점진적인 접근 및 분리가 요구될 수 있다. 한편, 접합 영역에서 도파로들간의 상호작용이 약하면, 주어진 레벨의 광출력 전달을 달성하기 위해 비교적 긴 접합 영역을 필요로 하지만, 다른 광모드로의 바람직하지 않은 광출력 전달을 실질적으로 피하면서 더 짧은 접근영역이 이용될 수 있다. 주어진 도파로 타입/형태에 있어서, 일부 동작상 허용 가능한 레벨 이하로 유지되는 바람직하지 않은 광결합이 있는 도파로들 사이에서, 단열적 광출력 전달 소자의 전체 길이를 최소화하면서, 바람직한 레벨의 광출력 전달을 달성하는 것이 가능하여야 한다. 주어진 소자에서 상위 레벨의 바람직하지 않은 광결합이 허용될 수 있다면(즉, 동작상 허용될 수 있다면), 소자의 전체 크기를 줄이기 위해 더 짧은 접근영역이 채택될 수 있다. 주의할 것은, 접근영역과 접합 영역은 명백하게 구분되는 것은 아니지만, 대신에 하나에서 다른 하나로 점진적으로 전이될 수 있다.
도파로들 사이에서 광출력의 실질적으로 완전한 전달을 달성하기 위하여, Δβ는 제로에 도달하고 접합 영역내에서의 일부 지점에서 부호가 변화하며, 이후 ｜Δβ｜가 접합 영역을 따라 증가하는 것이 바람직하다. 충분히 긴 접합 영역의 종단에서(즉, z=L에서, ｜Δβ｜>>｜κ｜; 출력종단조건), 광출력을 운반하는 시스템 모드는 제 2 도파로의 고립된 도파로 모드와 실질적으로 유사하는 것까지 발전해왔으며, 광출력은 제 2 도파로에서의 결합영역을 벗어난다. 제 1 도파로는 접합 영역의 종단 또는 그 바로 이후에서 종단될 수도 종단되지 않을 수도 있는데, 이러한 종단이 단열 조건을 만족하는 경우이다. 마찬가지로, 제 2 도파로는 접합 영역의 시작부분 또는 그 바로 이전에서 출현할 수도 출현하지 않을 수도 있는데, 이러한 출현이 단열 조건을 만족하는 경우이다.
제 1 도파로부터 제 2 도파로까지 광출력의 단열적 전달이 "모드 결합"을 사용하지 않고 달성된다는 것에 주의하는 것이 중요하다. 특히, 광출력은 제 1 도파로상의 접합 영역으로 진입하는 광신호 출력이 운반된 시스템 모드로서의 "동일"한 시스템 모드에 의해 운반되는 제 2 도파로상의 접합 영역을 벗어난다. 이것은 단열 조건이 다른 모드로의 무시 가능한(또는 적어도 동작상 허용 가능한) 광출력 전달만이 도파로들 사이에서의 광출력의 전달 동안 발생되고 있음을 나타내기 때문에 생기는 것이다(즉, 시스템 모드는 접합의 단열적 특성에 의해 보전되었으며, 이것은 물리적인 출현이 접합 영역을 통한 전이에서 생겨난 경우에도 그렇다). 이러한 동작은 광출력 전달을 달성하기 위해 다중의 시스템 모드(통상 2개)에 의해 접합 영역을 통하여 운반되는 광출력에 의존하는 모드간섭 결합의 동작과 확실하게 구분된다.
2개의 단열결합된 도파로들(이들 중 하나만을 통하여 접합 영역으로 진입함) 사이의 접합 영역을 벗어나는 광출력의 분할을 달성하기 위하여, 접합 영역은 z=L에서 시스템 모드가 2개의 고립된 도파로 모드의 실질적인 성분을 포함하는 중첩모드와 실질적으로 유사하도록 구성될 수 있다. 이러한 조건하에서, 시스템 모드에서의 광출력은 2개의 고립된 도파로 모드로 분리될 것이며 2개의 도파로에 있는 접합 영역을 벗어날 것이다. 예를 들어, 간섭계 소자를 구현하기 위해 광출력 전달의 원하는 부분은 대략 50%(즉, 대략 3dB)가 바람직할 수 있다. 대략 제로까지 감소하고 접합 영역의 잔여 길이 L에 대해 제로 부근에 남는 ｜Δβ｜을 갖는 단열적 광출력 전달 접합이 채택될 수 있다. 결과적으로, 접합 영역의 종단에서 고립된 도파로 모드의 각각에 실질적으로 대응하는 실질적으로 동등한 웨이트를 갖는 성분을 시스템 모드가 가질 수 있기 때문에, 실질적으로 동일한 부분의 광출력이 각각의 도파로에서의 접합 영역을 벗어나게 된다. 광출력 전달의 다른 부분들은 특정 소자의 필요에 따라 단열적 횡단 광출력 전달을 채택함으로써 구현될 수 있다.
광출력 전달이 접합 길이 L의 함수로서 진동하는 모드간섭 결합형 도파로의 동작과 대조적으로, 단열적 광출력 전달을 위한 광출력 전달 부분은 소정의 최소 거리(κ와 Δβ에 의존)와 이후의 점근값에 통상 가까이 접근하고 부가적인 접근 영역 길이가 실질적으로 변하지 않게 된다. 이러한 동작에 있어서의 기본적인 차이는 횡단결합된 광학 부품을 제조하는데 필요한 제조/조립/정렬 허용도에 큰 영향을 미친다는 것이다. 간단히 말해서, κ 및/또는 Δβ에서의 편차는 도파로들간의 원하는 레벨의 광출력 전달을 달성하는데 필요한 최소한의 접합 영역 길이에 영향을 미칠 수 있지만, 전달되는 광출력의 점근 부분에는 영향을 미치지 않는 것이 일반적이다. 제조/조립/정렬 편차에 기인하여 발생할 것 같은 이러한 가장 큰 최소한의 접합 영역 길이보다 조립된 소자의 접합 영역이 더 길면, 조립된 소자에서의 광출력 전달 부분은 실질적으로 영향을 받지 않을 것이다. 이것은 차후에 설명할 것이며, 본 발명의 중요한 특징이 된다.
광학적 접합 소자의 요구되는 목적은 하나의 광학 부품으로부터 서로 조립된 다른 광학 부품으로 특정 정도의 광출력 전달이 효과적으로 되는 것이다. 모드간섭 결합을 이용하는, 특별히 요구되는 정도의 광출력 전달은 폭이 좁은 허용도(상기 인용된 출원 A8에서 논의된 것과 같이 종단 결합에 필요한 허용도만큼 폭이 좁지 않을 수 있다)내로 유지된 κ, Δβ 및 L을 갖는 횡단 광결합된 소자의 설계, 제조 및 조립을 필요로 한다. 광학 소자의 상대적 배치(κ, 가능하면 Δβ에도 영향을 미침)에서의 편차에 의해 "비트길이", 그리고 주어진 접합 영역 길이 L(몇십에서 대략 100㎛까지의 통상의 범위가 될 수 있음)에 대해 광출력 전달의 정도에 편차가 생기게 된다. 예를 들어, 기판(폭이 3-5㎛)상의 유전체 도파로의 최상단 표면에 모드간섭 결합된 광섬유 테이퍼 세그먼트(직경 2-3㎛)는 공칭적으로 완전한(100%) 광출력 전달을 90% 레벨(0.5dB) 이상으로 유지하기 위해 수평으로의 정확성 ±0.5㎛와 수직으로의 정확성 ±20nm내에 배치될 것을 필요로 할 수 있다. 이러한 허용도는 달성하는 것이 어렵고, 비용이 많이 들며 및/또는 시간이 많이 소비되고, 특히 대량 생산 환경에서 소자 수율을 감소시킨다. 마찬가지로, 모드간섭 결합된 소자는 충분히 정확한 Δβ 및 κ를 제공하도록 충분히 정확하게 설계 및 제조되어야 한다. Δβ에서의 편차는 비트길이에 편차를 생기게 할뿐만 아니라 달성될 수 있는 최대 정도의 광출력 전달에도 편차가 생기게 한다. 모드간섭 결합과 일반적인 광결합에 대한 추가 논의가 B.E.A Saleh 및 M.C.Teich(Wkley, 뉴욕, 1991년)에 의한 "Fundamentals of Photonics"에 개시되어 있으며, 본 명세서에 완전히 개시되어 있는 것으로 인용하여 포함한다. 특별히 관심을 가져야 할 것은 7장과 18장이다.
조립된 광학 부품과 모드간섭 결합에 관련된 소자을 위한 제조 허용도를 추가로 완화시키기 위하여 단열 광출력 전달이 이용될 수 있다. 예를 들어, 단열적 광출력 전달을 이용하여 하나의 도파로로부터 다른 도파로로 광출력의 전달을 실질적으로 완전하게 달성하기 위하여, 광학 소자의 제조 및 조립 동안 발생할 수 있는 ｜κ｜ 및｜Δβ｜의 거의 모든 값에 대해 광출력이 실질적으로 완전하게 전달되도록, 접합 영역의 길이는 충분히 길게(통상 수백 ㎛에서 수 mm까지)되어야 한다. 따라서, κ 및 Δβ에서의 제조 편차는 도파로들간의 광출력의 실질적으로 완전한 전달에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않을 것이다(모드간섭 결합에서의 상황과는 반대로). 예를 들어, 상기 주어진 예에서, 기판(폭이 3-5㎛, 길이가 수백 ㎛인 접합 영역에 대해 변화하는 모드 인덱스를 가짐)상의 유전체 도파로의 상면에 결합된 광섬유 테이퍼 세그먼트(직경이 2-3㎛)는 모드간섭 결합된 것보다 대략 3-5배 더 큰 한계내에서 배치 정확성만을 필요로 할 수 있다.
따라서, 초기에는 개별 광학 부품이고 이후에 서로 조립되는 광학 소자를 구성하고, 상기 설명한 다양한 단점들을 해결하는 광학 부품들간의 광신호 출력을 전달하기 위한 장치와 방법을 제공하기 위해 단열적 광출력 전달의 기술 및 구성이 이용될 수 있다. 단열적 광학적 접합에 의해 연결된 도파로들 사이에서 광신호 출력을 전달하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 제조, 조립 및/또는 정렬 허용도가 종단 결합 및 모드간섭 횡단결합에 대해 실질적으로 완화되는 단열적 광출력을 위한 장치 및 방법을 구현하는 것이 바람직하다. 도파로의 수동적 정렬이 가능한 것이 바람직하다. 기판상에 집적된 광학 부품으로서 적어도 하나의 도파로를 제공하는 것이 좋다. 설정된 광학 소자 기술과 호환될 수 있는 실질적 단열 광출력 횡단 전달 단열 장치 및 방법을 구현하는 것이 좋다.
광섬유 통신분야에서의 근본적인 과제는 광신호 출력을 생성 및/또는 조작하기 위해 광섬유와 광학 소자의 사이에서 광신호 출력을 효과적으로 전달하는 것이다. 광출력의 횡단 전달은 중간전달용 광도파로를 통해 광섬유와 광학 소자 사이에서 광출력을 전달하도록 채택되는 것이 유리하다. 기판상에 광학 소자가 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로를 통해 기판상의 광학 소자와 전송용 광도파로의 사이에서 광신호 출력을 전달하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하며, 여기에서 광신호 출력은 광출력 횡단 전달(단열적 또는 기타)에 의해 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로의 사이에서 광신호 출력이 전달된다. 광신호 출력은 종단 전달 또는 횡단 전달(단열적 또는 기타)에 의해 광학 소자와 중간전달용 광도파로의 사이에서 전달될 수 있다. 광학 소자와의 종단 전달을 위한 중간전달용 광도파로는 실질적으로 공간모드 매칭될 수 있다. 전송용 광도파로는 광섬유(종단 전달을 위해 적절하게 구성) 또는 평면 도파로가 될 수 있다. 이러한 평면 전송용 광도파로는 광섬유와의 광신호 출력의 전달이 더 용이하게 될 수 있다. 설정된 광학 소자 기술과 호환될 수 있는 중간전달용 광도파로 장치 및 방법을 통해 광출력 전달을 구현하는 것이 바람직하다. 중간전달용 광도파로(광출력 횡단 전달을 행함, 단열적 또는 그외 다른 것, 전송용 광도파로 포함)는 광학 소자와 광학적으로 집적된 부품이 될 수 있으며, 광학 소자를 제조 및 처리하기 위해 이용되는 것과 유사한 정밀한 공간 선택성 제조 및 공정기술을 이용하여 제공될 수 있다. 이러한 제조 기술에 의해 단일 기판상에 평행으로 많은 중간전달용 광도파로/소자 쌍의 웨이퍼 스케일 제조 및 정밀 정렬이 가능하게 되어, 광학 소자를 제조하는데 소요되는 시간과 비용을 크게 절약하게 된다. 2개 이상의 전송용 광도파로를 갖는 광학 소자의 실질적인 동시 조립/정렬을 가능 및/또는 용이하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징들은 종래기술의 상기 언급한 하나 이상의 단점들을 극복하며, 광출력 전달의 최신 기술을 진보시키고, 이하의 하나 이상의 목적을 달성할 수 있다.
광도파로(optical waveguide)들 사이에서 실질적인 단열 광출력 횡단 전달(adiabatic optical power transverse-transfer)을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것;
조립될 때 실질적인 단열 광출력 횡단 전달을 위해 기계적으로 분리된 광도파를 제공하는 것;
광출력 전달을 위한 완화된 제조 및/또는 정렬 허용도를 갖는 실질적인 단열 광출력 횡단 전달을 위한 도파로를 제공하는 것;
광출력 횡단 전달이 종단 전달 및/또는 모드간섭 결합형 종단 전달의 경우에서 보다 도파로의 치수 및/또는 상대적 위치에 영향을 덜 받는, 광도파로들 사이에서 실질인적 단열 광출력 횡단 전달을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것;
수동적으로 정렬 및 조립될 때 실질적인 단열 광출력 횡단 전달을 위해 기계적으로 분리된 광도파로를 제공하는 것;
광출력 전달 레벨이 도파로의 상대적 종단 위치의 실질적인 범위에 대해 거의 고정되는, 도파로들 사이에서 실질적인 단열 광출력 횡단 전달을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것;
광출력 전달 레벨이 도파로 종단 오프셋의 범위에 대해 그 최대 레벨의 대략 0.5dB 이내로 유지되고, 이 범위가 도파로의 대응하는 횡단 공간모드 크기 특성의 대략 ±10 배보다 더 크게 되는, 도파로들간의 실질적인 단열 광출력 전달을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것;
기판상에 집적된 광학 부품으로서 실질적인 단열 광출력 횡단 전달을 위한 적어도 하나의 광도파로를 제공하는 것;
기판상의 평면 도파로로서 실질적인 광출력 횡단 전달을 위한 적어도 하나의 광도파로를 제공하는 것;
설정된 광학 소자 기술과도 함께 사용할 수 있는 실질적인 단열 광출력 횡단 전달 장치 및 방법을 제공하는 것;
기판상의 광섬유 및 광학 소자의 사이에서 광신호 출력의 전달을 가능 및/또는 용이하게 하는 장치 및 방법을 제공하는 것;
중간전달용 광도파로(external-transfer optical waveguide)가 공통기판상의 광학 소자와 광학적으로 집적되고, 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로가 이들 사이에서 광출력 횡단 전달이 행해지는, 중간전달용 광도파로를 통해 광학 소자와 전송용 광도파로간의 광신호 출력의 전달을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것;
전송용 광도파로로서 적절하게 구성된(횡단 전달용) 광섬유를 제공하는 것;
전송용 광도파로로서 적절하게 구성된(횡단 전달용) 평면 도파로를 제공하는 것;
전송용 광도파로서 광섬유와의 광출력 전달을 위해 적절하게 구성된(횡단 전달용) 평면 도파로를 제공하는 것;
광출력의 실질적인 공간모드 매칭된 종단 전달을 위한 중간전달용 광도파로와 광학 소자를 제공하는 것;
광출력의 횡단 전달을 위한 중간전달용 광도파로 및/또는 광학 소자를 제공하는 것;
실질적인 단열 광출력 횡단 전달을 위한 전송용 광도파로 및/또는 중간전달용 광도파로를 제공하는 것;
수동적 모드 인덱스 매칭된(passively-modal-index-matched) 모드간섭 결합형 광출력 횡단 전달(mode-interference-coupled power transverse-transfer)을 위한 전송용 광도파로 및/또는 중간전달용 광도파로를 제공하는 것;
능동적 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합형 광출력 횡단 전달을 위한 전송용 광도파로 및/또는 중간전달용 광도파로를 제공하는 것;
조립될 때 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로의 사이에서 광출력 횡단 전달을 위한 기계적으로 분리된 부품으로서 집적된 광학 소자/중간전달용 광도파로 및 전송용 광도파로를 제공하는 것;
수동으로 정렬 및 조립될 때 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로의 사이에서 광출력 횡단 전달을 위한 기계적으로 분리된 부품으로서 집적된 광학 소자/중간전달용 광도파로 및 전송용 광도파로를 제공하는 것;
중간전달용 광도파로와 광학 소자의 정밀한 정렬이 가능하게 되도록 리소그래피, 증착, 마스킹 및/또는 에칭 등과 같은 광학 소자 정밀재료 처리기술을 사용하여 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로를 제공하는 것;
설정된 광학 소자 기술도 사용될 수 있는 중간전달용 광도파로 장치 및 방법을 제공하는 것;
단일 기판상에 평행하게 많은 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로/소자 쌍에 대하여 웨이퍼 스케일 제조 및 정밀 정렬을 제공하는 것;
공통 평면 도파로 기판상에 각각 평면 도파로상의 하나 이상의 평면 전송용 광도파로로 광신호 출력 전달을 위한 다중 광학 소자의 조립/정렬이 가능한 장치 및 방법을 제공하는 것;
광신호 출력 횡단 전달을 설정하기 위하여 2개 이상의 다른 전송용 광도파로와 도파로의 실질적으로 동시의 조립/정렬을 가능 및/또는 용이하게 하는 것;
광학 소자와 각 도파로의 사이에 광학적 접합을 설정하기 위해 2개 이상의 도파로에 의해 광학 소자의 실질적으로 동시에 조립/정렬을 가능 및/또는 용이하게 하는 것.
상술한 하나 이상의 목적은 제 1 광도파로와 제 2 광도파로간의 광출력 전달을 위한 장치에 의해 본 발명에서 달성될 수 있으며, 제 1 및 제 2 도파로는 처음에는 기계적으로 분리되어 있다가, 광출력 전달을 위한 광학적 접합을 형성하기 위하여 나중에 조립된다. 본 발명의 장치는 광학적 접합 영역을 포함하는 제 1 광도파로와; 광학적 접합 영역을 포함하는 제 2 광도파로를 구비한다. 하나 또는 두개의 도파로의 접합 영역은 그 길이를 따라 하나 이상의 광학특성의 편차를 통해 실질적 단열 광출력 전달을 위해 구성된다. 제 1 및 제 2 도파로의 치수 및/또는 광학특성의 길이방향 편차는 안내된 시스템 광모드와 다른 광모드간의 바람직하지 않은 광출력 전달이 동작상 허용 가능한 레벨 또는 그 이하가 되도록 충분히 점진적이다. 제 1 및 제 2 도파로의 조합은 도파로들간 실질적 단열 광출력의 전달이 가능하도록 그 각각의 광학적 접합 영역을 위치설정한다. 단열적 광출력 전달의 특징은 종단 전달 및/또는 모드간섭 결합된 횡단 전달에 대해 실질적으로 완화된 정렬 허용도가 된다. 수동적 정렬은 광출력 전달을 위한 제 1 및 제 2 도파로를 조립하기 위해 채택될 수 있다. 도파로들간의 광출력의 실질적으로 완전한 전달을 위하여 접합 영역이 구성될 수 있다.
하나 이상의 상기 목적은 광학 소자와 전송용 광도파로의 사이에서 광출력을 전달하기 위한 장치에 의해 본 발명에 따라 달성될 수 있으며, 이 장치는 a) 기판상의 광학 소자; b) 전송용 광도파로 및 c) 광학 소자와 광학적으로 집적되는 중간전달용 광도파로를 구비하며, 중간전달용 광도파로는 광학 소자와 전송용 광도파로간의 광출력 전달을 위해 구성된다. 광학 소자 및/또는 중간전달용 광도파로는 광출력의 종단 전달 또는 횡단 전달을 위해 구성 및 위치설정될 수 있는 것이 바람직하다. 중간전달용 광도파로 및/또는 전송용 광도파로는 광출력의 횡단 전달(모드간섭 결합 또는 단열)을 위해 구성되는 것이 바람직하다. 전소 광도파로는 초기에 광학 소자와 중간전달용 광도파로로부터 기계적으로 분리된 개별 부품으로 제공된다. 기판, 광학 소자 및/또는 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로를 조립함으로써, 이들간의 광출력의 횡단 전달을 위한 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로를 배치하는 것이 된다. 광학 소자와 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로는 웨이퍼스케일 제조 및 처리 기술을 이용하여 단일 기판상에서 많은 중간전달용 광도파로/소자 쌍의 웨이퍼스케일 제조 및 정밀 정렬이 가능하도록 제공될 수 있다. 전송용 광도파로는 적절하게 구성된(중간전달용 광도파로를 갖는 횡단 전달용) 광섬유가 될 수 있거나, 적절하게 구성된(중간전달용 광도파로를 갖는 횡단 전달용) 평면 전달 광도파로가 될 수 있는 것이 바람직하다. 평면 도파로는 광섬유와의 광출력의 전달을 위해 구성되며, 집적된 중간전달 도파로와 조립된 평면 전송용 광도파로를 통해 광학 소자와 광섬유간의 광출력의 전달이 가능하게 된다. 평면 전송용 광도파로는 평면 도파회로(planar waveguide circuit)의 일부가 될 수 있다.
본 발명의 다른 목적과 이점은 도면에 도시되어 있는 것으로 그리고 상세한 설명 및/또는 청구범위에 개시된 본 발명의 바람직한 또는 예시적 실시예를 참조할 때 명백해질 것이다.
도 1의 (A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로의 상면도, 측면도 및 후면도.
도 2의 (A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달 을 위해 구성되고 조립된 도파로의 상면도, 측면도 및 후면도.
도 3의 (A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로의 상면도, 측면도 및 후면도.
도 4의 (A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로의 상면도, 측면도 및 후면도.
도 5의 (A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로의 상면도, 측면도 및 후면도.
도 6의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로의 상면도 및 측면도.
도 7의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로의 상면도 및 측면도.
도 8의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로의 상면도 및 측면도.
도 9의 (A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로 및 광섬유의 상면도, 측면도 및 후면도.
도 10의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로 및 광섬유 테이퍼 세그먼트의 상면도.
도 11의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로 및 광섬유 테이퍼 세그먼트의 상면도.
도 12는 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성되고 조립된 도파로 및 광섬유 테이퍼 세그먼트의 상면도.
도 13의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로의 상면도 및 측면도.
도 14의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로를 포함하는 광학 소자의 측면도 및 저면도.
도 15의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로를 포함하는 조립된 광학 소자의 상면도 및 측면도.
도 16의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로의 상면도 및 측면도.
도 17의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 광섬유의 측면도 및 저면도.
도 18의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로과 광섬유를 포함하는 조립된 광학 소자의 상면도 및 측면도.
도 19a, 19b는 각각 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 광학 소자의 상면 개략도 및 측면 개략도이고, 도 19c, 19d는 각각 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 광학 소자의 상면 개략도 및 측면 개략도.
도 20a, 20b는 각각 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 상면도 및 측면도이고, 도 20c 및 20d는 각각 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 상면도 및 측면도이며, 도 20e, 20f는 각각 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 상면도 및 측면도이고, 도 20g, 20h는 각각 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 상면도 및 측면도.
도 21은 본 발명에 따른 전형적인 중간전달용 광도파로의 측면도.
도 22의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 상면도 및 측면도.
도 23은 본 발명에 따른 전형적인 중간전달용 광도파로의 상면도.
도 24는 본 발명에 따른 전형적인 중간전달용 광도파로의 상면도.
도 25는 본 발명에 따른 전형적인 중간전달용 광도파로의 상면도.
도 26의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 등축도.
도 27a, 27b는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 등축도.
도 28a, 28b는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 등축도.
도 29a, 29b, 29c, 29d는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 등축도.
도 30은 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 등축도.
도 31은 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 등축도.
도 32는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 등축도.
도 33a, 33b는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 등축도.
도 34의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 측면도.
도 35의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 상면도.
도 36의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 측면도.
도 37의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 측면도.
도 38은 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 상면도.
도 39는 본 발명에 따른 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 전형적인 광학 소자의 측면도.
도 40은 본 발명에 따른 중간전달용 광도파로 또는 평면 전송용 광도파로의 제조를 나타내는 공정(횡단면)도.
도 41은 본 발명에 따른 평면 도파로 기판상에서의 제조를 나타내는 공정(평면)도.
도 42의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따른 평면 도파로 기판상에 조립된 전형적인 광학 소자의 평면도.
도 43의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따른 평면 도파로 기판상에 조립된 전형적인 광학 소자의 평면도.
도 44의 (A) 및 (B)는 본 발명에 따른 평면 도파로 기판상에 조립된 전형적인 광학 소자의 평면도.
도 45의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명에 따른 횡단 전달을 위해 구성 및 조립된 전형적인 광학적 접합을 나타내는 평면도 및 측면도.
도 46은 종단 전달, 모드간섭 결합형 횡단 전달 및 단열적 횡단 전달에 대한 횡단 오프셋의 함수로서 도파로들간의 광출력 전달을 나타내는 플롯도표로서, 여기서 광출력 전달은 간단한 해석모델을 이용하여 연산된다.
도 47은 횡단 오프셋의 함수로서 본 발명에 따른 단열적 횡단 전달을 위해 구성 및 배치된 도파로들간의 광출력 전달을 나타내는 플롯도표로서, 여기서의 곡선(굵은 삼각형이 있는 곡선)은 수치모델을 이용하여 연산된 것이며, 빈 사각형들은 실험적으로 측정된 값들이다.
도면에 나타난 다양한 구조의 상대적인 비율은 본 발명을 더 명확히 나타내기 위해 왜곡될 수 있다는 것에 주의하여야 한다. 다양한 소자, 도파로, 공진기, 광섬유/광테이퍼 등의 상대적인 치수는 서로에 대해서 뿐만 아니라 이들의 상대적인 횡단 및/또는 길이방향 비율에 대해 왜곡될 수 있다. 많은 도면에서, 광학 부품의 횡단 치수는 명확히 나타내기 위하여 길이방향 치수에 대해 확대되어, 길이방향 위치를 갖는 횡단 치수의 편차가 과장되어 보일 것이다. 또, 광출력의 종단 전달에 대해 위치설정된 광섬유를 나타내는 도면에서, 광섬유의 직경은 다른 도파로 치수에 비해 도시된 것보다 훨씬 더 크게되는 것이 일반적이다. 광섬유를 정확한 척도로 나타내면 도면의 시트 크기보다 더 커질 수 있다. 한편, 광섬유 테이퍼 세그먼트를 나타내는 것이 실제의 상대척도에 훨씬 더 가깝다.
도면에 도시된 실시예들은 예시적인 것이며, 본 명세서에서 개시 및 주장된 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
상세한 설명 및/또는 청구범위에 있어서, "인덱스"(index)는 특정 재료의 체적 굴절률(본 명세서에서는 "재료 인덱스"라고도 함)를 나타내기도 하고, 특정의 광학 부품에서 특정의 광모드의 전파상수 β=2πn eff /λ에 의한 전파상수 β에 관련된 "유효 인덱스" n eff 를 나타내기도 한다. 유효 인덱스(또는 유효 굴절률)는 본 명세서에서 "모드 인덱스"라고도 할 수 있다. 본 명세서에서 나타내는 바와 같이, "로우 인덱스"(low-index)는 대략 2.5 미만의 인덱스를 갖는 재료 및/또는 광학 구조를 나타낼 것이며, "하이 인덱스"(high-index)는 대략 2.5 이상의 인덱스를 갖는 재료 및/또는 구조를 나타낼 것이다. 이러한 범위내에서, "로우 인덱스"는 실리카(SiOx), 게르마노실리케이트, 보로실리케이트, 기타 도핑된 실리카 및/또는 기타 실리카계 물질; 질화규소(SixNy) 및/또는 옥시질화규소(SiOxNy); 기타 유리; 기타 산화물; 다양한 폴리머; 및/또는 대략 2.5 미만의 인덱스를 갖는 기타 다른 적절한 광학물질을 나타내는 것이 바람직할 것이다. "로우 인덱스"는 광섬유, 광도파로, 평면 광도파로 및/또는 이러한 물질들이 혼합된 및/또는 대략 2.5 미만의 모드 인덱스(modal index)를 나타내는 기타 다른 광학 부품을 포함할 수도 있다. 이와 유사하게, "하이 인덱스"는 반도체, IR 물질 및/또는 대략 2.5 이상의 인덱스를 갖는 기타 다른 적절한 광학 물질, 및/또는 이러한 물질이 혼합된 및/또는 대략 2.5 이상의 모드 인덱스를 나타내는 임의의 적절한 유형의 광도파로를 나타낼 수 있다. "하이 인덱스"와 "로우 인덱스"란 용어는 본 명세서에도 사용되는 "하위 인덱스"(lower-index) 및 "상위 인덱스"(higher-index)와 다른 것이다. "로우 인덱스" 및 "하이 인덱스"는 인덱스의 절대 수치값(대략 2.5 이상 또는 이하)이고, "하위 인덱스" 및 "상위 인덱스"는 인덱스의 절대 수치값과는 무관하게, 2개의 특정 물질 중 어떤 것이 더 큰 인덱스를 갖는지를 나타내는 상대적인 용어이다.
본 명세서에서 사용되는 "평면 광도파로"(planar optical wavegude)란 용어는 거의 평면인 기판상에 제공되는 임의의 광도파로를 나타낼 것이다. 이러한 도파로의 예로서는, 돌출된 리지형 도파로(ridge waveguide), 매립형 도파로(buried waveguide), 반도체 도파로, 기타 하이 인덱스 도파로, 실리카계 도파로, 폴리머 도파로, 기타 로우 인덱스 도파로, 코어/클래드형 도파로, 다층 반사기 도파로, 금속클래드 도파로, 공기유도형(air-guided) 도파로, 광자 결정/광자 밴드갭을 기반으로한 도파로, 및 본 명세서에서 명시적으로 기재하고 있지 않지만 본 명세서에 설명된 및/또는 청구된 신규한 발명개념의 범위내에 포함되는 수 많은 다른 도파로를 포함한다. 반도체, 결정체, 실리카 또는 실리카계, 기타 유리, 세라믹, 금속 및 본 명세서에서 명시적으로 기재하고 있지 않지만 본 명세서에 설명 및/또는 청구된 신규한 발명개념의 범위내에 포함되는 수 많은 다른 예를 포함하는 많은 적절한 기판이 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 광학적 접합 장치 및 방법을 제공하기 위하여, 처음에는 개별 부품이었다가 이후에 조립되는 광학 부품들 사이에서의 광출력의 횡단 전달(단열 결합(Adiabatic coupling) 또는 모드간섭 결합(mode-interference coupling))이 이용될 수 있다. 이러한 광학적 접합은 조립된 광학 소자, 시스템 및/또는 서브시스템을 구성하기 위해 이용되는 다양한 유형의 광학 부품들 사이에서 광신호 출력을 전달하는데 이용될 수 있다. 개별적인 광학 부품들 사이에서 광출력을 전달하기 위해, 조립이 가능한 초기의 개별 부품들의 예로서, 2개의 개별 광섬유; 2개의 개별 평면 도파로; 광섬유 및 평면 도파로; 기판상에 집적된 광학 소자와 기판으로부터 분리된 광섬유, 평면 도파로 또는 기타 광도파로; 개별 기판상에 집적된 2개의 광학 소자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 주의할 것은 광전송 시스템(특히 광섬유 전송 시스템)과 기판상의 반도체를 기반으로 한 광학 소자간의 광출력을 전달하기 위해 본 발명에 따른 장치와 방법을 이용한다는 것이다. 개별 광학 부품의 다른 조합이 본 발명에 따른 광출력의 횡단 전달(단열 결합 또는 모드간섭 결합)을 위한 장치 및 방법을 이용하여 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 종류의 결합용 소자는, 통상 초기에는 개별부품이었다가 이후에 조립되는 부품의 조립을 효과적으로 하기 위해 채용될 수 있다. 이러한 결합용 소자(부품들간의 상호작용으로부터 및/또는 1개나 2개의 소자와 관련된 구조적 부재로 형성될 수 있다)의 예로는 리테이너(retainer), 클램프(clamp), 패스너(fastener), 접착제, 납땜기, 파팅 또는 임베딩 물질(potting or embedding material), 클립, 탭/슬롯, 그루브, 광접촉(optical contacting), 정전기력 및/또는 정자기력(MEMS 기반 장치), 스프링 또는 미세스프링, 조립된 부품의 밀봉 또는 미세밀봉 봉합, 웨이퍼본딩 기술을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 광학 소자는 초기의 개별 광학 부품에 광학 소자의 다양한 기능이 포함되도록 구성되며, 개별 부품들간에 광학적 접합을 조립 및 설정할 때 광학 소자는 완전한 기능을 갖추게 된다. 소자의 기능은 본 발명에 따른 광학적 접합을 통해 제공, 변경 및/또는 제어될 수 있다.
평면 광파회로(PLC), 광집적회로 또는 광전자 집적회로라고도 불리는 소위 평면 도파 회로(planar waveguide circuit)를 형성하기 위해 공통의 기판상에 복수개의 평면 광도파로가 제공될 수 있다. 이 복수개의 평면 광도파로는 모두 하부의 도파로 기판의 위에 동일한 높이 또는 두께로 제공되거나, 3차원 광네트워크를 형성하기 위해 도파로 기판의 위에 여러 개의 높이 또는 두께로 제공될 수 있다. 단일의 도파로 기판상에 복수개의 평면 도파로를 함께 제공함으로써, 임의의 적절한 토폴로지로 접속된 복수개의 광학 소자를 포함하는 복합적인 광조립체를 구성할 수 있게 된다. 평면 도파로와 평면 도파관 회로는 본 발명을 구현하기 위해 사용되는 전송용 광도파로를 구비한다. 평면 도파로는 실질적으로 평면인 기판상에 제조된 로우 인덱스 코어/클래딩형 유전체 도파로, 때로는 산화물이 코팅된 실리콘 기판상에 제조된 실리카 또는 실리카계 도파로를 구비할 수도 있다. 실리콘은, 재료처리 기술이 상대적으로 용이하고 공지되어 있으며, 산업 표준이 완성되어 있고, 높은 평면 단일 결정면을 획득할 수 있으며, 건식에칭 및/또는 습식에칭이 선택적이고, 경도가 높으며, 열특성이 바람직하다는 다양한 이유에 적합한 도파로 기판 재료이다. 그러나, 이러한 이유에 한정되는 것은 아니다. 실리콘 기판에는 실리카 덧층(silica over-layer)이 제공될 수 있으며, 실리카 덧층상에 하나 이상의 평면 도파로가 제공될 수 있다. 실리카 및 실리카계 물질은 거의 이상적인 재료이며 공지된 광학 물질이다.
광학적 접합을 설정할 때, 정렬에 대한 감도(alignment-sensitivity)를 감소시키기 위해 광출력의 실질적인 단열 횡단 전달이 이용될 수 있다. 실질적인 단열 광출력 전달을 달성하기 위하여, 적어도 하나의 연결된 광학 부품(통상적으로 도파로)은 접합 영역의 길이에 따라 변하는 모드 인덱스를 가져야, 실질적인 단열 횡단 전달을 위한 도파로를 구성할 수 있게 된다. 이러한 모드 인덱스 편차는 이하의 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다. (1) 도파로 코어 및/또는 클래딩의 1개 또는 2개의 횡단치수가 도파로의 길이를 따라 변할 수 있다. (2) 코어 및/또는 클래딩 재료의 인덱스가 도파로의 길이를 따라 변할 수 있다. (3) 선택된 인덱스의 재료가 도파로의 길이를 따라 변하는 분량 및/또는 거리만큼 도파로 부근에 위치될 수 있다. (4) 처프 격자(chirped grating)가 도파로를 따라 형성될 수 있고 상이한 인덱스의 광물질이 침적될 수 있으며, 도파로의 길이를 따라 변하는 유효 인덱스를 제공한다. 이외의 다른 기술도 고안될 수 있으며, 본 발명에 따른 광학적 접합을 제공하기 위한 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로를 제공하도록 임의의 적절한 기술이 단독으로 또는 조합하여 이용될 수 있다.
상세한 설명 및/또는 청구범위에서, 고립 또는 관련 시스템 모드와 다른 고립된 시스템 또는 방사 모드(radiation mode)간의 광출력 전달의 동작상 허용 가능한 레벨 이하를 유지하기 위하여, 단열적 조건이 하나 이상의 도파로 특성의 길이방향 편차는 충분히 점진적으로 되는 것으로 정해지는 것이 일반적이다. 동작상 허용 가능한 레벨은 성능, 제조, 전자부품의 양품률, 조립, 테스트, 입수가능성, 비용, 공급, 수요 및/또는 제조업자와 특정의 조립된 광학 소자의 제조업자 및 배치에 관련된 기타 다른 요인들로부터 생기는 적용 가능한 제한사항 및/또는 요구사항의 임의의 관련 사항들 또는 그에 부속하는 사항들로 정의될 수 있다.
도 1의 (A), (B), (C), 도 2의 (A), (B), (C) 및 도 3의 (A), (B), (C)는 한쌍의 적층된(즉, 면 접합된) 도파로(110, 120)를 개략적으로 나타내며, 기판(111)상에는 도파로(110)가 배치되어 있으며, 기판(121)[명확하게 나타내기 위해 도 1의 (A), 도 2의 (A) 및 도 3의 (A)에서는 생략]상에는 도파로(120)가 배치되어 있다. 각각의 도파로 코어(112/122)는 접합 영역(101) 위의 각각의 도파로의 길이를 따라 폭이 변동되어 있다. 도파로 코어는 접합 영역의 길이를 따라 높이 또는 양 횡단 치수가 등가적으로 변할 수 있다(여기에서는 도시되어 있지 않다). 코어 치수가 변하면, 도파로의 길이를 따라 Δβ가 대응하여 변화하고, 접합 영역(101)에서의 일부 지점에서 Δβ=0가 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 도파로(110)[기판(111)상의 임의의 위치로부터]에 진입하는 광신호 출력은, 1) 접합 영역(101)의 단부에서 ｜κ｜<<｜Δβ｜이고; 2) 접합 영역(101)의 중심부에서 κ가 충분히 크며; 3) Δβ가 접합 영역의 일단 부근에서는 양의 값이고 타단 부근에서는 음의 값인 경우, 도파로(120)로 거의 완전하게 전달된다. 또한, 도파로(120)를 통해 진입하는 광신호 출력은 도파로(110)[그리고, 만일 존재한다면, 도파로(120)에 광학적으로 통합된 다른 구성요소]로 거의 완전하게 전달될 수 있다. 절연성 도파로(110, 120)의 예시적 치수는 최대 코어폭이 1-10㎛가 될 수 있으며, 대략 2-5㎛인 것이 바람직하고, 접합 영역(101)의 길이는 대략 100 내지 2000㎛의 범위, 통상적으로는 수백 ㎛가 될 수 있으며, 도파로 코어간 간격은 대략 0-3㎛의 범위가 될 수 있다.
κ의 변화에 대한 단열 광출력 전달의 동작이 의미하는 것은, 도파로(110, 120)의 상대적 위치에 있어서 보다 넓은 범위 내에서 그것이 달성될 수 있다는 것이다. 따라서, 도파로(120)는 도파로(110)에 대해 도파로(120)를 수용 및 위치설정하기 위한 기판(111)상의 정렬구조(도시 안됨)를 제공하거나(예컨대, 앞서 인용한 출원 A9와 같이), 도파로(110, 120)를 적절하게 위치설정하기 위해 기판(111)과 일치되도록 구성된 기판(121)상에 도파로(120)를 제공하는 등의 수동적 정렬 기술이나, 기타 다른 수단을 이용하여 위치설정될 수 있다. 능동적 정렬 기술도 채택될 수 있으며[머신 비젼(machine-vision) 조립 기술 등 또는 결합된 도파로의 광학 작용을 모니터링함으로써], 본 발명에 의해 제공되는 것과 같이 넓은 범위의 정렬 허용도로 더 용이하고 경제적으로 구현될 것이다. 도 1의 (A), (B), (C)에 있어서, 도파로(120 또는 110)에는 끝에 완전히 다다르기 전에 수평 치수가 양측방향으로 각각 테이퍼링하는 접근 영역(102/103)이 각각 도시되어 있다. 도파로(110)의 고립 모드는, 예컨대 도파로(120)의 종단에서 좁은 선단이 있어서 산란이 최소로 될 것이다. 접근 영역(102)에서 도파로(120)의 폭이 증가하는 것은 다른 시스템 모드(즉, 폭의 단열적 증가)에 대하여 바람직하지 않은 광출력 전달을 실질적으로 피하기 위해 충분히 점진적인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 도파로(110)는, 도파로(120)의 고립 모드에서의 산란을 최소로 하도록, 좁은 선단에서 종단되기 전에 접근 영역(103)을 따라 좌우 양측에서 테이퍼링된다. 도 2의 (A), (B), (C)는 도파로가 한측으로만(등가로, 치우쳐서) 수평으로 테이퍼링되는 접근 영역(102/103)의 유사한 배치를 나타낸다. 도 3의 (A), (B), (C)는 도파관(110/120)이 접근영역(103/102)을 따라 수직방향으로 테이퍼링된 또는 경사진 배치를 나타낸다. 본 실시예에서, 단열적 전송을 위한 조건은 다른 도파로에 근접하여 테이퍼링된 도파로 표면의 점진적인 진입에 의해 달성된다. 이들 배치는 예시적인 것이며, 많은 다른 배치가 접근영역에 따른 단열적 조건을 유지시키기 위해 등가적으로 채택될 수 있다. 본 예와 이하의 예에서 "접근영역"과 "접합 영역"간의 경계는 구조적으로든 기능적으로든 매우 엄격하게 구분될 필요가 없으며, 사실상 단열적 조건을 만족시키기 위해 접근영역과 접합 영역은 하나에서 다른 하나로의 전이가 원활하게 되는게 바람직할 것이다.
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도 4의 (A)∼(C), 도 5의 (A)∼(C)는 나란하게 배치된(즉, 측면 연결된) 한쌍의 도파로(410, 420)를 개략적으로 나타내는 것이며, 도파로(410)는 기판(411)상에 배치된 것으로 도시되어 있으며, 도파로(420)는 기판(421)[도면을 명료히 나타내기 위해 도 4의 (A)와 도 5의 (A)에서는 생략]상에 배치된 것으로 도시되어 있다. 각각의 도파로 코어(412/422)는 접합 영역(401) 위의 각각의 도파로의 길이를 따라 폭이 변하고 있다(또는 접합 영역의 길이를 따라 높이 또는 양 횡단 치수가 등가적으로 변할 수 있다; 여기서는 도시되어 있지 않다). 상술한 예에서, 코어 치수의 변동으로 인해, 도파로의 길이를 따라 Δβ가 대응하여 변화하고, 접합 영역(401)에서의 일부 지점에서 Δβ=0가 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 광신호 출력은, 1) 접합 영역(401)의 종단에서 ｜κ｜<<｜Δβ｜이고; 2) 접합 영역(401)의 중심부에서 κ가 충분히 크며; 3) Δβ가 접합 영역의 일단 부근에서는 양의 값이고 타단 부근에서는 음의 값인 경우, 실질적으로 완전하게 전달된다. 광신호 출력의 실질적으로 완전한 전달을 달성하기 위한 위치 허용도는 상술한 예에서 설명한 것과 유사한 방식으로 이들 실시예에서는 모드간섭 결합형 도파로에 대해 완화되어 있으며, 이들 측면 결합된 예들은 유사한 기술들을 이용하여 정렬/조립될 수 있다.
도 4의 (A)∼(C)에서, 도파로(420 또는 410)에는 각각 다른 도파로와 실질적으로 접촉하는 좁은 선단에서 최종적으로 단부에 도달하기 전까지 수평방향 치수가 테이퍼링 또는 경사진 접근영역(402/403)이 도시되어 있다. 도파로(410)의 고립된 모드는, 예를 들어 도파로(420)의 종단에서 좁은 선단이 있어서 혼동이 최소로 될 것이다. 접근영역(402)을 따라 도파로(420)의 폭이 증가하는 것은 다른 시스템 모드(즉, 폭의 단열적 증가)에 대하여 바람직하지 않은 광출력 전달을 실질적으로 피하기 위해 충분히 점진적인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 도파로(410)는 도파로(420)의 고립 모드에서의 혼동을 최소로 하는 좁은 선단에서 종단되기 전에 접근영역(403)을 따라 테이퍼링된다. 도 5의 (A), (B), (C)는 도파로(403/402)가 접근영역(403/402)을 따라 수평으로 테이퍼링 또는 경사져 있지만, 각 도파로의 좁은 선단은 다른 도파로로부터 이격되어 위치설정된 배치를 나타낸다. 이러한 배치에 있어서, 단열적 조건은 기본적으로 다른 도파로에 더 가까운 테이퍼링된 도파로 표면의 점진적인 접근에 의해 달성된다. 이들 배치는 예시적인 것이며, 접근영역에 따른 단열적 조건을 유지시키기 위해 많은 다른 배치가 등가적으로 채택될 수 있다.
도 6의 (A), (B)는 기판(621)[명료히 나타내기 위해 도 6 의 (A)에서는 생략]상의 도파로(620)에 측면 연결된[도 6의 (A)] 또는 표면 연결된[도 6의 (B)] 기판(611)상의 도파로(610)를 나타낸다. 이들 각각의 예에서, 도파로의 모드 인덱스의 편차는 도파로 코어(612/622)와 각각의 도파로 클래딩간의 인덱스 차분에서의 길이방향 경사에 의해 달성된다. 각 도파로에서, 인덱스 차분은 일단부[도파로(610/620)의 입력단부/출력단부]에서 최대값으로 될 수 있으며 접합 영역의 양단에서 실질적으로 제로로 감소된다. 인덱스 차분 경사도는 클래딩 인덱스 경사, 코어 인덱스 경사[도 6의 (A), (B) 참조] 또는 이들 모두로부터 발생할 수 있다. 본 명세서에 기재된 결합형 도파로의 임의의 특정예 또는 등가예는 이러한 경사 인덱스 차분 도파로로 구현이 가능하다.
도 1의 (A) 내지 도 6의 (B)의 실시예에 도시된 길이방향 모드 인덱스 편차는 리소그래피, 증착, 도핑, 주입, 마스킹, 에칭, 광고밀도화, 광화학 등을 포함하는 표준의 공간 선택형 재료처리기술을 이용하여 용이하게 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 기술에 한정되는 것은 아니다. 단열적 광출력 전달을 위해 구성된 도파로들 중 하나와 함께 기판상의 다른 광학 부품을 제조하기 위해 이들 기술을 채택함으로써, 기판상에 집적된 다양한 부품들로부터 개별 도파로까지의 광출력의 전달이 가능하게 된다. 이러한 중간전달용 광도파로의 이용은 상기 인용한 출원 A8에 광범위하게 설명되어 있으며(여기에서, "중간전달용 광도파로"는 "중간결합형 도파로"라고 하였으며, 이들 문장들은 기재된 상세한 설명/청구범위의 취지와 등가인 것으로 고려될 수 있다), 이하 상세하게 설명한다. 상기 인용한 출원 A8은 공통기판상의 광학 부품에 종단 결합된 그리고 개별 전송용 광도파로에 모드간섭 결합된 중간전달용 광도파로의 이용에 대하여 설명하고 있다. 상기 인용한 출원 A8에 개시된 모든 방법, 장치 및 실시예들은 개별 전송용 광도파로로 실질적인 단열 광출력을 전달하도록 구성되는 대신에 중간전달용 광도파로를 포함하도록 변경될 수 있다. 제조, 조립 및 정렬 허용도가 완화되고, 이에 따라 이러한 광학 소자의 구성도 용이해지며, 저렴해지고 및/또는 소요시간이 감소될 수 있게 된다.
광출력의 실질적인 단열 횡단 전달이 도파로 위치에 의존하는 정도는 각 도파로의 횡단 광모드 크기 특성과 관련하여 가장 용이하게 특정될 수 있다. 횡단 전달의 많은 경우에 있어서, 도파로의 정밀하고 정확한 상대적 위치설정은, 위치 허용도가 도파로의 대응하는 횡단 광모드 크기 특성의 일부에 지나지 않는다고 하더라도(예컨대, 위치 허용도는 대응하는 횡단 치수에서의 횡단모드 크기의 대략 0.5배 이하이다), 횡단 치수들(기판에 대해 수직 또는 수평/측방) 중 하나로 용이하게 달성될 수 있다. 도 1의 (A)∼(C)의 실시예에 있어서, 수직 관련 위치설정은 표면 연결형 도파로들 사이, 하나의 도파로와 다른 도파로 기판상에 제공된 지지/정렬 구조들 사이, 및/또는 각 도파로 기판상의 지지/정렬 구조들 사이의 기계적 접촉에 의해 결정될 수 있다. 이러한 위치설정의 정확성은 도파로를 제조하기 위해 채택되는 정밀재료 제조 및 처리기술에 의존하고, 이에 따라 수직 횡단모드 크기의 일부에 지나지 않는 허용도(tolerance) 범위내라고 하더라도, 광출력의 신뢰성 있고 재생 가능한 횡단 전달을 위한 충분한 정밀성과 정확성을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 도 4의 (A)∼도 6의 (B)의 실시예에 있어서, 도파로를 정밀하게 제조함으로써 수평 횡단모드 크기의 일부내라도 하더라도, 측면 연결된 도파로간의 기계적 접촉에 의한 정밀한 측방 또는 수평 위치설정이 가능하게 된다. 다른 횡단 치수[도 1의 (A)∼도 3의 (C)에서의 수평 또는 측방 위치설정; 도 4의 (A)∼도 6의 (B)에 해당하는 수직 위치설정]에서 도파로의 유사하게 정확한 상대적 위치설정이 용이하게 달성될 수 없는 경우가 종종 있다.
그러나, 실질적인 단열 횡단 전달에 대해 도파로들간의 광출력의 실질적으로 완전한 전달이, 도파로의 측면횡단 광모드 크기 특성만큼의 또는 2배만큼인 측면 방향 허용도내에서 달성될 수 있다는 것이 증명되었다. 도 46에 곡선을 생성하는 간단한 해석모델로 도시되어 있는 바와 같이, 도파로의 상대적 횡단 오프셋에 대한 광출력 전달의 정도의 변화는 단열적인 횡단 전달에 해당하는 상당한 범위에 대해 실질적으로 고정이 된다. 모드간섭 결합형 횡단 전달 및 종단 전달에 대한 광출력 전달의 대응 정도는 횡단 위치에 따라 매우 급격하게 변화한다. 이들 계산(간단한 해석모델에 기초함)은 폭이 대략 5㎛이고 두께가 대략 3㎛이며 클래딩의 대략 1㎛만큼 수직으로 공간이 형성되어 있고 대략 1.5의 코어 인덱스와 대략 1.45의 클래딩 인덱스를 갖는 도파관 코어에 기초한다. 코어의 폭은 단열적인 경우에 대략 750㎛의 길이를 갖는 접합 영역의 위에 대략 20%만큼 변화한다. 도파로의 측면 오프셋이 측면횡단 모드 크기에 대해 대략 ±0.3배만큼 최대 광전달 위치로부터 벗어남으로써, 종단 결합형 광출력에 대해 달성 가능한 최대 광전달에 비해 횡단오프셋 광전달 손실이 대략 0.5dB이 된다(통상 공간모드 불일치에 의해 제한됨). 횡단모드 크기는 강도에 대해 1/e2 절반폭으로 본 명세서에서 정의되며, 상이한 크기의 광모드가 도파로에 의해 지지될 때 제곱평방근 모드 크기는 관련 모드 크기가 된다. 모드간섭 결합형의 경우에 대한 광학적 접합 길이는 도파로가 적절하게 인덱스 매칭된다고 할 때 실질적으로 완전한 광출력 전달을 제공하도록 선택된다. 모드간섭 결합형 횡단 전달의 경우, 측면횡단 모드 크기의 대략 ±0.7배의 측면 도파로 오프셋에 의한 횡단 오프셋 전달 손실이 대략 0.5dB이 된다(최대 달성 가능한 횡단 전달에 비해; 기본적으로 실질적으로 완전한 광출력 전달). 횡단 오프셋 전달 손실은 대략 0.5dB 이하로 유지되며, 실질적으로 고정적이고, 측면 오프셋이 단열적 횡단 전달을 위한 횡단모드 크기의 대략 1.5배가 된다. 횡단 오프셋 전달 손실의 고정은 횡단 오프셋의 허용 가능한 범위에 대한 공칭의 광출력 전달 손실 정도의 특정 범위를 유지하는 것으로 특정될 수 있다(본 예에서는 100% 전달의 0.5dB 이내).
이들 값은 광출력의 횡단 전달을 위해 채택된 도파로의 특유의 구조, 채택된 코어 및 클래딩의 재료 및 결합 상수 κ의 크기에 의존한다. 모드간섭 결합형 횡단 전달의 오프셋 허용도는 필요한 상호작용 길이가 달성될 수 있는 정확도에 의존한다. 단열적 횡단 전달의 경우, 오프셋 허용도는 접합 영역에서의 도파로에 따른 κ와 Δβ의 편차와 광학적 접합 영역의 길이에 의존한다. 결합상수 κ의 유사 값에 대해, 도 46의 결과는 모드간섭 결합형 횡단 전달에 요구되는 것보다 단열적 횡단 전달에 대해 대략 5배 더 긴 광학적 접합 영역으로 달성된다. 도파로를 따라 실질적인 단열 조건을 유지하는 것에 주의한다고 가정할 때, 단열적 횡단 전달에 대한 접합 영역이 더 긴 경우 및/또는 κ값을 증가시킴으로써 더 긴 측면 오프셋이 허용될 수 있다.
큰 종횡비를 갖는 도파로를 채택하는 것은 단열적 횡단 전달에 의해 나타나는 횡단 오프셋 인센시티비티(transverse-offset-insensitivity)를 강화할 수 있다. 박막형 코어가 있는 표면연결형 도파로들간의 광출력 전달을 위한 수치적으로 규격화된 곡선과 측정된 데이터가 도 47에 도시되어 있다. 도파로들은 각각 광학적 접합 영역을 따라 대략 250㎛ 길이에 대해 대략 2.2㎛의 폭 내지 대략 0.5㎛의 폭까지 감소시키는 코어를 갖는다. 코어는 대략 0.8㎛의 클래딩에 의해 수직으로 분리된 대략 0.13㎛의 두께를 가지며, 코어 인덱스는 대략 2.0이고 클래딩 인덱스는 대략 1.45이다. 코어는 대략 1.4㎛의 폭이며, 결과로서의 광모드 사이즈는 Δβ가 광학적 접합 영역에서 제로를 지나가는 지점 부근의 측방 치수에서 대략 0.7㎛이다. 횡단 오프셋 광출력 전달 손실은 ±1.5㎛의 측면 오프셋의 범위에 대해 대략 0.5dB 이하를 유지(실질적으로 고정)하거나 대응하는 횡단 광모드 사이즈의 대략 ±2배 이하로 유지된다.
광출력의 실질적인 모드간섭 결합형 횡단 전달을 채택하는 본 명세서에 기재된 다양한 광학적 접합의 경우, 횡단 오프셋 광출력 전달 손실은 횡단 오프셋에 대해 하나의 도파로의 대응하는 광모드 크기 특성의 적어도 대략 ±0.5배만큼 큰 대략 0.5dB 이하로 유지하는 것이 바람직할 것이다. 광출력의 실질적인 단열 횡단 전달을 채택하는 본 명세서에 기재된 다양한 광학적 접합의 경우, 횡단 오프셋 광출력 전달 손실은 횡단 오프셋에 대해 대응하는 횡단 광모드 크기의 적어도 대략 ±1배만큼, 가장 바람직하게는 대응하는 횡단 광모드 크기의 적어도 대략 ±1.5배의 크기인 대략 0.5dB 이하를 유지하는 것이 바람직하다. "고정" 특성을 갖는 광출력의 실질적인 단열 횡단 전달을 채택하는 본 명세서에 기재된 다양한 광학적 접합은 횡단 오프셋에 대해 대응하는 횡단 광모드 크기의 적어도 대략 ±1배의 크기, 가장 바람직하게는 대응하는 횡단 광모드 크기의 적어도 대략 ±1.5배 크기인 공칭 전달 손실의 ±0.5dB 이내를 유지하는 것이 바람직할 것이며, ±0.3dB 이내가 가장 바람직할 것이다. 도 47에 도시된 실험 및 수치 데이터는 이들 기준이 용이하게 달성될 수 있다는 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 정렬-인센시티브 광학적 접합을 구현하기 위한 도파로는 보다 표준인 도파로 구조(즉, 도파로, 광섬유 또는 실질적으로 길이방향 편차를 초기에 가지지 않는 코어 및/또는 클래딩 프로파일을 갖는 유사한 구조)의 기계적 변형에 의해 제공될 수 있다. 표준 도파로를 매우 완만한 각도로 에칭 또는 연마함으로써, 길이방향으로 변화하는 모드 인덱스를 갖는 경사진 결합 영역을 생성할 수 있게 된다. 다른 도파로에 대해 이러한 에칭 또는 연마된 표면을 채용함으로써 종료 조건이 만족된다면 도파로들간에 실질적인 단열 광출력 전달이 가능하게 된다. 측면 연결된 예와 표면연결된 예가 도 7의 (A) 및 (B)(측면연결)와 도 8의 (A) 및 (B)(표면연결)에 도시되어 있다. 기판(711)상에서 코어(712)를 포함하는 도파로(710)는 완만한 각도(예컨대, 대략 0.5°, 그 결과 접합 영역은 길이가 대략 600㎛, 도파관은 폭이 5㎛가 되며, 다른 각도 및 접합 영역 길이도 채택될 수 있다)로 에칭된다. 기판(721)상에 코어(722)가 있는 제 2 도파로(720)[명확히 나타내기 위해 도 7의 (A)에서는 생략함]는 유사하게 에칭 또는 연마되고, 도시된 것과 같이 도파로(710)에 상대적으로 위치설정되는데, 에칭/연마된 도파로의 표면들은 접촉되는 것이 바람직하다. 앞서 도시된 실시예에서, 단열적 광출력 전달의 특성으로 인해, 도파로(710, 720)의 광범위한 상대적 위치에 대해 도파로들 사이에서 광신호 출력을 수평 및 수직으로 실질적으로 완전하게 전달하게 된다. 따라서, 상술한 바와 같이, 소자를 구성하기 위해 수동 및/또는 낮은 정밀도의 조립/정렬 기술이 용이하게 및/또는 경제적으로 구현될 수 있다. 충분히 점진적인 접근 조건이 용이하게 달성될 수 있는데, 이는 클래딩층이 임의의 두께를 가질 수 있으며, 클래딩이 두꺼울수록 하나의 도파로의 좁은 선단의 존재에 의해 다른 하나의 도파로의 고립 모드의 혼동을 감소시키게 된다.
도파로들간의 광출력의 실질적으로 완전한 전달을 보증하는데 도움을 주는 한가지 방법은 상기 실시예들의 경우에서와 같이, 2개의 실질적으로 동일한 도파로(물론 모드 인덱스 경사는 반대)를 채택하는 것이다. 이에 의하여, Δβ=0인 접합 영역내에 하나의 지점이 존재할 것이며, Δβ는 접합 영역의 단부에서 반대의 부호를 가짐으로써(실질적으로 정렬 인센시티브, 실질적으로 완전한 단열적 광출력 전달을 위해 필요한 조건), 설계과정을 단순화시키게 된다. 이러한 대칭적 배치에 의해, 입력 종료 조건이 만족되면 출력 종료도 유사하게 만족될 것이라는 것을 보장한다. 그러나, 본 명세서에 개시 및/또는 청구된 발명의 개념으로부터 벗어남이 없이, 단열적 광출력 전달을 채택하는 정렬 인센시티브 광학적 접합 장치 및 방법이 상이한 도파로를 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 도파로는 일반 유형은 동일하지만, 크기, 재료, 인덱스, 길이방향 경사 등은 상이할 수 있다. 또한 도파로는 적절한 종료 및 단열 조건이 실질적으로 만족되는한 실질적으로 상이한 타입으로 이루어질 수 있다. 주의할 것은, 2개의 도파로는 길이방향의 모드 인덱스 경사를 가질 필요가 없다는 것이다. 단열 횡단 전달은 하나 또는 두개의 도파로가 길이방향 모드 인덱스 경사를 갖는 본 발명에 따른 방법과 장치로 구현될 수 있다.
도 9의 (A)∼(C)에는, 길이방향으로 변화하는 모드 인덱스를 갖는 경사진 영역을 제공하도록 완만한 각도로 연마된 코어(922)가 있는 광섬유(920)가 도시되어 있다. 예를 들어, 대략 8㎛의 코어 직경과 대략 0.5°의 연마 각도를 갖는 단일모드 광섬유는 길이가 대략 1mm인 접합 영역을 제공할 수 있으며, 그외의 각도와 결합영역 길이도 채택될 수 있다. 기판(911)상에는 코어(912)를 갖는 도파로(910)에 표면연결된 광섬유(920)가 도시되어 있다. 측면연결도 채택될 수 있지만, 광섬유(920)의 클래딩의 치수 때문에 기계적으로는 불편하다는 것을 알 수 있을 것이다. 모드 인덱스의 길이방향 편차가 없는 도파로(910)가 도시되어 있다. 도파로(910)의 모드 인덱스는 광섬유(920)의 클래딩층의 인덱스보다 더 커야 하지만, 완전한 광섬유(920)[완전한 코어(912)에 완전한 클래딩을 합한 것]의 모드 인덱스보다는 작아야 한다. 또한, 도파로(910)에는 도 1의 (A)∼도 8의 (B)에 도시된 것을 포함하여, 길이방향으로 변하는 모드 인덱스가 임의의 적절한 방식으로 제공될 수 있다.
도 10의 (A), (B), 도 11의 (A), (B) 및 도 12에는 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 광섬유 테이퍼 세그먼트와 다양한 도파로가 도시되어 있다. 도 10의 (A), (B)에 있어서, 테이퍼 세그먼트(1020)는 도파로(1010)에 단열적으로 표면연결[도 10의 (A)]되거나 측면연결[도 10의 (B)]되며, 이 도파로(1010)에는 길이방향으로 테이퍼링된 코어(1012)가 포함된다. 도파로(1010)의 모드 인덱스는 테이퍼 세그먼트(1020)의 모드 인덱스보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하고, 도파로(1010)의 클래딩 인덱스는 테이퍼 세그먼트(1020)의 모드 인덱스보다 작은 것이 바람직하다. 도 11의 (A) 및 (B)에 있어서, 테이퍼 세그먼트(1120)는 도파로(1110)에 단열적으로 표면연결[도 11의 (A)]되거나 측면연결[도 11의 (B)]되며, 도파로(1110)는 길이방향 인덱스 차분 경사를 갖는 코어(1112)를 포함한다. 도파로(1110)의 모드 인덱스는 테이퍼 세그먼트(1120)의 모드 인덱스보다 큰 것이 바람직하며, 도파로(1110)의 클래딩의 인덱스는 테이퍼 세그먼트(1120)의 모드 인덱스보다 작은 것이 바람직하다. 도 12는 측면에칭된(측면연마된) 경사진 도파로(1210)에 단열적으로 측면연결된다. 측면연결에는 에칭된 도파로와 테이퍼 세그먼트가 채택될 수 있지만, 기계적으로 불편하다는 것을 알 수 있다. 도파로(1210)의 모드 인덱스는 테이퍼 세그먼트(1220)의 모드 인덱스보다 큰 것이 바람직하며, 도파로(1210)의 클래딩의 인덱스는 테이퍼 세그먼트(1220)의 모드 인덱스보다 작은 것이 바람직하다. 주의할 것은, 상기 실시예에서 도시된 광섬유 테이퍼 세그먼트(1020/1120/1220)의 단열적 광출력 전달 접합을 형성하는 부분은 광섬유 테이퍼의 실질적으로 직선인 부분인 것이 바람직하며, 테이퍼 세그먼트를 따라 길이방향 위치에 대해 실질적으로 변하지 않는 직경과 모드 인덱스를 갖는 것이 일반적이다. 길이방향으로 변하는 직경 및/또는 모드 인덱스를 갖는 광섬유 테이퍼의 부분을 이용하여 단열적 광출력 전달 소자를 구성하는 것이 바람직할 것이다.
도 10의 (A) 내지 도 12에 있는 실시예에서, 도파로(1010/1110/1210)는 기판(1011/1111/1211)상에 위치하고 다른 광학 부품과 그 위에서 함께 집적될 것이다. 상기 인용한 출원 A9에서 설명한 종류의 정렬 구조가 도파로에 대하여 광섬유 테이퍼 세그먼트(1020/1120/1220)를 정렬시키도록 채택될 수 있다. 단열적 광출력 전달의 특성은 광섬유 테이퍼 세그먼트와 도파로간의 광출력의 전달이 몇 미크론 범위내에서 광섬유 테이퍼 세그먼트의 정확한 정렬에 실질적으로 영향을 받지 않는 것을 보장한다. 이에 따라, 광섬유 테이퍼와 도파로간의 실질적인 단열적 광출력 전달을 채택하는 소자의 구성이, 도파로에 광섬유 테이퍼 모드간섭 결합된 유사 소자에 비해 덜 어려워지고, 비용이 적게 소비되며 및/또는 시간소비가 줄어든다. 그럼에도 불구하고, 모드간섭 결합형 소자가 이용될 수 있으며, 소정의 환경하에서는 이하에 설명하는 바와 같이 바람직할 수도 있다.
도 13의 (A), (B), 도 14의 (A), (B) 및 도 15의 (A), (B)는 소위 "플립칩"(flip-chip) 구조 및 평면형 도파로를 이용하는 단열적 광출력 전달을 위한 광도파로의 조립을 나타낸다. 도 13의 (A), (B)는 테이퍼링된 도파로 코어(1312a, 1312b)가 각각 있는 평면형 도파로(1310a, 1310b)를 포함하여, 기판(1311)상의 평면형 도파회로의 일부의 상면도 및 측면도이다. 테이퍼링된 코어(1312a, 1312b)는 명확히 나타내기 위해 양 횡단치수가 테이퍼링되는 것으로 도시되어 있지만, 하나의 횡단치수만 테이퍼링되는 것으로 등가적으로 제공될 수 있고, 접합 영역을 따라 길이방향으로 변하는 모드 인덱스를 제공하기 위한 길이방향 인덱스 차분 경사 또는 임의의 다른 적절한 형태가 제공된다. 기판(1311)에는 정렬 안내부(1315) 및 전기접촉부(1316)가 제공된다. 이 평면형 도파회로는 광학 부품을 수용하도록 구성되고 도파로(1310a/1310b)를 통해 광출력을 전달하도록 구성된다. 소자(1324)는 임의의 바람직한 종류의 능동 또는 수동 소자가 가능하며, 레이저, 변조기, 필터 또는 기타 다른 광학 소자가 가능하다. 중간전달용 광도파로(1320a, 1320b)는 기판(1321)상에 위치하고 소자(1324)에 종단 결합되는데, 상기 인용한 출원 A8에서 설명한 방식으로 된다(여기서 중간전달용 광도파로는 중간결합형 도파로라고도 하며, 이 용어는 상세한 설명/청구범위를 통해 등가적으로 사용됨). 중간전달용 광도파로(1320a/1320b)에는 코어(1322a/1322b)가 제공(각각)되고, 이들 각각은 상술한 바와 같은 임의의 적절한 방식으로 제공된 길이방향으로 변하는 모드 인덱스를 갖는다. 광학 소자(1324)에는 접촉부(1316)를 연결시키기 위한 전기 접촉부(1326)가 제공될 수 있다.
도 15의 (A), (B)는 도파로 기판(1311)과 조립된 기판(1321)상의 소자(1324)를 각각 나타내는 상면도 및 측면도이다. 정렬 안내부(1315)는 평면형 도파로(1310a/1310b)로 (각각) 단열적 광출력 전달을 위한 중간전달용 광도파로(1320a/1320b)를 위치설정하기 위하여 소자 기판(1321)의 석판인쇄술로 형성된 정렬 에지를 맞물리도록 한다. 많은 다른 형태의 정렬 안내부가 등가적으로 이용될 수 있으며, 리지, 에지, 탭, 슬롯, 핀, 플래지, 인터로킹 톱니(interlocking teeth), 광학 타겟 등이 포함될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 광신호는 평면형 도파로로부터 소자까지 실질적으로 완전하게 전달될 수 있게 되며, 소자에 의해 작용이 이루어진 후 다른 평면형 도파로로 실질적으로 완전하게 전달된다. 또, 소자(1324)로부터 방사되는 광신호는 중간전달용 광도파로(1310a/1310b)로 전달될 수 있다. 단열적 횡단 전달의 허용도가 완화됨으로써, 광학 소자는 평면형 도파로 시스템에 실질적으로 시간, 비용 및/또는 난이도는 줄이고 및/또는 소자수율은 증가시키면서 용이하게 삽입될 수 있다. 특히, 완화된 허용도로 인해 도 15의 (A), (B)에 예시된 것과 같이, 복수개의 도파로에 광학 소자의 동시 정렬이 용이하게 가능해진다. 이러한 동시 정렬은 종단 결합 또는 모드간섭 결합에 의해 달성하는 것은 매우 어려울 것이다. 도 13의 (A), (B)에 도시된 것과 같이 단일 도파로 기판상에 복수개의 소자 위치가 제공될 수 있어, 도 14의 (A), (B)에 도시된 방식으로 복수개의 광학 소자의 조립체가 용이하게 제공될 수 있게 된다.
재차 강조하는 것이지만, 상기 인용한 출원 A8에서 설명한 방법 및 장치는 중간전달용 광도파로로서 본 명세서에 개시된 것과 같이 실질적으로 단열적 광출력 전달을 위해 구성된 도파로를 이용하여 구현될 수 있다(중간전달용 광도파로는 상기 인용한 출원 A8에서는 중간결합 도파로라고도 하며, 이 용어는 상세한설명/청구범위에서 등가적으로 사용된다). 단열적 광출력 전달에 의해 제공되는 완화된 정렬 허용도에 의해 상기 인용한 출원 A8에 따른 중간전달용 광도파로의 이용에 의해 제공되는 이점을 강화시킨다.
도 16의 (A), (B), 도 17의 (A), (B) 및 도 18의 (A), (B)는 평면형 도파로 시스템과 광섬유간의 실질적인 단열 광신호 출력의 전달에 적합한 조립체를 나타낸다. 도 16의 (A), (B)는 광섬유로의 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 평면형 도파로 기판(1611)의 일부의 상면도 및 측면도를 각각 나타낸다. 도파로(1610)는 테이퍼링 코어(1612)가 있는 기판(1611)상에 제공될 수 있다. 테이퍼링된 코어(1612)에 의해 제공되는 길이방향으로 변하는 모드 인덱스는 하나 또는 두개의 횡단 치수, 등급 인덱스 차분 코어 또는 기타 다른 적절한 형태로 테이퍼링된 코어를 포함하여, 임의의 다른 적절한 구조에 의해 제공될 수 있다. 기판(1611)에는 정렬 안내부(1615)가 제공된다. 도 17의 (A), (B)는 각진 V자 블록(1621)으로 배치된 앵글이 연마된 경사진 광섬유(1620)를 나타내는 측면도 및 저면도이다. 블록(1621)의 각진 V자 그루브(1623)는 적절한 베벨각(bevel angle)으로 광섬유(1620)를 연마하는데 이용되고, 도파로(1610)에 대해 광섬유(1620)와 코어(1622)의 경사진 단부를 위치설정하는데 이용되는 것이 바람직하다.
도 18의 (A), (B)는 블록(1621)으로 조립된 평면형 도파로 기판(1611)의 각각의 상면도 및 측면도이다. 정렬 안내부(1615)는 실질적인 단열 광출력 전달을 위한 테이퍼링된 코어(1612)에 대해 광섬유(1620)의 연마된 부분을 위치설정하기 위하여 블록(1621)의 석판인쇄술로 형성된 정렬 에지를 맞물리도록 한다. 많은 다른 형태의 정렬 안내부가 등가적으로 이용될 수 있으며, 리지, 에지, 탭, 슬롯, 핀, 플렌지, 인터로킹 톱니, 광학 타겟 등이 포함될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 단열적 횡단 전달의 허용도가 완화됨으로써, 광학 소자는 평면형 도파로 시스템에 실질적으로 시간, 비용 및/또는 난이도는 줄이고 및/또는 소자수율은 증가시키면서 용이하게 결합될 수 있다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은 2개 이상의 다른 광도파로, 소자 및/또는 서브 조립체를 갖는 광학 부품 또는 서브조립체의 동시 조립/정렬에 매우 적합할 수 있다.
다양한 도파로 타입이 본 발명의 범위내에서 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로로서 채택될 수 있다. 코어 및 하위 인덱스 클래딩층을 포함하는 낮은 굴절률인 로우 인덱스 유전성 도파로는 실질적으로 단열적 광출력 전달을 위해 구성된 바람직한 도파로가 될 수 있다(도면에 도시되어 있음). 이러한 도파로는 정밀재료 처리기술을 이용하여 실리카계 물질을 이용하여 제조될 수 있다. 그 결과로서의 도파로가 실리카계 광섬유 테이퍼 세그먼트 또는 각이 연마된 광섬유에 단열적 광출력 전달을 위해 용이하게 채택될 수 있다. 다른 도파로 재료 및/또는 구성이 등가적으로 이용될 수 있으며, 단열적 광출력 전달의 이용을 변경 및/또는 강화시키도록 이용된 도파로 특성을 변화시킨다. 게르마노-실리케이트는 도파로 또는 광코어 재료로서 일반적으로 사용되며, 본 응용에서의 코어 재료로서의 이용에 적합할 것이다. 실리콘 질화물(SixNy) 및/또는 실리콘 산질화물(SiOxNy)가 단열적 횡단 전달을 위해 구성된 도파로 코어를 형성하기 위한 바람직한 재료가 될 수 있다. 도파로 광모드의 한정이 하위 인덱스 클래딩층으로 둘러싸인 하나 이상의 도파로 코어, 분산형 브래그 반사기(distributed Bragg reflector), 다른 다층 반사기, 광자 밴드갭/광자 결정계 기술, 금속 반사기 코팅, 유전 반사기 코팅 및/또는 공기/도파로 인터페이스에서의 내부 반사에 의해 영향을 받는 도파로가 채택될 수 있다. 코어가 있는 도파로는 단일 코어 또는 다중 코어를 포함할 수 있으며, 다중 코어는 지지된 고립모드 또는 시스템모드의 필드분산을 변경하도록 이용될 수 있다[소위 "영역평편화"(field-flattening)라 불리며, 조립된 광학 소자의 정렬감도를 추가로 감소시키게 된다]. 도파로 재료는 실리카, 게르마노실리케이트 및/또는 다른 도핑된 실리카카 또는 실리카계 물질; 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 산질화물; 반도체 물질; 유기재료; 무기재료; 결정성 물질; 유리 또는 비정질 물질; 중합물질; 전자-광 물질; 기타 다른 로우 인덱스 또는 하이 인덱스의 유전성 물질 등 중 하나 또는 여러개를 포함할 수 있다. 로우 인덱스 유전체 도파로(예컨대, 실리카계, 게르마노실리케이트계, 실리콘 질화물계, 및/또는 실리콘 산질화물계)가 본 발명에 따른 단열적 광출력 횡단 전달을 위한 적절한 도파로로서 특히 주목된다. 이러한 도파로는 파장 또는 편광에 대한 단열적 광출력 전달 성능의 의존성이 거의 없거나 전혀 없는 것을 나타낼 수 있으며, 이것은 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달에 위해 구성된 도파로를 채택하는 다양한 광학 소자에 대해 바람직하다. 상기 인용한 출원 A1, A10에 개시된 바와 같은 다층 도파로가 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로로서의 이용을 위한 잠재적으로 바람직한 후보로서 주목된다. 이러한 도파로는 파장 및/또는 편광에 대한 단열적 광출력 전달 성능에 실질적으로 의존된 것을 나타낼 수 있으며, 이것은 다양한 광학 소자에 대해 바람직하다. 전자활성 및/또는 비선형 광물질을 실질적인 단열 광출력 전달을 위해 구성된 도파로에 사용하는 것은 도파로의 성능의 액티브한 제어를 가능하게 할 수 있다.
도면에 도시된 실시예에 있어서, 단열적 광출력 전달을 위해 구성된 도파로(또는 도파로의 코어)는 종단을 나타내며, 도시된 실시예들은 도파로간의 광신호 출력의 실질적으로 완전한 전달을 원하는 경우에 이용하기 위한 것이다. 도파로(또는 코어)는 이러한 실시예에서만 종단될 필요는 없으며, 도파로 및/또는 코어가 종단되지 않는 실시예가 상세한설명 및/또는 청구범위를 통해 본 발명의 범위에 속할 것이다. 단열적 광출력 전달을 위해 구성된 도파로가 도파로간의 광신호 출력의 덜 완전한 전달을 위해 채택될 수 있으며, 상세한설명/청구범위에서와 같이 본 발명의 범위에 속하게 된다.
단열적 광출력 전달에 적합한 도파로의 제조는 정밀재료 처리기술을 이용함으로써 용이하게 될 수 있다. 이것은 유사 기술을 이용하여 제조될 수 있는 다른 광학 부품 및/또는 소자와 함께 이러한 도파로가 기판에 집적되어 제공될 때에 특히 유리하다. 이에는 리소그래피, 증착, 도핑, 마스킹, 에칭 등과 같은 정밀 및/또는 공간 선택성의 재료 처리기술을 포함될 수 있다. 이러한 기술은 광학 소자, 부품 및/또는 도파로의 많은 통합된 그룹의 동시 제조를 유리하게 하도록 웨이퍼스케일상에 구현될 수 있다. 특히, 상술한 출력 A8에 개시된 것과 같이 광학 소자용의 중간전달용 광도파로로서 채택된 단열적 광출력 전달을 위해 구성된 도파로는 상기 기술을 이용하는 웨이퍼스케일상에 제조되는 것이 바람직할 것이다.
기판상에 제조된 광학 소자와 전송용 광도파로간의 링크로서 중간전달용 광도파로를 이용하는 것은 강력한 기술이며, 상술한 A8 및 A11에 소개되어 있다. 웨이퍼스케일 제조는 많은 광학 소자의 동시 제조를 위해 채택될 수 있으며, 이들 광학 소자는 각각 전송용 광도파로(평면형 도파로, 광섬유 또는 기타 다른 전송용 광도파로)를 광학적 접합에 제공하기 위한 광학적으로 통합된 중간전달용 광도파로를 갖는다. 정밀재료 처리기술에 의해 각 광학 소자와 광출력 전달을 위한 그 각각의 중간전달용 광도파로의 적절한 위치설정 및 정렬이 용이하게 된다(즉, 종단 전달 또는 횡단 전달을 위한 광집적). 중간전달용 광도파로와 광프로브(예컨대, 상기 인용한 출원 A3에 개시되어 있음)로서 구성된 전송용 광도파로간의 광출력의 횡단 전달에 의해, 어렵고 시간이 많이 소비되며 비용이 많이 드는 웨이퍼를 개별 소자로 분리과정 이전에 기판상의 광학 소자의 검사 및 한정시험이 가능하게 된다.
광출력의 횡단 전달(그리고 실질적으로 단열적 횡단 전달에 대한)에 대한 완화된 정렬 허용도에 의해 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로의 적절한 위치설정 및 정렬이 가능하게 된다. 단열적 횡단 전달은 광출력의 실질적으로 완전한 전달이 요구되는 및/또는 본 명세서에서 논의된 광출력 전달 기술의 최소한으로 요구되는 정렬 허용도를 일반적으로 제공하는 응용에 특히 적합할 수 있다. 그러나 광학적 접합 영역은 매우 길 수 있는데, 길이가 밀리미터를 초과할 수도 있어, 소자의 전체 크기를 증가시키는 결과가 된다. 편광 의존성 및/또는 파장 의존성 전달이 요구될 때, 광출력 전달의 액티브한 전달이 요구될 때, 광출력 전달의 정도를 변경하고자 할 때 및/또는 짧은 광학적 접합 영역(100㎛보다 더 짧은 경우도 있다)과 작은 소자 크기가 요구될 때, 모드간섭 결합형 횡단 전달이 특히 적합할 것이다.
도 19a∼d는 광학 소자(1910)와 전송용 광도파로(1920)의 일반적인 예를 개략적으로 나타내며, 중간전달용 광도파로(1930)는 본 발명에 따라 광학 소자와 전송용 광도파로의 사이에서 광출력을 전달하도록 위치설정되고 구성된다. 광학 소자(1910)는 통상 직경이 몇 미크론만으로 공간모드(1911)를 형성할 수 있다. 이러한 소자 대응 모드는 수직 및 수평 치수가 상이해도 되며, 때때로 높이가 1미크론 이하가 될 수 있다. 이전의 광학 소자의 단면은 재료의 갈라진 단면을 포함하고, 이 재료로 소자를 제조하고 그 재료를 통해 광신호 출력이 전달되게 된다. 본 발명에 따라 구현되는 광학 소자의 경우, 단면(1914)은 갈라지게 하기 보다는 에칭될 수 있다. 또한, 재료처리공정(리소그래피, 증착, 마스킹, 에칭 등)이 소자 기판(1902)상에서 중간전달용 광도파로(1930)를 제조하는데 이용될 수 있다. 정밀재료 처리기술에 의해 소자(1910)에 의해 형성된 공간모드(1911)에 대하여 소자 기판(1902)상에 중간전달용 광도파로(1930)를 제조 및 정렬할 때에 서브미크론 단위의 허용도가 용이하게 이루어질 수 있다. 중간전달용 광도파로(1930)는 소자(1910)에 의해 형성된 공간모드(1911)에 실질적으로 공간모드 매칭된 광모드(1931)[고립되었을 때의 도파로(1930)의 실질적인 특징]를 지지하도록 제조되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 공간모드 매칭의 결과로서, 광출력은 광학 소자(1910)와 중간전달용 광도파로(1930)의 사이에서 효과적으로 전달될 수 있다. 또, 종단 전달 및 횡단 전달(단열적 또는 모드간섭 결합형)을 포함하는 임의의 적절한 방법으로 광학 소자와 중간전달용 광도파로의 사이에서 광출력이 전달될 수 있다. 광학 소자와 중간전달용 광도파로간의 광출력의 전달을 위한 구성이 무엇이든간에, 공통 기판상에의 광학 소자와 중간전달용 광도파로의 제조/집적에 의해 정밀한 정렬 및 효과적이며 재생가능하고 신뢰성 있는 광출력 전달이 가능하게 된다.
광학 소자(1910)와 전송용 광도파로(1920)의 사이에서 광학적 접합 세그먼트(1924)에 광신호 출력을 전달하기 위하여 중간전달용 광도파로(1930)에는 횡단 전달 광학적 접합 세그먼트(1934)가 제공된다. 바람직한 전송용 광도파로는 횡단 전달을 위한 테이퍼링된 세그먼트를 갖는 광섬유, 기판상에 제조되며 횡단 전달 광학적 접합 세그먼트를 갖는 평면형 도파로 또는 평면형 도파회로, 측면 에칭된 횡단 전달 광학적 접합 세그먼트를 갖는 광섬유 또는 광도파로, 또는 적절하게 구성된 횡단 전달 광학적 접합 세그먼트를 갖는 기타 적절한 전송용 광도파로를 포함할 수 있다. 전송용 광도파로는 광모드(1921)[고립되는 경우의 도파로(1920)의 특성]를 가질 수 있다. 중간전달용 광도파로(1930)와 전송용 광도파로(1920)의 각각의 광학적 접합 세그먼트(1934/1924)는 모드간섭 결합형 광출력 횡단 전달을 위해 구성되거나[도 19a, 19b에 개략적으로 도시] 실질적인 단열 광출력 횡단 전달을 위해 구성될 수 있다(도 19c, 19d에 개략적으로 도시, 전송용 광도파로(1920)는 도 19d에서 기판(1922)상에 있는 것으로 도시). 접합 영역(1924/1934)의 광모드 또는 그 부근의 광모드는 고립된 도파로 모드(1921/1931)의 중첩과 유사할 수 있거나, 고립된 도파로 또는 이들의 중첩과 특히 유사하지 않은 시스템이 될 수 있다.
전송용 광도파로(1920)의 광학적 접합 세그먼트(1924)는 중간전달용 광도파로(1930)의 광학적 접합 세그먼트(1934)와 관련하여 위치설정될 수 있는데, 이는 중간전달용 광도파로(1930)의 광모드(1931)와 전송용 광도파로(1920)의 광모드(1921)의 사이에서 광출력의 횡단 전달을 달성하기 위해서이다. 광학적 접합 세그먼트(1924 및/또는 1934)의 구조, 치수, 재료 및/또는 위치는 광출력의 효과적인 전달을 위해 상호작용 길이 L과 결합계수 κ의 정확한 조합을 제공함으로써 실질적인 모드 인덱스 매칭된 횡단 전달을 달성하도록 선택될 수 있다. 또한, 광학적 접합 세그먼트(1924 및/또는 1934)의 구조, 치수, 재료 및/또는 위치는 결합계수 κ(z)와 모드 인덱스 미스매치 Δβ(z)의 정확한 길이방향 편차를 제공함으로써 실질적으로 단열적 횡단 전달을 달성하도록 선택될 수 있다. 중간전달용 광도파로의 광학적 접합 세그먼트에 관련된 전송용 광도파로의 광학적 접합 세그먼트의 수동 정렬이 가능하도록 하기 위한 정렬 구조가 광학 소자상에 제공될 수 있다.
도 20a의 실시예와 이후의 많은 도면은 중간전달용 광도파로를 통해 광학 소자와 전송용 광도파로간의 광출력 횡단 전달에 적절한 구성을 나타낸다. 이들 도면에 도시된 임의의 실시예들은 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로의 사이에서 모드간섭 결합형 또는 실질적인 단열 횡단 전달을 위해 구성될 수 있으며, 특별한 주의사항이 없으면 양 구성을 포함하는 것으로 한다.
중간전달용 광도파로에 의해 전송용 광도파로에 접속된 광학 소자의 예는 도 20a∼20h에 도시되어 있다. 활성층(2016)과 클래딩층(2018)으로 형성된 소자 광모드를 갖는 표준 에지발광 반도체 레이저(2010)가 도시되어 있다. 이 레이저는 소자를 에칭함으로써 바람직하게 형성되는 면(2013, 2014)에서 종단된다. 중간전달용 광도파로(2030)는 반도체 레이저(2010)로서 동일한 기판(2002)상에 제조된다. 중간전달용 광도파로(2030)는 반도체 레이저 출력의 공간모드와 실질적인 공간모드 매칭되는 광모드를 지지하도록 구성 및 위치설정될 수 있다. 중간전달용 광도파로(2030)를 개별 부품의 액티브 정렬에 의해 달성될 수 있는 것보다 훨씬 더 정확하게 레이저 출력에 정렬시키는 매우 정밀한 재료처리기술(예컨대, 리소그래피, 증착, 마스킹, 에칭 등)이 채택될 수 있다. 이러한 기술은 자기정렬 처리를 포함할 수 있으며, 반도체 레이저(2010)를 제조하는데 이용되는 기술과 동일 또는 유사하고, 웨이퍼스케일 처리 동안 수 많은 광학적으로 집적되고 정밀 정렬된 레이저/도파로 소자를 동시에 제조하기 위해 스케일링될 수 있다.
레이저(2010)와 중간전달용 광도파로(2030)는 단일의 복수 단계 제조공정 동안, 또는 구분되는 레이저 및 도파로 제조공정 동안 제조될 수 있다. 레이저(2010, 2030)는 유사한 재료(예컨대, 모두 반도체 재료) 또는 상이한 재료(예컨대, 반도체계 재료와 실리카계 재료)로 제조될 수 있다. 레이저(2010)와 도파로(2030)간의 경계는 급격하거나 점진적일 수 있다. 주의할 것은, 광학 소자와 중간전달용 광도파로간의 구분이 기능적 및/또는 구조적일 수 있다는 것이다. 임의의 경우에 있어서, 레이저(2010)로부터 방출되는 광출력은 반도체 레이저(2010)의 면(2014)(등가적으로 단면(2014))을 통해 중간전달용 광도파로(2030)에 효과적으로 종단 전달된다. 면(2014)을 형성하기 위해 에칭이 이용될 수 있다. 또, 광출력의 종단 전달을 위해 구성된 면(2014)을 형성하기 위해 임의의 다른 적절한 공간적으로 선택된 재료처리기술(예컨대, 공간선택적인 양자우물 혼합)이 이용될 수 있다. 레이저 단면(2013)상에 및/또는 레이저 단면(2014)과 중간전달용 광도파로(2030)의 사이에 하나 이상의 광코팅층을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 레이저의 단면상에 광코팅을 행함으로써, 단면의 반사율과 레이저의 동작특성을 변경 및/또는 제거하는 기능을 할 수 있다. 단면(2014)상의 임의의 광코팅층은 중간전달용 광도파로(2030)를 제조하기 전에 적용될 수 있거나, 제조 후 단면(2014)과 도파로(2030)의 사이에 형성될 수 있다. 각진 단면을 갖는 면(2014)를 제공하고, 중간전달용 광도파로(2030)에 상보형으로 각진 단면을 제공함으로써, 레이저(2010)와 중간전달용 광도파로(2030)간의 효과적인 종단 전달이 가능하면서 레이저(2010)로의 피드백을 감소시킬 수 있다.
또한, 광학 소자와 이에 대응하는 중간전달용 광도파로는 이들간의 광출력의 종단 전달을 위해 구성 및 위치설정될 수 있다. 광학 소자와 중간전달용 광도파로간의 효과적인 광출력 횡단 전달을 달성하기 위하여 상술한 정밀제조기술이 채택될 수 있다.
일단 광출력이 중간전달용 광도파로(2030)로 전달되었으면, 전송 및 중간전달용 광도파로(2020/2030)의 각각의 광학적 접합 세그먼트(2024/2034)에서의 횡단 전달[도 20a∼20d에서는 모드간섭 결합형 횡단 전달을 위해 구성된 것으로 도시됨; 도 20e∼20h에서는 단열적 횡단 전달을 위해 구성된 것으로 도시됨]에 의해 전송용 광도파로(2020)(이 예에서는 광섬유 테이퍼 세그먼트)로 전달될 수 있다. 이러한 소자의 예에서, 중간전달용 광도파로(2030)는 하위 인덱스 클래딩층(2038)(실리카, 게르마노실리케이트, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 기타 유리, 폴리머 등을 포함)으로 둘러싸인 코어(2036)을 포함하는 로우 인덱스 광도파로를 구비하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 로우 인덱스 도파로는 모드 인덱스 매칭된 횡단 전달을 위한 실리카계 광섬유의 광섬유 테이퍼 세그먼트(2020)에 수동적으로 모드 인덱스 매칭(통상 광학적 접합 세그먼트의 횡단 형태/치수의 적절한 설계를 통해)될 수 있다(도 20a∼20d). 레이저(2010)와 공간모드 매칭에 필요한 그리고 광섬유 테이퍼 세그먼트(2020)와 모드 인덱스 매칭에 필요한 중간전달용 광도파로(2030)의 횡단 형태/치수가 실질적으로 상이하다면, 중간전달용 광도파로(2030)는 상이한 형태/치수간의 실질적인 단열전이가 가능하도록 충분히 길게 만들 수 있다. 중간전달용 광도파로는 전자활성 및/또는 비선형 광재료 및 전기적 및/또는 광제어 신호를 채택함으로써 액티브한 모드 인덱스 매칭을 위해 선택적으로 구성될 수 있다. 광섬유 테이퍼 세그먼트(2020)는 중간전달용 광도파로(2030)와 관련하여 위치설정되어, 결합계수 κ에 의해 특정된 모드간섭 결합형 횡단 전달을 달성할 수 있게 된다[또한 중간전달용 광도파로(2030)의 광학적 접합 세그먼트(2034)의 횡단 형태/치수에 의해 부분적으로 결정됨]. 중간전달용 광도파로(2030)와 광섬유 테이퍼 세그먼트(2020)의 광학적 접합 세그먼트(2034, 2024)는 각각 결합계수 κ와 상호작용 길이 L을 제공하여 구성되는 것이 바람직한데, 여기서 κL≒π/2이고, 이에 의하여 중간전달용 광도파로로부터 광섬유까지의 광출력의 실질적으로 완전한 전달이 이루어지게 된다.
도 20e∼20h의 예시적 실시예에 있어서, 상술한 임의의 방법에 의해 광학적 접합 영역(2024/2034)의 사이에서 실질적인 단열 횡단 전달이 채택될 수 있다. 다른 예시적 실시예에서는, 광섬유 테이퍼 세그먼트(2020)를 대신하여 다른 타입의 전송용 광도파로가 채택될 수 있다. 광출력 횡단 전달은, 예컨대 중간전달용 광도파로(2030)와 평면형 도파로의 사이에 설정될 수 있다.
전송용 광도파로(2020)와 중간전달용 광도파로(2030)의 광학적 접합 세그먼트(2024/2034)가 위치설정을 정확하게 하는 것은 상기 상세하게 설명되어 있는 모드간섭 결합형 또는 실질적인 단열 횡단 전달을 채택하는 광출력 전달의 요구되는 정도를 달성하기 위해서이다(통상 실질적으로 완전한 전달이 요구됨). 정확한 횡단 위치설정은 기판 및/또는 기판상에 그루브, 플랜지, 포스트, 탭, 슬롯, 요크, 솔더/금속면 텐션 등의 정렬 구조를 제공함으로써 용이 또는 가능하게 될 수 있는데, 이는 중간전달용 광도파로의 광학적 접합 세그먼트(이 예에서는 광섬유의 광섬유 테이퍼 세그먼트)에 관련하여 적절하게 정렬된 위치에 전송용 광도파로의 광학적 접합 세그먼트를 안내하고 이러한 정렬을 유지하기 위한 것이다. 광섬유 테이퍼 또는 다른 전송용 광도파로를 정렬 및 지지하기 위한 구조적 구성요소로서 광섬유의 세그먼트(광신호를 전달하는 광섬유로부터 분리됨)가 채택될 수 있으며, 링, 그루브, 플랜지 및/또는 나이프에지(knife-edge)가 상기 세그먼트의 위에 제조될 수 있다. 도 20c/20d 및 도 20g/20h에는 중간전달용 광도파로(2030)와 관련하여 광섬유 테이퍼 세그먼트(2020)를 위치설정하기 위한 예시적 정렬 구조체(2060)가 도시되어 있다. 상기 인용한 출원 A9에 다른 유사한 정렬 구조체가 설명되어 있다.
모드간섭 결합형 횡단결합의 경우, 중간전달용 광도파로(2030)로부터 전송용 광도파로(2020)까지 실질적으로 완전한 광출력 전달(또는 다른 요구되는 광출력 전달 레벨)을 위한 적절한 상호작용 길이 L을 제공하도록 중간전달용 광도파로(2030)의 광학적 접합 세그먼트(2034)가 구성될 수 있다. 이 상호작용 길이는 레이저(2010)와 광학적 접합 세그먼트(2034)간의 중간전달용 광도파로(2030)에 벤드(bend)를 제공함으로써 결정될 수 있으며, 이 벤드를 넘는 중간전달용 광도파로의 부분이 적절한 상호작용 길이가 된다(도 20a∼20h). 또한, 중간전달용 광도파로(2130)의 광학적 접합 세그먼트(2134)에는 길이 L의 상승부가 제공될 수 있으며, 광섬유 테이퍼 세그먼트(2120)의 광학적 접합 세그먼트(2124)와의 모드 인덱스 매칭된 횡단 전달의 요구되는 값 κ가 제공될 수 있다(도 21). 어느 경우에서나, 중간전달용 광도파로에 대해 광섬유 테이퍼 세그먼트의 정확한 길이방향 위치설정이 요구되지는 않는다. 이에 따라, 광섬유(즉, 이 예에서는 전송용 광도파로) 및 이 광섬유의 광섬유 테이퍼 세그먼트의 중간전달용 광도파로(그리고 반도체 레이저)와의 충분히 정확한 정렬이 수동정렬 기술에 의해 달성될 수 있다. 레이저의 출력파워를 운반하는 광섬유는 임의의 적절한 기술에 의해 광섬유계 광시스템에 접속, 스플라이스결합 또는 다른 방식으로 연결될 수 있다. 광학적 접합 세그먼트에 대한 정렬 정확도 및 길이 허용도는 모드간섭 결합형 횡단 전달 대신에 단열적 횡단 전달이 채택된다면 추가로 완화된다.
상술한 것과 같은 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 광학 소자(앞서의 예에서의 반도체 레이저)에 의해 제조시의 경제성을 높이는 것이 실현될 수 있다. 전송용 광도파로와 광학 소자간의 높은 효율을 갖는 광출력을 달성하면서 전송용 광도파로와 광학 소자의 상대적인 위치설정을 위한 수동 정렬기술의 이용이 종래기술에 비해 크게 향상된다. 추가적인 이점은 단일 웨이퍼상에 동시에 제조되는 수 많은 소자/도파로를 사전에 검사하고 사전에 검증할 수 있다는 것이다. 갈라져 있고 종단 결합된 소자에 의해, 웨이퍼는 소자를 검사하기에 앞서 반드시 갈라져 있어야 한다. 따라서, 이후에 폐기될 수 있는 소자에 대해 실질적인 공정시간, 노력 및 비용이 든다. 그러나, 본 발명에 따르면, 각각의 소자에는 웨이퍼퍼를 쪼개는 클리빙 공정(cleaving)을 행하기 전에 중간전달용 광도파로가 제공되며, 이 중간전달용 광도파로에 의해 웨이퍼를 분할하기 전에 검사 및 특성화를 위한 소자에 광결합이 가능하게 된다. 레이저 다이오드의 웨이퍼에는, 예컨대 이웃하는 소자로부터 레이저의 출력파워를 모니터링하기 위한 광검출기로서 기능하도록 다이오드가 역바이어스될 수 있다. 또, 광학 소자가 되는 진단장치가 제조공정에 특별하게 설계될 수 있다.
이전 문단에 설명된 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로를 포함하는 반도체 레이저에 대한 설명은 본 발명의 하나의 예시적인 구현에 불과하다. 본 발명은 기판상에 제조될 수 있는 사실상 임의의 다른 광학 소자로 일반화될 수 있다. 이러한 임의의 소자를 위해, 중간전달용 광도파로가 집적 소자 구성요소로서 소자 기판상에 제조될 수 있으며, 중간전달용 광도파로와 광학 소자간의 종단 전달 및/또는 횡단 전달에 의한 광출력 전달을 위해 구성될 수 있다. 광학 소자와 전송용 광도파로간의 광출력의 효과적인 전달을 제공하기 위해 중간전달용 광도파로의 광학적 접합 세그먼트가 이용될 수 있다. 본 발명은 이전 실시예의 반도체 레이저와 같은 단일 종단형 또는 단일 포트 소자용으로 구현될 수 있으며, 변조기, 필터, 스위치, 멀티플렉서, 스플리터/컴바이너 등과 같은 다중포트 장치용으로 구현될 수도 있다. 일단 소자가 적절한 수의 입력/출력 세그먼트로 제조되었으면, 이들 세그먼트는 광출력 전달(종단 전달 또는 횡단 전달)을 위해 적절하게 구성될 수 있으며 이들 각각을 위해 중간전달용 광도파로가 제공된다. 이들 중간전달용 광도파로는 각각 광시스템에의 접속을 위한 각각의 전송용 광도파로와 광학 소자간의 광출력 횡단 전달을 제공할 수 있다. 각각의 중간전달용 광도파로와 이들 각각의 전송용 광도파로간의 광출력 횡단 전달은 단열적 또는 모드간섭 결합형이 될 수 있으며(능동 또는 수동 모드 인덱스 매칭됨), 광학 소자와 관련된 모든 중간전달용 광도파로에 대해 동일할 필요는 없다.
도 22의 (A), (B)에는 특수한 2포트 예가 도시되어 있으며, 입력면(2214) 및 출력면(2215)에 각각 종단 결합된 입력 및 출력 중간전달용 광도파로(2230, 2231)를 갖는 반도체 전자흡수 변조기(2210)가 도시되어 있다. 변조기(2210)와 중간전달용 광도파로(2230/2231)는 공통기판(2202)상에 제조되는 것이 바람직하다. 중간전달용 광도파로(2230/2231)는 변조기(2210)에 의해 정해진 광모드와 실질적으로 공간모드 매칭되고 정렬될 수 있다. 입력 및 출력 중간전달용 광도파로(2230/2231)는 변조기(2210)와 입력 및 출력 전송용 광도파로(2220/2221) 사이에서 각각 광출력의 횡단 전달이 가능하도록 한다(이 예에서는 광섬유의 광섬유 테이퍼 세그먼트; 도 13의 (A)∼도10의 (B)와 같이 평면형 도파로와 같은 다른 전송용 광도파로가 등가적으로 이용될 수 있음). 변조될 광신호는 입력 전송용 광도파로(2220)를 통해 광시스템으로부터 수신되어, 횡단 전달에 의해 입력 중간전달용 광도파로(2230)로 전달되고, 종단 전달에 의해 변조기(2210)로 전달되며, 변조기를 통해 전파되는 것과 같이 변조되고, 횡단 전달에 의해 출력 전송용 광도파로(2221)로 전달되며, 횡단 전달에 의해 출력 전송용 광도파로(2221)로 전달되어, 광시스템으로 전달될 수 있다. 또, 변조기(2210)와 중간전달용 광도파로(2230/2231)의 사이에서 광출력 횡단 전달이 이용될 수 있다. 광출력의 각각의 전달에 대한 효율이 높기 때문에 변조기는 삽입손실이 낮다. 본 발명에 따라 제조된 소자는 상술한 제조 및 제작에 대한 경제성과 웨이퍼스케일의 사전검사 및 사전검증 능력이 실현될 것이다.
본 발명의 범위내에서 중간전달용 광도파로(단열적 또는 모드간섭 결합형 횡단 전달를 위해 구성됨)로서 다양한 도파로 유형이 채택될 수 있다. 코어 및 하위 인덱스 클래딩층을 포함하는 로우 인덱스의 유전체 도파로는 바람직한 중간전달용 광도파로가 될 수 있다. 이러한 도파로는 정밀재료 처리기술을 이용하여, 실리카, 게르마노실리케이트, 기타 다른 도핑된 실리카, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 기타 유리, 폴리머 등을 이용하여 제조될 수 있다. 그 결과로서의 도파로는 유사 재료 또는 실리카계 광섬유 테이퍼 세그먼트를 이용하여 제조된 평면형 도파로에 용이하게 모드 인덱스 매칭이 가능하게 될 수 있다. 다른 도파로 재료 및/또는 구성도 등가적으로 채택될 수 있으며, 광학 소자의 기능을 변경 및/또는 강화하기 위해 이용되는 도파로의 특성을 변경할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 해당하는 적절한 중간전달용 광도파로는, 1) 단부에서 중간전달용 광도파로와 광학 소자간의 광출력의 전달이 가능하도록 구성되고; 2) 중간전달용 광도파로와 광학 소자간의 광출력의 횡단 전달(단열적, 능동 모드 인덱스 매칭, 또는 수동적인 모드 인덱스 매칭)이 가능하도록 구성되며; 3) 광학적 접합 세그먼트에서 모드간섭 결합형 횡단 전달(능동 또는 수동 모드 인덱스 매칭)을 위한 전송용 광도파로에 κ, L 및/또는 Δβ의 적절한 값을 제공하도록 구성되고; 및/또는 4) 광학적 접합 세그먼트에서 전송용 광도파로와의 실질적인 단열 횡단 전달이 가능하도록 구성될 수 있다. 도파로는 도파로 광모드의 한정이 하위 인덱스 클래딩층으로 둘러싸인 하나 이상의 도파로 코어, 분산형 브래그 반사기, 다른 다층 반사기, 광자 결정계/광자 밴드갭 기술, 금속 반사기 코팅, 유전 반사기 코팅 및/또는 공기/도파로 인터페이스에서의 내부 반사에 의해 영향을 받는 도파로가 채택될 수 있다. 코어가 있는 도파로는 단일 코어 또는 다중 코어를 포함할 수 있으며, 다중 코어는 지지된 고립모드 또는 시스템모드의 필드분산을 변경하도록 이용될 수 있다(소위 "영역평편화"(field-flattening)라 불리며, 조립된 광학 소자의 정렬감도를 추가로 감소시키게 된다). 도파로 재료는 실리카, 게르마노실리케이트 및/또는 다른 실리카계 물질; 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 산질화물; 반도체 물질; 유기재료; 무기재료; 결정성 물질; 유리 또는 비정질 물질; 중합물질; 반도체 재료, 전자-광 물질 등 중 하나 또는 여러 개를 포함할 수 있다. 로우 인덱스 유전체 도파로(예컨대, 실리카계)가 유사 인덱스의 전송용 광도파로에 수동으로 모드 인덱스 매칭될 수 있다. 이러한 도파로는 파장 또는 편광에 대한 단열적 광출력 전달 성능의 의존성이 거의 없거나 전혀 없는 것을 나타낼 수 있으며, 이것은 본 발명에 따른 실질적인 단열 광출력 전달에 위해 구성된 도파로를 채택하는 다양한 광학 소자에 대해 바람직하다.
중간전달용 광도파로의 말단(광학 소자에 결합되지 않는 단부)을 다양한 방법으로 변경하는 것이 바람직(특히 모드간섭 결합형 횡단 전달을 채택할 때)할 수 있다. 중간전달용 광도파로의 말단으로부터 역반사된 광출력으로부터 생기는 광학 소자에 대한 광피드백을 실질적으로 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 광손실 소자(광흡수기 및/또는 광산란기)를 제공함으로써 및/또는 중간전달용 광도파로의 오정렬된 단면을 의도적으로 제조함으로써, 도파로를 통하여 역반사된 광출력이 전파되지 않게 되어, 이러한 피드백을 실질적으로 제거하기 위해 말단부가 변경될 수 있다. 이러한 모서리가 비스듬하게 절단된(canted) 단면은 광학 소자를 검사 및/또는 모니터링하기 위한 추가적인 유틸리티를 제공할 수 있다. 실질적으로 평평(또는 포커싱 특성이 필요할 때는 적절하게 굴곡된)한 경사진 단면이 중간전달용 광도파로의 밖으로 횡방향으로(기판쪽으로 아래로, 기판에 거의 평행하게 또는 기판으로부터 위쪽으로) 광출력을 반사시키는 기능을 할 수 있다. 이러한 방식으로 중간전달용 광도파로로부터 벗어나도록 방향이 설정된 광출력은 광학 소자의 검사/특성화/모니터링을 위하여 검출 및/또는 해석될 수 있다. 광출력이 웨이퍼로부터 위쪽으로 벗어나도록 경사진 도파로 단면의 경우, 제조공정 동안 소자의 검사 및 검증을 위하여 외부 검출기가 이용될 수 있다. 또한, 웨이퍼에 또는 웨이퍼상에 광학 소자와 중간전달용 광도파로와 함께 검출기가 집적될 수 있으며, 제조 동안 검사를 가능하게 하는 것외에 검출기는 소자 성능의 본래의 모니터링 기능을 하도록 완성된 광학 소자의 일부로서 유지될 수 있다.
주어진 파장 부근에서 모드 인덱스 매칭을 위하여 더 넓은 허용도를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 도 23에 도시된 다른 실시예에서, 중간전달용 광도파로(2330)는 다중의 개별적인 광학적 접합 세그먼트(2334a∼2334d)와 함께 제조될 수 있으며, 이들 세그먼트는 각각 전송용 광도파로(2320)에 상이한 파장에서 모드 인덱스 매칭되도록 설계될 수 있다. 바람직하게는, 모드 인덱스 매칭된 파장이 세그먼트(2334a)로부터 세그먼트(2334d)까지 모니터링 가능하도록 변화하고, 세그먼트(2334a∼2334d)에 대한 각각의 모드 인덱스 매칭된 대역폭은 실질적으로 연속된 파장 범위를 제공하도록 다소 오버랩되도록 하는 것이 바람직하다. 광학 소자의 조립 동안, 전송용 광도파로(2320)는 실질적인 모드 인덱스 매칭된 세그먼트가 발견될 때까지 세그먼트(2334a∼2334d)의 각각에 순차적으로 결합될 수 있다. 4개의 세그먼트(2334)가 도시되어 있지만, 임의의 적절한 개수의 개별 광학적 접합 세그먼트(2334)가 제공될 수도 있다.
소정의 환경하에서, 광학 소자와의 광출력의 파장의존성 또는 편광의존성 전달을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 도 24의 소자는 파장 멀티플렉서를 형성하기 위해 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로(2430a∼2430d)를 통하여 단일의 전송용 광도파로(2420)에 각각 결합되는 다중의 반도체 레이저 광원(2410a∼2410d)을 나타낸다. 이 레이저(2410a∼2410d)와 중간전달용 광도파로(2430a∼2430d)는 공통기판(2402)상에 제조되는 것이 바람직하다. 그러나, 전송용 광도파로(2420)와 각각의 중간전달용 광도파로(2430a∼2430d)간의 횡단 전달이 파장의존성이 아니라면, 제 1 레이저(2410a)로부터 전송용 광도파로(2420)에 전달되는 광출력은 전송용 광도파로(2420)로부터 이어서 중간전달용 광도파로(2430a∼2430d)에 적어도 부분적으로 전달되어 손실될 것이다. 중간전달용 광도파로의 광학적 접합 세그먼트(2434a∼2434d)과 전송용 광도파로(2420)간의 파장 특정의 횡단 전달을 제공함으로써, 하나의 레이저로부터 전송용 광도파로로 전달되는 광출력은 실질적으로 방해받지 않고 이후의 중간전달용 광도파로를 통과할 것이다.
모드간섭 결합형 횡단 전달을 위해 구성된 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로간의 모드 인덱스 매칭을 조작함으로써 파장의존성 횡단 광결합은 가장 용이하게 달성될 수 있다. 원하는 파장 범위에 대해서만 횡단 전달을 제공하기 위하여 중간전달용 광도파로의 광학적 접합 세그먼트의 횡단 크기 및/또는 형태와, 분산 특성이 이용될 수 있다. 횡단 전달을 위한 적절하게 좁은 파장 범위를 제공하기 위해서는 재료분산만으로는 충분하지 않을 수 있다. 다층 반사기 도파로(상기 인용한 출원 A1, A2에서는 DBR 도파로라고 하며, 출원 A10에서는 MLR 도파로라고도 함)는 지지된 광모드의 모드 인덱스에서 매우 큰 파장분산을 나타내고, 본 발명에 따른 광학 소자의 파장의존성 중간전달용 광도파로를 구현하는데 바람직하다. 이러한 도파로는 상기 인용한 출원 A1, A2, A10에 상세히 개시되어 있으며, 통상적으로 상이한 굴절률을 갖는 상부 및 하부 λ/4 스택 사이에 코어층을 구비한다(이들 스택은 다층 미러 또는 다층 반사기라고도 함). 상부 스택 및 하부 스택은 재료 및/또는 층의 개수가 동일할 수도 상이할 수도 있는데, 원하는 도파로 특성에 따라 달라진다(어떤 경우에는 상부 스택과 코어까지 전체를 생략하여 구현함). MLR 도파로에 대한 횡단 전달은 도파로의 측면(MLR 스택 격자 웨이브벡터에 대해 실질적으로 수직)으로부터 또는 도파로의 표면(MLR 스택 격자 웨이브벡터의 실질적으로 방향을 따라)으로부터 달성될 수 있다. 스택은 도파로 광모드를 한정하며, MLR 도파로의 분산 특성을 발생시키는 기능을 한다. 본 발명에서 이용하기 위한 적절한 MLR 도파로는 유전체 및/또는 반도체층을 이용하여 제조될 수 있으며, 원하는 분산 특성을 나타내도록 설계될 수 있다.
이러한 MLR 도파로의 충분히 정확한 설계 및 제조는 원하는 파장 범위에 대해 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로간의 수동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합형 횡단 전달이 가능하게 한다. 또한, 능동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합형 횡단 전달이 가능하도록 MLR 도파로의 전자-광 특성(이용된 재료에 고유한 특성이거나 하나 이상의 전자-광 재료층에 결합시킨 것)이 채택될 수 있다. 도 25에 도시된 것과 같이, 중간전달용 광도파로(2530)의 광학적 접합 세그먼트(2534)상에 제어 전극 또는 접촉부(2536, 2538)가 제공될 수 있으며, 원하는 파장 범위에 대해 광섬유 테이퍼(2520)의 광학적 접합 세그먼트(2534)와의 모드 인덱스 매칭을 달성하기 위해 제어전압이 인가될 수 있다. 공통전극(2502)상에는 소자(2510)와 중간전달용 광도파로(2530)가 제조되는 것이 바람직한데, 이는 이들간에 실질적으로 공간모드 매칭된 종단 결합을 달성하기 위해서이다. 이러한 능동 모드 인덱스 매칭된 구현에 의해 MLR 도파로가 충분히 정확하게 설계 및 제조되지 않는 경우라도 또는 소자(2510)의 원하는 파장을 위한 제조 허용도가 존재하는 경우라도 원하는 횡단 전달 파장을 선택할 수 있게 된다. 이러한 능동 모드 인덱스 매칭에 의해 동적으로 재구성 가능한 파장 의존 특성을 갖는 광학 소자를 구성할 수 있게 된다.
또한, 단열적 광출력 횡단 전달을 위해 구성된 중간전달용 광도파로로서 다층 분산처리된 광도파로가 채택될 수 있다. 다층 반사기 도파로의 광학특성은 단열적 횡단 전달을 달성하기 위하여 다양한 방법으로 그 길이를 따라 변할 수 있다. 본 발명에 따른 단열적 횡단 전달을 위해 구성된 중간전달용 광도파로를 제공하기 위하여 하나 이상의 층의 굴절률, 두께 및 폭의 편차가 채택될 수 있다. 이러한 다층 반사기의 구현은 단열적 횡단 전달의 통상적인 완화된 정렬 허용도를 제공하면서, 광출력 횡단 전달에 대한 액티브한 제어도 가능하게 한다.
MLR 도파로는 지지된 광모드용의 편광의존성 모드 인덱스를 나타내는 것이 일반적이다. 이러한 특성은 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로간의 편광선택성 모드간섭 결합형 횡단 전달을 가능하게 하도록 가장 용이하게 이용될 수 있다. 이러한 편광선택성 횡단 전달은 다양한 환경에서 바람직할 수 있으며, 여기에는 다른 예들 중에서 도핑된 광섬유 이득 매체에 펌프 레이저 파워를 전달하기 위한 편광의존성 빔조합을 포함된다. 광출력 횡단 전달을 위한 다양한 편광의존성 장치 및 방법은 상기 인용한 출력 A4에 개시되어 있으며, 다양한 환경에서 편광의존성 횡단 전달이 이점을 가지도록 채택될 수 있다.
주의할 것은, MLR 도파로는 본 발명에 따른 중간전달용 광도파로로서 이용되는 것외에, 변조기, 필터, N×N 스위치, 멀티플렉서/디멀티플렉서 등과 같은 광학 소자의 모두 또는 일부로서도 이용될 수 있다는 것이다. 따라서, 구현된 광학 소자는 본 발명에 따른 하나 이상의 중간전달용 광도파로와 함께 제공될 수 있으며, 이들 중간전달용 광도파로는 MLR 도파로를 포함하여 본 명세서에 기재된 임의의 중간전달용 광도파로 타입을 포함할 수 있다. 중간전달용 광도파로는 전송용 광도파로와의 모드간섭 결합형 횡단 전달을 위하여 능동적으로 또는 수동적으로 모드 인덱스 매칭될 수 있으며, 전송용 광도파로에의 파장의존성 및/또는 편광의존성 횡단결합을 나타내거나 나타내지 않을 수 있다. 또, 본 발명에 따른 단열적 횡단 전달을 위하여 중간전달용 광도파로가 구현될 수 있다. 주의할 것은, 본 발명에 따른 광학 소자는 소자부분과 중간전달용 광도파로 모두를 위하여 MLR 도파로를 채용하며, 소자부분과 중간전달용 광도파로는 각각 실질적으로 동일한 유형의 MLR 구조 또는 개별 유형의 MLR 구조를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로를 갖는 MLR를 기반으로 한 광학 소자의 예는 도 26의 (A)/(B) 및 도 27a/27b에 도시되어 있으며, 이들 도면의 각각은 MLR 도파로에 기초한 그리고 본 발명에 따른 중간전달용 광도파로가 구비된 단일 포트 장치를 나타낸다. 도 26의 (A), (B)에 있어서, MLR 소자(2610)는 중간전달용 광도파로(2630)에 종단 결합되어(모두 기판(2620)상에 제조됨), 전송용 광도파로(2620)(이 예에서는 광섬유 테이퍼 세그먼트)와의 횡단 전달을 하도록 구성된다. 도 26의 (A)의 예에서, 접촉부(2632/2634)에 의해 제공되는 능동의 모드 인덱스 매칭되는 모드간섭 결합형 횡단 전달을 위해 구성되고 광섬유 테이퍼 세그먼트에 표면연결되는 중간전달용 광도파로(2630)가 도시되어 있다. 도 26의 (B)에서의 예에는, 수동 모드 인덱스 매칭되는 모드간섭 결합형 횡단 전달을 위하여 구성되고 광섬유 테이퍼 세그먼트에 측면연결된 중간전달용 광도파로(2630)가 도시되어 있다. 접촉부(2612/2614)는 소자(2610)에 대한 전자적 액세스를 제공한다(예컨대, 레이저용의 드라이브 전류를 제공하기 위하여; 검출기용의 바이어스 전압 및/또는 신호출력을 제공하기 위하여; 변조기용의 구동신호를 제공하기 위하여 등). 중간전달용 광도파로(2630)는 MLR 소자(2610)와 전송용 광도파로(2620)의 사이에서 광신호 출력을 필요에 따라 한방향 또는 양방향으로 전달하는 기능을 할 수 있다.
도 27a, 27b에서, MLR 소자(2710)는 중간전달용 광도파로(2730)에 종단 결합되어(모두 기판(2702)상에 제조됨), 전송용 광도파로(2720)(이 예에서는 평면형 도파로; 명확히 나타내기 위하여 도면에서는 생략된 도파로 기판)와의 횡단 전달을 하도록 구성된다. 도 27a의 예에서, 평면형 도파로에 표면연결되고 단열적 횡단 전달을 위하여 구성된 중간전달용 광도파로(2730)가 도시되어 있다. 도 27b에서의 예에는, 접촉부(2732/2734)에 의해 제공되는 단열 조건의 능동 제어로 단열적 횡단 전달을 위해 구성되고 평면 도파로에 표면연결된 중간전달용 광도파로(2730)가 도시되어 있다. 접촉부(2712/2714)는 소자(2710)에 대한 전자적 액세스를 제공한다
본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위내에서 많은 다른 소자 조합 및/또는 구성이 구현될 수 있으며, 도 28a/28b와 이후의 도면에 예가 도시되어 있다. 도시된 소자 구성은 예시적인 것이며 본 발명에 따라 구현될 수 있는 완전한 세트의 소자를 나타내는 것은 아니다. 이들 소자는 임의의 적절한 소자 타입 또는 구성(MLR를 기반으로 한 소자를 포함)을 포함할 수 있으며, 임의의 적절한 중간전달용 광도파로 타입을 채택할 수 있다. 중간전달용 광도파로가 있는 이들 소자는 임의의 적절한 전송용 광도파로 타입으로 광학적 접합을 형성하기 위해 구성될 수 있으며, 광섬유 테이퍼 세그먼트 및 평면형 도파로를 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 중간전달용 광도파로와 전송용 광도파로간의 광출력은 특정한 상황의 필요에 따라 모드간섭 결합형 및/또는 단열적 횡단 전달을 채택할 수 있다. 하나 이상의 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로를 갖는 광학 소자는 특히 평면형 광도파로가 사용될 때 플립칩 형태(도 15의 (A), (B)에 도시)로 구현되는 것이 바람직하다.
도 28a, 28b는 본 발명에 따라 기판(2802)상의 중간전달용 광도파로(2830/2831)로 광학적으로 집적된 예시적인 2포트 광학 소자(2810)를 도시하고 있다. 이 예에서의 전송용 광도파로(2820)는 광섬유 테이퍼 세그먼트이다. 전극 또는 접촉부(2812/2814)는 소자(2810)에 대한 전자적 액세스를 제공한다. 도 28a의 예에서, 중간전달용 광도파로(2830/2831)와 표면연결된 전송용 광도파로(2820)간의 광출력 횡단 전달은 능동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합되고, 접촉부(2832/2833/2834/2835)는 모드 인덱스 매칭을 위해 제공된다. 도 28b의 예에서, 중간전달용 광도파로(2830/2831)와 측면연결된 전송용 광도파로(2820)간의 광출력 횡단 전달은 수동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합된다. 도 28a, 29b의 소자는 전송용 광도파로(2820)로부터 중간전달용 광도파로(2830/2831) 중 하나를 통해 소자까지, 그리고 다시 소자(2810)에 의한 조작이 이루어진 후 다른 중간전달용 광도파로를 통해 전송용 광도파로까지 광출력이 실질적으로 완전하게 전달될 수 있다. 또, 2개의 중간전달용 광도파로간의 전송용 광도파로(2820)의 세그먼트와 소자(2810)는 마크젠더(Mach-Zender) 간섭계의 2개의 아암으로서 기능할 수 있다. 소자(2810)는 간섭계의 하나의 아암에 대한 위상 변조기로서 기능함으로써, 전송용 광도파로(2820)를 통해 광출력의 전송의 변조가 중간전달용 광도파로(2830/2831)를 통과할 수 있게 된다.
도 29a∼29d는 중간전달용 광도파로(2930/2931)와 함께 기판(2902)상에 제조된 마크젠더 간섭계 변조기(2910)를 나타낸다. 광출력은 전송용 광도파로(2920)로부터 중간전달용 광도파로(2930)로 그리고 마크젠더 간섭계(2910)로 실질적으로 완전하게 전달될 수 있다. 접촉부 또는 전극(2911/2912/2913/2914)은 간섭계(2910)를 통한 전송을 제어하도록 채택될 수 있으며, 이를 통과하여 전송되는 광출력은 중간전달용 광도파로(2931)를 통해 전송용 광도파로(2920)로 전달된다. 마크젠더 간섭계(2910)는 임의의 적절한 타입의 전자활성 재료를 포함하는 임의의 적절한 타입의 도파로(다층 도파로 포함)를 이용하여 구성될 수 있다. 전극 및 전자활성 재료 대신에, 마크젠더 간섭계(2910)에 비선형 광학물질이 채택될 수 있으며, 광학 제어 신호가 전송을 제어하는데 이용된다. 도 29a는 수동의 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합형 횡단 전달을 채택하며, 중간전달용 광도파로(2930/2931)에 표면연결된 광섬유 테이퍼 세그먼트로서의 전송용 광도파로(2920)를 나타낸다. 도 29b는 전극(2932/2933/2934/2935)에 의해 제어되는 능동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합형 횡단 전달을 채택하며, 중간전달용 광도파로(2930/2931)에 표면연결된 광섬유 테이퍼 세그먼트로서의 전송용 광도파로(2920)를 나타낸다. 도 29c는 단열적 횡단 전달을 채택하며, 중간전달용 광도파로(2930/2931)에 표면연결된 평면형 도파로(명확히 나타내기 위해 도 29c에서는 생략된 도파로 기판)로서의 전송용 광도파로(2920/2921)를 나타낸다. 도 29d는 단열적 전송전달을 채택하며, 중간전달용 광도파로(2930/2931)에 측면연결된 평면형 도파로(명확히 나타내기 위해 도 29d에서는 생략된 도파로 기판)로서의 전송용 광도파로(2920/2921)를 나타낸다.
도 30은 중간전달용 광도파로(3030/3031/3033)와 함께 기판(3002)상에 제조된 2×2 광스위치(3010)를 나타낸다. 중간전달용 광도파로에 표면연결된 대응하는 전송용 광도파로(3020/3021/3022/3023)가 도시되어 있으며, 평면 광도파로(명확히 나타내기 위해 도 30에서는 생략된 도파로 기판)로서 도시되어 있다. 다른 전송용 광도파로 타입(광섬유 세그먼트 포함)이 등가적으로 채택될 수 있으며, 측면연결도 등가적으로 채택될 수 있다. 각각의 전송용 광도파로와 대응하는 중간전달용 광도파로간의 광출력의 횡단 전달이 단열적, 능동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합되거나, 수동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합될 수 있다. 횡단 전달의 특성은 모든 전송용 광도파로/중간전달용 광도파로 쌍에 대해 동일할 필요는 없다. 전극 또는 접촉부(3011/3012/3013/3014)에 인가되는 제어신호는 2×2 스위치(3010)를 통해 광전송을 제어하고, 임의의 적절한 타입의 전자활성 물질을 포함하는 임의의 적절한 타입의 도파로(다층 도파로 포함)를 이용하여 구성될 수 있다. 전극 및 전자활성 물질 대신에, 비선형 광학재료가 2×2 스위치(3010)에 채택될 수 있으며 전송을 제어하도록 광제어 신호가 이용된다.
도 31은 중간전달용 광도파로(3130/3131)와 함께 기판(3102)상에 제조되는 공진기(3110), 광손실 소자(3117), 도파로(3118)를 포함하는 공진 광변조기를 나타낸다. 중간전달용 광도파로에 표면연결된 대응하는 전송용 광도파로(3120/3121)가 도시되어 있으며, 편면형 광도파로(명확히 나타내기 위해 도 31에서는 생략된 도파로 기판)로서 도시되어 있다. 다른 전송용 광도파로 타입(광섬유 테이퍼 세그먼트 포함)이 등가적으로 채택될 수 있으며, 측면연결도 등가적으로 채택될 수 있다. 각각의 전송용 광도파로와 대응하는 중간전달용 광도파로간의 광출력의 횡단 전달은 단열적, 능동의 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합되거나 수동의 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합될 수 있다. 횡단 전달의 특성은 양 전송용 광도파로/중간전달용 광도파로 쌍에 대해 동일할 필요는 없다. 전극 또는 접촉부(3111/3112)(도파로/공진기 결합), (3113/3114)(공진기 손실) 및 (3115/3116)(공진기 주파수)에 인가되는 제어신호는 공진 변조기를 통한 광전송을 제어하며, 임의의 적절한 타입의 전자활성 물질을 포함하는 임의의 적절한 타입의 도파로(다층 도파로 포함)를 이용하여 구성될 수 있다. 전극 및 전자활성 물질 대신에, 비선형 광학재료가 공진 변조기에 채택될 수 있으며 전송을 제어하도록 광제어 신호가 이용된다. 도 31의 소자는 전송용 광도파로(3120/3121)와 도파로(3118)를 통해 전달되는 특정 대역의 파장만을 변조하도록 채택될 수 있다.
도 32는 중간전달용 광도파로(3230/3231/3232/3233)와 함께 기판(3202)상에 제조되는 공진기(3210) 및 도파로(3217/3218)를 포함하는 공진 광필터를 나타낸다. 중간전달용 광도파로에 표면연결된 대응하는 전송용 광도파로(3230/3231/3232/3233)가 도시되어 있으며, 편면형 광도파로(명확히 나타내기 위해 도 32에서는 생략된 도파로 기판)로서 도시되어 있다. 다른 전송용 광도파로 타입(광섬유 테이퍼 세그먼트 포함)이 등가적으로 채택될 수 있으며, 측면연결도 등가적으로 채택될 수 있다. 각각의 전송용 광도파로와 대응하는 중간전달용 광도파로간의 광출력의 횡단 전달은 단열적, 능동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합되거나 수동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합될 수 있다. 횡단 전달의 특성은 양 전송용 광도파로/중간전달용 광도파로 쌍에 대해 동일할 필요는 없다. 전극 또는 접촉부(3111/3112)(도파로/공진기 결합), (3113/3114)(도파로/공진기 결합) 및 (3115/3116)(공진기 주파수)에 인가되는 제어신호는 공진 필터를 통한 광전송을 제어하며, 임의의 적절한 타입의 전자활성 물질을 포함하는 임의의 적절한 타입의 도파로(다층 도파로 포함)를 이용하여 구성될 수 있다. 전극 및 전자활성 물질 대신에, 비선형 광학재료가 공진 변조기에 채택될 수 있으며 전송을 제어하도록 광제어 신호가 이용된다. 도 32의 소자는 전송용 광도파로(3217/3218)간의 특정 대역만을 전환하도록 채택될 수 있다.
도 28a, 28b 및 도 29a, 29b의 예에서, 양 중간전달용 광도파로에 대한 횡단 전달을 위해 구성 및 위치설정된 단일 도파로로서 전송용 광도파로가 도시되어 있다. 임의의 소자 구성에서, 전송용 광도파로로부터의 광출력의 완전한 전달은 광학 소자에 의한 후속하는 조작과 동일한 전송용 광도파로로 다시 전달하려고 한다면, 단일 전송도파로의 중간부분에 광손실 메커니즘을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 손실 메커니즘은 중간전달용 광도파로들간에 위치설정되고 횡단 전달을 위해 구성된 추가적인 광도파로, 흡수 또는 산란 코팅, 흡수 또는 산란 횡단결합된 광학 소자, 흡수 또는 산란 구조적 요소, 브래그 격자, 도핑 또는 기타 광손실 메커니즘의 형태를 취할 수 있다. 이렇게 하여, 전송용 광도파로의 2개의 단부가 광학적으로 결합해제될 것이며, 이 동안 소자의 제조 및/또는 조립을 위하여 기계적으로 결합된다. 도 33a는 중간전달용 광도파로(3330/3331)와 함께 기판(3302)상에 제조된 2포트 소자(3310)의 예를 나타내며, 전송용 광도파로(3320)는 중간전달용 광도파로와의 횡단 전달을 위하여 위치설정 및 구성된다. 추가적인 광도파로(3380)는 중간전달용 광도파로들 사이에서 전송용 광도파로(3320)로부터 횡단 전달에 의한 광손실을 제공한다. 도 33b는 구조적 전송용 광도파로 정렬 부재(3370)가 중간전달용 광도파로들 사이에서 광손실을 제공하는 유사 예를 나타낸다.
이 시점에서 개시된 대부분의 예들은 전송용 광도파로로서 평면 광도파로 또는 광섬유 테이퍼 세그먼트를 채택하였다. 상기 인용한 출원 A6에서 개시된 것과 같은 측면 에칭된 광섬유 세그먼트는 횡단 전달을 위한 중간전달용 광도파로의 적절하게 정렬된 세그먼트와 관련하여 채택될 수도 있다. 마찬가지로, 횡단 전달(단열적 또는 모드간섭 결합)을 위해 적절하게 구성될 수 있는 광도파로는 본 발명을 구현하기 위하여 채택될 수 있다.
평면 도파로와 평면 도파회로는 본 발명을 구현하기 위해 사용된 중요한 클래스의 전송용 광도파로를 구비한다. 평면 도파로는 실질적으로 평면인 기판상에 제조된 로우 인덱스 코어/클래딩 타입의 유전체 도파로를 구비할 수 있으며, 산화물 코팅된 실리콘 기판상의 실리카 또는 실리카계 도파로를 구비할 수 있다. 실리콘은 다양한 이유에 의해 바람직한 도파로 기판재료가 되며, 이에는 비교적 이해하기 쉽고 잘 알려진 재료처리기술; 완성된 산업 표준; 대형의 웨이퍼 사이즈, 획득 가능한 매우 평면형인 단일 결정면을 통해 스케일의 효율적인 사용을 이용할 수 있는 능력; 건식에칭 및/또는 습식에칭 선택성; 높은 경도; 바람직한 온도 특성을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 실리콘 기판에는 실리카 덧층이 제공되고, 실리카 덧층상에 하나 이상의 평면 도파로가 제공되는 경우가 있다. 실리카 및 실리카계 재료는 거의 이상적이며, 잘 알려진 광학물질이다. 또, 평면형 도파로는 또한 석영, 실리카 또는 다른 로우 인덱스 또는 절연 기판(또는 반도체 기판상의 덧층)상에 형성된 하나 이상의 하이 인덱스의 도파로(예컨대, 반도체 도파로)를 구비할 수 있다. 이러한 하이 인덱스의 도파로는 다른 하이 인덱스의 광학 부품에 대해 횡단 전달을 더 용이하게 달성할 수 있다는 이점을 가질 수 있다. 실리카계 평면 도파로는 광학 소자 및/또는 광섬유가 있는 종단 결합형 구성에 이미 이용되어 왔으나, 열악한 공간모드 매칭 때문에 통상 높은 삽입 손실을 나타내게 되며 특히 반도체계 광학 소자에서 두드러진다. 본 발명에 따라 구현되는 중간전달용 광도파로는 평면 도파로와의 횡단 전달을 가능하게 함으로써 상기와 같은 광학 소자에 대한 삽입 손실을 크게 감소시킬 수 있다. 도 13의 (A), (B) 및 도 14의 (A), (B)에는 2포트 광학 소자로 광학적으로 집적된 평면 전송용 광도파로 및 중간전달용 광도파로간의 단열적 횡단 전달을 위해 구성된 예가 이미 도시되어 있다.
광학적으로 집적된 입력 및 출력 중간전달용 광도파로(3430/3431)로 2포트 광학 소자(3410)(예컨대, 광흡수 변조기)를 포함하는 다른 예가 도 34의 (A), (B)에 도시되어 있다. 중간전달용 광도파로는 광학 소자에 의해 정해지는 광모드에 공간모드 매칭된 종단 결합하는데 적합한 그리고 평면 전송용 광도파로(3420/3421)에 대한 횡단 전달하는데 적합한 임의의 타입이 될 수 있다. 횡단 전달은 단열적, 능동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합되거나, 수동 모드 인덱스 매칭된 모드간섭 결합될 수 있다. 광섬유 테이퍼를 기반으로 한 전송용 광도파로를 이용함으로써, 평면 전송용 광도파로와 중간전달용 광도파로간의 효율적인 횡단 전달을 달성하기 위해 요구되는 정렬 정밀성의 정도는 공간모드 매칭된 평면 전송용 광도파로와 광학 소자간의 종단 전달을 위해 요구되는 정밀성보다 작은 크기 정도가 될 것이기 때문에, 평면 전송용 광도파로에 대해 광학 소자를 위치설정하기 위한 수동 정렬기술이 가능하게 된다. 도 34의 (A)/(B)의 예시적 실시예에서, 광학 소자(3410)와 중간전달용 광도파로(3430/3431)는 공통기판(3402)상에 제조된다. 평면 전송용 광도파로(3430/3431)는 기판(3422)상에 제조된다. 2개의 부품이 조립되어 소위 "플립칩" 구조가 되는데, 이는 중간전달용 광도파로(3430/3431)와 평면 전송용 광도파로(3420/3421)의 사이에서의 횡단 전달과, 전극(3414) 및 접촉부(3424)의 사이에서의 전자적 결합을 설정하기 위해서이다. 조작될 광신호는 광시스템으로부터 평면 전송용 광도파로(3420)를 통해 수신되어 횡단 전달에 의해 중간전달용 광도파로(3430)로 전달되고, 종단 전달에 의해 소자(3410)로 전달되며, 소자(3410)를 통해 전파될 때 조작되고, 종단 전달에 의해 다른 중간전달용 광도파로(3431)로 전달되며, 횡단 전달에 의해 다른 평면 전송용 광도파로(3421)로 전달되고, 광시스템으로 전달될 수 있다. 광출력의 각각의 전달에 대한 높은 효율에 의해 소자는 낮은 삽입 손실을 갖게 된다. 이러한 타입의 평면 도파로 구현은 임의의 적절한 광학 소자로 적용될 수 있다.
본 발명의 평면 도파로 구현은 하이브이드형 또는 복합형 광학 소자를 형성하기 위해 다중의 광학 부품의 집적을 위한 높은 레벨의 가능성을 제공한다. 임의의 요구되는 토폴로지의 광네트워크를 형성하는 다중의 평면 전송용 광도파로는 광학 부품이 위치하게 되는 각각의 지점에서 갭과 함께 기판상에 제조될 수 있다. 전송 평면 도파로는 광출력 횡단 전달을 위해 각각의 잠재적인 소자 위치 부근에 구성될 수 있다(단열적 및/또는 모드간섭 결합형; 양자의 타입은 단일의 평면 도파로 기판상에서 혼합될 수 있음). 각각의 광학 부품은 본 발명에 따라 하나 이상의 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로를 갖는 광학 소자가 될 수 있으며, 각각은 광학 소자와의 효율적인 종단 전달 또는 횡단 전달을 위해 부품소자에 관련하여 위치설정된다. 각각의 중간전달용 광도파로는, 부품이 평면 도파로 기판상에 위치할 때, 대응하는 평면 전송용 광도파로와의 횡단 전달을 가능하게 하도록 위치설정 및 구성될 수 있다. 각각의 중간전달용 광도파로와 기판상의 이에 대응하는 평면 도파로의 사이에 횡단 전달을 설정하기 위하여 소위 "플립칩" 구조가 채택될 수 있다. 중간전달용 광도파로와 각각의 평면형 전송용 광도파로의 적절하게 정확한 상대적인 위치설정을 설정하기 위하여 부품상에 및/또는 평면 도파로 기판상에 메이팅 정렬 구조(mating alignment structures)가 제공될 수 있다.
다중의 횡단결합된 서브부품을 갖는 광학 소자의 예가 도 35의 (A), (B), 도 36의 (A), (B) 및 도 37의 (A), (B)에 도시되어 있으며, 레이저/도파로 하이브리드 부품 및 변조기/도파로 하이브리드 부품은 각각 하나 이상의 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로를 가지며, 평면 도파로 기판(3522)상에 플립칩 탑재된다. 하나의 평면 도파로(3524)는 레이저(3542)로부터 변조기(3552)로 광출력을 전달하며, 제 2 평면 전송용 광도파로(3526)는 광섬유 테이퍼(3520)에 대한 변도된 광출력의 횡단 전달을 위해 횡단 전달 세그먼트(3528)에서 종단될 수 있다[도 35의 (A)]. 레이저(3542)로부터의 광출력은, 종단 전달에 의해 중간전달용 광도파로(3546)[기판(3544)상에 레이저(3542)와 함께 광학적으로 집적됨]로 전달되고; 횡단 전달에 의해 제 1 평면 전송용 광도파로(3524)로 전달되며; 횡단 전달에 의해 입력 중간전달용 광도파로(3556)[기판(3554)상에 변조기(3552)와 함께 광학적으로 집적됨]로 전달되며; 종단 전달에 의해 변조기(3552)로 전달되고; 변조기(3552)를 통해 전파할 때 변조되며; 종단 전달에 의해 출력 중간전달용 광도파로(3557)[기판(3554)상에서 변조기(3552)와 함께 광학적으로 집적됨]로 전달되고; 횡단 전달에 의해 제2 평면 전달 도파로(3526)로 전달되며; 횡단 전달에 의해 광섬유의 광섬유 테이퍼 세그먼트(3520)로 전달[도 35의 (A)]된다. 횡단 전달 단계들은 단열적[도 36의 (A), (B)] 또는 모드간섭 결합형[능동 또는 수동; 도 37의 (A)/(B)]이 될 수 있으며, 조립체에서 각각의 횡단 전달 광학적 접합에 대해 동일한 타입이 될 필요는 없다.
광섬유 테이퍼에 대한 횡단 전달을 대신하여, 전송용 광도파로(3526)는 광섬유(3529)[도 36의 (B); 이하에서 논의됨] 또는 다른 대형모드 광도파로에 대한 종단 전달을 위한 공간모드 확장기로서 기능하도록 구성될 수 있다. 높은 전체 광출력 처리율(즉, 낮은 삽입손실)이 하이브리드 소자용으로 달성될 수 있다. 도 35의 (A)에 도시된 것과 유사한 방식으로, 도 24의 파장다중화된 예가 광섬유 테이퍼에 대한 광출력 전달을 위해 기판상의 평면 전송용 광도파로를 이용하여 구성될 수 있으며, 각각의 레이저 광원은 평면 전송용 광도파로에 대해 횡단 전달을 위한 집적된 중간전달용 광도파로를 갖는 플립칩 탑재 레이저를 구비한다. 임의의 광학 소자는 본 발명에 따른 하나 이상의 중간전달용 광도파로를 이용하여 상기 설명한 바와 같이 하나 이상의 평면 전송용 광도파로에 결합될 수 있다. 평면 전송용 광도파로(3528)와의 광출력의 전달에 의해 평면 도파로 기판과 광출력을 전달하기 위한 광섬유 테이퍼 세그먼트(3520)가 도 35의 (A)에 도시되어 있으며, 다른 방법 및/또는 구성도 등가적으로 채택될 수 있다. 평면 전송용 광도파로(3526)는 전파되는 광출력이 광섬유(3529)에 종단 전달되도록 공간모드 확장 세그먼트를 포함할 수 있다. 공간모드 확장은 바람직하지 않은 광손실을 최소화하기 위하여 실질적으로 단열적으로 종단 전달되어야 한다.
복잡한 광학 소자를 조립하기 위한 광학적 "브레드보드" 방식이 가능하도록 본 발명에 따른 장치 및 방법이 추가로 적용될 수 있다. 기판에는 모듈러 광학 소자의 플립칩 탑재를 위하여 제공된 복수개의 위치가 제공될 수 있으며, 소자의 각각은 본 발명에 따른 하나 이상의 중간전달용 광도파로를 갖는다. 이들 플립칩 탑재 위치는 어레이 패턴(정사각, 직사각, 삼각/육각 또는 기타)으로 기판상에 제공될 수 있으며, 복수개의 평면 전송용 광도파로는 각각의 플립칩 탑재 위치를 하나 이상의 그 이웃하는 위치에 접속시키는 기판상에 제공될 수 있다. 임의의 바람직한 타입의 개별적인 모듈러 광학 소자에는 광학 소자가 기판상의 탑재 위치에 플립칩 탑재될 때 대응하는 평면 전송용 광도파로와의 횡단 전달을 설정하기 위하여 위치된 중간전달용 광도파로가 제공될 수 있다. 다른 비어있는 플립칩 탑재 위치를 광학적으로 "브리지연결"하기 위하여 그 위에(추가 소자 없음) 중간전달용 광도파로만을 갖는 부가적인 플립칩 부품이 제공될 수 있다(단일 중간전달용 광도파로는 평면 전송용 광도파로 중 2개와의 횡단 전달을 설정할 것이다). 이들 모듈러 광학 소자의 임의의 요구되는 조합은 복합의 하이브리드 광학 소자를 구성하기 위해 실제로 임의의 토폴로지로 그리고 실제로 임의의 조합으로 광학적으로 결합될 수 있다. 이 광학적 브레드보드에는 광섬유 테이퍼 세그먼트 또는 다른 도파로에 대한 횡단 전달 또는 광섬유 또는 다른 도파로에 대한 종단 전달을 위해 구성된 평면 도파로가 제공됨으로써, 브레드보드 소자와의 광출력의 전달이 가능하게 된다. 이러한 모듈러 브레드보드 방법은 소자 프로토타입화 및/또는 유연한 소자 제조에 유용하게 될 수 있다.
또, 보다 더 높은 정도의 광학 소자 집적을 위하여 본 발명에 따른 방법 및 장치가 채택될 수 있다. 다중 평면 도파로, 다중 광학적 접합 세그먼트 및 다중 소자 위치를 갖는 단일 평면 도파로 기판이 임의의 원하는 평면 도파회로 토폴로지로 제조될 수 있다. 대응하는 다중의 중간전달용 광도파로를 갖는 다중 소자는 단일의 소자 기판상에 제조될 수 있다. 다중 소자와 중간전달용 광도파로는 도파로 기판상의 소자 위치의 정렬에 대응하는 소자 기판상의 위치에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 다중 중간전달용 광도파로의 광학적 접합 영역은 평면 도파로의 광학적 접합 영역에 대응하도록 배치될 수 있다. 도파로 기판과 소자 기판을 조립하는 단일 조립 단계에 의해 임의의 원하는 정도의 복잡도를 갖는 복합 광학 소자를 형성하기 위해 다중 평면 도파로와 다중 중간전달용 광도파로의 사이에 광학적 접합을 동시에 설정할 수 있다. 요구되는 정밀한 정렬의 대부분은 정밀하고 매우 평행한 재료처리기술을 이용하여 기판 및 구조의 제조 동안 달성될 수 있다.
소자 성능이나 특성을 변경 및/또는 제어하기 위하여 또는 기타 다른 소자 기능을 제공하기 위하여 광학 소자 및 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로가 공통기판상에 제조될 수 있다. 도 38의 예에서, 레이저(3810)는 기판(3802)상에 광학적으로 집적된 중간전달용 광도파로(3830, 3831)와 함께 제조될 수 있다. 도파로(3830)는 레이저(3810)와 전송용 광도파로(3820)간의 광출력 전달을 제공할 수 있다. 도파로(3831)는 레이저(3810)의 광특성 및/또는 성능을 변경할 수 있다. 예컨대, 도파로(3831)에서의 격자구조는 레이저의 동작파장을 한정할 수 있다. 또한, 도파로(3831)에 의해 지지되는 공간 광모드는 레이저 출력의 횡단 공간모드 특성을 한정할 수 있다. 다양한 광학 소자를 위한 다양한 광학 소자 기능을 제공하기 위해 본 발명에 따라 변화하는 구조 및 특성의 중간전달용 광도파로가 채택될 수 있으며, 이들 기능에는 파장 선택성, 공간모드 선택성, 광 필터링, 편광 선택성, 온도 보상, 파워 모니터링, 반사율, 변조 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 선택도(selectivity)라는 것은 관련 광특성의 튜닝, 안정성 및/또는 변조를 말한다. 중간전달용 광도파로는 격자구조, 온도-광 소자 또는 기타 적절한 기능성 부품을 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 구현된 소자의 광특성을 변경하기 위하여, 제조 및/또는 처리공정 동안 소자의 단면이 조작될 수 있다. 예를 들면, 파장 특정, 편광 특정 등을 위하여 단면이 코팅될 수 있다. 소자 단면은 렌즈로서 기능하도록 곡면으로 제조될 수도 있어서, 소자로 광입력 및/또는 소자로부터 광출력되는 전파 특성을 변경할 수 있게 된다. 경사진 단면은 광출력을 중간전달용 광도파로의 밖으로 횡방향으로 향하게 함으로써 소자를 모니터링하거나 광피드백을 감소시킬 수 있다.
도 39에 도시된 다른 실시예에서, 전송용 광도파로에 광학 소자 기능의 일부가 제공되며, 및/또는 광학 소자는 소자와 전송용 광도파로간의 광출력의 전달이 가능하게 될 때까지 완전히 기능적으로 되지는 않는다. 평면 도파로 기판(3922)에는 평면 전송용 광도파로(3920, 3921)가 구비된 것으로 도시되어 있다. 레이저 다이오드(3910)는 집적된 중간전달용 광도파로(3930, 3931)를 갖는 기판(3902)상에 제공된다. 중간전달용 광도파로(3930)와 전송용 광도파로(3920)간의 횡단 전달은 레이저(3910)의 출력을 위한 출력 광경로를 제공한다. 레이저(3910)와 전송용 광도파로(3921)간의 광출력의 전달[중간전달용 광도파로(3931)를 통한 전달]은 레이저 캐비티의 유효 부분에 전송용 광도파로(3921)를 형성함으로써 레이저(3910)의 출력을 제어, 변경 및/또는 조작할 수 있다. 전송용 광도파로(3921)의 광학/스펙트럼 특성의 제어 또는 조작은 레이저(3910)의 출력에 대해 대응하는 효과를 가질 것이다. 예를 들어, 레이저(3910)의 파장을 안정화시키기 위하여 전송용 광도파로(3921)에 격자구조가 제공될 수 있으며, 전송용 광도파로(3921)의 공간모드 특성이 레이저(3910)의 공간모드 특성을 제어할 수 있다. 다른 소자와 구성도 본 발명의 범위내에서 용이하게 고안될 수 있다. 이것은 광출력 전달이 소자 기능의 일부를 제공하는 전송용 광도파로와 소자의 사이에 설정될 때까지 기능적으로 되지 않는 경우가 될 수 있다. 구조와 특성이 변하는 전송용 광도파로가 다양한 광학 소자를 위한 다양한 광학 소자 기능을 제공하도록 본 발명에 따라 채택될 수 있는데, 이러한 기능에는 파장 선택성, 공간모드 선택성, 광 필터링, 편광 선택성, 온도 보상, 파워 모니터링, 반사율, 변조 등이 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전송용 광도파로는 격자구조, 온도-광 소자 또는 기타 다른 적절한 기능성 부품을 포함할 수 있다. 일부의 경우, 전송용 광도파로는 광학 소자의 동작만을 변경할 수 있는데, 다른 예에서 전송용 광도파로는 소자가 모든 기능을 필요로 할 수 있다.
앞선 2개의 문단에서 논의한 관점에서, "광학 소자"(optical device)란 용어는 다소의 설명을 필요로 할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "광학 소자"는 레이저, 변조기, 필터, 스위치 등과 같은 독립적인 기능을 하는 부품을 나타낼 수 있다. 또, "광학 소자"는 독립적으로 동작할 수 없는 부품을 나타낼 수도 있지만, 반드시 다른 부품과 관련하여 기능하도록 사용된다. 예컨대, 역반사 코팅된 단면과 중간전달용 광도파로를 갖는 반도체 이득 매체를 구비할 수 있다. 이러한 부품 하나로는 레이저 광원으로서의 기능을 할 수 없다. 중간전달용 광도파로 또는 중간전달용 광도파로를 갖는 광학적 접합을 형성하는 전송용 광도파로에 반사기가 제공되었다면, 반사기와 반도체는 함께 기능성 레이저를 형성할 것이다. 많은 다른 유사한 예들도 상세한 설명/청구범위에 개시된 본 발명의 범위에 속하게 될 수 있다.
도 40과 41은 본 발명에 따른 바람직한 평면 전송용 광도파로의 제작을 나타내는 공정 흐름도(각각 횡단면과 평면)이다. 치수와 재료조성은 예시적이며, 본 발명의 범위내세서 변경이 가능하다. 실리콘 기판(4002)에는 5㎛ 두께의 실리카 버퍼층(4004), 10㎛ 두께의 게르마노실리카층(4006) 및 70nm 두께의 실리콘 질화물층(SixNy)(4008)이 준비된다. 이 실리콘 질화물이 패턴화되고 에칭되어, 도파로 코어(4124)를 형성하게 되는데, 이코어는 폭이 대략 6㎛이고 원하는 형태를 가지며, 도 41에 도시된 것과 같이 각각의 단부에서 측면으로 테이퍼링된다. 이어서, 게르마노실리카층이 에칭되어 폭이 대략 10㎛이고 높이가 대략 6㎛인 리지형 도파로(4120)와, 정렬/지지 구조체(4170)의 최상부를 형성하게 된다. 다음으로, 남아 있는 게르마노실리카(4006)와 실리카 버퍼(4004)가 패턴화 및 제거되어, 게르마노실리카층(남은 두께가 대략 4㎛)과 실리카층을 구성하는 다소 더 넓은 버퍼 리지(4126)에 의해 지지되는 리지형 도파로(4120)를 남기게 된다. 정렬/지지 구조체(4170)의 하부도 이들 단계에 의해 형성된다. 다음으로, 리지형 도파로(4120, 4126)는 0.5㎛ 두께로 증착된 게르마노실리카 덧층으로 피복된다. 하부 실리콘이 패턴화되고 에칭되어, 나중에 단일모드 광섬유의 단부를 수용하기 위한 V자 그루브(4152)를 형성하게 된다. V자 그루브를 종단시키고 광섬유가 도파로(4120)의 단부에 도달되도록 하기 위하여 그루브(4152)가 제공(톱날 커팅 또는 임의의 다른 적절한 방법)된다. 적절한 공간 선택적 재료처리기술을 이용하여 접촉부/전극(4160) 및 다른 바람직한 소자가 제공될 수 있다. 본 명세서에서 다양한 공정단계에 대해 패터닝/에칭이 언급되고 있지만, 임의의 적절한 공간 선택적 재료처리기술이 등가적으로 채택될 수 있다. 도 42의 (A)/(B), 43의 (A)/(B) 및 도 44의 (A)/(B)에 도시된 예시적 실시예와 같은 다양한 구성을 생성하도록 유사한 공정 시퀀스가 채택될 수 있다.
이들 평면 도파로 성분(등가적으로, PLC-유사 부품)은 본 발명에 따른 하나 이상의 집적된 중간전달용 광도파로를 갖는 광학 소자를, 바람직하게는 플립칩 형태로 또는 임의의 적절한 조립체 형태로 수용할 수 있다. 리지형 도파로(4120)의 실리콘 질화물 코어의 하나의 테이퍼링된 단부는 광학 소자의 중간전달용 광도파로와의 단열적인 광출력 횡단 전달을 위해 구성되고, 리지 도파로(4120)는 전송용 광도파로로서의 기능을 한다. 또, 리지형 도파로(4120)는 모드간섭 결합된 광출력 횡단 전달을 위한 중간전달용 광도파로로 구성될 수 있다. 리지형 도파로(4120)의 실리콘 질화물 코어의 다른 테이퍼링된 단부는 V자 그루브에 배치된 광섬유(도시 안됨)와 리지형 도파로(4120) 사이에서 광출력의 종단 전달이 가능하도록 모드 확장기로서 기능한다. 코어(4122)의 폭이 감소함에 따라, 코어/도파로(4122/4120)에 의해 지지되는 광모드는 도파로(4120)로 확장된다. 바람직하게는, 모드 확장이 단열 조건(상기 언급되어 있음)을 만족하도록 코어(4122)의 테이퍼링은 충분히 점진적이어야 한다. 리지형 도파로(4120)를 위한 적절한 횡단 치수를 선택함으로써, 도파로(4120)와 광섬유간의 광출력 종단 전달이 가능하도록 도파로(4120)와 광섬유간의 원하는 정도의 공간모드 매칭이 달성될 수 있다.
도 42의 (A), (B)에 있어서, 평면 도파로 기판(422)에는 다제 1 단부에서 이오드 레이저의 중간전달용 광도파로와의 단열적 광출력 횡단 전달을 위해 구성된 평면 전달 도파로(4220)가 도시되어 있다. 다이오드 레이저와 중간전달용 광도파로는 레이저 기판(4202)상에 광학적으로 집적되고, 도 42의 (B)에는 기판(4222)상에 레이저 기판이 플립칩 탑재되어 있다. 기판(4222)에 있는 V자 그루브(4250)는 도파로(4220)와의 종단 전달을 위해 광섬유(4290)(도 42의 (B)에 도시)를 배치하는 기능을 한다. 광섬유(4290)와의 공간모드 매칭의 정도와 모드 확장을 위한 제 2 단부에 도파로(4220)가 구성될 수 있다. 도파로(4220)로부터 다이오드 레이저의 광출력 파워의 일부의 전달을 위한 제 1 단부에 배치 및 구성되는 보조 도파로(4240)가 기판(4222)에 제공될 수 있다. 도파로(4240)의 제 2 단부는 광다이오드를 모니터링하기 위하여 광출력을 전달하도록 구성될 수 있다. 접촉부/전극(4224/4244)은 다이오드 레이저와 광다이오드에 대한 각각의 전자적 액세스를 위해 제공된다. 정렬/지지 부재(4270/4272)는 플립칩 탑재된 다이오드 레이저와 광다이오드의 각각의 정렬 및 지지를 위해 제공된다.
모니터링용 광다이오드는 평면형 도파로 기판(4222)상에 집적되거나, 또는 도 42의 (B)에 도시된 바와 같이 평면형 도파로 기판(4222)상에 플립칩 탑재된 광다이오드 기판(4242)상의 개별 부품으로서 제공되는 것이 바람직하다. 도파로(4240)의 제 1 단부는 도파로(4220)로부터 광출력을 횡단 전달하도록 구성될 수 있는 것이 바람직하거나, 도파로(4220)로부터 광출력의 전달을 위한 임의의 다른 적절한 방식으로 구성될 수 있는 것이 바람직하다. 도파로(4240)의 제 2 단부는 광출력이 도파로(4222)로부터 상방으로 벗어나도록 그리고 모니터링용 광다이오쪽으로 방향설정하기 위한 회전미러로서 기능하도록 구성될 수 있는 것이 바람직하다. 이것은 도파로(4222)의 제 2 단부에 비스듬한 단면을 제공함으로써, 기판(4222)의 공정 동안 달성될 수 있다. 또한, 도파로(4240)로부터 모니터리용 광다이오드로 광신호 출력을 전달하기 위한 임의의 적절한 수단이 채택될 수 있다. 예를 들면, 도파로(4240)의 제 2 단부에 광산란기가 제공될 수 있으며, 산란된 광출력의 일부는 광다이오드에 의해 검출된다. 다른 예로서, 광다이오드에는 도파로(4240)로부터 광출력의 횡단 전달(단열적 또는 모드간섭 결합형)과 광출력의 광다이오드로의 전달을 하도록 구성된 본 발명에 따른 중간전달용 광도파로가 제공될 수 있다. 다른 수단도 등가적으로 채택될 수 있다.
도 43의 (A)/(B)는 평면형 광도파로(4320, 4321)가 위에 구비된 평면형 도파로 기판(4322)을 나타낸다. 다이오드 레이저에는 도 43의 (B)에 도시된 것과 같이 기판(4322)상에 플립칩 탑재된 레이저 기판(4302)상의 중간전달용 광도파로가 제공될 수 있다. 광변조기에는 도 43의 (B)에 도시된 것과 같이 기판(4322)상에 플립칩 탑재된 변조기 기판(4303)상의 2개의 중간전달용 광도파로가 제공될 수 있다. 도파로(4320)는 다이오드 레이저의 중간전달용 광도파로와의 광출력의 횡단 전달(단열적 또는 모드간섭 결합형)을 위한 제 1 단부에 도파로(4320)가 구성될 수 있으며, 변조기의 제 1 중간전달용 광도파로와 광출력의 횡단 전달(단열적 또는 모드간섭 결합형)을 위한 제 2 단부에 구성될 수 있다. 도파로(4321)는 변조기의 제 2 중간전달용 광도파로와의 광출력의 횡단 전달을 위한 제 1 단부에 구성될 수 있으며, 도 43의 (B)에 도시된 것과 같이 V자 그루브(4350)에 배치된 광섬유(4390)와의 모드확장 및 종단 전달을 위한 제 2 단부에 구성될 수 있다. 보조 도파로(4340, 4341)는 기판(4322)상에 제공되며, 이 기판은 도파로(4320, 4321)로부터의 광출력의 일부의 전달을 위해 제 1 단부에 배치 및 구성된다. 방향전환된 부분은 광다이오드쪽으로 방향이 설정되며, 도 43의 (B)에 도시된 것과 같이 기판(4322)상에 플립칩 탑재된 개별 광다이오드 기판(4344/4345)상에 제공되는 것이 바람직하다. 도파로(4340/4341)와 광다이오드는 이전 문단에서 개시된 것과 같이 구성될 수 있다. 접촉부/전극(4370/4371/4372/4373)는 다이오드 레이저, 변조기, 광다이오드에 대한 전자적 액세스를 위해 제공된다. 정렬/지지 부재(4380/4381/4382/4383)는 다이오드 레이저, 변조기 및 광다이오드의 정렬 및 지지를 위해 기판(4322)상에 제공될 수 있다. 이전 실시예들은 예시적이다. 광학 소자(중간전달용 광도파로 포함)와 전송용 광도파로의 많은 다른 구성이 상세한설명/청구범위에 개시된 본 발명의 범위에 속하게 될 수 있다.
도 44의 (A), (B)에서, 평면 도파로 기판(4422)에는 다이오드 레이저의 중간전달용 광도파로와의 단열적 광출력 횡단 전달을 위한 제 1 단부에 구성되는 평면형 전달 도파로(4420)가 위에 제공된다. 다이오드 레이저와 중간전달용 광도파로는 도 44의 (B)에 도시된 것과 같이 기판(4422)상에 플립칩 탑재된 레이저 기판(4402)상에 광학적으로 집적된다. 기판(4422)에 있는 V자 그루브(4450)는 도파로(4420)와의 종단 전달을 위한 광섬유(도 44의 (B)에 도시)를 위치설정하는 기능을 한다. 도파로(4420)는 기판(4422)의 함몰부에 수용되는 것으로 도시된 볼렌즈(ball lens)(4494)와 관련하여 광섬유(4290)와의 공간모드 매칭 및 모드 확장을 위한 제 2 단부에 구성될 수 있다. 기판(4422)에는 도파로(4420)로부터 다이오드 레이저의 광출력 파워의 일부의 전달을 위한 제 1 단부에 위치설정 및 구성되는 보조 도파로(4440)가 제공될 수 있다. 도파로(4440)의 제 2 단부는 플립칩 탑재된 기판(4444)상에 제공된 광다이오드를 모니터링하기 위하여 광출력을 전달하도록 구성될 수 있다. 접촉부/전극(4470/4472)은 다이오드 레이저와 광다이오드에 대한 각각의 전자적 액세스를 위해 제공된다. 정렬/지지 부재(4480/4482)는 플립칩 탑재된 다이오드 레이저와 광다이오드의 각각의 정렬 및 지지를 위해 제공된다.
본 명세서에 개시된 다양한 예시적 실시예들은 평면 도파로 기판상에 광학 소자(중간전달용 광도파로가 있는 기판상에)를 정확하게 위치설정 및 지지하기 위한 지지/정렬 부재를 포함한다. 소자 기판상의 지지 및/또는 정렬 구조를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 지지 구조는 소자와 도파로 기판의 조립 동안 생길 수 있는 손상으로부터 중간전달용 광도파로(종종 돌출 구조)를 보호하는 기능을 할 수 있다. 예시적인 지지 부재가 도 45의 (A), (B)에 도시되어 있다. 광학 소자(도시 생략)와 중간전달용 광도파로(4530)은 지지 부재(4560)와 함께 소자 기판(4502)상에 광학적으로 집적된다[예컨대, 도파로(4530)에 대해 실질적으로 평행한 길게 돌출하는 리지의 형태로; 다른 구성도 구현될 수 있음]. 도파로 기판(4522)상에 평면 전송용 광도파로(4520)과 소자를 조립할 때(명백히 나타내기 위해 도 45의 (A)에서는 생략), 리지(4560)는 중간전달용 광도파로(4530)을 위한 기계적 지지 및 보호를 제공하도록 도파로 기판의 표면과 맞물리게 된다.
본 발명은 바람직한 선택적인 실시예의 형태로 설명되었다. 그러나, 광출력 횡단 전달을 채택하는 개시된 광학적 접합 장치 및 방법에 대한 변형이 본 명세서에서 설명 및/또는 청구된 발명의 개념내에서 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (241)

  1. 광학 소자(1910, 3410）와;
    제1 광학적 접합 영역(1934)을 갖는 제1 중간전달용 광도파로(1930, 3430)와;
    제2 광학적 접합 영역(1924)을 갖는 제1 전송용 광도파로(1920, 3420)
    를 포함하고,
    상기 광학 소자와 상기 제1 중간전달용 광도파로는, 제1 기판(1902, 3402) 상에 형성되고, 상기 광학 소자와 상기 제1 중간전달용 광도파로 사이에서 광출력의 전달이 가능하도록 상기 제1 기판 상에 광학적으로 집적되어 있고,
    상기 제1 전송용 광도파로는 제2 기판(1922, 3422) 상에 형성되며,
    상기 제1 전송용 광도파로와 상기 제1 중간전달용 광도파로는 상기 제1 광학적 접합 영역 및 상기 제2 광학적 접합 영역에서 광출력의 횡단 전달이 가능하도록 구성되어 있고,
    상기 제1 광학적 접합 영역과 상기 제2 광학적 접합 영역 사이에 단열 결합이 형성되도록 상기 제1 및 제2 광학적 접합 영역의 서로에 대한 위치를 결정하기 위해, 상기 제1 전송용 광도파로가 상기 제1 기판, 상기 광학 소자 및 상기 제1 중간전달용 광도파로 중 하나 이상에 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 중간전달용 광도파로 및 상기 제1 전송용 광도파로 중 하나 이상은 코어 및 클래딩을 포함하고, 상기 단열 결합에 의한 광출력의 횡단 전달이 이루어지도록,
    i) 상기 코어 및 상기 클래딩 중 하나 이상의 횡단 치수가 광학적 접합 영역의 일부 또는 전체의 길이방향을 따라 변화하거나,
    ii) 상기 코어 및 상기 클래딩 중 하나 이상의 굴절률이 광학적 접합 영역의 일부 또는 전체의 길이방향을 따라 변화하거나,
    iii) 상기 코어 및 상기 클래딩의 하나 이상이 광학적 접합 영역의 일부 또는 전체의 길이방향를 따라 경사져 있거나, 또는
    iv) 상기 코어 및 상기 클래딩의 하나 이상이 상기 i), ii), iii)의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제3 광학적 접합 영역을 갖는 제2 중간전달용 광도파로(3431)와;
    제4 광학적 접합 영역을 갖는 제2 전송용 광도파로(3421)
    를 더 포함하고,
    상기 제2 중간전달용 광도파로는, 제1 기판 상에 형성되며, 상기 광학 소자와 상기 제2 중간전달용 광도파로 사이에서 광출력의 전달이 가능하도록 상기 제1 기판 상에 광학적으로 집적되어 있고,
    상기 제2 전송용 광도파로는 제2 기판 상에 형성되며,
    상기 제2 전송용 광도파로와 상기 제2 중간전달용 광도파로는 상기 제3 광학적 접합 영역 및 상기 제4 광학적 접합 영역에서 광출력의 횡단 전달이 가능하도록 구성되어 있고,
    상기 제3 광학적 접합 영역과 상기 제4 광학적 접합 영역 사이에 단열 결합이 형성되도록 상기 제3 및 제4 광학적 접합 영역의 서로에 대한 위치를 결정하기 위해, 상기 제2 전송용 광도파로가 상기 제1 기판, 상기 광학 소자 및 상기 제2 중간전달용 광도파로 중 하나 이상에 조립되어 있으며,
    상기 제1 및 제2 전송용 광도파로는, i) 기계적으로 분리된 개별부품이거나 ii) 단일 기계 부품의 일부이거나 또는 iii) 상기 제2 기판상에 형성된 평면 광도파로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
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  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 중간전달용 광도파로와 상기 제1 전송용 광도파로는,
    i) 평면 광도파로; ii) 낮은 모드 인덱스 광도파로; iii) 높은 모드 인덱스 광도파로; iv) 코어 및 하위 인덱스 클래딩; v) 금속막을 포함하는 코어 및 하위 인덱스 클래딩; vi) 하나 이상의 다층 반사 스택을 포함하는 다층 광도파로 구조체; vii) 실리카계 광도파로; viii) 폴리머계 광도파로; ix) 반도체계 광도파로; x) 실리콘계 광도파로; xi) III족/V족 반도체계 광도파로; xii) 실리카계 코어 및 하위 인덱스 실리카계 클래딩; xiii) 실리콘 질화물 코어 및 실리카계 클래딩; xiv) 실리콘 산질화물 코어 및 실리카계 클래딩; xv) 다중의 코어 및 하위 인덱스 클래딩; xvi) 양자우물 혼합된 반도체계 광도파로; xvii) 평면 도파로 회로를 형성하는 도파로 기판상의 다수의 평면 도파로 중 하나로서의 평면 광도파로; xviii) 광학적 접합 영역을 형성하는 테이퍼 세그먼트를 가진 광섬유; xix) 광학적 접합 영역의 일부에서 횡방향으로 비대칭으로 잘려진 클래딩을 갖는 광섬유; 및 xx) 광학적 접합 영역이 경사진 단부로 되어 있는 광섬유
    중 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전송용 광도파로는,
    i) 다른 전송용 광도파로와의 횡단 전달 기능; ii) 다른 전송용 광도파로와의 종단 전달 기능; iii) 다른 전송용 광도파로와 공간모드 매칭되어 종단 전달하는 기능; iv) 광섬유와의 종단 전달 기능; v) 광섬유와 공간모드 매칭되어 종단 전달하는 기능; vi) 대형모드 광도파로로의 광학적 공간모드의 확장 기능; 및 vii) 다수의 분기 도파로로의 광출력의 분배 기능
    중 하나 이상을 수행할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광학 소자는,
    i) 반도체계 광학 소자; ii) III족-V족 반도체계 광학 소자; iii) 레이저; iv) 변조기; v) 광검출기; vi) 파장 선택 광학 소자; 및 vii) 편광 선택 광학 소자
    중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 중간전달용 광도파로와 상기 제2 전송용 광도파로 중 하나 이상의 적어도 일부는, 상기 광학 소자의 일부 기능을 제공하도록 구성되며, 상기 일부 기능에는,
    i) 파장-특정(wavelength-specific) 기능; ii) 광도파로 격자 세그먼트; iii) 열광학(thermo-optic) 기능; iv) 편광-특정(polarization-speific) 기능; v) 광출력 모니터링 기능; vi) 광검출; vii) 광출력 모니터링; viii) 공간모드-특정(spatial-mode-specific) 기능; 및 ix) 온도 보상
    중 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전송용 광도파로와 상기 제1 중간전달용 광도파로 중 하나 이상은 이들간의 횡단오프셋 광출력 전달 손실을 적어도 횡단오프셋 허용범위 만큼의 횡단오프셋에 대해 0.5dB 이하로 유지시키도록 구성되어 있으며, 상기 횡단오프셋 허용범위는 상기 제1 전송용 광도파로와 상기 제2 중간전달용 광도파로의 대응하는 횡단 광모드 크기특성의 ±0.5배, ±1.0배 및 ±1.5배 중 하나와 같은 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전송용 광도파로와 상기 제1 중간전달용 광도파로 중 하나 이상은 이들간의 횡단오프셋 광출력 전달 손실을 적어도 횡단오프셋 허용범위 만큼의 횡단오프셋에 대해 공칭 광출력 전달 손실의 ±0.5dB 이내로 유지시키며, 상기 횡단오프셋 허용범위는 상기 전송용 광도파로와 상기 중간전달용 광도파로의 대응하는 횡단 광모드 크기특성의 ±0.5배, ±1.0배 및 ±1.5배 중 하나와 같은 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  14. 광학 장치를 제조하는 광학 장치의 제조 방법에 있어서,
    제1 기판(1902, 3402) 상에 광학 소자(1910, 3410)를 형성하는 단계와;
    상기 제1 기판과 상기 광학 소자 중 하나 이상에, 제1 광학적 접합 영역(1934)을 갖는 제1 중간전달용 광도파로(1930, 3430)를 형성하는 단계와;
    제2 기판(1922, 3422) 상에 제2 광학적 접합 영역(1924)을 갖는 제1 전송용 광도파로(1920, 3420)를 형성하는 단계와;
    상기 제1 기판, 상기 광학 소자 및 상기 제1 중간전달용 광도파로 중 하나 이상에 상기 제1 전송용 광도파로를 조립하는 단계
    를 포함하며,
    상기 광학 소자와 상기 제1 중간전달용 광도파로는, 상기 광학 소자와 상기 제1 중간전달용 광도파로 사이에서 광출력의 전달이 가능하도록 상기 제1 기판 상에 광학적으로 집적되어 있고,
    상기 제1 전송용 광도파로와 상기 제1 중간전달용 광도파로는 상기 제1 광학적 접합 영역 및 상기 제2 광학적 접합 영역에서 광출력의 횡단 전달이 가능하도록 구성되어 있고,
    상기 제1 전송용 광도파로를 조립하는 단계는, 상기 제1 광학적 접합 영역과 상기 제2 광학적 접합 영역 사이에 단열 결합이 형성되도록 상기 제1 및 제2 광학적 접합 영역의 서로에 대한 위치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 중간전달용 광도파로 및 상기 제1 전송용 광도파로 중 하나 이상은 코어 및 클래딩을 포함하고, 상기 단열 결합에 의한 광출력의 횡단 전달이 이루어지도록,
    i) 상기 코어 및 상기 클래딩 중 하나 이상의 횡단 치수가 광학적 접합 영역의 일부 또는 전체의 길이방향을 따라 변화하거나,
    ii) 상기 코어 및 상기 클래딩 중 하나 이상의 굴절률이 광학적 접합 영역의 일부 또는 전체의 길이방향을 따라 변화하거나,
    iii) 상기 코어 및 상기 클래딩의 하나 이상이 광학적 접합 영역의 일부 또는 전체의 길이방향를 따라 경사져 있거나, 또는
    iv) 상기 코어 및 상기 클래딩의 하나 이상이 상기 i), ii), iii)의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 장치의 제조 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 광학 소자 중 하나 이상에, 제3 광학적 접합 영역을 갖는 제2 중간전달용 광도파로(3431)를 형성하는 단계와;
    상기 제2 기판 상에 제4 광학적 접합 영역을 갖는 제2 전송용 광도파로(3421)를 형성하는 단계와;
    상기 제1 기판, 상기 광학 소자 및 상기 제2 중간전달용 광도파로 중 하나 이상에, 상기 제2 전송용 광도파로를 조립하는 단계
    를 추가로 포함하며,
    상기 제2 중간전달용 광도파로는, 상기 광학 소자와 상기 제2 중간전달용 광도파로 사이에서 광출력의 전달이 가능하도록 상기 제1 기판 상에 광학적으로 집적되어 있고,
    상기 제2 전송용 광도파로와 상기 제2 중간전달용 광도파로는 상기 제3 광학적 접합 영역 및 상기 제4 광학적 접합 영역에서 광출력의 횡단 전달이 가능하도록 구성되어 있고,
    상기 제2 전송용 광도파로를 조립하는 단계는, 상기 제3 광학적 접합 영역과 상기 제4 광학적 접합 영역 사이에 단열 결합이 형성되도록 상기 제3 및 제4 광학적 접합 영역의 서로에 대한 위치를 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 전송용 광도파로는, i) 기계적으로 분리된 개별부품이거나 ii) 단일 기계 부품의 일부이거나 또는 iii) 상기 제2 기판상에 형성된 평면 광도파로로 이루어지는 것로 하는 광학 장치 제조 방법.
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  21. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 중간전달용 광도파로와 상기 제1 전송용 광도파로는,
    i) 평면 광도파로; ii) 낮은 모드 인덱스 광도파로; iii) 높은 모드 인덱스 광도파로; iv) 코어 및 하위 인덱스 클래딩; v) 금속막을 포함하는 코어 및 하위 인덱스 클래딩; vi) 하나 이상의 다층 반사 스택을 포함하는 다층 광도파로 구조체; vii) 실리카계 광도파로; viii) 폴리머계 광도파로; ix) 반도체계 광도파로; x) 실리콘계 광도파로; xi) III족/V족 반도체계 광도파로; xii) 실리카계 코어 및 하위 인덱스 실리카계 클래딩; xiii) 실리콘 질화물 코어 및 실리카계 클래딩; xiv) 실리콘 산질화물 코어 및 실리카계 클래딩; xv) 다중의 코어 및 하위 인덱스 클래딩; xvi) 양자우물 혼합된 반도체계 광도파로; xvii) 평면 도파로 회로를 형성하는 도파로 기판상의 다수의 평면 도파로 중 하나로서의 평면 광도파로; xviii) 광학적 접합 영역을 형성하는 테이퍼 세그먼트를 가진 광섬유; xix) 광학적 접합 영역의 일부에서 횡방향으로 비대칭으로 잘려진 클래딩을 갖는 광섬유; 및 xx) 광학적 접합 영역이 경사진 단부로 되어 있는 광섬유
    중 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치의 제조 방법.
  22. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 전송용 광도파로는,
    i) 다른 전송용 광도파로와의 횡단 전달 기능; ii) 다른 전송용 광도파로와의 종단 전달 기능; iii) 다른 전송용 광도파로와 공간모드 매칭되어 종단 전달하는 기능; iv) 광섬유와의 종단 전달 기능; v) 광섬유와 공간모드 매칭되어 종단 전달하는 기능; vi) 대형모드 광도파로로의 광학적 공간모드의 확장 기능; 및 vii) 다수의 분기 도파로로의 광출력의 분배 기능
    중 하나 이상을 수행할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치의 제조 방법.
  23. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 광학 소자는,
    i) 반도체계 광학 소자; ii) III족-V족 반도체계 광학 소자; iii) 레이저; iv) 변조기; v) 광검출기; vi) 파장 선택 광학 소자; 및 vii) 편광 선택 광학 소자
    중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 장치의 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 중간전달용 광도파로와 상기 제2 전송용 광도파로 중 하나 이상의 적어도 일부는, 상기 광학 소자의 일부 기능을 제공하도록 구성되며, 상기 일부 기능에는,
    i) 파장-특정(wavelength-specific) 기능; ii) 광도파로 격자 세그먼트; iii) 열광학(thermo-optic) 기능; iv) 편광-특정(polarization-speific) 기능; v) 광출력 모니터링 기능; vi) 광검출; vii) 광출력 모니터링; viii) 공간모드-특정(spatial-mode-specific) 기능; 및 ix) 온도 보상
    중 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 광학 장치의 제조 방법.
  25. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 전송용 광도파로와 상기 제1 중간전달용 광도파로 중 하나 이상은 이들간의 횡단오프셋 광출력 전달 손실을 적어도 횡단오프셋 허용범위 만큼의 횡단오프셋에 대해 0.5dB 이하로 유지시키도록 구성되어 있으며, 상기 횡단오프셋 허용범위는 상기 제1 전송용 광도파로와 상기 제2 중간전달용 광도파로의 대응하는 횡단 광모드 크기특성의 ±0.5배, ±1.0배 및 ±1.5배 중 하나와 같은 것을 특징으로 하는 광학 장치의 제조 방법.
  26. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 전송용 광도파로와 상기 제1 중간전달용 광도파로 중 하나 이상은 이들간의 횡단오프셋 광출력 전달 손실을 적어도 횡단오프셋 허용범위 만큼의 횡단오프셋에 대해 공칭 광출력 전달 손실의 ±0.5dB 이내로 유지시키며, 상기 횡단오프셋 허용범위는 상기 전송용 광도파로와 상기 중간전달용 광도파로의 대응하는 횡단 광모드 크기특성의 ±0.5배, ±1.0배 및 ±1.5배 중 하나와 같은 것을 특징으로 하는 광학 장치의 제조 방법.
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