KR20040084670A - 크로스오버 손실이 감소된 광 도파 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 광 도파관들과, 2개의 도파관들이 어떤 각도로 교차하는 하나 이상의 크로스오버 영역들을 포함하는 향상된 평면의 도파관 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 크로스오버에 의해 발생된 손실 및 누설은 교차 영역에 걸쳐서 도파관들을 분할함으로써 감소된다. 유리하게, 세그먼트들은 또한 폭이(크로스오버에서 멀리 떨어져 있는 도파관의 전송 영역들과 비교해서) 확대되며, 도파관의 길이 방향 축에 대하여 오프셋된다. 세그먼트들이 교차하는 영역들에서, 이들은 세그먼트 교차점의 주변에 대응하는 형상을 갖는 복합 세그먼트(complex segment)로 통합된다.

Description

크로스오버 손실이 감소된 광 도파 장치{Optical waveguiding apparatus having reduced crossover losses}

발명의 분야

본 발명은 집적 광 도파관 소자들(integrated optical waveguide devices)과 같은 광 도파 장치(optical waveguiding apparatus)에 관한 것이며, 특히 손실이 감소된 도파관 크로스오버(crossover)들을 포함하는 그와 같은 장치에 관한 것이다.

발명의 배경

광섬유 통신 채널들이 금속 케이블과 마이크로파 전송 링크들로 점점 대체됨에 따라, 집적 광 도파관 소자들의 형태의 광 도파 장치가 점점 중요하게 되고 있다. 이러한 소자들은 전형적으로, SiO₂와 같은 클래딩 기저층(base layer), 그 기저층 위에 얇게 패터닝된 코어층, 그 패터닝된 코어층 위에 상부 클래딩층(top cladding layer)이 제공되는, 실리콘과 같은 기판을 포함한다. 코어는 도파 특성들을 제공하기 위해 클래딩층들보다 더 높은 굴절율을 가지며, 그 코어층은 포토리소그래픽 기법들에 의해, 빔 스플리팅(beam splitting), 탭핑(tapping), 멀티플렉싱, 디멀티플렉싱 및 필터링과 같은 여러 광 처리 기능들 중 어느 하나를 수행하도록 구성된다.

더 높은 전송율의 출현과 파장 분할 멀티플렉싱의 레벨 증가로, 광 입력들의 수가 증가한 것에 대해서도 처리 소자들의 밀도가 증가한 도파 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 장치의 소형 디자인시에는 하나의 가이드된 빔이 다른 빔을 교차하는 도파관 "크로스오버"가 필요하다. 전형적으로 도파 코어 영역들은 물리적으로 상이한 평면들 상에서는 크로스오버하지 않으며, 오히려 똑같은 동일 평면 영역을 통과한다.

도파관 크로스오버들이 갖는 난점은 각 경로에서 어떤 빛이 다른 쪽으로 갈 때 산란에 의한 광 손실과 누설이 생긴다는 점이다. 교차하는 도파관들에는 교차시 비대칭 인덱스 프로파일(asymmetric index profile)이 나타난다. 이 프로파일은 가이드된 광 모드(guided optical mode)를 교란시키고, 보다 높은 차수(order)의 광 모드들을 여기시킨다. 교차 영역이 가파르므로(abrupt)(비단열적), 가이드되지 않는 모드들을 여기시키고, 그 결과 누설 및 광 전력의 손실이 생기게 할 것이다. 이 문제점들은 도파관 인덱스 콘트라스트 δ가 증가하면 악화된다.

종래 기술인 도 1a는 영역(12) 위의 공통 코어층에서 각도 θ로 교차하는 한 쌍의 코어 광 도파관들(10 및 11)을 포함하는 통상적인 크로스오버를 개략적으로 도시한다. 코어 도파관들(10, 11)은 주위 클래딩 층들의 굴절율 n₁보다 큰 굴절율 n₂를 갖는다. 고밀도(high density) 장치에 대하여, 크로스오버들은 전형적으로 작은 각도 θ<5°로 교차하며, 클래딩에 대해 높은 인덱스 콘트라스트, 즉 높은 델타 값=(n₂- n₁)/n₂이 나타나는 코어들을 갖는다. 그러나 낮은 인덱스 콘트라스트를 갖는다 하더라도, 광 모드들의 전파는 교차 영역에 의해 교란되어, 광전력의 손실과 누설을 야기시키는 가이드되지 않은 모드들을 여기시킨다.

도 1b는 델타=4%(커브 1) 및 델타=0.8%(커브 2)를 갖는 전형적인 통상적인 크로스오버들에 대해 교각 θ의 함수로서 광 전력 손실을 도시하는 그래프이다. 손실은 교각이 감소함에 따라 빠르게 증가하는 것이 명백하다.

많은 기술들이 도파관 교차시 손실을 줄이기 위해 제안되었다. 한가지 접근법은 도파관이 교차 영역에 가까워질수록 그 폭을 증대시켜 가이딩 층(guiding layer)을 업-테이퍼(up-taper)하는 것이다.(K. Aretz 등의, "Reduction of crosstalk and losses of intersecting wave guide", 25Electronics Letters, No. 11(1998년 5월 25일) 참조; 또한 H. G. Bukkens 등의, "Minimization of the loss of Intersecting Wave guides in I_nP-Based Photonic Integrated Circuits",IEEE Photonics Technology Letters, No. 11(1999년 11월) 참조). 그러므로, 광 빔 사이즈는 교차점에서 확장하며, 이는 교차점의 다른 측면에서 도파관에 대한 광 모드의 매칭을 양호하게 한다. >30dB의 낮은 누설 및 낮은 손실이 6°보다 큰 각에 대해 달성된다. 그러나, 이 기술은 매우 긴 테이퍼링 길이(>1㎜)를 필요로 하여, 어떤 애플리케이션에서는 실행할 수 없다. 또한, 그 기술은 높은 델타 도파관 교차에는 효과적이지 않다.

유사한 접근법이 Hernandez 등에 의한 1999년 10월 9일 발행된 미국 특허 번호 4,961,619호에 제안되어 있다. 도파관의 폭은 그 영역에서 광 모드 특성들을 변경하기 위해 교차점에서 증가되거나 감소된다. 이는 교차점에서 전계(electrical field)의 양호한 정렬을 허용하는, 횡방향 굴절율 분포에 있어서의 축 변화(axial variation)를 소개하고 있다. 그 방법은 5°미만의 작은 교각에도 사용될 수 있다. 그러나, 이는 높은 델타 도파관에는 적합하지 않는데, 그 이유는 광 모드를 단열적으로 확장하기 위해 큰 테이퍼링 영역들을 필요로 하기 때문이다.

Nishimoto(1992년 10월 20일 발행된 미국 특허 번호 제 5,157,756호)에 의한 제 3 접근법에서, 교차 영역의 인덱스는 교차 중심에서 도파관 물질로 된 아일랜드를 둘러싸는 낮은 인덱스의 주변 영역을 포함한다. 또한 Lemoff 등을 참조하라. 이 기술은 작은 각 교차에 대한 손실을 줄일 수 있다. 그러나, 높은 계단형 콘트라스트 도파관(high step index contrast waveguide)에는 효과적이지 않으며, 손실은 더 클 것으로 예상된다.

따라서, 손실이 감소된 도파관 크로스오버들을 갖는 광 도파 장치가 필요하다.

본 발명은 복수의 광 도파관들과, 2개의 도파관들이 어떤 각도로 교차하는 하나 이상의 크로스오버 영역들을 포함하는 향상된 평면의 도파관 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 크로스오버에 의해 발생된 손실 및 누설은 교차 영역에 걸쳐서 도파관들을 분할함으로써 감소된다. 유리하게, 세그먼트들은 또한 폭이(크로스오버에서 멀리 떨어져 있는 도파관의 전송 영역들과 비교해서) 확대되며, 도파관의 길이 방향 축에 대하여 오프셋된다. 세그먼트들이 교차하는 영역들에서, 이들은 세그먼트 교차점의 주변에 대응하는 형상을 갖는 복합 세그먼트(complexsegment)로 통합된다.

본 발명의 이점들, 특성 및 다양한 부가적인 특징들은 첨부한 도면과 관련하여 상세히 설명한 예시적인 실시예들을 고려하면 보다 분명해질 것이다.

도 1a는 통상적인 도파관 크로스오버의 개략도.

도 1b는 도 1a에 따라 2가지 대표적인 크로스오버들에 대해 교각의 함수로서 시뮬레이트된 손실을 도시하는 그래프.

도 2a는 본 발명에 따라 도파관 크로스오버를 설계할 때 유용한 개략도.

도 2b는 본 발명에 따라 도파관 크로스오버를 포함하는 예시적인 광 도파 장치를 도시하는 개략도.

도 2c는 도파관(22)을 따르는 도 2b 소자의 개략적 단면도.

도 3은 도 2b의 크로스오버를 포함하는 몇몇 크로스오버들에 대해 교각의 함수로서 시뮬레이트된 손실을 도시하는 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 광 도파 장치 21 : 도파관 크로스오버 영역

22, 23 : 광 도파관 22B, 23B : 세그먼트

22A, 23A : 입력 섹션 22C, 23C : 출력 섹션

이 도면들은 본 발명의 개념들을 예시하기 위한 것이며, 그래프를 제외하고는 동일 축척으로 그려지지 않음을 알 수 있을 것이다.

도면들을 참조하면, 통상적인 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 배경에 기술되어 있다.

본 발명에 따라 도파관 크로스오버를 설계할 때 유용한 도 2는 예시적인 도파관 크로스오버 영역(21)을 포함하는 광 도파 장치(20)를 도시한다. 본질적으로, 크로스오버 영역(21)은 각 θ로 교차하는 동일 평면상의 한 쌍의 광 도파관들(22 및 23)을 포함한다. 각 광 도파관(22, 23)은, 도파관들이 교차 영역(21)에 걸쳐서 공유하는, 복수의 세그먼트들(22B, 23B)을 포함하는 코어 섹션을 포함한다. 유리하게, 각 도파관(22, 23)은 교차 영역에서 확장된 폭에서 단열적으로 테이퍼지며, 그 영역 바깥쪽으로 폭이 감소되게 단열적으로 테이퍼진다. 예를 들어, 도파관(22)은 교차 영역(21)으로 폭이 확대되는 연속적으로 테이퍼진 입력 코어 섹션(22A), 영역(21)내의 복수의 세그먼트들(22B), 영역(21)의 바깥으로 나가는 연속적으로 테이퍼진 코어 섹션(22C)을 포함하는 경로를 제공한다. 도파관(23)은 유사하게 지정된 유사한 코어 섹션들을 갖는다. 바람직하게는 각 도파관에서, 세그먼트들은 연속 입력 섹션들(22A, 23A)의 축들로부터 횡방향으로 오프셋된다.

도 2a에서는 도파관 코어들(22 및 23)이 별개의 층들에 있는 경우 크로스오버가 가능할 수 있지만, 코어들(22, 23)이 동일 평면상에 있는 경우 크로스오버들을 유지할 수 없다. 도 2a로부터 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 동일 평면상의 코어들을 갖는 장치에서, 세그먼트들(22B 및 23B)은 세그먼트 교차들의 외주에 대응하는 형상을 갖는 복합 공통 세그먼트로 통합될 것이다. 본 발명에 따라, 크로스오버는 이러한 복합 공통 세그먼트를 포함하는 크로스오버를 포함한다.

도 2b는 본 발명에 따라 크로스오버를 포함하는 예시적인 광학 장치를 도시한다. 여기서 동일 평면상의 도파 코어(22, 23)는 크로스오버 영역(21)을 통과한다. 각 도파관은 연속(크로스오버 영역에 비해 긴) 입력 섹션, 예를 들어 22A, 복합 공통 세그먼트(25)(본래 대시선으로 도시됨), 연속적인 출력 섹션, 예를 들어 22C를 포함한다. 2개의 도파관들은 동일한 복합 공통 세그먼트(25)를 가지며, 복합 공통 세그먼트는 도 2a와 관련하여 기술된 바와 같이 통합된 세그먼트들의 외주에 대응하는 형상을 갖는다. 도 2b의 장치는 다행스럽게도 도 2a와 관련하여 기술된 테이퍼들 및 오프셋들을 포함한다.

도 2c는 선 A-A'을 따르는 도 2b 소자의 개략적 단면도이다. 장치는 실리카와 같은 제 1 클래딩 층(27)을 지지하는 실리카와 같은 기판(26)을 포함함을 도시하고 있다. 코어층들(22, 23)은 전형적으로 보다 높은 굴절율을 위해 도핑된 실리카로 된 영역이며, 제 2 클래딩 층(28)은 패터닝된 코어 위에 침착될 수 있다.

크로스오버 각 θ는 도파관들(22, 23)의 길이 방향의 축들 사이의 예각이다. 본 발명은 전형적으로 35-3°범위에 있는 바람직하게는 25-5°범위에 있는 θ를 갖는 크로스오버에 적용할 수 있다. 크로스오버 영역으로부터 떨어진 전송 영역들에서 전형적인 도파관 폭과 비교하면, 크로스오버 영역의 도파관은 전형적으로는 0-30%, 바람직하게는 9-11%까지 확장된다. 크로스오버 영역은 전형적으로 3-5개의 공통 세그먼트들의 통합을 포함한다. 각 세그먼트는 전형적으로 4-8㎛ 범위의 길이 방향의 크기를 가지며, 세그먼트들은 1.2 내지 1.4㎛만큼 공간을 두고 떨어져 배치된다. 이로운 실시예에서, 분할된 섹션들은 입력 코어 섹션들과 출력 코어 섹션들을 횡방향으로 오프셋한다. 최적의 오프셋은 각도 θ에 따른다. 전형적인 크로스오버에 대하여, 오프셋은 약 0.1㎛미만에서 1.0㎛보다 큰 범위일 수 있으며, θ=20°인 경우에는 0.3㎛의 오프셋이 θ=5°인 경우에는 0.7㎛의 오프셋이 바람직하다. 도 2의 실시예에서, 분할된 섹션들(25B)은 입력 섹션(23A)(왼쪽으로 이동됨)에 대해여 그리고 입력 섹션(22A)(오른쪽으로 이동됨)에 대하여 오프셋된다.

본 발명은 0.8-10 범위의 델타들을 갖는 도파관의 크로스오버에 유용하다. 이는 특히 2-6범위의 델타들을 갖는 크로스오버에 이롭다. 상기된 크로스오버에서, 교차 도파관들로부터의 세그먼트들의 오버랩은 출력 도파관의 방향으로 광 전력을 가이드하는 인덱스 패턴을 발생시킨다. 분할된 섹션들은 교차 영역(22)내의 광빔을 확장시킨다. 게다가, 빔은 분할된 영역에서 광 모드를 매칭하기 위해 단열적인(바람직하게는 기하급수적인) 테이퍼들에 의해 아주 조금 확대된다. 세그먼트들의 횡방향 오프셋은 도파관 교차 영역(22)에서 연결하는 모드를 향상시킨다.

본 발명은 다음의 특정예들을 고려하면 보다 명료하게 이해할 수 있다.

도 3은 BPV 상업용 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 이결과들로 델타=0.8%(원), 4%(정사각형) 인덱스 콘트라스트 도파관이 얻어진다. 동일한 도면상에서, 통상적인 교차로부터의 데이터가 점선으로 도시된다. 0.8%의 도파관에 대해서, 테이퍼의 시작폭은 4.5㎛이며 높이는 6.4㎛이다. 최종 폭은 교각에 따라, 4 내지 5㎛ 범위일 수 있다. 교차 영역의(테이퍼들이 포함되는) 총 길이는 120㎛이다. 도파관들의 오프셋들은 각 각도에 대해 변경된다. 이 도면에 설명된 바와 같이, 통상적인 교차와 비교하면 작은 교각의 손실이 상당히 감소한다. 세그먼트들을 사용하지 않고, 표준 델타 도파관(0.8%)의 손실은 30°에서 약 0.08dB이다. 5°의 더 작은 교각에 대하여, 이 값은 1dB까지 증가할 수 있으며, 이 1dB는 허용 가능한 손실에 비하면 아주 높다. 본 출원의 새로운 기술을 사용하면, 이 값은 각도 5°에 대하여 0.1dB까지 감소되며, 그 결과 광범위의 각도에 대해서 거의 일정하다.

4% 델타 도파관에 대하여, 치수는 2.7x2.7㎛²이다. 테이퍼의 최종 길이는 70-120㎛ 사이에 있다. 또, 도파관의 오프셋 및 최종 폭은 교각에 따라 변경된다. 교차시 분할을 사용하는 것은 20°에 대해서 0.45 내지 0.13dB 및 5°에 대해서 ~16dB 내지 0.4dB의 손실을 감소시킬 수 있다. 이 ~16dB값은 주로 교차 도파관의 누설로 인한 것이다. 그 결과로 낮은 각 교차가 보장되며, 이는 한 칩상에 광소자의 수를 증가시킬 것이다.

상기된 실시예들은 본 발명의 적용을 나타낼 수 있는 다수의 가능한 특정 실시예들 중 몇몇 만을 도시한 것임을 알 수 있을 것이다. 다수의 그리고 변형된 다른 장치들이 당업자들에 의해 본 발명의 정신 및 범위에 벗어남 없이 행해질 수 있다.

본 발명에 따라, 크로스오버에 의해 발생된 손실 및 누설은 교차 영역에 걸쳐서 도파관들을 분할함으로써 감소된다. 유리하게, 세그먼트들은 또한 폭이(크로스오버에서 멀리 떨어져 있는 도파관의 전송 영역들과 비교해서) 확대되며, 도파관의 길이 방향 축에 대하여 오프셋된다. 세그먼트들이 교차하는 영역들에서, 이들은 세그먼트 교차점의 주변에 대응하는 형상을 갖는 복합 세그먼트(complex segment)로 통합된다.

Claims (10)

1. 복수의 광 도파관들을 포함하는 광소자에 있어서,

   각 도파관은 빛을 가이드하는 길이 방향으로 연장하는 코어 영역을 포함하며,

   상기 소자는 적어도 하나의 교차 영역을 더 포함하며, 여기서 적어도 제 1 및 제 2 도파관들이 교차하며,

   상기 교차 영역들에서 상기 제 1 및 제 2 도파관들은 각각의 분할된 코어 영역들을 포함하며, 상기 코어 영역들은 적어도 하나의 공통 교차 세그먼트로 통합되는, 광소자.
2. 제 1 항에 있어서, 통합되지 않은(in the absence of merger) 각 분할된 코어 영역은 4-8㎛ 범위의 길이 방향의 크기를 갖는, 광소자.
3. 제 1 항에 있어서, 통합되지 않은 상기 분할된 코어 영역들은 1.2 내지 1.4㎛ 범위의 길이 방향의 크기를 갖는 갭만큼 이격되는, 광소자.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도파관들 각각은 상기 교차 영역으로부터 분리된 한 쌍의 연속적인 섹션들을 포함하는, 광소자.
5. 제 4 항에 있어서, 각 연속적인 섹션은 교차 영역을 향해 폭이 연속적으로 테이퍼진 부분을 포함하는, 광소자.
6. 제 4 항에 있어서, 연속적인 테이퍼링(continuous tapering)은 단열적인 테이퍼링(adiabatic tapering)인, 광소자.
7. 제 4 항에 있어서, 각 도파관에 대하여 상기 분할된 섹션은 연속적인 섹션들에서 횡방향으로 오프셋되는, 광소자.
8. 제 1 항에 있어서, 통합되지 않은 상기 분할된 섹션은 상기 교차 영역에 걸쳐서 3 내지 5개의 세그먼트들을 포함하는, 광소자.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도파관들 사이의 교각은 3 내지 35°범위인, 광소자.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도파관들 각각은 2 내지 6 범위의 인덱스 콘트라스트(index contrast)를 갖는, 광소자.