KR20130018804A - 다중모드 광결합기 인터페이스 - Google Patents

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KR20130018804A
KR20130018804A KR1020127028155A KR20127028155A KR20130018804A KR 20130018804 A KR20130018804 A KR 20130018804A KR 1020127028155 A KR1020127028155 A KR 1020127028155A KR 20127028155 A KR20127028155 A KR 20127028155A KR 20130018804 A KR20130018804 A KR 20130018804A
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Abstract

대구경 코어 광섬유들과 칩-스케일 광전자 디바이스들 사이에 채용될 수 있는 광학적 인터페이스들이 개시된다. 본 명세서에는 단일모드(SM) 섬유가 도파관 입력으로 사용될 때 오정렬의 허용범위를 향상시키는 결합기들이 설명된다. 이는 수동/자동 정렬을 가능하게 하고 따라서 생산비를 줄인다. 결합기는 또한 스폿-사이즈를 줄이고 작은 단면적을 갖는 도파관 모드가 특히 중요한 애플리케이션들에 적합한 스폿-사이즈 변환기의 역할을 한다. 하나의 그러한 예는 도파관 모드의 수직 사이즈가 몇 미크론만큼 작은 도파관-기반 SiGe 또는 III-V 반도체 광검출기일 수 있다.

Description

다중모드 광결합기 인터페이스{MULTIMODE OPTICAL COUPLER INTERFACES}
본 발명의 실시예들은 광결합기들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은, 예를 들어, 광섬유들과 광 집적회로(photonic integrated circuit)들을 접속하기(interfacing) 위한 다중모드 광결합기 인터페이스(multimode optical coupler interface)들에 관한 것이다.
고효율로 섬유로부터 도파관으로 빛을 결합하는 것은 집적 광자공학(integrated photonics)의 발전에 있어서 중요하다. 특히, 능동/수동 정렬 없이 단일모드(single mode; SM) 섬유와 도파관을 결합하는 것은 작은 스폿 사이즈와 관련되기 때문에 매우 도전해 볼만한 것이다.
본 발명의 실시예들은 예로서 도시된 것으로, 한정하기 위한 것이 아니며, 첨부 도면들의 숫자에 있어서 비슷한 참조 번호는 유사한 요소들을 지칭한다.
도 1은 출력 배열형 도파관(output arrayed waveguide)을 갖는 광결합기의 하나의 실시예를 도시한다.
도 2는 단일 출력 도파관을 갖는 광결합기의 하나의 실시예를 도시한다.
도 3은 단일모드 섬유(NA ~ 0.14)가 10㎛×10㎛의 SOI(silicon-on-insulator) 스트립형 도파관과 결합되는 예시적인 실시예에 대한 모드 프로필(mode profile)이다.
도 4는 본 명세서에 설명된 광결합기의 동작을 도시하는 분산도(dispersion diagram)이다.
도 5는 본 명세서에 설명된 바와 같은 광결합기의 하나의 실시예의 시뮬레이션 결과를 제공한다.
도 6은 본 명세서에 설명된 바와 같은 광결합기를 활용하는 광학 시스템의 하나의 실시예의 블록도이다.
다음 설명에는, 많은 구체적인 상세가 명시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이러한 구체적인 상세 없이도 실행될 수 있다. 경우에 따라, 이러한 설명에 대한 이해를 모호하게 하지 않기 위해 공지된 회로들, 구조들 및 기술들을 상세하게 제시하지 않았다.
본 명세서에는 대구경 코어 광섬유(large-core optical fiber)들과 칩-스케일 광전자 디바이스들 사이에 채용될 수 있는 광학적 인터페이스들이 설명된다. 광자들은 완전히 코히런트한 방식(fully coherent way)으로 일측(one side)에서 또 다른 측으로 효율적으로 결합될 수 있다. 본 명세서에는 단일모드(SM) 섬유가 도파관 입력으로 사용될 때 오정렬의 허용범위(tolerance of misalignment)를 향상시키는 결합기들이 설명된다. 이는 수동/자동 정렬을 가능하게 하고 따라서 생산비를 줄인다. 결합기는 또한 스폿-사이즈를 줄이고 작은 단면적을 갖는 도파관 모드가 특히 중요한 애플리케이션들에 적합한 스폿-사이즈 변환기(spot-size converter)의 역할을 한다. 하나의 그러한 예는 도파관 모드의 수직 사이즈가 몇 미크론만큼 작은 도파관-기반 SiGe 또는 III-V 반도체 광검출기일 수 있다.
광결합기들은 SM 광원과 칩-스케일 광 디바이스들(photonic devices)을 접속하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 구성요소는 1) 상대적으로 큰 다중모드(multimode; MM) 도파관, 2) 상대적으로 작은 SM 도파관 배열/MM 슬랩형 도파관, 및 3) 인버티드-테이퍼 구조(inverted-taper structure)를 포함한다. 후속하는 설명에서는, 관심있는 파장에서의 물질 흡수 손실(material absorption loss)이 무시해도 될 정도라고 가정하는데, 이는 1.31㎛ 및 1.55㎛와 같은 전기 통신 파장들에서 실리콘(Si) 및 적은 게르마늄(Ge) 조성을 갖는 실리콘 게르마늄(SiGe)에 대해서는 사실이다.
도 1은 출력 배열형 도파관(output arrayed waveguide)을 갖는 광결합기(optical coupler)의 하나의 실시예를 도시한다. 도 1의 예는 입력 도파관의 위에 있는 출력 배열형 도파관을 보여주지만, 대안적인 실시예에서는 출력 도파관이 입력 도파관에 내장될 수도 있어 결합 강도를 더 향상시킬 수 있다.
광결합기는 기판(100) 상에 생성되거나 조립된다. 하나의 실시예에서, 기판(100)은 실리콘 이산화물(SiO2) 기판이다. 대안적인 실시예에서, 다른 기판, 예를 들어, 갈륨 비화물(GaAs)이 사용될 수 있다. 광결합기는 광섬유(도 1에는 도시되지 않음)로부터 광신호를 수신하기 위해 기판(100) 상에 입력 도파관(120)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 입력 도파관(120)은 실리콘(Si)으로 생성된다. 대안적인 실시예에서, 다른 물질들, 예를 들어, 알루미늄 갈륨 비화물(AlGaAs)이 사용될 수 있다.
광결합기는 입력 도파관(120)의 위에 생성되거나 설치되는 출력 배열형 도파관(140)을 더 포함한다. 특정 사이즈들, 관계들 및 다른 설계 고려 사항들이 아래에서 더 상세히 논의된다. 하나의 실시예에서, 출력 배열형 도파관(140)은 실리콘 게르마늄(SxGe1 -x)으로 생성된다. 대안적인 실시예에서, 다른 물질들, 예를 들어, 알루미늄 비화물(AlAs)이 사용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 광결합기의 입력 도파관(120)의 입력 포트는 외부 SM 섬유에 접속하기 위해 적절한(adequate) 단면적(예컨대, ~ 10㎛×10㎛)을 갖는 MM 도파관이 되도록 설계된다. 이는 SM 섬유로부터 광결합기로의 결합이 무시해도 될 정도의 손실을 갖도록 허용한다.
하나의 실시예에서, 출력 배열형 도파관(140)은 작은 단면적(예컨대, ~ 1㎛×1㎛)을 갖는 SM 도파관의 배열이고 MM 입력 도파관(120)의 위에 있다. 하나의 실시예에서, 출력 배열형 도파관(140)의 개개의 도파관의 폭은 증가하는 방식(increasing fashion)으로 단열적으로 테이퍼된다(tapered adiabatically). SM 도파관의 수는 변환될 MM 도파관에서의 모드의 수에 의해 결정된다. 도 1의 예에서, 출력 배열형 도파관(140)은 예로서 5개의 SM 도파관을 포함한다. MM 입력 도파관(120)에 주입된 광자들은 코히런트한 에바네센트 결합(coherent evanescent coupling) 때문에 SM 도파관 배열(140)에 의해 추출될 것이다. 효율은 주로 비-단열성(non-adiabaticity)으로 인한 인버티드-테이퍼 손실(inverted-taper loss)에 의해 제한된다.
도 2는 단일 출력 도파관을 갖는 광결합기의 하나의 실시예를 도시한다. 도 2의 예는 입력 도파관 위에 있는 출력 도파관을 보여주지만, 대안적인 실시예에서 출력 도파관은 입력 도파관에 내장될 수도 있어 결합 강도를 더 향상시킬 수 있다.
광결합기는 기판(200) 상에 생성되거나 조립된다. 하나의 실시예에서, 기판(200)은 SiO2 기판이다. 대안적인 실시예에서, 다른 기판들, 예를 들어, 갈륨 비화물(GaAs)이 사용될 수 있다. 광결합기는 광섬유(도 2에는 도시되지 않음)로부터 광신호를 수신하기 위해 기판(200) 상에 입력 도파관(220)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 입력 도파관(220)은 실리콘으로 생성된다. 대안적인 실시예에서, 다른 물질들, 예를 들어, 알루미늄 갈륨 비화물(AlGaAs)이 사용될 수 있다.
광결합기는 입력 도파관(220) 위에 생성되거나 설치되는 단일 출력 도파관(240)을 더 포함한다. 특정 사이즈, 관계들 및 기타 설계 고려 사항들이 아래에서 더 상세히 논의된다. 하나의 실시예에서, 단일 출력 도파관(240)은 실리콘 게르마늄(SxGe1-x)으로 생성된다. 대안적인 실시예에서, 다른 물질들, 예를 들어, 알루미늄 비화물(AlAs)이 사용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 광결합기의 입력 도파관(220)의 입력 포트는 외부 SM 섬유에 접속하기 위해 적절한 단면적(예컨대, ~ 10㎛×10㎛)을 갖는 MM 도파관이 되도록 설계된다. 이는 SM 섬유로부터 광결합기로의 결합이 무시해도 될 정도의 손실을 갖도록 허용한다.
하나의 실시예에서, 단일 출력 도파관(240)은 작은 두께(예컨대, ~ 1㎛)를 갖는 SM 도파관이고 MM 입력 도파관(220) 위에 있다. 하나의 실시예에서, 단일 출력 도파관(240)의 폭은 증가하는 방식으로 단열적으로 테이퍼된다. MM 입력 도파관(220)에 주입된 광자들은 코히런트한 에바네센트 결합 때문에 SM 출력 도파관(240)에 의해 추출될 것이다. 효율은 주로 비-단열성으로 인한 인버티드-테이퍼 손실에 의해 제한된다.
본 명세서에서 설명하는 광결합기의 중요한 장점은 오정렬의 허용범위(tolerance of misalignment)이다. NA ~ 0.14인 표준 SM 섬유가 10㎛×10㎛의 SOI(Silicon-on-Insulator) 스트립형 도파관에 결합되는 것으로 가정하면, 여기될 수 있는 모드의 최대 수는 약 3이다. 3가지 모드에 대한 프로필들이 도 3에 제공된다. 본 명세서에 설명된 광결합기들은 기본 모드(fundamental mode) 뿐만 아니라 고차(higher-order) 모드들을 작은 도파관 배열에 결합할 수 있으므로, 단지 기본 모드만 결합될 수 있는 종래의 설계들에 비해 더 큰 오정렬 허용범위를 제공한다.
섬유 중심과 도파관 중심 간의 오프셋(fiber center-to-waveguide center offset)의 허용범위는, 종래 설계에 대해서는 ~ 7.8㎛2인데 비해, 본 명세서에 설명된 광결합기에 대해서는 ~ 16㎛2로 계산된다. 이러한 향상(improvement)은 수동/자동 정렬을 가능하게 하고 따라서 광결합기의 생산 비용을 줄인다. 현실적으로 말해서, 위에 제공된 예에서는 기본 모드의 결합 효율이 적절한 스폿 사이즈에 의해 인위적으로 최대화되었기 때문에 향상이 더 클 수 있다.
도 4는 본 명세서에 설명된 광결합기의 동작을 도시하는 분산도이다. 도 4의 분산도는 광결합기들에 대한 파수벡터(wavevector)-주파수 관계를 도시한다. 결합기들은 도파관 모드들이 짝수 또는 홀수 패리티로 분류될(categorized) 수 있도록 수평 거울 대칭(horizontal mirror symmetry)을 보유한다. MM 도파관(SM 도파관 배열)에 대해, 그것의 가장 낮은 3가지 모드의 분산들이 더 큰 경사면(더 작은 경사면)을 갖는 실선들로 표시된다. 패리티들이 이에 상응하여 표시되었다(labeled).
MM 도파관은 동일한 패리티를 갖는 모드들 중에서 단지 SM 도파관 배열과 상호작용할 수 있는데, 이는 점선으로 표시된 바와 같이 (9가지 대신) 5가지 기준-모드 스플리팅(normal-mode splitting)들을 야기한다. 입력 파수벡터들/주파수들은 MM 도파관 분산들의 하단부(lower end)에 있다고 가정하고, 이는 SM 섬유 여기 조건(excitation condition)에 의해 결정된다. SM 도파관들의 폭을 증가하는 방식으로 단열적으로 테이퍼링함으로써, SM 도파관 배열의 분산들은 큰 파수벡터/낮은 주파수 측을 향해 "당겨질(pulled)" 수 있고, 결국 입력 파수벡터들/주파수들을 스위프(sweep)한다. 이는 MM 도파관에서의 광 전력을 SM 도파관 배열로 단열적으로 전달한다.
사용된 SM 도파관의 수는 분산들로부터 공제될(deducted) 수 있다는 것에 유의한다. (00), (10), (01), (11), (20), (02), (21), (12), (30)이 MM 도파관에서 가장 낮은 9가지 모드인 한 예로서, 이는 패리티 선택으로 인해 그들 모두를 캡처하기 위해 9개의 SM 도파관을 필요로 한다.
도 5는 본 명세서에 설명된 바와 같은 광결합기의 하나의 실시예의 시뮬레이션 결과를 제공한다. 도 5에 상응하는 시뮬레이션은 큰 Si 도파관(10㎛×8㎛; n = 3.5)의 위에 설치된 0.5㎛의 상호-거리를 갖는 3개의 작은 SiGe 도파관(1㎛×1㎛; n = 3.6)에 기초한 것으로, SiO2(n = 1.447)로 둘러싸여 있다. 0.5㎛(또는 더 작은) 상호-거리에 대해, 3개의 SiGe 도파관들이 서로 결합되어 그들의 퇴화 모드(degenerate mode)들이 명확한 패리티(definite parity)들을 형성할 수 있다는 것에 유의한다.
입력 포트의 분산들은 도 3에 대한 것과 동일하고, 1.3㎛의 파장에서 실리콘 도파관의 가장 낮은 3가지 모드가 플로팅된다. 3개 SiGe 도파관의 폭을 증가시키는 것에 의한 단열적 전이(adiabatic transition) 후, 출력 포트의 분산들이 도 5에 도시된 바와 같이 변경된다. 모드 전력들은 이제 Si 도파관으로부터 상응하는 패리티들을 갖는 SiGe 도파관들로 전환된다. 편의를 위해, 본 명세서에서의 시뮬레이션은 단지 TM 편광을 고려하지만 TE 편광으로 확장될 수 있다. 인버티드-테이퍼의 길이는 최적의 설계로 1㎜ 보다 더 작을 것으로 예상된다.
(도 1에 도시된) SM 도파관 배열 대신 (도 2에 도시된 바와 같은) 단일 MM 슬랩형 도파관 또한 유사한 기능들을 수행할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 출력 포트의 치수들은 유사하지만 전체 테이퍼 길이는 도 2의 MM 슬랩형 도파관의 경우 더 길 수 있다.
도 6은 본 명세서에 설명된 바와 같은 광결합기를 활용하는 광학 시스템의 하나의 실시예의 블록도이다. 도 6의 예는 입력 도파관 위에 있는 출력 도파관을 보여주지만, 대안적인 실시예에서 출력 도파관은 입력 도파관에 내장될 수도 있어 결합 강도를 더 향상시킬 수 있다.
광학 시스템(600)은 광섬유와 광전자 디바이스 사이의 인터페이스로서 광결합기를 활용한다. 광섬유(610)는 본 발명이 속한 기술 분야에서 알려진 임의의 종류의 단일모드 광섬유일 수 있다. 광섬유(610)는 소스(도 6에는 도시되지 않음)로부터 광신호를 운반한다. 입력 광신호(620)가 입력 도파관(630)에 의해 수신되도록 광섬유(610)는 입력 도파관(630)과 광학적으로 정렬된다.
위에서 더 상세하게 설명된 바와 같이 입력 도파관(630)과 출력 도파관(640)이 함께 광결합기를 제공한다. 출력 광신호(650)가 광전자 디바이스(660)에 의해 수신되도록 출력 도파관(640)이 광전자 디바이스(660)와 광학적으로 정렬되는데, 광전자 디바이스(660)는 본 발명이 속한 기술 분야에서 알려진 임의의 종류의 광전자 디바이스일 수 있다. 본 명세서에 설명된 광결합기는 다른 상황들에서도 사용될 수 있다. 도 6은 광결합기의 사용에 대한 단지 하나의 예이다.
명세서에서 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"로 지칭한 것은 실시예와 관련하여 설명된 특정 기능, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 명세서의 다양한 위치에서 "하나의 실시예에서"라는 문구의 출현 모두가 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
본 발명은 여러 실시예의 견지에서 설명되었지만, 당업자라면 본 발명은 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구 범위의 사상 및 범주 내에서 수정 및 변경하여 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 설명은 한정 대신 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (24)

  1. 다중모드 광결합기(multi-mode optical coupler)로서,
    단일모드 광섬유로부터 광신호를 수신하는 입력 다중모드 도파관; 및
    상기 입력 다중모드 도파관과 광학적으로 결합된 하나 이상의 단일모드 출력 도파관 - 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 섬유 오정렬로 인한 여기된 다중모드들(excited multiple modes)을 수신함 -
    을 포함하는 다중모드 광결합기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 상기 입력 다중모드 도파관 내에 내장되거나 또는 그 위에 있는 다중모드 광결합기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 단열적으로 테이퍼된(adiabatically tapered) 폭들을 갖는 단일모드 도파관들을 포함하는 다중모드 광결합기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다중모드 입력 도파관은 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관보다 적어도 10배는 더 두꺼운 다중모드 광결합기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다중모드 입력 도파관은 실리콘(Si) 광도파관을 포함하는 다중모드 광결합기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다중모드 입력 도파관은 알루미늄 갈륨 비화물(AlGaAs) 도파관을 포함하는 다중모드 광결합기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 알루미늄 비화물(AlAs) 광도파관들을 포함하는 다중모드 광결합기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 실리콘 게르마늄(SiGe) 광도파관들을 포함하는 다중모드 광결합기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 SiGe 단일모드 출력 도파관은 SixGe1 -x의 조성을 갖는 다중모드 광결합기.
  10. 광학 시스템으로서,
    광신호를 전송하는 단일모드 광섬유;
    상기 단일모드 광섬유로부터 상기 광신호를 수신하는 입력 다중모드 도파관; 및
    상기 입력 다중모드 도파관과 광학적으로 결합되고 단열적으로 테이퍼된 폭들을 갖는 하나 이상의 단일모드 출력 도파관 - 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 섬유 오정렬로 인한 여기된 다중모드들을 수신함 -
    을 포함하는 광학 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 상기 입력 다중모드 도파관 내에 내장되거나 또는 그 위에 있는 광학 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 다중모드 입력 도파관은 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관보다 적어도 10배는 더 두꺼운 광학 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 출력 도파관과 광학적으로 결합된 하나 이상의 광전자 디바이스를 더 포함하는 광학 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 다중모드 입력 도파관은 실리콘(Si) 광도파관을 포함하는 광학 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 상기 다중모드 입력 도파관은 알루미늄 갈륨 비화물(AlGaAs) 도파관을 포함하는 광학 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 알루미늄 비화물(AlAs) 광도파관들을 포함하는 광학 시스템.
  17. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 단일모드 출력 도파관은 실리콘 게르마늄(SiGe) 광도파관들을 포함하는 광학 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 SiGe 단일모드 출력 도파관은 SixGe1 -x의 조성을 갖는 광학 시스템.
  19. 다중모드 광결합기를 제조하기 위한 방법으로서,
    실리콘 이산화물(SiO2) 기판 상에 다중모드 실리콘(Si) 스트립형 도파관을 생성하는 단계; 및
    상기 Si 스트립형 도파관의 상기 SiO2 기판 맞은편 표면(face)에 복수의 실리콘 게르마늄(SiGe) 출력 도파관을 생성하는 단계 - 상기 출력 도파관들은 단열적으로 테이퍼된 폭들을 가짐 -
    를 포함하는 다중모드 광결합기의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 다중모드 입력 도파관은 상기 출력 도파관들보다 적어도 10배는 더 두꺼운 다중모드 광결합기의 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 SiGe 출력 도파관들은 SixGe1 -x의 조성을 갖는 다중모드 광결합기의 제조 방법.
  22. 다중모드 광결합기를 제조하기 위한 방법으로서,
    실리콘 이산화물(SiO2) 기판 상에 다중모드 실리콘(Si) 스트립형 도파관을 생성하는 단계; 및
    상기 Si 스트립형 도파관의 상기 SiO2 기판 맞은편 표면에 단일 실리콘 게르마늄(SiGe) 출력 도파관을 생성하는 단계 - 상기 출력 도파관은 단열적으로 테이퍼된 폭을 가짐 -
    를 포함하는 다중모드 광결합기의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 다중모드 입력 도파관은 상기 출력 도파관보다 적어도 10배는 더 두꺼운 다중모드 광결합기의 제조 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 SiGe 출력 도파관은 SixGe1 -x의 조성을 갖는 다중모드 광결합기의 제조 방법.
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