KR20150131383A - 실리콘 상층 액정 소자를 포함하고, 감소된 크로스 토크를 가지는 파장 선택 스위치 - Google Patents

실리콘 상층 액정 소자를 포함하고, 감소된 크로스 토크를 가지는 파장 선택 스위치 Download PDF

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KR20150131383A
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Abstract

산란에 의한 크로스 토크를 감소시키는 광학 소자는, 광학 빔을 수용하는 적어도 하나의 광학 입력부 및 적어도 하나의 광학 출력부를 포함한다. 상기 입력부와 상기 출력부들은 공통 축을 따라서 연장된다. 분산 요소는 상기 입력부로부터 상기 광학 빔을 수용하고, 상기 광학 빔을 복수의 파장 요소들로 공간적으로 분리한다. 촛점 요소는 상기 복수의 파장 요소들을 집중시킨다. 프로그램 가능한 광학 위상 변조기는 집중된 복수의 파장 요소들을 수용한다. 상기 변조기는, 상기 파장 요소들을 상기 광학 출력부들 중에 선택된 하나로 조종하도록 구성된다. 상기 프로그램 가능한 광학 위상 변조기는, 광학 빔이 조종되는 축이 상기 입력부 및 상기 출력부들이 연장되는 공통 축과는 동일하지 않도록 상기 광학 포트 어레이에 대하여 방위된다.

Description

실리콘 상층 액정 소자를 포함하고, 감소된 크로스 토크를 가지는 파장 선택 스위치{Wavelength Selective Switch Employing a LCoS Device and Having Reduced Crosstalk}
본 발명은 파장 선택 스위치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 실리콘 상층 액정을 포함하고, 감소된 크로스 토크를 가지는 파장 선택 스위치에 관한 것이다.
[0001] 광학 네트워크들은 소스로부터 목적지까지 광학 파장 신호들을 동적으로 경로 지정하기 위하여 파장 선택 스위치들(WSS)을 사용한다. WSS 소자들은 경로 지정을 수행하기 위하여, 실리콘 상층 액정(Liquid crystal on silicon, LCoS) 소자들 또는 마이크로-전자기계(micro-electromechanical, MEMS) 거울(mirror) 어레이들과 같은 파장 조정 요소들에 종종 의존한다.
[0002] LCoS 소자들은 투명 전극을 가지는 투명 유리층 사이에 삽입된 액정 물질 및 개별적인 어드레스 가능한 픽셀들의 이차원 어레이로 구분된 실리콘 기판을 포함한다. 각각의 픽셀은 국부적 위상 변화를 광학 신호에 제공하기 위하여 전압 신호에 의하여 개별적으로 구동될 수 있고, 이에 따라 위상 조정 영역들의 이차원 어레이를 제공한다. 광학 신호가 회절 격자와 같은 회절 요소에 의하여 공간적으로 분리되면, 개별적인 스펙트럼 요소들의 조정이 가능하다. 상기 스펙트럼 요소들이 공간적으로 분리되어 LCoS 소자의 소정의 영역들로 향하게 되고, 소정의 방식으로 상관된 픽셀들을 구동함에 의하여 개별적으로 조정될 수 있다.
[0003] LCoS 소자들을 구비하는 파장 선택 스위치들이 매력적인 성능 특성들을 가진다고 하여도, 원하지 않는 광학 크로스 토크가 일어나고, 이는 특정한 파장에서 입력 포트로부터 출력 포트로 원하지 않는 전력 커플링을 지칭한다.
본 발명의 기술적 과제는 실리콘 상층 액정을 포함하고, 감소된 크로스 토크를 가지는 파장 선택 스위치를 제공하는 것이다.
[0004] 본 발명의 일 측면에 있어서, 산란에 의한 크로스 토크를 감소시키는 광학 소자가 제공된다. 상기 광학 소자는, 광학 빔을 수용하는 적어도 하나의 광학 입력부 및 적어도 하나의 광학 출력부를 포함한다. 상기 입력부와 상기 출력부들은 공통 축을 따라서 연장된다. 분산 요소는 상기 광학 입력부로부터 상기 광학 빔을 수용하고, 상기 광학 빔을 복수의 파장 요소들로 공간적으로 분리한다. 상기 촛점 요소는 상기 복수의 파장 요소들을 집중시킨다. 프로그램 가능한 광학 위상 변조기는 집중된 복수의 파장 요소들을 수용한다. 상기 변조기는 상기 파장 요소들을 상기 광학 출력부들 중에 선택된 하나로 조종하도록 구성된다. 상기 프로그램 가능한 광학 위상 변조기는, 광학 빔이 조종되는 축이 상기 입력부 및 상기 출력부들이 연장되는 공통 축과는 동일하지 않도록 상기 광학 포트 어레이에 대하여 방위된다.
[0005] 도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예들과 관련되어 사용될 수 있는 자유 공간 파장 선택 스위치 (WSS)와 같은 단순화된 광학 소자의 일예의 정면도와 측면도이다.
[0006] 도 2는 x-y 평면으로 연장된 도 1의 LCoS 소자의 정면도이다.
[0007] 도 3은 y-축으로 LCoS 소자의 영역을 가로질러 형성될 수 있는 주기성의 계단형 위상 변이 프로화일의 예를 도시한다.
[0008] 도 4 및 도 5는 포트 어레이의 도 1b의 선 A-A를 따라서 절단한 정면도들이다.
[0009] 도 6은 크로스 토크를 감소시키는 자유 공간 파장 선택 스위치(WSS)와 같은 단순화된 광학 소자의 일예의 측면도이다.
[0010] 도 7은 도 6에 도시된 광학 소자의 다른 실시예를 도시한다.
[0011] 도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예들과 관련되어 사용될 수 있는 자유 공간 WSS(100)와 같은 단순화된 광학 소자의 일예의 정면도와 측면도이다. 광은 입력 및 출력 포트들로 기능할 수 있는 광섬유들과 같은 광학 도파관들을 통하여 WSS(100)로 입력 및 출력된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 광섬유 콜리메이터 어레이(101)는 콜리메이터들(1021, 1022, 1023)에 각각 커플링된 복수의 개별적인 광섬유들(1201, 1202, 1203)을 포함할 수 있다. 광은 하나 또는 그 이상의 광섬유들(120)로부터 콜리메이터들(102)에 의하여 자유 공간 빔으로 변환된다. 포트 어레이(101)로부터 존재하는 광은 z-축에 평행하다. 도 1b에서는, 포트 어레이(101)가 세 개의 광섬유/콜리메이터로만 도시되어 있으나, 보다 일반적으로 어떠한 적절한 갯수의 광섬유/콜리메이터 쌍이 적용될 수 있다.
[0012] 한 쌍의 텔레스코프들(telescopes) 또는 광학 빔 확장 부재들은 포트 어레이(101)부터의 자유 공간 광 빔을 확대한다. 제1 텔레스코프 또는 빔 확장 부재는 광학 요소들(106, 107) 로 형성되고, 제2 텔레스코프 또는 빔 확장 부재는 광학 요소들(104, 105)로 형성된다.
[0013] 도 1a 및 도 1b에 있어서, 두 개의 축에 대하여 광에 영향을 주는 광학 요소들이 양 도면들에 이중 볼록 광학 부재로서 실선들로 도시되어 있다. 반면, 하나의 축에 대하여만 영향을 주는 광학 요소들은 영향을 받는 상기 축에서 평면 볼록 렌즈로서 실선들로 도시되어 있다. 또한, 하나의 축에 대하여만 영향을 주는 광학 요소들은 영향을 주지 않는 축에 대하여 점선들로 도시되어 있다. 예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 있어서, 광학 요소들(102, 108, 109, 110)은 양 도면에 실선들로 도시되어 있다. 반면, 광학 요소들(106, 107)은 도 1a에서는 실선들로 도시되어 있고(그 이유는 이들은 y-축을 따라서 초점 능력을 가진다), 도 1b에서는 점선들로 도시되어 있다(그 이유는 이들은 x-축에 대하여 빔에 영향을 주지 않는다). 광학 요소들(104, 105)은 도 1b에서는 실선들로 도시되어 있고(그 이유는 이들은 x-축을 따라서 초점 능력을 가진다), 도 1a에서는 점선들로 도시되어 있다(그 이유는 이들은 y-축에 대하여 빔에 영향을 주지 않는다).
[0014] 각각의 텔레스코프는 x 및 y 방향들에 대하여 다른 확대율들(magnification factors)을 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 광을 x-방향으로 확대하는 광학 요소들(104, 105)로 형성된 텔레스코프의 확대율은 광을 y-방향으로 확대하는 광학 요소들(106, 107)로 형성된 텔레스코프의 확대율에 비하여 작을 수 있다.
[0015] 한 쌍의 텔레스코프들은 포트 어레이(101)로부터의 광 빔들을 확대하고, 그들을 파장 분산 요소(108) (예를 들어, 회절 격자 또는 프리즘)에 광학적으로 커플링하여, 자유 공간 광 빔들을 그들을 구성하는 파장들 또는 채널들로 분리한다. 파장 분산 요소(108)는 광을 파장에 따라서 x-y 평면 상에서 다른 방향들로 분산하도록 기능한다. 상기 분산 요소로부터 광은 빔 촛점 광학부(109)로 향한다.
[0016] 빔 촛점 광학부(109)는 파장 요소들을 파장 분산 요소(108)로부터 프로그램 가능한 광학 위상 변조기(optical phase modulator)로 커플링하고, 상기 변조기는, 예를 들어 LCoS 소자(110)와 같은 액정 기반의 위상 변조기일 수 있다. 상기 파장 요소들은, 파장 분산 방향 또는 축으로서 지칭될 수 있는, x-축을 따라서 분산된다. 이에 따라, 주어진 파장의 각각의 파장 요소는 y-방향으로 연장된 픽셀들의 어레이로 집중된다. 일 예로서, 또한 이에 제한되는 것은 아니며, 중심 파장이 λ1, λ2 및 λ3인 세 개의 파장 요소들이 도 1에 도시되어 있고, 파장 분산 축(x-축)을 따라서 LCoS 소자(110) 상으로 집중된다.
[0017] 도 1b에 도시된 바와 같이, LCoS 소자(110)로부터 반사된 후에, 각각의 파장 요소는 빔 촛점 광학부(109), 파장 분산 요소(108) 및 광학 요소들(106, 107)을 반대로 통하여 포트 어레이(101)의 선택된 광섬유로 커플링될 수 있다.
[0018] 도 2는 x-y 평면으로 연장된 도 1의 LCoS 소자의 정면도이다.
[0019] 세 개의 파장 요소들 λ1, λ2 및 λ3 은 파장 분산 축(x-축)을 따라서 공간적으로 분리된다. 하기에 설명하는 바와 같이, y-축에서의 픽셀들(19)의 적절한 조정은 선택된 출력 광섬유들로의 각각의 파장 요소의 선택적이고 독립적인 조종을 허용한다
[0020] LCoS 소자와 같은 프로그램 가능한 광학 위상 변조기는, 프로그램으로 결정된 픽셀 어레이 내의 주어진 픽셀 위치에서 위상 변이를 형성한다. 이러한 변조기는 다중 방식으로 사용될 수 있고, 가상 렌즈들, 프리즘들, 또는 다른 아이템들 중의 기울어진 거울들을 형성한다. LCoS 소자의 한정된 두께 및 작동 때문에, 주어진 어떠한 위치에서 달성될 수 있는 전체 위상 변이는 한정된다.이러한 한정은 렌즈의 표면 전력을 피아노 표면으로 압축하여 프리즈넬(Fresnel) 렌즈를 형성하도록 사용된 것과 유사한 분할 기술의 어플리케이션에 의하여 LCoS 소자에서 피할 수 있다. 특히, 원하는 전체 위상 변이는 일반적으로 원하는 파장에서 모듈로(modulo) 2π 이다. 이어서, 결과적인 위상은 언제나 2π 미만이다. 불행히도, 이러한 분할 기술은 분할되지 않은 패턴을 형성하지 않는 방향으로 광의 산란을 구현한다. 이러한 산란된 광은 크로스 토크가 LCoS WSS에서 자연적으로 높은 주요 원인이다.
[0021] 도 3을 다시 참조하면, y-축으로 LCoS 소자(21)의 영역을 가로질러 형성될 수 있는 주기성의 계단형 위상 변이 프로화일(39)의 예를 도시한다. 주기성의 계단형 위상 변이 프로화일(39)은 누적 위상 프로화일(37)을 형성한다. 누적 조종 프로화일(37)은, 원하는 위상 변화를 제공하도록, 소정의 전압으로 각각의 픽셀(19)을 구동하여 형성할 수 있다. 전압과 위상 사이의 정비례 관계 및 위상과 조종 각도 사이의 정비례 관계에 따라, 룩-업(look-up) 표 등이 원하는 조종 각도에 대한 요구되는 전압 구동 신호와 관계되어 생성된다. 위상의 주기성은 요구되는 구동 전압을 감소시키도록 사용된다. 따라서, 주기성의 계단형 전압 신호는 주기성의 계단형 위상 변이 프로화일(39)을 형성할 수 있고, 이어서 누적 위상 프로화일(37)을 형성할 수 있고, 여기에서 위상 리셋들(41)은 2π의 배수로 발생된다. 인입되는 파장요소에 작용함에 따라, 위상 프로화일(37)은 θ에 비례하거나 또는 동일한 조종 각도를 형성한다. 이에 따라, 주기성의 계단형 위상 변이 프로화일의 적절한 조정에 의하여, 상기 파장 요소들이 상기 광섬유들 중 원하는 하나로 선택적으로 향하게 할 수 있다.
[0022] 도 4는 포트 어레이(101)의 도 1b의 선 A-A를 따라서 절단한 정면도이다. 도시된 바와 같이, 광섬유들(1201, 1202, 1203, ...)은 y-축을 따라서 1xN의 구성으로 연장된다. LCoS 소자(110)가 하나의 광섬유(입력 포트로부터 WSS(100)로 수행함)로부터의 광 빔을 다른 광섬유(출력 포트로부터 WSS(100)로 수행함)로 조정되면, 예를 들어 광섬유(1203)로부터 광섬유(1202)로 조정되면, 예를 들어, 상기 빔은, 양의 방향 또는 음의 방향으로, 단일 방향(y-축)을 따라서 조종되며, 도 4의 화살표들(122)로 표시된다. 다시 말하면, 조종 축은, 광섬유들(1201, 1202, 1203, ...)이 정렬되는 광학 포트 축과 일치한다. 즉, 조종 방향은, 빔이 조종되는, 광섬유 또는 포트의 함수가 아니다.
[0023] 상술한 바와 같이, 크로스 토크를 발생하는 산란 광은 상기 빔이 조종되는 방향으로 바람직하게 정렬된다. 즉, 도 4에 있어서, 화살표들(122)에 의하여 지칭된 축을 따라 광이 산란된다. 결과적으로, 상기 산란된 광은 포트들에 넓게 정렬되고, 이에 따라 원하지 않는 크로스 토크가 야기된다. 이러한 크로스 토크는 빔 조종 축(광이 산란되는 산란 축)의 회전에 의하여 감소될 수 있고, 이에 따라 광학 포트 축과 더 이상 동일하지 않는다. 이러한 배열이 도 5에 도시되어 있고, 광 빔이 포트들(1201, 1202, 1203, ...)로 조종되는 빔 조종 축은 각각 화살표들(1301, 1302, 1303, ...)로 나타나 있다. 결론적으로, 상기 빔이 어떠한 특정한 포트로 조정됨에 따라 산란된 광이 상기 포트에서 산란되지 않을 수 있다.
[0024] 빔 저장 축과 광학 포트 축 사이의 오정렬을 구현하는 방법이 도 6에 도시되어 있고, 도 1b에 도시된 WSS와 유사한 자유 공간 WSS의 일예의 측면도가 도시되어 있다. 도 1b 및 도 6에 있어서, 유사한 요소들은 유사한 참조 부호들에 의하여 표시된다. 도시된 바와 같이, LCoS 소자(110)가 연장되는 평면은 포트 어레이(101)로부터 광이 전달되는 축에 더 이상 직각이지 않는다. 즉, 도 6에 도시된 일 예에 있어서, LCoS(110)는 x-축에 대하여 기울어져, 더 이상 x-y 평면에 있지 않으며, 따라서 더 이상 광이 포트 어레이(101)로부터 전달되는 방향인 z-축에 대하여 수직하지 않는다. 다시 말하면, z-축과 파장 분산 축(즉, 도 6에서 x-축)에 수직인 변조기(modulator)의 평면의 방향 사이에 기울어진 각도(skewed angle)가 형성된다.
[0025] 즉, 기울어진 각도가 채용되므로, 빔 촛점 광학부(109)와 LCoS 소자(110) 사이의 거리는 LCoS 소자(110)의 다른 부분들을 따라서 다르다. LCoS 소자(110)의 어떠한 부분 상에 광 빔을 적절하게 집중하기 위하여, 광 촛점 보정 요소가 상기 시스템의 광학 경로 내에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 저각도 웨지(low angle wedge) 프리즘(111)과 같은 촛점 보정 요소는 빔 촛점 광학부(109)와 LCoS 소자(110) 사이에 위치할 수 있다.
[0026] 본 발명이 구조적 특징들 및/또는 방법적 특성에 대하여 특정한 언어로서 설명되었다고 하여도, 첨부된 청구항들에 한정된 본 발명이 설명된 특정한 특징들 및 특성들에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 오히려, 특정한 특징들 및 특성들은 청구되는 본 발명의 구현을 위한 예시로서 개시된다.

Claims (16)

  1. 광학 빔을 수용하는 적어도 하나의 광학 입력부 및 적어도 하나의 광학 출력부를 포함하고, 상기 입력부와 상기 출력부들은 공통 축을 따라서 연장되는, 광학 포트 어레이;
    상기 적어도 하나의 광학 입력부로부터 상기 광학 빔을 수용하고, 상기 광학 빔을 복수의 파장 요소들로 공간적으로 분리하는 분산 요소;
    상기 복수의 파장 요소들을 집중시키는 촛점 요소; 및
    상기 집중된 복수의 파장 요소들을 수용하고, 상기 파장 요소들을 상기 광학 출력부들 중에 선택된 하나로 조종하도록 구성되고, 광학 빔이 조종되는 축이 상기 입력부 및 상기 출력부들이 연장되는 공통 축과는 동일하지 않도록 상기 광학 포트 어레이에 대하여 방위된, 프로그램 가능한 광학 위상 변조기;
    를 포함하는, 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 광학 위상 변조기가 연장된 평면은, 상기 공통 축이 연장되는 평면에 대하여 0이 아닌 각도로 형성된, 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 광학 위상 변조기는 주기성의 계단형 위상 변이 프로화일을 가지는, 광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 광학 위상 변조기는 액정-기반 위상 변조기를 포함하는, 광학 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 액정-기반 위상 변조기는 LCoS 소자인, 광학 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산 요소는 회절 격자 및 프리즘으로 구성된 군으로부터 선택된, 광학 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 포트 어레이로부터 수용된 광학 빔을 확대하고, 상기 확대된 광학 빔을 상기 분산 요소로 향하게 하는 광학 시스템을 더 포함하는, 광학 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 제1 방향으로 제1 확대율을 가지고, 상기 제1 방향에 직각인 제2 방향으로 제2 확대율을 가지고,
    상기 제1 확대율은 상기 제2 확대율과 다른, 광학 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 광학 빔이 공간적으로 분리되는 파장 분산 축에 평행하고,
    상기 제1 확대율은 상기 제2 확대율보다 작은, 광학 소자.
  10. 광학 빔의 파장 요소들을 포트 어레이의 입력 포트로부터 상기 포트 어레이의 출력 포트로 향하게 하는 방법으로서, 상기 방법은,
    상기 입력 포트에서 광학 빔을 수용하는 단계;
    상기 광학 빔을 복수의 파장 요소들로 공간적으로 분리하는 단계;
    상기 공간적으로 분리된 파장 요소들을 프로그램 가능한 광학 위상 변조기 상에 집중시키는 단계로서, 상기 파장 요소들은 상기 변조기의 파장 분산 축을 따라서 공간적으로 분리되고, 상기 변조기는 상기 파장 요소들을 수용하여 상기 포트 어레이에 의하여 상기 파장 요소들이 콜리메이트(collimate)된 후에 전파되는 제1 방향과 상기 파장 분산 축에 수직인 상기 변조기의 평면에서의 제2 방향 사이에서 기울어진 각도가 형성되는, 상기 집중시키는 단계; 및
    상기 파장 요소들의 개별적인 하나들을 출력 포트로 선택적으로 향하게 하도록 상기 제2 방향을 따라서 상기 변조기의 위상 변이 프로화일을 조정하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 변이 프로화일은 주기성의 계단형 위상 변이 프로화일인, 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 광학 위상 변조기는 액정-기반 위상 변조기를 포함하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 액정-기반 위상 변조기는 LCoS 소자인, 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학 빔의 파장 요소들을 공간적으로 분리하는 단계를 수행하기 전에,
    상기 광학 빔을 확대하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광학 빔을 제1 방향 및 상기 제1 방향에 직각인 제2 방향으로 확대하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 광학 빔이 공간적으로 분리되는 파장 분산 축에 평행하고,
    상기 제1 방향으로의 확대는 상기 제2 방향으로의 확대보다 작은, 방법.
KR1020157030080A 2013-03-20 2014-03-20 실리콘 상층 액정 소자를 포함하고, 감소된 크로스 토크를 가지는 파장 선택 스위치 KR20150131383A (ko)

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