KR100198464B1 - Nxn waveguide grating router using multimode interface - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광도파로 격자 라우터(WGR:Waveguide Grating Router)는 차세대의 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 전광네트웍(All-Optical Network)을 실현하는데 있어서 핵심부품인 다중모드 간섭형 NxN 광도파로 격자 라우터에 관한 것으로서, 종래의 WGR은 방사형 성형결합기(Radiative Star Coupler)와 광도파로열을 집적하여 구현하고 있으며, 성형결합기의 방사에 의하여 약 3-4dB의 잉여 삽입 손실(chip 내부)이 필연적으로 발생했던 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 방사형 성형결합기를 다중모드 간섭형(MMI:Multimode Interference) 성형결합기로 대체함으로서 MMI 성형결합기의 저손실성을 WGR의 설계에 반영하여 고성능의 새로운 구조의 NxN WGR을 제안하였다. 파장 채널 간격이 주어지고 입력도파로 i로 빛이 입사할 때 출력도파로에 적절한 채널 파장이 할당되도록 광도파로열에 사용될 도파로의 경로차를 찾아낸다. 그러면 입력도파로 i 이외의 입력단으로 입사되는 광파는 출력단에서 N개의 같은 채널파장들이 다른 출력단으로 할당됨을 전산모사를 통하여 확인한 것이다. 즉, NxN MMI WGR에서 찾아낸 광도파로열의 도파로 경로차를 적용한 8x8 WGR은 BPM(Beam Propagation Method)를 이용한 전산 모사 결과 현재 파장 분할 방식의 표준화 움직임이 있는 1.6㎚(200GHz) 파장 채널 간격에서 0.4 dB이하의 잉여손실과 -25dB이하의 누화를 갖을 수 있는 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-mode interference NxN optical waveguide grating router, which is a core component in realizing a WDM (Wavelength Division Multiplexing) all-optical network of the next generation, as a waveguide grating router (WGR) , The conventional WGR is implemented by integrating the radial star coupler and the optical waveguide row and solving the problem that the insertion loss (chip inside) of about 3-4dB is inevitably generated by the radiation of the molding coupler In the present invention, the NXN WGR with high performance is proposed by replacing the radial shaping coupler with the multimode interference (MMI) shaping coupler by incorporating the low loss performance of the MMI shaping coupler into the design of the WGR. A wavelength channel spacing is given and a path difference of the waveguide to be used in the optical waveguide row is determined so that an appropriate channel wavelength is assigned to the output waveguide when light is incident on the input waveguide i. Then, it is verified through computer simulation that the lightwaves entering the input terminal other than the input waveguide i are allocated to the output terminals of the same N channel wavelengths at the output terminal. That is, the 8x8 WGR using the waveguide path difference of the optical waveguide row found in the NxN MMI WGR is 0.4 dB or less in 1.6 nm (200 GHz) wavelength channel spacing with the standardization movement of the current wavelength division method as a result of computational simulation using the BPM (Beam Propagation Method) And a crosstalk of -25 dB or less.

Description

다중모드 간섭형 NxN 광도파로 격자 라우터Multi-mode interference NxN optical waveguide grating router

본 발명은 광도파로 격자 라우터(WGR:Waveguide Grating Router)에 관한 것으로서, 특히 방사형 성형결합기를 다중모드 간섭형(MMI:Multimode Interface) 성형결합기로 대체하여 MMI 결합기의 저손실성을 WGR의 설계에 반영한 고성능인 다중모드 간섭형 NxN 광도파로 격자 라우터에 관한 것이다.The present invention relates to a waveguide grating router (WGR), and more particularly, to a waveguide grating router (WGR), in which a radial forming coupler is replaced by a multimode interference (MMI) Mode interference NxN optical waveguide grating router.

광도파로 격자 라우터의 전형적인 접적형 광학 소자의 형태는 방사형 성형 결합기와 광도파로열로 구성된 광도파로 격자 라우터이다. 이들의 설계 방법과 해석은 일반적으로 다음과 같다.Optical waveguide grating routers are typically optical waveguide grating routers composed of radial shaping couplers and optical waveguide arrays. Their design methods and interpretations are generally as follows.

제1도는 5x5 성형결합기의 구조를 나타내고 있다.Figure 1 shows the structure of a 5x5 shaped coupler.

성형결합기는 광도파로 격자 라우터의 입출력단에 사용하게 되며 그의 적정 설계는 전체 광도파로 격자 라우터의 성능을 좌우하기 때문에 매우 중요하다. 일반적으로 입력단과 출력단의 수가 NxN 구조의 도파로열로 균일하게 구성되어 있으며 자유 영역의 중심을 기준으로 대칭적으로 배열되어 있다. 동작적인 면에서 살펴볼 때 시작점의 곡선도파로가 옆의 도파로와 충분히 멀리 떨어져 있어서 상호 결합의 영향을 받지 않고 곡선도파로를 지나간다. 그리고 서서히 옆의 도파로와 간격을 좁혀 가며 자유영역전까지 직선 도파로가 위치해 있다.The shaping coupler is used for the input and output stages of the optical waveguide grating router and its proper design is very important because it determines the performance of the optical waveguide grating router. In general, the number of input and output stages is uniformly constituted by waveguide arrays of NxN structure and is arranged symmetrically with respect to the center of the free region. From a practical point of view, the curved waveguide of the starting point is far enough away from the side waveguide to pass the curved waveguide without being affected by the mutual coupling. Then, a straight waveguide is positioned before the free area, gradually narrowing the gap with the waveguide on the side.

제1도에 나타나 있듯이, 직선도파로들은 상대방 원의 중심을 향해 있다. 입력단의 도파로에 여기 되어진 광파가 slab도파로 형태인 자유 공간에 도달되어진 순간의 광파는 회절 되어서 출력단의 도파로에 균일한 광전력을 전달해 준다. 자유 영역에 해당된 영역은 두개의 원이 교집합을 형성하듯이 이루어져 있으며 이 두원의 중심은 상대 원의 호위에 위치해 있다.As shown in Fig. 1, the straight waveguides are directed toward the center of the counterpart circle. The light wave excited at the input waveguide reaches the free space of the slab waveguide shape and diffracted to transmit the uniform optical power to the output waveguide. The area corresponding to the free area consists of two circles forming an intersection, the center of which is located in the escort of the opposing circle.

자유 영역 근처에서는 입력도파로들이 가까이 존재하므로 근접해 있는 도파로쪽으로 광전력의 일부를 넘겨주는 상호 결합이 발생하게 된다. 따라서 이러한 상호 결합은 방사되는 광파가 slab도파로영역에서 부터 회절이 시작되는 것이 아니라 그 보다 앞서 회절이 발생됨을 의미한다. 이러한 상호 결합의 발생은 광전력에는 크게 영향을 미치지 않으나 광도파로 격자 라우터의 설계시 위상 중심을 실제의 도파로와 slab 도파로 사이의 경계로부터 물러나게 하는 효과를 발생시킨다. 따라서 어긋나 있는 초점 위치를 맞추어 주기 위해서 도파로열의 초점 중심의 이동을 통한 보상(longitudinal displacement distance)이 필요하다. 그리고 방사 패턴의 형태를 일정하게 유지하기 위한 고려로서 가장자리 도파로옆에 사용하지 않는 도파로를 일부러 두어서 최외각 도파로에 여기되어진 광파의 형태가 중심에 위치한 광파와 같은 모양을 갖도록 유도하였다.Since the input waveguides are close to each other in the vicinity of the free region, a mutual coupling occurs in which a part of the optical power is passed to the adjacent waveguide. Therefore, this mutual coupling means that the emitted light wave is not diffracted from the slab waveguide region but diffracted before that. The generation of the mutual coupling does not greatly affect the optical power, but the optical waveguide lattice router generates the effect of removing the phase center from the boundary between the actual waveguide and the slab waveguide. Therefore, a longitudinal displacement distance is required to adjust the shifted focus position in the waveguide array. In order to maintain the shape of the radiation pattern constantly, a waveguide not used next to the edge waveguide is deliberately set so that the shape of the wave excited in the outermost waveguide is shaped like a center light wave.

상기 성형결합기를 이용하여 광도파로 격자 라우터를 설계함에 있어서, 이상적으로는 부모드가 매우 낮아지기를 원하며, 또 가능한 많은 입출력단을 사용하기를 원한다. 따라서 각 전체입출력단의 개수에 사용 가능한 채널 개수가 접근하였다고 가정해 보면, 출력단에 맞추어진 광파의 배열 패턴은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Ideally, in designing optical waveguide grating routers using the above molded coupler, it is desirable to have very low parent densities and to use as many input / output stages as possible. Therefore, assuming that the number of usable channels approaches the total number of input / output stages, the arrangement pattern of the light waves aligned to the output stage can be expressed as follows.

여기서, N은 사용한 도파로의 개수이고, △ψ는 두 번째 성형결합기에 정렬되어 있는 배열된 광파의 위상 차이를 나타낸다.Where N is the number of waveguides used, and [Delta] [psi] represents the phase difference of the aligned light waves aligned in the second shaping combiner.

입출력단으로 사용할 도파로 개수가 방사 패턴을 형성하는 도파로열 개수에 접근을 하면 전체적으로 정렬된 광파의 패턴이 전체 출력단면을 검색해야 할 각이 커져서 출력 도파로가 존재하는 각안에 부모드가 나타나게 된다. 이러한 현상은 결국 채널간의 누화를 발생시킨다. 따라서 전체 입출력단의 절반 수준을 입출력단으로 사용하는 것이 부모드의 영향을 받지 않는 것으로 보고되었다.If the number of waveguides to be used as the input / output stage approaches the number of waveguide columns forming the radiation pattern, the angle at which the entire output cross-section is to be searched becomes larger in the pattern of the lightwaves as a whole, so that the parent wave appears in the angle at which the output waveguide exists. This phenomenon eventually leads to crosstalk between channels. Therefore, it is reported that using half of the total I / O stages as input / output stages is not affected by the negative mode.

일반적인 반경의 설정은 좁은 슬릿을 통과한 광파가 충분히 퍼져 갈 수 있어야 한다. 그리고 반경이 커질수록 손실이 크게 나타나므로 손실적인 면과 균일성을 동시에 고려한 값을 선택해야 한다. 또 기울어진 도파로열에 회절되어진 광파가 잘 유도되어지도록 출력도파로의 각을 결정해야 한다. 만약 각이 크게 되면 출력도파로에 나타나는 광전력이 적어지며 각이 작게 되면 옆의 도파로와 결합이 크게 발생하여 적절한 성형결합기 설계에 어려움을 겪게 된다.The general radius setting should be such that the light waves passing through the narrow slit can be spread sufficiently. As the radius increases, the loss increases. Therefore, it is necessary to select a value that considers the lossy surface and the uniformity at the same time. In addition, the angle of the output waveguide must be determined so that the diffracted light wave in the tilted waveguide row is guided well. If the angle is large, the optical power appearing on the output waveguide is reduced. When the angle is small, the coupling with the waveguide on the side becomes large.

설계되어진 두개의 성형결합기들을 WDM소자로서 이용하기 위해서는 성형결합기들을 연결하는 도파로열을 설계하여야 한다. 역할 면에서 살펴보면 성형결합기는 단순히 입사되어진 광파를 동일한 양으로 분기시켜 주는 역할을 수행하고 분기되어진 광파는 옆의 도파로와 동일한 길이 차이들을 갖는 도파로열을 지나서 두 번째 성형결합기에 도달한다. 그리고 도달되어진 두 번째 성형결합기의 slab도파로 영역에서의 광파들의 위상은 일정한 차이를 갖게 된다.In order to use two designed couplers as a WDM device, the waveguide row connecting the couplers must be designed. In terms of role, the forming coupler simply divides the incoming light wave by the same amount, and the branched light wave reaches the second forming coupler through the waveguide row having the same length differences as the side waveguide. The phase of the light waves in the slab waveguide region of the second shaped coupler reached a certain difference.

제2도는 두 번째 성형결합기의 입력단에 배열된 광파의 위상 배열 관계를 나타내고 있다. 광도파로열을 통과하여 정렬된 위상 차이의 관계는 다음과 같다.FIG. 2 shows the phase relation of the light waves arranged at the input end of the second shaping coupler. The relationship of the phase differences aligned through the optical waveguide row is as follows.

여기서, △L은 도파로열 격자들의 길이의 차이, neff는 도파로열 격자의 유효굴절율을 나타내고 있다. △ψ를 정확하게 해석하기 위해서는 정규화된 양으로 바꾸어야 하며 다음에 정규화 위상 차이 △ψ'로 나타내었다.Here, ΔL is the difference in length of the waveguide thermal gratings, and n eff is the effective refractive index of the waveguide thermal grating. In order to correctly interpret Δφ, it is necessary to change it to a normalized amount and then expressed as a normalized phase difference Δψ '.

여기서, m은 neff△L/λ에 가장 가까운 양의 정수로서 도파로열 격자(Array Waveguide Grating)의 차수를 의미한다. 정규화된 위상 차이의 관점에서 해석을 해보면,Here, m is a positive integer closest to n eff ? L /?, Which means the order of the array waveguide grating. From the point of view of the normalized phase difference,

여기서 m0으로 표현되어진다.Where m0 is expressed.

한편, 성형결합기 입력단에서 인접한 광파들 사이의 위상 차이△ψ'(λ)와 제1도에 도시된 경사각 △θ와의 관계는 다음과 같다.On the other hand, the relationship between the phase difference Δψ '(λ) between adjacent light waves at the input end of the coupler and the inclination angle Δθ shown in FIG. 1 is as follows.

여기서, nc는 자유 영역의 굴절율, α는 입력단에서 도파로열들 사이의 간격이다. 상기 수학식(4)와 (5)의 관계를 이용하여 입력단에 초점거리 f의 렌즈를 두었다고 가정할 때 초점이 나타나는 위치 χ를 파장의 함수로 나타내면 다음과 같다.Where n c is the refractive index of the free region and? Is the spacing between the waveguide rows at the input end. Assuming that a lens with a focal length f is placed at the input end using the relationship between the equations (4) and (5), the position x at which the focus appears is expressed as a function of wavelength as follows.

상기 수학식(6)를 이용하여 파장의 변화에 따른 출력단의 위치의 변화는 최종적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.Using the equation (6), the change of the position of the output terminal according to the change of the wavelength can be finally expressed as follows.

해석에 사용된 광파는 평면파이므로 한 점에 초점을 모아 주기 위해서는 렌즈 역할을 하는 도구가 필요하다. 따라서 광도파로 격자 라우터에서는 입출력단에 직선도파로열이 렌즈 역할을 수행하여 위상적 배열에 따라 일정한 방향으로 간섭성이 있는 광파를 자유 영역 출력단면의 한 점에 모아준다. 파장의 변화에 따라 배열된 위상의 변화는 초점이 맞추어진 광파가 자유 공간을 검색하는 현상으로 관측되어지며 이러한 현상을 광학적으로 이용해 보면 파장을 여파할 수 있다는 것을 의미한다. 만약 중심 파장을 기준으로 단 파장일 경우에는 정규화된 위상 차이 △ψ'가 양의 값을 갖게 되어서 출력단면의 중심을 기준으로 위쪽으로 상이 발생되어지고 장파장일 경우는 정규화된 위상 차이 △ψ'가 음의 값을 갖게 되어 아래쪽에 상이 발생됨을 예상할 수 있다.Since the light waves used in the analysis are plane waves, a tool that acts as a lens is needed to focus on one point. Therefore, in the optical waveguide lattice router, the linear waveguide column serves as a lens at the input and output ends, and collects the coherent light waves in a certain direction according to the topological arrangement at a point of the free domain output section. The change of the phase arranged according to the change of the wavelength is observed as the phenomenon that the focused light wave searches for the free space, which means that the wavelength can be filtered by optically using this phenomenon. If the wavelength is a short wavelength with respect to the central wavelength, the normalized phase difference △ ψ 'has a positive value, so that an image is generated upward with respect to the center of the output section. In case of a long wavelength, a normalized phase difference Δψ' It can be expected that a negative value is generated and an image is generated in the lower side.

광도파로열의 설계에 사용되어지는 기본적인 관계는 다음과 같다. 먼저, 채널 간격(△λch)은 수학식(7)을 출력도파로 사이의 간격에 적용하여 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다.The basic relationship used in the design of optical waveguide columns is as follows. First, the following equation can be obtained by applying Equation (7) to the interval between the output waveguides by using the channel spacing [Delta] [chi] ch .

출력단의 어느 한 점에 초점이 맞추어진 채널 파장은 중심 파장을 기준으로 파장이 변화함에 따라 상이 맺히는 출력단의 위치가 바뀐다. 하나의 출력단에서 여파 되는 파장의 반복 주기를 FSR(Free Spectral Range)라고 하며 다음과 같이 나타낼 수 있다.The channel wavelength focused on one point of the output stage changes the position of the output stage where the phase changes as the wavelength changes with respect to the center wavelength. The repetition period of the wavelength to be filtered at one output end is referred to as FSR (Free Spectral Range) and can be expressed as follows.

여기서, c는 공기 중에서 광파의 속도이다.Where c is the velocity of the light wave in air.

상기 수학식(9)을 주파수 관계에서 파장 관계로 전환하면 다음과 같다.If the above equation (9) is converted into a wavelength relationship in the frequency relationship, the following equation is obtained.

상기 수학식(10)을 다시 정리하면 다음과 같이 단순한 관계로 나타낼 수 있다.The above equation (10) can be rearranged as a simple relation as follows.

상기 수학식(11)에서 Free Spectral Range가 단순히 회절 차수와 파장과의 관계를 통해 결정되어짐을 알 수 있다. 상술한 수학식(8)과 (11)를 통하여 알 수 있듯이 임의의 격자 차수의 선정, 초점 간격과 도파로열의 간격 등이 유기적인 관계를 형성하므로 실제적인 설계시 이들의 관계를 적절하게 결정하여야 한다. 그리고 채널 간격과 Free Spectral Range의 관계에서 임의의 회절차수는 영향을 주지 않으므로 고정된 Free Spectral Range에서 채널 간격만을 조정하고자 한다면 초점거리의 조절과 도파로열의 간격을 조절해야 한다. 마지막으로 초점거리는 자유 공간의 원의 반경과 배열된 광파들의 초점을 맞추기 위한 초점보상 거리 등의 다양한 파라미터들의 조절이 동반되므로 세심하게 설계하여야 한다.In the equation (11), it can be seen that the Free Spectral Range is simply determined through the relationship between the diffraction order and the wavelength. As can be seen from Equations (8) and (11) above, the selection of arbitrary lattice orders, the focus interval and the gap of the waveguide rows form an organic relationship, . Since the arbitrary number of diffraction orders does not affect the channel spacing and the free spectral range, it is necessary to adjust the focal distance and the interval of the waveguide columns in order to adjust only the channel spacing in the fixed free spectral range. Finally, the focal length must be carefully designed since it is accompanied by various parameters such as the radius of the circle of free space and the focus compensation distance for focusing the aligned light waves.

한편, 종래의 광도파로 격자 라우터는 제3도와 같은 성형결합기를 이용한 구조이며, 이와 관련된 제반 설계기술 및 제작은 현재 구미 및 일본에서는 상용화 단계에 들어서 있다. 하지만 이러한 구조는 고유의 3-4 dB정도의 잉여 삽입 손실을 갖고 있으며 이를 해결하기 위한 뚜렷한 대안은 제시되지 않고 있다.Meanwhile, the conventional optical waveguide grating router has a structure using a molding coupler as shown in FIG. 3, and related design techniques and fabrication are now being commercialized in Europe and Japan. However, this structure inherently has a surplus insertion loss of about 3-4 dB and there is no clear alternative to solve it.

제3도에 도시된 방사형 성형결합기로 구성된 종래의 광도파로 격자 라우터의 동작은 다음과 같다. 제1성형결합기(1)를 통과하여 분기된 광파는 일정한 경로차이를 갖는 광도파로열에 의해 특정한 위상 차이를 갖게 되고, 제2성형결합기(2)를 통하여 출력단의 한점에 광파의 초점이 맺힌다.The operation of a conventional optical waveguide grating router composed of the radial shaping coupler shown in FIG. 3 is as follows. The light wave that has branched through the first shaping combiner 1 has a specific phase difference due to the optical waveguide row having a constant path difference and focuses the light wave at one point of the output stage through the second shaping combiner 2.

또한, WDM 기술을 이용한 전광 네트웍을 실현하기 위해서는 WGR(Wavegu ide Grating Router), 동조가능한(tunable) DBR 반도체 레이저, 동조가능한 수신기, 주파수(파장) 변환기 등의 부품들이 필요하다. 그 중에서도 WGR은 optical path routi ng, add/drop filtering 등의 매우 중요한 역할을 수행한다. WGR의 기능을 설명하기 위하여 5x5 WGR의 기능을 설명하는 개념도를 제8도에 보였다. 입력단의 위치 및 입사 파장에 따라서 출력단의 위치가 바뀌게 되므로 파장 변환기 등을 이용하여 입력단의 위치에 따라서 파장을 변환시켜서 optical path를 routing 할 수 있음을 알 수 있다.In order to realize an all-optical network using WDM technology, components such as a WGR (waveguide grating router), a tunable DBR semiconductor laser, a tunable receiver, and a frequency (wavelength) converter are required. In particular, WGR plays a very important role in optical path routing, add / drop filtering, and so on. A conceptual diagram illustrating the function of the 5x5 WGR to illustrate the function of the WGR is shown in FIG. Since the position of the output terminal changes according to the position of the input end and the incident wavelength, it can be seen that the optical path can be routed by changing the wavelength according to the position of the input end using a wavelength converter.

상술한 바와 같이, WGR을 실현하기 위하여 보통 사용되는 방법으로는 제1도에 도시된 방사형 성형결합기 2개를 입출력단에 사용하고, 그 사이에 광도파로열 격자(AWG: Arrayed Waveguide Grating)을 적절히 연결한 형태이다. AWG에 있는 인접 도파로 사이의 길이차를 적절히 조절하면 제8도에 보인 기능을 수행할 수 있다. 이와 같은 소자에서는 도파구조의 방사에 의한(물질의 흡수 및 산란 손실을 제외한 것) 잉여 삽입 손실이 약 3-4 dB정도 발생한다. 한편 입출력단의 개수 보다 훨씬 많은 도파로들을 광도파로열에서 필요로 하게 되고 또한 성형 결합기의 초점거리, 입출력 도파로 사이의 결합 등을 매우 세심하게 고려하여 적정화 시켜야 되기 때문에 마스크 설계 과정이 비교적 복잡하다.As described above, two commonly used methods for realizing the WGR are the two radial forming couplers shown in FIG. 1 for the input and output stages, and an AWG (Arrayed Waveguide Grating) It is a connected form. By properly adjusting the length difference between adjacent waveguides in the AWG, the function shown in FIG. 8 can be performed. In such a device, a surplus insertion loss of about 3-4 dB occurs due to the radiation of the waveguide structure (excluding absorption of material and scattering loss). On the other hand, the mask design process is relatively complicated because it requires much more waveguides than the number of input / output stages in the optical waveguide array and the focal distance of the molding coupler and coupling between the input and output waveguides must be carefully considered.

본 발명의 MMI NxN 결합기는 잉여 삽입 손실이 매우 작고 구조가 매우 간단하며 소형으로 구현할 수 있도록 한 것이다.The MMI NxN coupler of the present invention has a very small excess insertion loss, a very simple structure and a small size.

이와 같은 NxN 광결합기에서 특정 입력단으로 광파가 입사할 때 각각의 출력단에서는 특정한 위상값을 갖게 된다. 예를 들어서 입력단 ⅰ에서 입사할 때 각 출력단 k에서의 위상을 Φik라 하자. 출력단의 각 도파로로 광파를 거꾸로 입사시키고 입사되는 광파의 위상이 각각 -Φik라 하면, Reciprocity Theorem에 따라 광파는 입력단 i에 맺혀서 나타나게 된다. 이와 같은 원리를 적절히 이용하면 두 개의 NxN MMI coupler와 AWG를 이용하여 제4도의 개념도에 보인 NxN WGR을 구현할 수 있다. 물론 각 도파로의 길이는 특정한 파장에서 특정한 출력도파로로 출력되도록 정해져야 한다.In this NxN optical coupler, when a light wave is incident on a specific input terminal, each output terminal has a specific phase value. For example, let Φ ik be the phase at each output k when entering at input i. If the phase of the incoming light wave is -Φ ik each time the light wave enters the waveguide of the output stage upside down, the light wave appears at the input i according to the Reciprocity Theorem. Using this principle properly, we can implement the NxN WGR shown in the conceptual diagram of Fig. 4 by using two NxN MMI couplers and AWGs. Of course, the length of each waveguide should be determined to be output to a specific output waveguide at a specific wavelength.

이와 같은 본 발명은 잉여 삽입 손실이 0.5 dB 이내이고 채널 격리가 매우 양호하며(채널간 누화가 작음), 간단한 마스크 설계를 이용하여 제작하고, 또한 제작시의 허용오차면에서도 매우 유리하도록 하는데 있다.The present invention aims to provide a method of manufacturing a semiconductor device using a simple mask design and a tolerance at the time of fabrication, with a surplus insertion loss of less than 0.5 dB, very good channel isolation (less cross-channel crosstalk)

제1도는 방사형 성형결합기로 구성된 종래의 NxN 광도파로 격자 라우터 개략도.1 is a schematic diagram of a conventional NxN optical waveguide grating router configured with a radial shaped coupler;

제2도는 본 발명에서 제안된 다중모드 결합기로 구성된 NxN 광도파로 격자 라우터 개략도.FIG. 2 is a schematic diagram of an NxN optical waveguide grating router configured with a multi-mode coupler proposed in the present invention; FIG.

제3도는 제2도에서의 광도파로 격자 라우터에 고려된 단위도파로의 횡단면 굴절률 분포도.FIG. 3 is a cross-sectional refractive index profile of a unit waveguide considered in the optical waveguide grating router in FIG. 2; FIG.

제4도는 본 발명의 일실시예에 따른 4x4 광도파로 격자 라우터의 주파수 응답 특성 곡선으로서,FIG. 4 is a frequency response characteristic curve of a 4 × 4 optical waveguide grating router according to an embodiment of the present invention,

(a)는 1번째 입력도파로를 여기시킨 경우.(a) shows a case where the first input waveguide is excited.

(b)는 3번째 입력도파로를 여기시킨 경우를 각각 나타낸다.(b) shows a case where the third input waveguide is excited.

제5도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 8x8 광도파로 격자 라우터의 주파수 응답 특성 곡선으로서,FIG. 5 is a frequency response characteristic curve of an 8 × 8 optical waveguide grating router according to another embodiment of the present invention,

(a)는 1번째 입력도파로를 여기시킨 경우.(a) shows a case where the first input waveguide is excited.

(b)는 5번째 입력도파로를 여기시킨 경우를 각각 나타낸다.(b) shows a case where the fifth input waveguide is excited.

제6도는 일반적인 5x5 성형 결합기의 개략도.6 is a schematic view of a typical 5x5 shaped coupler;

제7도는 광도파로 격자 라우터의 출력단에서 광파의 간섭성을 나타내는 개략도.7 is a schematic view showing the coherence of light waves at the output end of the optical waveguide grating router;

제8도는 광도파로 격자 라우터의 기능도.FIG. 8 is a functional diagram of the optical waveguide grating router. FIG.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중모드 간섭형 NxN 광도파로 격자 라우터는, 다수개의 채널파장이 입력되는 N개의 입력단을 구비하여 일반 간섭 효과를 이용하여 임의의 위치에 입사된 광전력을 N개의 분기된 상으로 출력하는 제1 NxN 다중모드 간섭결합기와; 상기 분기된 전파된 광파들을 각 도파로의 경로 차이에 따라 다른 위상을 갖도록 전달하는 N개의 격자 광도파로열과; 및 N개의 출력단을 구비하여 그 출력단의 특정한 위치에 초점을 맞추도록 상기 광도파로열 격자를 조정하여 각각의 위상차이를 갖는 광전력들이 파장에 따라 상기 출력단의 특정한 위치에서 재생되도록 하는 제2 NxN 다중모드 간섭결합기로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the multi-mode interference NxN optical waveguide grating router of the present invention includes N input terminals for inputting a plurality of channel wavelengths, A first NxN multimode interference combiner for outputting the first NxN multimode interference combiner output to the branched image; N pieces of grating optical waveguide columns for transmitting the branched propagated light waves so as to have different phases according to a path difference of each waveguide; And a second NxN multiplexing step of adjusting the optical waveguide thermal grating so as to focus on a specific position of the output end thereof with N output terminals so that optical powers having respective phase differences are reproduced at a specific position of the output terminal in accordance with a wavelength, Mode interference combiner.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제4도는 본 발명의 다중모드 결합기로 구성된 NxN 광도파로 격자 라우터의 구성도이다.FIG. 4 is a configuration diagram of an NxN optical waveguide grating router configured as a multi-mode coupler of the present invention.

제1 다중모드 간섭결합기(11)는 일반간섭 효과를 이용하여 임의의 위치에 입사된 광전력을 균일하게 분기시켜 주는 역할을 한다. 분기되어 N개의 광도파로열(13)로 전파된 광파들은 각 도파로의 경로 차이에 따라 다른 위상들을 가지며 제2 다중모드 간섭결합기(12)에 도달한다. 출력단의 특정한 위치에 초점을 맞추도록 광도파로열 격자를 조정함으로서 각각의 위상 차이를 갖는 광전력들이 파장에 따라 제2 다중모드 간섭결합기(12)의 특정한 출력 위치에 재생된다.The first multi-mode interference combiner 11 serves to uniformly branch the optical power incident on an arbitrary position by using a general interference effect. The optical waves propagated to the N optical waveguide columns 13 branched have different phases according to the path difference of each waveguide and arrive at the second multi-mode interference coupler 12. Optical powers having respective phase differences are regenerated at specific output positions of the second multi-mode interference coupler 12 according to wavelengths by adjusting the optical waveguide thermal grating so as to focus on a specific position of the output stage.

이와같이 제안된 저손실 NxN 광도파로 격자 라우터는 두개의 다중모드 간섭결합기와 이들 사이를 연결해주는 광도파로열로 구성되어 있다. 모양의 단순성에서 오는 우수한 재현성과 저손실 특성으로 최근에 관심을 받고 있는 다중모드 간섭 결합기는 다중모드 도파로내에서 존재할 수 있는 모드들의 위상관계를 해석함으로서 광파의 도파축에 입사광의 전계분포가 일정한 주기로 단일 또는 다중형태로 재생되는 다중모드 도파로의 특성을 이용한다.The proposed low - loss NxN optical waveguide grating router consists of two multi - mode interference combiners and optical waveguide arrays connecting them. The multi-mode interference coupler, which has recently been attracted attention due to its excellent reproducibility and low loss characteristics resulting from the simplicity of the shape, can analyze the phase relationship of the modes that can exist in the multi-mode waveguide, so that the electric field distribution of incident light on the wave- Or multi-mode waveguides that are reproduced in multiple form.

NxN 형태의 다중모드 간섭결합기는 다중모드의 일반간섭 효과를 이용하여 N개의 분기된 상을 얻을 수 있으며 이때 소자의 길이는 다음과 같이 얻을수 있다.The NxN type multi-mode interference combiner can obtain N branched images using the general interference effect of the multi-mode, and the length of the device can be obtained as follows.

여기서, Lx는 두개의 최저 모드간의 beat length이고, N은 상의 개수이다.Where L x is the beat length between the two lowest modes and N is the number of phases.

다중모드 간섭결합기를 광도파로 격자 라우터와 같은 광대역 WDM소자로 활용하기 위해서는 필요한 것은 저손실 특성과 파장에 무관한 특성이다. 따라서 이러한 특성으로 보편적인 리지(ridge) 형태의 다중모드 간섭결합기를 개선하기 위해서는 첫번째로 다중모드 영역에서 코어(core) 영역까지 깊게 식각을 하여야 한다. 이러한 과정은 다중모드 영역에서 광원의 구속력이 커져서 Goos-Haenchen shift 효과가 적어지므로 재생상(self-image)를 형성하기 위해 참여하는 모드들의 모양이 수학식(12)를 얻기 위해서 가정한 모양과 같아짐을 예상할 수 있다. 따라서 이러한 과정을 통하여 손실의 개선을 이룰 수 있다. 두 번째는 수동소자의 일반적인 파장 의존적인 성격이 소자의 길이에 비례하다는 것이다. 따라서 상호결합이 발생하지 않는 범위내에서 다중모드 간섭결합기의 입출력단을 최대한 근접시켜 소자의 길이를 최대한 줄이는 노력을 하였다. 표 1은 InP/INGaAsP 4x4와 8x8 다중모드 간섭결합기에 대하여 설계된 결과의 특성을 보이고 있다.In order to utilize a multimode interference coupler as a broadband WDM device such as an optical waveguide grating router, a low loss characteristic and a wavelength independent characteristic are required. Therefore, in order to improve the universal ridge-type multi-mode interference coupler, it is necessary to deeply etch the core region in the multi-mode region. This process is similar to the assumption that the mode of the participating modes to form the self-image is to obtain Equation (12) since the Goo-Haenchen shift effect becomes small due to the large binding force of the light source in the multi-mode region. The load can be expected. Thus, the loss can be improved through this process. The second is that the typical wavelength-dependent nature of passive devices is proportional to the length of the device. Therefore, the input and output terminals of the multi-mode interference coupler are brought as close as possible within the range where mutual coupling does not occur, thereby reducing the length of the device as much as possible. Table 1 shows the characteristics of the designed results for InP / INGaAsP 4x4 and 8x8 multimode interference combiners.

제안된 NxN 광도파로 격자 라우터에 사용될 광도파로열의 위상조건,The phase condition of the optical waveguide column to be used in the proposed NxN optical waveguide grating router,

에 대하여 언급하여 보면 다음과 같다. 상기 수학식(13)의 오른쪽 첫 번째항(△Φ1n i)은 다중모드 결합기의 i 번째 입력단이 여기될때 제1다중모드 간섭결합기(11)의 출력단 n에서 각 단의 위상 차이(출력단 1을 기준)를 나타내고, 두 번째항(△Φ1n j)은 제2다중모드 간섭결합기(12)의 j번째 출력단에 광파의 상이 발생하기 위한 제2다중모드 간섭결합기의 입력단에서 각단의 위상차이(입력단 1을 기준)를 나타낸다. △Φ1n i,j는 i 번째 입력으로 입사하여 n번째 광도파로열을 통과하여 j번째 출력으로 나오는 경로의 위상 차이(1번 도파로 기준)를 나타낸다.As follows. The first term ([Delta] [phi] 1n i ) of the above equation (13) represents the phase difference at each stage (output stage 1) at the output stage n of the first multi-mode interference combiner 11 when the i- Mode interference coupler 12, the second term? 1 1n j represents the phase difference at each end of the input terminal of the second multi-mode interference coupler for generating the phase of the light wave at the j-th output terminal of the second multi- 1). △ Φ 1n i, j represents the phase difference (reference waveguide No. 1) of the path that is incident on the i-th input and passes through the n-th optical waveguide row and goes to the j-th output.

표 2는 첫 번째 NxN 다중모드 결합기에서 기준단(입력단 번호가 1)과 임의의 위치에 있는 입력단과의 위상차이를 나타내었다. 실제적인 설계과정에서 계산되어지는 위상 차이는 매질의 굴절율과 상관없이 일반간섭(General interference) 효과에 의해서 입출력단 개수에 따라 고유한 광파의 위상으로 존재하게 된다. 표 3은 두번째 NxN 다중모드 간섭결합기에서 특정한 출력단에 상을 맞추기 위해 입력단에서 요구되어지는 광파의 위상 관계를 나타내었다. 표 4는 첫번째 NxN 다중모드 간섭결합기에 발생된 입력단의 변화에 따라 분기된 기준단 광파(i=1)와 비교한 위상차이와 두 번째 NxN 다중모드 간섭결합기에서 임의의 출력단에 상이 맺히기위해 입력단에 요구되는 분기된 광원의 위상 차이를 수학식(13)의 관계를 통하여 나타내면 순수하게 광파가 광도파열에서 겪어야 기준단 광파(n=1)와 비교한 상대 위상 차이를 나타내었다.Table 2 shows the phase difference between the reference stage (input stage number 1) and the input stage at an arbitrary position in the first NxN multimode combiner. The phase difference calculated in the actual design process exists as the phase of the inherent light wave according to the number of input / output stages due to the general interference effect irrespective of the refractive index of the medium. Table 3 shows the phase relationships of the light waves required at the input stage to match the phase to a specific output in the second NxN multimode interference combiner. Table 4 summarizes the phase difference compared to the reference short-wave (i = 1) according to the change of the input stage generated in the first NxN multimode interference combiner and the phase difference compared to the input signal of the second NxN multimode interference combiner When the phase difference of the required branched light source is expressed through the relationship of Equation (13), the relative phase difference is compared with the reference short-wave (n = 1) only when the light wave is subjected to the light rupture.

표 4에 나타난 것처럼 광도파로의 상대적 위상 차이 △Φ (n=2…N)가 특정 파장에서 만족하면 광도파로 격자 라우터의 입력 i에 여기된 광파는 출력 j에 상이 맺히게 된다. 채널 파장들을 λ…λ…λ로 정하여 각각의 파장에서 표 3을 만족하는 광도파로열의 길이 차이를 구해야 한다. NxN 광도파로열의 구성시 고려되어야 할 부분은 N-1개의 도파로열의 경로차이이다. 상기 수학식(13)을 통해 구해진 광도파로열에서 겪어야 하는 광파의 위상 차이 관계를 이용하여 채널 파장 λ가 출력단 j로 나오기 위하여 필요한 광도파로열의 경로 차이 ΔL(도파로 n과 도파로 1과의 경로차이)는 다음의 식을 만족하여야 한다.As shown in Table 4, the relative phase difference &Dgr; &PHgr; of the optical waveguide (n = 2 ... N) is satisfied at a specific wavelength, the light wave excited at the input i of the optical waveguide grating router will have a phase at the output j. The channel wavelengths are ... λ ... λ and the length difference of the optical waveguide row satisfying Table 3 at each wavelength should be obtained. The portion to be considered in the construction of the NxN optical waveguide row is the path difference of the N-1 waveguide rows. (Path difference between the waveguide n and the waveguide 1) of the optical waveguide column required for the channel wavelength? To exit at the output stage j, using the phase difference relationship of the optical wave to be experienced in the optical waveguide string obtained through the above equation (13) Shall satisfy the following formula.

여기서 neff는 도파로열에서 유효굴절율이고, m1n i,j는 0,1,2…. 와 같은 정수이다.Where n eff is the effective refractive index in the waveguide sequence, and m 1n i, j is 0 , 1 , 2 ... . Lt; / RTI >

상기 수학식(14)를 만족하는 경로차 집합{ΔL12,…,ΔL1n,…ΔL1N}이 순조롭게 결정되면 이 경로 차이 집합에 대해서는 입력단 i로 입사한 광파는 출력단 j로 λj i,j(j=1에서 N까지)의 파장을 출력하게 된다. 하나의 경로차 ΔL1n을 구하는 관계는 다음 식들(15~23)과 같다.(? L 12 , ...) satisfying the above equation (14). ,? L 1n , ... ΔL 1N } is smoothly determined, the light wave incident on the input terminal i of the path difference set is output to the output terminal j of λ j i, j (j = 1 to N). The relation for obtaining one path difference? L 1n is shown in the following equations (15-23).

(1) 첫 번째 입력단이 여기되었을때(1) When the first input is excited

1번째 입력단이 여기 되었을때 출력단의 채널 파장 배열 P1={λ1 1,1,…λj 1,j,…λN 1,N}When the first input stage is excited, the channel wavelength array of the output stage P 1 = {λ 1 1,1 , ... ? j 1, j , ... λ N 1, N }

(2) i번째 입력단이 여기되었을때(2) When the i-th input is excited

j번째 입력단이 여기 되었을때 출력단의 채널 파장 배열When the j-th input terminal is excited, the channel wavelength array of the output terminal

Pi= {λ1 i,1,…λj i,j,…λN i,N}P i = {? 1 i, 1 , ... ? j i, j , ... λ N i, N }

(3)N번째 입력단이 여기되었을때(3) When the Nth input terminal is excited

N번째 입력단이 여기 되었을때 출력단의 채널 파장 배열When the Nth input terminal is excited, the channel wavelength array of the output terminal

P1={λ1 N,1,…λj N,j,…λN N,N}P 1 = {? 1 N, 1 , ... ? j N, j , ... λ N N, N }

여기에서 처음에 결정하였던 채널 파장 배열{λ1,…λj,…λN}은 광도파로열의 경로 차이(ΔL1n)을 구하기 위해서 채널 파장 배열을 여기된 입력단의 위치와 상이 맺히는 출력단의 위치에 따라 새로운 채널 파장 배열을 생성할 필요가 있다. 그때 조합에 의해서 생성된 채널 파장 배열을 나타낸 집합을 {P1,…Pi,…PN}로 나타내었다. 하나의 경로 차이(ΔL1n)를 찾기 위해서 상기 수학식(15)부터 (23)까지를 이용하면 다중모드 간섭결합기에서 발생하는 고유의 위상 차이와 자기 위상 반복의 횟수를 의미하는 정수 m1n i,j에 의해 계산되어진 각각의 경로차이 {ΔL1n 1,1…,ΔL1n 1,j…,ΔL1n 1,N…,ΔL1n i,1…,ΔL1n i,j…,ΔL1n i,N…,ΔL1n N,1…,ΔL1n N,j…,ΔL1n N,N}들은 다른 값들을 갖고 있다. 따라서 각각의 다른 경로 차이의 비교를 통해 전체적으로 통일된 값을 갖는 하나의 경로 차이(ΔL1n)를 결정해야 한다. 다음은 각각의 경로차이를 비교하기 위한 정규화 과정이다.The channel wavelength constellation {λ 1 , ... ? j , ... λ N }, it is necessary to generate a new channel wavelength array according to the position of the excited input terminal and the position of the output terminal which forms the image in order to obtain the path difference (ΔL 1n ) of the optical waveguide row. Then, a set of channel wavelength arrays generated by the combination {P 1 , ... P i, ... P N }. Using the above equations (15) to (23) to find one path difference [Delta] L 1n , an integer m 1n i, which means a unique phase difference and the number of self- each of the path difference between the calculated by ΔL j {1,1 ... 1n ,? L 1n 1, j ... ,? L 1n 1, N ... ,? L 1n i, 1 ... ,? L 1n i, j ... ,? L 1n i, N ... ,? L 1n N, 1 ... ,? L 1n N, j ... , ΔL 1n N, N } have different values. Therefore, one path difference ([Delta] L 1n ) having a globally unified value must be determined by comparing each different path difference. The following is the normalization procedure for comparing each path difference.

기준 경로 차이를 ΔL1n 1,1으로 가정하면,Assuming that the reference path difference is? L 1n 1,1 ,

여기서, ΔL1n 1,1-ΔL1n i,j〉0이면 l은 양의 정수, ΔL1n 1,1-ΔL1n i,j〈 0이면 l은 음의 정수를 갖게 되며 정수 l은 다음과 같은 범위를 항상 만족시키는 범위내에서 결정된다.If L 1n 1,1 -ΔL 1n i, j > 0, 1 is a positive integer, and if ΔL 1n 1,1 -ΔL 1n i, j <0, then 1 has a negative integer, and the integer l is Range is always satisfied.

따라서, 고유의 위상차이에 의해 결정되어진 NxN개의 경로차이 ΔL1n를 전산화하여 구하게 된다. 이 과정은 수치적해석을 이용하므로 다음과 같은 허용오차 범위를 설정해야 한다. 그리고 허용오차 범위이내에 통일된 경로 차이가 존재할때 비로서 하나의 도파로 경로차이(ΔL1n)가 결정된다.Therefore, the NxN path differences? L 1n determined by the inherent phase difference are obtained by computerization. Since this process uses numerical analysis, the following tolerance range should be set. And one waveguide path difference (ΔL 1n ) is determined when there is a unified path difference within the tolerance range.

여기서 ε는 경로차이를 구하기 위해서 수치적 오차를 수렴하기 위한 허용 오차이다.Where ε is the tolerance for converging the numerical error to find the path difference.

이 과정중 채널 파장의 배열 순서 {P1,…Pi,…PN}의 결정은 중요한 문제이다. 따라서 본 발명에서는 위상차이의 반복성을 이용하여 광도파로열의 경로차를 구하였다. 먼저, 표 4에 표현된 두개의 다중모드 간섭결합기에 의해 분기된 광파의 고유 위상 차이에 의한 광도파로열에서 만족해야하는 위상들을 조사한다. 이 과정을 통하여 표 4에서 여기된 입력단에 대응하여 각각의 출력단에 상이 발생하기 위한 위상 차이를 표 5와 같이 집합으로 나타낼 수 있다. 표 5에 나타난 위상 차이의 집합은 한 입력단이 여기되어질때 출력단에 상이 발생하기 위해서 광도파로열이 만족해야 하는 위상차이의 집합이 상호 독립적인 관계가 있기를 기대하였다.The sequence of channel wavelengths {P 1 , ... P i, ... P N } is an important issue. Therefore, in the present invention, the path difference of the optical waveguide row is obtained by using the repeatability of the phase difference. First, the phases that should be satisfied in the optical waveguide row due to the eigen phase difference of the light waves branched by the two multi-mode interference combiners expressed in Table 4 are investigated. Through this process, the phase differences for generating phases at the respective output stages corresponding to the input terminals excited in Table 4 can be represented as a set as shown in Table 5. [ The set of phase differences shown in Table 5 is expected to have a mutually independent relationship between the sets of phase differences that the optical waveguide row must satisfy in order to generate an image at the output stage when one input stage is excited.

위상 차이 집합의 상호 독립성은 같은 입력단이 여기된다는 조건안에서 원소들의 구성과 위치가 같은 위상 차이 집합이 형성되지 않는다는 것이다.The mutual independence of the phase difference sets is that no phase difference set is formed with the same composition and position of the elements under the condition that the same input is excited.

그리고 이러한 관계를 N번째 입력단이 여기되었을 경우까지 확장시켜 보면 같은 입력단이 여기되었을때 요구되어지는 위상 차이 집합이 다른 입력단이 여기되었을때 출력단에 따라 형성되어지는 위상차이 집합들의 모임안에 존재한다는 것을 알 수 있었다. 따라서 광도파로 격자 라우터의 입력단과 채널 파장에 따라 출력단의 위치가 바뀐다는 기본적인 성격을 갖고 있으므로 다중모드 간섭결합기의 위상 차이의 상호독립성을 응용하여 같은 위상차이 위치에 같은 채널 파장을 할당한다면 출력단의 채널 파장을 예상할 수 있다. 이러한 과정은 결정될 파장 배열을 위상차이 집합의 반복성에 의해 알고 있어서 전산화 처리 시간을 효율적으로 단축할 수 있다.If we extend this relation until the Nth input is excited, we find that the phase difference set required when the same input is excited is present in a group of phase difference sets formed according to the output stage when the other input is excited. I could. Therefore, if the same channel wavelength is allocated to the same phase difference position by applying the mutual independence of the phase difference of the multi-mode interference coupler, the output channel of the output channel The wavelength can be expected. This process can effectively shorten the computerized processing time by knowing the wavelength sequence to be determined by the repeatability of the phase difference set.

따라서 N개의 위상차이에 대응하는 N!개의 채널파장의 배열 조합수만을 고려하여 전체적인 입출력단에 따른 NxN 광도파로 격자 라우터의 라우팅에 사용될 채널 파장의 배열 조합표를 표 6과 같이 구성할 수 있다. 표 6에서 결정되어진 채널 파장의 조합표를 이용하여 현재 파장분할 방식의 표준화 움직임이 있는 1.6㎚ 채널간격의 경우에 대해서 광도파로열의 경로 차이를 계산하였다. 그리고 실제적으로 4x4와 8x8 광도파로 격자 라우터에 적용가능한 채널 파장의 라우팅표를 전산화 과정을 통하여 표 7에 나타내었다. 이러한 과정은 일반적인 NxN 광도파로 격자 라우터에 적용이 가능하다. 또 사용된 채널파장을 전산화하여 계산할때 경로 차이를 수렴하기 위한 허용오차 범위를 ε=10 ㎛로 설정하였다. 이러한 허용오차는 중심 채널 파장(1.55㎛)에서 볼때 광도파로열의 위상차이가 ±1.2°내의 오차 범위안에 있음을 의미한다. 이때 계산된 광도파로열의 경로 차이는 표 8에 나타내었다. 이 값은 표 7의 파장배열을 만족하는 가운데 최단 경로 차이를 의미한다.Therefore, considering the number of combinations of N! Channel wavelengths corresponding to N phase differences, an arrangement table of channel wavelengths to be used for the routing of the NxN optical waveguide grating router according to the entire input / output stage can be constructed as shown in Table 6. Using the channel wavelength combination table determined in Table 6, the path difference of the optical waveguide rows was calculated for a 1.6 nm channel spacing with the standardization movement of the current wavelength division scheme. Table 7 shows the routing table of channel wavelengths applicable to 4x4 and 8x8 optical waveguide grating routers through computerization. This process is applicable to general NxN optical waveguide grating routers. Also, when computing the channel wavelength used, the tolerance range for converging the path difference is ε = 10 Mu m. This tolerance means that the phase difference of the optical waveguide row within the error range within ± 1.2 ° when viewed at the center channel wavelength (1.55 μm). The calculated path difference of the optical waveguide rows is shown in Table 8. This value means the shortest path difference satisfying the wavelength arrangement of Table 7. [

제5도는 본 발명의 타당성을 입증하기 위한 전산 모사에서 고려된 단위 도파로의 횡단면 굴절율 분포이다. InP기판에 0.35㎛-InGaAsP(1.2Q)의 코아층을 형성하고 다시 InP를 재성장시켜 슬랩도파로를 형성하였다. 그리고 측면적 구속력을 주기위해서 위층의 InP를 0.2㎛까지 식각을 시켜 ridge형 도파로를 형성하였다. 이때 유효굴절율법을 이용해 조사된 index contrast는 0.5%이다.FIG. 5 is a cross-sectional refractive index profile of a unit waveguide considered in computer simulation to verify the feasibility of the present invention. A core layer of 0.35 탆 -InGaAsP (1.2Q) was formed on the InP substrate, and the InP was again grown to form a slab waveguide. In order to provide lateral confinement, a ridge waveguide was formed by etching the upper layer of InP to 0.2 μm. At this time, the index contrast examined by the effective refractive index method is 0.5%.

사용되고 있는 전산 모사는 일반적으로 널리 사용되고 있는 FD-BPM(Finite Difference Beam Propagation Method)를 이용하였다. 표 1에 나타난 4x4와 8x8 다중모드 간섭결합기와 표 8에 나타난 광도파로열을 이용하여 광도파로 격자 라우터를 구성하였다.The FD-BPM (Finite Difference Beam Propagation Method), which is widely used, is used for computer simulation. The optical waveguide grating router was constructed by using the 4x4 and 8x8 multimode interference combiner shown in Table 1 and the optical waveguide row shown in Table 8.

이때의 전산 모사 결과로서, 제6도와 제7도에 각각 4x4 광도파로 격자 라우터와 8x8 광도파로 격자 라우터의 주파수 특성을 나타내고 있다. 각 채널파장이 정확히 1.6㎚(200GHz)의 간격을 유지하고 있으며 전체적인 손실적인 면에서 비교하여 볼 때 4x4 광도파로 격자 라우터의 경우는 채널 파장이 존재하는 범위내에서 0.3dB 이하의 잉여손실과 8x8 광도파로 격자 라우터의 경우는 0.4dB 이하의 손실을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 손실은 기존에 일반적으로 사용되었던 방사형 성형결합기를 이용한 광도파로 격자 라우터가 갖고 있는 회절에 의한 약 3dB 방사손실과 비교해 볼 때 현저히 손실이 개선됨을 알 수 있다. 표 9는 기존에 소개되었던 방사형 성형결합기를 이용한 경우와 본 논문에서 제시된 다중모드 간섭결합기를 이용한 광도파로 격자 라우터의 주파수적 특성을 비교하였다. 제안된 다중모드 결합기로 구성된 NxN 광도파로 격자 라우터의 손실은 다중모드 결합기에서 발생되어지는 잉여손실과 허용오차에 따른 광파의 위상의 일부를 조절하지 못함으로 인한 손실로 분석된다.As a result of the simulation, the frequency characteristics of the 4 × 4 optical waveguide grating router and the 8 × 8 optical waveguide grating router are shown in FIGS. 6 and 7, respectively. In the case of the 4x4 optical waveguide grating router, the loss of less than 0.3dB and the loss of 8x8 optical power within the range of the channel wavelength exist in the case where the wavelength of each channel is exactly 1.6nm (200GHz) And a loss of 0.4 dB or less in the case of the waveguide grating router. It can be seen that the loss is remarkably improved compared to about 3 dB radiation loss due to the diffraction of the conventional optical waveguide grating router using the radially formed coupler. Table 9 compares the frequency characteristics of the optical waveguide grating router using the multi-mode interference coupler proposed in this paper and the case of using the radial shaping coupler that was introduced previously. The loss of the NxN optical waveguide grating router composed of the proposed multimode coupler is analyzed as loss due to excess loss generated in the multimode coupler and failure to control a part of the phase of the optical wave according to the tolerance.

다시 말하면, 기존의 전형적인 방식으로 알려진 방사형 성형결합기로 구성된 광도파로 격자 라우터는 소자 차체의 성격이 빛의 회절성을 이용함으로서 약 3-4dB 정도의 방사손실이 있는 것으로 알려졌다. 하지만 이를 해결할 만한 구체적인 방법은 제시되지 못하였다. 따라서 본 발명으로 인하여 저손실 특성으로 각광을 받고 있는 다중모드 간섭결합기를 대체물로서 선정하여 광학적인 위상특성을 해석하여 새로운 저손실 NxN 광도파로 격자 라우터의 구현에 큰 기여를 할 것이다. 사용된 다중모드 간섭결합기는 파장의존적 특성을 제거하기 위해서 일반적인 수동소자의 길이와 파장 의존성관계를 분석하였으며 저손실 특성을 일반적인 ridge 형태의 다중모드 간섭결합기에 반영하기 위해서 다중모드 영역까지 깊게 식각한 구조를 선택하여 표 1에 나타났듯이 기존의 다중모드 간섭결합기를 개선하였다. 그리고 주파수적 특성을 반영시키는 광도파로열의 설계는 광도파로열을 겪는 분기된 광파의 위상관계를 해석하므로 광도파로 격자 라우터에 사용될 광도파로열의 성격을 결정하였다. 또 도파로열에서 광파의 위상차이 집합의 독립성을 발견하고 이를 채널 파장 배열을 예측하는 알고리즘을 완성함으로서 실제적으로 사용될 광도파로열의 길이 차이를 찾아냈다. 제안된 구조의 경우 광도파로열의 도파로 개수가 입출력단의 개수와 같기 때문에 기존의 성형결합기로 구성된 광도파로 격자 라우터가 여파특성을 향상시키기 위해서 입출력단의 개수에 2-3배 정도의 도파로를 광도파로열에 배치했던 것과 비교할 때 현저히 적은 도파로의 개수로 우수한 전송특성을 얻을 수 있으므로 제작상의 과정도 단순화 시켰음을 알 수 있다.In other words, the optical waveguide grating router composed of a radial shaping coupler, which is known in the conventional method, is known to have a radiation loss of about 3-4 dB because of the nature of the device body using the diffracting property of light. However, there is no concrete method to solve this problem. Therefore, a multi-mode interference coupler that is under the spotlight as a low-loss characteristic due to the present invention is selected as a substitute, and optical phase characteristics are analyzed to make a great contribution to the realization of a new low-loss NxN optical waveguide lattice router. The multimode interference coupler used in this study analyzed the relationship between the length and wavelength dependence of a passive device in order to eliminate the wavelength dependence. The structure of the multimode interference combiner was deeply etched to the multimode region in order to reflect the low- As shown in Table 1, the existing multi-mode interference combiner is improved. The design of the optical waveguide column that reflects the frequency characteristics determines the nature of the optical waveguide column to be used in the optical waveguide grating router because it analyzes the phase relationship of the branched waveguide undergoing the optical waveguide heat. We also found the independence of the phase difference set of the light wave in the waveguide row and found the length difference of the optical waveguide column to be actually used by completing the algorithm to predict the channel wavelength array. Since the number of waveguides in the optical waveguide array is the same as the number of input / output stages in the proposed structure, the optical waveguide lattice router composed of the conventional shaping coupler needs about 2-3 times as many waveguides as the number of input / It can be seen that the fabrication process has been simplified because a superior transmission characteristic can be obtained with the number of waveguides remarkably smaller than those arranged in the column.

이상과 같은 본 발명은, NxN 다중모드 간섭결합기를 처음으로 광도파로 격자 라우터에 사용하고, 광도파로 격자 라우터를 구성하기 위한 저손실과 파장에 무관한 다중모드 간섭결합기를 이용하여 저손실 광도파로 격자 라우터를 설게를 하였다. 또 두개의 다중모드 결합기를 연결시켜주는 광도파로열의 해석을 통해서 일반적 설계 지침을 마련하였으며 광도파로열에서 위상 차이 집합의 독립성을 통한 채널 파장 배열의 예측은 전산화 처리시간을 효율적으로 단축시킬 수 있음을 보였다. 광도파로열의 설계와 저손실과 파장 변화에 둔감한 다중모드 결합기의 설계는 확장된 입출력단에도 적용가능하므로 범용 광도파로 격자 라우터의 설계에 유용하다. 기존의 방사형 성형결합기가 회절된 빛을 이용함으로서 입출력단 개수와 상관없이 고유손실을 갖고 있는 반면, 본 발명의 구조는 손실을 최소화하여 광파의 효율적인 사용을 가능하게 하는 효과가 있다.The present invention provides a low-loss optical waveguide grating router using an NxN multimode interference coupler for a first optical waveguide grating router and a low-loss and wavelength-independent multi-mode interference combiner for forming an optical waveguide grating router. I made a wish. In addition, a general design guideline is provided through the analysis of optical waveguide columns connecting two multi-mode couplers, and the prediction of channel wavelength arrays through the independence of the phase difference set in the optical waveguide columns can effectively shorten the computerized processing time It looked. The design of optical waveguide columns and the design of multimode couplers that are insensitive to low loss and wavelength variations are also applicable to extended input and output stages and are therefore useful for the design of general optical waveguide grating routers. The conventional radial shaping coupler has inherent loss regardless of the number of input / output stages by using diffracted light, whereas the structure of the present invention minimizes loss and enables efficient use of light waves.

본 발명의 목적은, 저손실 특성 및 간결한 구조를 지닌 다중모드 결합기를 이용하여 방사형 성형결합기를 대체함으로써 0.5 dB 이내의 잉여 삽입 손실을 갖고 매우 간단한 다중모드 간섭형 NxN 광도파로 격자 라우터를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a very simple multimode interference NxN optical waveguide grating router with a surplus insertion loss within 0.5 dB by replacing a radial shaping combiner using a multimode coupler with low loss characteristics and a compact structure.

Claims (1)

NxN 광도파로 격자 라우터에 있어서, 다수개의 채널파장이 입력되는 N개의 입력단을 구비하여 일반 간섭 효과를 이용하여 임의의 위치에 입사된 광전력을 N개의 분기된 상으로 출력하는 제1 NxN 다중모드 간섭결합기와; 상기 분기된 전파된 광파들을 각 도파로의 경로 차이에 따라 다른 위상을 갖도록 전달하는 N개의 격자 광도파로열과; 및 N개의 출력단을 구비하여 그 출력단의 특정한 위치에 초점을 맞추도록 상기 광도파로열 격자를 조정하여 각각의 위상차이를 갖는 광전력들이 파장에 따라 상기 출력단의 특정한 위치에서 재생되도록 하는 제2 NxN 다중모드 간섭결합기로 구성되어, 잉여손실을 감소시키고 간단한 구조인 것을 특징으로 하는 다중모드 간섭형 NxN 광도파로 격자 라우터.A NxN optical waveguide grating router comprising: a first NxN multi-mode interference filter having N input terminals for inputting a plurality of channel wavelengths and outputting optical power incident on an arbitrary position to N branched images using a general interference effect; A coupler; N pieces of grating optical waveguide columns for transmitting the branched propagated light waves so as to have different phases according to a path difference of each waveguide; And a second NxN multiplexing step of adjusting the optical waveguide thermal grating so as to focus on a specific position of the output end thereof with N output terminals so that optical powers having respective phase differences are reproduced at a specific position of the output terminal in accordance with a wavelength, Mode interfering coupler, wherein the multi-mode interference type NxN optical waveguide grating router is a simple structure with reduced surplus loss.
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