KR100395490B1 - 높은 소멸비와 매우 짧은 길이를 가지는 두 개의 영역으로구성된 수직 방향성 결합기 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소자의 끝단에서 30㏈이상의 소멸비를 가지는 크로스상태와 바상태를 모두 구현하도록 한 수직 방향성 결합기 스위치에 관한 것으로, 본 발명의 수직방향성 결합기 광스위치는 제1도파로와 제2도파로 사이에 삽입되어 결합길이를 변화시키는 결합세기조절층을 갖는 상기 제1,2도파로의 수직 결합영역이 독립적으로 굴절율 조절이 가능한 n(n=2,3,4,...)개의 영역으로 구분되어, 상기 결합영역의 끝단에서 크로스상태와 바상태의 스위칭 동작시 30dB보다 큰 소멸비를 얻는다.

Description

높은 소멸비와 매우 짧은 길이를 가지는 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기 스위치{ULTRA SHORT TWO-SECTION VERTICAL DIRECT COUPLER SWITCH WITH HIGH EXTINCTION RATIOS}

본 발명은 광소자에 관한 것으로서, 특히 광통신용 방향성 결합기(Directional Coupler) 중 높은 소멸비(Extinction ratio)와 매우 짧은 결합길이를 가지는 수직 방향성 결합기 스위치에 관한 것이다.

고속의 광통신망을 구축하기 위해서는 대용량의 광스위치가 요구되며, 이러한 집적된 대용량의 광스위치 시스템을 구성하는 단위 스위치는 작은 크기, 작은 손실, 높은 소멸비 등과 같은 특징을 가지고 있어야 한다. 또한, 편광에 따른 성능의 변화가 작아야하고 광 집적회로에서 발생하는 손실 보상을 위해 광 증폭기를 집적시킬 수 있어야 한다.

통상 광통신용 방향성 결합기는 크게 수평방향으로 결합된 구조와 수직 방향으로 결합된 구조로 구분된다.

수평 방향으로 결합되는 도파관(Laterally arranged waveguide) 구조를 가지는 방향성 결합기 형태의 스위치는 결합길이가 길며 매우 작은 제작 공차를 가지기 때문에 실제 소작을 제작하는데 매우 어렵다는 단점이 있다.

반면, 수직 방향으로 결합된 도파관(Vertically arranged waveguide) 구조를 가지는 방향성 결합기 형태의 스위치는 결합길이가 짧고 제작 공차가 비교적 크기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나, 이러한 소자는 도파관 사이의 간격이 매우 좁아 입력포트와 출력포트를 분리하기가 어려워 실제 시스템에 사용되는 스위칭 소자를 제작하기에는 어려움이 많았다.

웨이퍼 융합(Wafer fusion)을 이용한 융합된 수직 결합기(Fused vertical coupler; FVC)는 입력포트와 출력포트를 서로 다른 기판에 만들 수 있으므로 입력포트와 출력포트를 쉽게 분리할 수 있고 퓨전층의 조성비와 두께를 임의로 바꾸어줄 수 있기 때문에 설계시 많은 자유도가 주어진다. 또한 1.55㎛ 영역에서 물질 분산의 차이가 큰 InP 계열 재료와 GaAs 계열 재료의 융합에 의하여 편광에 따른 성능 변화가 아주 작은 수직 결합기를 만들 수 있다.

단일 영역으로 구성된 수직 결합기의 경우, 두 도파로를 약간 비대칭하게 만들면 100㎛ 이하의 매우 짧은 결합길이에서 30dB 이상의 매우 높은 소멸비를 갖는 크로스 상태(Cross state)를 얻을 수 있음이 보고되었다.

한편, 수직 결합기가 스위칭 소자로 쓰이기 위해서는 30dB 이상의 매우 높은 소멸비를 가지는 바상태(Bar state)도 얻을 수 있어야 한다. 단일 영역으로 구성된 수직결합기의 경우, 두 도파로의 굴절율과 안쪽 클래딩층의 굴절율 변화에 의해서는 100㎛이하의 매우 짧은 길이를 가지는 경우, 30dB이상의 소멸비를 가지는 바 상태를 얻을 수 없다.

통상의 수직 방향성 결합기는 에피층 성장에 의하여 두 도파로 사이의 간격이 조절되며 강하게 결합된 구조이므로 큰 제작 공차를 가지며 소자의 길이가 매우 짧다. 그러나, 크로스 상태와 바상태의 소멸비(Extinction ratio)가 매우 낮아 대용량의 광 스위치로 사용되는데 제약을 받았다.

이를 해결하기 위해 30㏈ 이상의 소멸비를 가지는 수직 방향성 결합기가 제안되었다.[Boo-Gyoun Kim et.al., "Improved Extinction Ratio in Ultra Short Directional Couplers Using Asymmetric structures", Japanese Journal of Applied Physics, 1998.8, vol37, No.8A, p930∼932 참조]

위 논문에서는 두 도파로 사이의 굴절율의 비대칭을 이용하여 30㏈ 이상의크로스 상태를 얻는다 하였지만, 단일 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기 및 스위치에서는 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 바상태를 얻을 수 없다.

다른 종래기술로 Kogenik에 의하여 제안되어 약하게 결합된 수평 방향성 결합기 스위치에서 사용된 δβ반전 구조를 강하게 결합된 수직 방향성 결합기에 도입할 수 있다.

그러나, 상술한 두 도파로 사이의 굴절율 비대칭을 이용한 방법을 반전구조와 반전 구조와 같이 즉, 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 크로스상태를 얻기 위하여 유도한 두 도파로 굴절율의 차이 값이 음의 값과 양의 값을 가지도록 하여 결합 길이를 주기로 반복적으로 설계하더라도 크로스상태는 30dB 이상의 소멸비를 얻을 수 있으나 바상태의 소멸비는 18 dB 이하이다.

그리고, 또 다른 종래기술로 두개의 영역으로 구성된 수직방향성 결합기가 제안되었다. [조성찬외, "매우 짧은 길이와 소멸비를 가지는 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기의 설계", 대한전자공학회지D, Vol.36, No.9, 1999.9, p822∼828 참조]

위 논문에서는 두개의 영역으로 구성된 수직방향성 결합기를 이용할 경우, 첫번째 단의 끝에서 30㏈ 이상의 소멸비를 가지는 크로스 상태를 얻고 두번째 단의 끝에서 30㏈ 이상의 바상태를 얻을 수 있음이 보고되었다.

그러나, 이러한 수직 방향성 결합기가 크로스-바 스위치로 사용되기 위해서는 두번째 단의 끝에서 크로스 상태와 바 상태를 모두 얻을 수 있어야 한다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 결합길이가 매우 짧으며, 소자의 끝단에서 30dB 이상의 높은 소멸비를 가지는 크로스상태와 바상태를 동시에 구현하도록 하는데 적합한 수직 방향성 결합기 스위치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입력단과 출력단에서의 각 포트들이 분리된 수직 방향성 결합기 스위치에 대한 3차원 개념도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직 방향성 결합 스위치의 결합기에 대한 횡축 단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기의 도파 모드의 진행 방향에 따른 개념도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단일 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기에서 제 1 도파로의 굴절율의 함수로 계산한 결합길이와 결합길이의 두 배에서 크로스상태와 바상태에 대한 각각의 소멸비를 도시한 그래프,

도 5는 결합영역의 제 1 영역의 결합길이(=51㎛)에서 소멸비 66dB의 크로스상태를 보이는 n_a(1)=3.367에 대하여 n_b(1)=n_b(2)=3.37이고 n_ca=n_cb=n_ci=3.17 일 때 길이 l₁+l₂(=103㎛)에서 n_b(2)의 함수로 계산한 바상태의 소멸비를 도시한 그래프,

도 6은 n_b(1)=3.37일 때 제1영역의 결합길이(=51 ㎛)에서 소멸비 66 dB의 크로스상태를 보이는 n_a(1)=3.367에 대하여 n_a(2)=3.37이고 n_ca=n_cb=n_ci=3.17 일 때 길이 l₁+l₂(=103㎛)에서 n_b(2)의 함수로 계산한 바상태의 소멸비를 도시한 그래프,

도 7은 제1영역에서 n_a(1)=3.37이고 n_ca=n_cb=n_ci=3.17 일 때 결합길이에서 n_b(2)의 함수로 계산한 크로스상태의 소멸비를 도시한 그래프,

도 8은 n_a(1)=3.37 일 때 길이 l₁(=52 ㎛)에서 89dB의 크로스상태의 소멸비를 보이는 n_b(1)=3.373의 값에 대하여 n_a(2)=3.373이고 n_ca=n_cb=n_ci=3.17 일 때 l₁+l₂(=105㎛)에서 n_b(2)의 함수로 계산한 바상태의 소멸비를 도시한 그래프,

도 9는 결합세기조절층의 두께가 0.6㎛일 때 결합세기조절층의 굴절율의 함수로 계산한 30dB 이상의 소멸비를 가지는 바상태일 때의 소자길이(2l_c)와 크로스상태일 때의 소자길이(=3l_c)를 도시한 그래프,

도 10은 도 2에서 스위치 작용을 유도하기 위한 결합세기조절층의 굴절율의 변화 범위가 1% 이내에 있는 영역에서 크로스상태와 바상태일 때의 소자 길이를 도시한 그래프,

도 11은 스위치 작용을 유도하기 위해 요구되는 결합세기조절층의 굴절율 변화가 0.03일 때 크로스상태(a)와 바상태(b)를 얻기 위한 각 층의 굴절율, 소자길이 그리고 소멸비를 도시한 개념도,

도 12는 스위치 작용을 유도하기 위하여 요구되는 결합세기조절층의 굴절율 변화와 제1,2 도파로의 굴절율 변화가 0.025로 같을 때 크로스상태(a)와 바상태(b) 에 대한 각 층의 굴절율, 소자길이 그리고 소멸비를 도시한 개념도,

도 13은 스위칭 작용을 유도하기 위하여 필요한 제1,2 도파로의 굴절율의 변화가 0.03일 때의 크로스상태(a)와 바상태(b)에 대한 각 층의 굴절율, 소자길이 그리고 소멸비를 도시한 개념도,

도 14는 결합세기조절층의 두께가 0.7㎛일 때 결합세기조절층의 굴절율의 함수로 계산한 30dB 이상의 소멸비를 가지는 바상태일 때의 소자길이(=2l_c ^')와 크로스상태일 때의 소자길이(=3l_c ^')를 도시한 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 제 1 도파로 20 : 제 2 도파로

30 : 결합세기조절층

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수직 방향성 결합기 광스위치는 제1도파로와 제2도파로 사이에 삽입되어 결합길이를 변화시키는 결합세기조절층을 갖는 상기 제1,2도파로의 수직 결합영역이 독립적으로 굴절율 조절이 가능한 n(n=2,3,4,...)개의 영역으로 구분되어, 상기 결합영역의 끝단에서 크로스상태와 바상태의 스위칭 동작시 30dB보다 큰 소멸비를 얻는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제 1, 2 도파로 및 상기 결합세기조절층은 전류주입이나 전기광학효과에 의하여 각각 독립적으로 굴절율이 조절되는 것을 특징으로 하며, 상기 n개의 영역은 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율이 비대칭인 영역과 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율이 대칭인 영역의 조합에 의해 이루어지거나, 상기 n개의 영역은 상기 제 1,2 도파로간 굴절율이 비대칭인 영역이 n개 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수직 방향성 결합기 광스위치는 제1도파로와 제2도파로 사이에 삽입되어 결합길이를 변화시키는 결합세기조절층을 갖는 상기 제1,2도파로의 수직 결합영역이 독립적으로 굴절율 조절이 가능한 제1,2영역으로 구분되어, 상기 결합영역의 끝단에서 크로스상태와 바상태의 스위칭 동작시 30dB보다 큰 소멸비를 얻는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 광스위치의 스위칭 구동 방법은 제 1, 2 영역의 결합영역, 제 1, 2 도파로 및 결합세기조절층을 구비한 광스위치의 스위칭 구동 방법에 있어서, 상기 제 1, 2 도파로 및 결합세기조절층의 굴절율을 각각 독립적으로 변화시켜 상기 제 2 영역의 끝단에서 30dB과 같거나 높은 소멸비를 가지는 크로스상태와 바상태의 스위칭 동작을 유도하는 단계를 포함함여 이루어짐을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 크로스상태의 스위칭 동작을 유도하는 단계는, 상기 제1영역의 상기 제 1 도파로 및 제 2 도파로의 굴절율은 동일하게 하고, 상기 제2영역의 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율의 비대칭 정도를 조절하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 바상태의 스위칭 동작을 유도하는 단계는, 상기 제 2 영역의 제 1 도파로의 굴절율, 상기 제 1 영역의 제 2 도파로의 굴절율 및 상기 제 2 영역의 제 2 도파로의 굴절율을 동일하게 하고, 제 1 영역의 제 1, 2 도파로간 굴절율의 비대칭 정도를 조절하여 이루어지거나, 또는 제 1 영역의 제 1 도파로와 제 2 도파로의 굴절율이 요구되는 비대칭값을 가지도록 조절하고 제 2 영역의 제 1 도파로와 제 2 도파로는 동일한 굴절율(또는 작은 차이의 굴절율값)을 가지도록 조절하거나, 또는 제 1 영역의 제 1 도파로와 제 2 도파로의 굴절율은 동일한 값을 가지도록 하고 제 2 영역의 제 1 도파로와 제 2 도파로의 굴절율은 요구되는 비대칭값을 가지도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에서는 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기를 이용하여 소자의 끝단에서 크로스 상태와 바상태 모두 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 수직 방향성 결합기 스위치를 제안한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직 방향성 결합기 스위치의 3차원 개념도로서, 입력단과 출력단에서의 각 포트들이 분리되어 있으며, 결합영역 (Interaction; I)과 비결합영역(Non interaction; N.I)으로 구분되되 결합영역(I)에서 소자의 주기능을 담당한다.

도 2는 도 1의 결합기의 결합영역을 도시한 횡축 단면도로서, 2차원의 두 도파로가 수직으로 결합된 구조를 나타낸다.

제 1 InP 기판(11)상에 제 1 InGaAsP 도파로 코어층(12), 제 1 InP 클래딩층(13)이 순차적으로 적층된 제 1 도파로(10)를 형성하고, 제 2 InP 기판(21)상에 제 2 InGaAsP 도파로 코어층(22), 제 2 InP 클래딩층(23)이 적층된 제 2 도파로(20)를 형성한다.

그리고, 결합세기조절층(30)을 통해 제 1 도파로(10)와 제 2 도파로(20)는 수직으로 결합되고, 결합세기조절층(30)은 공기 또는 InGaAsP 중 어느 하나이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기의 개념도로서, 결합세기조절층(30)을 사이에 두고 수직으로 결합된 제 1 도파로 코어층(12), 제 2 도파로 코어층(22)이 두 개의 영역, 즉 제 1 영역(Ⅰ)과 제 2 영역(Ⅱ)으로 구분된다.

도 3에서, n_ca, n_cb는 각각 제 1, 2 기판(11,21)의 굴절율, n_ci는 안쪽 클래딩층인 결합세기조절층(30)의 굴절율(3.17), n_a(1) 및 n_a(2)은 각 영역의 제 1 도파로 코어층의 굴절율, n_b(1) 및 n_b(2)는 각 영역의 제 2 도파로 코어층의 굴절율을 나타내며, d_a,d_b는 두 도파로의 코어층의 두께, t(0.6㎛)는 두 도파로 사이의 간격을 나타낸다. 그리고, a⁽¹⁾(0)은 제 1 영역의 제 1 도파로의 도파 모드, b⁽¹⁾(0)은 제 1 영역의 제 2 도파로의 도파모드, a⁽²⁾(L)은 제 2 영역의 제 1 도파로의 도파 모드, b⁽²⁾(L)은 제 2 영역의 재 2 도파로의 도파모드를 나타낸다. 그리고, l_c,1, l_c,2는 각 영역의 결합길이를 나타내며, 입사하는 빛의 파장은 1.55㎛이다.

이와 같은 변수들을 이용할 경우, 제 2 영역(Ⅱ)의 출력단에서의 두 도파모드 a⁽²⁾(L), b⁽²⁾(L)의 크기는 전달행렬에 의하여 제 1 영역(Ⅰ)의 입력단에서의 두 도파모드의 크기 a⁽¹⁾(0), b⁽¹⁾(0)를 이용하여 구할 수 있다.

상술한 전달행렬을 이용하여 각 영역의 끝단에서의 소멸비를 구할 수 있는데, 소멸비는 P_a ⁽²⁾와 P_b ⁽²⁾의 비이다. 여기서, P_a ⁽²⁾와 P_b ⁽²⁾는 제 2 영역(Ⅱ)의 출력단에서의 제 1, 2 도파로에 도파되는 도파 모드의 출력파워이다.

한편, TM 모드의 경우는 도파로에 강금되는 파워의 크기가 TE 모드에 비하여 작기 때문에 결합길이가 더 작다는 특성을 제외하고는 수직결합기의 각 변수의 변화에 대한 특성변화가 TE 모드와 비슷하다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 TE 모드에 대하여 향상된 결합모드 이론과 BPM(Beam Propagation Method)을 사용하여 결합길이와 소멸비에 대하여 계산을 수행하였다.

도 4는 하나의 영역으로 구성된 수직방향성 결합기에서 제 1 코어층의 굴절율의 함수로 계산한 결합길이와 결합길이의 두 배에서 크로스 상태와 바 상태에 대한 각각의 소멸비에 대한 계산 결과를 도시하고 있다.

도 4에서 볼 수 있듯이, 한 쪽 도파로 코어층의 굴절율을 다른 쪽 도파로 코어층의 굴절율과 약간 다른 값을 갖도록 하면 결합길이(51㎛)에서 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 크로스 상태를 얻을 수 있다.

그러나, 하나의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기의 경우는 도파로 코어층과 결합세기조절층(융합 영역)의 굴절율의 변화에 의하여 2배의 결합길이에서 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 바상태를 얻을 수 없다.

따라서 본 발명의 실시예에서는 도 3에서와 같이 두 개의 영역으로 분할하므로써 각 영역에서의 도파로 코어층의 굴절율의 조합에 의하여 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 바 상태를 얻을 수 있다.

도 5는 도 4에서 보인 제 1 영역의 결합길이 l₁=51㎛에서 소멸비 66 dB의 크로스 상태를 보이는 n_a(1)=3.367에 대하여 n_b(1)=n_b(2)=3.37이고 n_ca=n_cb=n_ci=3.17일 때 길이 l₁+l₂(=103㎛)에서 바상태에 대한 소멸비 P_a(l₁+l₂)/P_b(l₁+l₂)를 n_a(2)의 함수로 계산한 계산 결과이다.

도 5에서, 실선(━)은 향상된 결합모드이론(ICMT)에 의한 계산 결과이고 작은 원()은 BPM 계산 결과를 나타내며, 단일 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기의 경우 두 도파로가 약간의 비대칭을 가지게 되면 중첩모드(Supermode)의 우모두와 기모드가 간섭에 의하여 누화(crosstalk)가 최소화된다.

즉, 단일 영역으로 구성된 방향성 수직 결합기의 경우, 빛이 입사되는 입력 도파로 코어층의 굴절율이 다른 쪽 도파로 코어의 굴절율 보다 약 0.003 정도 작게 되면 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 크로스 상태를 얻을 수 있다.

단일 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기의 경우, 한쪽 도파로의 굴절율을 3.37로 고정시켰을 때 결합길이에서 30 dB 이상의 크로스 상태 소멸비를 보이는 굴절율의 범위는 최대 소멸비를 보이는 도파로 코어층의 굴절율을 중심으로이다.

도 5에서 알 수 있듯이, 크로스 상태의 경우와 같이 두 개의 영역으로 구성된 경우, l₁+l₂에서 30 dB 이상의 바 상태 소멸비를 가지는 n_a(2)의 값은 3.37을 중심으로인 것을 볼 수 있다.

[표1]은 제 1 영역(Ⅰ)의 출력단에서 크로스 상태가 30dB 이상의 소멸비를 가지는 제 1 도파로 코어층의 여러 개의 굴절율,에 대하여 제 2 영역(Ⅱ)의 출력단에서 바 상태의 소멸비가 가장 큰 제 2 영역(Ⅱ)의 제 1 도파로 코어층의 굴절율 값,을 계산한 결과이다.

[표 1]에서 보면, 제 1 도파로 코어층의 굴절율값(n_a)에 관계없이로 일정한 것을 알 수 있다.

따라서 도 5와 같은 경우, 제 1 영역(Ⅰ)에서의 제 1 도파로 코어층의 굴절율과 제 2 영역(Ⅱ)에서의 제 1 도파로 코어층 또는 제 2 도파로 코어층의 굴절율 차이가 제 2 영역(Ⅱ)에서 바상태의 소멸비에 큰 영향을 주는 것으로 생각할 수 있다.

위와 같은 결과는 제 1 영역(Ⅰ)의 출력단의 제 1 도파로 코어층와 제 2 도파로 코어층에 존재하는 광 필드의 크기가 제 2 영역(Ⅱ)의 입력단의 경계조건이 되기 때문이다.

제1영역(Ⅰ)	제2영역(Ⅱ)
na(1)	크로스상태의 소멸비	na(2)	바상태의 소멸비
3.3663	30㏈	3.3694	79㏈
3.3667	40㏈	3.3698	86㏈
3.3669	66㏈	3.3699	93㏈
3.3671	40㏈	3.3702	79㏈
3.3675	30㏈	3.3705	96㏈

도 6은 제 1 영역(Ⅰ)이 도 5와 같고, 제 2 영역(Ⅱ)의 제 1 도파로 코어층의 굴절율[n_a(2)]이 3.37일 때 제 2 영역(Ⅱ)의 제 2 도파로 코어층의 굴절율[ n_b(2)]을 변화시켜가며 제 2 영역(Ⅱ)의 출력단에서 바상태의 소멸비를 도시한 결과이다. 이 때, 제 1 영역(Ⅰ)의 길이와 제 2 영역(Ⅱ)의 길이는 도 5와 각각 같다.

도 6과 도 5를 비교해 보면, 도 6은 굴절율 3.37에 대한 도 5의 미러이미지(Mirror image)임을 알 수 있다. 따라서, 제 2 영역(Ⅱ)의 출력단에서 바 상태의 소멸비는 제 2 영역(Ⅱ)의 제 1 도파로 코어층의 굴절율[n_a(2)]과 제2도파로 코어층의 굴절율[(n_b(2)]이 모두 제 1 영역(Ⅰ)에 빛이 입사하지 않는 제 2 도파로 코어층의 굴절율[n_b(1)]과 같은 값을 가질 때 최대값을 가짐을 알 수 있다.

또한, 바상태 소멸비의 크기는 제 2 영역(Ⅱ)의 두 도파로 코어층의 굴절율 차, n_b(2)-n_a(2)가 커질수록 감소됨을 알 수 있다.

상술한 결과들의 타당성을 검증하기 위하여 빛이 입사되는 제 1 영역(Ⅰ)의 제 1 도파로의 코어층의 굴절율[n_a(1)]을 3.37로 고정시키고 제 1 영역의 제 2 도파로 코어층의 굴절율[n_b(1)]을 변화시켜가며 제 1 영역의 길이(l_c,1)가 결합길이를 가질 때 크로스 상태의 소멸비를 계산한다(도 7 참조). 이 경우 도 5와 비교했을 때 결합계수가 작기 때문에 결합길이가 52㎛로서 도 5보다 길게 된다.

도 7을 참조하면, 제 1 영역에서 빛이 입사되는 제 1 도파로 코어층의 굴절율[n_a(1)]보다 제 2 도파로 코어층의 굴절율[n_b(1)]이 약 0.003 정도 큰 3.373 부근에서 30 dB 이상의 크로스 상태 소멸비를 보이는 것을 알 수 있다.

또한, 도 5의 경우와 같이 30 dB 이상의 크로스 상태 소멸비를 보이는 제1영역에서의 제 2 도파로 코어층의 굴절율 폭,은 가장 큰 크로스 상태 소멸비를 보이는 3.373을 중심으로 약 0.0012 인 것을 알 수 있다.

도 8은 n_a(1)=3.37 일 때 길이 l₁ ^'(=52㎛)에서 89 dB의 크로스 상태의 소멸비를 n_b(1)=3.373의 값에 대하여 n_a(2)를 3.373으로 고정시키고 n_ca=n_cb=n_ci=3.17일 때 l₁ ^'+l₂ ^'(=105 ㎛)에서 바상태의 소멸비를 n_b(2)의 함수로 계산한 계산 결과이다.

도 8에서도 도 6과 같이 30dB 이상의 바 상태 소멸비를 갖는 n_b(2)의 범위는 n_a(2)와 같은 값을 가지는 3.373을 중심으로 약 0.0012 인 것을 알 수 있다.

또한, 도 5와 같은 경우에 n_b(2)를 3.373로 고정시키고 제2영역의 출력단에서 바 상태의 소멸비를 n_a(2)의 함수로 계산한 결과는 예측한 대로 굴절율 3.373에 대하여 도 7의 미러이미지가 됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 100 ㎛ 이하의 길이를 가지는 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기의 제 1 영역의 출력단에서 최대 소멸비를 가지는 크로스 상태는, 빛이 입사하는 제 1 영역의 도파로 코어층의 굴절율[n_a(1)]이 빛이 입사하지 않는 다른 도파로 코어의 굴절율[n_b(1)]보다 약 0.003 정도 작은 비대칭성을 가질 때 얻을수 있음을 알 수 있다.

또한, 30㏈ 이상의 소멸비를 가지는 크로스 상태를 얻을 수 있는 제 1 영역의 빛이 입사하는 도파로 코어층의 굴절율의 범위는 최대 소멸비를 가지는 굴절율 값을 중심으로 약 0.0012 정도 임을 알 수 있다.

한편, 제 1 영역의 출력단에서 30dB 이상의 소멸비를 가지는 크로스 상태를 가지는 경우 제 2 영역의 출력단에서 최대 소멸비를 가지는 바 상태는, 제 2 영역의 두 도파로 코어층의 굴절율이 제 1 영역의 빛이 입사하지 않는 도파로 코어층의 굴절율과 같을 때 발생함을 알 수 있다.

또한, 제 2 영역의 두 도파로 코어층의 굴절율 차가 증가할수록 바상태의 소멸비는 감소함을 알 수 있었고, 30dB 이상의 소멸비를 가지는 바상태를 얻을 수 있는 제 2 영역의 도파로 코어층의 굴절율 범위는 최대 소멸비를 가지는 굴절율 값을 중심으로 약 0.0012 정도 임을 알 수 있다.

전술한 본 발명의 실시예에 따른 두개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기는 제 1 영역의 출력단과 제 2 영역의 출력단에서 각각 30 dB 이상의 소멸비(또는 작은 누화)를 가지는 크로스 상태와 바 상태를 얻을 수 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 두 개의 영역(제 1 영역, 제 2 영역)의 끝단에서 크로스 상태와 바상태를 각각 독립적으로 얻을 수 있는 스위칭 소자를 구현하는 것은 매우 어렵다.

따라서, 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기가 스위칭 소자로 이용되기 위해서는 바상태와 크로스상태를 소자의 끝단(또는 제2영역의 끝단)에서 얻을 수 있어야 한다.

소자의 끝단에서 크로스-바 상태를 모두 얻기 위해서는 전류주입이나 전기광학 효과를 통해 굴절율을 변화시키는데 그 변화가능한 값은 1% 이하로 가정하여 계산하고, 바상태에서 크로스상태로의 스위치 작용을 유도하기 위하여 결합세기조절층의 굴절율을 변화시키며, 30dB 이상의 소멸비를 얻기 위해서 두 도파로 코어층의 굴절율의 비대칭을 조절한다.

그리고, 도 3에서와 같이 2차원 도파로로 구성된 수직 방향성 결합기에 대한 계산을 유효굴절율 방법을 사용하여 슬랩 형태의 1 차원 광도파로로 단순화하여 수행하고, 제 1, 2 기판의 굴절율(n_a, n_b)과 결합세기조절층의 굴절율(n_ci)은 각각 3.17, 두 도파로의 두께는 0.5 ㎛ 그리고 1.55 ㎛ 파장에서 수행한다.

특히, 도파로 코어층와 결합세기조절층의 굴절율을 변화시키므로써 모드 분포를 변화시키어 결합길이를 변화시킨다. 전술한 것처럼, 두 도파로 코어층의 굴절율의 비대칭 정도를 조절하면 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 크로스 상태와 바상태를 얻을 수 있다.

한편, 결합길이(l_c)는 두 도파로 코어층의 굴절율 변화보다는 결합세기조절층의 굴절율의 변화 영향을 더 크게 받는다. 따라서, 소자의 끝단에서 크로스 상태에서 바상태로 스위칭 작용을 유도하기 위하여 결합세기조절층의 굴절율에 변화를주어 결합길이를 변화시킨다.

다시 말하면, 소자의 길이(=L)를 2배의 결합길이(2l_c,bar=L)가 되게 하여 바상태를 얻고, 결합세기조절층의 굴절율을 변화시켜 3배의 결합길이(3l_c,cross=L)가 소자의 길이와 같게하여 크로스 상태를 소자의 끝단에서 얻는다.

두 도파로간 굴절율 차이를 통해 제 2 영역의 끝단에서 높은 소멸비를 가지는 크로스상태와 바상태를 얻는 방법은 다음과 같다.

먼저, 단일 영역 즉, n_a(1)=n_a(2)와 n_b(1)=n_b(2)로 동일하거나 또는 작은 차이를 갖도록 하고 두 도파로 코어층 사이의 굴절율의 비대칭 정도를 조절하여 30㏈ 이상의 소멸비를 가지는 크로스상태를 얻고, n_a(2)=n_b(1)=n_b(2)가 동일하거나 또는 작은 차이를 갖도록 하고 제 1 영역의 두 도파로 코어층간 굴절율의 비대칭 정도를 조절하여 30㏈ 이상의 높은 소멸비를 가지는 바상태를 얻는다.

즉, 스위칭 동작은 결합세기조절층의 굴절율을 변화시키어 유도하고 소멸비는 두 도파로 코어층의 굴절율의 비대칭을 조절하여 높인다.

상술한 방법으로 스위칭 소자의 설계를 위하여 다음과 같은 순서로 계산을 수행한다.

먼저, n_b(1)=n_a(2)=n_b(2)=3.37인 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기에서 최대의 바상태의 소멸비를 가지도록 하는 n_a(1)의 값에 대하여 결합세기조절층의 함수로 각 영역의 결합길이를 계산하여 바상태의 소자길이(L= l_c,1+l_c,2)를 결정한다.

다음으로, n_b=3.37인 단일 영역으로 구성된 수직 방향성 결합기에서 최대의 크로스 상태의 소멸비를 가지도록 하는 n_a의 값에 대하여 결합세기조절층의 함수로 결합길이를 계산하여 크로스상태의 소자의 길이(L= 3l_c,cross)를 결정한다.

다음으로, 바상태일 때와 크로스상태일 때의 결합세기조절층의 굴절율의 차이가 캐리어 주입이나 전기광학효과에 의하여 변화가능한 굴절율 값, 1% 이하인 영역을 찾는다.

다음으로, 캐리어 주입에 의하여 변화가능한 굴절율값이 1% 이하인 범위 내에서 30㏈ 이상의 바상태와 크로스상태의 소멸비를 가지기 위하여 요구되는 두 도파로 코어층 사이의 굴절율의 비대칭의 크기가 캐리어 주입에 의하여 가능한 범위를 찾는다.

다음으로, 바상태의 소자길이와 크로스상태의 소자길이를 계산한 결과를 바탕으로 바상태일 때와 크로스상태일 때 소자의 길이를 정확하게 일치하도록 각 영역의 도파로 코어층과 결합세기조절층의 굴절율 값을 결정한다. 이 때, 결합세기조절층의 굴절율과 함께 30㏈ 이상의 소멸비를 가지도록 도파로 코어층 사이의 굴절율의 비대칭을 조절한다.

도 9는 결합세기조절층의 두께가 0.6 ㎛일 때 결합세기조절층의 굴절율의 함수로 계산한 30 dB 이상의 소멸비를 가지는 바상태의 소자길이(=2l_c)와 크로스상태의 소자길이(=3l_c ^')를 도시하고 있다.

도 9에 도시된 것처럼, 결합세기조절층의 굴절율 값이 클수록 바상태에서 크로스 상태로 전환하는데 필요한 굴절율의 변화가 작아짐을 알 수 있으며, 결합세기조절층의 굴절율이 커지면 이곳에 존재하는 파워의 크기가 커진다.

따라서, 결합세기조절층의 굴절율이 큰 경우가 작은 경우보다 같은 결합세기조절층의 굴절율 값의 변화에 대하여 모드의 전파상수 크기의 변화가 크기 때문에 결합세기조절층의 굴절율이 클수록 스위치 작용을 유도하기 위한 굴절율의 변화가 작다.

도 10은 도 9에서 스위치 작용을 유도하기 위한 결합세기조절층의 굴절율의 변화 범위가 1%이내에 있는 영역을 자세하게 도시한 도면으로서, 스위칭 동작 유도를 위해 요구되는 결합세기조절층의 굴절율 변화(Δn_ci)는 n_ci,cross-n_ci,bar이고, 제1영역에서 최대 소멸비를 보이는 두 코어층 사이의 최적화된 굴절율의 비대칭 값은 Δn_asy=n_b-n_a로 표시한다.

도 10에 도시된 것처럼, 결합세기조절층의 굴절율의 값이 3.21 이상이면 100 ㎛ 이하의 소자길이로 스위치를 설계할 수 있음을 알 수 있다.

30㏈ 이상의 소멸비를 얻기 위해서는 두 도파로 코어층 사이의 굴절율 값의 비대칭을 조절하여야 하므로, 이러한 값도 실제 구현 가능한 범위에 있는지도 고려되어야 한다. 따라서, 결합세기조절층의 굴절율 값이 3.25 이상이 되면 30㏈ 이상의 소멸비를 가지기 위하여 도파로 코어층의 굴절율을 0.03 이상 변화시켜야 하므로 실제 구현이 불가능하다.

따라서, 30㏈ 이상의 높은 소멸비를 가지는 스위치를 구현하기 위하여 두 상태간의 이동시 필요한 결합세기조절층의 굴절율의 변화와 코어층 굴절율의 변화를 1% 이하로 제한하는 경우 결합세기조절층의 굴절율의 값은 3.21과 3.25 사이의 값으로 설정한다.

그리고, 도 10에 도시된 것처럼, 스위치 작용을 유도하기 위하여 요구되는 결합세기조절층의 굴절율의 변화가 실제 구현 가능한 범위내에서 가장 큰 값인 Δn_ci=0.03(Δn_asy=최소값)일 때(Δn_ci=0.03/Δn_asy=0.021), 크로스상태일 때 최대의 소멸비를 보이는 두 도파로 코어 사이의 굴절율의 비대칭 Δn_asy와 Δn_ci가 0.025로 같은 값일 때(Δn_ci=0.025/Δn_asy=0.025), 그리고 Δn_asy가 캐리어 주입에 의하여 가능한 최대값인 0.03일 때(Δn_ci=0.017/Δn_asy=0.03)에 대한 계산을 수행하여, 소멸비와 결합길이를 계산하고, 세 경우에 대한 공차를 각각 비교하기로 한다.

도 11의 (a)와 (b)는 스위치 작용을 유도하기 위하기 위하여 요구되는 결합세기조절층의 굴절율 변화(Δn_ci)가 0.03일때 각각 크로스상태와 바상태를 얻기 위한 각 층의 굴절율, 소자 길이 그리고 소멸비에 대한 계산 결과를 도시한 도면이다.

크로스상태(a)에서 최대의 소멸비를 보이는 두 도파로 코어층 사이의 굴절율의 비대칭 값(Δn_asy)는 0.021이고, 바상태(b)의 경우 최대의 소멸비를 가지기 위한제 1 영역에서의 두 도파로 코어층간 굴절율의 차이(Δn_asy,cross)는 n_b,cross-n_a,cross=0.008이다.

결합세기조절층의 굴절율이 클수록(3.243>3.213) 도파로 코어층에 강금되는 파워는 작아지고 결합세기조절층에 존재하는 파워가 증가한다. 그러므로 모드에 같은 섭동을 주기위해서는 결합세기조절층의 굴절율이 클수록 도파로 코어층의 굴절율에 큰 변화를 주어야 한다. 즉, 30㏈ 이상의 소멸비를 가지기 위한 두 도파로 코어층 사이의 굴절율의 비대칭은 강하게 결합된 도파로 구조일수록 큰 값이 요구된다.

위의 경우 바상태(b)인 경우보다 크로스상태(a)일 때의 결합세기조절층의 굴절율 값이 크므로 도파로 코어층간 굴절율의 구현 가능한 비대칭에 대한 제약은 크로스상태의 것이 결정한다.

한편, 30㏈ 이상의 소멸비를 얻을수 있는 크로스상태(a)와 바상태(b)의 공차는 다음과 같다.

크로스상태(a)의 경우, 결합길이(74.7㎛)에서 30㏈ 이상의 크로스상태 소멸비를 보이는 결합세기조절층의 굴절율과 두 도파로 코어층간 굴절율의 비대칭의 변화 범위는 최대 소멸비를 보이는 도파로의 굴절율을 중심으로는 0.0049이고,는 0.0046이다.

바상태(b)의 경우, 30㏈ 이상의 소멸비를 보이는 결합세기조절층의 굴절율과 제 1 영역에서의 두 도파로 코어의 굴절율의 비대칭은 최대 소멸비 값을 중심으로 각각는 0.002이고,는 0.0106이다.

도 12의 (a)와 (b)는 각각 스위치 작용을 유도하기 위하여 요구되는 결합세기조절층의 굴절율 변화(Δn_ci=n_ci,cross-n_ci,bar)와 코어층의 굴절율 변화가 0.025로 같을 때 크로스상태(a)와 바상태(b)에 대한 각 층의 굴절율, 소자길이 그리고 소멸비에 대한 계산 결과이다.

도 11의 경우보다 결합세기조절층의 굴절율이 커 두 도파로 코어 사이의 굴절율 차이(Δn_asy,corss=n_b,corss-n_a,corss)가 0.025로 굴절율의 비대칭이 크게 요구되는 것을 알 수 있다. 같은 이유에서 바상태(b)의 경우 최대 소멸비를 가지기 위한 제1영역에서의 두 도파로 코어의 굴절율의 차이(Δn_asy,bar=n_b,bar(1)-n_a,bar(1))는 0.009로 도 11에 비하여 약간 증가하는 것을 알 수 있다.

전술했듯이, 30dB 이상의 소멸비를 얻을 수 있는 크로스상태와 바상태의 두 도파로 코어층의 굴절율의 공차는 두 도파로가 강하게 결합될수록 커진다. 그러나 두 도파로가 강하게 결합되면 결합세기조절층에 존재하는 파워가 커지기 때문에 결합세기조절층의 굴절율의 변화에 모드의 전파상수의 변화가 더 커지므로 결합세기조절층에 대한 공차는 작아진다.

따라서, 도 11의 경우와 비교 하면 크로스상태의 경우 결합길이(70.1㎛)에서 30dB 이상의 소멸비를 보이는 두 도파로의 비대칭()은 0.0065로 커지고, 결합세기조절층의 굴절율의 공차()는 0.0041로 작아지는 것을 알 수 있다.

바상태(b)의 경우도 같은 경향을 보이는 것을 볼 수 있으며 30dB 이상의 소멸비를 가지는 두 도파로의 굴절율의 비대칭과 결합세기조절층의 공차는 최대 소멸비를 보이는 값을 중심으로 각각는 0.0022이고,는 0.0092이다.

도 13은 스위칭 작용을 유도하기 위하여 필요한 코어의 굴절율의 변화가 0.03일 때 크로스상태와 바상태에 대한 각 층의 굴절율, 소자길이 그리고 소멸비 를 도시하고 있다.

도 13에서 크로스상태에서 바상태로 스위치 작용을 유도하기 위하여 요구되는 결합세기조절층의 굴절율 변화, Δn_ci=n_ci,cross-n_ci,bar=0.017로 세 경우 중 가장 작다.

전술한 두 경우 보다 강하게 두 도파로가 결합된 구조이므로 크로스상태와 바상태의 최대 소멸비를 가지기 위한 두 도파로 코어 사이의 굴절율의 비대칭은 각각 Δn_asy,cross=n_b,cross-n_a,bar=0.03과 Δn_asy,bar=n_b,bar(1)-n_a,bar(1)=0.012로 증가한 것을 알 수 있다. 그러므로 크로스상태와 바상태의 제1도파로의 최대 굴절율 차이 , Δn_asy,max=n_a,bar(2)-n_a,cross=0.03으로 증가하였다.

또한, 전술한 두 경우보다 강하게 결합된 구조이므로 30dB 이상의 소멸비를 얻을 수 있는 크로스상태와 바상태의 코어의 굴절율의 공차,는 각각 0.014와 0.0025로 증가한 것을 알 수 있다.

반면, 크로스상태와 바상태에 대한 결합세기조절층의 굴절율의 공차,는 각각 0.0035와 0.0074로 가장 작은 것을 확인할 수 있다

수직 방향성 결합기의 경우 결합세기조절층의 두께가 커지면 결합길이가 길어지고, 30dB 이상의 소멸비를 가지기 위한 두 도파로 코어층 사이의 굴절율의 비대칭이 작아진다. 그러나 30 dB 이상의 소멸비를 보이는 도파로 코어층의 굴절율의 공차가 작아진다.

본 발명의 실시예에서는 결합세기조절층의 굴절율 변화에 의하여 스위칭 작용을 유도하기 때문에, 결합세기조절층의 두께는 스위치 특성에 큰 영향을 미치는 것을 예측할 수 있으므로 그 두께를 달리하여 계산을 수행한다.

도 11를 참조하면, 결합세기조절층의 두께가 0.7 ㎛일 때 결합세기조절층의 굴절율 함수로 계산한 30dB 이상의 소멸비를 가지는 바상태의 소자길이(=2l_c)와 크로스상태의 소자길이(=3l_c) 중에서 스위치 작용을 유도하기 위한 결합세기조절층의 굴절율의 변화 범위가 1%이내에 있는 영역을 자세하게 도시한 도면이다.

결합세기조절층의 두께가 0.6㎛인 경우와 비교하면, 같은 결합세기조절층의 굴절율 값에서 결합세기조절층의 두께가 증가하여 약하게 결합된 도파로 구조이므로 결합길이가 길어졌으며 30dB 이상의 소멸비를 가지는 두 상태 사이의 스위칭시 필요한 코어의 굴절율의 변화가 크게 감소한 것을 알 수 있다.

결합세기조절층의 굴절율을 변화시키지 않고 두 도파로 코어의 굴절율의 변화에 의하여 결합 길이를 변화시켜 스위칭 작용을 유도하는 경우 두 코어 사이의 간격을 넓게하여 두 도파 모드간의 결합계수를 작게하면 소자의 길이(결합길이)가 길어지며, 스위치 작용을 유도하기 위한 두 도파로 코어층의 굴절율 변화의 값이 작아진다.

또한 두 도파로 코어의 굴절율층의 변화는 높은 소멸비를 얻는데 이용하고 결합세기조절층의 굴절율을 변화시키어 스위칭 작용을 유도하는 경우, 도 10과 도 14의 비교를 통하여 알 수 있듯이, 스위칭 작용을 유도하기 위하여 필요한 같은 Δn_ci의 값에 대하여 결합세기조절층의 두께가 큰 경우 소자의 길이가 더 길어지는 것을 알 수 있다. 즉, Δn_ci가 0.03 일 때 결합세기조절층의 두께가 0.6 ㎛인 경우 소자의 길이가 75㎛이었으나, 0.7 ㎛인 경우는 96㎛로 증가한다. 그러나, 결합세기조절층의 굴절율이 3.22일 때 스위칭 작용을 유도하기 위하여 요구되는 결합세기조절층의 굴절율의 변화값은 두께가 0.6㎛인 경우는 0.025였으나 0.7 ㎛인 경우는 0.028로 커졌다.

이러한 현상은 스위치 소자의 길이는 길어졌지만 두 도파로 코어의 간격이 커지면서 두 도파 모드간의 결합계수가 작아져 스위칭 작용을 유도하기 위하여 필요한 결합세기조절층의 굴절율 변화 값이 증가하는 것에 기인한다.

결합세기조절층의 두께가 스위치 작용을 유도하기 위하여 요구되는 결합세기조절층의 굴절율의 변화 Δn_ci와 높은 소멸비를 보이는 두 코어의 굴절율의 비대칭 값 Δn_asy에 영향을 준다.

그러나, Δn_ci는 결합세기조절층의 두께에 관계없이 구현 가능한 값이 항상 존재한다. 또한, 결합세기조절층의 두께가 0.5㎛ 이하가 되면 는 실제 구현 가능한 값인 0.03보다 커지므로 설계시 주의하여야 한다.

[표 2]는 스위치 작용을 유도하기 위하여 필요한 결합세기조절층의 굴절율의 변화 값, Δn_ci이 0.03일 때, Δn_ci와 스위칭 작용을 유도하기 위하여 필요한 코어층의 굴절율 변화가 같은 값을 가질 때, 그리고 Δn_asy가 캐리어 주입에 의하여 가능한 최대값인 0.03인 세 가지 경우에 대하여 결합세기조절층의 두께를 다르게 하여 계산한 30dB 이상의 크로스상태와 바상태 소멸비를 보이는 결합세기조절층의 굴절율과 도파로 코어 굴절율의 공차에 대한 계산 결과이다.

	t[㎛]	Δnci=0.03	Δnci=Δnasy	Δnasy=0.03
	0.5	0.0029
	0.6	0.0019	0.0021	0.0026
	0.7	0.0015	0.0016	0.0026
	0.5	0.0047
	0.6	0.0046	0.004	0.0035
	0.7	0.0046	0.0037	0.003

바상태인 경우가 크로스상태인 경우보다 결합세기조절층의 굴절율이 작으므로 결합세기조절층에 대한 공차는 후자가 더 작으나 두 도파로 코어에 대한 공차는 전자가 더 작다. 따라서, [표 2]에서 결합세기조절층에 대한 공차는 크로스상태에대한 것이고 도파로 코어에 대한 공차는 바상태에 대한 것이다.

[표 2]에서 볼 수 있듯이, 두 공차가 각각의 경우에 대하여 두께가 감소할수록 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 결합세기조절층의 두께(t)가 0.5 ㎛인 경우는 Δn_ci=0.03인 결합세기조절층의 굴절율의 값과 Δn_asy=0.03인 결합세기조절층의 굴절율 값이 거의 일치하였다.

따라서, 30dB 이상의 소멸비를 얻을수 있는 결합세기조절층과 코어의 굴절율의 공차를 크게 하기 위해서는 결합세기조절층의 두께를 0.5 ㎛로 하여 설계하여야 함을 알 수 있다.

전술한 바상태의 스위칭 동작을 유도하는 다른 방법으로는, 제 1 영역의 제 1 도파로와 제 2 도파로의 굴절율이 요구되는 비대칭값을 가지도록 조절하고 제 2 영역의 제 1 도파로와 제 2 도파로는 동일한 굴절율(또는 작은 차이의 굴절율값)을 가지도록 조절하거나, 또는 이와 반대로 제 1 영역의 제 1 도파로와 제 2 도파로의 굴절율은 동일한 값을 가지도록 하고 제 2 영역의 제 1 도파로와 제 2 도파로의 굴절율은 요구되는 비대칭값을 가지도록 한다.

도 9내지 도 14의 계산 결과에 의하면, 결합세기조절층의 굴절율이 클수록 소자의 길이는 작아지며 스위칭 작용을 유도하기 위하여 요구되는 결합세기조절층의 굴절율 변화가 작고, 결합세기조절층의 굴절율이 클수록 두 도파로간 굴절율의 비대칭값이 증가한다.

또한, 결합세기조절층의 굴절율이 커질수록 두 도파로간 비대칭 굴절율값의공차는 증가하고 결합세기조절층의 공차는 감소한다.

한편, 결합세기조절층의 두께(두 도파로 코어층 사이의 간격)가 작아질수록 동일한 결합세기조절층의 굴절율에 대하여 소자의 길이는 작아지며 또한 스위칭 작용을 유도하기 위한 결합세기조절층의 굴절율의 변화값은 감소한다.

그리고, 결합세기조절층의 두께가 작아질수록 스위칭 작용을 유도하기 위한 코어층의 굴절율의 변화가 증가하여 0.5㎛이하가 되면 0.03 이상이 되어 소자 구현이 매우 어려우므로, 결합세기조절층의 두께는 0.5㎛이상이 되어야 한다.

또한, 결합세기조절층의 두께가 작아질수록 30㏈ 이상의 소멸비를 보이는 코어층의 굴절율의 공차는 커지고, 30㏈ 이상의 소멸비를 보이는 결합세기조절층의 굴절율의 공차는 증가한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명은 수직 결합영역을 두 개의 영역으로 구분하고, 결합영역에서 두 도파로간 굴절율의 대칭값 및 비대칭값을 조절하므로써, 30dB 이상의 소멸비를 가지며 크로스상태와 바상태를 모두 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 100 ㎛ 이하의 길이를 가지는 두 개의 영역으로 구성된 수직 방향성결합기에서 안쪽 클래딩층(결합세기 조절 층)과 도파로 코어의 굴절율 변화를 유도하여 소자의 끝단에서 30dB 이상의 소멸비를 가지는 크로스상태와 바상태를 모두 구현할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 100㎛ 이하의 매우 짧은 길이를 가지므로 30dB 이상의 소멸비를 보이는 2X2의 단위 스위칭 소자로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 고속의 광통신망을 구축하기 위한 집적된 대용량의 광스위치에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

1. 수직 방향성 결합기 광스위치에 있어서,

   제1도파로와 제2도파로 사이에 삽입되어 결합길이를 변화시키는 결합세기조절층을 갖는 상기 제1,2도파로의 수직 결합영역이 독립적으로 굴절율 조절이 가능한 n(n=2,3,4,...)개의 영역으로 구분되어, 상기 결합영역의 끝단에서 크로스상태와 바상태의 스위칭 동작시 30dB보다 큰 소멸비를 얻는 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1, 2 도파로 및 상기 결합세기조절층은 전류주입이나 전기광학효과에 의하여 각각 독립적으로 굴절율이 조절되는 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 n개의 영역은 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율이 비대칭인 영역과 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율이 대칭인 영역의 조합에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 n개의 영역은 상기 제 1,2 도파로간 굴절율이 비대칭인 영역이 n개 이루어진 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 결합세기조절층은 0%∼1% 범위내에서 굴절율이 변화되는 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 결합세기조절층의 변화된 굴절율값은 3.17∼3.33인 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 결합세기조절층은 0.1㎛∼1㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
8. 수직 방향성 결합기 광스위치에 있어서,

   제1도파로와 제2도파로 사이에 삽입되어 결합길이를 변화시키는 결합세기조절층을 갖는 상기 제1,2도파로의 수직 결합영역이 독립적으로 굴절율 조절이 가능한 제1,2영역으로 구분되어, 상기 결합영역의 끝단에서 크로스상태와 바상태의 스위칭 동작시 30dB보다 큰 소멸비를 얻는 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 결합영역 중 상기 제 1 영역은 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율이 비대칭이고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율이 대칭인 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 결합영역 중 상기 제 1 영역은 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율이 대칭이고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율이 비대칭인 것을 특징으로 하는 수직 방향성 결합기 광스위치.
11. 제 8 항의 제1,2 영역으로 이루어진 결합영역, 제 1, 2 도파로 및 결합세기 조절층을 구비한 광스위치의 스위칭 구동 방법에 있어서,

    상기 제 1, 2 도파로 및 결합세기 조절층의 굴절율을 각각 독립적으로 변화시켜 상기 제 2 영역의 끝단에서 30dB보다 높은 소멸비를 가지는 크로스상태와 바상태의 스위칭 동작을 유도하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 광스위치의 스위칭 구동 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 크로스상태의 스위칭 동작을 유도하는 단계는,

    상기 제1영역의 상기 제 1 도파로 및 제 2 도파로의 굴절율은 동일하게 하고, 상기 제2영역의 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율의 비대칭 정도를 조절하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광스위치의 스위칭 구동 방법.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 바상태의 스위칭 동작을 유도하는 단계는,

    상기 제 2 영역의 제 1 도파로의 굴절율, 상기 제 1 영역의 제 2 도파로의 굴절율 및 상기 제 2 영역의 제 2 도파로의 굴절율을 동일하게 하고, 제 1 영역의제 1, 2 도파로간 굴절율의 비대칭 정도를 조절하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광스위치의 스위칭 구동 방법.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 크로스상태의 스위칭동작을 유도하는 단계는,

    상기 결합세기조절층의 굴절율이 클수록 상기 제 1, 2 도파로간 굴절율 비대칭 정도를 크게 하는 것을 특징으로 하는 광스위치의 스위칭 구동 방법.
15. 제 11 항에 있어서,

    상기 제 1, 2 도파로 및 결합세기 조절층의 굴절율은 전류 주입 또는 전기광학 효과에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 광스위치의 스위칭 구동 방법.