KR100488847B1 - 광학 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 내부에 집적되며, N 입력 광학적 자유 공간 요소(181-183)를 갖는 N 입력 채널(74-76) 및 중간의 광학적 자유 공간 요소(151) 및 상기 입력 광학적 자유 공간 요소(181-183)로부터 수신된 광 파를 상기 중간의 자유 공간 요소(151)로 투사하기 위해 조절가능한 투사 특성을 갖는 N 입력 동조가능한 공학 렌즈(152-154)를 포함하는 광학 스위치(70)에 관한 것이다. 상기 스위치는 M 출력 광학적 자유 공간 요소(77-79)를 갖는 M 출력 채널(190-192) 및 상기 중간의 자유 공간 요소(151)로부터 광 파를 포획하여 이 광 파를 상기 M 출력 광학적 자유 공간 요소(77-79)로 전송하기 위한 조절가능한 수신 특성을 갖는 M 출력 동조가능한 광학 렌즈(155-157)를 더 포함한다.

Description

광학 스위치{FREE-SPACE NON-BLOCKING SWITCH}
본 발명은 광학 스위치에 관한 것이며, 특히 비차단 자유 공간 스위치(a non-blocking free-space switch)에 관한 것이다.
실리콘 기반 전자 환경에서 광배선(optical wiring)을 사용하는 것은, 속도 및 복잡성, 집적 밀도가 증가함에 따라, 점점 인기가 높아지고 있다. VLSI(Very Large Scale Integrated) 실리콘(Si) 기술과 양립하는 광학 및 광전자 디바이스의 개발에 대한 동기는 점점 강해지고 있다. 큰 면적 저비용 실리콘 웨이퍼 기술(Large-area and low-cost Si wafer technology)는 광 유도된 파 디바이스(photonic guided-wave devices)에 이상적인 기반을 제공한다. 또한, 성장한 Si 프로세싱 기술, 마이크로머시닝 기술, 실리콘-온-절연체(SOI) 및 헤테로에피택시는 마이크로-광학 디바이스 및 하이브리드 광전자 장치와 같은 복잡한 광학 구조물을 제조하는데 사용될 수 있다. 주류의 Si 집적 회로 기술과의 양립성은 오늘날의 전자 IC가 될 모놀리식 Si 기반 광전자 집적 회로의 저비용의 신뢰할만한 제조를 보장한다.
통상적인 트랜지스터와 같은 광학 스위치는 광 유도된 파 디바이스의 필수 구성 요소이다. 광학적 스위칭은 가령 원격 통신망(a telecommunication network) 내의 광학 경로를 재배열하는데 필요하다.
대부분의 광학 스위치는 기계적으로 발동되는 하나 이상의 요소를 갖는다. 이러한 종류의 스위치는 광기계적 스위치로 지칭된다. 통상적인 실례는 "E.Lowe, IEEE Commun.Mag., Vol.36,pp 46-50, 1998"의 "Current European WDM deployment trends" 및 "M.Hoffmann et al., Electron.Lett.,Vol.34 ,pp. 207-208, 1998"의 "All-silicon bistable micro mechanical fiber switches"에서 개시된다.
광기계적 스위치보다 부피가 덜 나가고 보다 신뢰할만한 광학 스위치를 갖는 것이 바람직하다. N*M 광학 스위치를 구축하기 위한 종래 방법은 다수의 단순한 2*2 광학 스위칭 요소들을 캐스캐이드하는 것이며, 여기서 이들 2*2 스위치들 각각은 하나 또는 두 개의 동조가능한 Mach-Zehnder 간섭계로 구성된다. 이러한 스위치의 실례는 "T.Goh,M.Yasu, K.Hattori, A. Himeno,M. Okuno and Y.Ohmori,IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, NO.6, June 1998"의 "Low-Loss and High-Extinction-Ratio Silica-Based Strictly Nonblocking 16*16 Thermooptic Matrix Switch"에 개시된다. 1*N 또는 N*1 스위치를 실현하기 위해 빔-스티어링(beam-steering)을 사용하는 제 2 방법은 "E.Fluck et.al, IEEE Photonics Techn.Lett., Vol.11, No.11, pp. 1399-1401, November 1999"의 "Compact Versatile Thermooptical Space Switch Based on Beam Steering by a Waveguide Array"에서 개시된다. 이러한 집적된 광학 스위치는 알려진 어레이된 도파관 그레이팅(arrayed waveguide grating) 파장 멀티플렉서와 유사하다. 그것은 다수의 입력 도파관, 채널 도파관의 어레이에 대해 입력 광을 분할하는 스타 커플러(star coupler), 어레이로부터의 광을 출력 도파관 중의 하나로 재포커싱(refocuse)하는 제 2 스타 커플러로 구성된다. 입력 측에서의 어레이 도파관들에는 동조가능한 렌즈가 구비되어 있다. 위상 분포를 조절함으로써 광이 어느 출력 도파관으로 포커싱되는지를 결정할 수 있다. 이는 바람직한 출력 채널로 입력 신호를 스위칭하는 것을 가능하게 한다. 이러한 IEEE 공보들은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 발명의 목적은 제조하기에 간단하고 저렴하며 스위칭하는 마찰 손실이 없이 광 경로를 신속하게 스위칭하는 스위치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기판 상에서 다른 구성 요소(가령, 광학 구성 요소)와 함께 집적될 수 있는 스위치를 제공하는 것이다.
발명의 개요
본 발명은 광학 스위치 및 상기 광학 스위치를 하나 이상 포함하는 데이터 전송 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 스위치는 입력 광학적 자유 공간 요소(input optical free space element)를 갖는 입력 채널, 중간의 광학적 자유 공간 요소, 상기 입력 광학적 자유 공간 요소로부터 수신된 광 파(a light wave)를 상기 중간의 광학적 자유 공간 요소로 투사하기 위해 조절가능한 투사 특성을 갖는 입력 동조가능 광학 렌즈를 포함한다. 또한, 스위치는 출력 광학적 자유 공간 요소를 갖는 출력 채널, 상기 중간의 자유 공간 요소로부터 수신된 광 파를 포획하여 상기 포획된 광 파를 상기 출력 광학적 자유 공간 요소로 공급하기 위해 조절가능한 수신 특성을 갖는 출력 동조가능 광학 렌즈를 포함한다.
본 발명은 다음 도면을 참조하여 이하에 기술될 것이다.
도 1a-1f는 본 발명에 따른, 리지 도파관 구조물(a ridge waveguide structure)의 제조를 설명하는 개략적 단면도의 일련의 도면,
도 2a는 본 발명에 따른, 동조가능 광학 렌즈의 개략적 평면도,
도 2b는 본 발명에 따른, 입력 광학적 자유 공간 요소의 개략적 평면도,
도 2c는 본 발명에 따른, 출력 광학적 자유 공간 요소의 개략적 평면도,
도 3a-3b는 본 발명에 따른, 제 1 스위치의 개략적 평면도,
도 4는 본 발명에 따른, 제 2 스위치의 개략적 평면도,
도 5는 본 발명에 따른, 제 3 스위치의 개략적 평면도,
도 6은 본 발명에 따른, 제 4 스위치의 개략적 평면도,
도 7은 본 발명에 따른, 제 5 스위치의 개략적 평면도,
도 8은 본 발명에 따른, 제 6 스위치의 개략적 평면도,
도 9는 본 발명에 따른, 제 7 스위치의 개략적 평면도.
본 발명의 상이한 실시예들이 기술되기 전에, 본 발명에 따른, 기본 요소들 및 구축 블록 뿐만 아니라 하부에 존재하는 집적된 평면 도파관 기술이 설명된다.
본 스위치는 실리콘옥시나이트리드(SiON), InP와 같은 Ⅲ-Ⅴ 반도체, 실리카 (SiO2) 유리, 리튬니오베이트, 폴리머를 포함하는 다양한 물질계로 구현될 수 있다.
광 파를 스위치로 그리고 스위치로부터 멀어지게 인도하는 광학 도파관이 사용된다. 광학 도파관은 통상적으로 어느 정도 높은 귤절율을 갖는 물질로 된 코어 및 낮은 굴절율 물질로 된 클래딩을 포함한다. 코어 및 클래딩은 도핑된 실리카 유리로 제조될 수 있으며, 여기서 필요한 굴절율 차이는 적당한 도핑 프로파일에 의해 성취된다. 매쓰(mass)를 생성하기 위해, 실리콘 웨이퍼(가령, 4 인치 실리콘 웨이퍼)와 같은 반도체 기술 양립성 기판 상 또는 유리 기판 상에 도파관들을 제조하는 것이 바람직하다. 이로써, 평면 도파관 또는 집적된 평면 도파관으로 지칭되는 구조물이 생성된다. 평면 도파관 기술에 대한 설명은 "Y.P.Li, C.H.Henry, IEE Proc. Optoelectron. Vol. 143, No. 5, pp.263-280, October 1996"의 "Silica-based optical integrated circuits"에서 주어진다.
클래딩이 1.45의 굴절율을 갖는 실리카로 구성된다면, 코어는 이 보다 높은 굴절율(가령, 약 1.5)의 물질이 되는 것이 바람직하다. 굴절율이 높을수록 디바이스는 작아지지만, 보다 높은 손실은 파이버 대 칩 커플링(fiber-to-chip coupling) 등을 더 어렵게 한다. SiON이 코어로 선택될 수 있는데 그 이유는 상기 물질의 굴절율이 이 물질의 질소 농도를 변화시킴으로써 광범위에 걸쳐 조절될 수 있기 때문이다. 도파관으로 SiON의 사용의 실례는 미국 특허 5,416,861에 개시된다.
"K.E.Mattsson in J.Appl.Phys.77, No.12,15 June 1995,pp. 6616-6623"의 "Plasma-enhanced growth, composition and refractive index of SiON films"에서, 굴절율을 변화시키기 위한 SiON 내에서의 질소 농도의 변화가 조사되어 있다.
성분 SiO2 및 Si3N4 의 혼합물로부터 생성되는 SiOXNY 의 특징은, 상기 생성된 물질이 비정질 구조물이며 상기 성분들이 전체의 가능한 범위에 걸쳐 서로 혼합가능하다는 것이다. 도파관 코어의 통상적인 조성물은 SiO1.9N0.08 이다.
제조 기술은 플라즈마 여기된 화학 기상 증착(PECVD)을 사용하여 SiON을 증착하는 것이다. 그러나, 이렇게 생성된 물질은 큰 수소 농도를 갖는다. 수소는 하이드록실 그룹, Si-H 그룹 및 NH- 및 NH2- 분절의 형태로 포함된다. 이러한 그룹 및 분절은 추가적인 흡수를 SiON의 광학 전송 특성에 도입시킨다. NH 유도된 흡수 밴드의 제 1 오버톤(over-tone)은 1505 nm에서 존재하며, 광학 신호 전송을 위해 사용되며 1540nm에서 1570nm까지 연장되는 스펙트럼 창(이후부터는 광학 전송 창으로 지칭됨)과 중첩한다. 이 창은 실리카 유리가 이 창에서 그의 최저 흡수를 가지고 에브븀 도핑된 광학 증폭기가 이 창에서 최대 선형 증폭의 범위를 가진다는 사실("P.Urquhart, IEE Proc. Vol.135,Pt.J,No.6,pp 385-407, December 1988"의 "Review of rare earth doped fiber lasers and amplifiers"으로부터 알 수 있음)로 인해 광학 전송을 위해 선택된다.
이러한 흡수는 성장할 수 있는 생성물에 대해 종종 허용될 수 없을 정도로 큰 손실을 야기한다. NH 농도는 주위의 매체와의 자연스러운 교환으로 인해 시간 및 습도와 함께 증가할 수 있다. 수소 농도 및 이와 함께 발생하는 흡수 손실은 "B.Offerin et al. in Proceedings 1996 Symposium of the IEEE/LEOS Benelux Chapter, Enschede, pp.290-293"의 "High contrast and low loss SiON optical waveguides by PECVD" 에서 개시된 고온 어닐링 프로세스에 의해 일반적으로 감소될 수 있으며, 상기 프로세스는 물질을 고체화하며 물과 암모니아를 기화시킴으로써 수소 농도를 감소시킨다. 상기 문헌은 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 질소 원자는 그들의 이웃하는 원자들을 두 개의 실리콘 원자 및 하나의 수소 원자로부터 세 개의 실리콘 원자까지 변경시킨다. 그러나 이러한 손실은 오직 어느 정도까지만 감소될 수 있는데, 이는 보다 긴 어닐링 시간은 결정화 또는 상 분리로 기인되는 추가적인 산란 중심을 생성하기 때문이다. SiON에서 수소량을 감소시키는 다른 방법은 "Dianov et al. in Journal of lightwave technology, Vol. 13, No.7, July 1995"의 "Low-Hydrogen Silicon Oxynitride Optical Fibers Prepared by SPCVD"에서 개시된다.
적합한 SiON 물질의 특별한 부류가 국제 공보 번호 WO 99/44937의 계류중인 PCT 특허 출원 PCT/IB98/01017에 개시된다. 현재적으로 본 출원의 양수인에게 양수되는 이 PCT 특허 출원은 참조로서 인용된다.
다음 실시예들은 광학적 망(optical network)을 위한, 저비용 실리카 온 실리콘 집적된 평면 광파 구성 요소들을 제조할 수 있는 IBM의 높은 굴절율 차이를 갖는 실리카 온 실리콘 집적된 평면 도파관 기술과 관련되어 설명될 것이다. 이 집적된 평면 도파관 기술은 SiON 및 SiO2 에 의해 형성된 도파관으로 성취될 수 있는 큰 효율적인 굴절율 차이를 이용한다. 이는 작은 벤딩 반경(small bending radius)을 갖는 도파관의 실현을 가능하게 하며 이로써 상당한 디바이스 소형화를 가능하게 한다.
높은 굴절율 차이의 실리카 온 실리콘 기술의 세부 사항은 "G.L.Bona et al.,Opt.Eng.Vol.37, pp 3218-3228,1998" 의 "Wavelength division multiplxed add/drop ring technology in corporate backbone networks"에서 설명된다. 상기 문헌은 본 명세서서 참조로서 인용된다.
본 명세서에서 용어 "도파관 어레이"는 채널 도파관들의 어레이를 의미한다. 리지 도파관(이른바 스트라이프 도파관:stripe waveguide) 구조물, 매립형 도파관 구조물 및 임의의 다른 구조물은 본 발명과 연관되어 사용되기에 매우 적합하다. 어레이 도파관에 대해, 다수의 상이한 형상 및 기하 구조가 적용될 수 있다. 도면에서, 명료성을 위해 오직 직선형 도파관 채널을 갖는 도파관 어레이만이 도시된다. 대부분의 실제적인 애플리케이션에서는, 이들 도파관 채널은 가령 도 9에 도시된 바처럼 구부려져 있다.
용어 "채널"은 다중파장 길이 파를 운반하는 통신 링크의 하나의 특정한 링크를 지칭한다.
광학적 자유 공간 요소는 광이 횡적으로 감금되지 않는 자유 전파 공간을 갖는다. 광은 입력 도파관(본 명세서에서는 입력 채널로 지칭됨) 또는 입력 도파관 어레이로부터 상기 광학적 자유 공간 요소로 투사될 수 있다. 광학적 자유 공간 요소는 본 문서에서 자유 전파 영역(FPR)으로 지칭된다. 본 명세서에서 입력 광학적 자유 공간 요소, 중간의 광학적 자유 공간 요소, 출력 광학적 자유 공간 요소 들간의 구별을 한다. 이러한 구별은 스위치들의 상이한 구성 요소들, 이들의 구성, 그들의 기능을 보다 양호하게 기술하기 위해 단지 도입되는 인위적인 구별이다.
본 명세서에서 사용되는 "동조가능한 렌즈"는 도파관 어레이 이외에 위상 시프터(가령, 히터(heater))를 포함한다. 이러한 동조가능한 렌즈는 통상적인 렌즈가 하는 바처럼, 제 1 광학적 자유 공간 요소(가령, 입력 광학적 자유 공간 요소) 내에서 전파하는 발산 또는 평행 빔을 취하여 이 빔을 제 2 광학적 자유 공간 요소 내에서 평행 또는 수렴 빔으로 변형시킨다. 본 설명에서, 제 1 광학적 자유 공간 요소 및 제 2 광학적 자유 공간 요소 간의 모든 것이 동조가능한 렌즈를 구성한다.
도파관 어레이의 포커싱 특성 및 파장 의존성은 도파관 어레이 내의 도파관들의 상대 효율 광학 길이들에 의해 결정된다. 이러한 효율적인 광학 길이는 효율적인 굴절율 및 도파관의 물리적 길이에 의해 결정된다. 이는 위상 시프터(가령, 히터)를 사용하여 세밀하게 동조될 수 있다.
이산적인 다수의 위상 시프터를 이산적인 다수의 서브 파들(sub-waves)에 인가하는, 도파관 어레이에 의한, 연속적인 위상 변조를 연속적인 파면에 인가하는, 통상적인 렌즈의 대체는 초과 손실 및 의사 회절된 광 빔(spurious diffracted light beams)을 초래한다. 이러한 효과 및 이를 최소화하기 위한 방법은 AWG 설계 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 일반적으로, 어레이가 보다 많은 도파관으로 구성될수록, 그것은 연속 렌즈에 보다 양호하게 근사화되고 상기 부작용은 보다 중요하지 않게 된다. 그러나, 어레이가 보다 많은 도파관으로 구성됨과 함께, 동조가능한 렌즈를 제어하기 위해 보다 많은 위상 시프터(가령, 히터)가 필요하다.
이는 도파관에서의 의사 위상 오차를 보정하기 위해 히터를 필요로 하는 본 명세서에 기술된 SiON 기술에 대해 적용된다. 그러나, 상기 위상 오차 없이, 매우 양호하게 제어된 기술을 사용한다면, 오직 두 개의 히터만을 채용하는 것이 가능한데, 한 히터는 선형 위상 그레이디언트(linear phase gradients)(스티어링)를 인가하고, 다른 히터는 많은 어레이 도파관과 함께 정방형 위상 그레이디언트(quadratic phase gradients)(초점 거리)를 인가한다.
동조가능한 렌즈는 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 통상적인 실례는 도파관 어레이의 몇몇 도파관 또는 모든 도파관에 대해 개별적으로 동조가능한 히터를 포함하는 동조가능한 렌즈이다. 어떤 상황 하에서는, 도파관 당 하나 이상의 히터를 채용하는 것이 바람직하다.
히터를 조절함으로써, 자유 공간 요소로 방사되는 광 빔의 투사 특성을 제어할 수 있다. 구현에 따라서, 초점(초점 거리) 또는 광 방사의 방향(스티어링)을 조절할 수 있거나 동시에 둘 다 조절할 수도 있다. 선형 위상 그레이디언트는 방사된 광의 위상면(phase front)의 기울기(tilting)(스티어링)를 생성한다. 정방형 또는 보다 높은 오더의 위상 그레이디언트로 광 파의 초점 거리를 변화시킬 수 있다. 달리 말하면, 상기 동조가능한 렌즈는 투사 특성의 열광학적 제어를 허용한다.
영향을 받을 도파관에 밀접하게 배치된 크롬 패드 또는 라인을 포함하는 히터가 매우 적합하다. 알루미늄 리드(lead)는 크롬 패드 또른 라인을 통한 전류를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 전류 또는 전압 소스는 개별적 히터들을 구동하기 위해 사용된다. 상기의 전류 또는 전압 소스 및 다른 요소/회로는 히터 스티어링 유닛의 일부가 될 수 있다. 상기 히터 스티어링 유닛은 각각의 히터 세팅을 저장하는 마이크로컴퓨터 및 메모리를 포함할 수 있거나, (가령, 컴퓨터 인터페이스를 통해) 스위치 제어 박스 또는 컴퓨터에 접속될 수 있다. 스위치 제어 박스는 스위치의 입력 측 상에서 수신된 패킷 또는 프레임으로부터의 라우팅 또는 스위칭 정보(접속 정보)를 획득/추출하거나, 상기 접속 정보는 다른 시스템으로부터 수신된다. 다음에, 각각의 접속은 히터 스티어링 유닛 및 입력 및 출력 동조가능한 렌즈를 통해 스위치/광학 칩 내부에서 확립된다.
다양한 스위치 상태들에 대응하는 최적 히터 세팅을 찾기 위해, 반복하는 최적화 절차를 사용할 수 있다. "Cambridge,Cambridge Univ.Press,pp.683-688,1988"의 "Numerical Recipes in C:The Art of Scientific Computing"에서 기술된 Levenberg-Marquard 알고리즘이 매우 적합하다. 각각의 히터 세팅은 스위치 상태를 변경시키기 위해 필요될 때 조회될 수 있도록 저장될 수 있다. 이러한 재구성은 ms 범위로 행해질 수 있다.
마이크로미케니컬 온-칩 요소(Micromechanical on-chip elements)는 동조가능한 렌즈를 실현하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 상세한 구현이 기술되기 전에, 본 발명에 따른 스위치의 기본 구성 요소 및 그의 동작이 설명된다.
본 발명에 따른 스위치의 기본 요소는 입력 광학적 자유 공간 요소, 입력 동조가능한 렌즈, 중간의 광학적 자유 공간 요소, 출력 동조가능한 렌즈, 출력 광학적 자유 공간 요소들이다.
스위치를 통한 접속 경로는 다음과 같다. 입력 채널로부터의 광이 입력 광학적 자유 공간 요소로 방사되고 횡적으로 발산하는 빔이 된다. 이러한 발산 빔은 제 1 동조가능한 렌즈(도파관 어레이 및 히터)에 의해 픽업(pick-up)되고 중간의 광학적 자유 공간 요소 내에서 평행 또는 수렴 빔으로 변형된다. 상기 중간의 광학적 자유 공간 요소의 끝부분에서, 빔은 (초점을 지나) 여전히 평행하거나 다시 발산하게 된다. 이러한 평행 또는 발산 빔은 제 2 동조가능한 렌즈(제 2 도파관 어레이 및 히터)에 의해 픽업되고 출력 광학적 자유 공간 요소 내에서 수렴 빔으로 변형된다. 상기 요소에서의 초점의 위치는 출력 도파관의 시작점과 일치하도록 조절된다. 다음에, 광은 상기 출력 도파관으로 결합되고 이를 통해 스위치를 떠난다.
N*N 스위칭 기능성은 중간의 광학적 자유 공간 요소 내에서 빔의 방향을 스티어링하기 위해 상기 입력 동조가능한 렌즈를 조절함으로써 획득된다. 다수의 상이한 세팅에 대해, 상기 빔은 다수의 상이한 출력 동조가능한 렌즈들의 방향으로 향하게 될 수 있다. 동일한 방식으로, 출력 동조가능한 렌즈는, 다수의 상이한 세팅에 대해, 상이한 입력 동조가능한 렌즈로부터의 빔이 출력 도파관 어레이의 도파관으로 투사되도록, 조절될 수 있다.
소정 입력 도파관 P 및 소정 출력 도파관 Q 간의 최적 링크는, 오직 a) 입력 동조가능한 렌즈 P가 출력 동조가능한 렌즈 Q의 방향으로 전송된 빔을 향하도록 세팅되며, b) 출력 동조가능한 렌즈 Q가 입력 동조가능한 렌즈 P로부터의 빔을 출력 도파관 Q로 포커싱하도록 세팅되며, c) c1) 입력 동조가능한 렌즈 P의 초점 거리가 중간의 광학적 자유 공간 요소 내의 평행 빔을 전송하도록 세팅되고 출력 동조가능한 렌즈 Q는 상기 평행 빔을 상기 출력 도파관으로 재포커싱하도록 세팅되거나, 또는 c2) 입력 동조가능한 렌즈 P의 초점 거리가 입력 동조가능한 렌즈 및 출력 동조가능한 렌즈 간의 반절 거리의 중간의 광학적 자유 공간 요소 내의 초점을 갖는 수렴 빔을 전송하도록 세팅되고 출력 동조가능한 렌즈 Q는 상기 초점 후방의 발산 빔을 출력 도파관으로 재포커싱하도록 세팅될 때에만, 성취된다.
동조가능한 렌즈의 방향 및 초점 거리가 상술된 시나리오와 약간 차이가 발생한다면, 어느 정도의 커플링이 여전히 존재할 것이지만, 보다 작아진 최적 커플링 효율을 가질 것이다. 이는 전력 조절을 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 스위치의 중요한 광학적 특성은 전송 손실, 출력 채널 손실 균일성, 채널 분리 등이다. 고정된 도파관 기술의 경우, 스위치의 특성을 조절하기 위해 사용될 수 있는 자유로운 설계 파라미터가 본 기술의 당업자에게 알려져 있다. 해석적이며 수치적인 모델링 또는 시뮬레이션 툴이 본 발명에 따른 스위치를 설계할 때 사용될 수 있다. 이러한 절차는 표준 AWG 디바이스를 설계할 때 사용되는 것과 동일한 고려 사항들을 따른다.
리지 구조물을 갖는 도파관의 예시적인 단면도가 도 1f에 개략적으로 도시된다. 제조를 위해서는 도 1a-1f에서 도시된 바처럼 상이한 단계들이 필요하다. 실리콘 기판(20)(가령 Si 웨이퍼)가 열적으로 산화되어 도 1a에 도시된 바처럼 SiO2 층(21)(하부 클래딩으로 지칭됨)이 형성된다. 다음 단계에서, SiON 코어(22)가 PECVD 프로세스에 의해 성장된다. 이 PECVD 단계의 결과적인 구조물이 도 1b에 도시된다. 전체 구조물(20,21,22)은 어닐러(annealer) 내에서 어닐링되어 N-H 결합에 의해 유발되는 흡수 손실을 줄인다. Tempress System TS-6304가 어닐로로서 사용될 수 있다. 도 1c에 도시된 바처럼, 리지(23)가 반응성 이온 에칭(RIE) 프로세스에 의해 규정된다. 이를 위해 CHF3 및 O2 를 반응제로 사용할 수 있다. 이 리지(23)는 도파관 채널로서 기능할 것이다. 이제, 상부 클래딩 층(24)이 SiON 코어(22) 및 리지(23)의 상부 상에 형성된다. 상부 클래딩 층(24)은 PECVD에 의해 증착되는 SiO2 를 포함한다. 도 1d는 이 상부 클래딩 층(24)이 증착된 후의 도파관을 도시한다.
가령 크롬 히터를 형성하기 위해 몇몇 추가적인 단계가 필요하다. 이 추가적인 단계들은 도 1e-1f에서 도시된다. 도 1e에 도시된 바처럼, 크롬 층(25)은 상부 클래딩 층(24) 상에 이 층(24)의 일부만을 피복하도록 증착된다. 스퍼터 증착 프로세스가 크롬 층(25)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 추가적인 알루미늄 층(26)은 스퍼터링에 의해 증착되어 낮은 저항의 컨택트 라인을 형성한다. 이렇게 형성된 구조물이 도 1f에 도시된다.
본 발명에 따른 통상적인 도파관은 1㎛ 내지 5㎛, 바람직하게는 3㎛의 리지 폭을 가지며 1㎛ 내지 3㎛, 바람직하게는 1.3㎛의 두께를 갖는다. SiON 층(22)의 최초 두께(도 1b)는 1㎛ 내지 5㎛, 바람직하게는 약 2㎛이다. 리지가 형성된 후에, 상기 층(22)의 두께는 약 0.65㎛로 감소된다(도 1c). SiO2 클래딩 층(21,24)은 약 1.45의 굴절율을 가지며, SiON 코어(22)는 약 1.5의 굴절율을 갖는다. 굴절율 차이는 약 3.3%이다. 본 도파관은 0.15dB/cm 보다 작은 전파 손실을 갖는다. 상술된 높은 굴절율 차이를 갖는 실리카-온-실리콘 집적된 평면 도파관 기술을 사용할 때, 비교적 작은 기하학적 단면을 가지며 표준 단일 모드 파이버에 비해 0.02의 높은 횡형 효율적인 굴절율 차이를 갖는 도파관이 실현될 수 있다.
동조가능한 렌즈(40)의 예시적인 평면도가 도 2a에 도시된다. 동조가능한 렌즈(40)는 세 개의 리지 도파관(30,31,32)을 갖는 도파관 어레이(39)를 포함한다. 광은 이 도파관을 따라 좌측에서 우측으로 전송된다. 두 개의 크롬 히터(25,35)가 두 개의 상부 도파관(30,31)의 상부 상에 구성된다. 이 두 히터(25,35)는 제 1 알루미늄 컨택트 리드(26)에 의해 제 1 컨택트 패드(36)에 접속된다. 상기 제 1 알루미늄 컨택트 리드(26)는 공통 전극으로 기능한다. 두 히터(25,35) 각각은 개별적인 알루미늄 컨택트 라인(42,43) 및 컨택트 패드(37,38)를 갖는다. 알루미늄 컨택트 라인의 이러한 구성은 두 히터(25,35)를 통한 전류(I1,I2)를 개별적으로 구동하는 것이 가능하게 한다. 개별적 히터를 구동하는 스티어링 유닛(44)이 사용된다. 이 히터(25,35)는 상이한 도파관 양단의 위상 그레이디언트를 조절하게 하는 동조가능한 렌즈(40)의 일부이다. 위상 그레이디언트를 조절함으로써, 도파관 어레이(39)에 의해 중간의 광학적 자유 공간 요소(도 2a에 도시되지 않음)로 방사되는 광의 투사 특성을 제어할 수 있다.
입력 광학적 자유 공간 요소(180)의 예시적인 평면도가 도 2b에 도시된다. 이 실시예에서, 입력 광학적 자유 공간 요소(180)는 다중파장길이 광을 입력 광학적 자유 공간 요소의 자유 전파 영역으로 인도하는 하나의 입력 채널(181)을 갖는다. 이 자유 전파 영역에서 광 파는 도 2b에서 화살표를 가진 네 개의 라인으로 표시된 바처럼 발산된다. 이 발산 빔은 도파관 어레이(186)의 네 개의 도파관 채널(182 내지 185)에 의해 픽업된다. 이 도파관 어레이(186)는 동조가능한 렌즈(도 2b에 도시되지 않음)의 일부이다.
출력 광학적 자유 공간 요소(190)가 도 2c에서 개략적으로 도시된다. 이 요소(190)는 네 개의 채널 도파관(192-195)을 갖는 도파관 어레이(196), 자유 전파 영역, 출력 채널(191)을 포함한다. 화살표를 갖는 네 개의 라인으로 표시된 평행 또는 발산 빔은, 만약 도파관 어레이(196)의 도파관들에서의 위상 관계가 올바르게 세트된다면, 중첩에 의해, 출력 광학적 자유 공간 요소(190) 내에서 수렴 빔으로 변형된다. 다음에 수렴 빔은 상기 출력 채널(191)로 결합된다.
본 발명의 기본적인 원리가 도 3a 및 도 3b를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 1*1 자유 공간 비차단 스위치(10)가 이 두 도면에서 도시된다. 도 3a는 입력 측이 출력 측으로 접속되는 제 1 스위칭 상태(온 상태)에서의 스위치(10)를 도시한다. 달리 말하면, 이 제 1 스위칭 상태에서, 도파관(6)을 통해 입력 측에 도달하는 다중파장길이 광은 출력 측에서 도파관(7)에 결합된다. 제 2 상태(오프 상태)에서, 입력 측에서의 도파관(6) 및 출력 측에서의 도파관(7) 간의 접속이 차단되며 두 측 간의 어떤 커플링도 발생하지 않는다. 이 제 2 상태는 도 3b에 도시된다. 본 발명에 따른 스위치(10)는 세 개의 광학적 자유 공간 요소들, 즉 입력 광학적 자유 공간 요소(8), 중간의 광학적 자유 공간 요소(13), 출력 광학적 자유 공간 요소(9)를 포함한다. 또한, 스위치(10)는 입력 도파관 어레이(11)를 갖는 입력 동조가능한 광학 렌즈(12)와, 출력 도파관 어레이(14)를 갖는 출력 동조가능한 광학 렌즈(15)를 포함한다. 이 입력 광학적 자유 공간 요소(8)는 상기 입력 동조가능한 광학 렌즈(12) 전방에 위치하며 상기 출력 광학적 자유 공간 요소(9)는 상기 출력 동조가능한 광학 렌즈(15)의 후방에 위치한다.
입력 도파관(6), 입력 광학적 자유 공간 요소(8) 및 입력 동조가능한 광학 렌즈(12)와 함께 입력 도파관 어레이(11)를 통해 도달한 광 파(16)는 중간의 광학적 자유 공간 요소(13)로 투사된다. 입력 동조가능한 광학 렌즈(12)는, 중간의 광학적 자유 공간 요소(13) 내에서의 광 파(16)가 렌즈(12)를 조절함으로써 스티어링될 수 있도록, 입력 도파관 어레이(11)와 상호작용한다. 렌즈(12)를 조절함으로써, 입력 동조가능한 광학 렌즈(12)의 투사 특성을 변화시킬 수 있다. 도 3a에서, 입력 동조가능한 광학 렌즈(12)는, 광 파(16)가 중간의 광학적 자유 공간 요소(13)의 중간에서 초점(17)을 갖도록 조절된다.
출력 동조가능한 광학 렌즈(15)는, 그의 수신 특성이 조절될 수 있다면, 광 파(16)를 상기 중간의 자유 공간 요소(13)로부터 수신할 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 출력 동조가능한 광학 렌즈(15)는 상기 중간의 자유 공간 요소(13)로부터 광 파(16)를 (적극적으로) 포획할 있 수 있도록 수신 특성을 조절가능하게 하는 히터 및 출력 도파관 어레이(14)를 포함한다. 도 3a에 도시된 바처럼, 입력 도파관 어레이(11)로부터의 모든 광은 초점(17)으로 포커싱되며 이 초점으로부터 출력 도파관 어레이(14)에 의해 포획된다. 출력 광학적 자유 공간 요소(9)는 도파관 어레이(14)로부터 광을 수집하여 출력 채널(7)로 전송한다.
달리 말하면, 광은 입력 측에서 출력 측으로 스위칭된다.
도 3b에서는, 오프 상태의 제 2 상태에서의 동일한 스위치(10)가 도시된다. 다양한 다른 스위칭 상태가 존재한다. 이 특정 상태에서, 입력 동조가능한 광학 렌즈(12)는 광 파(16)가 중간의 자유 공간 요소(13)의 중간 지점이 아닌 초점(19)을 갖도록 조절된다. 광 파(16)는 입력 동조가능한 광학 렌즈(12)를 동조함으로써 상부방향으로 틀어진다. 출력 동조가능한 광학 렌즈(15)는 본 실시예에서는 조절되지 않는데, 이는 수신 특성은 동일하게 유지됨을 의미한다. 출력 동조가능한 광학 렌즈(15)는 초점(8)을 갖는다. 초점(18) 및 초점(19)이 서로 떨어져 있기 때문에, 입력 측에서 출력 측으로 커플링되는 어떤 광도 존재하지 않는다. 이는 이 상태가 오프 상태로 지칭되는 이유이다.
도 3a 및 도 3b에서 도시된 스위치는 온/오프 스위치를 실현하는데 사용될 수 있다.
보다 복잡한 스위치(50)가 도 4에 도시된다. 상기 스위치(50)(광학 칩)는 N*N 자유 공간 비차단 스위치이다. 상기 스위치는 각각이 (소형) 입력 광학적 자유 공간 요소(181,182,183) 및 입력 도파관 어레이(51,52,53)를 갖는 입력 동조가능한 광학 렌즈(54,55,56)를 포함하는 N 입력 채널(187,188,189)을 포함한다. 스위치(50)는 또한 중간의 자유 공간 요소(60) 및 N 출력 채널(190,191,192)을 포함한다. 각 출력 채널은 출력 도파관 어레이(57,58,59)를 갖는 출력 동조가능한 광학 렌즈(61,62,63) 및 (소형) 출력 광학적 자유 공간 요소(184,185,186)를 포함한다. 입력 측 상의 동조가능한 광학 렌즈(54,55,56) 및 출력 측 상의 동조가능한 광학 렌즈(61,62,63)는, 입력 도파관 어레이(51)를 통해 도달하는 광 파(64)가 초점(67)으로 포커싱되어 출력 도파관 어레이(58)에 의해 포획되도록 조절된다. 광 파(65)는 입력 도파관 어레이(52)에 의해 중간의 자유 공간 요소(60)로 방사되며 초점(69)으로 투사된다. 출력 도파관 어레이(59)가 상기 광 파(65)를 포획한다. N 번째 입력 도파관 어레이(53)에 의해 방사된 광 파(66)는 초점(68)으로 포커싱된다. 출력 도파관 어레이(57)는 상기 광 파를 포획한다. 수많은 다른 스위칭 상태가 입력 동조가능한 광학 렌즈(54,55,56) 및 출력 동조가능한 광학 렌즈(61,62,63)를 동조/조절함으로써 획득될 수 있다. 상기 스위치(70)의 입력 측 및 출력 측은 대칭적이다. 본 스냅 도면에서, 입력 채널(187)은 출력 채널(191)에 접속되며, 입력 채널(188)은 출력 채널(192)에 접속되며, 입력 채널(189)은 출력 채널(190)에 접속된다.
다른 실시예가 도 5에 도시된다. N 입력 채널(74-76), N 입력 광학적 자유 공간 요소(71-73), N 입력 도파관 어레이를 갖는 N 동조가능한 렌즈(152-154)를 포함하는 스위치(70)가 도시된다. 상기 스위치는 중간의 광학적 자유 공간 요소(151)를 더 포함한다. 스위치(70)는 N 출력 채널(81-83), N 출력 광학적 자유 공간 요소(77-79), N 출력 도파관 어레이를 갖는 N 동조가능한 렌즈(155-157)를 포함한다. 인접하는 입력 및 출력 채널의 보다 양호한 분리(감소된 크로스 토크:reduced cross-talk)를 얻기 위해, 필터링 요소(80)가 자유 공간 요소(151)의 중간에 배치된다. 이 필터링 요소(80)는 스위치(150)의 중간 초점면이 존재하는 곳에 위치한다. 입력 도파관 어레이는 정확히 상기 필터링 요소(80)의 개구가 존재하는 중간의 자유 공간 요소(151)의 중간에서 입력 도파관의 실제 이미지를 생성한다. 출력 측에서의 어레이는 상기 개구로부터 광을 적극적으로 포획하도록 동조될 수 있다. 상기 개구 외부의 필터링 요소(80)를 히트(hit)하는 도파관 어레이로부터의 임의의 보다 높은 오더의 회절 피크는 상기 필터링 요소(80)에 의해 억제된다. 달리 말하면, 상기 필터링 요소(80)는 광학 필터로 기능한다. 상기 중간 초점 평면에서의 실제 이미지의 위치는 계산될 수 있다. N*N 스위치의 경우에, 2*N-1 개의 초점들이 존재하는데, 즉 필터링 요소(80)는 2*N-1 개의 개구를 갖는다.
다음 부분에서는, 신규한 방식의 몇몇 수정 또는 변경이 언급된다. 다음 내용을 잘 관찰해보면 상기 신규한 방식이 얼마나 우수하며 유연성이 있는가를 알 수 있다. 상기 신규한 방식은 수많은 다른 애플리케이션으로 사용된다.
도 6에서 N(N=3) 입력 채널(120,121,122)가 존재하는 대칭형 스위치 장치(90)가 도시된다. 각 입력 채널은 입력 광학적 자유 공간 요소(193) 및 5 개의 도파관(91)을 갖는 동조가능한 렌즈(205)를 포함한다. 스위치(90)는 M(M=3) 출력 채널(123,124,125)을 포함한다. 각 출력 채널은 5 개의 도파관(95)을 갖는 동조가능한 렌즈(206) 및 출력 자유 공간 요소(194)를 포함한다. 도파관(91,95)은 중간의 자유 공간 요소(92)에 대해, (1) 모든 초점이 초점면(93) 상에 존재하고, (2) 상기 초점면은 중간의 자유 공간 요소(92)의 중간에 위치하도록, 구성된다. 본 대칭형 스위치 장치는 상술된 다른 스위치와 같이 동조가능한 렌즈를 갖는다. 이들 동조가능한 렌즈는 도 6에서 오직 개략적으로만 기술된다. 도 6은 모든 동조가능한 렌즈가 오프 상태로 존재하는, 즉 어떤 빔 스티어링도 발생하지 않는 스위치 상태를 나타낸다. 광 빔은 중간의 자유 공간 요소(92)로 입사하고, 초점(94)로 포커싱되며 상기 초점으로부터 출력 측에서 동조가능한 렌즈(95)에 의해 포획된다. 달리 말하면, 스위치는 제 1 광 빔을 상부 입력 채널(120)로부터 상부 출력 채널(123)으로 라우팅한다. 제 2 광 파는 중간의 입력 채널(121)로부터 중간의 출력 채널(124)로 라우팅되며 제 3 광 파는 하부 입력 채널(122)로부터 하부 출력 채널(125)로 라우팅된다.
이 스위치(90)는 입력 동조가능한 광학 렌즈 및/또는 출력 동조가능한 광학 렌즈를 조절함으로써 다양한 스위치 상태로 스위칭될 수 있다. 상부 입력 채널(120)의 입력 동조 가능한 광학 렌즈가 상부 광 빔의 초점을 상향으로 이동시키기 위해 조절된다고 가정해보자. 모든 다른 동조가능한 광학 렌즈는 오프 상태로 존재할 경우에, 이는 상부 입력 채널(120) 및 상부 출력 채널(123)의 초점이 더 이상 일치하지 않음을 의미한다. 상기 채널(120)을 통해 도달되는 제 1 광 파는 상기 출력 채널(123)로 라우팅되지 않는다. 이러한 특정한 광학 "링크"는 차단된다.
도 7에서는, N(N=3) 입력 채널(140,141,142)을 갖는 비대칭형 스위치 장치(130)가 도시된다. 각 입력 채널은 입력 광학적 자유 공간 요소(195) 및 네 개의 도파관(131)을 갖는 동조가능한 렌즈(207)를 포함한다. 스위치(130)는 M(M=3) 출력 채널(143,144,145)을 포함한다. 각 출력 채널은 출력 광학적 자유 공간 요소(196) 및 3 개의 도파관(135)을 갖는 동조가능한 렌즈(208)를 포함한다. 동조가능한 렌즈(207,208)는 중간의 자유 공간 요소(132)에 대해, (1) 모든 초점이 초점면(133) 상에 존재하고, (2) 상기 초점면(133)이 중간의 자유 공간 요소(132)의 중간에 위치하도록, 구성된다. 본 스위치 장치(130)는 상술된 다른 스위치와 같이 동조가능한 렌즈(207,208)를 갖는다. 이들 동조가능한 렌즈(207,208)는 도 7에서 오직 개략적으로만 도시된다. 모든 동조가능한 렌즈(207,208)는 어떤 빔 스티어링도 발생하지 않는 오프 상태로 존재한다. 광 빔이 중간의 자유 공간 요소(132)로 입사하고 초점(134)으로 포커싱된다. 출력 동조가능한 렌즈(208)의 수신 특성은, 초점(136)이 초점(134)과 중첩하지 않도록 조절된다. 이러한 스위치 상태에서, 어떠한 광도 출력 동조가능한 렌즈(208)에 의해 포획되지 않는데, 즉 입력 채널(140,141,142)은 출력 채널(143,144,145) 중 어느 것에도 커플링되지 않는다. 어떠한 광도 좌측에서 우측으로 이동하지 않는다. 광학 링크는 모두 차단된다.
이 스위치(130)는 입력 동조가능한 광학 렌즈(207) 또는 출력 동조가능한 광학 렌즈(208)를 조절함으로써 다양한 스위치 상태로 스위칭될 수 있다. 바람직하게는, 입력 동조가능한 광학 렌즈(207) 및 출력 동조가능한 광학 렌즈(208) 모두가, 발명의 상세한 설명 부분의 전반부에 규정된 최적 링크에 대한 조건 a) 및 b) 및 c)를 만족하도록 조절된다. 상부 출력 채널(143)의 출력 동조가능한 광학 렌즈(208)가 초점을 상향으로 이동시키기 위해 조절된다고 가정해보자. 모든 다른 동조가능한 렌즈가 오프 상태로 있을 경우, 이는 상부 입력 채널(140) 및 상부 출력 채널(143)의 초점이 일치하고 상기 채널(140)을 통해 도달하는 제 1 광 파가 상기 출력 채널(143)로 라우팅됨을 의미한다. 즉, 이들 두 채널 간의 광학적 링크가 존재한다. 모든 다른 광학적 링크는 여전히 차단된다.
스위치(90,130) 모두는 중간의 자유 공간 요소 내에서 빔 방향을 조절함으로써 스위치될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 스위치 장치(160)가 도 8에 도시된다. 중간의 초점면 대신에, 중간의 자유 공간 요소(161)는 반사성 표면(162)을 갖는다. 입력 광학적 자유 공간 요소(197,198), 동조가능한 렌즈(163,164), 도파관 어레이(167,168)를 갖는 두 입력 채널(201,202)이 존재한다. 또한, 출력 광학적 자유 공간 요소(199,200), 동조가능한 렌즈(165,166), 도파관 어레이(169,170)를 갖는 두 출력 채널(203,204)이 존재한다. 입력 채널(201)을 통해 도달하는 제 1 광 파는 반사성 표면(162)으로 포커싱되고, 상기 표면으로부터 출력 채널(203)에 의해 포획된다. 입력 채널(202)을 통해 도달하는 제 2 광 파는 반사성 표면(162)으로 포커싱되고 상기 표면으로부터 출력 채널(204)에 의해 포획된다. 상기 스위치(160)는 본 명세서에서 제안된 다른 스위치들보다 적은 공간을 요하는데, 그 이유는 중간의 자유 공간 요소(161)의 크기가 감소될 수 있기 때문이다.
본 발명의 바람직한 구현이 도 9에서 도시된다. 스위치(210)는 그의 입력측이 그의 출력측의 미러 이미지(mirror image)라는 특징을 갖는다. 이 스위치(210)는 8 입력 광학적 자유 공간 요소(213), 히터 및 도파관 어레이를 갖는 입력 동조가능한 렌즈(214)에 선행하는 8 입력 채널(212)을 포함한다. 이들 도파관 어레이의 도파관들은 중간의 자유 공간 요소(211)에 접속/결합된다. 자유 공간 요소(211)의 반대 측면 상에, 히터 및 도파관 어레이를 갖는 출력 동조가능한 렌즈(215)가 존재한다. 이들 8 출력 동조가능한 렌즈(215)는 8 출력 채널(217)에 결합되는 8 출력 광학적 자유 공간 요소(216)로 광을 보낸다. 개별 히터에 대한 컨택트 라인은 도 9에서 도시되지 않는다.
스위치(210)는 IBM의 높은 굴절율 차이를 갖는 실리카-온-실리콘 집적된 평명 도파관 기술을 사용하여 제조된다. 스위치(210)에 대한 바람직한 크기는 도 9의 상부 좌측 상에 주어진다. 입려 채널(212) 및 출력 채널(217)은 0.1mm 내지 0.5mm, 바람직하게는 약 0.25mm 만큼 분리된다. 8 입력 광학적 자유 공간 요소(213) 및 8 출력 광학적 자유 공간 요소(216) 각각은 1mm 내지 0.1mm, 바람직하게는 0.5mm의 길이와, 1mm 내지 0.1mm, 바람직하게는 0.3mm의 폭을 갖는다. 그러나, 중간의 광학적 자유 공간 요소(211)는 1mm 내지 10mm, 바람직하게는 약 4mm의 길이와, 0.5mm 내지 10mm, 바람직하게는 2.4mm의 폭을 갖는다. 광학적 자유 공간 요소(213,211,216)에서의 도파관들의 분리 거리는 1㎛ 내지 20㎛, 바람직하게는 약 8㎛이다. 히터 패드 또는 라인들은 1mm 내지 10mm, 바람직하게는 약 2mm의 길이를 갖는다. 패들들 간의 분리 거리는 50㎛ 내지 500㎛, 바람직하게는 약 100㎛이다. 개별 히터 어레이들의 분리 거리는 100㎛ 내지 0.1mm, 바람직하게는 약 400㎛이다.
IBM의 높은 굴절율 차이를 갖는 실리카 온 실리콘 집적된 평면 도파관 기술은 작은 벤딩 반경을 갖는 도파관을 제조하는 것을 가능하게 하며 스위치 디자인은 보다 최적화되어 횡적 크기는 감소될 수 있다.
입력 측 상의 동조가능한 렌즈 및/또는 출력 측 상의 동조가능한 렌즈를 근소하게 초점을 흐리게 함(defocusing)으로써, 출력 채널로의 전력 효율은 다른 채널로의 크로스토크를 도입하지 않고 변화될 수 있다. 이로써, 본 스위치들은 출력 채널에서의 전력을 조절하는데 사용될 수 있다. 히터 스티어링 유닛은 출력 채널에서의 전력을 조절할 수 있는 유닛을 포함할 수 있다.
입력 채널의 수는 출력 채널의 수와 동일할 필요가 없다. 도파관 어레이 당 도파관의 수는 입력 측 및 출력 측 상에서 동일할 필요가 없다. 가령, 5 개의 도파관을 갖는 소수의 입력 채널과 6 개의 도파관을 갖는 소수의 입력 채널이 존재할 수 있다.
도파관 어레이 당 두 개의 히터를 사용하는 것이 가능한데, 하나의 히터는 투사된 광 파의 거리를 조절하기 위해 선형 위상 그레이디언트를 인가하고, 다른 히터는 투사된 광 파의 초점 거리를 조절하기 위해 정방형 또는 보다 높은 오더의 위상 그레이디언트를 인가한다. 히터의 수가 작을 수록, 히터 스티어링 유닛 및 스위치 제어 박스가 덜 복잡해진다.
본 스위치는 하나 이상의 커플링 요소들을 포함할 수 있다. 가령 V 형상의 그루브(groove)가 커플링 요소로 기능할 수 있다. 상기 요소는 입력 채널들 중의 하나 또는 출력 채널들 중의 하나로의 파이버의 버트-커플링(butt-coupling)을 허용한다.
본 스위치는 칩 상에 다수의 다른 구성 요소를 갖는 집적에 있어서 매우 적합하다. 본 발명에 따른 스위치는 미래의 원격 통신망에서 요구될 수 있는 높은 기능성을 제공한다.
본 발명은 다중파장길이 원격통신 데이터 전송 시스템 내로 집적될 수 있다.

Claims (27)

  1. 광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210)에 있어서,
    입력 광학적 자유 공간 요소(8,71-73,181-183,193,195,197-198,213)를 갖는 입력 채널(6,74-76,120-122,140-142,187-189,201-202,212)과,
    중간의 광학적 자유 공간 요소(13,60,151,100,161,211)와,
    상기 입력 광학적 자유 공간 요소(8,71-73,181-183,193,195,197-198,213)로부터 수신된 광 파(16,64-66)를 중간의 광학적 자유 공간 요소(13,60,151,100,161,211)로 투사하기 위한 조절가능한 투사 특성을 갖는 입력 동조가능한 광학 렌즈(12,54-56,205,207,152-154,163-164)와,
    출력 광학적 자유 공간 요소(9,77-79,184-186,194,196,199-200,216)를 갖는 출력 채널(7,81-83,190-192,123-125,143-146,203-204,217)과,
    상기 중간의 광학적 자유 공간 요소(13,60,151,100,161,211)로부터 상기 광 파(16,64-66)를 포획하고, 상기 광 파(16,64-66)를 상기 출력 광학적 자유 공간 요소(9,77-79,184-186,194,196,199-200,216)로 전송하기 위한 조절가능한 수신 특성을 갖는 출력 동조가능한 광학 렌즈(15,61-63,155-157,165-166,206,208)를 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투사 특성은 상기 중간의 광학적 자유 공간 요소(13,60,151,100,161,211) 내에서 상기 광 파(16,64-66)의 방향 또는 초점 거리를 조절함으로써 조절될 수 있는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 특성은 상기 출력 동조가능한 광학 렌즈(15,61-63,155-157,165-166,206,208)의 방향 또는 초점 거리를 조절함으로써 조절될 수 있는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 동조가능한 광학 렌즈(12,54-56,205,207,152-154,163-164)는 입력 도파관 어레이(11,51-53,91,131,167-168)와 출력 도파관 어레이(14,57-59,95,135,169-170) 중의 적어도 하나를 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 입력 도파관 어레이(11,51-53,91,131,167-168)와 상기 출력 도파관 어레이(14,57-59,95,135,169-170) 중의 적어도 하나는 도파관 코어(22) 및 두 개의 클래딩(21,24)을 갖는 리지 도파관을 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 도파관 코어(22)는 SiON을 포함하고,
    상기 두 개의 클래딩(21,24)은 SiO2를 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 리지 도파관은 1㎛ 내지 3㎛의 두께와, 1㎛ 내지 5㎛의 리지 폭을 갖는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 입력 동조가능한 광학 렌즈(12,54-56,205,207,152-154,163-164) 및/또는 상기 출력 동조가능한 광학 렌즈(15,61-63,155-157,165-166,206,208)는 동조가능한 히터(40)를 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 동조가능한 히터(40)는 위상 그레이디언트가 조절될 곳인 상기 도파관 어레이의 상부 상에 위치하는 크롬 패드 또는 라인을 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도파관 어레이의 상이한 도파관들 내에서 이동하는 광 파들 간의 선형 위상 그레이디언트와 상기 도파관 어레이의 상이한 도파관들 내에서 이동하는 광 파들 간의 비선형 위상 그레이디언트 중의 하나는 전류가 상기 동조가능한 히터(40)를 통해 구동될 때, 획득될 수 있는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    개구를 갖는 필터링 요소(80)를 더 포함하는
    광학 스위치(70).
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 필터링 요소(80)는 상기 중간의 자유 공간 요소의 중간 초점면에 위치하는
    광학 스위치(70).
  15. 제 1 항에 있어서,
    N(N은 정수)개의 입력 채널(6,74-76,120-122,140-142,187-189,201-202,212) 및 M(M은 정수)개의 출력 채널(7,81-83,190-192,123-125,143-146,203-204,217)을 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  16. 제 15 항에 있어서,
    N개의 입력 광학적 자유 공간 요소(8,71-73,181-183,193,195,197-198,213) 및 M개의 출력 광학적 자유 공간 요소(9,77-79,184-186,194,196,199-200,216)를 포함하는
    광학 스위치(70,90,130).
  17. 삭제
  18. 제 1 항에 있어서,
    1540nm 내지 1570nm의 파장 범위의 광학적 전송 창에서 사용되도록 설계되는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  19. 제 10 항에 있어서,
    히터 스티어링 유닛(steering unit)(44)을 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  20. 삭제
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 히터 스티어링 유닛(44)은 상기 동조가능한 히터(40)의 세팅을 저장하는 마이크로컴퓨터를 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 히터 스티어링 유닛(44)은
    상기 입력 동조가능한 광학 렌즈(12,54-56,205,207,152-154,163-164) 및 상기 출력 동조가능한 광학 렌즈(15,61-63,155-157,165-166,206,208)의 초점을 흐리게 함(defocusing)으로써, 상기 출력 동조가능한 광학 렌즈(15,61-63,155-157,165-166,206,208)로부터 포획된 전력을 조절하는 유닛을 포함하는
    광학 스위치(10,50,70,90,130,160,210).
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 동조가능한 광학 렌즈(12,54-56,205,207,152-154,163-164)는 상기 출력 동조가능한 광학 렌즈(15,61-63,155-157,165-166,206,208)의 미러 이미지(mirror image)인
    광학 스위치(10,50,70,90,210).
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 채널(6,74-76,120-122,140-142,187-189,201-202,212) 중의 하나 및/또는 상기 출력 채널(7,81-83,190-192,123-125,143-146,203-204,217) 중의 하나로의 파이버(fibers)의 버트-커플링을 허용하는 커플링 요소를 포함하는
    광학 스위치.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
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