KR100602288B1 - 광 반사 장치 - Google Patents

Abstract

여러 응용 및 특별한 장치에 사용하기 위한 광 시스템을 설치할 때 사용되는 광 파를 반사하기 위한 장치는 기판상에 설치되며 평평한 구성를 갖는다. 그것은 기판의 표면에 또는 그 안에 사각형 플레이트로서 구성된, MMI 형인 광 출력 커플러(1)를 포함한다. 커플러는 입력 단자에서 입사되는 광을 두개의 동일 부분으로 분할하며, 각각의 부분은 출력 단자에 전달된다. 또한 커플러는 두개의 출력 단자에 전달되는 광을 입력 단자에 전달된 결합된 광에 결합시킨다. 루프는 이 출력 단자중 어느 하나에 전달된 광을 출력 단자중 다른 것에 전달하기 위해 두개의 출력 단자에 접속된다. 루프는 기판상에 설치된 평평한 도파관으로서, 커플러의 에지 표면에 접속된다. 루프는 다수의 선형 세그먼트를 포함하는 외부 윤곽선(7)을 갖으며 다각형 형태인 내부 윤곽선(9)을 갖을 수 있다. 루프의 형태는 균일한 폭을 갖는 스트립을 적어도 두번 접음으로 형성될 수 있으며, 이 접음은 대칭으로 이루어진다.

광 시스템, 플레이트, 커플러, 루프, 도파관, 선형 세그먼트, 윤곽선, 스트립, 대칭 접음

Description

광 반사 장치{A DEVICE FOR REFLECTING LIGHT}

본 발명은 광 반사 플러그라고도 하는 광 반사 장치에 관한 것이다.

여러 응용 및 특정 장치를 위한 광학 시스템을 구축할 때, 전체 광을 반사시켜야 할 때가 있다. 현재로서는 광 파장에 관계없이 전체 광을 반사시킬 수 있는 확실한 방법이 없다. 알루미늄으로 도파관의 단부를 금속화시키는 것이 가능성있는 방법으로 알려졌으며, 이를 위해 1997년, 제이. 광파동 기술(J.Lightwave Technol) 제15(1)권, 제148 내지 153면의 엠.브이. 바질렌코, 엠.그로스, 이.가우자, 피.엘.쿠 등의 "모노리틱 및 하이브리드 집적을 위한 매립 채널 실리카 도파관의 광 터널링 미러의 제조"를 참조해 볼 수 있다. 집적된 도파관을 갖는 광학 집적 회로를 제조할 때, 수직 단부 표면을 금속화하는 것은 비싸며 복잡한 공정이다. 또한 수명이 문제될 수 있다. 상대적으로 좁은 파장 범위에서 전체 반사를 일으키는 방법은 브레그 그레이팅(Bragg gratings)을 사용하는 것이다. 전파 방향으로 그레이팅 주기를 변동하는 것과 같은 특별한 설계에 의해서 더 넓은 범위에서 전체 반사가 이루어질 수 있다. 그러나, 브레그 그레이팅을 발생하는 것은 비교적 비싸며 그것을 발생하는 데는 전체적으로 반사 구조가 집적 회로 구성에 통합될 때 칩상의 넓은 영역을 요구하는 것은 물론이고 비싼 장비를 필요로 한다.

광학 및 분광학, 1985년 5월 제 58권, 제 5호, 엘. 브이. 아이오간센(L.V.Iogansen) 등의 "멀티모드 섬유 간섭계"에, 공진 터널 루프 반사를 이용하는 광 반사기가 개시된다. 간단한 루프 반사기가 이 문헌의 도 5에 도시된다. 도파관내의 손실, 터널-결합부의 손실 및 루프내의 방사 손실을 포함하여 루프 반사기에는 어느정도의 손실이 존재한다.

일본국 특허출원 JP 8-274398에는, 반도체 레이저 모듈이 개시되어 있다. 그 모듈은 사-단자 섬유 커플러와 이 커플러에 접속되는 섬유 루프를 포함하는 루프 미러를 갖는다.

본 발명의 목적은 집적 광학 회로에 쉽게 통합되도록 광 파를 반사하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

광 파를 반사하기 위한 장치는 기판상에 구축되어 평평한 구조를 갖는다. 이 장치는, 바람직하게는 MMI-형인 전력 스플리터로서 동작하며, 기판의 표면에서 또는 표면 안에서 사각 판으로서 구성되는 광 전력 커플러를 포함한다. 이 커플러는 입력 단자에서 입사하는 광을 적어도 두개의 동일 부분으로 분리하며, 각각의 부분은 출력 단자에 전달된다. 또한, 커플러는 적어도 두개의 출력 단자에 입사되는 광을 입력 단자에 전달되는 결합된 광에 결합한다. 이러한 출력 단자중 하나에 전달되는 광을 이러한 출력 단자중 다른 것으로 전달하기 위해서 하나의 루프가 두개의 출력 단자에 접속된다. 이 루프는 커플러의 에지 표면에 접속된 기판상에 구축된 평평한 도파관이다. 이 루프는 바람직하게는 다수의 선형 세그먼트를 포함하는 외부 경계를 갖으며 이는 다수의 선형 세그먼트를 포함하는 내부 경계를 갖을 수도 있다. 루프의 형상은 예를들면, 균일한 폭을 갖는 스트립을 적어도 두번 접으므로서 형성될 수 있으며, 이러한 접음은 대칭적으로 이루어진다.
본 발명은 이하 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 의해서 상세히 설명된다. 여기서 설명된 실시예는 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 알 수 있다.

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도 1 은 루프 미러 구조의 원리를 설명하는 도면으로서 상부에서 바라본 개략적인 도면,

도 2 는 기판상의 평평한 구조물로서 이루어진 루프 미러를 상부에서 바라본 도면,

도 3 은 평평한 구조물로서 이루어진 루프 미러의 다른 실시예를 상부에서 바라본 도면,

도 4a 는 반사 조건을 설명하는 것으로서 도 2 의 루프 도파관에 대한 확대도,

도 4b 는 루프의 구조에 대한 일 실시예를 도시하는 도 4a의 화살표 A의 방향, 특히 반사 표면에서 도시된 루프 도파관의 부분 단면도,

도 5 는 반사 조건을 예시하는 도 3 의 루프 도파관의 확대도,

도 6 은 하나의 커플러에서 통합된 루프를 갖는 루프 미러를 상부에서 바라본 도면,

도 7 은 하나의 커플러에서 통합된 루프를 갖는 루프 미러의 다른 실시예를 상부에서 바라본 도면.

도 1 에는 루프 미러의 기본 구성이 도시되어 있다. 루프 미러는 1 x 2 광학 커플러(1), 바람직하게는 1 x 2 MMI(멀티 모드 간섭) 도파관 커플러를 포함한다. 이 커플러는 하나의 입력 단지 및 두개의 출력 단자를 갖는 동일한 전력 스플리터로서 동작한다. 서로 접속된 두개의 출력 단자는 광 도파관 루프(3)를 통하게 된다. MMI 장치는 예를들면, 1995년, 제이. 광파 기술(J.Lightwave Technol.), 제13(4)권, 제615-627면, 엘.비.솔다노(L.B.Soldano) 및 이.씨.엠.페닝스 (E.C.M.Pennings)의 "자체 영상 기반 광 멀티 모드 간섭 장치: 그 원리 및 응용"과 공개 국제출원서 WO97/35220호에 설명되어 있다. 도파관(3)은 통상적으로는 광 섬유가 될 수 있으나 본 실시예에서는 PLC (평평한 광파 회로) 등에 사용되는 평평한 구조로서 이루어질 수 있다.

도파관(3)은 상이한 굴절률을 갖는 제 2의 물질로 된 층에 매립된 제1 물질의 스트립으로서 이루어지며, 상기 층 및 스트립은 기본적으로 전자 집적 회로와 같은 기판의 표면상에서 또는 그 내에서 제조된다. 제 2의 물질은 공기가 될 수 있는데, 그러면 상기 스트립은 기판의 표면에 가해진 층을 식각함으로써 제조된다. 그러나, 보통의 경우에 상기 도파관은, 적당한 굴절률을 갖는 층을 식각함으로서 이루어지는 사각형 횡단면을 갖는 코어를 포함하며, 내부 피복층 및 외부 피복층을 더 포함하는 사각형 도파관으로서 이루어지며, 이러한 상이한 층들은 예를들면, 불순물이 첨가된 실리콘 산화물 또는 중합체 층으로 형성된다.

커플러(1)의 입력 측 및 반사 루프에서 광을 전달하기 위해서 사용되는 도파 관은 바람직하게는 항상 단일 모드 또는 모노모드 형으로 설계된다.

루프(3)는 도 1에 도시된 바와같이 커플러의 출력에서 단자부를 결합하는 완만한 경로를 갖는 굴곡된 스트립으로서 구성되며, 이러한 단자부는 서로 평행하게 된다. 루프의 굴곡되고 완만한 부분은 그 대부분이 원의 일부 형상이며 따라서 일정한 곡률을 갖는다. 최대 곡률은 항상 도파관의 굴절률과 주변 물질의 굴절률의 차에 의해서 설정되는 값보다 작아야 하는데, 이는 루프의 곡률이 클 수록 즉 루프의 반경이 작을수록 허용되지 않는 손실을 가져올 수 있기 때문이다. 작은 반경에서 반사 루프내에서 전파되는 광 에너지의 너무 많은 부분은 루프로 부터 누설될 수 있다. 더욱이, 도파관의 굴절률 n과 주변 물질의 굴절률(n₀)의 차가 크면 루프는 합리적으로 작은 직경을 갖게 된다. 예를들어, 상대적인 굴절률 차가 1.5% 이면, 직경은 4mm 보다 작아질 수 있다. 더 작은 굴절률 차에서 원형 루프 구조는 더 큰 직경을 갖으며 어떤 경우에는 기판상에서 너무 큰 공간을 갖을 수 있다.

그 대신에 루프의 도파관은 도 2 및 도 3 에 평면도로서 도시된 실시예에서 도시된 바와같이 대체로 다각형 형상을 갖도록 이루어질 수 있다. 여기서 다각형 루프(5)는 단일 모드이며, 커플러(1)의 두개의 출력에 접속된 평행하며 동일한 형상의 접속 영역을 갖는 굴곡된 스트립 형상의 영역을 포함한다. 도파관(5)은 외부 경계 라인(7) 및 내부 경계 라인(9)에 의해서 제한되며, 이들 각각은 다수의 직선 세그먼트를 포함하는 폐쇄되지 않은 다각형이다. 각각의 다각형 라인(7,9)의 시작 및 끝 라인 세그먼트는 서로 평행하며 커플러(1)의 출력측으로 부터 직각으로 연장 된다. 두개의 경계 라인(7,9)은 도1의 루프와 같이, 커플러(1)의 출력들을 접속하는 라인의 중심으로 부터 연장되는 대칭 라인에 대해서 대칭이며, 즉, 커플러가 MMI-장치일 때 커플러의 길이방향 축에 대해서 대칭이다.

도 2의 루프 도파관 구조(5)에서 도파관의 외부 경계 라인(7)은 방향이 서로 45°로 어긋나서 서로 135°의 각을 형성하는 직선 피스(pieces)를 포함하며, 총 세개의 직선 세그먼트의 네개의 코너는 평행한 시작 및 끝 세그먼트를 접속시키는 것이 필요하다. 내부 경계 라인(9)은 총 세개의 선형 세그먼트만을 갖으며, 각각의 세그먼트는 시작 및 끝 세그먼트를 90°의 각으로 접속시킨다. 내부 경계 라인의 코너는 외부 경계 라인(7)의 두개의 대응하는 코너와 관련하여 대칭으로 배치되며, 이 두개의 코너는 시작 및 끝 세그먼트에 직접 접속된 선형 세그먼트를 접속시킨다. 그러한 도파관 내에서 광의 전파가 도 4a에 도시된다. 도 4a에는 사용된 광의 파장에 대해서 도파관(3)의 물질이 공기와 같은 주변 물질의 굴절률 n₀에 비해서 굴절률 n을 갖어야 하며, 도파관에서 전파되는 광은 약 45°보다 큰 모든 입사각 η에 대해서 전체적으로 반사된다. 즉, 45°보다 어느정도 작은 각보다 큰 모든 입사각에 대해서 전체적으로 반사된다. 더 상세한 점은 1997년, 스톡홀름, ECIO '97 EWF3 의사록의 에이. 스타노, 엘. 파우스티니, 씨. 카리아소, 디. 캄피, 씨. 카시아토레 등의 "최적화된 도파관-집적 미러"를 참조해 볼 수 있다.

도 4a 및 4b에는 도시되지 않은 기판상에서 층을 포함하는 루프 도파관(5)의 구성이 도시되어 있다. 도파관은 하부 피복(11), 코어 또는 도파관 층(13) 및 상부 피복(15)으로 구성된다. 하부 피복을 형성하는 층, 도파관 코어 및 상부 피복은 소정의 형태를 갖도록 식각된다. 루프의 반사 표면에는 식각된 사각 홈 또는 구멍(19)이 제공되는데 이는 도파관에서 정밀하게 평평한 표면을 갖으며, 또한 이 평평한 표면은 구조물의 큰 표면에 대해서 정밀하게 수직이 된다.

이러한 총 반사 조건이 도 2 및 도 4a의 도파관 설계에서 만족될 수 없으면, 도 3의 실시예에 도시된 바와같이, 30°보다 약간 큰 모든 입사 각 η에 대해서만 총 반사를 필요로 하는 구조물이 사용될 수 있다. 여기서 외부 경계 라인(7)은 서로 150°의 각으로 배치된 일곱개의 선형 세그먼트를 포함하는데, 이는 경계의 선형 세그먼트가 고려되는 선형 세그먼트에 접속되는 라인 부분과 30°의 각 만큼 벗어나는 방향을 갖는 조건에 대응한다. 내부 경계 라인(9)은 서로 60°만큼 벗어나는 방향을 갖으며 서로 120°의 각으로 배치되는 다섯개의 선형 세그먼트를 포함한다. 또한 여기서 내부 경계 라인(9)의 코너는, 중앙에서 직각인 세그먼트를 통과하는 라인상에서, 외부 경계 라인의 세그먼트에 대해서 대칭으로 배치된다. 이 루프 구조물에서 광의 전파가 도 5에 도시된다. 도파관은 구조물의 표면으로 부터 홈(19)을 제공함으로서 도 4a의 실시예와 같이 공기에 대한 반사 표면을 포함하도록 제조될 수 있다.

도 2 및 3에 도시된 구조의 경계 라인은 균일한 폭을 갖는 물질의 스트립을 각각 두번 및 세번 접음으로서 얻을 수 있다. 이는 더 여러번, 말하자면 n 번 접는데 쉽게 일반화될 수 있다. 그 후 최종 구조는 2n + 1 라인 세그먼트의 외부 경계 라인과 n + 1 라인 세그먼트를 갖는 내부 경계를 포함할 수 있다. 외부 경계의 세그먼트는 인접 세그먼트의 각으로 부터 90°/n의 각만큼 벗어나는 방향을 갖으며 내부 경계의 세그먼트는 2·90°/n의 각만큼 벗어나는 방향을 갖는다. 사용된 광은 모든 입사각에서 도파관의 물질과 주변 물질 사이의 경계 표면에서 전체적으로 약 90°/n 또는 90°/n 보다 어느정도 큰 각으로 반사되어야 한다.

또한 단순화된 반사 구조는 MMI-커플러에 직접 결합될 수 있는데, 도 6 및 7을 참조해 볼 수 있다. MMI-커플러(21)는 평평한 구조이며 주변 물질의 굴절률보다 더 크게 적응되는 굴절률을 갖는 물질로 된 얇은 층을 포함한다. 이 층은 단순한 커플러에서는 사각형 형상이며 반사 구조의 주요 부분(23)을 형성한다. 사각형 본체(23)는 짧은 측면에서 하나의 층으로 집중하여 입사되는 광에 대해서, 입사 광 파의 두개의 영상이 사각형 형상의 길이 방향에 대해서 대칭으로 배치된 위치의 반대쪽 짧은 측면에서 나타나도록 적응된다.

이처럼 간단한 반사 구조를 형성하기 위해서 사각형 형상(23)은 상기 반대쪽 짧은 측면에서 다각형 형상(27)이 추가된다. 이 다각형은 자유로운 다각형 라인(29)을 갖는데, 이는 사각형 본체(23)의 길이 방향에 대해서 대칭이다. 이 다각형 형상은 자유 모서리에서 90°의 각을 갖는 이등변 삼각형이다. 도 7의 실시예에는 사각형 본체(23)의 긴 측면의 방향으로부터, 즉 길이 방향으로부터 30°가 벗어난 방향으로 배치된 빗면을 갖는 대칭 사다리꼴이 도시된다. 이미 개략적으로 설명된 바와같이, 적당한 굴절률 조건을 위해서, 라인(25)의 두개의 영상으로부터의 광은 도 6 및 7에 도시된 바와같이, 외부 다각형 형태(29)의 빗면에 의해서 반사된다.

Claims (12)

1. 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치로서, 상기 장치는 하나의 입력 단자와 적어도 두개의 출력 단자를 갖는 광 출력 커플러를 포함하며, 상기 커플러는 상기 입력 단자에서 입사되는 광을 적어도 두개의 부분으로 분할하며, 각각의 부분은 상기 적어도 두개의 출력 단자중 하나에 전달되며, 상기 커플러는 상기 적어도 두개의 출력 단자에서 입사되는 광을 상기 입력 단자에 전달되는 결합된 광으로 결합하며, 상기 장치는 상기 두개의 출력 단자에 접속되는 루프를 포함하며, 상기 루프는 이 출력 단자중 어느 하나에 전달되는 광을 이 출력 단자중 다른 것으로 다시 전달하는, 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치에 있어서,

   상기 장치는 기판에 제조된 평평한 소자이며, 상기 커플러는 기판의 표면상의 또는 그 내의 대체로 사각형인 판이며 주변 물질의 굴절률에 적응되는 굴절률을 갖으며 적응된 크기를 갖어서 하나의 입력 단자가 상기 사각형 판의 일측에 형성되며 적어도 두개의 출력 단자가 그 반대측에 형성되며 상기 루프는 적응된 굴절률을 갖으며 출력 단자중 어느 하나에서 단부 세그먼트를 갖으며 출력 단자중 다른 것에서 단부 세그먼트를 갖는 기판의 표면의 평평한 도파관으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 커플러는 MMI 커플러인 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 루프는 완만하게 곡선이 진 외형을 갖으며, 그 루프의 주요 부분은 원의 일부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 루프는 서로간에 각을 이루어 배치된 직선 세그먼트만을 포함하는 다각형 외형을 갖는 스트립인 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 루프는 서로간에 각을 이루어 배치된 직선 세스먼트만을 포함하는 볼록 다각형 외형을 갖으며, 상기 직선 세스먼트중 하나는 출력 단자가 형성되는 커플러를 형성하는 사각형 플레이트의 그 측면에 직접 접속되는 큰 측면이며, 상기 볼록 다각형은 상기 사각형 플레이트의 중심선에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 커플러를 형성하는 사각형 플레이트와 상기 루프를 형성하는 상기 평평한 도파관은 균일한 굴절률을 갖는 하나의 장치 플레이트로 통합되는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 장치 플레이트는 그 측면중 하나에 이등변 삼각형을 갖는 사각형에 대응하는 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 장치 플레이트는 그 측면중 하나에 사다리꼴을 갖는 사각형에 대응하는 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
9. 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치로서, 상기 장치는 하나의 입력 단자와 적어도 두개의 출력 단자를 갖는 광 출력 커플러를 포함하며, 상기 커플러는 상기 입력 단자에서 입사되는 광을 적어도 두개의 부분으로 분할하며, 각각의 부분은 상기 적어도 두개의 출력 단자중 하나에 전달되며, 상기 커플러는 상기 적어도 두개의 출력 단자에서 입사되는 광을 상기 입력 단자에 전달되는 결합된 광으로 결합하며, 상기 장치는 상기 두개의 출력 단자에 접속되는 루프를 포함하며, 상기 루프는 이 출력 단자중 어느 하나에 전달되는 광을 이 출력 단자중 다른 것으로 다시 전달하는, 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치에 있어서,

   상기 루프는 평평한 도파관을 에워싸는 물질의 굴절률에 적응되는 굴절률을 갖는 기판의 표면의 또는 그 표면내의 평평한 도파관이며 상기 루프는 상기 출력 단자중 하나로 부터 상기 출력 단자중 또 다른 것으로 연장되는 스트립의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 스트립은 상기 루프는 부드럽게 곡선이 진 외형을 갖으며, 상기 스트립의 주요 부분은 원의 일부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 스트립은 서로 간에 각을 이루고 배치된 직선 세그먼트만을 포함하는 다각형 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.
12. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,

    상기 스트립은 균일한 폭을 갖으며 적어도 두번 접히는 스트립의 외형에 대응하는 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파관에서 전파되는 광 파 반사 장치.

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