KR100900220B1 - 광 커플링 장치 - Google Patents

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Abstract

광소자 간의 효율적인 광신호 전송을 위한 광 커플링 장치. 이 장치는 입력단에 연결된 송신 소자로부터 광신호를 수신하여 그 신호를 출력단에 연결된 수신 소자에 효율적으로 전송한다. 본 발명의 장치는 둘 또는 그 이상의 유전체 물질의 조합을 포함하며, 광신호가 이 장치를 통과하는 동안 임피던스가 보존됨과 아울러, 입력단과 출력단에서 임피던스 매칭이 되게 한다. 입력단 및 출력단에서의 임피던스 매칭은, 상호 연결된 부품들의 임피던스를 가깝게 매칭하는 유효 유전율을 얻을 수 있도록 입력단과 출력단의 단면에서의 이 장치를 구성하는 유전체 물질의 상대적 비를 변화시킴으로써 조정된다. 이 장치 내에서의 임피던스 보존은 이 장치의 단면 외형과 구성 유전체 물질의 단면 필 팩터의 동시 변형을 통해 달성된다. 이러한 임피던스 조건은, 입력단과 출력단에서의 높은 공간 오버랩의 조합으로, 상호 연결하는 광 부품간에 전송되는 신호의 파워의 손실을 최소화한다.

Description

광 커플링 장치{Optical coupling device}
본 발명은 광소자를 상호 연결하는 광 커플링 장치에 관한 것이다. 광 커플링 장치는 상호 연결하는 경로를 따라 한 광소자에서 다른 광소자로 광을 효과적으로 전송한다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 광 커플링 장치의 횡단면적 및/또는 굴절률이 광소자들 사이의 상호 연결 통로를 따라 매끄럽게 변하는 방식으로, 둘 또는 그 이상의 광 매질을 집적한다.
수 시대에 걸쳐 통신 시스템의 발전은 인류 문명의 진보의 중심에 있어왔다. 통신의 발달은, 주되게는 대역폭, 속도 및 통신 거리를 증가시키는데 기여한 기술 발달의 역사이다. 전자통신시대는 모스에 의한 전보, 즉 초당 수 비트의 속력이나 즉각적인 통신을 제공하는 기술로부터 시작되었다. 1870년대에 개발된 벨의 전화는 전보의 제1 주요 확장이었으며, 4 kHz 대역폭을 제공하였다. 통신에서의 트랜드는 보다 높은 주파수의 전송파로 발전시키는 것으로 이어졌다. 보다 높은 주파수의 전송파는 정보를 전송하기 위하여 비례적으로 보다 높은 대역폭을 가진다. 초기 전파는 대략 1 MHz 영역에서 작동하며, 15 kHz의 대역폭을 제공한다. 아날로그 텔레비전은 대략 6 MHz의 대역폭을 요구하며, 54-806 MHz 영역의 전송주파수를 통해 달성될 수 있었다. 통신에서의 발전은 반도체 전자공학의 등장과 1950년대의 트랜지스 터의 발전을 통해 이어졌다. 실리콘에 기반한 전자 장치는 GHz 영역 내에서 대역폭을 제공한다.
광원에 기반한 통신이 전자 시스템보다 더 큰 대역폭을 제공할 수 있으리라는 것은 오래전부터 알려져 왔다. 광 주파수는 수백 THz 영역 내에 있으며, 이러한 수백 THz 주파수는 전자 시스템의 스위칭 및 변조 속도를 매우 크게 뛰어넘는다. 광 통신시스템의 실현을 향한 주된 진전은 도파로 및 광섬유의 발달을 포함한다. 이러한 도파로 및 광섬유의 발달은 적당히 낮은 흡수 및 산란손실을 갖는 물질에 대한 확인 및 공정과, 레이저의 등장을 포함한다. 그러나, THz 영역의 통신주파수를 달성하는 것은 초기에 예측했던 것보다 훨씬 난제라는 점이 확인되었고, 오늘날 광 통신시스템의 대부분은 본질적으로 광전자공학적이며, 빛을 조절하기 위해 예를 들어 스위치, 변조기, 컨트롤러, 증폭기, 커넥터, 필터와 같은 전자소자에 의존한다. 이러한 소자들은 광전송 주파수의 잠재력을 온전히 구현하고자 하는 통신산업의 역량을 제한하는 전자공학적 병목을 야기한다. 전자 부품의 성능이 과거 수세기동안 매우 크게 발전하였음에도, 전자 장치는 달성할 수 있는 한계 속도에 빠르게 접근할 것이라고 믿어지고 있다. 대역폭에서의 그 이상의 발전은 빛을 조절하는데에, 전자공학적 한계에 의해 제한되지 않는 새로운 전략이 요구된다. 이상적으로는 온전한 광 시스템이 요청된다.
온전한 광 통신 네트워크를 달성하기 위해서는, 오늘날 광전자 시스템에 사용되는 현존하는 전자 장치의 광학적 유사장치나 대체할 장치를 개발하고, 효과적이며 컴팩트한 시스템에 이러한 부품들을 패키징할 필요가 있다. 오늘날 연구되는 것들의 대부분은 광 커넥터, 스위칭, 변조기 등을 장치 수준에서 개발하고, 집적 전자회로에 사용되었던 성공적인 디자인과 유사한 방식으로 이들 장치를 집적하는 것에 있다. 공정면에서, 평판 구조가 바람직하며, 결과적으로 평판 도파로는 집적된 광 시스템에서 광의 진행방향을 가이드하는데 주요 선로가 된다.평판 도파로는 집적 전자 회로에서 와이어 접속의 광학적 유사장치가 된다. 그러나, 매우 먼 거리를 광이 통과하는 것은, 수 킬로미터 단위의 길이를 갖는 저손실 광섬유를 경제적으로 제조하는 것이 가능해짐에 따라, 단일 모드 광섬유를 통해 광을 전송함으로써 달성된다.
온전한 광 통신 네트워크의 대부분의 디자인에서, 광은 집적된 광소자들간에 광섬유를 이용하여 전송된다. 집적된 광 부품들은 광신호를 생성하고, 조작하고, 검출하는 능동소자이며, 광섬유는 네트워크 안에서 집적된 광 부품들간에 광의 루트가 되는 수동소자이다. 그러므로, 온전한 광 통신 네트워크의 성공적인 완성은 집적된 광 부품들, 특히 평판 부품들에 광섬유를 효과적으로 커플링하는 것이 요구된다. 집적된 광 부품들에 의해 수신된 입력 광신호는 최초로 도파로로 들어가므로, 평판형의 집적된 광 부품들에 섬유를 커플링하는 것에 있어서 중심 이슈는 광을 섬유로부터 평판 도파로로 효과적으로 전송하는 것에 있다.
섬유-도파로 접합은 온전한 광 시스템에 있어서 손실의 주원인이다. 손실의 원인은 광 매질과 구속(confinement)에서의 차이에 기인한 서로 다른 광 부품들의 서로 다른 광 전송 특성의 차이에서 비롯된다. 예를 들어, 광섬유는 코어와 클래딩 사이의 작은 굴절계수 차이에 의한 약한 구속에 기인한 큰 직경의 파워 프로파일을 갖는 광 모드를 전송한다. 반면에, 집적 도파로는 전형적으로 섬유에서 사용되는 물질(예를 들어, 실리카)보다 높은 굴절계수를 가는 도파물질(예를 들면, 실리콘)을 사용하기에, 도파모드의 직경은 섬유에서보다 도파로에서 훨씬 작다. 전형적으로, 단일 모드 실리카 섬유의 모드 직경 및 실리콘 도파로의 모드 직경은 각각 10μm 및 0.5μm이다. 그러므로, 섬유에서 도파로로의 효과적인 커플링은 섬유 직경의 특성을 갖는 모드를 도파로 직경의 특성을 갖는 모드, 또는 그 역으로 변환하는 메카니즘이 요구된다. 변환에서 손실에 대한 잠재된 위험은, 섬유에서 도파로로의 방향에서 특히 높다. 이는 큰 직경의 빔이 파워의 실질적인 손실없이 작은 직경의 빔으로 변환되는 것이 필요하기 때문이다. 섬유를 집적 도파로에 단순 단말-커플링(simple end-coupling)하는 것(후방대후방 배치;back-to-back placement)은 섬유와 도파로 사이의 단면적에서의 큰 미스매치에 기인한 실질적인 손실을 야기한다. 섬유에 존재하는 신호 대부분은, 물리적 치수(dimension)의 미스매치, 즉 섬유와 도파로 사이의 전송관점에서 본 단면 공간의 오버랩 때문에 훨씬 작은 도파로로 들어갈 수 없다. 큰 직경의 섬유에 존재하는 빛의 일부는 적어도 한 방향에서 보다 작은 단면을 갖는 도파로를 우회하며, 이 빛은 필연적으로 광신호에서 손실을 나타낸다.
섬유에서 도파로로 광신호를 전송하는데 있어서 모드 직경을 조정하기 위한 종래기술의 한 해결방안은 테이퍼링(tapering)이다. 테이퍼링의 목적은 모드 직경에서 보다 좋은 매치를 달성하도록, 섬유 또는 도파로의 물리적 치수를 조정하는 것이다. 섬유-테이퍼링에서 달성하고자 하는 바는, 집적 도파로의 수광 개구에 보 다 좋은 매칭을 제공하도록 물리적 치수의 축소를 통하여 출력단을 협소하게 함으로써 모드 직경을 줄이는데 있다. 이러한 방식으로 섬유에 존재하는 빔과 도파로에 의해 최적으로 가이드된 빔의 보다 좋은 단면적 오버랩이 달성된다. 섬유를 렌징(lensing)하는 것은 이와 같은 목적을 위하여 비슷하게 사용되어 왔다. 섬유-테이퍼링과 렌징은 향상된 점이 있으나, 달성 가능한 모드 직경은 자유 공간에서의 빔 웨이스트 한계(bean waist limit)에 의하여 제한되며, 이러한 제한은 통상의 실리콘 도파로의 개구보다 아직 크다. 정렬 요구 또한 매우 엄격하다.
종래 기술에 있어서, 또 다른 해결방안은 도파로의 테이퍼링이다. 도파로 테이퍼링에서 달성하고자 하는 바는, 섬유와의 보다 좋은 매칭을 달성할 수 있도록 도파로의 수광부 즉, 수신단에서의 모드 직경을 증가시키는 것이다. 도파로 테이퍼링은 업-테이퍼링(up-tapering)이나 다운-테이퍼링(down-tapering)을 통해 이루어질 수 있다. 업-테이퍼링의 구성(configuration)은, 평판 도파로의 끝단이 증가된 단면 오버랩을 주어 섬유 코어의 물리적 치수에 매칭되도록 바깥쪽 및 위쪽으로 경사지거나 나팔 모양으로 벌어지는 플레어(flare)로 되어 있다. 플레어로 된 끝단은, 그 끝단이 수렴하여 평판 도파로에 합쳐짐에 따라, 섬유로부터 받은 큰 직경의 빔을 원하는 서브-미크론 치수로 점차 포커싱한다. 플레어로 된 끝단은, 역으로 비슷하게 작동하여 작은 직경의 도파로 모드를 섬유에 전송가능한 큰 직경의 모드로 변환시킨다.
업-테이퍼링 구성에서 실질적인 어려움은 제조공정이다. 업-테이퍼링은 평판 구조물에서 상당히 벗어난 구조를 요구하는데, 이러한 구조는 평판 공정 기술에서 제조하기에 복잡하다. 또 다른 문제는 모드 변환과 손실을 최소화하기 위해서 긴 테이퍼가 필요하다는 점이다. 긴 테이퍼는 모드 직경을 점진적으로 변환되도록 하며, 전송된 모드의 파워를 집적 도파로의 허용된 많은 모드들에 퍼지게 하는 전송된 모드의 경향을 최소화한다. 허용된 둘 내지 그 이상의 모드 또는 도파로의 방사 모드로 섬유 모드가 퍼지는 것은 산란손실에 이르게 한다. 이들 손실은 (mm스케일로) 길게 연장된 테이퍼를 형성함으로써만 최소화될 수 있다. 이러한 테이퍼는 집적 광학 장치의 허용된 면적에 큰 부분을 차지하게 된다.
도파로 테이퍼링은 다운-테이퍼링 구성에 의해서도 달성될 수 있다. 다운-테이퍼링은 도파로의 수신단을 모드 필드(mode field)의 비국소화(delocalization)가 허용될 정도로 충분히 작은 나노미터 영역의 사이즈를 갖는 팁으로 축소하는 것이다. 비국소화는 도파로 모드가 도파로 코어를 넘어 클래딩으로 확장되어 섬유코어에 보다 좋은 공간 오버랩이 마련될 수 있도록 한다. 다운-테이퍼링의 단점은 요구되는 나노 스킬의 테이퍼된 팁을 형성하는데 기인한 공정상의 복잡성과 정렬의 어려움이다.
섬유 코어와 집적 도파로 사이의 굴절 계수 사이의 임의의 미스매치는 파워 전송의 효율성을 더욱 감소시키는 반사 손실을 야기한다.
광섬유를 집적 도파로에 커플링시키는 종래 기술 방법상의 문제점은 광섬유와 도파로 사이의 보다 효율적인 모드 커플링을 제공할 수 있는 새로운 커플링 장치의 필요성을 보여준다. 커플링 장치는, 이상적으로는, 모드 대칭을 유지하며 산란 및 반사 손실을 피한 채로, 섬유와 도파로 사이를 앞뒤로 효과적인 파워 전송을 제공할 수 있어야 한다. 나아가, 많은 응용기기의 경우, 섬유로부터 나타나는 랜덤하게(randomly) 편광된 빔으로부터 도파로상에 원하는 편광 모드(예를 들어, TE 또는 TM)를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 전송 광소자로부터 수신 광소자로 광 모드를 효과적으로 전송하는 광 커플링 장치를 제공한다. 이 광 커플링 장치는, 그 장치의 입력단에 연결된 전송 부품으로부터 광신호를 전송 받아 그 장치의 출력단에 연결된 수신 부품으로 그 신호를 효과적으로 전송할 수 있다.
이 장치는 둘 또는 그 이상의 유전체 물질의 조합을 포함하며, 이 장치를 통과하는 광신호의 전송 동안에 임피던스의 보존과 함께 입력단 및 출력단에서의 임피던스 매칭을 제공한다. 입력단 및 출력단에서의 임피던스 매칭은, 상호 연결된 부품들의 임피던스를 가깝게 매칭하는 유효 유전율(effective permittivity)을 얻을 수 있도록 입력단과 출력단의 단면에서의 이 장치를 구성하는 유전체 물질의 상대적 비를 변화시킴으로써 조정된다. 이 장치 내에서의 임피던스 보존은 이 장치의 단면 외형과 구성 유전체 물질의 단면 필 팩터(fill factors)의 동시 변형을 통해 달성된다. 이러한 임피던스 조건은, 입력단과 출력단에서의 높은 공간 오버랩의 조합으로, 상호 연결하는 광 부품간에 전송되는 신호의 파워에서 손실을 최소화한다.
본 발명의 일 실시예에서, 커플링 장치는 송신 소자인 둥근 섬유로부터 수신 소자인 정사각형 또는 직사각형 슬래브 도파로로 광신호를 커플링한다. 이 실시예에서, 광신호는 원형 단면을 갖는 빔으로부터 직사각형 단면을 갖는 빔으로 변형된다. 본 커플링 장치의 다른 실시예는 두 섬유 사이의 광신호 커플링(즉, 큰 직경의 섬유로부터 작은 직경의 섬유로의 또는 그 역으로의 광신호의 전송) 또는 두 슬래브 도파로 사이의 광신호 커플링(즉, 정사각형 단면을 갖는 도파로로부터 직사각형 단면을 갖는 도파로로의 또는 그 역으로의 광신호의 전송, 한변이 큰 정사각형의 도파로로부터 한변이 작은 정사각형의 도파로로의 또는 그 역으로의 광신호의 전송, 한 직사각형 도파로로부터 다른 형태의 직사각형 도파로로의 광신호의 전송 등)을 가능하게 한다.
또 다른 실시예에서, 임의의 단면 형상을 갖는 빔의 광신호는 본 발명의 커플링 장치에 의해 수신되고 전송된다. 예를 들어, 타원 단면을 갖는 빔은 송신 소자와 수신 소자 사이에 커플링될 수 있으며, 원형 또는 직사각형 빔으로 변형되거나 그 역으로 변형될 수 있다. 나아가 또 다른 실시예에서는, 임의의 단면 형상을 갖는 빔은 다른 임의의 형상으로 변형될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 주어진 단면 형상의 빔은, 본 발명의 커플링 장치를 통과하면서 치수가 확대되거나 축소되는 동안 그 형상을 유지할 수 있다. 본 발명의 커플링 장치의 입력 단면과 출력 단면은 원형, 정사각형, 직사각형 또는 대칭적 형상과 비대칭적인 형상을 포함하는 둥글거나 직선의 측면을 갖는 임의의 다른 형상이 될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 편광 상태는 무편광 내지 랜덤한 편광, 수직 편광, 수평 편광 및 편광의 중간 상태로부터 그리고 그 사이에서 변형될 수 있다. 편광에서의 변형은 광빔 단면의 형상 또는 크기에서의 변화의 조합으로 또는 그와 무관하게 이루어질 수 있다. 편광에서의 변동은 광신호가 전송되는 방향을 따라 제2 유전체 물질 내부에 산재해 있는 제1 유전체 물질의 단면 형상을 변화시킴에 따라 달성될 수 있다.
2중 물질의 조합에 덧붙여, 본 발명의 커플링 장치는 셋 또는 그 이상의 유전체 물질을 포함할 수 있으며, 그 안에 포함될 수 있는 공기, 유리 및 실리콘 외에도 다른 물질을 포함할 수 있다. 공기, 실리콘, 게르마늄, Ⅲ-Ⅴ족(예를 들어, GaAs, InP, InGaAs, AlInGaAs 등을 포함하는 합금과 화합물) 및 Ⅱ-Ⅵ족(예를 들어, CdS, CdSe, ZnS, ZnSe 등)의 산화물과 같은 복합 반도체; 일반적으로 가넷(garnets), 페로브스카이트(perovskites), 지올라이트(zeolites), 실리케이트(silicates), 금속 산화물을 일반적으로 포함하는 유리와 칼코겐화물(chalcogenide); 폴리머, 젤, 다이아몬드 및 이들의 조합을 포함하는, 다만 이들에 한정되지는 않는, 유전체는 본 발명 장치의 유전체 물질로 채용될 수 있다. 본 발명의 커플링 장치에 포함되는 유전체 물질은 상호 연결되는 전송 및 수신 장치의 존재하는 물질과 같거나 다를 수 있다. 작동의 원리는 입력단과 출력단에서의 임피던스 매칭과 커플링 장치를 통과하는 동안의 임피던스 보존에 관련된 사항에 의존한다.
도 1은 커플링 장치의 송신 소자와 수신 소자로의 접속의 개략적인 도시.
도 2는 실리콘과 유리로 된 커플링 장치의 입력 단면.
도 3은 실리콘과 유리를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 상면도.
도 4는 실리콘과 유리를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 측면도.
도 5는 실리콘과 유리를 포함하는 커플링 장치의 입력 단면.
도 6은 실리콘과 유리를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 측면도.
도 7은 실리콘과 공기를 포함하는 커플링 장치의 입력 단면.
도 8은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 상면도.
도 9는 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 측면도.
도 10은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 측면도.
도 11은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 12는 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 13은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 14는 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 15는 실리콘과 공기를 포함하는 커플링 장치의 내부 단면.
도 16은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 상면도.
도 17은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 18은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 19는 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 20은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 21은 실리콘과 공기를 포함하는 커플링 장치의 내부 단면.
도 22는 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 측면도.
도 23은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 24는 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 25는 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
도 26은 실리콘과 공기를 포함하며 광 섬유와 실리콘 도파로에 상호 연결되는 커플링 장치의 내부 단면.
본 발명은 전송 광소자로부터 수신 광소자로 광 모드를 효과적으로 전송하는 광 커플링 장치를 제공한다. 한 광소자로부터 다른 광소자로 광신호를 효과적으로 전송하기 위해서는 전송된 광신호의 파워나 세기를 최대화하는 커플링 장치가 요구된다. 또한, 많은 응용기기에 있어서, 모드 대칭성과 같은 특성을 유지하면서 광신호 전송에 대한 복수의 가이드된 모드 또는 방사 모드(radiation mode)로 파워가 재분포되는 것을 막는 것이 바람직하다.
한 소자로부터 다른 소자로 전송되는 파워를 최대화하는 것은, 커플링 장치의 입력단에서 송신 소자와 커플링 장치의 적절한 공간 오버랩과, 송신 소자와 커플링 소자 사이의 접합에서 반사 손실을 최소화하는 것과, 커플링 장치를 통과할 때 광신호의 산란이나 반사를 최소화하는 것과, 커플링 장치의 출력단에서 커플링 장치와 수신 소자의 적절한 공간 오버랩과, 커플링 소자와 수신 소자 사이의 접합에서 반사 손실을 최소화하는 것이 요구된다.
본 커플링 장치는, 송신 소자로부터 수신 소자로 광신호를 효과적으로 전송하도록 설계된 상호 연결 소자이다. 이 커플링 장치는 송신 소자로부터 광신로를 받아들이는 입력단과 수신 소자에 광신호를 제공하는 출력단을 가진다. 일 실시예에서, 이러한 커플링 장치의 입력단은 물리적으로 송신 소자와 연결되며, 본 발명의 커플링 장치의 출력단은 물리적으로 수신 소자와 연결된다. 광신호는 상호 연결 된 경로를 따라 커플링 장치를 통과한다. 이러한 장치는 다음의 하나 또는 그 이상의 것을 제공함으로써 커플링 손실을 최소화한다: 송신 소자에 존재하는 광신호의 높은 수신을 제공하는 입력단에서의 송신 소자와의 적절한 공간 오버랩, 광신호를 받아들이는데에 있어 반사 손실을 최소화하기 위한 입력단에서의 송신 소자와의 비슷한 계수 또는 임피던스 매칭, 광신호가 본 발명의 장치를 내부 전파하는 동안에 반사 및/또는 산란 손실을 최소화하도록 커플링 장치를 통과할 때 상호 연결되는 경로를 따라 광신호의 특성(예를 들어, 직경, 구속(confinement), 모드 형태, 모드 프로파일)이 변화하는 동안의 임피던스 보존 또는 광신호의 임피던스 보존에의 근사, 광신호가 본 커플링 장치를 나가는 동안 반사 손실이 최소화되도록 출력단에서 수신 소자와의 비슷한 계수 또는 임피던스 매칭 및 수신 소자가 본 발명의 장치에 존재하는 신호의 높은 수신을 달성할 수 있도록 출력단에서의 수신 소자와의 적절한 공간 오버랩.
본 발명의 장치는 입력단에서의 가이드된 모드 특성이 송신 소자의 모드 특성과 유사하거나/유사하고 출력단에서의 가이드된 모드 특성이 수신 소자의 모드 특성과 유사하도록 설계된다. 그러므로, 본 커플링 장치는, 다음과 같은 특징을 하나 또는 그 이상 추가하여 손실을 최소화하는 한편, 송신 소자로 특성지워지는 모드 조건으로부터 수신 소자로 특성지워지는 모드 조건으로 광신호의 변환을 제공한다: 입력단과 송신 소자와의 접합에서의 계수 또는 임피던스 매칭 및/또는 출력단과 수신 소자와의 접합에서의 계수 또는 임피던스 매칭 및/또는 본 발명의 커플링 장치를 통과하는 동안 광신호의 모드 특성(예를 들면, 모드 직경, 모드 필드, 구 속)이 변형될 때, 본 장치 내의 상호 연결된 경로를 따른 임피던스 매칭.
본 커플링 장치에 채용되는 방법은, 커플링 장치를 광신호가 통과하는 동안과 더불어, 커플링 장치와 다른 장치(예를 들어, 송신 소자와 수신 소자) 사이의 접합 내지 접촉에서 주로 발생되는 통상의 커플링 장치에서의 손실에 주목한다. 만일 광신호가 한 매질로부터 다른 매질로 지나간다면, 즉 그 형태 또는 광 특성이 점진적이며 연속적으로 변화되는 매질을 통과하면, 특성 임피던스가 일정하게 유지되지 않는 한, 광신호는 반사되거나 산란된다. 반사나 산란은 광신호의 손실을 의미하므로, 광신호의 전송 파워를 최대화하기 위해서는 이들 반사나 산란을 최소화하여야 한다. 본 발명의 장치는 반사 및 산란 손실을 최소화하기 위하여 임피던스 매칭과 보존의 방법을 채용한다. 본 발명의 장치는 장치들 사이의 접합 또는 접촉에서 임피던스가 매칭되거나 근사적으로 매칭되도록 하며, 상기 장치 내의 상호 연결된 경로를 따라 임피던스가 보존되거나 근사적으로 보존되도록 한다.
최소 손실은 갖는 광 회로를 구축하기 위한 견지에서, 커플링 장치의 설계에 있어서, 중요한 목적은 입력 임피던스를 보존하는 장치를 달성하는 것이다. 후술하는 이론에서, 커플링 장치의 특성 임피던스라고 부르는 성질을 소개하며, 커플링 장치를 따라 특성 임피던스를 보존하기 위한 설계상 고려되는 점들에 대한 설명에 집중하겠다. 커플링 장치의 특성 임피던스는 비부하상태에 있을 때의 입력 임피던스에 해당된다. 특성 임피던스는 입력 임피던스보다 커플링 장치를 설명하기 위한 더 편리한 참조 프레임이다. 이는 특성 임피던스가 입력 임피던스에 영향을 줄 수 있는 본 발명의 장치의 외적 효과(예를 들어, 장치의 출력단에 연결된 소자와 후술 하는 회로의 소자들)보다 장치 자체의 특성에 집중되도록 하기 때문이다. 커플링 장치의 특성 임피던스의 보존은 회로에 놓였을 때 입력 임피던스의 보존을 확보하게 하므로, 보다 편리한 특성 임피던스 양의 용어를 이용하여 본 발명에 대해 기술하기로 한다.
임피던스를 고려하는 이론적인 틀은 전송 선로 이론에 기초한다. 전송 선로 이론에서, 수동 광소자(예를 들면, (섬유, 평판 또는 집적 도파로를 포함하는) 도파로와 커플링 장치)는 광 필드(E,H) 또는 물질(μ,σ,ε) 매개변수의 용어로 정의되는 파동 임피던스를 갖는 전송 선로의 관점에서 보게 된다. 전송 전로 이론에서 중심 매개변수는 전송 선로의 인덕턴스 L과 커패시턴스 C이다.
전송 선로 이론에서, 광 도파로는 도파로의 유효 인덕턴스 L과 유효 커패시턴스 C가 도파로 구조의 필드와 물질 매개변수로부터 결정되어지는 것과 유사하게 모델링될 수 있다. 이러한 유사 모델링에서, 유전체 광 도파로, 즉 커플링 장치의 특성 임피던스 ZC는 다음과 같이 쓰여질 수 있다.
Figure 112006097068820-pct00001
여기서, ε과 μ는 각각 유전율(permittivity)와 투자율(permeability)이며, μ0는 진공 투자율(전형적인 유전체 물질에 대해 μ에 근접한 값이다)이며, ε0는 진공 유전율이고, εe는 도파로 구조의 유효 유전율이다. 도파로 즉 커플링 장치 구 조의 유효 커패시턴스 C는 εe와 도파로 즉 커플링 장치의 단면 기하구조와 모드 형상의 디멘젼없는(dimensionless) 함수 Cg의 곱으로 표현될 수 있으므로, 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112006097068820-pct00002
μ0와 ε0는 상수이므로, 도파로 즉 커플링 장치 구조의 형상이나 물리적 치수 또는 모드 형상이나 구속에서의 변화(즉, Cg에서의 임의의 변화)에 의한 유효 임피던스의 임의의 변화는 일정한 임피던스를 유지하기 위하여 유효 유전율 εe에서 보상하는 변화에 의해 상쇄될 수 있다.
물질의 유전율은 곧바로 물질의 유전 상수 또는 굴절 계수에 연관되므로, 후술하는 해석은 이러한 량의 용어로서 유사하게 제시될 수 있다. 유전 상수는 단순히 진공 유전율에 대한 물질의 유전율(즉, 유효 유전율)의 비이며, 굴절 계수는 유전 상수의 제곱근이다. 그러므로, 커플링 장치의 유효 임피던스의 변화는, 유효 유전율, 유전 상수 또는 굴절 계수에서 적절히 보상하는 변화에 의해 상쇄될 수 있다.
커플링 장치는, 커플링 장치의 물리적 치수(예를 들어, 단면적이나 단면 형상)가 커플링 장치를 통과하는 모드의 전파 방향을 따라 변할 때, 특정 모드의 프로파일을 갖는 입력 모드(커플링 장치의 입력단에서 수신된 모드)를 다른 모드의 프로파일을 갖는 출력 모드(커플링 장치의 출력단에서 전달되는 모드)로 변경할 수 있다. 커플링 장치의 물리적 치수에서의 변화는 팩터 Cg를 통하여 커플링 장치의 임피던스에서의 변화로 이끈다. 본 발명의 커플링 장치에 있어서, 모드 전파 경로를 따른 커플링 장치의 형상의 변화에 기인한 임피던스 영향은, 모드 전파 경로에 따라 일정하거나 실질적으로 일정한 임피던스를 갖는 커플링 장치가 될 수 있도록, 모드 전파 경로를 따른 커플링 장치의 유효 유전율에서 보상되는 변화에 따라 상쇄되거나 실질적으로 상쇄된다. 결과적으로, 커플링 장치의 입력단에서 출력단으로 모드의 전파에 관련되는 반사 및/또는 산란 손실은 최소화되고, 커플링 장치를 통하여 전달되는 파워는 최대화된다.
본 커플링 장치는 둘 또는 그 이상의 산재되어 있는 유전체 매질의 조합을 포함하며, 송신 소자로부터 수신 소자로 광신호를 효과적으로 전송하는 상호 연결 소자로서 사용될 수 있다. 본 커플링 장치의 입력단은 송신 소자의 단면 형상과 임피던스에 가깝게 매칭되는 단면 형상과 임피던스를 가지며, 본 커플링 장치의 출력단은 수신 소자의 단면 형상과 임피던스에 가깝게 매칭되는 단면 형상과 임피던스를 가진다. 전형적인 응용기기에서, 본 커플링 장치에 상호 연결되는 송신 소자 및 수신 소자는, 송신 소자 및 수신 소자로부터 지원되는 모드 프로파일(모드의 단면 형상과 모드 단면 내에서 광세기 분포를 포함)이 다르도록, 서로 다른 단면 형상 및/또는 단면적을 가진다. 이러한 응용기기에서, 본 커플링 장치는, 광신호가 지나는 경로를 따라 커플링 장치의 단면 형상이나 단면적의 연속적인 변화를 통하여, 송신 소자의 모드 프로파일을 수신 소자의 모드 프로파일로 변경한다. 상술한 바와 같이, 단면 형상이나 단면적 또는 기타 커플링 장치 자체의 물리적 치수의 변화는, 커플링 장치의 임피던스 변화를 이끌므로, 커플링 장치를 통해 전송되는 광신호의 손실 원천을 나타낼 수 있다.
본 커플링 장치는, 기하학적 구조, 형상, 단면 또는 기타 본 발명의 장치를 지나며 광신호의 전파 경로를 따라 생기는 물리적 치수의 변화로부터 발생되는 임피던스의 임의의 변화에 대해 유효 유전율에서 상쇄시키는 변화를 마련함으로써 보상한다. 본 발명의 유효 임피던스는, 장치 내에 포함되어 있는 둘 또는 그 이상의 산재된 유전체 물질 각각의 상대적인 비율을 변화시킴으로써 입력단과 출력단 사이에서 변화될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 유효 유전율은, 전파 경로를 따라 본 발명의 단면에 대한 둘 또는 그 이상의 유전체 물질 각각의 필 팩터를 변화시킴으로써 입력단과 출력단 사이에서 연속적으로 변화된다. (필 팩터는 커플링 장치의 단면적에 대하여 물질의 상대적인 또는 분수 식으로 표현된 기여를 가르킨다. 여기서 단면적은 일반적으로 광신호의 전파방향 또는 커플링 장치의 중심축에 대해 수직한 단면이다.) 본 발명의 장치의 전파 경로를 따라 단면 치수와 유효 유전율의 동시적이며 보상적인 변화는, 전파 경로를 따라 일정하거나 실질적으로 일정한 임피던스를 제공한다.
본 발명의 커플링 장치의 작동 원리와 설계에 대한 보다 상세한 설명은, 후술하는 상세한 설명을 통해 제시하도록 한다.
<실시예 1>
본 실시예를 통하여, 본 발명의 장치의 서로 다른 유전율을 갖는 것으로 두 개의 산재된 유전체 물질을 포함하는 경우에 대해 살펴보기로 한다. 본 장치는 입력 단면을 갖는 입력단과 출력 단면을 갖는 출력단을 갖는다. 여기서 장치의 단면적은 장치의 길이를 따라 입력 단면에서 출력 단면으로 가면서 연속적으로 변한다. 입력 단면 및 출력 단면은 유전체 물질의 어느 하나의 필 팩터와 다른 유전체 물질의 필 팩터를 가진다. 여기서 두 유전체 물질의 필 팩터는 입력 단면과 출력 단면에서 서로 다르다. 바람직한 실시예에서, 두 유전체 물질의 필 팩터는, 장치를 통과하는 전파 경로를 따라 서로 다른 단면에 걸쳐 연속적으로 변화한다.
본 실시예의 커플링 장치는, 도 1에 도식적으로 도시된 바와 같이, 광섬유와 도파로를 상호 연결한다. 섬유(10)는 유리 코어를 갖는 원형 섬유이고, 평판 도파로(30)는 실리콘 슬래브 도파로이다. 대표적인 실시예에서, 섬유의 유리 코어는 대략 1.45 굴절 계수와 대략 9μm의 직경을 가지며, 실리콘 슬래브 도파로는 대략 1.5μm의 폭과 대략 3.4 굴절 계수를 갖는다. 또한 실리콘 슬래브 도파로는 전형적으로 정사각형 또는 직사각형의 단면을 갖는다. 본 실시예에서 광은, 커플링 장치의 입력단(40)이 섬유에 연결되고, 커플링 장치의 출력단(50)이 도파로에 연결되어, 섬유로부터 커플링 장치(20)을 통하여 도파로로 전송된다. 커플링 장치(20)는 입력단과 출력단 사이에서 전파되는 광신호가 만나는 단면적이 감소하는 테이퍼된 형상을 갖는다. 본 실시예에서, 섬유의 중심축은 도파로의 중심축에 정렬되어 있다.
도 2는 입력단(40)의 끝단에서 본 도면(end view)을 보여준다. 이 끝단에서 본 도면은 커플링 장치의 입력 단면에 대응한다. 입력 단면은, 그 안에 산재된 실리콘 영역(70)을 포함하는 유리 영역(60)을 포함한다. 도 2의 실시예에서, 실리콘 영역(70)은 입력 단면에서 정사각형의 형상을 갖는 이산된 영역이다. 본 발명의 커플링 장치의 단면에서 산재된 유전체 물질의 이산된 영역에 의해 점유된 공간은 이산된 영역의 필 구역(fill area) 또는 필 단위(fill unit)로 표현될 수 있다. 필 구역은 이에 연관된 형상과 크기를 갖는다. 본 실시예에서, 이산된 실리콘 영역은, 정사각형이며 도 2에 도시된 바와 같은 상대적인 필 사이즈(fill size)를 갖는 필 형상을 갖는 필 구역을 갖는다. 또한 도 2에는 섬유 코어의 외곽선(80)이 도시된다. 커플링 장치의 입력 단면의 섬유 코어와의 실질적인 공간 오버랩은 커플링 장치의 광신호의 높은 수신을 가능하게 한다.
또한, 참조 방향 x와 y가 도 2에 도시되어 있다. x 방향과 y 방향 각각은 도 2에 파선으로 표시된 참조선 C-C와 B-B가 가르키는 방향에 대응된다. z 방향은 도면이 놓인 평면으로 수직하게 들어가는 방향에 대응된다. x, y 및 z 방향은, 커플링 장치를 3차원적 관점에서 볼 수 있도록 본 실시예의 설명과 도면에 포함된다. 도 2에서, 입력단은 xy 평면에 위치하며, 커플링 장치는 지면의 평면 뒤, z 방향으로 신장되어 있다. z방향은, 본 실시예에서 광신호가 전파되는 방향이다.
입력단에서 섬유와 커플링 장치의 근접한 임피던스 매칭은 섬유 코어에 있는 동일한 유리로 유리 영역(60)을 형성하고, 입력 단면에 실리콘 영역(70)의 필 팩터를 낮게 만듦으로써 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이, 필 팩터는 입력 단면(40)에서의 실리콘 영역(70)의 상대적 면적이다. 본 실시예에서 필 팩터는, 커플 링 장치의 입력단의 전체 단면적에 대한 이산적인 실리콘 영역(70)의 합쳐진 필 구역의 비에 해당된다. 섬유에서 사용된 유리의 사용과 관련하여 실리콘 영역(70)의 작은 존재는, 섬유 코어의 유전율에 매우 근접한 커플링 장치의 입력단에서의 유전율을 제공한다. 비슷한 유전율과 높은 공산 오버랩의 조합은 입력단에서의 임피던스 매칭과 높은 수신을 보장한다. 그러므로 섬유와 커플링 장치 사이의 접합에서의 손실은 최소화된다.
도 3은 yz 평면에서의 본 장치의 단면의 상면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 B-B 선을 포함하는 수직 평면에 대응하는 커플링 장치의 중심 단면을 보여준다. 섬유 코어(10), 입력단(40), 출력단(50) 및 평면 실리콘 도파로(30)가 도 3에 도시되어 있다. 또한 커플링 장치의 유리 영역(60)과 실리콘 영역(70)이 도시되어 있다. 본 투시도는 커플링 장치의 길이를 따라 실리콘 영역의 이산적 성질을 보여준다. 이산적 실리콘 영역은 섬유 또는 필라멘트(filament)의 형상 특성을 가지며, 이하에서 섬유 영역 내지 필라멘트 영역이라 한다. 도 3에 도시된 투시도는 커플링 장치(20)의 테이퍼 형상과 y 방향과 z 방향에서 일어나는 커플링 장치(20)의 단면의 감소를 보여준다. 단면적이 감소함에 따라, 광신호는 점차적으로 작아지는 공간에 갇히게 된다. 이러한 구속이 증가함에 따라, 커플링 장치의 유효 유전율은, 필라멘트 실리콘 영역(70)이 넓어지고 유리 영역(60)이 좁아지면서, 증가하게 된다.
커플링 장치(20)의 단면이 z 방향으로 감소함에 따라 생기는 유효 유전율의 증가는, 실리콘 영역(70)의 입력단과 출력단 사이에서 z 방향으로 증가하는 필 팩터의 결과이다. 커플링 장치의 유효 유전율은 물질, 즉 본 실시예의 장치를 만드는 물질의 유효 유전율의 국소적 함수이다. 둘 또는 그 이상의 물질이 존재하는 경우, 국소적 유효 유전율은 개개 물질의 유전율의 (광신호의 파장에 근사하는 길이 스케일에 대한) 평균이다.
입력단(40)에서, 커플링 장치의 단면은 도 2에 도시되며, 단면적에서 유리(60)의 필 팩터는 실리콘 영역(70)의 필 팩터를 훨씬 초과한다. 결과적으로, 입력단에서 커플링 장치의 유효 유전율은 유리의 유전율에 매우 근접하게 된다. 출력단(50)에서, 상황은 반전되며, 출력 단면은 유리 영역(60)의 필 팩터보다 훨씬 높은 실리콘 영역(70)의 단면적을 갖는다. 결과적으로, 출력단에서 유효 유전율은 실리콘의 유전율에 매우 근접하게 된다. 유효 유전율은, 실리콘의 필 팩터가 증가함에 따라, 커플링 장치의 입력단에서 출력단으로 연속적을 증가하게 되며, 전체적으로 또는 부분적으로 본 실시에의 장치의 테이퍼링 결과에 따라 발생하는 임피던스의 변화를 보상한다. 보상의 정도는 커플링 장치의 단위 길이당 유효 유전율이나 필 팩터의 변화, 유전체 물질의 선택, 커플링 장치의 테이퍼링 각도, 커플링 장치의 길이 및 커플링 장치의 단면 형상과 같은 인자들을 조정함으로써 변화될 수 있다. 본 장치를 통과하는 광신호의 전파에 의한 손실은 본 발명의 전후내용에 포함되는 커플링 장치의 이러한 특징들을 변화시킴으로써 제거되거나 최소화시킬 수 있다.
도 4는 본 실시예의 커플링 장치의 측면도이다. 이 측면도는 도 2에 도시된 끝단에서 본 도면에 수직하며, 참조선 C-C를 포함하는 평면에 대응되는 단면도이다. 섬유 코어(10), 입력단(40), 출력단(50), 평판 실리콘 도파로(30), 커플링 장 치(20)의 유리 영역(60) 및 실리콘 영역(70)을 보여준다. 도 4에 도시된 투시도는 커플링 장치(20)의 테이퍼 형상과 z 방향을 따라 x 방향에 대해 발생하는 커플링 장치(20)의 단면에서의 감소를 보여준다. 단면이 감소함에 따라, 광신호는 점진적으로 보다 작아지는 공간에 구속된다. 이러한 구속이 증가됨에 따라, 커플링 장치의 유효 유전율은, 상술한 바와 같이 실리콘 영역(70)과 유리 영역(60)의 필 팩터의 변화에 의하여 실리콘 영역(70)이 넓어지고 유리 영역(60)이 좁아짐에 따라, 증가하게 된다.
본 실시예의 커플링 장치는 유리 섬유를 실리콘 도파로에 커플링하는데 이러한 커플링은, 입력단에서 유리 섬유로부터의 광신호의 높은 수신율과, 출력단에서의 실리콘 도파로에 의한 높은 수신율과, 입력단에서의 유리 섬유 코어와 근접한 임피던스 매칭과, 데이퍼 형상과 함께 출력단에서의 실리콘 도파로와 근접한 임피던스 매칭 및 광신호가 커플링 장치를 지날 때 광신호에 대해 일정하거나 거의 일정한 임피던스를 제공하는 커플링 장치 내의 변화하는 유효 유전율을 갖는 구조에서 이루어진다. 송신 소자, 커플링 장치 및 수신 소자의 중심축의 실시예는 송신 소자, 커플링 장치 및 수신 소자가 공통의 평면상에서 정렬된 경계를 갖는 실시예와 같은 본 발명의 범위 내에 있다. 다른 정렬은 유추되어 이루어질 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있음은 이해될 수 있을 것이다.
<실시예 2>
본 실시예에서, 평판 집적 광소자에 대한 커플링 장치를 설명한다. 본 실시예의 장치는 유리 코어 영역을 갖는 광섬유를 실리콘 슬래브 도파로에 커플링하게 한다. 여기서, 섬유의 중심축은 도파로의 중심축에 정렬되어 있지 않다. 보다 구체적으로는, 본 실시예의 커플링 장치는 공통의 평면상에 놓이는 경계를 갖는 섬유와 도파로에 대하여, 섬유로부터 도파로로 광신호의 효과적인 전송이 가능하도록 한다. 이러한 구성은, 예를 들어, 온전한 평판 구조물이 사용되는 집적 광소자에서 바람직하다. 이러한 구조에서, 광 회로의 개별적 소자들은 동일면에 침착되거나(deposited) 또는 이와 달리 놓이게 되고(placed), 한 장치로부터 다른 장치로 광신호가 루트를 이루는 것이 바람직하다.
광섬유와 실리콘 도파로는 상술한 실시예 1에서 설명된 바와 같고, 본 실시예의 커플링 소자는 두 개의 유전체 물질, 유리와 실리콘을 포함한다. 본 실시예의 커플링 장치의 입력단의 끝단에서 본 도면은 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 입력단(140)의 끝단에서 본 도면을 보여준다. 이 끝단에서 본 도면은 커플링 장치의 입력 단면에 대응한다. 입력 단면은 그 안에 산재된 실리콘 영역(170)을 갖는 유리 영역(16)을 포함한다. 입력 단면(140)에서 실리콘 영역(170)의 필 구역은 정사각형의 형상을 갖는다. 또한 섬유 코어의 외곽선(180)이 도시되어 있다. 커플링 장치의 입력 단면의 섬유 코어와의 실질적 공간 오버랩은 커플링 장치에 의한 광신호의 높은 수신을 가능하게 한다. x 방향과 y 방향은 도 5에 도시되어 있으며, z 방향은 지면(紙面)에 수직한 방향이다.
본 실시예는 도 6에 도시된 측면도에 특히 잘 나타나 있다. 도 6의 측면도는 도 5의 끝단에서 본 도면에 수직하고 C-C선을 포함하는 평면에 대해 얻어지는 단면도에 대응한다. x 방향과 z 방향은 도 6에 도시되어 있다. 측면도는 섬유 코 어(10), 입력단(140), 출력단(150), 평판 실리콘 도파로(30), 커플링 장치(120)의 유리 영역(160)과 실리콘 영역(170)을 포함한다. 본 실시예에서의 실리콘 영역(170)의 이산적이며 필라멘트적인 성질이 도면에 나타나 있다. 또한, 측면도는 섬유 코어의 저면(105)과 상면(135), 커플링 장치의 저면(115)과 상면(145) 및 도파로의 저면(125)와 상면(155)를 보여준다. 본 실시예에서, 저면들(105,115,125)은 정렬되어 동일 평면상에 놓이며, 반면에 커플링 장치의 상면(145)은 섬유 코어의 상면(135)로부터 도파로의 상면(155)로 테이퍼되어 있다.
본 실시예에서, 실리콘 영역(170)의 필 팩터는 입력단(140)에서 출력단(150)으로 향하는 방향을 따라 증가한다. 상술한 바와 같이, 실리콘 영역(170)의 유전율은 유리 영역(160)의 유전율보다 높으므로, 실리콘의 증가하는 필 팩터는 커플링 장치의 유효 유전율의 증가에 대응한다. 증가하는 유효 유전율은, 입력단(140)과 출력단(150) 사이에서 커플링 장치의 단면의 감소에 수반하는 유효 임피던스의 증가를 상쇄시키거나 부분적으로 상쇄하는 유효 임피던스의 감소에 기여한다.
<실시예 3>
본 실시에에서는, 유전체 물질로 실리콘과 공기를 포함하는 커플링 장치가 고려된다. 상술한 실시예 1 및 2에서와 같이, 본 실시에의 커플링 장치는 예를 들면 섬유의 유리 코어는 대략 1.45의 굴절 계수와 대략 9μm의 직경을 가지며, 실리콘 슬래브 도파로는 대략 1.5μm의 폭과 대략 3.4의 굴절계수를 가지며 정사각형 내지 직사각형의 단면을 가지는 광섬유와 평판 도파로를 상호 연결한다. 본 실시예에서 광은, 커플링 장치의 입력단이 섬유에 연결되고, 커플링 장치의 출력단이 도 파로에 연결되어, 섬유로부터 커플링 장치를 통하여 도파로로 전송된다. 커플링 장치는 입력단과 출력단 사이에서 전파되는 광신호가 만나는 단면적이 감소하는 테이퍼된 형상을 갖는다. 본 실시예에서, 섬유의 중심축은 도파로의 중심축에 정렬되어 있다.
도 7은 본 실시예의 커플링 장치의 입력 단면을 보여준다. 입력 단면(240)은, 그 안에 산재된 공기 영역(270)을 포함하는 실리콘 영역(260)을 포함한다. 본 실시예에서, 공기 영역(270)은 입력 단면에서 정사각형의 형상을 갖는 필 구역을 갖는 이산된 영역이다. 또한, 섬유 코어의 외곽선(280)이 도시되어 있다. 커플링 장치의 입력 단면의 섬유 코어와의 실질적인 공간 오버랩은 커플링 장치의 광신호의 높은 수신을 가능하게 한다. 참조선 B-B와 C-C와 함께 x, y 및 z 방향은 도 2를 참조하여 설명한 바와 같다.
본 실시예에서, 입력단에서의 섬유와 커플링 장치의 근접한 임피던스 매칭은, (유리 섬유 코어보다 높은 유전율을 갖는) 실리콘 영역(260)과 (유리 섬유 코어보다 낮은 유전율을 갖는) 공기 영역(270)에 대한 평균으로부터 얻어지는 입력단의 유효 유전율을 유리 섬유 코어의 유전율에 근사적으로 매칭시키는 방식으로 실리콘 영역(260)의 필 팩터를 조정함으로써 달성된다. 비슷한 유전율과 높은 공간 오버랩의 조합은 근사적인 임피던스 매칭과 입력단에서의 높은 수신을 보장한다. 이에 따라, 섬유와 커플링 장치 사이의 접합에서의 손실은 최소화된다.
도 8은 yz 평면에서 본 실시예의 장치의 단면의 상면도이다. 도 8은 도 7에서 도시된 B-B선을 포함하는 수직한 평면에 대응하는 커플링 장치의 중심 단면을 보여준다. 섬유 코어(10), 입력단(240), 출력단(250) 및 평판 실리콘 도파로(30)가 도 8에 도시되어 있다. 또한, 커플링 장치의 공기 영역(270)과 실리콘 영역(260)이 도시되어 있다. 본 실시예의 실리콘 영역(260) 내에서 공기 영역(270)의 이산적이며 필라멘트한 성질은 도 8에 명확하게 나타나 있다. 도 8에 도시된 투시도는 커플링 장치(220)의 테이퍼 형상과 z방향을 따라 y 방향에 대해 발생되는 커플링 장치(220)의 단면의 감소를 보여준다. 단면이 감소함에 따라, 광신호는 점차적으로 작아지는 공간에 구속된다. 이러한 구속이 증가함에 따라, 실리콘 영역(260)의 필 팩터가 증가하면서 커플링 장치의 유효 유전율은 증가하게 되나, 반면에 입력단(240)에서 출력단(250)으로 향하는 방향을 따라 공기 영역(270)의 필 팩터는 감소하게 된다. 출력단(250)에서의 유효 유전율이 실리콘 도파로(30)의 유전율에 근접하게 매칭되도록, 출력단(250)에서, 실리콘 영역(260)의 필 팩터는 일로 접근하며, 공기 영역(270)의 필 팩터는 영으로 접근한다. 유효 유전율은, 실리콘의 필 팩터가 증가함에 따라, 커플링 장치의 입력단(240)에서 출력단(250)으로 연속적으로 증가한다. 유효 유전율의 증가는, 본 장치의 테이퍼링의 결과로 발생되는 임피던스 변화를 전체적으로 또는 부분적으로 보상한다. 그럼으로써, 본 장치를 통한 광신호의 전송에서 발생되는 손실을 최소화한다.
도 9는 본 실시예의 커플링 장치의 측면도이다. 이 측면도는 도 7에 도시된 끝단에서 본 도면에 수직하며 그 안에 표시된 참조선 C-C선을 포함하는 평면에 대응되는 단면도이다. 섬유 코어(10), 입력단(240), 출력단(250), 평판 실리콘 도파로(30), 커플링 장치(220)의 실리콘 영역(260) 및 공기 영역(270)이 도시되어 있 다. 도 9에 도시된 투시도는 커플링 장치(220)의 테이퍼 형상과 z방향을 따라 x방향에 대해 발생되는 단면에서의 감소를 보여준다. 단면이 감소함에 따라, 광신호는 점차적으로 감소되는 공간에 구속된다. 이러한 구속이 증가됨에 따라, 실리콘 영역(260)의 필 팩터가 증가하면서 커플링 장치의 유효 유전율은 증가하게 되고, 공기 영역(270)의 필 팩터는 상술하는 바와 같이 감소하게 된다.
실시예 2에서 상술된 것과 유사하게, 본 실시예의 커플링 장치도, 송신 섬유 소자와 커플링 장치와 수신 실리콘 도파로가 공통의 평면상에 놓이는 경계를 갖는 방식으로 도파로에 커플링될 수 있다. 이러한 실시예에는, 도 7에 도시된 입력 단면과 도 10에 도시된 측면도의 구조를 갖는 실리콘과 공기를 포함하는 커플링 장치가 사용될 수 있다. 이러한 측면도는 도 7의 끝단에서 본 도면에 수직한 참조선 C-C선을 포함하는 평면을 포함하는 단면도에 대응된다. x 방향과 z 방향은 도 10에 도시된 바와 같다. 측면도는 섬유 코어(10), 입력단(240), 출력단(250), 평판 실리콘 도파로(30), 커플링 장치(220)의 실리콘 영역(260) 및 공기 영역(270)을 포함한다. 또한, 측면도는 섬유 코어의 저면(105)과 상면(135), 커플링 장치의 저면(215)과 상면(245) 및 도파로(30)의 저면(125)과 상면(155)을 보여준다. 본 실시예에서, 저면들(105,215,125)은 정렬되어 공통의 면에 놓이나, 섬유 코어의 상면(135)과 도파로의 상면(155)은 정렬되지 않는다. 커플링 장치의 상면(245)은 섬유 코어의 상면(135)로부터 도파로의 상면(155)로 점점 가늘게 테이퍼된다.
본 실시예의 커플링 장치는 유리 섬유를 실리콘 도파로에 커플링하는데 이러한 커플링은, 입력단에서 유리 섬유로부터의 광신호의 높은 수신율과, 출력단에서 의 실리콘 도파로에 의한 높은 수신율과, 입력단에서의 유리 섬유 코어와 근접한 임피던스 매칭과, 데이퍼 형상과 함께 출력단에서의 실리콘 도파로와 근접한 임피던스 매칭 및 광신호가 커플링 장치를 지날 때 광신호에 대해 일정하거나 거의 일정한 임피던스를 제공하는 커플링 장치 내의 변화하는 유효 유전율을 갖는 구조에서 이루어진다. 송신 소자, 커플링 장치 및 수신 소자의 상기 중심축의 실시예는 송신 소자, 커플링 장치 및 수신 소자가 공통의 평면상에서 정렬된 경계를 갖는 실시예와 같은 본 발명의 범위 내에 있다. 다른 정렬은 유추되어 이루어질 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있음은 이해될 수 있을 것이다.
앞에서 본 실시예 1,2 및 3에서는 본 발명의 커플링 장치의 다양한 실시예와 외부 소자와 관련된 장치의 정렬 방법이 고려되고 있다. 이러한 실시예는 본 발명의 커플링 장치의 입력 단면과 출력 단면을 설명하고 있다. 입력단에서의 임피던스 매칭은, 본 발명의 커플링 장치의 유효 유전율이 송신 소자(예를 들어, 섬유 코어)의 유효 유전율에 매칭되거나 근접하게 매칭될 때에 향상되는 것을 보여주고 있으며, 출력단에서의 임피던스 매칭은, 본 발명의 커플링 장치의 유효 유전율이 수신 소자(예를 들어, 실리콘 도파로)의 유효 유전율에 매칭되거나 근접하게 매칭될 때에 향상되는 것을 보여주고 있다.
이러한 조건을 달성하기 위한 한 가지 방법은, 두 개의 유전체 물질로부터 커플링 장치를 구성하는 것이다. 여기서, 두 유전체 물질 중 어느 하나는 송신 장치의 도파 물질의 물질에 해당되고, 두 유전체 물질 중 다른 하나는 수신 장치의 도파 물질에 해당된다. 이러한 실시예에서, 커플링 장치의 입력 단면은 송신 소자 의 도파 물질을 주로 포함하며, 커플링 장치의 출력 단면은 수신 소자의 도파 물질을 주로 포함한다. 완전 임피던스 매칭의 제한된 경우에서, 수신 소자의 도파 물질의 필 팩터는 입력단에서 영에 접근하며, 수신 소자의 도파 물질의 필 팩터는 출력단에서 영에 접근한다. 커플링 소자의 안쪽의 단면에서, 두 물질은 감지될 수 있을 정도의 필 팩터를 갖는다.
입력단과 출력단에서 원하는 임피던스 매칭 조건을 달성하는 다른 방법은 두 유전체 물질로부터 장치를 구성하는데, 여기서 두 물질 중 하나 또는 모두는, 송신 소자의 도파 물질 또는 수신 소자의 도파 물질 중 어느 것에도 대응되지 않고, 특정 물질로 선택되어, 입력단 및 출력단에서 이들의 필 팩터는 입력 단면에서의 유효 유전율이 송신 소자의 유효 유전율에 근접하게 매칭되고, 출력 단면에서의 유효 유전율이 수신 소자의 유효 유전율에 근접하게 매칭되도록 설계된다.
<실시예 4>
앞서 본 실시예들에서, 대표적인 입력 단면과 출력 단면이 보여졌고, 송신 장치로부터 수신 장치로 본 발명의 커플링 장치를 통하여 광신호를 효과적으로 전송하는데 적합한 조건에 대해 설명되었다. 본 실시예에서는, 광신호 전송 방향에서 본 발명의 커플링 장치 내의 하나 또는 복수의 유전체 물질의 단면 형상에 대해 고려된다.
커플링 장치의 길이를 따라 임피던스를 보존하기 위하여 상술된 조건은, 테이퍼 방향에서 하나 또는 그 이상의 구성 유전체 물질의 필 팩터의 변동을 통해 유효 유전율의 변화를 보상함으로써, 광신호가 송신 소자에 상당하는 크기로부터 수 신 소자에 상당하는 크기로 구속되는 물리적 치수를 조정하기 위한 테이퍼링을 통하여 커플링 장치의 단면 기하 구조의 변형으로부터 얻어지는 효과의 보상에 기초한다. 본 실시예에서는, 본 발명의 커플링 장치의 대표적인 내부 단면이 고려되며, 광신호가 본 발명의 커플링 장치를 전파할 때에 광신호의 편광 상태가 변화될 수 있다. 여기서, 내부 단면은 본 발명의 커플링 장치의 입력 단면과 출력 단면 이외의 단면이다. 그러므로, 내부 단면은 본 장치의 입력 단면이나 출력 단면으로부터 떨어져 있는 단면이다.
본 실시예에서, 산재된 유전체 물질의 필 팩터는, 내부 단면에서의 유전체 물질의 영역의 필 형상은 유지되는데 반하여 필 사이즈는 변화되는 방식으로, 광 진행 방향에 따라 변화한다. 여기서, 필 사이즈는 필 구역 또는 이산되거나 필라멘트인 영역의 필 형상의 특성 사이즈나 길이 또는 치수를 가르킨다. 필 사이즈의 예는 사각형 필 형상의 길이, 직사각형 필 형상의 길이나 폭, 원형이나 타원형의 필 형상의 직경, 삼각형 필 형성의 높이나 밑변 길이 등을 포함한다.
이러한 실시예의 예로서, 도 7, 8 및 9 (또는 10)에 각각 도시된 입력 단면, 상면도 및 측면도를 참조하여 상술한 실시예 3에서 설명된 커플링 장치를 고려하기로 한다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 입력 단면은, 개개의 공기 영역이 정사각형 필 형상을 갖는 입력 단면 내에 주기적으로 분포되는 이산적인 공기 영역(270)을 포함한다. 상술한 바와 같이, 공기 영역의 필 팩터는, 유효 유전율이 증가되어 실시예 3에서 고려된 실리콘 슬래브 도파로 수신 장치의 유효 유전율에 접근되도록, 본 장치의 출력단 방향으로 감소한다.
본 실시예에서, 공기 영역의 필 팩터의 감소는, 정사각형인 필 형상을 유지하는 동안 공기 영역의 필 구역의 특성 필 사이즈, 변 길이에서의 축소함으로써 달성된다. 여기서, 정사각형인 필 형상을 유지하는 것은, 내부 단면이 주기적으로 배열된 정사각형의 필 형상을 갖는 공기 영역도 포함하도록 하는 것이나, 상기 정사각형은, 본 장치를 통하여 광신호가 전파되는 방향으로 치수면에서 보다 작으며(보다 작은 필 사이즈를 가지며), 공기에 대해 보다 작은 필 픽터를 집합적으로 제공한다.
본 실시예에 따른 내부 단면은 도 11 내지 14에 도시된다. 도 11은 상술된 실시예 3에서 설명된 커플링 장치의 내부 단면을 보여준다. 본 장치는 도 7에 도시된 입력 단면과, 도 8에 도시된 상면도와, 도 9에 도시된 측면도의 구조를 갖는다. 도 11에 도시된 내부 단면은 도 9의 참조선 A-A선이 가르키는 단면에 대응된다. 이 단면은 커플링 장치의 내부 위치에서 선택된 xy 평면 단면이다. 도 11에 도시된 참조 방향 B-B 및 C-C는 도 7의 입력 단면에 대해 도시된 B-B 및 C-C 방향에 대응된다. 공기 영역(270)과 유리 영역(260)이 도시되어 있다. 또한 수신 소자의 외곽선(275)가 도시되어 있다. 도 11의 실시예에서, 수신 소자는 1.5μm의 변 길이를 가지며, 커플링 장치의 중심축에 대해 중심에 정렬된 실리콘 슬래브 도파로이다. 내부 단면의 온전한 단면적은 수신 소자의 단면적과 커플링 소자의 출력 단면보다 크며, 이는 내부 단면이 테이퍼 형상의 장치의 입력단과 출력단 사이의 중간 위치에 해당되기 때문이다. 도 7에 도시된 입력 단면과 비교하면, 도 11에 도시된 내부 단면은 커플링 장치의 테이퍼링 때문에 보다 작은 온전한 단면적을 갖는 것이 보여 진다. 공기 영역(270)은 주기적으로 배열된 상태로 남아 있으며, 정사각형의 필 형상을 가진 필 구역은 유지되나, 정사각형의 변 길이(필 사이즈)는 축소되어 내부 단면에 있는 공기 영역의 합쳐진 필 팩터 또한 축소되어 내부 단면의 유효 유전율은 입력 단면의 유효 유전율보다 크도록 되어 있다. 도 12는 커플링 장치와 수신 소자가 동통의 평면을 공유하는 경계를 갖는 실시예 3에서 설명된 것과 비슷한 내부 단면이다. 도 12의 실시예는 도 7에서 도시된 입력 단면, 도 8에서 도시된 상면도 및 도 10에서 도시된 측면도의 구조를 갖는다. 도 13 및 도 14는 수신 소자(285)가 1.5μm×0.5μm의 치수의 직사각형 단면을 갖는 실리콘 슬래브 도파로인 실시예에 대한 내부 단면을 보여준다.
본 실시예에서, 공기 영역은, 입력 단면에서 정사각형 필 형상을 가지는 필 구역을 가지며, 내부 단면에서 정사각형의 필 형상을 유지하며, 출력 단면에서 정사각형의 필 형상을 계속 유지한다. 그러므로 공기 영역은 커플링 장치를 가로지르는 필라멘트로 볼 수 있다. 여기서, 필라멘트는, 커플링 장치의 입력단으로부터 출력단으로 향하는 전파 방향을 따라 변 길이에서 감소되고 있는 정사각형의 단면을 갖고 있다. 그러므로 공기 영역의 단면은 대칭적이며, 특정 방식으로 전파되는 광신호의 편광이 치우치거나 변경되지 않을 것이 기대된다. 신호의 편광 상태에 대한 커플링 장치의 임의의 영향은 랜덤할 것이 기대되어, 한정된 편광(예를 들어, TE 또는 TM)의 특정 상태가 수신 소자에 전혀 전달되지 않게 된다.
필라멘트의 대칭적인 단면은 원형이거나, 원형과 정사각형의 조합인 것은 본 실시예의 범위 내에서 있다.
<실시예 5>
본 실시예에서, 커플링 장치의 입력단과 출력단 사이에서 본 발명의 커플링 장치의 산재된 유전체 물질의 이산된 필라멘트 영역들의 필 형상이 변하는 것과, 어떻게 본 발명의 커플링 장치의 둘 또는 그 이상의 유전체 물질의 영역의 수, 크기, 배열 및/또는 형상이, 광신호의 편광 상태를 조정하는 데에 자유도를 제공하는지가 고려된다.
광신호가 광섬유를 전파할 때에, 일반적인 상황은 신호의 편광 상태가 시간과 공간에 걸쳐 천천히 랜덤화 되는 것이다. 결과적으로, 광신호는, 무편광이 아닐 수 있는 동안에, 알려지지 않은 타원 편광의 상태를 가질 수 있다. 본 발명의 커플링 장치의 일부 응용 기기에서, 광신호의 편광 상태는 중요한 고려사항이 아니며, 섬유에 의하여 본 발명의 커플링 장치로 제공된 광신호는 편광 상태의 계획적인 변형 없이 본 장치를 전파하고, 랜덤하거나 조정되지 않은 편광 상태로서 수신 소자에 전송된다.
다른 응용 기기에서,광신호가 커플링 장치를 통과할 때, 광신호의 편광 상태를 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 종종 수신 소자는 특정 편광 상태를 갖는 광 모드를 지원하며, 전송 효율을 최대화하기 위하여 이러한 편광 상태를 갖는 신호를 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 실리콘 슬래브 도파로는, 종종 랜덤하거나 무편광의 빛보다 TE 또는 TM 편광을 갖는 빛을 보다 효과적으로 전송한다. 본 실시예에서, 광신호의 편광은, 커플링 장치 내의 필라멘트 영역의 필 형상의 변형을 통해 조정한다. 보다 구체적으로, 하나 또는 그 이상의 필라멘트 영역의 필 형상은 보다 높은 대칭성을 갖는 형상에서 보다 낮은 대칭성을 갖는 형상으로 변하여, 커플링 장치의 출력단에서 보다 낮은 대칭성의 필 형상의 보다 긴 치수에 치우쳐진 편광 상태를 갖는 광신호가 생성되도록 한다.
편광 바이어스의 원리를 설명하기 위하여, 유전체 물질로서 공기와 실리콘을 포함하는 커플링 장치가 고려될 수 있다. 여기서, 커플링 장치는 상술하는 바와 같이 광섬유와 평판 도파로를 상호 연결한다. 입력 단면은 도 7을 참조하여 설명한 바와 같고, 도 15에 도시되어 있다. 입력 단면(440)은 그 안에 포함된 정사각형의 필 형상을 구비한 산재된 이산적인 공기 영역(470)을 갖는 실리콘 영역(460)을 포함한다. 본 실시예의 공기 영역은 필라멘트 형상이다. 또한, 송신 소자의 섬유 코어의 외곽선(480)이 도시되어 있다. 커플링 장치의 입력 단면의 섬유 코어와의 실질적인 공간 오버랩은 커플링 장치로 하여금 광신호의 높은 수신을 가능하게 한다. 참조선 B-B와 C-C와 아울러, x, y 및 z 방향은 실시예 1-4에서 상술한 바와 같다. 실시예 4에서와 같이, 도 15에 도시된 공기 영역의 단면은 정사각형이다.
본 실시예의 커플링 장치의, 입력단에 수직하며 참조선 B-B를 포함하는 평면에 대응되는, 상면도는 도 16에 도시되어 있다. 본 장치는 유리 코어를 갖는 섬유를 실리콘 슬래브 도파로에 커플링시킨다. 입력 단면(440), 출력 단면(450), 실리콘 영역(460) 및 필라멘트 공기 영역(470)이 표시되어 있다. 상면도는, 공기 영역(470)이 y 방향으로, 주변의 실리콘 영역에 대해 상대적으로, 신장된 것을 보여준다. 도 16은, 공기 영역이 신장된 것 없이 정사각형의 필 형상을 유지하는 실시예의 대응되는 상면도를 보여주는 도 8과 비교하는 것이 유용할 수 있다. 신장된 공기 영역(470)은, 도 16의 실리콘 영역(460)에 대해 상대적으로, 또한 도 8의 공기 영역(270)에 대해 상대적으로 y 방향으로 선형 치수의 증가된 부분을 차지한다.
도 17은, 도 16의 참조선 A-A에 의해 표시되는 위치에 대응되는 내부 단면을 나타낸다. 단면은 xy 단면이며, 커플링 장치의 중심축이 수신 실리콘 슬래브 도파로의 중심축에 정렬된 실시예에 해당된다. 1.5μm×1.5μm 정사각형 실리콘 도파로의 외곽선(475)는 실리콘 영역(460)과 이산된 공기 영역(470)을 따라 표시된다. 이 투시도를 참조하면, x 방향에 대해 상대적으로 y 방향으로 공기 영역(470)이 신장된 것이 명확하다. x 방향으로 공기 영역(470)이 상대적으로 협소한 것 또한 명확하다. y 방향으로의 신장된 것을 x 방향으로 협소하게 하여 근사적으로 보상함으로써, 대칭적인 필 형상을 유지하는 실시예에 대한 상술한 설명과 동일한 방식으로 유효 유전율을 증가시키는 것이 가능하며, 광신호의 커플링 장치를 통한 전송 효율을 최대화하기 위하여 상술하였던 일정한 임피던스의 유리한 효과를 달성하는 것이 가능하다. 본 실시예에서, 공기 영역(470)의 필 형상은 입력단에서의 정사각형으로부터 y 방향으로 상대적으로 신장되며, x 방향으로 상대적으로 압축됨으로써 출력단에 수평 방향의 직사각형으로 부드럽게 변한다. 보다 일반적으로, 공기 영역은, 입력단에서 높은 대칭성의 필 형상으로부터 출력단의 낮은 대칭성의 필 형상으로 연속적으로 변환된다.
광신호 전송 방향으로 유효 유전율의 원하는 증가를 달성하는데 필요한 공기 영역의 필 팩터의 변동은 이산적인 공기 영역의 필 구역을 변경함으로써 얻어질 수 있으며, 이는 y 방향으로 상대적인 신장을 연속적으로 하면서 달성될 수 있다. 도 18, 19 및 20은 필라멘트 공기 영역이 수신 실리콘 슬래브 도파로의 서로 다른 정렬 및/또는 크기에 대해 y 방향으로 신장된 유사한 실시예를 보여준다.
공기 영역은 y 방향으로 신장되므로, 본 실시예의 커플링 장치는, 전파되는 광신호에 수평 편광을 준다. 상황에 따라, 송신 소자로부터 주어진 광신호는 랜덤한 편광, 무편광 또는 특정 상태로 한정된 편광을 가질 수 있다. 이러한 평광 상태 중 임의의 상태를 가지는 편광이 본 실시예의 커플링 장치를 통해 전송되었을 때, 신호 전파 방향에 따라 생기는 공기 영역의 필 형상의 수평방향의 신장은 전파되는 빔의 편광을 변경하여 수평 상태의 편광으로 치우치게 한다. 만일 커플링 장치가 적절한 길이를 갖는다면, 입력단에서 임의 편광 상태를 출력단에서 수평 편광 상태로 본질적으로 완전히 변환하는 것이 이루어질 수 있게 된다. 수평 편광 상태의 생성은 다른 광신호보다 수평으로 편광된 광신호를 보다 효과적으로 전송하는 상호 연결된 수신 소자가 있는 상황에서 유리하다. 본 실시예에서 설명된 편광 효과는 유전체 물질로서 실리콘과 공기의 조합으로 설명되고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 유사한 원리가, 광신호의 전송 방향으로 적어도 하나의 유전체 물질의 필 형상의 변화를 보여주는 둘 또는 그 이상의 유전체 물질(예를 들면, 유리와 실리콘의 조합)에 대해 적용될 수 있다.
<실시예 6>
본 실시예에서, 본 발명의 커플링 장치에 포함되는 유전체 매질 중 하나의 필 형상의 형상이 커플링 장치의 입력단과 출력단 사이에서 변하는 것이 고려된다. 구체적으로, 커플링 장치의 입력단에서 수신받을 때, 임의의 편광 상태를 갖는 광신가 수직 방향으로 부분적으로 또는 완전히 치우쳐지는 편광을 갖는 광신호로 변환되는 실시예에 대해 설명하기로 한다. 상술된 실시예에서와 같이, 유리 코어를 갖는 광섬유와 실리콘 슬래브 도파로를 상호 연결하는 실리콘과 공기를 포함하며, 입력 단면이 실리콘에 산재된 정사각형의 필 형상을 갖는 공기 영역을 포함하는 커플링 장치에 대해 살펴본다. 도 21에서 다시 보여주는 입력 단면(540)은 이산적인 공기 영역(570)과 실리콘 영역(560)을 포함한다. 또한, 상술한 바와 같은 섬유 코어의 외곽선(580), 참조방향 B-B선과 C-C선 및 좌표방향 x 와 y을 보여준다.
본 실시예의, 입력단에 수직하며 참조선 C-C를 포함하는 평면에 대응되는, 커플링 장치의 측면도는 도 22에 도시되어 있다. 본 장치는 유리 코어를 가진 섬유를 실리콘 슬래브 도파로에 커플링시킨다. 입력 단면(540), 출력 단면(550), 실리콘 영역(560) 및 공기 영역(570)이 나타나 있다. 측면도는 공기 영역(570)의 필 형상이 x 방향으로, 주변의 실리콘 영역에 대해 상대적으로, 신장된 것을 보여준다. 도 22는, 공기 영역이 신장된 것 없이 정사각형의 필 형상을 유지하는 실시예의 대응되는 측면도를 보여주는 도 9와 비교하는 것이 유용할 수 있다. 신장된 공기 영역(570)은, 도 22의 실리콘 영역(560)에 대해 상대적으로, 또한 도 9의 공기 영역(270)에 대해 상대적으로 x 방향으로 선형 치수의 증가된 부분을 차지한다.
도 23은, 도 22의 참조선 A-A가 가르키는 위치에 대응되는 내부 단면을 보여준다. 이 단면은 xy 단면이며, 커플링 장치의 중심축이 수신 실리콘 슬래브 도파로의 중심축에 정렬된 실시예에 해당된다.
1.5μm×1.5μm 정사각형 실리콘 도파로의 외곽선(575)는 실리콘 영역(560)과 공기 영역(570)을 따라 표시된다. 이 투시도를 참조하면, y 방향에 대해 상대적으로 x 방향으로 공기 영역(570)이 신장된 것이 명확하다. y 방향으로 공기 영역(570)이 상대적으로 협소한 것 또한 명확하다. x 방향으로의 신장된 것을 y 방향으로 협소하게 하여 근사적으로 보상함으로써, 대칭적인 필 형상을 유지하는 실시예에 대한 상술한 설명과 동일한 방식으로 유효 유전율을 증가시키는 것이 가능하며, 광신호의 커플링 장치를 통한 전송 효율을 최대화하기 위하여 상술하였던 일정한 임피던스의 유리한 효과를 달성하는 것이 가능하다. 본 실시예에서, 공기 영역(570)의 필 형상은 입력단에서의 정사각형으로부터 x 방향으로 상대적으로 신장되며, y 방향으로 상대적으로 압축됨으로써 출력단에 수직 방향의 직사각형으로 부드럽게 변한다. 보다 일반적으로, 공기 영역은, 입력단에서 높은 대칭성의 필 형상으로부터 출력단의 낮은 대칭성의 필 형상으로 연속적으로 변환된다.
광신호 전송 방향으로 유효 유전율의 원하는 증가를 달성하는데 필요한 공기 영역의 필 팩터의 변동은 개개의 공기 영역의 필 구역을 변경함으로써 얻어질 수 있으며, 이는 x 방향으로 상대적인 신장을 연속적으로 하면서 달성될 수 있다. 도 24, 25 및 26은 필라멘트 공기 영역이 수신 실리콘 슬래브 도파로의 서로 다른 정렬 및/또는 크기에 대해 x 방향으로 신장된 유사한 실시예를 보여준다.
공기 영역은 x 방향으로 신장되므로, 본 실시예의 커플링 장치는, 전파되는 광신호에 수직 편광을 준다. 상황에 따라, 송신 소자로부터 주어진 광신호는 랜덤한 편광, 무편광 또는 특정 상태로 한정된 편광을 가질 수 있다. 이러한 평광 상태 중 임의의 상태를 가지는 편광이 본 실시예의 커플링 장치에 수신되고 이를 통해 전송되었을 때, 신호 전파 방향에 따라 생기는 공기 영역의 필 형상의 수직방향의 신장은 전파되는 빔의 편광을 변경하여 수직 상태의 편광으로 치우치게 한다. 만일 커플링 장치가 적절한 길이를 갖는다면, 입력단에서 임의 편광 상태를 출력단에서 수직 편광 상태로 본질적으로 완전히 변환하는 것이 이루어질 수 있게 된다. 수직 편광 상태의 생성은 다른 광신호보다 수직으로 편광된 광신호를 보다 효과적으로 전송하는 상호 연결된 수신 소자가 있는 상황에서 유리하다. 본 실시예에서 설명된 편광 효과는 유전체 물질로서 실리콘과 공기의 조합으로 설명되고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 유사한 원리가, 광신호의 전송 방향으로 적어도 하나의 유전체 물질의 필 형상의 변화를 보여주는 둘 또는 그 이상의 유전체 물질(예를 들면, 유리와 실리콘의 조합)에 대해 적용될 수 있다.
상술된 예들을 통해 설명된 실시예는 송신 소자로서 원형의 섬유로부터 수신 소자로서 정사각형 또는 직사각형 슬래브 도파로로 광신호를 커플링시킨다. 이러한 실시예에서, 광신호는 원형 단면을 갖는 빔으로부터 직사각형 단면을 갖는 빔으로 변형된다. 본 커플링 장치의 다른 실시예는 두 섬유 사이의 광신호 커플링(즉, 큰 직경의 섬유로부터 작은 직경의 섬유로의 또는 그 역으로의 광신호의 전송) 또는 두 슬래브 도파로 사이의 광신호 커플링(즉, 정사각형 단면을 갖는 도파로로부터 직사각형 단면을 갖는 도파로로의 또는 그 역으로의 광신호의 전송, 한변이 큰 정사각형의 도파로로부터 한변이 작은 정사각형의 도파로로의 또는 그 역으로의 광신호의 전송, 한 직사각형 도파로로부터 다른 형태의 직사각형 도파로로의 광신호의 전송 등)을 가능하게 한다. 또한, 임의의 단면 형상을 갖는 빔을 갖는 광신호는 본 발명의 커플링 장치 내에서 지지될 수 있고, 이에 의해 전송될 수 있다. 예를 들어, 타원 단면을 갖는 광빔은 본 발명의 다른 실시예에서의 송신 소자와 수신 소자 사이에 커플링될 수 있다. 타원 빔은 원형 빔이나 직사각형 빔으로 변형될 수 있으며, 그 역으로 변형될 수 있고, 임의의 단면 형상을 갖는 빔은 다른 임의의 형상으로 변형될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 주어진 단면 형상의 빔은, 본 발명에 따른 커플링 장치를 통과하면서 치수가 확대되거나 축소되는 동안 그 형상을 유지할 수 있다. 본 발명의 커플링 장치의 입력 단면과 출력 단면은 원형, 정사각형, 직사각형 또는 대칭적 형상과 비대칭적인 형상을 포함하는 둥글거나 직선의 측면을 갖는 임의의 다른 형상이 될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 편광 상태는 무편광 내지 랜덤한 편광, 수직 편광, 수평 편광 및 편광의 중간 상태로부터 그 사이에서 변형될 수 있다. 편광에서의 변형은 광빔 단면의 형상 또는 크기에서의 변화의 조합으로 또는 그와 무관하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 커플링 소자는, 적어도 하나의 유전체 물질이 본 장치 내에서 전파 방향을 따라 필 구역, 필 형상 및/또는 필 사이즈에 변동과 본 장치 내에서 일정하거나 거의 일정한 임피던스를 가지는, 둘 또는 그 이상의 유전체 물질을 포함한다. 본 발명의 실시예는, 하나 또는 그 이상의 유전체 물질이, 한 유전체 물질 내에 이산적이거나 연속적인 영역을 형성하도록 산재되는 것과 하나 또는 그 이상의 유전체 물질이 한 유전체 물질 내에서 이산적이거나 연속적인 필라멘트 영역을 형성하는 것을 포함한다. 필라멘트 영역은 단일 유전체 물질로부터 형성되거나, 유전체 물질들의 조합으로 형성될 수 있으며, 서로 다른 필라멘트 영역은 동일하거나 서로 다른 물질 또는 물질의 조합으로부터 형성될 수 있다. 필라멘트 영역의 수는, 어떠한 상한치를 가지지 않으며 작게는 하나일 수 있다. 필라멘트 영역은 상호간에 상대적으로 임의로 위치될 수 있거나, 서로 다른 필라멘트 영역의 필 구획이 하나 또는 그 이상의 본 장치의 단면 내에서 주기적으로 배열되는 방식으로 형성될 수 있다. 본 발명의 장치에 따라 유전체 물질의 필 팩터에서의 변동은 본 장치의 단면이나, 하나 또는 복수의 필라멘트 또는 이들의 조합의 크기나 형상의 변동으로부터 달성될 수 있다.
상술된 예들에서 설명된 공기 및 실리콘과, 유리 및 실리콘에 기초한 2중 물질의 조합에 덧붙여, 본 발명의 커플링 장치는 셋 또는 그 이상의 유전체 물질을 포함할 수 있으며, 그 안에 포함될 수 있는 공기, 유리 및 실리콘 외에도 다른 물질을 포함할 수 있다.
공기, 실리콘, 게르마늄, Ⅲ-Ⅴ족(예를 들어, GaAs, InP, InGaAs, AlInGaAs 등을 포함하는 합금과 화합물) 및 Ⅱ-Ⅵ족(예를 들어, CdS, CdSe, ZnS, ZnSe 등)의 산화물과 같은 복합 반도체; 칼코겐화물(chalcogenide)과 일반적으로 가넷(garnets), 페로브스카이트(perovskites), 지올라이트(zeolites), 실리케이트(silicates), 금속 산화물을 포함하는 유리; 폴리머, 젤, 다이아몬드 및 이들의 조합을 포함하는, 다만 이들에 한정되지는 않는, 유전체는 본 발명 장치의 유전체 물질로 채용될 수 있다. 본 발명의 커플링 장치에 포함되는 유전체 물질은 상호 연 결되는 전송 및 수신 장치의 존재하는 물질과 같거나 다를 수 있다. 작동의 원리는 입력단과 출력단에서의 임피던스 매칭과 커플링 장치를 통과하는 동안의 임피던스 보존에 관련된 사항에 의존한다. 공기, 실리콘, 게르마늄, Ⅲ-Ⅴ족(예를 들어, GaAs, InP, InGaAs, AlInGaAs 등을 포함하는 합금과 화합물) 및 Ⅱ-Ⅵ족(예를 들어, CdS, CdSe, ZnS, ZnSe 등)의 산화물과 같은 복합 반도체; 칼코겐의 이원 화합물(chalcogenide) 결정과 유리를 포함하며, 일반적으로 금속 산화물, 실리케이트(silicates), 지올라이트(zeolites), 페로브스카이트(perovskites), 가넷(garnets); 폴리머, 젤, 다이아몬드 및 이들의 조합을 포함하는, 다만 이들에 한정되지는 않는, 유전체는 본 발명 장치의 유전체 물질로서 채용될 수 있다.
나아가, 본 발명의 커플링 장치에 포함되는 유전체 물질은 상호 연결되는 전송 및 수신 장치의 존재하는 물질과 같거나 다를 수 있다. 작동의 원리는 입력단과 출력단에서의 임피던스 매칭과 커플링 장치를 통과하는 동안의 임피던스 보존에 관련된 사항에 의존한다. 상술한 바와 같이, 요구되는 임피던스 조건은 커플링 장치의 유효 유전율과 단면 형상의 변화를 통해 만족될 수 있다. 특정 유효 유전율은 물질들의 서로 다른 많은 조합으로부터 얻어질 수 있으며, 송신 및/또는 수신 장치에 공통되는 본 발명의 커플링 장치의 물질을 사용함으로써 달성되거나 달성되지 못할 수 있다. 또한 편광 상태의 특정 변형은 송신 및 수신 소자의 물질에 매칭하는 유전체 물질의 조합으로 또는 조합 없이 달성될 수 있다.
여기에 상술된 내용은, 설명을 위한 것이고, 본 발명의 실시를 제한하고자 하는 것은 아니다. 한편 본 발명의 바람직한 실시예로 생각되는 경우에 대해 설명 하고 있으나, 당해 분야의 기술을 가진 자는, 본 발명의 사상에 벗어나지 않는 범위 내에서 이와 다르거나, 나아가 변화와 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이며, 본 발명의 모든 범위 내의 이러한 변화와 변경 모두를 청구하고자 한다. 모든 균등물을 포함하며 상술된 사항과 당해 분야의 기술을 가진 자가 이용할 수 있는 공통된 지식의 조합된 하기의 청구항에 의하여 본 발명의 범위가 한정될 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 유전체 물질과 제2 유전체 물질을 포함하는 것으로,
    광신호를 수신하는 것으로, 입력 단면을 가지며, 상기 입력 단면은 상기 제1 유전체 물질의 제1 필 팩터를 가지는 입력단과;
    상기 광신호를 전송하는 것으로, 출력 단면을 가지며, 상기 출력 단면은 상기 제1 유전체 물질의 제2 필 팩터를 가지는 출력단과;
    상기 입력단과 상기 출력단 사이의 것으로, 상기 제1 및 제2 유전체 물질을 가지며, 복수의 내부 단면을 가지는 내부 영역;을 포함하며,
    상기 제1 필 팩터는 상기 제2 필 팩터와 다른 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체 물질은 상기 제2 유전체 물질 내부에 산재해 있는 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체 물질은 상기 제2 유전체 물질 내에서 하나의 영역 또는 복수의 이산된 영역으로 형성된 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이산된 영역은 하나 또는 복수의 필라멘트 영역을 포함하며, 상기 필라멘트 영역은 상기 입력단으로부터 상기 내부 영역을 거쳐 상기 출력단으로 연속적으로 연장되며, 상기 필라멘트 영역 각각은 상기 입력 단면, 내부 단면 및 출력 단면 각각에 필 구역을 차지하며, 상기 필 구역은 필 치수와 필 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 필라멘트 영역의 필 형태는 상기 입력 단면, 내부 단면 및 출력 단면에서 동일한 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 필라멘트 영역의 필 사이즈는 상기 입력단과 상기 출력단 사이에서 변하는 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 필라멘트 영역의 필 형태는 상기 입력 단면과 출력 단면 중 하나에서 정사각형이며, 상기 입력 단면과 출력 단면 중 다른 하나에서 직사각형인 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 필라멘트 영역의 필 구역은 상기 입력 단면, 내부 단면 및 출력 단면에서 주기적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체 물질은 상기 제2 유전체 물질 내에서 둘 또는 그 이상의 이산된 영역으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이산된 영역은 상기 제2 유전체 물질 내에서 주기적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 입력 단면과 상기 출력 단면은 크기와 형상에서 다른 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 내부 단면은 상기 입력단과 상기 출력단 사이에서 형태 또는 크기가 변하는 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 내부 영역의 특성 임피던스는 일정한 것을 특징으로 하는 광 커플링 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 광 커플링 장치와;
    상기 광 커플링 장치의 상기 입력단에 상호 연결되는 것으로, 상기 입력단이 수신받는 상기 광신호를 제공하는 송신 소자와;
    상기 광 커플링 장치의 상기 출력단에 상호 연결되는 것으로, 상기 출력단에서 전달되는 상기 광신호를 수신하는 수신 소자;를 포함하는 광 회로.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 송신 소자는 광 섬유 또는 슬래브 도파로이고 상기 수신 소자는 광 섬유 또는 슬래브 도파로인 것을 특징으로 하는 광 회로.
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