KR101026608B1 - 광 링 공진기 변조기, 광 강도 최대화 방법 및 광 변조 시스템 - Google Patents

광 링 공진기 변조기, 광 강도 최대화 방법 및 광 변조 시스템 Download PDF

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Abstract

광 링 공진기 변조기는 제 1 직선형 도파관 및 제 2 직선형 도파관에 수멸 결합되는 원형 도파관, 즉, 링을 포함한다. 링은 외부 링 또는 도핑 실리콘재로 둘러싸일 수 있고, 링 내부의 영역은 반대 도핑부를 포함하여, 링 자체를 PIN 다이오드의 진성 영역으로 만들 수 있다. 외부재와 내부재 사이에 전압이 인가되면, 도파관의 굴절률은 변한다. 제 1 도파관의 쓰루풋 종단에서의 광다이오드는 외부재 및 내부재로의 전압을 제어하는 피드백 루프에 접속된다.

Description

광 링 공진기 변조기, 광 강도 최대화 방법 및 광 변조 시스템{STABILIZED RING RESONATOR MODULATOR}
본 발명의 실시예는 광 링 공진기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 안정성이 개선된 링 공진기 변조기에 관한 것이다.
링 공진기는 다양한 광 필터 및 변조 애플리케이션에 사용될 수 있는 파장 선택적 장치이다. 광 링 공진기(RR)는 파장 필터링, 다중화, 스위칭 및 변조에 유용한 소자이다. RR의 중요한 성능 특성은 FSR(Free-Spectral Range), 피네스(finesse)(또는 Q-계수), 공진 전달 및 소광비(extinction ratio)를 포함한다. 이들 양은 장치 설계뿐만 아니라 제조 허용오차에도 의존한다. 대부분의 종래의 도파관 설계에 최신식 리소그라피가 필요하지 않을 수도 있지만, 링 공진기 설계는 100 ㎚ 이하의 CD(critical dimension) 값을 필요로 한다.
이러한 설계에 있어서, 분해능 및 CD 제어는 둘 다 장치의 성과에 중요하다. Si 기반 링 공진기의 경우에, 제어에 관한 중요한 파라미터 중 하나는 RR과 입/출 력 도파관 사이의 결합 효율이다. 큰 FSR을 얻기 위해 RR에서 보통 콤팩트 도파관(예컨대, 220 ㎚ × 500 ㎚ 스트립 도파관)이 사용되므로, 링과 버스 도파관 사이의 갭은 단지 100 ㎚ 내지 200 ㎚일 수 있다. 장치는 소멸(evanescent) 결합을 통해 동작하므로, 결합은 개별 갭의 크기에 지수적으로 의존한다. 따라서, 하이-큐(high-Q) RR 장치를 확실하게 처리하기 위해, 수 ㎚의 제어는 최신 0.18 ㎛ 또는 0.13 ㎛ 리소그라피에 의해 용이하게 달성된 CD 제어를 필요로 한다.
링 공진기가 본래 상당히 민감한 장치이므로, 재조정을 필요로 할 수 있는 다수의 상황이 존재할 수 있다. 공진의 "디튜닝(de-tuning)"을 발생시킬 수 있는 몇몇 상황은 온도 변화, 공정 변화, 재료 저하, 전압 강하, 스트레인, 레이저의 파장 드리프트 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
광 링 공진기 변조기는 제 1 직선형 도파관 및 제 2 직선형 도파관에 소멸 결합되는 원형 도파관, 즉, 링을 포함한다. 링은 외부 링 또는 도핑 실리콘재로 둘러싸일 수 있고, 링 내부의 영역은 반대 도핑부를 포함하여, 링 자체를 PIN 다이오드의 진성 영역으로 만들 수 있다. 외부재와 내부재 사이에 전압이 인가되면, 도파관의 굴절률은 변한다. 제 1 도파관의 쓰루풋 종단에서의 광다이오드는 외부재 및 내부재로의 전압을 제어하는 피드백 루프에 접속된다.
본 발명의 전술한 이해 및 더 나은 이해는 장치 및 예시적인 실시예에 대한 후속하는 상세한 설명 및 특허청구범위를 첨부 도면과 관련하여 읽을 때 자명해질 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 개시의 일부를 형성한다. 이전 및 후속하는 기술 및 도시된 개시는 본 발명의 장치 및 예시적인 실시예에 집중되지만, 이들은 예시일 뿐이며, 본 발명이 이들로 제한되지 않음을 분명히 알아야 한다.
본 발명에 따르면, 피드백 회로를 가진 광 링 공진기 변조기를 제공함으로써 안정성을 유지하고 링 변조기의 성능을 최대화할 수 있다.
후속하는 상세한 설명에서는, 서로 다른 도면에서 동일한 참조 번호 및 기호는 동일하고, 대응하며, 유사한 구성요소를 지칭하는 데 사용될 수 있다. 잘 알려져 있는 집적 회로(IC) 및 다른 구성요소에 대한 전력/접지 접속은 설명 및 논의의 간결성을 위해 도면에 도시되지 않을 수도 있다. 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하기 위해 특정 세부사항이 설명되었지만, 당업자는 본 발명이 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수 있음을 알아야 한다.
마이크로 링 공진기의 예가 도 1에 도시된다. 링 공진기는 제 1 직선형 도파관(102) 및 제 2 직선형 도파관(104)에 소멸(evanescently) 결합된 원형 도파관, 즉, 링(100)을 포함한다. 예시를 위해, 링 공진기는 입력 단자(106), 쓰루풋 단자(108) 및 출력 단자(110)와 같은 3 개의 주 단자를 포함한다. 동작시에, 다수의 광도파관은 제 1 직선형 도파관(102)의 입력 단자(106)를 개시한다. 본 명세서에서는 λx, λＲ 및 λz인 3 개의 파장이 도시된다. 파장이 제 1 결합 영역(112)을 통과할 때, 파장은 링(100) 내에 부분적으로 결합되고, 이어서 링(100) 내의 파장은 제 2 직선형 도파관(104) 내에 제 2 결합 영역(114)에서 부분적으로 결합되어 출력 단자(110)에서 출력될 것이다.
따라서, 링 공진기는 특정 파장의 광이 링과 공진하며 광이 링(100) 내에 결합되는 협대역을 가진 장치이다. 여기서, 공진 파장 λＲ은 조건 λＲ=LNeff/m을 만족시키므로 링(100) 내에 결합되는 파장이되, L은 링(100)의 길이이고, Neff는 링(100)의 실효 굴절률(effective index)이며, m은 정수이다. 이 장치를 사용하여, 다수의 파장이 링 공진기 장치에 들어가며, 관심 있는 파장 또는 공진 파장 λＲ을 제외하고 모두 필터링될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 링 공진기가 도시된다. 이전과 같이, 링 공진기는 제 1 직선형 도파관(202) 및 제 2 직선형 도파관(204)에 소멸 결합된 원형 도파관, 즉, 링(200)을 포함한다. 링 공진기는 입력 단자(206), 쓰루풋 단자(208) 및 출력 단자(210)와 같은 3 개의 주 단자를 포함할 수 있다.
도파관의 굴절률 및 링(200)의 클래딩(cladding)을 변경하고 이로써 공진 주파수를 변경함으로써 상이한 변조 방법이 이용될 수 있다. 예컨대, 이는 열 튜닝에 의해서나 또는 자유 전하를 주입(또는 제거)함으로써 지수가 변할 수 있는 발색단 도핑 폴리머(chromophore doped polymer) 또는 반도체와 같은 전기 광학 재료를 사용함으로써 달성될 수 있다. 다른 전기 광학 재료 옵션 및 다른 튜닝 옵션도 이용가능하다.
도 2의 예에 도시된 바와 같이, 링(200)은 n형 도핑된 실리콘의 외부 링(211)으로 둘러싸이고, 링 내부의 영역(212)은 p형 도핑되어, 도파관 자체를 PIN(positive-intrinsic-negative) 다이오드의 진성 영역으로 만든다. 물론 도핑은 외부 링(211)이 p형 도핑되고 링 내부의 영역(212)이 n형 도핑되는 반대 방식일 수 있다. 단자(214)에서 접합부 양단에 전압이 인가되면, 링 도파관(200) 내로 전자 및 홀이 주입되어, 굴절률 및 공진 주파수가 변하며 이로써 더 이상 동일한 파장의 광을 통과시키지 않게 된다. 따라서, 전압을 턴온하면 광빔이 오프로 전환되어 스위치를 작동시킨다.
실시예에 따르면, 집적된 모니터 광검출기, 즉, 광다이오드(220)가 배치되어 쓰루풋 포트(208)로부터 광을 캡처할 수 있다. 쓰루풋 포트(208)에서의 광다이오드(220)는 본래 출력 포트(210)에서의 광의 역 강도(inverse intensity)를 관찰한다. 광다이오드(220)는 신호 강도를 광 영역에서 전자 영역으로 변환한다. 이어서 트랜스임피던스 증폭기(TIA:transimpedance amplifier)(222)를 포함하는 피드백 회로는 광다이오드(220)로부터 수신된 전류를 단자에 인가되어 링(214) 내의 광을 변조할 수 있는 전압으로 변환한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 만일 입력 포트(206) 다음의 제 1 도파관(202)의 슬라이스, "슬라이스 A"를 통과하는 공진 주파수의 광을 볼 수 있다면, 광 강도는 꽤 안정된 것처럼 보일 것이다. 링(200)이 "슬라이스 B"에서 쓰루풋 포트(208)를 통과한 후 변조된 광의 강도는 단자(214)에 인가된 전압에 의해 변조된 링의 공진 상태에 따라 도시된 바와 같이 온과 오프를 교번할 수 있다. 이는 모니터 광다이오드(220)에 의해 검출된 광 강도이다. 광 파장이 링 공동과 공진하면, 광은 링(200) 내에 결합되고, "슬라이스 C"의 파형으로 도시된 바와 같이 강도는 쓰루풋 포트(208)에서 떨어지며 출력 포트(210)에서 증가한다. 광 파장이 공진을 벗어나면, 출력 포트(210)에서의 광 강도는 최소이고 쓰루풋 포트(208)에서의 광 강도는 최대이다.
이 광을 판독하는, 쓰루풋 포트(208)의 종단에서의 광다이오드(220)는 신호(240)를 출력하는데, 이는 CMOS 회로(242)에 접속되어 트랜스임피던스 증폭기(TIA)(222) 또는 다른 증폭기를 통해 신호를 증폭할 수 있다. 피드백 회로(244)는 온 상태와 오프 상태의 차이를 판독할 수 있고 이어서 이 차이를 최대화하기 위해 링 변조기의 제어 전극(214)에 전압을 인가할 수 있다. 따라서 실시간 피드백 회로는 본래 예컨대, 공정 변화 및 열 드리프트에 기인하는 굴절률의 작은 변화에도 상당히 민감한 링 변조기의 안정성을 유지하고 성능을 최대화하는 것을 돕는다.
개요에 설명된 것을 포함하는 발명의 실시예에 대한 이상의 설명은 개시된 바로 그 형태로 본 발명을 총 망라하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 특정 실시예 및 예가 본 명세서에 예시를 위해 설명되었지만, 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 균등한 변경이 가능하며, 당업자는 이를 알 것이다.
이상의 상세한 설명에 비추어 본 발명을 변경할 수 있다. 후속하는 특허청구범위에서 사용된 용어는 본 발명을 명세서 및 특허청구범위에 개시된 특정 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 본 발명의 범위는 특허청구범위 해석의 확립된 원칙에 따라 해석되어야 하는 후속하는 특허청구범위에 의해 전적으로 결정되어야 한다.
도 1은 광 링 공진기의 도면이다.
도 2는 안정성을 제공하도록 피드백 제어 루프를 가진 광 링 공진기 변조기의 도면이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 링 102 : 제 1 직선형 도파관
104 : 제 2 직선형 도파관 106 : 입력 단자
108 : 쓰루풋 단자 110 : 출력 단자
112 : 제 1 결합 영역 114 : 제 2 결합 영역

Claims (20)

  1. 광 링 공진기 변조기에 있어서,
    제 1 종단에서의 입력 단자와 제 2 종단에서의 쓰루풋 단자(throughput terminal)를 구비하는 제 1 도파관과,
    일 종단에서의 출력 포트를 구비한 제 2 도파관과,
    상기 제 2 도파관에 상기 제 1 도파관을 소멸 결합(evanescently couple)하는 광 링과,
    상기 광 링의 굴절률을 변경하는 수단과,
    상기 출력 포트에서의 광의 역 강도(an inverse intensity)를 가진 광을 모니터하는, 상기 쓰루풋 단자에서의 광 모니터 장치와,
    상기 광 모니터 장치의 출력에 응답하여 상기 광 링의 굴절률을 변경하는 수단을 제어하는 피드백 회로를 포함하는
    광 링 공진기 변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 회로는 트랜스임피던스 증폭기(TIA:transimpedance amplifier)를 포함하는
    광 링 공진기 변조기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 굴절률을 변경하는 수단은 상기 광 링을 적어도 부분적으로 둘러싸는 외부 링 및 상기 광 링의 중심 내의 내부 영역을 포함하되,
    상기 외부 링 및 상기 내부 영역은 상기 피드백 회로로부터 전압 신호를 수신하는
    광 링 공진기 변조기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 외부 링은 n형 도핑된 실리콘을 포함하고 상기 내부 영역은 p형 도핑된 실리콘을 포함하여, 상기 광 링을 PIN(positive-intrinsic-negative) 다이오드의 진성 영역으로 만드는
    광 링 공진기 변조기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 외부 링은 p형 도핑된 실리콘을 포함하고 상기 내부 영역은 n형 도핑된 실리콘을 포함하여, 상기 광 링을 PIN(positive-intrinsic-negative) 다이오드의 진성 영역으로 만드는
    광 링 공진기 변조기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 링의 굴절률을 변경하는 수단은 열 튜너인
    광 링 공진기 변조기.
  7. 링 공진기 변조기로부터 출력된 광 강도를 최대화하는 방법에 있어서,
    제 1 도파관의 입력 단자로 광 신호를 입력하는 단계와,
    상기 광 신호가 링 공진기의 공진 조건을 만족시키면, 상기 링 공진기에 상기 제 1 도파관 내의 상기 광 신호를 소멸 결합하는 단계와,
    상기 공진 조건을 만족시키지 않는 광을 상기 제 1 도파관을 통해 쓰루풋 단자로 통과시키는 단계와,
    제어 신호를 생성하도록 출력 포트에서의 광의 역 강도를 가진 광 강도를 상기 쓰루풋 단자에서 모니터하는 단계와,
    상기 제어 신호로 상기 링 공진기의 상기 공진 조건을 변경하는 단계를 포함하는
    광 강도 최대화 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 링 공진기의 공진 조건을 변경하는 단계는,
    광 링 주변에 제 1 도핑부(doped member)를 배치하는 단계와,
    상기 광 링의 중심 내부에 제 2 도핑부를 배치하는 단계와,
    상기 제 1 도핑부 및 상기 제 2 도핑부로 전압을 통과시키는 단계를 포함하는
    광 강도 최대화 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 도핑부는 n형 도핑된 실리콘을 포함하고, 상기 제 2 도핑부는 p형 도핑된 실리콘을 포함하는
    광 강도 최대화 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 도핑부는 p형 도핑된 실리콘을 포함하고, 상기 제 2 도핑부는 n형 도핑된 실리콘을 포함하는
    광 강도 최대화 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 모니터하는 단계는 상기 쓰루풋 단자에 광다이오드를 배치하는 단계를 포함하는
    광 강도 최대화 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 링의 온도를 변경하기 위해 열 장치를 제어하도록 상기 제어 신호를 접속하는 단계를 더 포함하는
    광 강도 최대화 방법.
  13. 광을 변조하는 시스템에 있어서,
    복수의 서로 다른 파장을 포함하는 광 신호를 전달하는 제 1 도파관과,
    상기 제 1 도파관의 제 1 종단에서의 입력 단자 및 상기 제 1 도파관의 제 2 종단에서의 쓰루풋 단자와,
    일 종단에서의 출력 단자를 구비한 제 2 도파관과,
    상기 제 1 도파관 및 상기 제 2 도파관에 소멸 결합된 광 링과,
    상기 광 링의 굴절률을 변경하는 수단과,
    상기 출력 단자에서의 광의 역 강도를 가진 광을 모니터하는, 상기 쓰루풋 단자에서의 광 모니터 장치와,
    상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에서 공진 파장을 변조하기 위해, 상기 광 모니터 장치의 출력에 응답하여 상기 광 링의 굴절률을 변경하는 수단을 제어하는 피드백 회로를 포함하는
    광 변조 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 피드백 회로는 트랜스임피던스 증폭기(TIA)를 포함하는
    광 변조 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 굴절률을 변경하는 수단은 상기 광 링을 적어도 부분적으로 둘러싸는 외부 링 및 상기 광 링의 중심 내의 내부 영역을 포함하되,
    상기 외부 링 및 상기 내부 영역은 상기 피드백 회로로부터 전압 신호를 수신하는
    광 변조 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 외부 링은 n형 도핑된 실리콘을 포함하고 상기 내부 영역은 p형 도핑된 실리콘을 포함하여, 상기 광 링을 PIN(positive-intrinsic-negative) 다이오드의 진성 영역으로 만드는
    광 변조 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 외부 링은 p형 도핑된 실리콘을 포함하고 상기 내부 영역은 n형 도핑된 실리콘을 포함하여, 상기 광 링을 PIN(positive-intrinsic-negative) 다이오드의 진성 영역으로 만드는
    광 변조 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 링의 굴절률을 변경하는 수단은 열 튜너인
    광 변조 시스템.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 모니터 장치는 광다이오드를 포함하는
    광 변조 시스템.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 링은 발색단 도핑 폴리머(chromophore doped polymer)를 포함하는
    광 변조 시스템.
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