KR101192011B1 - Ｙ 브랜치 정규의 암형 디지털 광스위치 및 가변 광감쇠기 - Google Patents

Ｙ 브랜치 정규의 암형 디지털 광스위치 및 가변 광감쇠기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 손실이 발생한 경우 광통신 채널의 보호를 개선하는 Y 브랜치 디지털 광스위칭 및 광감쇠기 장치에 관한 것이다.
광통신, Y 브랜치, 광스위치, 광감쇠, 도파관,

Description

Ｙ 브랜치 정규의 암형 디지털 광스위치 및 가변 광감쇠기{NORMALLY DARK Y-BRANCH DIGITAL OPTICAL SWITCHES AND VARIABLE OPTICAL ATTENUATORS}
도 1(a)는 열광 계수(thermo-optic coefficient)가 음수인 도파관 물질을 포함하는 본 발명의 ND-DOS/VOA의 일 실시예를 도시한 것으로서, 구성소자들의 설계 배치에 대한 상부도.
도 1(b)는 도 1(a)에 도시된 실시예에서 전이 도파관부의 단면도.
도 1(c)는 도 1(a)와 동일한 실시예를 도시한 것으로서, 전이 도파관부의 비대칭성을 특징짓기 위해 사용된 파라미터들의 도면.
도 2(a)-2(f)는 열광 계수가 음수인 도파관 물질을 포함하는 본 발명의 ND-DOS/VOA의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 구성소자들의 설계 배치에 대한 상부도.
도 3은 열광 계수가 양수인 도파관 물질을 포함하는 본 발명의 ND-DOS/VOA의 일 실시예를 도시한 것으로서, 구성소자들의 설계 배치에 대한 상부도.
[특허문헌1] 미국특허 제6,236,774B1호
[특허문헌2] 미국특허 제5,623,566호
[비특허문헌1] IEEE J Lightwave Technology 14(10), 1996, 2301-2310쪽
[비특허문헌2] IEEE Photonics Technology Letters 5(7), 1997, 782-784쪽
[비특허문헌3] Proc. SPIE, 2000, vol.3950, 78-89쪽
[비특허문헌4] Proc. 21st Eur. Conf. on Opt. Comm, 1995, 1063-1067쪽
[비특허문헌5] Optical Materials 9, 1998, 192-200쪽
[비특허문헌6] IEEE Photonics Technology Letters, 11(5), 1999, 590-592쪽
[비특허문헌7] Guided Wave Optoelectronics, Springer-Verlag, 1988, 121-125쪽
[비특허문헌8] Opt.Eng.40, 2001, 1165쪽
본 발명은 전력 손실이 발생한 경우에 있어서, 광통신 채널의 보호를 개선하는 스위칭 장치에 관한 것이며, 좀 더 넓은 범위로는 광통신 신호 프로세서에서의 스위칭 분야에 관련된 것이다.
디지털 광공간 스위치(DOS: digital optical spatial switches)는 당해 분야에서 잘 알려져 있다. 이러한 스위치의 한 종류가 "Y 브랜치 디지털 광스위치(DOS)"로 알려져 있는 1×2 디지털 광스위치인데, Y의 "기부(base)" 또는 몸통으로 입력된 빛은 출력 브랜치들 중 하나 또는 전부에서 야기된 굴절률 변경에 따라 출력 브랜치들 중 한쪽 또는 다른 쪽으로 향하게 된다. 스위치는 또한 역으로 작동될 수도 있어서, Y의 기부를 출력 채널로 이용하여 Y의 한쪽 또는 다른 쪽 "상부 브랜치들"을 입력 채널로 선택할 수 있다. Y 브랜치들은 광회로의 토대가 되는 기본 구성 블록으로서, 단독으로 사용되거나 다양한 결합을 통해 복잡한 스위칭 및 결합 장치들을 형성할 수 있다.
Y 브랜치 DOS는 상업용으로 널리 받아들여져 왔는데, 그 주된 이유는 적용 전력, 극성, 파장, 온도 그리고 나아가 장치에서의 기하학적 변동과 같은 임계 파라미터의 변동에 대해 강인성이 있기 때문이다. 일반적인 Y 브랜치 DOS는 2개의 도파관 브랜치들이 교차하여 브랜치들의 교차점에서 매우 작은 각도를 갖는 Y형 구조를 정하도록 설계된다. 도파관 구조의 구성은 리튬 니오베이트(lithium niobate), 반도체, 실리카 또는 중합체와 같은 다양한 범위의 물질을 포함할 수 있다. Y 브랜치 DOS는 출력 도파관들 중 하나에서 광전파 방향을 단열변화시킴으로써(즉, 갑작스런 변경과는 대조적으로 느리게 변화시킴으로써), 스위칭 기능을 수행한다.
구체적으로, Y 브랜치 DOS는 하나의 도파관에서의 굴절률을 다른 도파관의 굴절률에 대해 변경시킴으로써 이루어진다. Y 브랜치 DOS의 특히 중요한 특성 중 하나는 계단식 응답(step-like response)을 갖는 것이다. Y 브랜치 DOS가 스위칭 임계 이상에서 작동되는 경우, 극성 및 파장의 변동은 Y 브랜치 DOS의 스위칭 용량에 큰 영향을 주지 않는다.
광통신 시스템 설계자를 끊임없이 괴롭혀 온 문제 하나는 정전 발생시의 데이터 전송 보호에 관한 것이다. 각종 광통신 구성소자들은 본질적으로 전기적광(electro-optic) 소자이다. 정전이 발생하는 경우, 광데이터 신호는 잘못된 방향으로 설정될 가능성이 있다. 정전 중에 보호 광전송이 틀린 수신인에게로 부주의하게 방향전환되지 않도록 해주는 정전 안전(fail-safe) 메커니즘을 제공하는 것이 중요하다. 이 메커니즘은 라인 내에 정규의 암형 디지털 광스위치(ND-DOS; normally dark digital optical switch)나 그 변형물, 정규의 암형 가변 광감쇠기(ND-VOA; normally dark variable optical attenuator)를 배치함으로써 달성될 수 있다. 또한 ND라는 특성상 광검출기를 파괴할 수도 있는 높은 광전력의 영향을 받지 않는다. ND 특성은 또한 전력 소모없이 광전력이 정지되는 것을 가능하게 한다.
ND 특성은 광기계 스위치들 및 마이크로전기기계 시스템 스위치들에서 손쉽게 이용가능하다. 평면 광파 회로(PLC: planar light wave circuit)에서, 요구되는 신호 감쇠 레벨을 얻는 문제는 광회로 소자들의 접근도가 가깝고 크로스토크(cross-talk) 발생률이 높기 때문에 특히 어렵다. 대부분의 결정적인 애플리케이션들에서 40dB 이상의 신호 감쇠가 요구된다. 당해 분야에서 개시된 PLC 내 ND 특성을 제공하는 한 가지 접근 방식은 IEEE J Lightwave Technology 14(10), 1996, 2301-2310쪽에 실린 Jingugi 외의 공지된 마크-젠더 간섭계(MZI; Mach-Zehnder interferometer)와 같은 간섭 설계를 사용하는 것이다. 그러나, 상용 장치들은 파장에 의존도가 높고, ~20dB의 감쇠를 보인다. 이러한 장치들은 일부 애플리케이션들에 대해서는 적당하겠지만, 개선이 요구된다.
Y 브랜치에서의 스위칭은 브랜치들 중 하나의 굴절률에 변화를 줌으로써 달성된다. 원하는 굴절률로 변경시키는 것에 대해서 당업계에 수 개의 방식이 공지되어 있다. 이 방식들은 전기적광 효과, 변형광(stress-optic) 효과 및 열광(thermo-optic) 효과를 포함한다. 당업계에 공지된 일반적인 Y 브랜치 열광 DOS에서, "Y"의 2개의 상부 브랜치에는 가열 수단이 제공되는데- 이 가열 수단은 일반적으로 위에 얇은 금속층이 피복되어 있다 -, 활성화되면, 해당 브랜치의 굴절률에서 변화를 유도하고 그리하여 "Y" 기부에서 상부 브랜치 하나로 또는 다른 브랜치로의 전력 입력 연결을 달성하게 된다. 브랜치 하나의 가열을 턴온(turning on)하고, 다른 브랜치의 가열을 턴오프(turning off)함으로써, 들어오는 광신호들의 스위칭이 달성될 수 있다. 동시에 양쪽 브랜치 모두를 가열하면 점진적인 신호 감쇠가 달성될 수 있다.
중합체 및 유리 Y 브랜치들은 양자 모두 공지되어 있다. 중합체의 굴절률이 온도 의존도가 훨씬 더 크기 때문에 열광 디지털 광스위치에서 사용하기에는 중합체가 바람직하다.
IEEE Photonics Technology Letters 5(7), 1997, 782-784쪽에서 Hida 외는 중수소화 및 플루오르 중수소화된 메틸아크릴산염으로 제작된 2개의 Y 브랜치들을 연결하여 구성된 2×2 중합체 열광스위치를 개시하고 있다. 제작 방법은 실리콘 기판 상으로 중합체 용제를 스핀 코팅한 후, 종래의 포토리소그래피에 의해 Y형 구성소자들을 형성하고, 이어서 반응성 이온 에칭에 의해 코어 릿지(core ridges)가 형성되는 것을 포함한다. 전자빔 농축 및 습식 에칭에 의해 상부 Y 브랜치들 상에 크롬 박막 스트립 가열기(Chromium thin-film strip heaters)가 형성된다. 팔들의 간격은 250μm이다. Cr 가열기 스트립은 5mm 길이에 50μm 폭을 갖는다.
Proc. SPIE, 2000, vol.3950, 78-89쪽에서 Eldada외는 중합 물질로부터 제작 된 1×2 광스위치를 개시하고 있는데, 여기서의 Y 브랜치들은 2°미만의 정점 각도(vertex angles)에 대해 0.1dB 삽입 손실을 나타낸다. 할로겐화된 아크릴산염을 사용하는 다이렉트 포토리소그래피(direct photolithographic) 제작 방법을 사용하면, 상대적으로 작은 각도의 Y 브랜치들에서도 잔류물 제거 및 구성소자들의 윤곽을 날카롭게 할 수 있다고 개시되어 있다.
미국특허 제6,236,774B1호에서 Lackritz 외는 Tg 이상에서 작동되는 크로스 링크된 중합체 도파관을 사용하는 열광스위치를 개시한다. 중합체 광도파관 표면 상에 놓여진 실질적으로 직사각형 형태의 금속 가열기가 개시되어 있는데, 상기 직사각형 가열기의 긴 변쪽은 도파관의 진행 방향에 살짝 각도를 주도록 위치한다. 상기 가열기들은 가열기의 면 전체가 도파관 물질과 열적으로 균일한 접촉이 되도록 위치한다. 중합체 도파관 물질의 온도 및 그에 따른 굴절률은 물질 내 임의의 지점과 가열기로부터의 거리에 따라 달라질 것인데, 가열기에 가장 근접한 영역들은 멀리 떨어져 있는 영역들보다 훨씬 더 높은 온도에 있게 된다.
미국특허 제5,623,566호에서 Lee 외는 실리콘 광벤치(opical benches)에서 열로 유도되는 관들을 개시하였다. 상기 특허의 도 2에는 특허에서 사용된 각종 광물질들을 국지적으로 가열시킨 결과로서 그 물질들에 걸친 온도 구배(temperature profile)를 개시하고 있다.
Proc. 21st Eur. Conf. on Opt. Comm, 1995, 1063-1067쪽에서 Moosburger외는 코어가 약 9μm인 실리카 클래드(silica-clad) 중합체 도파관으로 제작된 0.12°의 각도를 갖는 "완벽에 가까운(near perfect)" 정점을 갖는 Y 브랜치를 개시하고 있다. Y의 상부 브랜치들은 Ti 박막 가열기로 코팅되었다. 열전력 약 180mW를 이용하여 출력 브랜치들 간에 크로스토크가 27dB 만큼 감소되었다.
Optical Materials 9, 1998, 192-200쪽에서 Diemeer는 중합체와 실리카 열광 디지털 광스위치를 비교하여 열광 스위칭의 물리적 특성 및 열 전송에 관한 완전한 분석을 제공한다. 일반적인 중합체, 특히 폴리탄산에스테르 및 폴리메틸아크릴산염(polymethylmethacrylate)에서 스위칭 전력은 50-100mW 범위 내이며, 약 0.001의 최소 굴절률 차이를 달성하기 위해서는 도파관 코어 내 약 10℃의 온도 상승이 필요함을 보여 준다.
IEEE Photonics Technology Letters, 11(5), 1999, 590-592쪽에서 Lee외는 광측정 탭(optical monitoring tap)과 통합된 비대칭 DOS/VOA 도파관들을 사용하여 제작된 튜닝가능한 중합체 광감쇠기를 개시하고 있는데, 이 광감쇠기는 전력이 가해지지 않는 경우 감쇠 레벨이 최소가 된다.
Guided Wave Optoelectronics, Springer-Verlag, 1988, 121-125쪽에서 Tamir외는 모드 분배기(mode splitters) 및 전력 분주기(power dividers)로서 사용하기 위한 비대칭 Y 브랜치 도파관을 개시하고 있다.
본 발명은 입력 도파관부, 출력 도파관부, 배출 도파관부(exhaust waveguid segment), 전이 도파관부(transition wave segment), 상기 전이 도파관부 및 상기 출력 도파관부에 근접하여 배치되는 가열기를 포함하는 상기 Y 브랜치 정규의 암형 디지털 광스위치 또는 정규의 암 가변 광감쇠기(ND-DOS/VOA)를 제공하는데,
상기 전이 도파관부는 상기 입력 도파관부 및 상기 출력과 배출 도파관부들 사이에 놓여지고,
상기 출력 도파관부 및 상기 배출 도파관부는 상기 전이 도파관부에 대하여 분기식으로 배치되어 있고; 상기 출력 도파관부의 폭과 높이는 각각 상기 입력 도파관부 폭과 높이의 -50% 내지 +100% 이내이며; 상기 전이 도파관부는 상기 입력 도파관부의 길이축에 대해 기하학적으로 비대칭이며; 상기 배출 도파관부 및 상기 출력 도파관부의 폭 비율은 적어도 2:1인 것을 특징으로 하며;
상기 입력, 출력, 배출 및 전이 도파관부는 유기 중합체나 실리카를 포함하고; 상기 입력, 출력, 배출 및 전이 도파관부가 유기 중합체를 포함하는 경우, 상기 Y 브랜치 ND-DOS/VOA가 상기 가열 수단 및 상기 출력 도파관부 사이에 측방 변위(lateral displacement)을 더 포함하는 것을 조건으로 한다.
본 발명을 설명하기 위하여, "정규의 암형(ND) 디지털 광스위치(DOS)"는 정전시 광신호 전송을 방지하고 소정의 임계값 이상의 전력이 적용되면 광신호 전송을 허가하는 전기적 제어형 광신호 장치이다. "정규의 암형 가변 광감쇠기(VOA)"는 전기적 제어형 광신호 장치로서, VOA 기능을 수행하는 것에 더하여 정전시 광신호 전송을 방지한다.
본 발명의 핵심 요소는 Y 브랜치 DOS와 Y 브랜치 VOA에 동일하게 적용되기 때문에 "ND-DOS/VOA"라는 용어가 사용될 것이며, 당업자라면 이 용어는 정규의 암형 Y 브랜치 디지털 광스위치나 정규의 암형 Y 브랜치 가변 광감쇠기를 모두 지칭 하는 것으로 차이라면 둘 중 하나에 관련된 본 발명의 요소 면에서가 아니라 그 사용방법 면에 있을 뿐임을 이해할 것이다. DOS나 VOA를 특정적으로 지칭할 필요가 있는 경우에는 각각이 명시적으로 특정되어 지칭될 것이다.
다르게 언급되지 않는 한, "감쇠"라는 용어는 본 발명, ND-DOS/VOA에서 정전시- 다만, 이에 한정되지는 않음 -와 같이 ND-DOS/VOA에 전력이 들어오지 않는 경우, 출력부의 광신호 전력의 감소를 지칭하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명의 설명을 위하여 "폭 비율"이라는 용어는 출력 도파관부에 대한 배출 도파관부 최대 폭의 비율을 지칭하는데 사용될 것이다. 따라서, 예를 들면, 폭 비율 5:1은 배출 도파관부의 최대 폭이 출력 도파관부 폭의 5배 이하임을 의미하는 것이다.
본 발명에 따라, 적어도 10dB, 바람직하게는 적어도 20dB, 가장 바람직하게는 적어도 40dB의 감쇠를 갖는 ND-DOS/VOA가 제공된다. 본 발명의 핵심은, 전력이 들어오지 않는 경우 오프(블로킹) 모드가 되고, 소정의 임계 전력 레벨 이상의 전력 신호가 ND-DOS/VOA에 근접하여 위치해 있는 적어도 하나의 열광 및/또는 전기적광 스위칭 전극에 들어오는 경우 온(전송) 모드가 되는, 온/오프 스위치처럼 작동함으로써 ND-DOS/VOA 기능을 달성하는 기하학적으로 비대칭인 Y 브랜치 광 도파관 요소이다. "온" 상태에서, Y 브랜치의 입력부로 향하는 빛은 전이 도파관부를 통해 출력부로 안내되는데, 그럼으로써 광신호의 연속적인 전송을 가능하게 해준다. "오프" 상태에서, 광신호는 전이 도파관부를 통해 배출부로 안내되는데, 출력부에서 전력 감소는 적어도 -10dB, 바람직하게는 적어도 -20dB, 가장 바람직하게는 -40dB가 된다. 이것은 다시 말해서, ND-DOS/VOA의 삽입 손실이 매우 높다는 것이다. 본 발명의 비대칭 Y 브랜치 ND-DOS/VOA는 자기에게 적용되는 전력이 없어지면, 광신호 전송을 블록하도록 임의의 PLC 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 ND-VOA에 있어서, ND-DOS에 대해 상술된 프로토콜은, 가열기에 가해지는 전력이 "온" 상태를 위한 임계 전력 레벨과 전력이 없는 "오프" 상태 사이에 있다는 면에서 수정된다.
열광 계수가 음수인 도파관 물질을 포함하는 본 발명인 ND-DOS/VOA의 일 실시예를 도시하는 도 1(a)를 참조하면, 본 발명은 입력 도파관부(1), 출력 도파관부(2), 배출 도파관부(3), 전이 도파관부(4) 및 전이 도파관부(4)의 배출 도파관 성분의 좌측 에지의 상부에 배치된 가열기(5)를 포함하는 ND-DOS/VOA를 제공하는데, 가열기는 출력 도파관부의 안쪽 에지 다음에 오는데, 서로 접하지는 않으며 측면이 간격(6)만큼 떨어져 있다. 도 1(a)는 가열기가 출력 도파관부의 안쪽 에지를 정확히 따라가는 것으로 도시하지만, 가열기는 도시된 정확한 경로로부터 다소 벗어날 수도 있다. 전이 도파관부는 입력 도파관부(1) 및 출력과 배출 도파관부(2 및 3) 사이에 배치되는데, 출력 도파관부 및 배출 도파관부는 상기 전이 도파관부에서 분기하듯이 배치되어 있으며, 출력 도파관부의 폭과 높이는 상기 입력 도파관부의 -50% 에서 +100% 이내이며, 상기 전이 도파관부는 상기 입력 도파관부의 길이축에 대해 기하학적으로 비대칭으로 폭 비율이 2:1보다 크다.
도 1(b)는 배출 도파관부(3)의 코어(8) 안쪽 부분 바로 위 클래딩(7) 상에 위치한 가열기(5)를 보여 주는 전이 도파관부(4)의 단면도를 도시한다. 또한 가열기면(9) 및 가열기 면에 더 가까운 전이 도파관부의 코어(11)의 수평 에지(10)도 도 1(b)에 표시되어 있다.
본 발명의 ND-DOS/VOA의 도파관부는 본 발명의 동작성에 손해를 주는 일없이 성분 및 굴절률이 달라질 수 있다. 그러나 실무상, 본 발명의 ND-DOS/VOA 전체가 단일 성분으로 되는 것이 바람직하다. 본 발명의 ND-DOS/VOA는 실리카나 유기 중합체를 포함할 수 있다. 바람직하게는 본 발명의 ND-DOS/VOA는 유기 중합체를 포함한다.
본 발명 ND-DOS/VOA의 출력 도파관부는 입력 도파관부와 크기와 모양 면에서 비슷하다. 출력 도파관부의 폭은 입력 도파관부의 폭보다 50% 작은 범위에서 100% 더 큰 범위까지 이를 수 있다. 그러나, 출력 도파관부는 입력 도파관부와 치수면에서 동일한 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전이 도파관부는 입력 도파관부의 길이방향의 축(길이축)에 대해 기하학적으로 비대칭이다. 입력 도파관부의 길이축은 들어오는 광파의 전달 방향에 해당한다. 비대칭 레벨은 도 1(c)에 도시된 바와 같이 (A) 입력 도파관부의 종단에서의 상기 입력 도파관부의 중심과 (B) 배출 도파관부의 종단에서의 상기 배출 도파관부의 중심 간에 횡방향 어긋남(lateral shift: d2)으로 결정된다. 그러므로 본 발명에 따르면, 횡방향 어긋남은 입력 도파관부의 출력단에서, 입력 도파관부 폭(d1)의 적어도 3배, 바람직하게는 적어도 10배가 된다.
본 발명에 따르면 또한, 상술된 폭 비율은 2:1보다 크며, 바람직하게는 적어도 5:1, 더욱 바람직하게는 적어도 15:1, 가장 바람직하게는 적어도 25:1이 된다.
전형적인 실시예로서, 본 발명 ND-DOS/VOA의 도파관부의 코어 및 클래딩의 굴절률은 전체적으로 균일하며, 코어는 클래딩보다 굴절률 면에서 약 0.5% 더 크다. 이 실시예에서, 본 발명의 실행시, 폭 비율은 적어도 5:1이 되어야 하며, 바람직하게는 적어도 15:1, 가장 바람직하게는 적어도 25:1이 되어야 한다.
다른 실시예들에서, 코어와 클래딩 간의 굴절률 차이는 0.5%보다 더 커질 수 있는데, 이 경우 폭 비율이 2:1 정도로 작은 경우에도 성공적인 신호 감쇠가 달성될 수 있다. 덧붙여, 배출 도파관부는 출력 도파관부의 코어보다 더 높은 굴절률을 그 코어에 제공하도록 제작되는데, 만족스러운 신호 감쇠에 필요한 폭 비율은 이러한 일부 실시예에서는 2:1과 5:1 사이의 폭 비율로 달성될 수 있다.
도 1(a)의 5로 도시된 가열 요소는 상기 전이 도파관부(4)와 상기 출력 도파관부(2)에 근접하여 배치된다. 가열 요소는 열광 효과에 의해 굴절률 변경을 유도하기 위해 도파관 코어를 가열하는데 사용된다.
도 1에 도시된 이러한 실시예에서, 가열 요소는 출력 도파관부의 코어의 중심축으로부터 적어도 가열기 작동시의 안내 모드(guided mode)의 모드 필드 직경(mode field diameter)으로 결정되는 거리만큼 떨어지도록 배치된다. 가열 요소는 바람직하게는 도파관부의 상부나 바닥 상에 위치한다. "도파관의 상부"란 칩 기판으로부터 도파관 코어보다 더 멀리 배치된 것을 의미하며, "도파관의 바닥"이란 칩 기판으로부터 도파관 코어보다 더 가깝게 배치된 것을 의미한다. 바닥 가열기가 바람직하다.
도파관 물질이 갖는 열광 계수의 부호에 따라 가열기는 다음 중 하나의 위치에 배치되어야 한다: 유기 중합체와 같이 열광 계수가 음수인 도파관 물질에 대해서는 - 즉, 도 1(a)-1(c)에 도시된 장치에서, dn/dT<0, 이 때, "n"은 굴절률이고, "T"는 온도를 말함 -, 가열 요소는 전이 도파관부 출력측의 바깥쪽 에지로부터 거리(d3: 도 1(c))만큼 떨어져서 배출 도파관부의 안쪽 부분을 따라 전이 도파관부의 상부나 바닥에 배치되는 것이 바람직한데, 이 때 거리(d3)는 적어도 입력이나 출력 도파관부의 폭 중 더 작은 것(d2) 정도는 되어야 하나, 입력이나 출력 도파관부 폭(어느 것이든 더 작은 쪽) 플러스 10×d4(도 1(b); 이 때, d4는 가열기면(heater plane; 9)과 도파관 코어 수평 에지(10) 간의 간격)보다는 크지 않다.
열광 계수가 음수인 물질을 사용하기에 적당한 본 발명의 다른 실시예가 도 1 및 도 2(a)-(f)에 도시되어 있다. 도 1은 본 발명의 ND-DOS의 일 실시예로서, 배출 도파관부가 평행사변형의 형태로 출력 도파관부보다 폭이 2배 더 큰 것을 보여 준다. 도 2(a)는 배출 도파관부의 폭이 전파 방향으로 선형 단조 증가하는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 도 2b는 배출 도파관부가 광빔이 분기시, 광빔이 크게 부딪히지 않도록 전이 도파관부 내에 '클리핑(clipped)'되어 있는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 도 2c는 도 2b와 같은 류이지만, 좀 더 극단적인 경우로서, 클리핑이 2개의 팔이 만나는 지점에서 측방으로 시작하는 다른 일 실시예를 도시한다. 도 2는 배출 도파관부가 PLC 칩의 에지 앞에서 끝나서, 구부러진 거울(12)과 같이 PLC 배출 도파관부로부터 나온 광을 기판이나 커버 매체(보통 공기나 다른 기체 또는 진공)로 멀리 방향전환시키는 구조의 종단을 가능하게 한다. 도 2e와 2f는 본 발명 ND-DOS/VOA를 구성하는 도파관부 및 가열기 성분이 부드럽게 휘어진 본 발명 ND-DOS/VOA의 다른 실시예들을 도시한다.
도 3(a)는 열광 계수가 양수- 즉, 실리카 및 실리콘과 같은, 다만 이에 한정되지 않지만 dn/dT>0 인 것 -임을 특징으로 하는 물질을 사용하기에 적당한 본 발명 ND-DOS/VOA의 일 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 가열 요소는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 전이 도파관부의 상부에 위치하며, 측방으로 볼 때 전이 도파관부의 출력 부분 상에서 입/출력 폭과 동일한 폭 안쪽(또는 상기 폭들이 동일하지 않은 경우 입력 및 출력 폭 사이)에 위치한다.
본 발명 ND-DOS/VOA는 칩 장착형 광 도파관들을 준비하기에 적당한, 종래 공지된 임의의 프로세스들에 따라 준비될 수 있다. 특히 ND-DOS/VOA가 유기 중합체로 제작되는 경우, Opt.Eng.40, 2001, 1165쪽에서 L.Eldada가 기술한 적당히 투명한 포토레지스트 중합체에 적용되는 다이렉트 포토리소그래피 프로세스가 유리하다. 왜냐하면, 포토레지스트 중합체는 그 자체가 도파관 형성에 사용되기 때문에, 종래 다른 프로세스에서 요구되는 바와 같은 반응성 이온 에칭 단계를 요하지 않는다. 반응성 이온 에칭 단계는 스캐터링 손실 및 극성 의존 손실(PDL; polarization dependent loss)의 악화를 유도하는 도파관 벽 내 홈들을 야기할 수 있다고 알려져 있다. 스캐터링 손실 및 PDL은 다이렉트 포토리스그래피를 채택함으로써 최소화된다. 결과적으로 Eldada가 개시한 프로세스에 따르는 도파관은 등급화된 인덱스 중합체 도파관(graded index polymeric waveguide)으로서, 전파 신호에서 스캐터링 손실 및 PDL을 줄일 수 있다.
반응성 이온 에칭을 포함하는 다른 포토리소그래피 방식은 실리카 또는 도핑된 실리카를 포함하는 본 발명 ND-DOS/VOA를 준비하는데 적당하다.
유기 중합체에 대한 dn/dT의 절대값 크기는 무기 유리에 비해 약 1 차수 크기만큼 더 크다는 것이 당업계에 공지된 사실이다. 이러한 이유에서, 유기 중합체들은 본 발명의 ND-DOS/VOA에서 상당히 선호된다. 본 발명에서는 유기 중합체 실시예들이 바람직하다. 그러나 또한, 반도체 및 무기 유리, 특히 실리카 및 실리콘과 같은 무기 물질들로 만들어진 Y 브랜치들 또한 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다.
본 발명의 일반적인 실시예에서, ND-DOS/VOA의 전체 길이는 2.5-5mm 범위이고, 여기서 전이 도파관부는 1.5-2.5mm 범위이다. 입력 및 출력 도파관부의 코어 폭(상부에서 아래를 본 것)은 5-10μm 범위인 반면, 전이 도파관부의 코어 폭(상부에서 아래를 본 것)은 10-200μm 범위이다. 배출 도파관부의 굴절률은 출력 도파관부와 같거나, 0.05 더 높을 수 있다. 굴절률 차이가 증가함에 따라 전력이 없는 상태에서 40dB의 신호 감쇠를 달성하는데 요구되는 폭 비율은 감소한다. 전이 도파관부의 길이가 증가함에 따라 굴절률 차이에 의존하는 폭 비율은 증가한다.
본 발명은 당업계에 공지된 것과 같은 임의의 편리한 가열 수단으로 동작가능하다. 가열 수단은 유도 가열(induction heating), 방열 가열(radiative heating) 및 전기저항 가열(electrical resistive heating)을 포함할 수 있다. 구현의 간편성 관점에서, 전기저항 가열이 바람직하다. 전기저항 가열은 당업계에 공지된 수단에 따라 달성될 수 있다. 한 가지 접근 방식에서, 원하는 모양의 가열 기를 준비하기 위하여 마스크를 사용하여 얇은 금속 스트립이 도파관 상으로 스푸터 코팅된다. 가열기의 길이 전부가 출력 브랜치의 표면 상에 배치되지는 않는 경우, 가열기는 아래에 코어가 없는 칩 위의 오버클래드(overclad)의 해당부분 상에 증착된다.
대안적으로, 가열기는 다른 임의의 금속 증착 프로세스에 의해서 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 전기저항 가열에 적당한 금속은 크롬, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 금 및 백금을 포함하며, 다만 이에 한정되지는 않는다. 크롬, 티타늄, 니켈 및 금이 바람직하다.
가열기 스트립의 크기는, Y 브랜치 전체의 치수를 넘어서지 않는 한, 그리고 본 발명의 목적 달성에 필요한 국지적 가열을 제공하는 한 특별한 제한은 없다. 그러나 바람직하게는 가열기 길이는 2-3mm, 가열기 폭은 3-30μm 범위, 더욱 바람직하게는 5-15μm이고, 가열기 두께는 0.05-1μm , 가장 바람직하게는 0.1-0.5μm 이다.
본 발명의 실시에서, 전파 방향을 따라 가열기 길이 1mm당 10 내지 100mW의 전력 레벨이, dn/dT가 -2 내지 5×10-4/℃ 범위임을 특징으로 하는 중합체에서 스위칭을 야기시키는데 효과적임을 발견하였다. 그러한 중합체들의 예로서 폴리아크릴산염(polyacrylates), 폴리플루오르화아크릴산염(polyfluoroacrylates) 폴리염화아크릴산염(polychloroacrylates)을 들 수 있으며, 다만 이에 한정되지는 않는다. 전파 방향을 따라 가열기 길이 1mm당 30 내지 300mW의 전력 레벨이, dn/dT가 -0.5 내지 2×10-4/℃ 범위임을 특징으로 하는 중합체에서 스위칭을 야기시키는데 효과 적임을 발견하였다. 그러한 중합체들의 예로 폴리탄산염(polycarbonate), 폴리메틸아크릴산염을 들 수 있으며, 다만 이에 한정되지는 않는다. 본 발명의 일반적인 실시예에서, 전체 도파관은 동일한 중합 시스템으로 제작된다.
예시
Y 브랜치 ND-DOS는 실리콘 웨이퍼 상에 열광 중합체 도파관들로 설계되고 제작되었다. 도 2f의 설계가 제작에 사용되었다. 출력 도파관부의 곡면 반경은 2cm이고, 폭은 7μm이다. 배출 도파관부는 필수적으로 200μm의 균일한 폭을 가졌다. 출력 및 배출 도파관부 안쪽 에지들 간의 초기 팔 분리 각도는 약 3.5°였다.
B3로 명명된 조성은 에틸수산화된(ethoxylated) 고원자가 플루오르화 폴리에테르(perfluoropolyether) 이아크릴산염(diacrylate) (MW1100) 94%중량, 2-트리메틸올프로판(di-trimethylolpropane) 사아크릴산염(tetraacrylate) 4%중량 및 Ciba-Geigy사의 상용 광개시기(photoinitiator)인 Darocur 1173 2%중량을 결합하여 준비하였다.
BF3로 명명된 조성은 에틸수산화된 고원자가 플루오르화 폴리에테르 이아크릴산염(MW1100) 98%중량 및 Darocur 1173 2%중량을 결합하여 준비하였다.
C3로 명명된 조성은 에틸수산화된 고원자가 플루오르화 폴리에테르 이아크릴산염(MW1100) 91%중량, 2-트리메틸올프로판 사아크릴산염 6.5%중량, Darocur 1173 2%중량 및 Ciba-Geigy사의 다른 상용 광개시기인 Darocur 4265 0.5%중량을 결합하여 준비하였다.
6인치 산화된 실리콘 웨이퍼 기판을 KOH로 세정하고, 그 다음 Geles사의 (3-아크릴산화프로필)트리클로로시레인으로 처리하였다. 중합체 도파관들은 웨이퍼의 중앙 5인치 영역에 형성되었는데, 네거티브 톤의 감광성 단량체들을 사용하여 다음의 방식으로 준비되었다: BF-3 조성 2ml를 웨이퍼 상에 증착시키고, 그 다음 (Brewer Scientific사의) CEE-100 스핀 코팅기 상에서 13초 동안 1000rpm으로 회전시켜 10μm 두께 BF3 언더클래드층(underclad layer)을 형성한다. 그렇게 준비된 코팅 기판은 0.02 torr 질소 대기 중에서 1000W 수은 아크 램프로부터 350nm 자외선(Hg-i선)을 사용하여 경화된다(cured). C3 조성의 7μm 두께 코어층은 이전 층에서 사용한 것과 비슷한 방식으로 증착된다. 본 발명 ND-DOS Y 브랜치는 1000W 수은 아크 램프로부터 암면(dark-field) 포토마스크를 통해 350nm 자외선(Hg-i선)을 조사한 다음, 에틸 아세테이트(ehtyl acetate; Fishr Scientific사의 HLPC 등급)로 비노광 영역을 현상함으로써 패터닝되고 코팅되어 형성된다. 3ml의 조성 B3를 패터닝된 웨이퍼 상에 배치시킨 후, CEE-100 상에서 14초 동안 700rpm으로 스핀코팅시켜서 17μm 두께 B3 오버클래드층을 형성한다. 그렇게 준비된 코팅층은 대기 압력의 질소 대기 중에서 1000W 수은 아크 램프로부터 Hg-i선을 사용하여 경화된다.
폭이 8μm, 길이 2.44mm 및 두께가 0.3μm이며 전이 도파관부의 출력측의 바깥쪽 에지로부터 29.5μm의 측면 간격을 둔 가열기가, 스푸터 증착에 의해 중합체 코팅된 웨이퍼층 상에 니켈 금속층과 금으로 된 금속층을 차례로 증착하여 2층 가열기 적층(two-layer heater stack)을 형성함으로써 형성되었다. 그렇게 형성된 가열기 적층을 포지티브 포토레지스트(Shipley사의 상용 Type 1808) 및 투명면 포토마스크를 사용하여 산 에칭하면 포토리소그래피로 패터닝한 후 가열기 및 상호연결/배선 본딩 패드(interconnection/wired bonding pads)의 기부가 형성된다. 티타늄과 금층을 차례로 증착하여 구성된 전기도금(electroplating) 기부가 가열기 적층 및 가열기 적층에 적용된 포지티브 포토레지스트(Shipley사의 SJR5740)의 상부에 스핀 코팅에 의해 스푸터 증착되었다. 암면 포토마스크를 이용한 자외선 노광으로 상호연결 기부 및 배선 본딩 패드를 노광시켰다. 그 다음 금으로 전기도금이 수행되었다. 마지막으로 포지티브 포토레지스트가 현상되고, 상기 전기도금 기부가 산 에칭되어 ND-DOS/VOA를 갖는 칩으로 이루어진 웨이퍼를 형성하였다. 그렇게 준비된 칩은 중심 간 간격이 250μm로 동일하게 설계된 8개의 ND-DOS/VOA 장치를 구비하였다. 칩 내의 8개 ND-DOS/VOA는 모두 전력이 가해지지 않는 경우, 40dB 초과의 감쇠를 갖는 디지털 스위칭 특성을 나타내었다. 8개의 ND-DOS/VOA 중 하나에 대해 실험적으로 얻은 전이 곡선이 도 4에 도시되어 있는데, 가열기 전력 0에서 감쇠 레벨이 40dB보다 더 좋은 것을 보여주며 그리하여 ND 특징이 입증된다. 본 발명의 장치가 ND-DOS로 사용된 경우 특히 유용한 '디지털' 특성은, 가열기 전력이 70mW를 초과하면, 전송이 최대를 나타내고 본질적으로 일정해진다는 것을 알아야 한다. 그렇게 제작된 ND-DOS/VOA는 또한 파장 의존도를 거의 보이지 않았다.
그렇게 제작된 8개의 ND-DOS/VOA에 대해 얻은 감쇠 데이터를 표 1에 정리하였는데, 8개 장치 모두에 대해 49.4dB 초과의 수동(수동 = 무전력) 감쇠를 얻었다. 제작 프로세스에서의 변경이 상기 획득한 감쇠에 기여했을 수 있지만, 측정 기술은 거의 기여하지 않았을 것이다.
칩 상의 채널 번호 수동 감쇠(dB)
1 49.54
2 49.66
3 49.44
4 51.48
5 53.71
6 51.95
7 57.70
8 54.49
Y 브랜치의 광전송에서 정전과 같이 전력이 가해지지 않는 경우, 다른 방향으로 전송되어 오류가 일어나는 것을 방지하기 위하여 무전력 상태에서는 굴절률을 변화시켜 신호 세기의 감쇠를 야기함으로써 전송을 방지하는 장치를 제공한다.

Claims (21)

  1. 입력 도파관부(input waveguide segment), 출력 도파관부, 배출 도파관부(exhaust waveguide segment), 전이 도파관부(transition waveguide segment), 및 상기 전이 도파관부 및 상기 출력 도파관부에 근접하여 배치되는 가열기(heater)를 포함하는 Y 브랜치 정규의 암형 디지털 광스위치(ND-DOS)(Y-branch normally dark digital optical switch)로서,
    상기 전이 도파관부는 상기 입력 도파관부와 상기 출력 및 배출 도파관부 사이에 배치되고, 상기 출력 도파관부 및 상기 배출 도파관부는 상기 전이 도파관부에 대해 분기식으로(divergingly) 배치되며, 상기 출력 도파관부의 폭과 높이는 각각 상기 입력 도파관부의 폭과 높이의 절반 내지 두배의 범위이며,
    상기 전이 도파관부의 종단에서의 상기 전이 도파관부의 중심은 상기 입력 도파관부의 종단에서의 상기 입력 도파관부의 중심에 대해 횡방향으로 어긋나며,
    상기 배출 도파관부 및 상기 출력 도파관부는 폭 비율이 적어도 2:1인 것을 특징으로 하며,
    상기 입력, 출력, 배출 및 전이 도파관부는 유기 중합체(organic polymer) 또는 실리카(silica)를 포함하고, 상기 Y 브랜치 ND-DOS는 상기 입력, 출력, 배출 및 전이 도파관부가 유기 중합체를 포함하는 경우, 가열 수단과 상기 출력 도파관부 사이에 측방 변위(lateral displacement)(6)를 더 포함하는 것을 조건으로 하는 ND-DOS.
  2. 제1항에 있어서, 상기 ND-DOS는 하나의 ND-DOS 형태인 ND-DOS.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폭 비율은 적어도 5:1인 ND-DOS.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폭 비율은 적어도 15:1인 ND-DOS.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폭 비율은 적어도 25:1인 ND-DOS.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가열기는 전기저항 가열기(electrical resistance heater)인 ND-DOS.
  7. 제1항에 있어서, 상기 ND-DOS는 유기 중합체를 포함하는 ND-DOS.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 입력 도파관부에 대한 상기 전이 도파관부의 횡방향 어긋남(lateral shift) - 상기 횡방향 어긋남은 상기 입력 도파관부의 출력 종단에서의 상기 입력 도파관부 폭의 적어도 3배임 -을 더 포함하는 ND-DOS.
  9. 제8항에 있어서, 상기 횡방향 어긋남은 상기 입력 도파관부의 출력 종단에서의 상기 입력 도파관부 폭의 적어도 10배인 ND-DOS.
  10. 제1항에 있어서, 상기 도파관부 각각은 코어 및 클래딩(cladding)을 포함하고, 상기 코어 및 클래딩의 굴절률은 상기 ND-DOS 전체에 걸쳐 균일한 ND-DOS.
  11. 제1항에 있어서, 상기 도파관부 각각은 코어 및 클래딩을 포함하고, 상기 배출 도파관부의 코어의 굴절률은 상기 출력 도파관부의 코어의 굴절률보다 더 높은 ND-DOS.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전이 도파관부는 그 길이가 1.5 내지 2.5mm임을 특징으로 하는 ND-DOS.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전이 도파관부는 코어 폭이 10 내지 200μm임을 특징으로 하는 ND-DOS.
  14. 제1항에 있어서, 상기 배출 도파관부는 평행사변형 형태인 ND-DOS.
  15. 제1항에 있어서, 상기 배출 도파관부의 폭은 전파 방향으로 선형 단조적으로 더 넓게 증가하는 ND-DOS.
  16. 제1항에 있어서, 상기 배출 도파관부는 전이 도파관부 내에서 클리핑되는(clipped) ND-DOS.
  17. 제1항에 있어서, 상기 배출 도파관부는 상기 배출 도파관부가 장착되는 PLC 칩의 에지 앞에서 끝나는 ND-DOS.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 배출 도파관부의 종단에서 구부러진 거울(angled mirror)을 더 포함하는 ND-DOS.
  19. 제1항에 있어서, 상기 배출 도파관부는 측면이 곡면인 것(curved sides)을 특징으로 하는 ND-DOS.
  20. 제1항에 있어서, 상기 ND-DOS를 구성하는 상기 가열기 및 구성소자 도파관부들(component waveguide segments)은 부드럽게 휘어진 ND-DOS.
  21. 입력 도파관부, 출력 도파관부, 배출 도파관부, 전이 도파관부, 및 상기 전이 도파관부 및 상기 출력 도파관부에 근접하여 배치되는 가열기를 포함하는 Y 브랜치 정규의 암형 가변 광감쇠기(ND-VOA)(Y-branch normally dark variable optical attenuator)로서,
    상기 전이 도파관부는 상기 입력 도파관부와 상기 출력 및 배출 도파관부 사이에 배치되고, 상기 출력 도파관부 및 상기 배출 도파관부는 상기 전이 도파관부에 대해 분기식으로 배치되며, 상기 출력 도파관부의 폭과 높이는 각각 상기 입력 도파관부의 폭과 높이의 절반 내지 두배의 범위이며,
    상기 전이 도파관부의 종단에서의 상기 전이 도파관부의 중심은 상기 입력 도파관부의 종단에서의 상기 입력 도파관부의 중심에 대해 횡방향으로 어긋나며,
    상기 배출 도파관부 및 상기 출력 도파관부는 폭 비율이 적어도 2:1인 것을 특징으로 하며,
    상기 입력, 출력, 배출 및 전이 도파관부는 유기 중합체 또는 실리카를 포함하고, 상기 Y 브랜치 ND-VOA는 상기 입력, 출력, 배출 및 전이 도파관부가 유기 중합체를 포함하는 경우, 가열 수단과 상기 출력 도파관부 사이에 측방 변위(6)를 더 포함하는 것을 조건으로 하는 ND-VOA.
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