KR101347510B1 - 광대역 2 × 2 광학 분할기 - Google Patents
광대역 2 × 2 광학 분할기 Download PDFInfo
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Abstract
2 개의 입력 포트들중 어느 하나 또는 양쪽에 나타나는 광학 파워를 2 개의 출력 포트들로 분배시킬 수 있는 2-포트 광학 믹서를 포함하는 광학 장치가 개시된다.
Description
본 출원은 2006년 2 월 24 일에 출원된 미국 가출원 60/776,406 의 우선권을 주장하며, 이것은 본원에 참조로서 포함된다.
본 발명은 멀티-포트 광학 도파관 요소(multi-port optical waveguide elements)들을 제공하는 것으로서, 상기 멀티 포트 광학 도파관 요소들은 파워 균형(power balance)이 파장의 부분적인 광 대역폭에 걸쳐 실질적으로 일정한 상태에서 광학적 파워를 하나 또는 2 개의 입력들로부터 2 개의 출력으로 분배하는 것이다.
최근에는 점점 더 많은 사람들에게 인터넷 및 다른 전자 정보 소스들에 대한 광대역 접근을 제공하는 활동이 세계적으로 크게 확대되어 왔다. 현존의 전화기 및 케이블 텔레비전 네트워크들은 특권을 받는 소수에게 초당 수 메가비트 또는 수백 킬로비트로 디지털 정보를 검색하는 능력을 제공하도록 성능 개선(hot-rodded)되어 왔다. 그러나, 널리 인정되는 바로서, 진정으로 흥미있고, 신뢰성 있으며, 가장 중요하게는 상업적으로 존속될 수 있는 서비스를 전달할 수 있는 정보 네크워크를 만들기 위하여, 보다 많은 소비자들에게 훨씬 높은 대역폭으로써 도달할 필요가 있다. 케이블 텔레비전 및 유선 또는 무선 전화 서비스를 위해서 설계된 현존의 액세 스 네트워크들은 이러한 레벨들에 도달하는데 실제로 적합하지 않다. 예상되는 요구를 해결하도록, 액세스 제공자들(통상적으로 전화 또는 케이블 회사)은 중앙의 사무실로부터 소비자의 건물에 도달하거나 또는 소비자의 건물에 매우 근접하게 도달하는 광섬유를 가지고 신규의 광섬유 액세스 네트워크를 계획하고 설치하기 시작하였다.
현저한 차이를 가지는 이들 최근의 광섬유 네트워크의 우세한 구조는 패시브-옵티컬-네크워크(Passive-Optical-Network) 또는 PON 이다. 여기에서 '패시브'라는 용어가 지칭하는 것은, 액세스 제공자의 중앙 사무실(central office, CO)에 있는 옵티컬 라인 터미네이션(Optical Line Termination, OLT)와, 예를 들면 소비자 건물측에 있는 옵티컬 네트워크 유니트(Optical Network Unit, ONU) 사이에, 광섬유 네트워크가 동력화된 구성 요소나 또는 동적인 구성 요소를 가지고 있지 않다는 사실이다.
현재의 통상적인 용도에서, PON 은 CO 와 소비자 사이에서 2 또는 3 의 데이터 스트림(stream)을 전송한다. CO 로부터 소비자로 가는 디지털 데이터 스트림('다운스트림(downstream) 데이터), 소비자로부터 CO 로 가는 디지털 데이터 스트림 (업스트림(upstream)), 및 일부의 경우에 멀티 채널 비디오(즉, 케이블 TV 신호)를 운반하는 혼성 아날로그/디지털 다운스트림이 있다. 공통적으로, 이들 스트림들 각각은 상이한 파장에서 전송됨으로써 이들은 OLT 들 및 ONU 들에 의해서 보다 용이하게 구별될 수 있다. 전형적으로 다운스트림(OLT 로부터 ONU 로의) 데이터는 약 1490 mm (S-밴드)에서 송신될 것이고, 업스트림(ONU 로부터 OLT 로의) 데이트는 약 1310 nm (O-밴드)에서 송신될 것이며, 비디오 다운스트림은 약 1550 nm (C-밴드)에서 송신될 것이다. 또한 디지털 스트림을 전송하는 네트워크의 용량을 더욱 증가시키도록 약 1250 nm 내지 1625 nm 범위의 추가적인 파장을 포함하려는 고려도 진행중이다.
PON 의 세그먼트(segments)들은 반드시 공유됨으로써 각각의 OLT 는 몇 개의 ONU 들에 서비스를 제공한다. OLT 는 각각의 디지털 스트림에 대해서 한번에 하나의 ONU 에 서비스할 수 있을 뿐이다 (다운스트림 디지털 방송이 가능하지만, 공통의 작동은 아니다). 비디오 스트림은 통상적으로 OLT 로부터 모든 ONU 들로의 자유-가동 방송이다. ONU 들은 네트워크내 신호들에 동기화됨으로써 그 어떤 주어진 시간에도 단지 하나만이 OLT 로 통신된다. 오직 의도된 ONU 만이 데이터를 소비자 부동산의 네트워크로 전송하도록 다운스트림 데이터에 태그(tag)가 붙여진다. 공유는 광학적 분할기(optical splitter)를 이용하여 섬유 네트워크를 PON 안의 몇 개의 브랜치(branches)들로 분리함으로써 이루어지며, 이는 그러한 단편의 모든 다운스트림 브랜치들중에 광학적 파워를 균일하게 수동적으로(passively) 분리시킨다. 분할기를 통과하는 업스트림 신호들은 평균 비율(balance ratio)에 의해 파워가 감소되지만, 단지OLT를 향해 상류로 운반될 뿐이며, 다른 ONU 들을 향해 하류로 복귀되지 않는다.
PON 들을 위한 광학 분할기들은 통상적으로 브랜치들의 적당한 수(즉, 32)를 서비스하며, 하나의 입력 (1 x N 분할기) 또는 2 개의 입력(2 x N 분할기)을 가질 수 있다. 분할기의 기능과 파장-애그노스틱 서비스 멀티플렉서(wavelength- agnostic service multiplexer)를 조합시키거나 (즉, 디지털 다운스트림 및 비디오를 그들의 개별 파장들에 무관하게 조합시키거나) 또는 미래의 다른 서비스의 추가 가능성을 단순히 수용하도록 소망되었을 때, 분할기의 2 x N 변형이 이용된다.
새로운 광 섬유 액세스 네트워크를 설치하는데 드는 비용은 매설(trenching) 비용이거나, 또는 전송 구성 요소(주로 광섬유 및 분할기)를 지점-A(즉, OLT) 로부터 모든 지점-B(즉, ONU 들)까지 설치하는 것이다. 따라서, 설치된 전송 네트워크를 가능한 한 개조 가능하게 하고, 그것이 아직 특정화되지 않은 미래의 네트워크 필요를 위해서 이용될 수 있는 것을 보장하도록 하는 강한 동기가 있다. 섬유-광학 네트워크 자체의 용량은 현재의 방식(scheme)에 의해서 이용되는 것보다 훨씬 크며, 적절하게 포괄적으로(generic) 유지되는 한, 새로운 네트워크를 매설할 필요 없이 다른 고-대역폭 방식을 위해서 이용될 수 있다. 여기에서 '적절하게 포괄적"이라는 한정은, 송신 거동이 1.25μ(1250 nm) 내지 1.65μ(1650 nm)의 범위에 걸친 파장에 독립적이라는 점을 주로 의미한다. 이것은 OLT 와 ONU 들 사이의 광섬유 및 다른 광학적 구성 요소들이 약 30 % 의 부분적인 대역폭에 걸쳐 파장에 영향을 받지 않는 것이 매우 소망스럽다는 것을 의미한다. 여기에서, 편의를 위해서이기는 하지만 그 어떤 확립된 약정에 기초하지 않은 것으로서, 이것은 "초-광역(ultra-broad)" 파장 범위로서 지칭된다.
N 이 8, 16, 32, 64 또는 128 인 경우에 1 x N 및 2 x N 분할기들에 대하여, 바람직한 분할기 기술은 평탄 광파 회로(Planar Lightwave Circuit)이다. N 이 2 또는 4 와 같은 경우에, 비용/성능 요건들에 따라서 퓨즈 바이코닉 섬유 분할 기(fused biconic fiber splitter)도 경쟁력이 있을 수 있다. 128 보다 크거나 또는 2 의 배수가 아닌 N 에 대하여, 분할기 기술은 잘 조사되지 않았으며, 따라서 그러한 N 의 값들은 요구되지 않는다.
평탄 광파 회로 또는 바꿔 말하면 인쇄 광파 회로(Printed Lightwave Circuit, PLC)는, 집적 전자 회로들의 제조에서 이용되는 모사 공정(replication process)에 근사하게 비교될 수 있는 수단에 의해, 공통적으로 기판의 표면상에 제조된 광학적 도파관 시스템이다. PLC 들이 점증적으로 복잡해지고 정교해질지라도, 이들은 전자 집적 회로에서와 같이 근본적으로 한줌의 기초 회로로 구성된다. 기본적인 도파관 회로 요소들중 하나는 4 포트 믹서(mixer)이다. 그러한 장치의 각각의 포트들은 기본적으로, 결과적으로 다양한 거동들과 함께, 믹서 안으로 지향되거나 또는 믹서 밖으로 추출되거나, 또는 동시에 양방향으로 가는 광학 신호들을 위해서 이용될 수 있다. 그러나, 4 포트 광학 믹서는 거의 반드시 2 개의 '입력' 포트들 및 2 개의 '출력' 포트들을 가진 장치인 것을 특징으로 하며, 표현되지 않은 지식으로서 다른 모드의 거동들이 이러한 명세로부터 추출될 수 있다. 4-포트 믹서의 거동이 이러한 방식으로 지정되었을 때, 공통적으로 2 x 2 결합기(coupler) 또는 2 x 2 분할기(splitter)로 지칭된다. 각각의 결합기 '출력'이 1 x (N/2) 분할기 회로 요소의 입력 포트에 연결되었을 때, 복합 회로는 2 x N 분할기의 기능을 제공한다.
N 이 2 의 배수인 경우에, 1 x N 분할기들은 1 x 2 분할기들 또는 2 x 2 분할기들을 직렬로 함으로써 만들어질 수 있다. 초 광역 파장 범위에 걸쳐 파워의 충분히 균일한 분리를 제공하는 3 포트 1 x 2 분할기들은 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 사소하지 않지만 잘 증명된 방법들의 변형으로 제조될 수 있다. 2 x N 분할기의 제 1 단계는 4 포트의 2 x 2 장치이어야 한다. 따라서, 파장에 영향을 받지 않는 2 x 2 분기기를 생산하는 능력을 가지려면, 파장에 영향을 받지 않는 2 x N 분할기를 제조하는 능력을 제공할 필요가 있으며 또한 그렇게 하기에 일반적으로 충분하다.
2 x 2 광학적 분할기에서, 2 개의 입력 포트들중 어느 곳으로 진입하는 광은 2 개의 출력 포트로부터 나온다. 여기에서, 입력 및 출력은 특정한 포트들을 식별하도록 사용되는 용어들이며, 특정한 광의 전달 방향을 의미하도록 사용되지 않는다. 예를 들면, 2 x 2 광학 분할기에서, 광은 출력 포트로 진입할 수 있고 입력 포트들로부터 나올 수 있다. 대안으로서, 광은 양쪽 입력 포트들로 동시에 진입할 수 있다.
가장 흔한 2 x 2 도파관 분할기 회로 요소는 공명 방향성 결합기이다. 이러한 단순한 방향성 결합기 단독으로는 그것의 파장 종속성 때문에 2 x N 분할기를 위한 입력 스테이지로서 적절하지 않다. 공명 방향성 결합기는 통상적으로 단지 약 3 % 의 부분적인 대역폭에 걸쳐서 ± 1/2dB 의 안정적인 균형 비율을 나타낸다.
단열적인(adiabatic) 2 x 2 분할기로서 공지된 다른 유형의 2 x 2 분할기는, 그것이 충분히 길다면, 훨씬 큰 파장 범위에 걸쳐서 파장에 영향을 받지 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 유형의 분할기는 전체적으로 PON 들을 위한 2 x N 분할기로 적절하지 않은데, 이는 필요한 극히 얕은 수렴 테이퍼들이 일관되게 제조하는 것이 곤란하고, 30 % 의 부분적인 대역폭을 얻는데 필요한 충분한 장치 길이가 공 명 방향서 결합기보다 몇배 길며, 전체적인 2 x N 분할기의 크기가 소망의 패키지 크기 안에 맞기에는 너무 커지고 제조하기에는 너무 비싸기 때문이다. 더욱이, 표준적인 광학적-도파관 회로 요소들의 크기를 감소시키는 공지의 방법들은 단열적 장치(adiabatic devices)들의 크기 감소를 제공하지 않고, 사실상 종종 단열 장치들의 크기 증가를 필요로 한다. 상업적인 크기의 PON 네트워크의 전개를 위한 상품으로서 실용적인 단열 2 x 2 분할기를 용이하게 이용할 수 있는 그 어떤 전망도 보이는 것 같지는 않다.
아래에 설명된 것은 본 발명의 일부 특징들에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위하여 본 발명의 단순화된 개요를 나타낸 것이다. 이러한 요약은 본 발명의 광범위한 개관은 아니다. 이것은 본 발명의 범위를 묘사하지도 않고 본 발명의 중요하거나 또는 핵심적인 요소들을 식별하지 않도록 의도된다. 오히려, 이러한 요약의 유일한 목적은 이후에 개시될 보다 상세한 설명에 대한 서두로서 본 발명의 일부 개념을 단순화된 형태로 나타내는 것이다.
통상적인 2 x 2 분할기들에서, 통상적으로 주어진 파장에 대한 문제가 아닐지라도, 파장들의 광대역에 대하여 균일한 분리를 달성하는 것은 곤란하고/불가능하다. 본 발명은 파워 균형 비율을 파장들의 넓은 부분적 대역폭에 걸쳐서 실질적으로 일정하게 가져가면서 광학적 파워를 하나 또는 2 개의 입력으로부터 2 개의 출력들로 분배시키는 4 포트의 광학적 도파관 요소들을 제공한다. 즉, 여기에 설명된 장치들 및 방법들은 분할 비율이 균일하거나 또는 실질적으로 균일한 파장들의 범위를 넓히는 성능을 가진다. 여기에 설명된 장치들은 전체적으로 비-직교 장치(non-quadrature device)들이다. 광역 및 초 광역 파장 범위에 걸쳐 소망의 분할 비율을 달성하는 방법들도 설명된다.
상기의 목적 및 관련 목적들의 달성을 위해서, 본 발명은 여기에 완전하게 설명되고 특히 청구항들에서 지적된 특징들을 포함한다. 다음의 설명 및 첨부된 도면들은 본 발명의 특정한 예시적인 특징들 및 구현예들을 상세하게 나타낸다. 그러나, 이들은 본 발명의 원리들이 채용될 수 있는 다양한 방법들중 일부를 나타내는 것이다. 본 발명의 다른 목적, 장점들 및 신규한 특징들은 도면과 관련하여 고려되었을 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 특징에 대한 개략적인 블록 다이아그램을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 다른 특징에 대한 부분적인 개략적 블록 다이아그램을 도시한다.
도 3 은 본 발명의 다른 특징에 대한 개략적인 블록 다이그램을 도시한다.
도 4 는 본 발명의 다른 특징에 대한 개략적인 블록 다이아그램을 도시한다.
도 5 는 표준적인 방향성 결합기의 다이아그램을 도시한다.
도 6 은 그래프를 도시한다.
도 7 은 직교 믹서의 다이아그램을 도시한다.
도 8 은 도 7 의 직교 믹서의 그래프를 도시한다.
도 9 는 도 7 의 직교 믹서의 다른 그래프를 도시한다.
도 10 은 본 발명의 특징에 대한 장치의 부분적인 개략적 다이아그램을 도시한다.
도 11 은 도 10 의 장치의 그래프를 도시한다.
도 12 는 도 10 의 장치의 다른 그래프를 도시한다.
도 13 은 본 발명의 다른 특징의 장치에 대한 부분적인 개략적 다이아그램을 도시한다.
도 14 는 본 발명의 다른 특징에 대한 장치의 부분적인 개략적 다이아그램을 도시한다.
도 15 는 도 13 의 장치의 그래프를 도시한다.
도 16 은 도 13 의 장치의 다른 그래프를 도시한다.
본원에 제공된 광학 장치들은 도 1 에 의해 전체적으로 도시될 수 있다. 도 1 에서, 광학 장치(100)는 4 개의 포트들을 가지는데, 2 개의 입력 포트(101, 102) 및 2 개의 출력 포트(103, 104)이다. 광학 장치(100)는 2 개의 입력 포트(101,102)들의 어느 한쪽 또는 양쪽에서 나타나는 광학 파워를 출력 포트(103,104)에서의 특정 비율로 분배할 수 있는 제 1 의 4 포트 광학 믹서(optical mixer)일 수 있다. 광학 장치(100)는 제 1 구성 요소(A1) 및 제 2 구성 요소(A2)를 가지는데, 제 1 구성 요소(A1)는 특정의 파장(λ0)에서나 또는 그 주변에서 파워 분배 비율을 가지는 4 포트 믹서이며, 제 2 구성 요소(A2)는, 예를 들면 파장(λ0)에 근접한 약 16dB 보다 큰 dB크기(magnitude)의 파워 분배 비율을 가지는 4 포트 믹서이다. 제 1 구성 요소(A1)는 일부 예에서 크로스오버(crossover) 구성 요소로서 지칭될 수 있으며, 예를 들면 방향성 결합기(대칭 결합기를 포함), 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 다중 모드 간섭(mulitimode interference; MMI) 결합기, 스타 결합기(star coupler) 등과 같은 것이다. 제 2 구성 요소(A2)는 일부 예에서 혼합 구성 요소로서 지칭될 수 있으며, 예를 들면 비대칭 결합기, 마하-젠더 간섭계, MMI 결합기, 스타 결합기 등과 같은 것이다.
제 1 상호 연결 도파관은 제 1 구성 요소(A1)상의 제 1 포트를 제 2 구성 요소(A2)상의 제 1 포트에 연결하며, 제 1 상호 연결 도파관과 상이한 길이를 가지는 제 2 상호 연결 도파관은 제 1 구성 요소(A1)상의 상보적인 제 2 포트를 제 2 구성 요소(A2)상의 상보적인 제 2 포트에 연결한다. 통상적으로, 제 1 상호 연결 도파관의 경로 차이에 비교된 제 2 상호 연결 도파관의 경로 차이는, 그 크기에 있어서, 파장 범위에 있는 가장 짧은 파장 둘레에서보다 크다. 제 1 믹서의 파워 분할 비율은 λ0를 포함하는 광학적 파장들의 약 20 % 또는 그 이상의 부분적인 범위에 걸쳐서 ±1dB보다 크지 않은 차이를 나타낼 수 있다.
일 구현예에서, 본원에 제공된 광학적 장치들은, 파워 균형 비율을 2 개의 구성 요소(즉, 3 개 미만의 구성 요소)를 이용하여 파장의 부분적인 넓은 대역폭에 걸쳐서 실질적으로 일정하게 가져가면서, 광학 파워를 하나 또는 2 개의 입력으로 부터 2 개의 출력들로 분배할 수 있다. 다른 구현예에서, 본원에 제공된 광학적 장치들은, 파워 균형 비율을 4 개 미만의 결합기를 이용하여 파장의 부분적인 넓은 대역폭에 걸쳐서 실질적으로 일정하게 가져가면서, 광학 파워를 하나 또는 2 개의 입력으로부터 2 개의 출력들로 분배할 수 있다.
본원에 제공된 광학적 장치들의 다른 일반적인 예는 전체적으로 도 2 에 의해서 도시될 수 있다. 도 2에서, 광학 장치(200)는 4 개의 포트들을 가지는데, 2 개의 입력 포트(201,202) 및 2 개의 출력 포트(203, 204)들이 그것이다. 광학 장치(200)는 2 개의 입력 포트(201,202)의 어느 한쪽 또는 양쪽에 나타난 광학 파워를 출력 포트(203,204)들에서 특정의 비율들로 분배할 수 있다. 광학 장치(200)는 제 1 구성 요소(A1) 및 제 2 구성 요소(A2)를 가지는데, 제 1 구성 요소는 특정의 파장(λ0)에서 또는 그 주위에서 파워 분배 비율을 가지는 4 포트 대칭 방향성 결합기이고, 제 2 구성 요소는 비직교(non-quadrature) 구성 요소이다. 비직교 구성 요소들의 예들은 비대칭 결합기, 마하-젠더 간섭계들, MMI 결합기, 2 x 2 스타 결합기 및 그와 유사한 것을 포함한다. 비직교 구성 요소들의 예들은 비대칭 결합기, 마하-젠더 간섭계들, MMI 결합기, 2 x 2 스타 결합기등을 포함한다. 제 1 상호 연결 도파관은 제 1 구성 요소(A1)상의 제 1 포트를 제 2 구성 요소(A2)상의 제 1 포트에 연결하며, 제 1 상호 연결 도파관과 상이한 길이를 가지는 제 2 상호 연결 도파관은 제 1 구성 요소(A1)상의 상보적인 제 2 포트를 제 2 구성 요소(A2)상의 상보적인 제 2 포트에 연결한다. 광학 장치(200)는, 파워 균형 비율을 파장의 부분적인 넓은 대역폭에 걸쳐 실질적으로 일정하게 가져가면서, 광학 파워를 하나 또는 2 개의 입력(201, 202)로부 2 개의 출력(203,204)으로 분배한다.
방향성 결합기는 광섬유를 함께 융합시킴으로써 구성될 수 있다. 대안으로서 방향성 결합기들은 PLC 상에서 형성될 수 있다. PLC 상에서 형성된 종래 기술의 통상적인 방향성 결합기는 2 개의 직선, 평행 광학 도파관을 포함하는데, 이들 도파관들은 도파관들 사이에서 광학적 결합이 발생하기에 충분할 정도로 서로 근접하여 위치된다. 통상적으로, 각각의 직선 도파관의 각각의 단부는 만곡된 도파관의 일 단부에 연결된다. 만곡된 도파관들은 광을 직선 도파관의 안과 밖으로 결합시킨다. 직선 도파관의 길이는 결합기의 길이로서 지칭된다. 방향성 결합기에서, O dB 의 분할 비율은 적어도 하나의 편광 및 적어도 하나의 특정 파장의 광에 대하여 달성될 수 있으며, 방향성 결합기는 파장들의 상대적으로 좁은 범위에 걸쳐 균형이 이루어진다. 파장이 이러한 좁은 범위를 초과하는 파장의 범위는 여기에서 파장들의 넓은 범위로서 지칭된다. 방향성 결합기의 파장 종속성은 다음의 식에 따라서 설명될 수 있다.
P1=(sin (θ))2
여기에서 θ는 결합 파라미터로서, 이것은 방향성 결합기의 구조, 광의 파장 및 (적은 정도로) 광의 편광에 종속된다. 여기에서, 결합 파라미터가 2 개중 적어도 하나의 인자에 의해 변화되는 파장들의 범위는 파장들의 초 광역 범위(ultra-broad range)로서 지칭된다.
마하-젠더 간섭계는 제 1 결합기 및 제 2 결합기를 포함하는데, 2 개의 결합기들은 제 1 마하-젠더 아암(Mach-Zehnder arm) 및 제 2 마하-젠더 아암과 연결된다. 제 1 결합기는 방향성 결합기, 멀티-모드 간섭 결합기 또는 스타 결합기일 수 있다. 마찬가지로, 제 2 결합기는 방향성 결합기, 멀티-모드 간섭 결합기, 또는 스타 결합기일 수 있다. 방향성 결합기들은 광학 섬유들을 함께 융합시킴으로써 구성될 수 있다. 대안으로서 방향성 결합기들이 PLC 상에서 형성될 수 있다. 마하-젠더 아암들은 광학 섬유들을 포함할 수 있다. 대안으로서, 마하-젠더 아암들은 PLC 상에서 형성된 광학 도파관들을 포함할 수 있다.
마하-젠더 간섭계는 통상적으로 제 1 방향성 결합기, 제 2 방향성 결합기를 포함하고, 방향성 결합기들은 선택적으로 제 1 마하-젠더 아암 및 제 2 마하-젠더 아암을 통해 연결된다. 일 구현예에서, 마하-젠더 간섭계의 구조는 파장(h0)의 광에 대하여 균형이 이루어진 각각의 방향성 결합기를 제공하는 것을 포함한다. 상세하게는, 각각의 방향성 결합기가, 파장(λ0)의 광에 대하여, 1 dB 보다 작은 분할 비율을 가질 수 있고, 심지어는 약 0.5 dB 보다 작은 분할 비율을 가질 수 있다. 균형이 이루어진 방향성 결합기들을 포함하는 마하-젠더는 λx 와 동등한 광의 파장에 대한 분할 비율에 대하여 국부적인 최대치를 가지고, 마하 젠더 아암들 사이의 광학 경로 길이 차이가 대략 λx *(2m-1)/2 와 같을 때 주로 파장(λx)의 광을 크로스 경로(cross path)로 결합시키는데, 여기에서 m 은 양의 정수이다. 따라서, 마하-젠 더는 마하 젠더 아암들 사이의 광학 경로 길이 차이를 대략 λ0*(2m-1)/2 와 같도록 구성함으로써 λ0에 근접한 λx 의 값을 제공하도록 구성될 수 있는데, 여기에서 m 은 양의 정수이다. 따라서, 일 구현예에서, 마하-젠더의 마하-젠더 아암들 사이의 광학 경로 길이 차이는 대략 λ*(2m-1)/2 와 같으며, 여기에서 m 은 양의 정수이다. 이와 관련하여, λ0((2m-1)/2+.03)과 λ0*((2m-1)//2-.03) 사이의 광학 경로 길이 차이는 대략 λ0*(2m-1)/2 와 같다. 이러한 광학 경로 길이 차이를 달성하도록, 제 1 마하-젠더 아암은 제 2 마하-젠더 아암 보다 길 수 있거나, 제 2 마하-젠더 아암은 제 1 마하-젠더 아암보다 길 수 있다. 대안으로서, 경로 길이 차이는, 제 2 마하-젠더 아암의 광학 전달 상수(optical propagation constant)와 상이한 광학 전달 상수를 가진 제 1 마하-젠더 아암을 구성함으로써 달성될 수 있다.
다른 구현예에서, 마하-젠더의 구조는 파장(λ0)의 광에 대하여 균형이 이루어진 각각의 방향성 결합기를 제공하는 것을 포함한다. 상세하게는, 각각의 방향성 결합기는 파장(ho)의 광에 대하여, 1 dB 보다 작은 분할 비율을 가질 수 있고, 심지어는 약 0.5 dB 보다 작은 분할 비율을 가질 수 있다. 균형이 이루어진 방향성 결합기들을 포함하는 마하-젠더는 λx 와 동등한 광의 파장에 대한 분할 비율에 대하여 국부적인 최대치를 가지고, 마하 젠더 아암들 사이의 광학 경로 길이 차이가 대략 λx *m 과 같을 때 주로 파장(λx)의 광을 바아 경로(bar path)로 결합시키는데, 여기에서 m 은 음(negative)이 아닌 정수이다. 따라서, 마하-젠더는 아암들 사 이의 광학 경로 길이 차이를 대략 λ0*m 과 같도록 구성함으로써 λ0에 근접한 λx 의 값을 제공하도록 구성될 수 있는데, 여기에서 m 은 양의 정수이다. 그러므로, 마하 젠더의 아암들 사이의 광학 경로 길이 차이는 대략 λ0 *m 과 대략 같을 수 있으며, 여기에서 m 은 음(negative)이 아닌 정수이다. 이와 관련하여, λ0*(m+.03)과 λ0*(m-.03) 사이의 광학 경로 길이 차이는 대략 λ0*m 과 같다. 이러한 광학 경로 길이 차이를 달성하도록, 제 1 아암은 제 2 아암 보다 길 수 있거나, 제 2 아암이 제 1 아암보다 길 수 있다. 대안으로서, 경로 길이 차이는, 제 2 아암의 광학 전달 상수(optical propagation constant)와 상이한 광학 전달 상수를 가진 제 1 아암을 구성함으로써 달성될 수 있다.
광학적인 2 x 2 결합기 요소들은 다양한 기능들을 수행하지만, (각각의 입력 포트에서의 광이 상이한 최초 광학 소스(original optical source)로부터 오는 것이라고 가정하면) 결합기 요소들은 주로 각각의 출력 포트가 각각의 입력 포트로부터의 광의 절반을 결합하는 기능을 제공한다. 이러한 경우에 이들은 2 x 2 파워 분할기로도 지칭된다. 입력 포트들중 하나가 무시되면, 균형이 이루어진 파장 범위내의 2 x 2 결합기는 1 x 2 분할기/콤바이너(combiner)와 같은 전방 및 후방 손실 특성들을 가진다. 2 x 2 장치는 1 x 2 장치에서 정상적으로 안내되지 않은 손실로 가게될 광을 취하게 되고 그 광을 제 4 포트에 결합시킨다. 그러나 실제로는 상기 제 4 포트가 입력 스테이지의 축방향 대칭을 파괴하며, 특정한 입력들과 특정한 출력들 사이의 부분적인 결합은 주파수(ν)의 함수이고 따라서 광학 신호의 자유 공간 파장(λ)이다. 2 x 2 결합기의 광학적 설계의 기본적인 문제들중 하나는 소망되는 파장 범위에 걸쳐서 장치가 파장에 종속되는 것을 억제하는 것이다. 2 x 2 결합기 구조의 기초적인 파장 종속성을 시험하기 위하여, 다수의 직렬 결합기들을 포함하는 높은 차수의 결합기를 구비한, 2 x 2 광학 결합기들의 거동에 대한 기본적인 수학적 처리 방법이 수립된다. 모든 경우에서, 효율적인 장치들인 것으로 가정된다. 장치에 현저한 손실이 있다면, 그러한 손실들은 장치의 설명에 추가적인 포트(port)들로서 포함될 필요가 있을 것이다. 이것은 유사한 방식으로 취급될 수 있지만, 손실들이 소망스러운 것이 아니고 또한 손실들이 실질적으로 2 x 2 장치들에서 중요하지 않게 유지될 수 있기 때문에, 손실들은 다음의 설명들에서 고려되지 않는다.
여기에 개시된 분석적인 틀은 공통적인 것이 아니고 특이한 것일 수 있지만, 이것은 보다 표준적인 작동의 설명들을 완전히 포괄하는 것이다. 이러한 틀은 여기에 설명된 광학 장치들의 장점에 대한 보다 명확한 통찰력을 제공하도록 선택되었으며, 이러한 틀을 채용하는 방법은 본 발명을 시사하는 기술적 발견에 이르게 되는 구성 요소들중 하나이다.
2 x 2 결합기 광학 장치의 기본적인 광학 거동은 내부 구조와 상관 없이 도 3 에서와 같이 도시될 수 있다. 제 1 입력(301)에서 제공된 광학 신호의 전기장은 복합 값(complex value, Eo)에 의해서 나타나고, 제 2 입력(302)에서 나타난 전기장은 복합 값(E1)에 의해서 나타난다. 제 1 출력(303)에서의 복합적인 출력 전기 장(E'o) 및 제 2 출력(304)에서의 복합적인 출력 전기장(E'1)은 복합 '크로스(cross)' 및 '바아(bar)' 전달 계수(X, B)에 의해 각각 결정될 수 있다.
E'0=B·E0 +X·E1 (1)
E'1=B·E1 +X·E0 (2)
이것은 2 x 2 결합기 광학 장치의 거동이 전달 계수(X, B)(λ의 함수)에 의해서 정해진다는 점을 나타낸다. B 에 대한 X 의 위상이 결합기의 내부 디자인에 따른다 할지라도, 실질적으로 손실이 없는 장치에 대해서 │X│2 +│B│2=1 이라는 점이 주목되어야 한다. 단위 입력이 제 1 입력 포트에서 E0=1 로 상상되고 제 2 입력 포트에 입력이 없고 임의의 위상 조절이 양쪽 출력 포트들에 효과 없이 동등하게 적용될 수 있다는 점이 인정된다면, 복합 값(B)은 실제 값(A)과 동등하고, 복합 값(X)은 실제 값(
)을 복합 위상 ei φ 에 곱한 것과 같게 된다.
예시적인 목적을 위해서, 입력 파워의 절반이 제 1 출력 포트로 향하고 입력 파워의 절반이 제 2 출력 포트로 향하는 것이 소망되는 상황이 설명된다. 이것은 여기에서 설명된 본 발명의 광학 장치들에 의해서 다른 비율들이 가능하고 동등하게 해결될 수 있을지라도, 분할기들에 대해서는 공통적인 목적이다. 동등한 분할이 의미하는 것은 A=
=√1/2 = 대략 0.707 이다. 균형 비율이 ±1.0 dB 내에서 안정되는 것이 소망된다면, A 는 약 0.665 내지 0.747 사이에 있어야 한다. ±0.5 dB 가 필요하다면, A 는 파장에 걸쳐서 약 0.686 내지 0.727 사이에 있어야 한다.
가장 흔한 2 x 2 도파관 믹서는 단순하고, 대칭적인 방향성 결합기이다. 방향성 결합기는 광섬유들을 함께 융합(fusing)시킴으로써 구성될 수 있다. 대안으로서, 방향성 결합기들은 평탄한 광파 회로(lightwave circuit)상에 형성될 수 있다. 평탄 광파 회로상에 형성될 수 있는 통상적인 방향성 결합기는 2 개의 직선, 평행 광학 도파관들을 포함하는데, 상기 도파관들은 도파관들 사이에 광학적 결합이 발생하기에 충분하게 근접하여 위치된다. 통상적으로, 각각의 직선 도파관의 각 단부는 만곡된 도파관의 일 단부에 연결된다. 만곡된 도파관들은 광을 직선 도파관들의 안과 밖으로 결합시킨다. 직선 도파관의 길이는 결합기의 길이로서 지칭된다. 예시적인 방향성 결합기는 도 5 에 개략적으로 도시된 것으로서, 제 1 및 제 2 입력 포트(501,502)들과 제 1 및 제 2 출력 포트(503,504)들을 가진다. 기본적인 방향성 결합기에 대하여, 파장에 독립적으로 φ=π/2 라는 점이 주목되어야 한다. 그러한 장치는 직교 장치(quadrature device) 또는 직교 구성 요소로서 지칭될 수 있다.
제 2 출력 포트로부터 나오는 광학 파워에 대하여 제 1 출력 포트로부터 나오는 광학 파워의 비율은 균형 비율이다. 데시벨 단위에서, 균형 비율은 ｜10*log(P1/P2)｜인데, 여기에서 P1 은 제 1 출력으로부터 나오는 광학 파워이고 P2 는 제 2 출력으로부터 나오는 광학 파워이다. 파워의 동등한 분할은 0 dB 의 균형 비율에 의해서 표시된다. 여기에서 설명된 바와 같은 2 x 2 광학 분할기들의 균형 비율이 소망스럽게는 파장들의 범위에 걸쳐서 대략 0 dB 와 같다. 여기에서, 파장들의 범위에서 균형 비율이 0 dB 에 근접할 때, (즉, 특정의 공차내에서 0 dB 와 같을 때) 2 x 2 분할기는 파장들의 범위에 걸쳐서 "균형이 이루어진" 것으로 일컬 어진다. 예를 들면 균형 비율의 크기가 약 0.5 dB 보다 작거나 0.5 dB 와 같을 때, 0.5 dB 의 특정 공차를 가지고 2 x 2 분할기가 "균형이 이루어진" 것으로 일컬어진다.
공지의 방향성 결합기를 이용하여, 0 dB 의 균형 비율이 하나의 편광의 광에 대하여 하나의 특정한 파장에서 달성될 수 있으며, 방향성 결합기는 파장들의 좁은 범위에 걸쳐( 예를 들면 30 nm 보다 작은 범위) 균형이 이루어진다. CWDM 및 PON 과 같은 적용예들에서 통상적으로 소망되는 파장들의 넓은 범위는 실질적으로 이러한 좁은 파장 범위를 초과한다. 방향성 결합기의 파장 종속성은 측정으로부터 신뢰성 있게 예측되거나 유도될 수 있다. 공지된 방향성 결합기의 통상적인 파장 성능은 1.45μ 의 파장에서 균형이 이루어진 장치에 대하여 도 6 에 도시되어 있다. 여기에서 균형이 이루어진 파장의 약 2 % 내에 있지 않은 파장들에 대하여 균형 비율이 1 dB를 초과하는 것을 알 수 있다.
파워 분할기(power devider)들은 정적 마하-젠더 간섭계(static Mach-Zehnder interferometer)를 포함하는 기술 분야에서 설명되어 있는데, 예를 들면 미국 특허 5,044,715 호에 설명되어 있으며, 상기 특허는 본원에 참고로서 포함된다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 이러한 직교 장치는, 트랜스퍼 진폭 A1(λ)를 가지는 제 1 방향성 결합기(710)를 트랜스퍼 진폭 A2(λ)을 가지는 제 2 방향성 결합기(711)와 직렬시킴으로써 구성된, 높은 차수의 4 포트 장치이다. 더욱이, 제 1 방향성 결합기의 하나의 출력은 제 1 마하-젠더 아암(712)을 가지는 제 2 방향성 결 합기의 하나의 입력에 연결되고, 제 1 방향성 결합기의 다른 출력은 제 2 마하-젠더 아암(713)을 가진 제 2 방향성 결합기의 다른 입력에 연결된다. 2 개의 마하-젠더 아암들 사이의 경로 길이의 의도적인 차이는 2 개의 상호 연결 광학 경로들 사이에 파장-종속의 위상 변화φ(λ)를 부과한다.
차후에, 복합 장치의 바아(Bar) 및 크로스(Cross) 복합 진폭 트랜스퍼 함수들 각각은(크기 B 및 
를 가지는) B 및 
로서 식별되어 내부 믹서의 An 및 
n 트랜스퍼 함수들과 구분하는 것을 돕는다. 도 7 의 마하-젠더 장치의 바아 및 크로스 트랜스퍼 함수는 다음과 같다.
B(λ)=A1(λ)A2(λ)-
1(λ)
2(λ)eiφ ((3)
상기와 같은 장치에서 안정된 분할을 달성하도록, 2 개의 마하 젠더 아암들 사이의 광학 경로 차이는, 특정 범위에서 가장 긴 파장의 절반과 거의 같거나 또는 그보다 크지만, 특정 범위에서 가장 짧은 파장보다 작도록 최적화되게 선택된다. 결합기는 전체적으로 상이한 균형 파장들을 가지도록 설계되지만, 각각의 결합기의 크로스오버 파장(A 의 크기가 제로로 가는 파장)은 특정 범위에서 가장 긴 파장보다 크게 되도록 설계된다.
이러한 구성 요소들 및 이러한 구성의 최적 해법의 성능은 도 8 의 그래프에 도시되어 있다. 여기에는 파장의 함수로서 각각의 성분 결합기의 진폭 결합 계수의 크기(A1 및 A2)의 크기 및 복합 계수의 결과적인 크기(B)가 도시되어 있다. 또한 2 개의 대시(dash) 수평선이 도시됨으로써, 복합적인 솔루션(solution)이 이들 2 개의 선들 사이에 있을 때, 균형 비율의 크기는 0.5dB 보다 작다. 또한 도면에는 일련의 벡터들이 도시되어 있는데, 이들은 방정식 (3) 에 있는 부가적인 구성 요소들의 복합적인 합이 어떻게 복합 트랜스퍼 함수 크기(B)를 산출하는지를 보인다. 이러한 그래프로부터, 상기 디자인의 균형 광학 분할기는 이론적으로 초 광역 파장 범위에 걸쳐서 ±1dB를 초과하는 값으로 변화를 감소시킬 수 있지만, 실제로는 이론적인 값들을 달성하는 것이 곤란하고 불가능하다.
이러한 유형의 직교 장치의 거동 및 한계를 나타내는 다른 그래프는 도 9 에도시되어 있다. 위의 방적식(3)을 조사함으로써 드러나는 것은 위상 독립 변수(φ)가 거의 π의 홀수 배수인 경우에, 복합 트랜스퍼 함수는 거의 A1A2 +
1 
2 이고, 위상 독립 변수가 거의 p 의 짝수 배수일 때, 복합 트랜스퍼 함수는 거의 A1A2 -
1 
2 이다. 도 9 에 있어서, 파장에 대한 dB 에 대하여 진폭 트랜스퍼 함수 A1 및 A2 의 크기들은 밝게 표시된 선들로 기입되어 있다. 수학적인 항들인 A1A2 +
1 
2 및 A1A2 -
1 
2 들은 어둡게 표시된 선들로 기입되어 있다. 따라서, A1A2 +
1 
2 항의 거동은 A1 또는 A2 의 가장 긴 파장보다 다소 긴, 균형이 이루어진 파장을 가지는 단순 결합기를 닮게되고, 따라서 상부 결합기 곡선보다 다소 위에 놓인다. 마찬가지로, A1A2 -
1 
2 항은 A1 또는 A2 의 가장 짧은 파장보다 다소 짧은, 균형이 이루어진 파장을 가지는 단순 결합기를 닮게되고, 따라서 하부 결합기 곡선보다 다소 아래에 놓인다. 경로 길이 차이가 가장 긴파장의 약 절반과 가장 짧은 파장 사이에 있도록 선택함으로써, 위상 독립 변수(φ)는 범위내의 가장 짧은 파장들에서 2π에 접근하고, 복합 트랜스퍼 함수의 크기는 A1A2 -
1 
2 의 항에 근접하지만 그보다 크다. 파장이 증가하면, 위상 독립 변후(φ)는 범위내의 긴 파장들에서 π를 향해 연속적으로 낮춰지고, 트랜스퍼 곡선은 상부 항 A1A2 +
1 
2을 향하여 완만하게 이행한다. (항상 실험적인 측정들의 인터폴레이션(interpolation)에 기초하여) 결합기 길이 및 경로-길이 차이를 최적화시킴으로써, 도 9에서 굵은 선으로 기입된 트랜스퍼 곡선과 같은 최적의 솔루션을 기대할 수 있다. 도 9 의 그래프의 중심에 근접한 회색으로 나타나는 직사각형 영역(902)은, 소망되는 파장 범위에 걸쳐 균형 비율의 크기가 1 dB 보다 작은 영역을 도시한다. 그래프상에서 알 수 있는 바로서, 이러한 유형의 장치에 대하여 최적의 이론적인 솔루션을 위하여 굵은 선(901)으로서 도시된 복합 트랜스퍼 함수 B(λ)는 초 광역 파장 범위에 걸쳐 균형-비율 변화를 1dB를 겨우 넘게 감소시킬 수 있다.
이전에 설명된 것과 같은 방식으로 추가적인 단계들을 연쇄시키는 것이 파장의 응답을 더욱 평탄화시킬 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 그러한 장치들이 초 광역 파장 범위에 걸쳐서 향상된 평탄성을 제공한다는 증명은 없다. 여기에서 이용된 분석적인 틀을 적용하는 것이, 동일한 원리들에 따라서 다른 단계들을 추가함으 로써 초 광역 파장 범위에 걸쳐 평탄화가 향상되는 그 어떤 명백한 기회를 드러내는 것은 아니다. 그러한 파장 범위내의 복합 파장 응답에서는 추가적인 굴곡 지점(inflection points)들이 없고, 도 8에서 도시되었던 것과 같이 실질적으로 3 차 곡선의 특성을 가진 파장 범위가 걸쳐지며, 추가적인 단계들은 장치를 물리적으로 더 크게 만드는 소망스럽지 않은 부작용을 부과하는 반면에, 파장의 평탄성에서 실질적인 향상이 이루어질 수 없다.
2 x 2 광학 파워 분할기를 위한 통상적인 장치들은 광역 파장 범위에 걸쳐 상대적으로 안정되지만, 기껏해야 ±1dB를 초과하는 균형 비율을 한계로서 제공할 수 있다. 변화하는 온도에 걸쳐 발생되는 편광의 감도에 더하여, 제조중에 불가피하게 발생되는 재료의 굴절율 및 파장 치수들의 정상적인 변화들이 추가될 때, 시스템 설계에서는 2 x 2 분할기 구성 요소들에서 ±1.5 또는 심지어 2 dB 의 균형 비율 범위가 예상된다. 이러한 소망스럽지 않은 높은 변화들을 수용해야 하는 필요성이 의미하는 것은 네트워크가 감소된 데이터 비율/대역폭에서 작동되고 그리고/또는 OLT 및 ONU 의 다른 부분들에서 고성능의 보다 값비싼 부품들을 사용한다는 점이다. 상기 양쪽의 사양들은 명백히 소망스럽지 않은 것이다. 여기에 설명된 광학 장치들은 합리적인 크기의 팩키지로서 실용적이고 경제적으로 제조될 수 있는 2 x 2 광학 파워 분할기의 구조를 제공하며, 이것은 약 1.25μ 내지 약 1.65μ의 초 광역 파장 범위에 걸쳐서 ± 1dB 또는 그 미만의 파워 분할 허용 오차를 가지는 것이다.
다른 구현예에서, 여기에 설명된 광학 장치들은 합리적인 크기의 팩키지로서 실용적이고 경제적으로 제조될 수 있는 2 x 2 광학 파워 분할기 구조를 제공하며, 이것은 약 1.25μ 내지 약 1.65μ의 초 광역 파장 범위에 걸쳐서 약 ± 0.75 dB 또는 그 미만의 파워 분할 허용 오차를 가지는 것이다. 다른 구현예에서, 여기에 설명된 광학 장치들은 합리적인 크기의 팩키지로서 실용적이고 경제적으로 제조될 수 있는 2 x 2 광학 파워 분할기 구조를 제공하며, 이것은 약 1.25μ 내지 약 1.65μ의 초 광역 파장 범위에 걸쳐서 약 ± 0.5 dB 또는 그 미만의 파워 분할 허용 오차를 가지는 것이다. 다른 구현예에서, 여기에 설명된 광학 장치들은 합리적인 크기의 팩키지로서 실용적이고 경제적으로 제조될 수 있는 2 x 2 광학 파워 분할기 구조를 제공하며, 이것은 약 1.25μ 내지 약 1.65μ의 초 광역 파장 범위에 걸쳐서 약 ± 0.25 dB 또는 그 미만의 파워 분할 허용 오차를 가지는 것이다. 여기에서, 파장의 목표 범위들은, 광학 장치들이 최소의 분할 비율을 가지는 것이 바람직스러운 파장의 범위를 지칭한다.
여기에 설명된 광학 장치들은 파장의 광대역에 걸쳐 광을 균일하게 분할시킬 수 있다. 일 구현예에서, 여기에 설명된 광학 장치들은 약 100 nm 또는 그 이상의 파장 범위에 걸쳐 균일한 분할 비율을 가진다 (예를 들면, 그 어떤 100 nm 범위가 선택될 수 있을지라도, 약 1500 nm 내지 약 1600 nm 의 파장 범위에 걸쳐서 광을 균일하게 분할시킨다). 다른 구현예에서, 여기에 설명된 광학 장치들은 약 250 nm 또는 그 이상의 파장 범위에 걸쳐 균일한 분할 비율을 가진다 (예를 들면, 그 어떤 250 nm 범위가 선택될 수 있을지라도, 약 1375 nm 내지 약 1625 nm 의 파장 범위에 걸쳐서 광을 균일하게 분할시킨다). 다른 구현예에서, 여기에 설명된 광학 장치들 은 약 400 nm 또는 그 이상의 파장 범위에 걸쳐 균일한 분할 비율을 가진다 (예를 들면, 그 어떤 400 nm 범위가 선택될 수 있을지라도, 약 1250 nm 내지 약 1650 nm 의 파장 범위에 걸쳐서 광을 균일하게 분할시킨다). 다른 구현예에서, 여기에 설명된 광학 장치들은 약 500 nm 또는 그 이상의 파장 범위에 걸쳐 균일한 분할 비율을 가진다 (예를 들면, 그 어떤 500 nm 범위가 선택될 수 있을지라도, 약 1200 nm 내지 약 1700 nm 의 파장 범위에 걸쳐서 광을 균일하게 분할시킨다). 다른 구현예에서, 여기에 설명된 광학 장치들은 약 600 nm 또는 그 이상의 파장 범위에 걸쳐 균일한 분할 비율을 가진다 (예를 들면, 그 어떤 600 nm 범위가 선택될 수 있을지라도, 약 1150 nm 내지 약 1750 nm 의 파장 범위에 걸쳐서 광을 균일하게 분할시킨다).
본 발명은 파장의 초 광역 범위에 걸쳐 억제된 파장 감도를 가지는, 파장에 기초한 2 x 2 광학 파워 분할기 구성 요소를 제공한다. 특히, 여기에 설명된 광학 장치들은 대략 0 dB 의 균형 비율을 가질 수 있으며, 균형 비율의 크기는 1.25㎛ 내지 약 1.65 ㎛ 의 파장 범위에 걸쳐 약 0.5 dB를 초과하지 않는다. 다른 균형 비율도 유사한 안정성을 가지고 똑같이 가능하다.
여기에 설명된 바와 같은 균일 분할은 소망되는 분할을 의미한다. 대부분의 적용예들에서, 소망되는 분할 비율은 50-50 이고, 따라서 균일 분할이라는 용어가 채용된다. 그러나, 다른 분할 비율들이 소망스러울 수 있으며, 여기에 설명된 광학 장치은 그 어떤 소망의 분할 비율이라도 가지도록 주문 생산될 수 있는데, 그 분할 비율이 예를 들면, 60-40, 40-60, 70-30, 30-70, 75-25, 25-75 및 그와 유사한 것 이다.
제 2 출력 포트로부터 나오는 광학 파워에 대한, 제 1 출력 포트로부터 나오는 광학 파워의 비율이 분할 비율이다. 데시벨 단위에서, 분할 비율은 ｜10*log(P1/P2)｜이며, 여기에서 P1 은 제 1 출력으로부터 나오는 광학 파워이고, P2 는 제 2 출력으로부터 나오는 광학 파워이다. 광이 제 1 입력 포트로 들어갈 때, 크로스 결합 비율은 10*log((P1+P2)/P2)로서 정의된다. 광이 제 2 입력 포트로 진입할 때, 크로스 결합 비율은 10*log((P1/P2)/P1)으로서 정의된다. 종종 2 x 2 광학 분할기의 분할 비율은 파장의 범위에 걸쳐 0 dB 와 대략 같게 될 것을 필요로 한다. 여기에서, 분할 비율이 파장의 범위내에서 0 dB 에 근접할 때(즉, 특정의 허용 오차내에서 0 dB 와 같을 때) 파장의 범위에 걸쳐 "균형이 이루어진" 것으로 일컬어진다. 0.5 dB 의 특정 허용 오차를 가지고, 예를 들면, 분할 비율이 0.5 dB 보다 작거나 또는 그와 같을 때, 2 x 2 분할기는 "균형이 이루어진" 것으로 일컬어진다. 여기에서, 분할 비율이 0 dB 와 같고 크로스 결합 비율이 3 dB 와 같을 때 2 x 2 는 "완전히 균형이 이루어진" 것으로 일컬어진다.
여기에 설명된 광학 장치들은, 파장에 대한 종속성이 감소된 2 x 2 파워 분할 장치가 제 1 의 2 x 2 구성 요소와 제 2 의 2 x 2 구성 요소를 연쇄(concatenation)시킴으로써 (연쇄의 물리적인 순서가 의미되는 것은 아니다) 적절하게 구현될 수 있다는 기술적인 발견에 부분적으로 기초한 것으로서, 제 1 구성 요소는 소망되는 파장 범위내의 선택된 파장(λ0)에서 공칭의 0dB 균형 비율을 가 진 표준 방향성 결합기로서의 거동 또는 그와 비슷한 것으로서의 거동을 나타내며, 제 2 구성 요소는 똑같이 선택된 파장에서 커다란 크기의 균형 비율을 가진다. 제 2 구성 요소는 통상적으로 비-직교(non-quadrature) 구성 요소이다.
즉, 여기에 설명된 광학 장치들의 2 개의 구성 요소들중 적어도 하나는 비-직교 구성 요소이다. 여기에 설명된 광학 장치들은 2 개의 비-직교 구성 요소를 포함할 수 있다. 직교 구성 요소는 광을 서로에 대해 90°로 위상이 벗어난 2 개의 출력으로 분리시킴으로써 그 어떤 주어진 입력에서도 광을 처리한다. 예를 들면, 대칭의 방향성 결합기는 직교 구성 요소이다. 비-직교 구성 요소는 직교 장치들의 요건에 따르지 않는 장치들의 부류이다. 비직교 구성 요소들의 예는 대칭 결합기, 마하-젠더 간섭계, 멀티모드 간섭 결합기, 2 x 2 스타 결합기 및 그와 유사한 것이다.
커다란 크기의 균형 비율을 가진다는 것은 제 2 구성 요소의 진폭 트랜스퍼 함수의 크기가 λ0에서 거의 1.0 또는 0.0 이고, 하위 구성 요소(sub-component)는 그러한 파장에서 실질적으로 파워 분할되지 않는다는 것을 의미한다. λ0에서 복합 장치의 균형 비율은 제 1 구성 요소의 균형 비율과 정합된다. 파장은 λ0 와 상이하므로, 2 개의 구성 요소들을 연결하는 도파관들의 광학 경로 길이 차이와 제 2 구성 요소의 트랜스퍼 함수의 조합은 제 1 구성 요소의 균형 비율의 변화를 보상한다.
여기에 설명된 광학 장치들은, 광학 장치들에서 광대역 안정성에 통상적으로 해로운 2 개의 현상이 편입될 수 있게 하는 구조에 부분적으로 기초하고 있다: 1) 제 1 구성 요소 및 제 2 구성 요소를 연결하는 2 개의 아암들의 광학 경로 차이는 파장 범위내의 가장 짧은 파장보다 실질적으로 길 수 있다; 그리고 2) 제 2 구성 요소에서 진폭 결합 계수의 크기는 파장 범위를 가로질러 모노톤(monotone)이 되지 않을 수 있다. 이러한 현상들은 실질적으로 경사를 증가시키지 않으면서 초 광역 파장 범위를 가로질러 복합 트랜스퍼 함수에서의 추가적인 굴곡을 제공하는데 이용될 수 있으며, 따라서 굴고 지점들 사이에 진폭 변화를 제공하는데 이용될 수 있다. 파장의 초 광역 범위에 걸쳐 매우 좁은 범위내에서 복합 트랜스퍼 함수 크기의 경계를 정할 수 있게 하는 것은 추가적인 굴곡 지점들 및 감소된 진폭 변화이다. 제 2 구성 요소에서 모노톤(monotone)이 아닌 트랜스퍼 함수에 대한 선호는 일반적으로 이러한 구성 요소를 위한 단순 대칭 방향성 결합기의 이용을 배제시킨다. 즉, 제 2 구성 요소는 비 직교 구성 요소이다.
일 구현예가 도 10 에 도시되어 있다. 이것은 대칭 방향성 결합기인 제 1 구성 요소를, 마하-젠더 간섭계인 제 2 구성 요소와 연쇄시킨 것을 도시한다. 제 1 및 제 2 구성 요소들은 2 개의 연결된 도파관들에 의해 이어지며, 2 개의 연결 도파관들 사이의 광학 경로의 차이는 상호 연결 링크들 사이의 파동 종속적인 위상 변화를 제공한다. (기초 파라미터들을 반복적으로 조작함으로써 항상 최적화되는) 이러한 구현예를 이용하여 최적의 솔루션을 나타내기 위해서, 0dB 의 균형 비율이 약 1.6μ 의 파장에 있도록 대칭적인 방향성 결합기가 설계된다. 마하-젠더 구성 요소내의 2 개의 결합기들은 이러한 예에서도 약 1.6 μ에서, 같은 OdB 균형 지점을 가지도록 설계된다. 1.6 μ 의 파장에서 방정식 (3)의 위상 변수가 약 3 π이도록, 마하-젠더와의 광학 경로 길이 차이는 약 2.4μ이다. 이것은 마하-젠더 구성 요소에 대하여 B(λ0)≒1; 
(λ0)≒0 을 의미한다. 이러한 예에서 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소를 연결하는 광학 경로 길이 차이는 약 1.45μ이다.
이러한 파라미터들을 이용하여, 마하-젠더 구성 요소의 진폭 트랜스퍼 함수의 크기는 도 11 에 기입되어 있다. 여기에서 알 수 있는 바로서, 마하-젠더 구성 요소의 결합 계수는 초-광역 파장 범위에 걸쳐 커다란 양으로 변화하며, 이것은 실질적으로 λ0에서 바아-상태(｜B｜=1)에 있다. 또한 이러한 도면에는 초-광역 파장 범위를 가로질러 마하-젠더 구성 요소의 위상 변화가 기입되어 있다. 이러한 구성 요소에 대한 트랜스퍼 함수의 위상은 파장 범위를 가로질러 π보다 크게 변화하여, 대칭 방향성 결합기의 일정한 π/2 위상과는 현저하게 구별된다.
이러한 마하-젠더를 표준적인 방향성 결합기와 조합하여, 2 개의 구성 요소들의 파장 거동은 도 10 에 도시되어 있다. 마하-젠더 트랜스퍼 함수는 다시 A1(λ)로 표시되어 있고, 대칭 결합기 트랜스퍼 함수는 A2(λ)로 표시되어 있으며, 복합 광학 장치의 전체 트랜스퍼 함수는 B(λ)로 표시된 두꺼운 선으로 도시되어 있다. 수평의 대쉬(dash)로 표시된 선은 0.5dB 안정성의 한계를 나타내고, 도 8 에 도시된 바와 같이 방정식(3)의 추가적인 구성 요소들이 몇 개의 파장들에서 도시되어 있다. 도 10 의 그래프는 신규한 구성에 의해서 도입된 복합 트랜스퍼 함수에서의 추가적인 굴곡을 도시하며, 그것이 보다 넓은 파장 범위에 걸쳐 종래의 장치들보다 작은 파장의 변화를 제공하도록 어떻게 활용될 수 있는지를 나타낸다.
다른 구현예는 도 11 에 도시되어 있다. 이것은 제 1 구성 요소를 위해서 파λ0 의 파장에서 균형이 이루어진 대칭 방향성 결합기 및, 제 2 구성 요소로서의 비대칭 결합기를 채용한다. 도 12 에 도시된 비대칭 결합기는 방향성 결합기로서, 결합 도파관들중 하나에 있는 광학 전달 상수(유효 굴절율)는 다른 것과는 약간 다르다. 이것은 도파관들중 하나를 다른 것과는 약간 상이한 폭으로 만듦으로써 달성될 수 있으며, 이것은 도면에 도시된 방법이다. 그러나, 결합된 도파관들중 하나 또는 다른 것의 물리적인 특성이나 또는 다양한 치수들, 또는 그것의 환경을 변경시킴으로써 차이를 도입하는 여러 가지 다른 공지의 방법들이 있다.
비대칭의 결합기들은 대칭의 결합기들보다 정확하게 모델을 만들고 제조하는 것이 더욱 본질적으로 문제가 된다. 다음의 예에서, 이용된 비대칭의 결합기 모델들은 적절한 제조 공정들을 이용하여 다양한 실리콘상의 실리카(silica-on-silicon) 비대칭 결합기 구조의 많은 집단을 실험적으로 연구하여 유도된다. 상이한 수단 또는 다른 재료 시스템들에서 만들어진 비대칭 결합기들은 등가의 거동을 발생시키는 수치적으로 상이한 파라미터들을 필요로 할 수 있지만, 아마도 유사한 연구가 이러한 파라미터들도 드러낼 수 있을 것이다.
비대칭 결합기의 비대칭은 파장의 함수이다. 짧은 파장들에서, 비대칭은 보다 뚜렷하며 매우 적은 광이 결합기 길이에 상관 없이 크로스 상태(
) 안으로 결합 될 수 있다. 긴 파장들에서, 거의 모든 광이 정상적인 결합기 길이에 대한 크로스 상태로 결합될 수 있다. 비대칭 결합기들은 상업적으로 거의 사용되지 않으며 아직까지 비대칭 결합기의 파장 종속성을 나타내기 위한 약정된 표준이 존재하지 않는다. 여기의 목적을 위한 비대칭 결합기는 2 개의 파장들을 특징으로 한다: 이것은, 크로스 상태로 결합될 수 있는 광학 파워의 최대 부분(maximum fraction)이 있는 파장이 50 % 인 것을 나타내는 50 % 파장 및, 크로스 상태로 결합될 수 있는 입력 파워의 최대 부분이 있는 파장이 90 % 가 되는 90 % 파장이다. 이들 파장들의 어느 하나 또는 양쪽 모두가 장치의 정상적인 작동 범위를 벗어날 수 있으며, 이들은 작동 파장 범위를 가로질러 비대칭 곡선의 형상을 나타내도록 이용되는 파라미터일 뿐이라는 점이 주목되어야 한다. 또한 50 % 파장에서 50 % 결합을 얻는데 필요한 결합기 길이는 일반적으로 90 % 파장에서 90 % 결합을 얻는데 필요한 길이와 같을 수 없다는 점이 주목되며, 특정 길이를 가지는 결합기의 트랜스퍼 함수가 50 % 파장에서 50 %에 등가이거나, 또는 90 % 파장에서 90 % 에 등가이기를 기대해서는 아니된다.
상기한 바를 염두에 두고, 하나의 예로서, 본 구현예의 예로 선택된 비대칭 결합기는 1.19μ의 50 % 파장, 26μ의 90 % 파장 및 292μ의 결합기 길이를 가지며, 상기 결합기 길이는 50 % 파장에서 50 % 결합을 얻는데 필요한 결합 길이보다 약간 작다. 이것은 약 1.6μ의 파장에서 다음과 같은 바아 상태(│B│≒1)를 제공한다. 이러한 결합기 구성 요소의 성능 특성들은 도 13에서 그래프로 도시되어 있다. 여기에서 초 광역 파장 범위를 가로지르는 비대칭 결합기의 특징적인 거동은 이전 구현예의 마하-젠더 구성 요소의 거동과 밀접하게 닮도록 설계될 수 있다. 그러나, 마하-젠더 구성 요소가 반드시 수 mm 의 길이이어야 하는 반면에, 비대칭 결합기 구성 요소는 1 mm 길이보다 아래일 수 있어서, 전체적으로 소형의 장치가 가능하며, 따라서 보다 경제적인 제조를 위하여 웨이퍼상에 전체 장치들 더욱 맞추게 된다.
도 13 에 있어서, 파장 범위를 가로질러 비대칭 결합기의 위상 변화는 도 11 에 도시된 마하-젠더의 변화보다 다소 작은 것이 주목된다. 이러한 차이는 보상될 수 있는데, 이전에 설명된 마하-젠더 구현예에 비교하여 구성 요소들을 상호 연결하는 광학 경로 차이를 감소시킴으로써 가장 용이하게 보상될 수 있다. 이러한 예를 위해서, 구성 요소들을 상호 연결하는 광학 경로 차이는 0.54μ로 감소되고, 복합 장치의 예상된 거동은 도 14 에 기입되어 있다. 도 14 의 수직 축적(vertical scale)은 안정 범위를 보다 잘 나타내기 위하여 도 8 및 도 10에서 보다 2 배로 확대된 것이라는 점이 주목된다. 이러한 예에서 알 수 있는 바로서, 비록 비대칭 결합기를 이용하는 장치가 제조하는데는 문제가 많을지라도, 이것은 심지어 이전에 설명된 마하-젠더 구현예보다 넓은 파장 범위에 걸쳐 적은 변화를 가질 수 있고 그리고 소형화될 수 있다.
여기에 설명된 광학 장치들을 만들도록 이용될 수 있는 다른 2 x 2 구성 요소들은 멀티모드 간섭(multimode interference; MMI) 결합기들 및 2 x 2 스타 결합기(star coupler)를 포함한다. 불균형 2 x 2 구성 요소 (즉, 비-직교 구성 요소)는 λ0 에 근접한 균형 비율의 크기가 1dB 보다 작은 변화를 제공하도록 약 16 dB 보다 적어도 크도록 구성될 수 있다. 다른 구현예에서, 불균형 2 x 2 구성 요소(즉, 비-직교 구성 요소)는 λ0 에 근접한 균형 비율의 크기가 0.5dB 보다 작은 변화를 제공하도록 약 19 dB 보다 적어도 크도록 구성될 수 있다. 불균형 구성 요소의 최적의 정점 파장은 균형 구성 요소의 균형 파장과 반드시 정확하게 같지 않으며, 사실 약 1-2 % 로 상이할 수 있어서 전체 파장 범위를 가로질러 전체적인 변화를 최소화시킨다.
마하-젠더 간섭계 구성 요소의 다른 구현예들이 이용될 수 있는데, 이것은 대략 (2m+1)/2*λ0 의 광학 경로 차이를 가짐으로써 약 λ0에서 바아 상태(│B│≒1)에 있으며, 여기에서 m 은 정수이다. 대략 m*λ0 의 광학 경로 차이를 가짐으로써 약 λ0에서 크로스 상태(│B│≒0)에 있는 마하-젠더 간섭계 구성 요소의 다른 구현예들이 이용될 수 있으며, 여기에서 m 은 정수이다. 편광-종속적인 변화(polarization-dependent variation)를 보다 잘 보상하도록 광학 경로 차이가 의도적으로 최대 약 3 % 까지 오프셋(offset)될 수 있는 마하-젠더 간섭계 구성 요소의 다른 구현예들이 이용될 수 있다. 하나 또는 양쪽의 방향성 결합기들이 멀티 모드 간섭 결합기에 의해서 대체된 마하-젠더 간섭계 구성 요소의 다른 구현예들이 이용될 수 있다. 하나 또는 양쪽의 방향성 결합기들이 스타 결합기에 의해서 대체된 마하-젠더 간섭계 구성 요소의 다른 구현예들이 이용될 수 있다.
여기에 설명된 구현예들이 비록 평탄 광파 회로(PLCs)에 기초한 것일지라도, 멀티-포트 혼합 요소들이 간섭적으로 연쇄될 수 있는 그 어떤 다른 광학 기술에 본 발명이 똑같이 적용된다는 점이 당업자에게 용이하게 명백할 것이다. 여기에 설명된 광학 장치들은 또한 마이크로웨이브 및 라디오 주파수 믹서들에도 적용될 수 있으며, 비록 광대역 파워 분할의 다른 수단이 이용 가능하기 때문에 그 분야에서 해결되어야 하는 필요성이 명백하지 않을지라도 그러하다.
필요한 균형 비율을 제공하는 설계 사항들은 구성 요소들을 포함하도록 이용된 재료 시스템에 달려있다. 적절한 도파관 기하 형상 및 재료 시스템의 제 1 예에서, PLC 재료 시스템은 기판상의 실리카 층을 포함한다. 이러한 예에서, 코어 층은 저부 클래딩 층과 상부 클래딩 층 사이에 위치되며, 여기에서 약 4 내지 약 10㎛ 두께인 코어 층의 굴절률은 약 0.07 ㎛ 로써 저부 클래딩의 굴절률보다 높으며, 상부 및 저부 클래딩 층들의 굴절률은 대략 같다(약 0.01 ㎛ 이내). 도파관들은 상부 클래딩 재료에 의해 덮힌 사각형 단면을 가진 영역들을 에칭함으로써 형성된다. 방향성 결합기는 2 개의 근접한 도파관들로부터 형성될 수 있는데, 이들은 약 4 내지 10 ㎛ 의 폭을 가질 수 있고, 그들 사이에 약 4 내지 10 ㎛ 폭의 상부 클래딩 재료의 영역을 가질 수 있다. 각각의 직선 도파관의 각각의 단부는 약 10 mm 내지 약 20 mm 의 곡률 반경을 가진 곡선 도파관(curve waveguide)에 연결될 수 있다. 여기에 설명된 몇가지 구현예들에 대한 상세한 예들이 이러한 도파관 기하 형상 및 재료 시스템과 관련하여 다음에 기술될 것이다; 그러나, 다른 적절한 도파관 기하 형상 및 재료 시스템들이 여기에 설명된 광학 장치들을 위하여 이용될 수 있다.
또한, 다음에 설명된 수치학적인 예들에 있어서, 여기에 설명된 광학 장치들의 하나의 장점은 약 1260 nm 내지 약 1625 nm 의 파장들의 목표 범위에 걸쳐 균형이 이루어지는 2 x 2 분할기를 제공한다는 것이다. 상기에 설명된 도파관 기하 형상 및 재료 시스템을 가지고, 방향성 결합기의 결합 파라미터는 약 1260 nm 내지 약 1625 nm 의 파장 범위에 걸쳐 2 개 이상의 인자에 의하여 변화한다. 따라서, 파장의 초 광역 범위에 걸쳐 균형된 분할을 제공하는 장치가 필요하다. 더욱이, 1dB 또는 그 미만의 허용 오차가 다음의 예들에 대하여 균형 분할의 정의에 이용된다.
제 1 구현예의 제 2 예에서, 균형 구성 요소는, 길이가 800 ㎛ 이고, 대략 1580 nm 와 같은 파장에서, 즉, λ0 = 1580 nm에서 완전하게 균형이 이루어지는 방향성 결합기를 포함한다. 불균형 구성 요소 또는 비직교 구성 요소는 마하-젠더 간섭계를 포함하는데, 마하 젠더 간섭계는 길이가 734 ㎛ 인 제 1 방향성 결합기 및 길이가 750㎛ 인 제 2 방향성 결합기를 더 포함한다. 마하 젠더 간섭계의 아암들 사이의 광학 경로 길이 차이는 m=3 인 제 1 구현예에 따라서 설계된다. 상세하게는, 제 1 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이는 제 2 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이 보다 약 2379 nm 만큼 크다. 불균형 구성 요소는, λ0 를 포함하는 1560 nm 와 1605 nm 사이의 파장들에 대하여 20 dB 보다 큰 균형 비율을 가진다. 불균형 구성 요소는 주로 광을 1560 nm 와 1605 nm 사이의 파장들에 대한 바아 경로(bar path)로 결합시킨다. 수치학적 조사가 이용되어 광대역 2 x 2 분할기의 아암들 사이의 최적 광학 경로 길이 차이를 찾는다. 제 2 브리지 아암(bridging arm)에서의 광학 경로 길이보다 짧은, 1421 nm 인 제 1 브리지 아암의 광학 경로 길이를 가지고, 이러한 예에서 1260 nm 와 1625 nm 사이의 목표 파장 범위에 걸쳐 0.5 dB 의 허용 오차를 가진 균형 분할이 (시뮬레이션으로) 달성될 수 있다. 이러한 예에서, 아암들 사이의 광학 경로 길이 차이는 목표 파장 범위내에 놓여있는 값을 가진다.
제 3 구현예의 제 1 예에서, 불균형 구성 요소는 길이가 2951 ㎛ 인 방향성 결합기를 포함한다. 이러한 불균형 구성 요소는 1360 nm 와 1385 nm 사이의 파장들에 대하여 20 dB 보다 큰 균형 비율을 가져서, 이러한 파장 범위에서 광은 주로 크로스 경로로 결합된다. 균형 구성 요소 또는 비-직교 구성 요소는 길이가 102 ㎛ 인 제 1 방향성 결합기 및 길이가 1027 ㎛인 제 2 방향성 결합기를 더 포함하는 마하-젠더 간섭계를 구비한다. 제 1 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이는 제 2 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이보다 2670 nm 길다. 균형 구성 요소는 대략 1370 nm 와 같은, 즉, λ0 =1370 nm 인 파장에서 균형이 이루어진다. 불균형 구성 요소는, λ0를 포함하는, 1360 nm 와 1385 nm 사이의 파장에 대하여 20 dB 보다 큰 균형 비율을 가진다. 수치학적 조사가 이용되어 광대역 2 x 2 분할기의 아암들 사이의 최적 광학 경로 길이 차이를 찾는다. 제 2 브리지 아암에서의 광학 경로 길이보다 짧은, 2245 nm 인 제 1 브리지 아암의 광학 경로 길이를 가지고, 이러한 예에서 1 dB 의 허용 오차를 가진 균형된 분할이 목표 파장 범위에 걸쳐 (시뮬레이션으로) 달성될 수 있다.
제 3 구현예의 제 2 예에서, 불균형 구성 요소는 길이가 1830㎛ 인 방향성 결합기를 포함한다. 이러한 불균형 구성 요소는 1545 nm 와 1595 nm 사이의 파장에 대하여 20 dB 보다 큰 균형 비율을 가짐으로써, 이러한 파장 범위에서 광은 주로 크로스 경로로 결합된다. 균형 구성 요소 또는 비 직교 구성 요소는 길이가 965㎛ 인 제 1 방향성 결합기 및 길이가 117 ㎛ 인 제 2 방향성 결합기를 더 포함하는 마하-젠더 간섭계를 구비한다. 제 1 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이는 제 2 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이 보다 2066 nm 길다. 균형 구성 요소는 대략 1570 nm 와 같은 파장에서, 즉, λ0=1570 nm 인 파장에서 균형이 이루어지는데, 이러한 파장은 불균형 구성 요소가 20 dB 보다 큰 균형 비율을 제공하는 파장의 범위내에 있는 것이다. 수치학적 조사가 이용되어 광대역 2 x 2 분할기의 아암들 사이의 최적 광학 경로 길이 차이를 찾는다. 제 2 브리지 아암에서의 광학 경로 길이 보다 2300 nm 만큼 긴 제 1 브리지 아암에서의 광학 경로 길이를 가지고, 이러한 예에서 1 dB 의 허용 오차를 가진 균형된 분할이 목표 파장 범위에 걸쳐 (시뮬레이션으로) 달성될 수 있다.
제 4 구현예의 예에서, 불균형 또는 비-직교 구현예는 길이가 720 ㎛ 인 제 1 방향성 결합기 및 길이가 720 ㎛ 인 제 2 방향성 결합기를 더 포함하는 마하-젠더 간섭계를 구비한다. 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이는 제 2 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이보다 2370 nm 만큼 더 길다. 이러한 불균형 구성 요소는 1550 nm 와 1610 nm 사이의 파장에 대하여 20 dB 보다 큰 균형 비율을 가짐으로써, 광이 주로 이러한 파장 범위에서 크로스 경로로 결합된다. 균형 구성 요소는 길이가 945 ㎛ 인 제 1 방향성 결합기 및 길이가 47 ㎛ 인 제 2 방향성 결합기를 포함한다. 제 1 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이는 제 2 마하-젠더 아암의 광학 경로 길이보다 2666 nm 만큼 길다. 제 2 브리지 아암에서의 광학 경로 길이보다 1446 nm 만큼 짧은 제 1 브리지 아암의 광학 경로 길이를 가지고, 이러한 예에서 1 dB 의 허용오차를 가진 균형 분할이 목표 파장 범위에 걸쳐 (시뮬레이션으로) 달성될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 광대역 2 x 2 분할기는, 제 1 브리지 아암 및 제 2 브리지 아암을 통해 선택적으로 연결되는 비-직교 구성 요소 및 크로스오버 구성 요소를 포함한다. 일 구현예에서, 비-직교 구성 요소는, 적어도 하나의 광의 파장인λ0 및 적어도 하나의 광의 편광에 대하여 0 dB 과 거의 같은 분할 비율을 제공하는 2 x 2 광학 분할기이다. 크로스오버 구성 요소는 파장과 함께 변화하는 분할 비율을 제공하는 2 x 2 광학 분할기여서, 분할 비율이 파장(λx)에서 적어도 하나의 편광의 광에 대한 국부적인 최대값을 가짐으로써 국부적인 최대값에서의 분할 비율은 약 16 dB 보다 적어도 크거나, 또는 심지어는 약 19 dB 보다 크다. 광학 장치는 λ0 및 λx 가 상대적으로 근접한 값이도록 구성될 수 있다. 상세하게는, 크로스오버 구성 요소가 파장(ho)의 광에 대하여 약 16 dB 보다 큰 분할 비율을 제공하도록 광학 장치가 구성될 수 있다. 즉, 크로스오버 구성 요소는 주로 파장(λ0)의 광을 크로스 경로로 결합시키거나, 또는 주로 파장(ho)의 광을 바아 경로(bar path)로 결합시킨다. 이러한 구성을 가지고, 파장(ho)의 광에 대하여, 광대역 2 x 2 분할기는 크로스오버 구성 요소의 분할 비율에 의해 결정되는 허용 오차 내에서 균형이 이루어진다.
크로스오버 구성 요소의 ho 에서의 분할 비율이 약 16 dB 보다 크다면, 광대역 분할기의 분할 비율은 1 dB 보다 작다. 크로스오버 구성 요소의 ho 에서의 분할 비율이 약 19 dB 보다 크다면, 광대역 분할기의 분할 비율은 약 0.5 dB 보다 작다. 비록 필수적인 것은 아닐지라도, 균형 분할이 적어도 하나의 파장에 대하여 목표 파장 범위내에서 발생하는 것을 보장하도록 λ0 는 목표 파장 범위내에 놓일 수 있다. λx 의 값이 λ0 에 근접하도록 장치 구성을 용이하게 하기 위하여, λx 가 파장의 목표 범위내에 놓이도록 장치가 구성될 수 있다; 따라서, 크로스오버 구성 요소는 파장에 모노톤(monotone)이 아닌 종속성을 가지는 분할 비율을 가질 수 있다. 이러한 구조를 가지고 시작함으로써, 그리고 제 1 브리지 아암의 광학 경로 길이에 대하여 제 1 브리지 아암의 광학 경로 길이를 최적화시킴으로써, 파장의 초 광역 범위에 대한 균형 분할이 달성될 수 있다. 브리지 아암들 사이의 최적 광학 경로 길이 차이를 선택함에 있어서, 선택의 기준(selection criterion)은, 광의 모든 편광에 걸친 분할 비율의 변화가 미리 결정된 값보다 작게 유지되는 기준을 포함한다. 또한, 브리지 아암들 사이의 최적 경로 길이 차이를 선택함에 있어서, 선택의 기준은, 장치가 제조 과정중의 변화에 영향을 받지 않는 기준을 포함한다.
광대역 분할기는 다양한 도파관 기하 형상 및 재료 시스템들에 적절하다. 예를 들면, 재료 시스템은 기판상의 실리카 층들을 포함할 수 있으며, 이것은 실리콘 또는 석영을 포함할 수 있다. 다른 적절한 재료 시스템들은 폴리머 층, 절연층상의 실리콘 및, InP 시스템 또는 GaAs 시스템에 기초한 반도체 재료들의 층들을 포함한다.
본 발명이 특정의 구현예에 대하여 설명되었지만, 다양한 수정예들이 명세서를 읽는 당업자에게 명백할 것이라는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 여기에 설명된 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위에 속하는 그러한 수정예를 포함하도록 의도된다는 점이 이해되어야 한다.
본 발명은 광학 분할기로서 이용될 수 있다.
Claims (20)
- 제 1 입력 포트, 제 2 입력 포트, 제 1 출력 포트 및 제 2 출력 포트를 구비한 제 1 의 2 x 2 분할기를 포함하는 크로스오버 구성 요소(cross component);제 1 입력 포트, 제 2 입력 포트, 제 1 출력 포트 및 제 2 출력 포트를 구비한 제 2 의 2 x 2 분할기를 포함하는 비-직교 구성 요소(non-quadrature component);제 1 광학 경로 길이, 크로스오버 구성 요소의 제 1 입력 포트 또는 제 1 출력 포트에 광학적으로 결합된 제 1 단부 및 비-직교 구성 요소의 제 1 출력 포트 또는 제 1 입력 포트에 광학적으로 결합된 제 2 단부를 가지는 제 1 광학 도파관;제 1 광학 경로 길이와 상이한 제 2 광학 경로 길이, 크로스오버 구성 요소의 제 2 입력 포트 또는 제 2 출력 포트에 광학적으로 결합된 제 1 단부 및 비-직교 구성 요소의 제 2 출력 포트 또는 제 2 입력 포트에 광학적으로 결합된 제 2 단부를 가지는 제 2 광학 도파관;을 구비하고,100 nm 의 파장 범위에 걸쳐 ± 0.5 dB 또는 그 보다 작은 파워 분할 허용 오차를 가지고, 상기 파장 범위는 1.25 μ내지 1.65μ의 초-광역 파장 범위내에 있는, 광학 장치.
- 제 1 항에 있어서,비-직교 구성 요소는 하나의 파장(λ0) 및 적어도 하나의 편광의 광에 대하여 0 dB 의 분할 비율을 제공하도록 구성되고, λ0를 포함하는 파장들의 제 1 의 연속적인 범위를 통하여 1 dB 보다 작은 분할 비율을 제공하도록 구성되며; 크로스오 버 구성 요소는 파장(λ0)에서 적어도 하나의 편광의 광에 대하여 16 dB 보다 큰 분할 비율을 제공하도록 구성된, 광학 장치.
- 제 1 항에 있어서,크로스오버 구성 요소 및 비-직교 구성 요소의 적어도 하나는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 포함하는, 광학 장치.
- 제 1 항에 있어서,크로스오버 구성 요소 및 비-직교 구성 요소중 적어도 하나는 비대칭 결합기를 포함하는, 광학 장치.
- 제 1 항에 있어서,크로스오버 구성 요소 및 비-직교 구성 요소중 적어도 하나는 스타 결합기(star coupler)를 포함하는, 광학 장치.
- 제 1 항에 있어서,크로스오버 구성 요소 및 비-직교 구성 요소의 적어도 하나는 멀티-모드(multi-mode) 간섭 결합기를 포함하는, 광학 장치.
- 제 1 항에 있어서,제 1 광학 경로 길이와 제 2 광학 경로 길이 사이의 차이는 파장들의 제 1 연속 범위에 걸쳐 1 dB 보다 작은 분할 비율(splitting ratio)을 제공하는, 광학 장치.
- 제 7 항에 있어서,제 1 광학 경로 길이와 제 2 광학 경로 길이 사이의 차이는 파장들의 제 2 연속 범위에 걸쳐 1 dB 보다 작은 분할 비율을 제공하고; 파장들의 제 2 연속 범위는 파장들의 제 1 연속 범위보다 넓은, 광학 장치.
- 제 8 항에 있어서,크로스오버 구성 요소 및 비-직교 구성 요소중 적어도 하나는 상기 파장들의 제 2 연속 범위에 걸쳐 2 개 이상의 인자에 의해 변화되는 결합 파라미터를 가지는 대칭 방향성 결합기를 포함하는, 광학 장치.
- 제 1 항에 있어서,제 2 광학 경로 길이와 제 1 광학 경로 길이 사이의 차이는 파장들의 목표 범위내에 있는 값과 같은, 광학 장치.
- 삭제
- 제 1 항의 광학 장치를 포함하는 인쇄 광파 회로(Printed Lightwave Circuit, PLC).
- 2 개의 입력 포트들중 어느 하나에 나타난 광학 파워를 2 개의 출력 포트들에서 특정의 비율로 분배할 수 있는 제 1 의 4-포트 광학 믹서를 포함하는 광학 장치로서, 4-포트 믹서는, 특정 파장(λ0)에서 또는 그 특정 파장 주위에서 파워 분배 비율을 가지는 4-포트 믹서인 제 1 구성 요소; 파장(λ0)에 근접하여 16dB 보다 큰 dB-크기의 파워 분할 비율을 가지는 4-포트 믹서인 제 2 구성 요소; 제 1 구성 요소상의 제 1 포트를 제 2 구성 요소상의 제 1 포트에 연결시키는 제 1 상호 연결 도파관; 및 제 1 구성 요소상의 상보적인(complementary) 제 2 포트를 제 2 구성 요소상의 상보적인 제 2 포트에 연결하는, 제 1 상호 연결 도파관과 상이한 길이를 가지는 제 2 상호 연결 도파관;을 포함하고, 여기에서 제 1 믹서의 파워-분할 비율은 λ0를 포함하는 광학 파장들의 20 % 의 부분 범위에 걸쳐 ±1dB 보다 크지 않은 변화를 나타내는, 광학 장치.
- 제 13 항에 있어서,제 2 구성 요소의 파워-분리 비율은 광학 파장들의 부분 범위를 가로질러 비 -모노톤(non-monotonically)으로 변화하는, 광학 장치.
- 제 13 항에 있어서,제 1 구성 요소는 대칭 방향성 결합기인, 광학 장치.
- 제 13 항에 있어서,제 2 구성 요소는, 광학 파장들의 부분 범위에서의 가장 짧은 파장 주위에서보다 큰 광학 경로 길이 차이를 가지는 마하-젠더 간섭계를 구비하는, 광학 장치.
- 제 13 항에 있어서,제 1 상호 연결 도파관의 경로 차이에 비교된 제 2 상호 연결 도파관의 경로 차이는 파장 범위의 가장 짧은 파장 주위에서보다 크기가 큰, 광학 장치.
- 제 13 항에 있어서,제 2 하위 구성 요소(subcomponent)는 비대칭 결합기를 포함하는, 광학 장치.
- 제 13 항에 있어서,100 nm 이상의 파장 범위에 걸쳐 균일한 분할 비율을 가지는, 광학 장치.
- 제 13 항의 광학 장치를 포함하는 인쇄 광파 회로(Printed Lightwave Circuit, PLC).
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