KR101375995B1 - 배열형 도파로 격자를 포함하는 장치 및 광학 신호를 프로세싱하는 방법 - Google Patents

배열형 도파로 격자를 포함하는 장치 및 광학 신호를 프로세싱하는 방법 Download PDF

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Abstract

인터리브-처핑된 배열형 도파로 격자(AWG)를 이용하는 광학 코히어런트 검출기가 개시된다. AWG는 AWG가 광학 90도 하이브리드로서 기능할 수 있게 하는 주기적인 처프 패턴을 갖는다. AWG가 복굴절 재료를 사용하여 구현되면, AWG는 또한 편광 역다중화기로서 기능할 수 있다. 일 실시예에서, AWG는 파장 역다중화기, 각각의 파장 분할 다중화된(WDM) 신호 성분을 위한 편광 역다중화기 및 각각의 WDM 신호 성분의 각각의 편광 분할 다중화된 성분을 위한 90도 하이브리드로서 동시에 기능하도록 설계된다.

Description

배열형 도파로 격자를 포함하는 장치 및 광학 신호를 프로세싱하는 방법{COHERENT RECEIVER HAVING AN INTERLEAVE-CHIRPED ARRAYED WAVEGUIDE GRATING}
본 발명은 광학 통신 장비에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 한정적인 것은 아니지만 코히어런트 광학 수신기(coherent optical receiver)에 관한 것이다.
이 섹션은 본 발명의 더 양호한 이해를 용이하게 하는 것을 도울 수 있는 양태를 소개한다. 따라서, 이 섹션의 진술은 이 견지에서 숙독되어야 하고, 종래 기술에 있는 것 또는 종래 기술에 있지 않은 것에 대한 승인으로서 허용되어서는 안된다.
광학 코히어런트 검출 방안은 광학 신호의 진폭 뿐만 아니라 신호의 위상을 검출하는 것이 가능하다. 이들 능력은 광 코히어런트 검출을 직교 진폭 변조 및 다양한 형태의 위상 편이 변조(PSK)(예를 들어, 차동 2진 PSK 및 차동 직교 PSK)와 같은 스펙트럼 효율성 변조 포맷의 사용과 호환 가능하게 한다. 비코히어런트(non-coherent) 검출기와 비교하여, 광학 코히어런트 검출기는 비교적 용이한 가변성(tunability), 파장 분할 다중화(WDM) 시스템 내의 인접한 채널로부터의 양호한 간섭 거부, 현대식 디지털 신호 프로세싱 기술의 효과적인 적용을 위한 전기 신호로의 전자기장의 선형 변환, 및 편광 분할 다중화(PDM)를 사용하기 위한 기회를 제공한다.
광학 코히어런트 검출기는 일반적으로 수신된 광학 통신 신호와 로컬 발진기 신호를 혼합하는 90도 하이브리드를 이용하여 광학 통신 신호에 의해 전달된 데이터가 복구될 수 있게 된다. 그러나, 종래의 광학 코히어런트 검출기가 갖는 일 문제점은 이것이 통상적으로 광학 통신 신호의 각각의 WDM 및/또는 PDM 성분에 대한 개별 90도 하이브리드를 필요로 한다는 것이다. 불리하게도, 이 다수의 구성 디바이스는 WDM 및/또는 PDM 시스템 내의 광학 코히어런트 검출의 사용을 비교적 고비용이 되게 하고, 대응 수신기가 비교적 대형이 되게 하고 그리고/또는 비교적 높은 광학 감쇠를 나타내게 한다.
인터리브-처핑된(interleave-chirped) 배열형 도파로 격자(AWG)를 갖는 광학 코히어런트 검출기의 다양한 실시예가 본 명세서에 개시된다. AWG는 AWG가 광학 90도 하이브리드로서 기능할 수 있게 하는 주기적인 처프 패턴을 갖는다. AWG가 복굴절 재료를 사용하여 구현되면, AWG는 편광 역다중화기로서 또한 기능할 수 있다. 일 실시예에서, AWG는 파장 역다중화기, 각각의 파장 분할 다중화된(WDM) 신호 성분을 위한 편광 역다중화기 및 각각의 WDM 신호 성분의 각각의 편광 분할 다중화된 성분을 위한 90도 하이브리드로서 동시에 기능하도록 설계된다. 유리하게는, 종래 기술에 비해, 본 발명의 광학 코히어런트 검출기는 비교적 적은 구성 디바이스를 사용하여 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, (i) 평면형 표면을 갖는 기판과, (ii) 상기 표면을 따라 존재하고 제 1 및 제 2 광학 입력 및 광학 출력의 제 1 공간 어레이를 갖는 제 1 광학 스타 커플러(star coupler)와, (iii) 상기 표면을 따라 존재하고 광학 입력의 제 2 공간 어레이 및 광학 출력의 제 3 공간 어레이를 갖는 제 2 광학 스타 커플러와, (iv) 도파로 암(arms)의 어레이를 포함하고, 각각의 도파로 암은 제 1 공간 어레이의 하나의 광학 출력을 제 2 공간 어레이의 대응 광학 입력에 접속한다. 도파로 암의 어레이는 제 3 공간 어레이의 4개의 광학 출력의 제 1 세트가 대략 동일한 파장인 제 1 및 제 2 광학 입력에서 수신된 광에 응답하여 제 1 및 제 2 광학 입력에서 수신된 광의 4개의 상이한 위상 조합을 수용하게 하도록 구성되는 AWG를 갖는 장치가 제공된다.
다른 실시예에 따르면, (i) 평면형 표면을 갖는 기판, (ii) 상기 표면을 따라 존재하고 제 1 및 제 2 광학 입력 및 광학 출력의 제 1 공간 어레이를 갖는 제 1 광학 스타 커플러, (iii) 상기 표면을 따라 존재하고 광학 입력의 제 2 공간 어레이 및 광학 출력의 제 3 공간 어레이를 갖는 제 2 광학 스타 커플러, 및 (iv) 도파로 암의 어레이 - 각각의 도파로 암은 제 1 공간 어레이의 하나의 광학 출력을 제 2 공간 어레이의 대응 광학 입력에 접속함 - 를 포함하는 AWG를 제공하는 단계를 갖는 광학 신호를 프로세싱하는 방법이 제공된다. 방법은 (a) 제 1 광학 입력 도파로에 광학 입력 신호를, (b) AWG의 제 2 광학 입력 도파로에 로컬 발진기 신호를 인가하여 제 3 공간 어레이의 4개의 광학 출력의 세트에서 로컬 발진기 신호와 광학 입력 신호의 4개의 상이한 위상 조합을 생성하는 단계를 추가로 갖는다.
본 발명의 다양한 실시예의 다른 양태, 특징 및 이득이 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 예로서 더 완전히 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광학 수신기의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 수신기에 사용될 수 있는 배열형 도파로 격자(AWG)의 레이아웃을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 수신기에 사용될 수 있는 AWG의 레이아웃을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1의 수신기에 사용될 수 있는 AWG의 레이아웃을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1의 수신기에 사용될 수 있는 AWG의 다이어그램이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광학 수신기(100)의 블록 다이어그램을 도시한다. 수신기(100)는 (i) S 및 R로 표기된 2개의 입력 포트 및 (ii) 1 내지 N으로 표기된 복수의 출력 포트를 갖는 배열형 도파로 격자(AWG)(110)를 갖는다. AWG(110)는 입력 포트(S, R) 각각에 인가된 입력 신호(102, 104)를 광학적으로 혼합하여, 출력 포트(1 내지 N) 각각에서 N개의 혼합된 신호(1121 내지 112N)를 생성한다. 다양한 실시예에서, 입력 신호(102)는 비다중화된 신호 또는 파장 분할 다중화된(WDM) 및/또는 편광 분할 다중화된(PDM) 신호 성분을 갖는 다중화된 신호일 수 있다. 입력 신호(102)의 의도된 유형에 따라, AWG(110)는 (i) 90도 하이브리드, (ii) 각각의 WDM 성분을 위한 파장 역다중화기 및 90도 하이브리드, (iii) 각각의 PDM 성분을 위한 편광 역다중화기 및 90도 하이브리드, 또는 (iv) 각각의 WDM 성분을 위한 파장 역다중화기 및 각각의 WDM 성분의 각각의 PDM 성분을 위한 90도 하이브리드의 기능을 수행하도록 설계될 수 있다. AWG(110)의 이들 실시예에 대응하는 대표적인 AWG 구조가 도 2 내지 도 5를 참조하여 이하에 더 상세히 설명된다.
입력 신호(104)는 입력 신호(102)의 코히어런트 검출을 위해 사용되는 로컬 발진기(LO) 신호이다. 이와 같이, 입력 신호(104)는 입력 신호(102)의 신호 성분에 대응하는 신호 성분을 갖는다. 예를 들어, 입력 신호(102)가 n개의 WDM 성분을 가지면, LO 신호(104)는 또한 입력 신호(102)의 대응 WDM 성분과 실질적으로 동일한 광학 반송파 주파수(파장)를 각각 갖는 n개의 스펙트럼 성분을 갖는다. 유사하게, 입력 신호(102)가 각각의 광학 반송파 주파수에 대한 2개의 PDM 성분을 가지면, LO 신호(104)는 또한 각각의 광학 반송파 주파수에 대한 2개의 편광 성분을 갖는다. 일 실시예에서, LO 신호(104)는 당 기술 분야에 공지된 바와 같이, 예를 들어 광학 위상 동기 루프(PLL, 도 1에는 명시적으로 도시되어 있지는 않음)를 사용하여 수신기(100)에서 생성된다. 대안 실시예에서, LO 신호(104)는 예를 들어 본 명세서에 그대로 참조로서 포함되어 있는 미국 특허 제 7,269,356호에 개시되어 있는 바와 같이, 원격 송신기(도 1에는 명시적으로 도시되어 있지는 않음)로부터 수신된다.
PDM 신호를 프로세싱하기 위해 설계된 수신기(100)의 실시예는 AWG(110)의 입력 포트(R)에 위치된 광학 편광 제어 요소(106)를 포함할 수 있다는 것을 주목하라. 편광 제어 요소(106)의 일 기능은 LO 신호(104)가 관련 신호 편광의 각각을 위한 적절한 광 파워를 제공하는 것을 보장하는 것이다. 예를 들어, 편광 제어 요소(106)는 LO 신호(104)의 편광을 변경/회전하도록 구성될 수 있어 AWG(110) 내에 연결시에, LO 신호가 횡방향 전기(TE) 및 횡방향 자기(TM) 도파로 편광 모드에서 실질적으로 동등한 광 파워를 갖게 된다. 예를 들어 편광 제어 요소(106)가 (i) 선편광된 LO 신호(104)의 편광이 AWG(110)의 평면에 대해 약 45도에서 배향될 수 있게 하고 또는 (ii) LO 신호(104)가 원편광될 수 있게 할 때 동등한 출력 분할이 발생할 것이다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 TE 및 TM 편광/모드는 (i) 통상의 TE 및 TM 편광/모드 및 (ii) 준(quasi)-TE 및 준-TM 편광/모드의 모두를 포함한다.
수신기(100)는 N개의 광학 신호(1121 내지 112N)를 입력 신호(102)의 독립적으로 변조된 성분에 대응하는 복소값을 지시하는 K개의 전기 신호(1221 내지 122K)로 변환하는 검출기 어레이(120)를 추가로 갖는다. 각각의 전기 신호(1221 내지 122K)는 대응(선택적) 증폭기(130)에서 증폭될 수 있다. 각각의 최종 신호(1321 내지 132K)는 대응 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(140) 내에서 디지털 형태로 변환된다. 최종 디지털 신호(1421 내지 142K)는 디지털 신호 프로세서(DSP)(150)에 의해 프로세싱되어 입력 신호(102)의 각각의 독립적으로 변조된 성분에 의해 전달된 데이터를 복구한다. 대표적인 실시예에서, N=K 또는 N=2K이다. 일 실시예에서, AWG(110) 및 검출기 어레이(120)는 단일 집적 회로의 부분으로서 공통 기판 상에 구현된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 AWG(110)(도 1)로서 사용될 수 있는 AWG(200)의 레이아웃을 개략적으로 도시한다. 더 구체적으로, AWG(200)는 N=4에 대응하고(도 1 참조), 광학 90도 하이브리드로서 기능하도록 설계된다. AWG(200)는 다발(220) AWG 도파로 암(222)에 의해 접속된 도파로 커플러(또한 때때로 스타 커플러라 칭함)(210, 230)를 갖는다. AWG(200)가 AWG(110)로서 사용되면(도 1), 커플러(210)의 입력 포트(2081, 2082)는 수신기(100)의 입력 포트(S, R) 각각으로서 역할을 한다. 커플러(230)의 출력 포트(2321 내지 2324)는 AWG(110)의 출력 포트(1 내지 4)에 대응한다.
비처핑된(non-chirped) AWG에서, 임의의 2개의 인접한 AWG 암[AWG(200)의 AWG 암(222)에 유사함] 사이의 길이의 차이는 일정하다(이하, ΔL로 나타냄). 수학적으로, 비처핑된 AWG의 이 특성은 식 (1)을 사용하여 표현될 수 있다.
Figure 112012011266306-pct00001
여기서, m은 평면형 기판 상의 상기 암의 측방향 공간 시퀀스의 m번째 도파로 암을 식별하는 인덱스이다. 여기서, m=0은 길이 L0를 갖는 제 1 또는 최단 AWG 암에 대응하고, Lm은 측방향 공간 시퀀스의 m번째 AWG 암의 길이이다. 대조적으로, 인터리브-처핑된 AWG에서, 인접한 AWG 암 사이의 길이의 차이는 예를 들어 주기적인 방식으로 변조될 수 있고 인덱스(m)에 의존한다. 수학적으로, 인터리브-처핑된 AWG의 이 특성은 식 (2)를 사용하여 대략적으로 표현될 수 있는데,
Figure 112012011266306-pct00002
여기서, M은 처프 패턴의 주기이고, l(m mod M)은 주기(M)에 의해 인덱스(m)를 나눈 값의 나머지에 의존하는 이산 암-길이-변조 함수이다. 몇몇 처핑된 AWG 및 몇몇 비처핑된 AWG는 ΔL=0으로 구현될 수 있다. 인터리브-처핑된 AWG의 디자인 및 구현예의 부가적인 상세는 예를 들어 그대로 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 공동 소유의 미국 특허 제 5,909,522호 및 제 6,049,640호에서 발견될 수 있다.
일 실시예에서, AWG(200)는 인터리브-처핑된 AWG이고, 여기서 AWG 암(222)은 예를 들어 표 1에 열거된 8개의 대표적인 이산 함수 l1(i) 내지 l8(i)의 세트로부터 선택된 암-길이-변조 함수 l(m mod M)에 의해 설명된 처프 패턴을 갖는다. 표 1에 열거된 이산 함수는 M=4 AWG 암의 주기에 대응한다는 것을 주목하라. 열거된 이산 함수의 각각은 정규화 팩터로서 역할을 하는 관심 파장(λC)을 갖고 정규화된다. 다양한 실시예에서, λC는 입력 신호의 반송파 파장 또는 입력 신호 내에 존재될 복수의 WDM 성분을 위한 평균 파장일 수 있다.
Figure 112012011266306-pct00003
당업자는 다른 적합한 처프 패턴이 AWG(200)에서 유사하게 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 다양한 실시예에서, 도파로 다발(220)은 상이한 수의 AWG 암(222)을 가질 수 있고, 최소 수의 암은 4개이다. AWG 암(222)의 최대 수에는 이론적인 제한은 존재하지 않는데, 즉 수는 4개 초과의 임의의 수일 수 있다. 그러나, 예를 들어 구성의 실용적인 고려가 그럼에도 불구하고 상기 최대 수를 제한할 수 있다.
AWG(200)가 암-길이 변조 함수 l1(i)를 사용하여 구현될 때-입력 포트(2081, 2082)는 1/4 회절 구역에 의해 이격되어 있고 출력 포트(2321 내지 2324)는 이에 대응적으로 이격되어 있음-, AWG 암(222)의 처프 패턴은 AWG가 출력 포트에서 실질적으로 동등한 강도의 4개의 출력 신호를 생성할 수 있게 한다. 식 (3)은 AWG(200)의 출력 포트(2321 내지 2324)에서 전기장(Ep) 사이의 관계를 대략적으로 제공하는데(여기서, 하첨자 p=1...4는 출력 포트 번호를 나타냄),
Figure 112012011266306-pct00004
여기서, ES 및 ER은 입력 포트(2081 및 2082) 각각에 인가된 광학 신호의 전기장이다. 당업자는 식 (3)이 통상의 광학 90도 하이브리드의 기능성에 대응하여, AWG(200)의 실시예가 수신기(100)(도 1)와 같은 코히어런트 수신기 내에 이 기능성을 구현하는데 사용될 수 있는 것을 의미한다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 당업자는 표 1에 열거된 다른 암-길이-변조 함수의 사용이 식 (3)에 의해 제공된 관계와 유사한 AWG(200)의 출력 포트(2321 내지 2324)에서 전기장(Ep) 사이의 관계를 생성할 수 있다는 것을 더 인식할 수 있을 것이다.
AWG 암(222)은 통상적으로 도파로의 평면형 어레이를 형성하기 위해 비교차(non-intersecting) 방식으로 평면 상에 배열되고, 평면형 어레이는 제 1 측면 에지(224) 및 제 2 측면 에지(226)를 갖는다. ΔL의 비제로 값에 대응하는 일 실시예에서, 평면형 어레이 내의 AWG 암(222)의 길이는 식 (2)에 따라 평면 상의 측방향 위치의 변화에 따라 단조적으로 증가하여, 측면 에지(224)에 위치된 AWG 암이 최소 길이를 갖고 측면 에지(226)에 위치된 AWG 암이 최대 길이를 갖게 된다. ΔL=0에 대응하는 대안 실시예에서, 암-길이-변조 함수 l(m mod M)에 의해 규정된 처프 패턴이 무시되면, 모든 AWG 암(222)은 동일한 길이를 갖는다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 AWG(110)(도 1)로서 사용될 수 있는 AWG(300)의 레이아웃을 개략적으로 도시한다. AWG(300)는 AWG(200)(도 2)와 일반적으로 유사하고, 2개의 AWG의 유사한 요소는 동일한 마지막 2개의 숫자를 갖는 도면 부호로 나타낸다. 그러나, AWG(200)와는 대조적으로, AWG(300)는 N=8에 대응하고(또한 도 1 참조), 각각의 PDM 성분을 위한 편광 역다중화기 및 90도 하이브리드로서 동시에 기능하도록 설계된다. 다양한 실시예에서, 도파로 다발(320)은 상이한 수의 AWG 암(322)을 가질 수 있고, 암의 최소 수는 8개이다.
AWG(300)의 편광 역다중화기 기능성은 복굴절 구역(340)의 존재에 의해 가능화된다. 예를 들어, 각각의 AWG 암(322)에 대해, 구역(340) 내의 암의 부분은 비교적 높은 복굴절에 의해 특징화되는 도파로 재료로 제조될 수 있다. 구역(340) 내에 AWG 암(322)을 구현하기 위한 다른 적합한 배열은 얇은 InGaAsP 안내층을 갖는 InP 심도 에칭된 리지와 같은 큰 형상비를 갖는 도파로 코어를 포함할 수 있다. 복굴절 구역(340)은 전체 도파로 다발(320) 또는 단지 그 일부만을 포함할 수 있다. 구역(340) 내의 도파로는 복굴절 재료를 사용할 수도 있고 또는 사용하지 않을 수도 있다. 전술된 재료에 추가하여, 구역(340) 내에 도파로를 구현하기 위한 다른 적합한 재료는 Si, InGaAs, SiO2 및 SiON일 수 있다.
평면형 광학 도파로의 복굴절 세그먼트의 제조의 예시적인 디자인 및 방법이 예를 들어 본 명세서에 그대로 참조로서 포함되어 있는 2008년 8월 19일 출원된 미국 특허 출원 제 12/194352호에 설명되어 있다. 이들 디자인 및 방법은 구역(340) 내의 AWG 도파로 암(322)의 부분을 구현하기 위해 유용할 수 있다.
복굴절 구역(340)은 TE 및 TM 편광 모드 각각에 대응하는 2개의 공간적으로 분리된 성분으로 분할하기 위해 식 (3)에 대응하는 출력 신호의 각각을 발생시킨다. 편광 의존 파장 분할(PDWS)의 크기는 일반적으로 도파로 다발(320) 내의, 특히 구역(340) 내의 TE 및 TM 모드에 대한 유효 굴절률 사이의 차이에 의해 결정된다. 따라서, 복굴절 구역(340)을 구현하기 위한 재료는 PDWS가 도파관 커플러(330)의 출력 파셋(facet)(328)에서 8개의 출력 파장(332)의 측면간 배치를 가능하게 하기 위해 충분히 크도록 선택된다. 식 (4a 내지 4b)는 AWG(300)의 출력 포트(3321X 내지 3324X, 3321Y 내지 3324Y) 각각에서 전기장(EpX 및 EpY) 사이의 관계를 대략적으로 제공하는데,
Figure 112012011266306-pct00005
여기서, ESX 및 ESY는 AWG(300)의 입력 포트(3081)에 인가된 광학 신호[예를 들어, 도 1의 광학 통신 신호(102)]의 TE 및 TM 편광 각각에 대응하는 전기장이고, ERX 및 ERY는 AWG의 입력 포트(3082)에 인가된 광학 신호[예를 들어, 도 1의 LO 신호(104)]의 TE 및 TM 편광 각각에 대응하는 전기장이다. 식 (4a 내지 4b)는 AWG(300)가 2개의 이유로 TE 및 TM 편광을 위한 편광 역다중화기 및 각각의 편광을 위한 광학 90도 하이브리드로서 동시에 기능한다는 것을 증명한다. 첫째로, 제 1 세트의 광학 출력 포트(3321X 내지 3324X) 및 제 2 세트의 광학 출력 포트(3321Y 내지 3324Y)의 상이한 광학 출력 포트는 상이한 상대적 위상 조합으로, 즉 광학 90도 하이브리드에서와 같이 신호와 로컬 발진기 광의 조합을 출력한다. 둘째로, 제 1 세트의 광학 출력 포트(3321X 내지 3324X)는 하나의 편광 성분에 대해 이러한 조합을 출력하고, 제 2 세트의 광학 출력 포트(3321Y 내지 3324Y)는 다른 비교적 직교 편광 성분에 대해, 즉 편광 역다중화기에서와 같이 이러한 조합을 출력한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 AWG(110)(도 1)로서 사용될 수 있는 AWG(400)의 레이아웃을 개략적으로 도시한다. AWG(400)는 일반적으로 AWG(200)(도 2)와 유사하고, 2개의 AWG의 유사한 요소는 동일한 마지막 2개의 숫자를 갖는 도면 부호로 나타낸다. 그러나, AWG(200)와 대조적으로, AWG(400)는 N=8에 대응하고(또한 도 1 참조) WDM 성분의 각각[반송파 파장(λ1 및 λ2)을 각각 가짐]을 위한 2-채널 파장 역다중화기 및 90도 하이브리드로서 동시에 기능하도록 설계된다. 당업자는 AWG(400)의 디자인은 WDM 채널의 임의의 원하는 정수(n)(>2)에 대해 일반화될 수 있고, 이 일반화는 N=n인 출력 도파로(432)의 수를 초래할 것이다. 다양한 실시예에서, 도파로 다발(420)은 상이한 수의 AWG 암(422)을 가질 수 있고, 암의 최소 가능한 수는 4n개이다.
파장 역다중화기로서 역할을 할 수 있는 AWG가 당 기술 분야에 공지되어 있다. AWG(400)의 파장 역다중화기 기능성의 상세한 설명은 이것이 일반적으로 특정의 종래의 AWG의 것과 유사하기 때문에 여기에 제공되어 있지 않다. 부가적인 상세를 위해, 예를 들어 적합한 설명이 발견될 수 있는 상기 인용된 미국 특허 제 5,909,522호 및 제 6,049,640호를 참조하라.
AWG(400)의 추가된 90도 하이브리드 기능성은 AWG(200)의 것과 유사하고, AWG 암(422)의 처프 패턴(예를 들어, 도 1에 열거된 이산 함수 중 하나에 의해 규정됨)에 의해 가능화된다. 실제로, 처프 패턴은 AWG(400)의 파장 역다중화기 기능성에 따라 생성된 각각의 역다중화된 WDM이 식 (3)에 따라 4개의 방식으로 분할될 수 있게 한다. 예를 들어 검출기 어레이(120)(도 1)에서 추가의 프로세싱을 위해 분할 WDM 성분에 대응하는 혼합된 신호를 캡처하고 지향하기 위해, AWG(400)는 도파로 커플러(430)의 출력 파셋(428)에 적절하게 위치된 8개의 출력 도파로(432λ1,1 내지 432λ1,4 및 432λ2,1 내지 432λ2,4)를 갖는다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 AWG(110)(도 1)로서 사용될 수 있는 AWG(500)의 다이어그램을 도시한다. 더 구체적으로, 도 5a는 AWG(500)의 블록 다이어그램을 도시한다. 도 5b는 AWG(500)의 레이아웃을 개략적으로 도시한다. AWG(500)는 일반적으로 AWG(300)(도 3)에 유사하고, 2개의 AWG의 유사한 요소는 동일한 마지막 2개의 숫자를 갖는 도면 부호로 나타낸다. 그러나, AWG(300)와 대조적으로, AWG(500)는 N=32에 대응하고(또한 도 1 참조), 4-채널 파장 역다중화기, 4개의 WDM 채널의 각각에 대한 편광 역다중화기 및 4개의 WDM 채널의 각각의 2개의 직교 편광의 각각에 대한 90도 하이브리드로서 동시에 기능하도록 설계된다. 예시적으로, 4개의 WDM 채널은 반송파 파장(λ1 내지 λ4)을 갖는 것으로서 도시되어 있고, 여기서 λ1<λ2<λ3<λ4이다.
AWG(500)의 편광 역다중화기 기능성은 복굴절 구역(540)에 의해 가능화된다. AWG(500)의 90도 하이브리드 기능성은 AWG 암(522)의 처프 패턴에 의해 가능화된다(예를 들어, 표 1에 열거된 이들 함수 중 하나에 의해 규정됨). 실제로, 복굴절 구역(540) 및 AWG 암(522)의 처프 패턴은 AWG(500)의 통상의 파장 역다중화기 기능성에 따라 생성된 각각의 역다중화된 WDM 채널 신호(S)가 8개의 출력 포트(532S1, 532S2,..., 532S8)의 세트에 지향될 수 있게 한다. 즉, AWG(500)의 8개의 출력 포트의 세트는 식 (4a 내지 4b)에 따라 각각의 입력 WDM 파장 채널에 대해 신호광 및 로컬 발진기의 8개의 상이한 상대적 위상 및 편광 조합을 출력한다. 예를 들어 검출기 어레이(120)(도 1)에서 추가의 프로세싱을 위한 분할 WDM/PDM 성분에 대응하는 혼합된 신호를 캡처하여 지향시키기 위해, AWG(500)는 도파로 커플러(530)의 출력 파셋(528)에 적절하게 위치된 32개의 출력 도파로(532)를 갖는다.
도 5a의 블록도는 입력 포트(5081)에 인가된 입력 신호[예를 들어, 도 1의 광학 통신 신호(102)]의 상이한 WDM/PDM 성분에 대응하는 상이한 출력 도파로(532)의 상대적 공간 배열을 도시한다. 더 구체적으로, 이하의 명명법이 출력 도파로(532) 내에 생성된 다양한 혼합된 신호를 표기하기 위해 도 5a에 사용되는데, (1) λi는 파장을 지시하고, 여기서 i=1, 2, 3, 4, (2) 1X, 2X, 3X 및 4X는 식 (4a)의 4개의 행에 대응하는 TE 편광된 혼합 신호를 지시하고, (3) 1Y, 2Y, 3Y 및 4Y는 식 (4b)의 4개의 행에 대응하는 TM 편광된 혼합된 신호를 지시한다.
당업자는 AWG(500)의 디자인이 임의의 원하는 수(n)(여기서 2≤n≤nmax)의 WDM 채널에 대해 일반화될 수 있고, 이 일반화는 N=8n인 출력 도파로(532)의 수를 초래할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 디자인에서 수용될 수 있는 WDM 채널의 최대 수(nmax)는 AWG 내의 편광 의존 파장 분할(PDWS)에 의해 결정되고 식 (5)에 의해 제공되는데,
Figure 112012011266306-pct00006
여기서, Δλ는 채널 간격이다. PDWS는 이하와 같이 식 (6)에 의해 표현되는데,
Figure 112012011266306-pct00007
여기서 λC는 AWG의 WDM 채널에 대한 평균 파장이고, nTE는 파장 λC에서 TE 편광 모드에 대한 유효 굴절률이고, nTM은 파장 λC에서 TM 편광 모드에 대한 유효 굴절률이다. 다양한 실시예에서, 도파로 다발(520)은 상이한 수의 AWG 도파로 암(522)을 가질 수 있고, 암의 최소 수는 8n개이다. 일 실시예에서, AWG(500)는 100개의 AWG 도파로 암(522)을 갖고, 21차 격자도(grating order)에서 동작하도록 설계되고, 약 200 GHz의 채널 간격(Δλ)을 갖는다.
본 발명의 다양한 실시예의 일 장점은 디바이스가 광자 집적 회로(PIC) 기술을 사용하여 구현될 때에도 하이브리드의 90도 위상 특성이 매우 정확할 수 있다는 것이다. 비교를 위해, PIC 기술을 사용하여 구현된 종래의 90도 하이브리드에서, 90도 하이브리드의 다양한 출력에 대한 위상차는 이들이 통상적으로 하이브리드에 사용된 단일 요소, 예를 들어 멀티 모드 간섭 커플러에 의해 결정되기 때문에 90도로부터 상당히 일탈될 수 있다. 따라서, 심지어 이 단일 요소의 비교적 작은 에러 또는 부정확성(예를 들어, 제조 프로세스 중의 치수의)은 필수적인 90도로부터의 위상차의 상당한 일탈을 유도할 수 있다. 대조적으로, 본 발명의 다양한 실시예에서, 하나의 특정 AWG 암의 길이의 작은 에러는 이 에러가 다수의 AWG 암에 걸쳐 효과적인 평균화에 의해 완화되기 때문에 위상에 상당한 효과를 미치지 않는다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 한정적인 개념으로 해석되도록 의도된 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 TE 및 TM 편광 모드를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 다양한 실시예는 또한 예를 들어 (i) 좌측 및 우측 원편광 및 (ii) 서로 직교하는 선편광을 사용하는 것들과 같은 임의의 적합한 편광 다중화된 신호를 프로세싱하는데 사용될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자들에게 명백한 설명된 실시예의 다양한 수정예 뿐만 아니라 본 발명의 다른 실시예는 이하의 청구범위에 표현된 바와 같은 본 발명의 원리 및 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "광학 하이브리드"는 반송파 주파수를 갖는 입력 신호와 동일한 반송파 주파수를 갖는 로컬 발진기 신호를 혼합하여 입력 신호와 LO 신호 사이의 상이한 상대적 위상 편이에 대응하는 복수의 혼합된 신호를 생성하도록 설계된 광학 혼합기를 칭한다. 광학 90도 하이브리드는 대략 0, 90, 180 및 270도의 입력 신호와 LO 신호 사이의 상대적 위상 편이에 대응하는 적어도 4개의 혼합된 신호를 생성하도록 설계된 특정 유형의 광학 하이브리드이다. 당업자는 각각의 위상 편이가 360도의 정수배인 가능한 부가적인 위상 편이를 고려하지 않고 규정된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 단일 집적 회로 또는 패키지 상의 가능한 구현예를 포함하는 자유 공간 광학 기기 및/또는 도파로 회로를 사용하여 구현될 수 있다.
명시적으로 달리 언급되지 않으면, 각각의 수치값 및 범위는 값 또는 범위의 값에 선행하는 단어 "약" 또는 "대략"과 같이 대략적인 것으로서 해석되어야 한다.
본 발명의 성질을 설명하기 위해 설명되고 도시되어 있는 부분의 상세, 재료 및 배열의 다양한 변경이 이하의 청구범위에 표현된 바와 같은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당업자들에 의해 이루어질 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
이하의 방법 청구항들에서의 요소는 존재한다면 대응 도면 부호로 특정 시퀀스로 언급되지만, 청구항 인용이 다른 방식으로 이들 요소의 일부 또는 전체를 구현하기 위한 특정 시퀀스를 암시하지 않으면, 이들 실시예는 반드시 특정 시퀀스에 구현되는 것으로 한정되도록 의도되지는 않는다.
본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"의 참조는 실시예와 연계하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 의미한다. 명세서의 다양한 장소에서 구문 "일 실시예에서"의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니고, 다른 실시예들을 반드시 서로 배제하는 개별 또는 대안 실시예인 것은 아니다. 동일한 사항이 용어 "구현예"에도 적용된다.
상세한 설명 전체에 걸쳐, 실제 축적대로 도시되지는 않은 도면은 단지 예시적인 것이고, 본 발명을 한정하기보다는 설명하기 위해 사용된다. 높이, 길이, 폭, 상부, 저부와 같은 용어의 사용은 순전히 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위한 것이고 특정 배향으로 본 발명을 한정하도록 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 높이는 단지 수직 상승 한정만을 의미하는 것은 아니라, 도면에 도시된 바와 같이 3차원 구조체의 3개의 차원 중 하나를 식별하는데 사용된다. 이러한 "높이"는 전극이 수평인 경우에 수직일 수 있지만, 전극이 수직인 경우에 수평일 수 있는 등이다. 유사하게, 모든 도면은 수평층으로서 상이한 층을 도시하고 있지만, 이러한 배향은 단지 설명을 위한 것이고 한정으로서 해석되어서는 안된다.
또한 본 설명의 목적을 위해, 용어 "연결하다", "연결하는", "연결된", "접속하다", "접속하는" 또는 "접속된"은 에너지가 2개 이상의 요소 사이로 전달되도록 허용되는 당 기술 분야에 공지된 또는 이후에 개발될 임의의 방식을 칭하고, 하나 이상의 부가적인 요소의 개입이 고려되지만, 필수적인 것은 아니다. 역으로, 용어 "직접적으로 연결된", "직접적으로 접속된" 등은 이러한 부가적인 요소의 부재(absence)를 암시한다.
100: 광학 수신기 102, 104: 입력 신호
106: 편광 제어 요소 110: 배열형 도파로 격자(AWG)
120: 검출기 어레이 130: 증폭기
140: 아날로그-디지털 컨버터 150: 디지털 신호 프로세서
200: AWG 210, 230: 도파로 커플러
220: 도파로 다발 222: AWG 암
300: AWG 320: 도파로 다발
322: AWG 암 340: 복굴절 구역

Claims (12)

  1. 배열형 도파로 격자(AWG)를 포함하는 광학 신호 프로세싱 장치에 있어서,
    상기 AWG는,
    평면형 표면을 갖는 기판과,
    상기 표면을 따라 존재하고 제 1 광학 입력 및 제 2 광학 입력과 광학 출력의 제 1 공간 어레이를 갖는 제 1 광학 스타 커플러와,
    상기 표면을 따라 존재하고 광학 입력의 제 2 공간 어레이 및 광학 출력의 제 3 공간 어레이를 갖는 제 2 광학 스타 커플러와,
    도파로 암(arms)의 어레이를 포함하고,
    각각의 도파로 암은 상기 제 1 공간 어레이의 하나의 광학 출력을 상기 제 2 공간 어레이의 대응 광학 입력에 접속하고, 상기 도파로 암의 어레이는, 상기 제 3 공간 어레이의 4개의 광학 출력의 제 1 세트가 동일한 파장인 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력에서 수신된 광에 응답하여 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력에서 수신된 광의 4개의 상이한 위상 조합을 수신하게 하도록 구성되고, 상기 4개의 상이한 위상 조합은, 0, π/2 라디안, π 라디안 및 3π/2 라디안의 상대적 위상을 갖는 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력으로부터의 광의 조합인
    광학 신호 프로세싱 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로 암의 어레이는 상기 제 3 공간 어레이의 4개의 광학 출력의 개별 제 2 세트가 광의 4개의 제 2 조합을 수신하게 하도록 구성되고, 상기 제 2 조합은 상기 제 3 공간 어레이의 광학 출력의 제 1 세트로의 광 출력의 편광에 직교하는 광의 성분의 편광인
    광학 신호 프로세싱 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로 암의 어레이는 상기 제 3 공간 어레이의 4개의 광학 출력의 개별 제 2 세트가 광의 4개의 제 2 조합을 수신하게 하도록 구성되고, 상기 제 2 조합은 상기 제 3 공간 어레이의 광학 출력의 제 1 세트로의 광 출력의 파장과는 상이한 파장을 갖는
    광학 신호 프로세싱 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로 암의 적어도 일부에 대해, 상기 암의 적어도 일부는 복굴절 파장(birefringent waveguide)을 포함하고,
    상기 장치는,
    상기 제 2 광학 입력에 수신된 광의 편광을 변경하여 광 파워가 제 1 편광과 상기 제 1 편광에 직교하는 제 2 편광 사이에 분할되게 하도록 구성된 편광 제어 요소를 더 포함하는
    광학 신호 프로세싱 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 AWG는 n-채널 파장 역다중화기로서 기능하도록 구성되고, n은 1 초과의 양의 정수이고,
    상기 광학 출력의 제 3 공간 어레이는 4n개의 광학 출력을 포함하되, 각각의 광학 출력은 대응 혼합 신호를 수신하기 위한 것이고, 상기 대응 혼합 신호는, (i) 반송파 파장 및 (ii) 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력에 인가된 광 사이의 상대적 위상 편이의 값 중 적어도 하나에 있어서, 나머지 (4n-1)개의 혼합 신호의 각각과는 상이한
    광학 신호 프로세싱 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로 암의 어레이는 4개의 도파로 암의 주기를 갖는 주기적인 처프 패턴(periodic chirp pattern)을 갖고,
    상기 처프 패턴은, 선택된 순서로 배열된
    (i) 2개의 제로,
    Figure 112013068958408-pct00019
    및
    Figure 112013068958408-pct00020
    ; 또는
    (ii) 2개의 제로,
    Figure 112013068958408-pct00021
    및
    Figure 112013068958408-pct00022
    이고,
    여기서, λC는 상기 AWG의 하나 이상의 파장 채널에 대응하는 파장인
    광학 신호 프로세싱 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 광학 수신기이며,
    상기 광학 출력의 제 3 공간 어레이의 대응 출력에 각각 광학적으로 연결되고 대응 광학 출력 신호를 전기 신호로 변환하도록 구성된 광 검출기의 어레이와,
    상기 광 검출기의 어레이에 의해 생성된 전기 신호를 대응 디지털 신호로 변환하도록 구성된 아날로그-디지털 컨버터와,
    상기 디지털 신호를 수신하는 디지털 신호 프로세서를 더 포함하며,
    상기 제 1 광학 입력에 인가된 광학 입력 신호는 복수의 독립적으로 변조된 성분을 포함하고,
    상기 디지털 신호 프로세서는 상기 독립적으로 변조된 성분의 각각에 의해 전달된 데이터를 복구하기 위해 상기 디지털 신호를 프로세싱하도록 구성되고, 상기 복수의 독립적으로 변조된 성분은 2개 이상의 WDM 성분을 포함하는
    광학 신호 프로세싱 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 독립적으로 변조된 성분은 2개 이상의 PDM 성분을 또한 포함하는
    광학 신호 프로세싱 장치.
  10. 광학 신호를 프로세싱하는 방법에 있어서,
    (a) 평면형 표면을 갖는 기판과,
    상기 표면을 따라 존재하고 제 1 광학 입력 및 제 2 광학 입력 및 광학 출력의 제 1 공간 어레이를 갖는 제 1 광학 스타 커플러와,
    상기 표면을 따라 존재하고 광학 입력의 제 2 공간 어레이 및 광학 출력의 제 3 공간 어레이를 갖는 제 2 광학 스타 커플러와,
    도파로 암의 어레이 - 각각의 도파로 암은 상기 제 1 공간 어레이의 하나의 광학 출력을 상기 제 2 공간 어레이의 대응 광학 입력에 접속시킴 - 를 포함하는 배열형 도파로 격자(AWG)를 제공하는 단계와,
    (b) (i) 상기 AWG의 제 1 광학 입력 도파로에 광학 입력 신호를, (ii) 상기 AWG의 제 2 광학 입력 도파로에 로컬 발진기 신호를 인가하여 상기 제 3 공간 어레이의 4개의 광학 출력의 세트에서 상기 로컬 발진기 신호와 상기 광학 입력 신호의 4개의 상이한 위상 조합을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 4개의 상이한 위상 조합은, 0, π/2 라디안, π 라디안 및 3π/2 라디안의 상대적 위상을 갖는 상기 제 1 광학 입력 도파로 및 상기 제 2 광학 입력 도파로로부터의 광의 조합인
    광학 신호를 프로세싱하는 방법.
  11. 배열형 도파로 격자(AWG)를 포함하는 광학 신호 프로세싱 장치에 있어서,
    상기 AWG는,
    평면형 표면을 갖는 기판과,
    상기 표면을 따라 존재하고 제 1 광학 입력 및 제 2 광학 입력과 광학 출력의 제 1 공간 어레이를 갖는 제 1 광학 스타 커플러와,
    상기 표면을 따라 존재하고 광학 입력의 제 2 공간 어레이 및 광학 출력의 제 3 공간 어레이를 갖는 제 2 광학 스타 커플러와,
    도파로 암(arms)의 어레이를 포함하고,
    각각의 도파로 암은 상기 제 1 공간 어레이의 하나의 광학 출력을 상기 제 2 공간 어레이의 대응 광학 입력에 접속하고, 상기 도파로 암의 어레이는, 상기 제 3 공간 어레이의 4개의 광학 출력의 제 1 세트가 동일한 파장인 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력에서 수신된 광에 응답하여 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력에서 수신된 광의 4개의 상이한 위상 조합을 수신하게 하도록 구성되고,
    상기 AWG는 n-채널 파장 역다중화기로서 기능하도록 구성되고, n은 1 초과의 양의 정수이고,
    상기 광학 출력의 제 3 공간 어레이는 4n개의 광학 출력을 포함하되, 각각의 광학 출력은 대응 혼합 신호를 수신하기 위한 것이고, 상기 대응 혼합 신호는, (i) 반송파 파장 및 (ii) 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력에 인가된 광 사이의 상대적 위상 편이의 값 중 적어도 하나에 있어서, 나머지 (4n-1)개의 혼합 신호의 각각과는 상이한
    광학 신호 프로세싱 장치.
  12. 배열형 도파로 격자(AWG)를 포함하는 광학 신호 프로세싱 장치에 있어서,
    상기 AWG는,
    평면형 표면을 갖는 기판과,
    상기 표면을 따라 존재하고 제 1 광학 입력 및 제 2 광학 입력과 광학 출력의 제 1 공간 어레이를 갖는 제 1 광학 스타 커플러와,
    상기 표면을 따라 존재하고 광학 입력의 제 2 공간 어레이 및 광학 출력의 제 3 공간 어레이를 갖는 제 2 광학 스타 커플러와,
    도파로 암(arms)의 어레이를 포함하고,
    각각의 도파로 암은 상기 제 1 공간 어레이의 하나의 광학 출력을 상기 제 2 공간 어레이의 대응 광학 입력에 접속하고, 상기 도파로 암의 어레이는, 상기 제 3 공간 어레이의 4개의 광학 출력의 제 1 세트가 동일한 파장인 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력에서 수신된 광에 응답하여 상기 제 1 광학 입력 및 상기 제 2 광학 입력에서 수신된 광의 4개의 상이한 위상 조합을 수신하게 하도록 구성되고,
    상기 도파로 암의 어레이는 4개의 도파로 암의 주기를 갖는 주기적인 처프 패턴(periodic chirp pattern)을 갖고,
    상기 처프 패턴은, 선택된 순서로 배열된
    (i) 2개의 제로,
    Figure 112013068958408-pct00023
    및
    Figure 112013068958408-pct00024
    ; 또는
    (ii) 2개의 제로,
    Figure 112013068958408-pct00025
    및
    Figure 112013068958408-pct00026
    이고,
    여기서, λC는 상기 AWG의 하나 이상의 파장 채널에 대응하는 파장인
    광학 신호 프로세싱 장치.
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