KR102362639B1 - 하이퍼주파수 신호를 생성 및 방사하기 위한 광전자 컴포넌트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 주파수로 지칭된 30GHz 와 10THz 사이에 있는 주파수 (F) 를 나타내는 전자기 신호 (S) 를 생성 및 방사하기 위한 광전자 컴포넌트 (30) 에 관한 것으로, 이는 :
- 상기 마이크로파 주파수 (F) 와 동일한, 헤테로다인 비트로 지칭되는, 광 주파수 차를 나타내는 제 1 및 제 2 광파들 (O1, O2) 을 한정하여 평면 XY 에서 자유롭게 전파하도록 구성된 평면 가이드 (Gp),
- 상기 평면 가이드 (Gp) 로 상기 광파들 (O1, O2) 을 주입하기 위한 시스템 (Si),
- 제 1 광파 (O1) 에 그리고 제 2 광파 (O2) 에 근거하여, 상기 마이크로파 주파수 (F) 를 나타내는 신호 (S) 를 생성하도록 상기 평면 가이드 (Gp) 에 커플링된 포토-믹서 (PM) 로서,
상기 포토-믹서 (PM) 는, 축 Y 를 따라 상기 신호 (S) 의 파장 (λ_F) 의 반파장 이상인 큰 치수 (L) 를 나타내는 가늘고 긴 형상을 갖는, 상기 포토-믹서 (PM)
를 포함하고,
- 상기 주입 시스템 (Si) 은, 상기 광파들이 상기 평면 가이드에서 오버랩핑하고 상기 신호 (S) 의 파장 (λ_F) 의 반파장과 적어도 동일한 축 Y 를 따른 길이에 걸쳐 포토-믹서 (PM) 와 커플링되도록 구성되고, 포토-믹서는 따라서 상기 신호 (S) 를 방사하는 것이 가능하다.

Description

하이퍼주파수 신호를 생성 및 방사하기 위한 광전자 컴포넌트{OPTOELECTRONIC COMPONENT FOR GENERATING AND RADIATING A HYPERFREQUENCY SIGNAL}

본 발명은 광전자 컴포넌트들, 특히 400nm 와 10㎛ 사이의 파장을 나타내는 광파 (optical wave) 들에 근거하여, 문헌에서 이하에 마이크로파 주파수로 지칭되는 30GHz 와 10THz 사이에 있는 주파수를 나타내는 전자기 신호를 생성 및 방사하는 기능을 갖는 통합된 컴포넌트들에 관한 것이다.

밀리미터파 타입 (30GHz 와 300GHz 사이의 주파수의 RF 라디오 파) 의 및 테라헤르츠 타입 (100GHz 와 10THz 사이의 주파수) 의 마이크로파-주파수 신호들의 생성은 검출, 분광학 및 고-비트레이트 무선 데이터 송신의 분야들에서 다수의 애플리케이션들을 나타낸다. 후자의 분야에서, 지원 주파수가 높을수록, 전송될 수 있는 비트레이트가 더 중요해진다. 일 예로, 1GHz 캐리어에 대해, 1Gbit/s 의 최대 비트레이트가 획득되지만, 1THz 의 캐리어의 경우에는, 10 내지 20Gbit/s 의 비트레이트들이 가능하고, 이런 이유로 충분한 파워로 이 범위의 주파수들에서 방출 (emitting) 가능한 컴포넌트들을 개발하는데 관심이 있다.

종래 기술에 따른 제 1 솔루션은 도 1 (도 1a 는 투시도이고 도 1b 는 위에서 본 모습이다) 에 예시된, 마이크로파 주파수 (F) 의 신호 (S) 를 방출하는 것이 가능한 컴포넌트 (100) 이다. 이 유니터리 포토다이오드 (100) 는 2 개의 광파들, 파장 (λ1) 의 파 (O1) 및 파장 (λ2) 의 파 (O2) 가 전파되는 평면 가이드 (planar guide) (10), 및 작은 사이즈의 연관된 포토-믹서 (photo-mixer) (11) 를 포함한다. λ1 및 λ2 는, 그들이 헤테로다인 비트 (heterodyne beat) 를 나타내도록, 다시 말해서 연관된 광 주파수들 (f1 및 f2) 의 차 (f1-f2) 의 계수 (modulus) 가 마이크로파-주파수 도메인에서 주파수 (F) 와 동일하도록 존재한다 :

f1 = C/λ1

f2 = C/λ2

F = 대략 테라Hz 정도의 |f1 - f2|.

광파들은, 후자가 주파수 (F) 에서 파 (wave) 를 생성하는 것과 같은 방식으로 에바네센트 커플링 (evanescent coupling) 에 의해 포토-믹서 (11) 에 커플링된다.

포토다이오드 (100) 는 포토-믹서 (11) 에 커플링된, 나비 매듭 형상을 나타내고, 주파수 (F) 의 전자기 신호 (S) 를 공간으로 방사하는 금속 안테나 (12) 를 또한 포함한다.

포토-믹서 길이 (l₁₀) 는, 디바이스가 나타낼 것이고 그리고 주파수 (F) 에서 검출된 신호를 강하게 감쇠시킬 기생 용량 (parasitic capacitance) 을 제한할 필요가 있기 때문에 통상적으로 10 내지 20㎛ 이다. 더욱이, 길이연장 (lengthening) 은 흡수된 파워를 증가시키는 것을 가능하게 하지 않을 것이며, 광의 주된 부분은 컴포넌트의 처음 10 미크론들에서 흡수된다.

폭 (L₁₀) 은 광 파장들의 10배 (the order of magnitude) 이지만, 통상적으로는 많아야 2 내지 3 배 더 큰 것으로 치수화된다.

실제로, L₁₀ 은 컴포넌트가 30GHz 를 넘어서 정확히 동작할 정도로 여전히 작아야 한다. L₁₀ 이 너무 커지는 경우, 반도체 (포토-믹서 (11))/금속 (안테나 (12)) 계면 (interface) 에서의 신호의 전송은, 효과가 주파수 (F) 의 광생성된 신호 (S) 를 감쇠시키는 것인, 기생 용량들의 존재 (용량성 효과들 및 트랜싯 시간 효과들) 에 의해 저하된다.

L₁₀ 의 치수 제한은 방사될 수 있는 파워를 제한하는 결점을 갖는다.

더욱이, 컴포넌트 (100) 의 작은 치수 (dimension) 는 신호 (S) 의 RF 모드의 사이즈를 수용하기 위하여 안테나 (12) 의 이용을 강요한다.

종래 기술에 따른 제 2 솔루션은 도 2 에 예시한 바와 같이, 큰 사이즈의 포토다이오드의 형태로 큰 표면 영역의 에미터의 또는 2D 매트릭스로서 배열된 평면 포토다이오들의 통합에 기초하여, 마이크로파 주파수 (F) 의 신호 (S) 를 방출하는 것이 가능한 시스템 (200) 이다. 광파들 (O1 및 O2) 은 컴포넌트 (PM) 의 일측으로 직접 입사하고 그 컴포넌트는 반대측으로 주파수 (F) 의 신호를 방사한다.

이 솔루션은, 포토-믹서 (PM) 가 작은 두께의 층으로 이루어져, 광과 포토-믹서 사이의 상호작용 (interacting) 을 제한하기 때문에 커플링의 낮은 효율성을 나타낸다. 더욱이, 매트릭스의 각각의 포토-믹서를 폴라라이징하기 위해, 광과 포토-믹서들 사이의 상호작용의 영역을 감소시키는 불투명한 전극들을 제조할 필요가 있다. 신호들 (O1 및 O2) 을 형상화하기 위한 이산 광학 엘리먼트들을 가진 그의 구현은 시스템 (200) 을 부피가 큰 상태로 만든다. 더욱이, 이 시스템은 동일한 웨이퍼 상에, 증폭, 진폭의 또는 위상의 변조와 같은 광과 상호작용하는 다른 기능들을 통합하는 것을 가능하게 하지 않는다. 더욱이, 2D 매트릭스들은 효과적인 방식으로 포토-검출이 요망되는 구역들에서 조명을 로컬화하는 것을 가능하게 하지 않아, 생성된 고-주파수 파워/입사 광 파워 효율을 제한한다.

밀리미터파 범위에서 라디오 파의 스캔을 도입하고자 할 때, 현재의 솔루션들은 여러 결점들을 나타낸다. 이산 광학 컴포넌트들에 기초한 솔루션은 부피가 크고 방출된 신호는 강한 디버전스 (divergence) 를 나타낸다. 기계적 엘리먼트들에 기초한 대안의 솔루션은 또한 부피가 크고, 모든 시스템들과 호환되지 않는 모바일 엘리먼트를 포함한다.

본 발명의 목적은 전술한 결점들을 완화하고 특히 어떤 안테나 없이도 (고-주파수 신호로 또한 지칭되는) 마이크로파-주파수 신호를 생성 및 방사하는 것이 가능한 통합된 광전자 컴포넌트를 제조하는 것이다.

본 발명의 요지는 마이크로파 주파수로 지칭되는 30GHz 와 10THz 사이에 있는 주파수를 나타내는 전자기 신호를 생성 및 방사하기 위한 광전자 컴포넌트이고, 이는 :

- 상기 마이크로파 주파수와 동일한, 헤테로다인 비트로 지칭되는, 광 주파수 차를 나타내는 제 1 및 제 2 광파를 한정하여 평면 XY 에서 자유롭게 전파하도록 구성된 평면 가이드,

- 상기 평면 가이드로 상기 광파들을 주입하기 위한 시스템,

- 제 1 광파에 그리고 제 2 광파에 근거하여, 상기 마이크로파 주파수를 나타내는 신호를 생성하도록 상기 평면 가이드에 커플링된 포토-믹서로서,

상기 포토-믹서는, 축 Y 를 따라 신호의 파장의 반파장 이상인 큰 치수를 나타내는 가늘고 긴 형상 (elongated shape) 을 갖는, 상기 포토-믹서

를 포함하고,

- 상기 주입 시스템은, 상기 광파들이 상기 평면 가이드에서 오버랩핑하고 상기 신호의 파장의 반파장과 적어도 동일한 축 Y 를 따른 길이에 걸쳐 포토-믹서와 커플링되도록 구성되고, 포토-믹서는 따라서 상기 신호 (S) 를 방사하는 것이 가능하다.

유리하게는, 상기 평면 가이드는 2 개의 한정 층들 사이에 전파 층을 포함한다.

유리하게는, 포토-믹서는 한정 층 위에 퇴적되고 커플링은 에바네센트 파들에 의해 수행된다.

하나의 실시형태에 따르면, 평면 가이드는 1.5㎛ 에 가까운 파장을 각각 나타내는 광파들을 한정하도록 구성된다.

변형에 따르면, 평면 가이드는 상기 제 1 및 제 2 광파들을 증폭시키는 것이 가능한 증폭부를 포함한다.

변형에 따르면, 주입 시스템은, 주입된 광파들이 강한 디버전스를 나타내도록 구성된다.

유리하게는, 상기 주입 시스템은, 광파들을, 상기 파들이 그들 개별의 전파 방향들을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 한정하도록 구성된 적어도 하나의 소위 단차원적 (monodimensional) 가이드를 포함한다.

우선적으로, 단차원적 가이드는 스트립형 (strip-shaped) 한정 층을 포함하는 평면 가이드의 연장 (prolongation) 으로 이루어진다.

하나의 실시형태에 따르면, 주입 시스템은 적어도 하나의 광 파이버를 포함한다.

하나의 실시형태에 따르면, 주입 시스템은 단일의 주입 디바이스를 포함한다. 우선적으로, 상기 단일의 주입 디바이스는, 제 1 및 제 2 광파들을, 상기 파들이 축 Y 에 수직인 방향 X 와 실질적으로 동일한 전파 방향을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성된다.

다른 실시형태에 따르면, 상기 주입 시스템은, 제 1 광파를, 상기 제 1 파가 평면 XY 에 있는 제 1 전파 방향을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성된 제 1 주입 디바이스, 및 제 2 광파를, 상기 제 2 파가 평면 XY 에 있고 제 1 전파 방향과는 상이한 제 2 전파 방향을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성된 제 2 주입 디바이스를 포함한다.

유리하게는, 상기 제 1 및 제 2 주입 디바이스들의 단일의 하나는 상기 축 Y 에 수직인 전파 방향을 나타낸다.

하나의 실시형태에 따르면, 평면 가이드는 더욱이, 광파들 중 하나의 광 경로에 위치하고 상기 광파를 선정된 광 편차의 각도 (angle of optical deviation) 만큼 벗어나게 하는 것과 같은 방식으로 그 광파를 편향시키도록 구성된 적어도 하나의 디플렉터를 포함하여, 상기 포토-믹서에 의해 방사된 신호는 상기 광 편차의 각도에 의존한 편차의 각도에 따라 벗어나는 것이 가능하다.

우선적으로, 디플렉터는 전파 층의 부분의 굴절률을 수정하도록 구성된 전기-광학 변조기이고, 상기 부분은 평면 XY 에서 각주형 (prismatic shape) 을 나타낸다.

하나의 실시형태에 따르면, 상기 디플렉터는 복수의 독립적으로 제어된 이산 위상-시프터들을 포함하는 위상 변조기이다.

우선적으로, 각각의 이산 위상-시프터는 전파 층 (Cp) 의 부분의 굴절률을 수정하도록 구성된 전기-광학 변조기이다.

본 발명의 다른 특성들, 목적들 및 이점들은 다음에 오고 비제한적 예들에 의하여 주어진 첨부된 도면들에 관련한 상세한 설명을 읽을 때 명백해질 것이고 여기서 :
- 이미 언급한 도 1 은 종래 기술에 따른 마이크로파-주파수 신호를 생성하기 위한 유니터리 컴포넌트를 예시하며, 도 1a 는 투시도를 예시하고 도 1b 는 위에서 본 모습을 예시한다,
- 이미 언급한 도 2 는 종래 기술에 따른 마이크로파-주파수 신호를 생성하기 위한 2D 시스템을 예시한다,
- 도 3 은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트를 예시하며, 도 3 의 (a) 는 위에서 본 모습을 예시하고 도 3 의 (b) 는 측면 부분 (profile view) 을 예시한다,
- 도 4 는 예시적인 평면 가이드를 묘사한다,
- 도 5 는 증폭 기능을 통합하는 본 발명에 따른 컴포넌트의 제 1 변형을 묘사한다,
- 도 6 은 통합된 증폭기를 가진 본 발명에 따른 컴포넌트의 예시적인 평면 가이드를 예시한다,
- 도 7 은 단일의 주입 디바이스를 포함하는 본 발명에 따른 컴포넌트의 주입 시스템의 제 1 실시형태를 예시하며, 도 7 의 (a) 는 위에서 본 모습을 예시하고 도 7 의 (b) 는 측면 부분을 예시한다,
- 도 8 은 단면으로 보여진 평면 가이드의 연장에 의해 획득된 단일의 주입 디바이스를 예시한다,
- 도 9 는 각각의 광파 당 하나씩, 2 개의 주입 디바이스들을 포함하는 본 발명에 따른 컴포넌트의 주입 시스템의 제 2 실시형태를 예시하며, 도 9 의 (a) 는 위에서 본 모습을 예시하고 도 9 의 (b) 는 측면 부분을 예시한다,
- 도 10 은 광파를 주입하기 위한 디바이스가 광파가 축 y 에 수직으로 전파되도록 하는 본 발명에 따른 컴포넌트의 선호된 모드를 예시한다,
- 도 11 은 평면 가이드에서 광파의 편차 (deviation) 의 원리를 예시한다,
- 도 12 는 선호된 모드에 따른 그리고 마이크로파 주파수 파를 편향시키는 것이 가능한 본 발명에 따른 컴포넌트를 예시한다,
- 도 13 의 (a) 는 위에서 본 예시적인 연속 위상-시프터를 예시하고 도 13 의 (b) 는 단면으로 보여진 이 위상-시프터를 예시한다,
- 도 14 는 복수의 이산 위상-시프터들을 포함하는 위상 변조기를 예시한다,
- 도 15 는 예시적인 이산 전기-광학 위상-시프터를 예시한다,
- 도 16 은 위상 변조기의 도움으로 마이크로파 주파수 파를 편향시키는 것이 가능한 선호된 모드에 따른 본 발명에 따른 컴포넌트를 예시한다.

도 3 은 본 발명에 따른 광전자 컴포넌트 (30) 를 예시한다. 도 3 의 (a) 는 위에서 본 모습을 예시하고 도 3 의 (b) 는 측면 부분을 예시한다.

이 컴포넌트는 마이크로파 주파수로 지칭되는 30GHz 와 10THz 사이에 있는 주파수 (F) 를 나타내는 전자기 신호 (S) 를 생성 및 방사하는 것이 가능하다. 우선적으로, 방출된 마이크로파 주파수는 100GHz 와 2THz 사이에 있다.

이 주파수 스팬은 밀리미터 RF 주파수들 및 THz 주파수들을 커버한다.

컴포넌트 (30) 는 파장 (λ1) 의 그리고 광 주파수 (f1 = C/λ1) 의 제 1 광파 (O1) 및 파장 (λ2) 의 그리고 광 주파수 (f2 = C/λ2) 의 제 2 광파 (O2) 를 한정하여 평면 XY 에서 자유롭게 전파하도록 구성된 평면 가이드 (Gp) 를 포함하고, 이들 2 개의 파들은 마이크로파 주파수 (F) 와 동일한, 헤테로다인 비트로 지칭되는, 광 주파수 차 (f1-f2) 를 나타낸다.

|f1-f2| = F

광파들은 통상적으로 400nm 와 10㎛ 사이, 및 우선적으로 1.2㎛ 와 7㎛ 사이의 파장을 나타낸다.

파장들 λ1 및 λ2 는 매우 가깝다. 예를 들면, F=1THz 및 λ1=1.50㎛ 의 경우, λ2=1.508㎛ 를 갖는다.

컴포넌트 (30) 는 또한, 평면 가이드 (Gp) 로 광파들 (O1, O2) 을 주입하기 위한 주입 시스템 (Si) 을 포함한다. 본 발명과 호환되는 다양한 주입 구성들은 더 자세히 설명된다.

마지막으로, 컴포넌트 (30) 는 또한, 제 1 광파 (O1) 에 그리고 제 2 광파 (O2) 에 근거하여, 마이크로파 주파수 (F) 를 나타내는 신호 (S) 를 생성하도록 평면 가이드 (Gp) 에 커플링된 포토-믹서 (PM) 를 포함한다.

본 발명에 따른 포토-믹서 (PM) 는, 축 Y 를 따라 λ_F/2 이상인 큰 치수 (L) 를 나타내는 가늘고 긴 형상을 갖고, 여기서 λ_F 는 주파수 (F) 의 신호 (S) 의 파장이다 :

L≥λ_F/2 여기서 λ_F = C/F

더욱이, 주입 시스템 (Si) 은 광파들 (O1 및 O2) 이 평면 가이드 (Gp) 에서 오버랩핑하고 신호 (S) 의 파장 (λ_F) 의 반파장과 적어도 동일한 축 Y 를 따른 길이에 걸쳐 포토-믹서 (PM) 와 커플링되도록 구성된다.

빔의 디버전스는, 빔이 가우스 타입인 것으로 가정되면, 방사 엘리먼트의 치수가 λ_F /2 인 경우 150°일 총 각도로 일어난다. 방사 엘리먼트의 치수가 여전히 더 작다면, 에미터의 방향성은 매우 저하될 것이고 방출된 빔을 효과적으로 이용하는 것이 가능하지 않을 것이다. 따라서, 허용가능한 디버전스를 가진 주파수 (F) 에서의 방사는 λ_F /2 와 적어도 동일한 치수의 방사 엘리먼트를 요구한다.

포토-믹서 (PM) 의 레벨 및 Y 를 따른 그의 가늘고 긴 형상에서 적어도 λ_F /2 의 거리에 걸친 파들의 오버랩핑은 따라서 추가적인 안테나를 요구하지 않고도, Y 에 실질적으로 수직인 전파 방향 X 로 공간에서 신호 (S) 를 방사하는 것을 가능하게 만든다. 가늘고 긴 포토-믹서 (PM) 는, 일측에서 평면 가이드 (Gp) 로 전파되는 광을 수광하고 타측에서 포토-믹싱으로부터 발생하는 신호 (S) 를 재방출한다.

포토-믹서 (PM) 의 큰 치수 (L) 는 평면 XY 에서 거의 디버전스하지 않는 방사를 허용한다. 더욱이, 도 1 에서 설명한 바와 같은 유니터리 포토다이오드의 포토-믹서의 사이즈에 대한 PM 의 사이즈의 증가는, 또한 전체 치수 (L) 에 걸쳐 파워를 분포하고 따라서 파괴 없이 커플링될 수 있는 광 파워를 증가시키는 것을 가능하게 하여, 더 파워풀한 신호 (S) 가 방사되는 것을 야기한다.

작은 치수 (

) 는 예를 들어, 도 1 의 유니터리 포토다이오드의 치수 (l₁₀) 와 동일한 정도의 크기이다.

포토-믹싱에 의해 방사된 신호는 주파수 범위 [30GHz, 10THz], 우선적으로 [100GHz, 2THz] 에 있는 주파수 (F) 를 나타낸다. 예를 들어, 후자의 대역에 대한 대응하는 파장들 (λ_F) 은 GaAs 또는 GaInAsP 포토-믹서 재료에서, 40㎛ 와 900㎛ 사이에 있다.

가늘고 긴 포토-믹서 (PM) 와의 광파들의 커플링이 평면 가이드 (Gp) 를 통해 달성된다는 사실은 고효율의 통합된 구조를 컴포넌트 (30) 에 주어, 그것을 매우 콤팩트하게 만들고, 평면 가이드 (Gp) 가 컴포넌트에서 전파되는 광의 프로세싱을 허용하는 것에 대해 더 자세히 설명한 추가적인 기능들로 보충되는 것을 허용한다.

우선적으로, 평면 가이드 (Gp) 는 도 4 에 예시한 바와 같이, 2 개의 한정 층들 (Cf1, Cf2) 사이에 전파 층 (Cp) 을 포함한다.

예시적인 예에 의하여, 평면 가이드 (Gp) 는 InP 상의 GaInAsP 에 기초하여 잘 알려진 DFB 또는 DBR 소스들의 도움으로 획득되는, 1.5㎛ 에 가까운 파장을 각각 나타내는 광파들을 한정하도록 구성된다.

전파 층 (Cp) 은 GaInAsP 층을 포함하고 각각의 한정 층 (Cf1, Cf2) 은 InP 층을 포함한다.

우선적으로, 포토-믹서 (PM) 는 한정 층 위에 퇴적되고 커플링은 에바네센트 파들을 통해 수행된다.

다른 변형에 따르면, 커플링은 "단-대-단 (end-to-end)" 타입이고, 포토-믹서 (PM) 는 전파 층에 직접 대면하여 배치된다. 이전의 예시적인 예에 대해, 통상적으로 포토-믹서는 GaInAsP 를 포함한다.

제 1 변형에 따르면, 컴포넌트 (30) 의 구조의 통합된 캐릭터는 도 5 (도 5a 는 위에서 본 모습을 나타내고 도 5b 는 측면 부분을 나타낸다) 에 예시한 바와 같이, 평면 가이드 내부에 증폭 기능의 추가를 허용한다. 예를 들어, 평면 가이드 (Gp) 는 전파 층 (Cp) 에 제조되고 광파들 (O1 및 O2) 을 증폭시키는 것이 가능한 증폭부 (CA) 를 포함한다. 따라서, 이용가능한 광 파워는 증폭부 (CA) 에 의해 증가되고, 이로써 컴포넌트 (30) 가 마찬가지로 증가된 마이크로파-주파수 파워를 나타내는 신호 (S) 를 생성 및 방사하는 것을 가능하게 한다.

이전의 예시적인 예에 대해, 증폭 층 (CA) 은 우선적으로, 도 6 에 예시한 바와 같이, GaInAsP 양자 우물들 (QW) 을 포함하는 GaInAsP 층을 포함한다.

단일의 또는 여러 양자 우물들이 존재할 수도 있다. 그들은 GaInAsP 로 만들어진 배리어들 및 GaInAsP 로 또한 만들어진 우물들로 이루어진다. 배리어들의 컴포지션과 우물들의 컴포지션은 전류가 인가될 때 광의 생성을 허용하는 전위 우물을 생성하도록 다르다.

이제 주입 시스템 (Si) 의 구성들의 비제한적 예들을 제공할 것이다.

포토-믹서 (PM) 의 레벨에서 충분한 치수를 나타내는 광파들 (O1 및 O2) 을 생성하기 위하여, 일 변형은, 주입된 광파들이 강한 디버전스를 나타내도록 주입 시스템 (Si) 이 구성되는 것이다.

예를 들어, 거의 포인트 소스들인, 매우 작은 치수의 2 개의 의사 소스들을 형성하는 집중된 빔들은 Gp 에서 커플링된다.

도 7 에 예시된 제 1 실시형태에 따르면, 주입 시스템 (Si) 은 2 개의 파들 (O1 및 O2) 에 공통인 단일의 주입 디바이스 (Di0) 를 포함한다. 도 7 의 (a) 는 위에서 본 모습을 나타내고 도 7 의 (b) 는 측면 부분을 나타낸다. 파들 (O1 및 O2) 은 그때 공선형 (colinear) 이고, 이로써 단순화된 컴포넌트에서 최적의 오버랩핑 및 컬미네이팅 (culminating) 을 보장한다.

우선적으로, 단일의 주입 디바이스 (Di0) 는, 광파들 (O1, O2) 을, 그들이 축 Y 에 수직인 방향 X 와 실질적으로 동일한 전파 방향으로 평면 가이드에서 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성된다. 이 구성은 그것이 O1 및 O2 를 주입하기 위해 단일의 광학 커플링의 구현을 요구하기 때문에 상대적으로 단순하다.

도 7 에 또한 예시된, Gp 에서 강한 디버전스를 가진 파들 (O1 및 O2) 을 획득하기 위한 제 1 변형은, 주입 디바이스 (Di0) 가 광파들 (O1, O2) 을, 이들 파들이 평면 XY 에 있는 그들의 공통 전파 방향 (X0) 을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 한정하도록 구성된 소위 단차원적 가이드 (Guni0) 를 포함하는 것이다. 단차원적 가이드에서 한정된 각각의 파는 전파 구역의 확장 (widening) 때문에, 그 파가 평면 가이드에 침투할 때 강하게 그의 디버전스 증가를 알게 될 것이다. 각각의 파는 따라서 단차원적 가이드의 방향과 동일한 방향 (X0) 기준으로 평면 XY 에서 "자유롭게" 전파된다.

최적의 구성은 Y 에 수직이고 PM 의 중간을 통과하는 축 (X0) 을 따른 가이드 (Guni) 이다.

우선적으로, 단차원적 가이드 (Guni0) 는 광이 도달하고 스트립형 한정 층을 포함하는 측에 평면 가이드 (Gp) 의 연장으로 이루어진다. 전파 층 (Cp) 에서 전파되는 광파들은 그때, 도 8 에 예시한 바와 같이 스트립의 방향을 따라 한정된다.

가이드 (Guni0) 는 축 x 를 따라 스트립을 형성하도록, Cf1 을 형성하는데 이용되는 재료를 로컬로 제거하는 것에 의해 획득될 수 있다. Cp 에 대해 이용되는 재료의 굴절률이 Cf1 및 Cf2 에 대해 이용되는 재료의 굴절률들보다 더 크다는 것을 알면, 광파들 (O1 및 O2) 은 단일-모드 도파관을 형성하도록 축 y 를 따라 한정된다.

Gp 에서 강한 디버전스를 가진 파들 (O1 및 O2) 을 획득하기 위한 제 2 변형은 평면 가이드 (Gp) 에 커플링된 끝 부분에서 종단하는 단일의 파이버를 포함하는 주입 디바이스 (Di0) 이다.

도 9 에 예시된 제 2 실시형태에 따르면, 주입 시스템 (Si) 은, 제 1 광파 (O1) 를, 그것이 평면 XY 에 있는 제 1 전파 방향 (X1) 을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성된 제 1 주입 디바이스 (Di1), 및 제 2 광파 (O2) 를, 그것이 평면 XY 에 있고 제 1 전파 방향 (X1) 과는 상이한 제 2 전파 방향 (X2) 을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성된 제 2 주입 디바이스 (Di2) 를 포함한다. 도 9 의 (a) 는 위에서 본 모습을 나타내고 도 9 의 (b) 는 측면 부분을 나타낸다.

방향 (X1) 은 축 x 에 대하여 세타1 의 각도를 나타낸다. 방향 (X2) 은 축 x 에 대하여 각도 세타2 를 나타낸다.

신호 (S) 는 그러면 신호 (S) 의 전파 방향 (Xs) 과 평면 xy 에서의 축 x 사이의 각도에 대응하는 각도 (θs) 에 따라 생성된다.

이 구성에서, θs 는 다음의 관계로부터 추론된다 :

θs =sin^-1{λ_F *[(sin(세타1)/ λ₁)+(sin(세타2)/λ₂)] }

이 구성은 이 경우에 더 이상 공선형이 아닌 2 개의 파들 (O1 및 O2) 의 독립적인 프로세싱을 허용한다. 광파들의 디버전스 및 전파 축들 (X1 및 X2) 은 파들 (O1 및 O2) 이 포토-믹서 (PM) 의 레벨에서 λ_F /2 이상인 치수에 걸쳐 오버랩핑하도록 구성된다.

도 10 에 예시한 바와 같은 선호된 모드에 따르면, 디바이스들의 단일의 디바이스, 예를 들어 제 1 디바이스 (Di1) 는, 파 (O1) 가 축 y 에 실질적으로 수직인 전파 방향 (X1) (세타1 ~ 0°) 을 뒤따르는 것과 같은 방식으로 배치되고 제 2 주입 디바이스 (Di2) 는 파 (O2) 가 방향 (X2) 을 뒤따르는 것과 같은 방식으로 배치된다.

이 구성에서, θs 는 다음의 관계로부터 추론된다 :

θs =sin^-1{[λ_F /λ₂]*sin(세타2)}

예를 들어, 각도 세타1=0° 및 세타2=0.2°를 가진 1.5㎛ 의 파장 λ₂ 에서의 광 신호 (O2) 와 함께 파장 λ_F =C/F=300㎛ 를 갖는 1THz 신호 (S) 에 대해, 각도 (θs) 는 44°와 같다.

매우 작은 차 (세타1-세타2) 는 마이크로파-주파수 신호의 상당한 편차가 생기게 한다는 것에 유념한다.

단차원적 가이드를 가진 변형에 대해, 각각의 주입 디바이스 (Di1 및 Di2) 는 방향들 (X1, X2) 을 따라 배향된 가이드 (Guni1, Guni2) 를 각각 포함한다. 파 (O1) 는 Guni1 을 통해 주입되고 파 (O2) 는 Guni2 를 통해 주입된다.

광 파이버들을 가진 변형에 대해, 제 1 주입 디바이스 (Di1) 는 제 1 광 파이버를 포함하고 제 2 주입 디바이스 (Di2) 는 제 2 광 파이버를 포함한다. 파 (O1) 는 제 1 파이버를 통해 주입되고 파 (O2) 는 제 2 파이버를 통해 주입된다.

제 2 변형에 따르면, 컴포넌트 (30) 의 구조의 통합된 캐릭터는 공간 위상 시프팅에 의해 적어도 하나의 광파의 편차의 기능의 추가를 허용한다.

위상 시프팅에 의해 평면 가이드에서 전파되는 강한 디버전스를 가진 파 (O) 의 편차의 원리는 도 11 에 예시된다. 디플렉터 (Mph) 는 공지된 원리에 따라, 파 (O) 의 전파 방향의 선정된 각도 (

) 만큼의 편차를 가져오도록, 공간적으로, 연속적으로 또는 이산적으로 광 위상 시프트를 가변시키도록 구성된다.

디플렉터는 예를 들어, 전기 제어 (C) 의 도움으로 제어된다.

이 기능은 도 10 에 예시된 선호된 구성에서 도 12 에 예시한 바와 같은 본 발명에 따른 컴포넌트 (30) 에 적용된다.

이 실시형태에서, 본 발명에 따른 컴포넌트 (30) 의 평면 가이드 (Gp) 는 더욱이, 넌-제로 각도 (세타2) 에 따라 전파 방향을 나타내는 광파 (O2) 의 광 경로에 예를 들어 위치하고, 및 제 2 광파 (O2) 를 선정된 광 편차의 각도 (

2) 만큼 초기 전파 방향 (세타2) 에 대하여 벗어나게 하는 것과 같은 방식으로 그 제 2 광파 (O2) 를 편향시키도록 구성된 디플렉터 (M_Ph) 를 포함한다. 포토-믹서 (PM) 의 레벨에서, 전파 방향의 이 변동 (

2) 은, 각도 (θs) 를 이루는 방사 방향 (Xs) (다시 말해서 최대 방사된 에너지의 대응하는 포인팅의 방향) 이 또한 광 편차의 각도 (

2) 에 의존한 편차의 각도 (θ-θs) 만큼 벗어나는, 마이크로파-주파수 신호 (S) 의 방사의 레벨에서 에코된다. 이 구성에서, 마이크로파 주파수 파가 축 x 와 만들어 내는 각도 (θ) 는 다음의 관계로부터 추론된다 :

θ =sin^-1{λ_F *[ (sin(세타2+

2)/λ₂) }

따라서, 일탈 시에 (on departure) 마이크로파 주파수 파 (S) 는 각도 (θ) 로 수정되는 각도 (θs) 를 나타낸다.

예를 들어, 파장 λ_F=C/F=300㎛ 를 갖고 각도 세타1=0°및 세타2=0.2°를 가진 1.5㎛ 의 파장 λ₂ 에서의 광 신호 (O2) 로 획득된 1THz 신호 (S) 에 대해, 각도 (θs) 는 44°와 같을 것이다.

디플렉터 (M_Ph) 로 달성된 0.05 의 신호 (O2) 의 편향에 대해, 각도 (θ) 는 61°이다. 신호 (S) 는 따라서 17°만큼 편향된다.

포토-믹서의 가늘고 긴 지오메트리로 인해, 벗어난 신호 (S) 는 평면 XY 에서 약한 디버전스를 보존한다.

2 의 값을 수정하는 것을 가능하게 하는 제어가능한 디플렉터로 인해, 신호 (S) 의 각을 이룬 스캔을 수행하는 것이 가능하다.

예시적인 전기-광학 디플렉터 (M_ph) 는 GaInAsP 로 만들어진 전파 층 (Cp) 및 InP 로 만들어진 2 개의 한정 층들 (Cf1, Cf2) 을 포함하는 평면 가이드에 대해 도 13 의 (a) (위에서 본 모습) 및 도 13 의 (b) (단면도) 에 예시된다.

층 (Cf1) 위에 배치된 금속성 층 (M1) 은 M_ph 의 범위를 정한다. 금속성 층 (M) 아래의 층 (Cf1) 의 구역은 p-도핑되는 한편, 전파 층 (Cp) 의 타측의 층 (Cf2) 의 구역은 n-도핑된다. 다른 금속성 층 (M2) 은 층 (Cf2) 과 접촉하여 배치된다. 층 (Cf2) 의 전기적 연속성은 M1 과 M2 사이에 전류를 주입하는 것을 가능하게 한다.

따라서, 금속성 층 아래에 로컬화된 구역에서 전파 층으로 전류 (I) 를 주입하는 것이 가능하고, 그 효과는 I 의 값의 함수로서 굴절률을 로컬로 수정하는 것이다. 어떤 전류도 인가되지 않으면, 광 신호 (O) 에 의해 보여진 굴절률은 M_ph 를 둘러싸는 구역과 M_ph 내부의 구역에서 동일하다. 빔 (O) 은 그때 M_ph 를 벗어나지 않는다. 전류 (I) 가 인가되면, 광 신호 (O) 에 의해 보여진 굴절률은 M_ph 를 둘러싸는 구역에 있어서 M_ph 내부의 구역과 상이하다.

디플렉터 (M_ph) 는 따라서 전파 층 (Cp) 의 부분의 굴절률을 수정하도록 구성된 전기-광학 변조기이다. 부분이 평면 XY 에서 각주형을 나타낼 때, 그리고 외부보다 전파 층에서 M_Ph 내부의 인덱스가 더 높은 경우, 광파 (O) 는, 프레넬 (Fresnel) 법칙 때문에, 프리즘의 경우에서와 동일한 방식으로 벗어난다.

제 2 예에 따르면, 디플렉터는 복수의 i 독립적으로 제어된 이산 위상-시프터들 (D_ph(1), ... D_ph(n)) 을 포함하는 위상 변조기 (M_ph) 이다. 이 이산 위상-시프터의 원리는 광파 (O) 에 대해 도 14 에 예시된다.

평면 가이드의 "자유" 전파의 제 1 구역에서 전파된, 광파는, n 개의 채널들에 걸쳐 분포된다. 채널 당 일 광 위상-시프터 (D_ph(i)) 는 다른 채널들에 독립적으로 채널 i 의 광 위상 시프트를 가변시킨다. 채널들로부터 발생하는 파들은 그 후 평면 가이드 (Gp) 에서 제 2 "자유" 전파 구역에서 전파된다. 이 제 2 구역에서, 방향이 위상-시프터들에 의하여 인가된 위상 시프트들에 의존하는 파면이 형성된다. 광파의 동위상면 (phase front) 은 따라서 위상-시프터를 통해 제어된다. 결정된 위상 법칙에 대해, 입사 파면에 대한 파면의 글로벌 편차가 획득된다.

위상-시프터는 예를 들어, 전기-광학 방식으로 동작하고, 다시 말해서, 전기 제어 신호가 예를 들어 전파 층의 부분을 포함하는 채널에서의 굴절률을 수정한다.

전기-광학 위상-시프터 (D_ph(i)) 는 GaInAsP 로 만들어진 전파 층 (Cp) 및 InP 로 만들어진 2 개의 한정 층들 (Cf1, Cf2) 을 포함하는 평면 가이드에 대해 도 15 에 예시된다. 그것은 도 13 의 (b) 의 위상-시프터와 동일한 방식으로 동작한다. 금속성 층 (M1) 은 층 (Cf1) 위에 퇴적된다. 금속성 층 (M) 아래의 층 (Cf1) 의 구역은 p-도핑되는 한편, 전파 층 (Cp) 의 타측의 층 (Cf2) 의 구역은 n-도핑된다. 다른 금속성 층 (M2) 은 층 (Cf2) 과 접촉하여 배치된다. 층 (Cf2) 의 전기적 연속성은 M1 과 M2 사이에 전류를 주입하는 것을 가능하게 한다. 전파 층으로 전류 (I) 를 주입하는 효과는 I 의 값의 함수로서 굴절률을 로컬로 수정하는 것이다.

디플렉터에 더하여, 광 파워를 수정하도록 전기적으로 전력공급된 광 증폭기들을 통합하는 것이 물론 가능하다.

광 증폭기들은 예를 들어, 각각의 채널에 포지셔닝되어, 광 파워가 다양한 채널들 사이에서 균일하게 되는 것을 가능하게 한다.

도 16 은 평면 가이드 (Gp) 가 여기서 O1 인, 넌-제로 각도 세타1 을 나타내는 파의 광 경로에 대해 위에 설명한 것과 같은 전기-광학 위상 변조기 (M_Ph) 를 포함하는 본 발명에 따른 컴포넌트를 예시한다.

포토-믹서 (PM) 에 의해 방사된 신호 (S) 는 세타1, 세타2 및

2 에 의존한 편차의 각도 (θ) 에 따라 벗어나는 것이 가능하다 (다시 말해서 최대 방사된 에너지의 대응하는 포인팅의 방향). 초기 각도 (θs) 에 대한 편차는 (θ-θs) 이다.

따라서, 본 발명에 따른 컴포넌트 (30) 의 통합된 캐릭터는 증폭 및 스캐닝 기능들의 구현을 용이하게 하도록 포토-믹서 (PM) 의 길이연장으로부터 이익을 얻는 것을 가능하게 하여, 고-주파수 (F) 신호 (S) 의 각을 이룬 스캔을 수행하는 광자 통합된 회로를 형성한다.

Claims (17)

1. 마이크로파 주파수로 지칭되는 30GHz 와 10THz 사이에 있는 주파수 (F) 를 나타내는 전자기 신호 (S) 를 생성 및 방사하기 위한 광전자 컴포넌트 (30) 로서,
   - 상기 마이크로파 주파수 (F) 와 동일한, 헤테로다인 비트로 지칭되는, 광 주파수 차를 나타내는 제 1 광파 (O1) 및 제 2 광파 (O2) 를 한정하여 평면 XY 에서 자유롭게 전파하도록 구성된 평면 가이드 (Gp),
   - 상기 평면 가이드 (Gp) 로 광파들 (O1, O2) 을 주입하기 위한 주입 시스템 (Si),
   - 상기 제 1 광파 (O1) 에 그리고 상기 제 2 광파 (O2) 에 근거하여, 상기 마이크로파 주파수 (F) 를 나타내는 신호 (S) 를 생성하도록 상기 평면 가이드 (Gp) 에 커플링된 포토-믹서 (PM) 로서,
   상기 포토-믹서 (PM) 는, 축 Y 를 따라 상기 신호 (S) 의 파장 (λ_F) 의 반파장 이상인 큰 치수 (L) 를 나타내는 가늘고 긴 형상을 갖는, 상기 포토-믹서 (PM)
   를 포함하고,
   - 상기 주입 시스템 (Si) 은, 상기 광파들이 상기 평면 가이드에서 오버랩핑하고 상기 신호 (S) 의 상기 파장 (λ_F) 의 반파장과 적어도 동일한 상기 축 Y 를 따른 길이에 걸쳐 상기 포토-믹서 (PM) 와 커플링되도록 구성되고, 상기 포토-믹서는 따라서 상기 신호 (S) 를 방사하는 것이 가능한, 광전자 컴포넌트.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 평면 가이드 (Gp) 는 2 개의 한정 층 (confinement layer) 들 (Cf1, Cf2) 사이에 전파 층 (Cp) 을 포함하는, 광전자 컴포넌트.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 포토-믹서 (PM) 는 한정 층 위에 퇴적되고 상기 커플링은 에바네센트 파들에 의해 수행되는, 광전자 컴포넌트.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 평면 가이드 (Gp) 는 1.5㎛ 에 가까운 파장을 각각 나타내는 광파들을 한정하도록 구성되는, 광전자 컴포넌트.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 평면 가이드 (Gp) 는 상기 제 1 광파 (O1) 및 상기 제 2 광파 (O2) 를 증폭시키는 것이 가능한 증폭부 (CA) 를 포함하는, 광전자 컴포넌트.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주입 시스템 (Si) 은, 주입된 상기 광파들 (O1, O2) 이 강한 디버전스 (divergence) 를 나타내도록 구성되는, 광전자 컴포넌트.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주입 시스템 (Si) 은, 상기 광파들 (O1, O2) 을, 상기 광파들이 그들 개별의 전파 방향들 (X, X1, X2) 을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 한정하도록 구성된 적어도 하나의 소위 단차원적 가이드 (monodimensional guide) (Guni0, Guni1, Guni2) 를 포함하는, 광전자 컴포넌트.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 단차원적 가이드는 스트립형 한정 층을 포함하는 상기 평면 가이드의 연장 (prolongation) 으로 이루어지는, 광전자 컴포넌트.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주입 시스템 (Si) 은 적어도 하나의 광 파이버를 포함하는, 광전자 컴포넌트.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입 시스템 (Si) 은 단일의 주입 디바이스 (Di0) 를 포함하는, 광전자 컴포넌트.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 단일의 주입 디바이스 (Di0) 는, 상기 제 1 광파 (O1) 및 상기 제 2 광파 (O2) 를, 상기 광파들이 상기 축 Y 에 수직인 방향 X 와 실질적으로 동일한 전파 방향을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성되는, 광전자 컴포넌트.
12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입 시스템 (Si) 은, 상기 제 1 광파 (O1) 를, 상기 제 1 광파가 상기 평면 XY 에 있는 제 1 전파 방향 (X1) 을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성된 제 1 주입 디바이스 (Di1), 및 상기 제 2 광파 (O2) 를, 상기 제 2 광파가 상기 평면 XY 에 있고 상기 제 1 전파 방향 (X1) 과는 상이한 제 2 전파 방향 (X2) 을 따라 전파되는 것과 같은 방식으로 주입하도록 구성된 제 2 주입 디바이스 (Di2) 를 포함하는, 광전자 컴포넌트.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 주입 디바이스 (Di1) 및 상기 제 2 주입 디바이스 (Di2) 중 단일의 하나는 상기 축 Y 에 수직인 전파 방향을 나타내는, 광전자 컴포넌트.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 평면 가이드 (Gp) 는 더욱이, 상기 광파들 중 하나의 광파 (O2) 의 광 경로에 위치하고 상기 광파 (O2) 를 선정된 광 편차의 각도 (

    

    2) 만큼 벗어나게 하는 것과 같은 방식으로 상기 광파 (O2) 를 편향시키도록 구성된 적어도 하나의 디플렉터 (M_Ph) 를 포함하여,
    상기 포토-믹서 (PM) 에 의해 방사된 상기 신호 (S) 는 상기 광 편차의 각도 (

    

    2) 에 의존한 편차의 각도 (θ-θs) 에 따라 벗어나는 것이 가능한, 광전자 컴포넌트.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 디플렉터 (M_Ph) 는 전파 층 (Cp) 의 부분의 굴절률을 수정하도록 구성된 전기-광학 변조기이고, 상기 부분은 상기 평면 XY 에서 각주형 (prismatic shape) 을 나타내는, 광전자 컴포넌트.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 디플렉터는 복수의 독립적으로 제어된 이산 위상-시프터들 (D_ph(1), ... D_ph(n)) 을 포함하는 위상 변조기 (M_ph) 인, 광전자 컴포넌트.
17. 제 16 항에 있어서,
    각각의 이산 위상-시프터는 전파 층 (Cp) 의 부분의 굴절률을 수정하도록 구성된 전기-광학 변조기인, 광전자 컴포넌트.

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