KR19990012392A - Integrated optical switch - Google Patents

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KR19990012392A KR1019970035766A KR19970035766A KR19990012392A KR 19990012392 A KR19990012392 A KR 19990012392A KR 1019970035766 A KR1019970035766 A KR 1019970035766A KR 19970035766 A KR19970035766 A KR 19970035766A KR 19990012392 A KR19990012392 A KR 19990012392A
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송형승
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윤종용
삼성전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 집적광학 광스위치에 관한 것으로, 집적광학 광스위치는 소정의 재질로 된 기판에 형성된 입력 도파로; 입력 도파로에 연결되고 빛이 도파되는 방향에 대해 스넬의 법칙을 만족하는 소정의 입사각을 갖도록 형성된 굴절영역; 굴절영역 위에 형성된 전극; 및 전극의 전압에 따른 굴절영역의 굴절률 변화에 의해 스위칭되어 상기 입력 도파로의 입사광을 도파시키는 적어도 둘 이상의 출력 도파로로 이루어진다.The present invention relates to an integrated optical optical switch, the integrated optical optical switch comprises: an input waveguide formed on a substrate of a predetermined material; A refractive region connected to the input waveguide and formed to have a predetermined angle of incidence satisfying Snell's law with respect to the direction in which light is guided; An electrode formed on the refractive region; And at least two output waveguides that are switched by a change in the refractive index of the refractive region according to the voltage of the electrode to guide the incident light to the input waveguide.

본 발명에 의하면, 종래의 광스위치와 비교하여 구조가 간단하므로 소자제작 및 정렬이 용이하다. 또한 설계시 스넬의 법칙을 이용하여 인가되는 전계의 세기에 따른 굴절률의 변화만 알고있으면 쉽게 설계할 수 있으며, 제작공정이 쉽고 공정의 오차 허용범위가 높아서 소자의 생산 수율을 높일 수 있다.According to the present invention, since the structure is simple compared to the conventional optical switch, device fabrication and alignment are easy. In addition, Snell's law can be used to design easily by knowing only the change in refractive index according to the applied electric field. Also, the manufacturing process is easy and the tolerance of the process is high.

Description

집적광학 광스위치Integrated optical switch

본 발명은 광스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스넬의 법칙(Snell's law)을 이용한 집적광학 광스위치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical switch, and more particularly, to an integrated optical optical switch using Snell's law.

일반적으로 집적광학(Integrated Optics)이란 광도파로를 기반으로하는 여러가지 광소자를 한 기판내에 제작하는 기술을 말한다. 집적광학을 이용하면 광소자간의 정렬이 매우 용이하고 좁은 영역에 많은 기능소자를 제작할 수 있기때문에 제작비용을 줄일 수 있다. 또한, 광도파로 근처에서 전극을 제작하여 광도파로 영역에만 전계를 집중시키므로써 낮은 구동전압으로 광파의 흐름을 제어할 수 있다. 집적광학의 기판 재료로는 실리카(silica), 강유전체, 반도체, 폴리머(polymer) 등이 사용된다.In general, integrated optics refers to a technology for fabricating various optical devices based on an optical waveguide in one substrate. Integrated optics can reduce the manufacturing cost because the alignment between the optical elements is very easy and many functional devices can be manufactured in a narrow area. In addition, an electrode is manufactured near the optical waveguide to concentrate the electric field only in the optical waveguide region, thereby controlling the flow of the optical wave with a low driving voltage. As an integrated optical substrate material, silica, ferroelectrics, semiconductors, polymers, and the like are used.

이러한 집적광학 기판재료중 광스위치 제작에는 전계를 가하여 굴절률을 변화시키는 전기광학효과(electrooptic effect)나 온도변화를 주어 굴절률을 변화시키는 열광학효과(thermooptic effect)를 가진 기판이 사용된다. 광스위치는 광신호의 경로(route)를 전환시키는 장치이므로, 이러한 전기광학효과나 열광학효과가 없는 재료는 사용되지 않는다. 대표적인 강유전체 재료로는 리튬나오베이트(LiNbO3)가 있다. 실리카는 열광학 재료로 쓰인다. 폴리머는 종류에 따라 전기광학 폴리머와 열광학 폴리머 또는 두 효과를 다 포함하는 폴리머가 있다.Among the integrated optical substrate materials, a substrate having an electrooptic effect of changing an index by applying an electric field or a thermooptic effect of changing a refractive index by changing a temperature is used for fabricating an optical switch. Since the optical switch is a device for switching the route of the optical signal, a material without such an electro-optic or thermo-optic effect is not used. Representative ferroelectric materials include lithium naobate (LiNbO 3 ). Silica is used as a thermo-optic material. There are two types of polymers, electro-optic polymers and thermo-optic polymers, or polymers containing both effects.

도 1a는 종래의 1x2 광스위치의 도파로에 대한 평면도로서, 도 1에 따른 광스위치 도파로는 하나의 입력 도파로(100)가 분기점(102)에서 분기되어 두 개의 도파로(104, 106)로 형성된다.FIG. 1A is a plan view of a waveguide of a conventional 1x2 optical switch. The optical switch waveguide according to FIG. 1 is formed by two input waveguides 104 and 106 with one input waveguide 100 branched at a branch point 102.

도 1b는 도 1a에서 분기된 두 개의 도파로위에 전극(112, 114)이 형성된 도면으로서, 도 1b에 따른 광스위치는 두 전극(112, 114)에 전계가 인가되지 않으면 분기점(102)에서 파워가 반으로 나뉜 두 개의 광신호가 각각 출력도파로(104, 106)로 출력된다. 그러나, 전극에 전압 V1, V2가 인가될 경우, 기판재료가 열광학 효과를 갖는 재료라면, 이로 인한 전계가 전극 자체에 열을 발생시켜 전극이 히터(heater)로 작용하게되어서 각 도파로의 굴절률이 변한다. 이렇게 변하는 굴절율을 이용하여 한 쪽 도파로의 굴절률을 높이면 진행중인 빛은 굴절률이 높은 도파로로 진행하게 된다. 그러므로 인가 전계의 세기를 잘 조절하여 그에 따른 열광학효과로 각 도파로의 굴절율을 조절하면 빛은 104 또는 106의 도파로로 출력되어 광스위치 역할을 하게 된다.FIG. 1B is a view in which electrodes 112 and 114 are formed on two waveguides branched from FIG. 1A. In the optical switch according to FIG. 1B, when an electric field is not applied to the two electrodes 112 and 114, power is applied at the branch point 102. Two optical signals divided in half are output to the output waveguides 104 and 106, respectively. However, when the voltages V 1 and V 2 are applied to the electrodes, if the substrate material is a material having a thermo-optic effect, the resulting electric field generates heat to the electrodes themselves, causing the electrodes to act as heaters and thus the The refractive index changes. When the refractive index of one waveguide is increased by using the variable refractive index, the light in progress proceeds to the waveguide having a high refractive index. Therefore, if the intensity of the applied electric field is well adjusted and the refractive index of each waveguide is adjusted by the thermooptic effect, the light is output to the waveguide of 104 or 106 to act as an optical switch.

도 1c는 도 1b에 도시된 1x2 광스위치를 1x4 광스위치로 확장한 것으로, 도 1c에 따른 1x4 광스위치는 도 1b의 입력도파로(100), 제1분기점(102), 제1 및 제2전극(112, 114)으로 이루어지는 1x2 광스위치에서 각 도파로를 제2 및 제3분기점(120, 122)에서 분기시키고, 분기된 각 도파로(132, 134, 136 및 138) 위에 각 전극(124, 126, 128 및 130)을 형성하여 전계를 차등적으로 인가하므로써 굴절률이 조절되는 광스위치이다.FIG. 1C is an extension of the 1x2 optical switch shown in FIG. 1B to a 1x4 optical switch. The 1x4 optical switch according to FIG. 1C includes the input waveguide 100, the first branch point 102, the first and second electrodes of FIG. 1B. In the 1x2 optical switch consisting of (112, 114), each waveguide branches at the second and third branch points 120 and 122, and each electrode 124, 126, on each branched waveguide 132, 134, 136 and 138. 128 and 130), and the refractive index is controlled by differentially applying an electric field.

그러나 이들 광스위치는 구조가 복잡하고 곡선이 많이 있어서 제작 및 공정이 까다롭다. 구조가 복잡하다면 공정이 어려워지고 도파로 형태의 균일성을 유지하기 위한 공정의 오차 허용범위(tolerance)가 작아지므로 소자의 수율(yield)이 낮아질 수 있다. 출력 채널수가 늘어남에 따라 전극의 수도 늘어나므로 정렬(alignment)시 여러 영역에 신경을 써야하는 번거러움도 있다. 또한 종래의 광스위치는 분기점에서 분기각도를 작게 해주어야 하는데, 분기각도를 작게하려면 소자의 길이가 길어져야 하는 문제점이 있다.However, these optical switches are complicated in structure and many curves, and are difficult to manufacture and process. If the structure is complicated, the yield of the device may be low because the process becomes difficult and the tolerance of the process for maintaining the uniformity of the waveguide shape is small. As the number of output channels increases, the number of electrodes increases, so there is a need to pay attention to various areas during alignment. In addition, the conventional optical switch has to reduce the branching angle at the branching point, in order to reduce the branching angle, there is a problem that the length of the device must be long.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 설계를 용이하게 하고 도파로상의 곡선을 제거하여 손실 및 제작상의 어려움을 줄이기 위해 인가하는 전계의 영역을 간단한 구조로 하고 공지의 스넬의 법칙을 이용하여 도파로를 선택하는 집적광학 광스위치를 제공하는데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to simplify the design and to remove the curves on the waveguide to reduce the loss and manufacturing difficulties to the simple structure of the applied electric field and to select the waveguide using the well-known Snell's law An optical optical switch is provided.

도 1a는 종래의 1x2 광스위치의 도파로 형태에 대한 평면도이다.Figure 1a is a plan view of the waveguide shape of a conventional 1x2 optical switch.

도 1b는 도 1a의 1x2 광스위치에 대한 평면도이다.FIG. 1B is a plan view of the 1 × 2 optical switch of FIG. 1A. FIG.

도 1c는 종래의 1x4 광스위치에 대한 평면도이다.Figure 1c is a plan view of a conventional 1x4 optical switch.

도 2a는 본 발명에 따른 1x2 광스위치의 도파로 형태에 대한 평면도이다.Figure 2a is a plan view of the waveguide shape of the 1x2 optical switch according to the present invention.

도 2b는 도 2a의 1x2 광스위치에 대한 평면도이다.FIG. 2B is a plan view of the 1 × 2 optical switch of FIG. 2A. FIG.

도 2c는 도 2b를 확장한 1x4 광스위치에 대한 평면도이다.FIG. 2C is a plan view of the 1 × 4 optical switch in which FIG. 2B is expanded.

도 3은 스넬법칙에 따른 빛의 굴절을 도시한 것이다.3 shows the refraction of light according to Snell's law.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 집적광학 광스위치는 소정의 재질로 된 기판에 형성된 입력 도파로; 상기 입력 도파로에 연결되고 빛이 도파되는 방향에 대해 스넬의 법칙을 만족하는 소정의 입사각을 갖도록 형성된 굴절영역; 상기 굴절영역 위에 형성된 전극; 및 상기 전극의 전압에 따른 상기 굴절영역의 굴절률 변화에 의해 스위칭되어 상기 입력 도파로의 입사광을 도파시키는 적어도 둘 이상의 출력 도파로를 포함함이 바람직하다.In order to achieve the above technical problem, the integrated optical optical switch according to the present invention comprises an input waveguide formed on a substrate of a predetermined material; A refractive region connected to the input waveguide and formed to have a predetermined angle of incidence that satisfies Snell's law with respect to the direction in which light is guided; An electrode formed on the refractive region; And at least two output waveguides switched by a change in refractive index of the refractive region according to the voltage of the electrode to guide the incident light to the input waveguide.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2a는 본 발명에 따른 1x2 광스위치의 도파로 형태에 대한 평면도로서, 도 2a에 따른 광스위치의 도파로는 입력 도파로(200), 굴절영역(202), 제1 및 제2출력 도파로(204, 206)로 이루어진다. 기판은 전기광학효과나 열광학효과가 있는 기판이면 가능하다. 도 2b는 도 2a의 굴절영역에 전극(212)이 형성된 도면으로, 도 2b에 따른 1x2 광스위치에서는 전압 V를 가하지 않으면 입력 도파로(200)를 통해 입사된 빛은 굴절영역(202)에서 굴절되지 않고 입력 도파로(200)와 일직선상에 있는 제1출력 도파로(204)로 도파된다. 전압 V가 인가되면 굴절영역(202)의 굴절률이 높아지고, 입력 도파로(200)를 통해 입사된 빛은 굴절영역(202)에서 굴절되어 제1출력 도파로보다 아래쪽에 있는 제2출력 도파로(206)로 도파된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Figure 2a is a plan view of the waveguide shape of the 1x2 optical switch according to the present invention, the waveguide of the optical switch according to Figure 2a, the input waveguide 200, the refractive region 202, the first and second output waveguides (204, 206) ) The substrate may be any substrate having an electro-optic effect or a thermo-optic effect. FIG. 2B is a view in which the electrode 212 is formed in the refractive region of FIG. 2A. In the 1 × 2 optical switch according to FIG. 2B, the light incident through the input waveguide 200 is not refracted in the refractive region 202 unless the voltage V is applied. Instead, it is guided to the first output waveguide 204 in line with the input waveguide 200. When the voltage V is applied, the refractive index of the refractive region 202 is increased, and the light incident through the input waveguide 200 is refracted by the refractive region 202 to the second output waveguide 206 below the first output waveguide. It is waved.

도 2c는 도 2b를 확장한 1x4 광스위치를 도시한 것으로, 도 2c에 따른 광스위치는 도 2b에 도시된 광스위치와 유사하게 동작하되 인가된 전계의 세기에 따라 굴절영역(202)의 굴절률이 변화되어 제1 내지 제4출력 도파로(204, 206, 222, 224)중의 하나로 빛이 도파된다.FIG. 2C illustrates the 1 × 4 optical switch extending from FIG. 2B. The optical switch according to FIG. 2C operates similarly to the optical switch shown in FIG. 2B, but the refractive index of the refractive region 202 is changed according to the intensity of the applied electric field. The light is then guided to one of the first to fourth output waveguides 204, 206, 222, and 224.

전기광학 효과가 있는 재료인 경우, 그 굴절률은 인가된 전계의 세기에 따라 다음과 같이 달라진다.In the case of a material having an electro-optic effect, its refractive index varies as follows depending on the intensity of the applied electric field.

여기서, ni 는 굴절률 변화, n은 굴절율, rij는 전기광학계수 및 Ej는 인가된 전계의 세기이다. n과 rij는 재료에 따라 다르다.here, n i Is the refractive index change, n is the refractive index, r ij is the electro-optic coefficient and E j is the intensity of the applied electric field. n and r ij are material dependent.

열광학 효과가 있는 재료의 경우, 인가된 전계의 세기에 따라 전극자체에 열을 발생시켜서 전극이 히터로 작용하게 되어 온도변화가 유도되고, 유도된 온도변화에 따라 굴절률이 다음과 같이 달라진다.In the case of a material having a thermo-optic effect, heat is generated in the electrode itself according to the intensity of the applied electric field so that the electrode acts as a heater to induce a temperature change, and the refractive index varies according to the induced temperature change as follows.

여기서, ni 는 굴절률 변화, 은 열광학계수, T(x,y) 는 유도온도분포 및 Inorm,j(x,y)는 도파로내 모드의 광강도 분포이다.here, n i The refractive index change, Silver thermo-optic coefficient, T (x, y) Is the induced temperature distribution and I norm, j (x, y) is the light intensity distribution in the waveguide mode.

도 2a 내지 도 2c의 굴절영역(202)은 입사되는 빛에 스넬의 법칙에 따른 입사각을 주도록 제작된다. 도 3은 스넬의 법칙에 따른 빛의 진행방향을 도시한 것이다. 스넬의 법칙은 도 3에 도시된 바와 같이 빛이 유효굴절율 n1인 물질1에서 유효굴절율 n2인 물질2로 진행할 때, 물질1과 물질 2의 경계면에서 굴절하게 되고, 그 굴절의 정도는 다음 식과 같이 결정된다.The refractive regions 202 of FIGS. 2A to 2C are manufactured to give incident light according to Snell's law to incident light. Figure 3 shows the direction of light travel according to Snell's law. Snell's law states that when light travels from material 1 with effective refractive index n 1 to material 2 with effective refractive index n 2 , as shown in FIG. 3, the light is refracted at the interface between material 1 and material 2. Determined by the equation.

n1sin1=n2sin2 n 1 sin 1 = n 2 sin 2

여기서, θ1은 물질1에서 빛의 입사각이고, θ2는 물질2에서 빛의 굴절각이다. 상술한 수학식 3에 따르면 n2가 n1보다 크면 θ2가 θ1보다 작은 값을 갖게되므로 빛이 굴절하게 된다. 또한, n1과 θ1을 고정시키고 n2를 증가시키면 θ2가 작아지므로 빛이 더 많이 굴절하게 된다.Where θ 1 is the angle of incidence of light in material 1 and θ 2 is the angle of refraction of light in material 2. According to Equation 3, when n 2 is larger than n 1 , light is refracted because θ 2 has a value smaller than θ 1 . In addition, when n 1 and θ 1 are fixed and n 2 is increased, θ 2 becomes smaller, so that light is more refracted.

굴절영역(202)의 폭은 입력 도파로(200)에서 굴절영역(202)으로 빛이 진행할 때의 퍼짐 현상을 고려하여 설계되어야 한다.The width of the refractive region 202 should be designed in consideration of the spreading phenomenon when light travels from the input waveguide 200 to the refractive region 202.

본 발명에 의하면, 종래의 광스위치와 비교하여 전극의 수가 적고 전체 구조가 간단하므로 소자제작 및 정렬이 용이하다. 또한 설계시 스넬의 법칙을 이용하여 인가되는 전계의 세기에 따른 굴절률의 변화만 알고있으면 쉽게 설계할 수 있으며, 제작공정이 쉽고 공정의 오차 허용범위가 높아서 소자의 생산 수율을 높일 수 있다.According to the present invention, since the number of electrodes and the overall structure is simple as compared with the conventional optical switch, device fabrication and alignment are easy. In addition, Snell's law can be used to design easily by knowing only the change in refractive index according to the applied electric field. Also, the manufacturing process is easy and the tolerance of the process is high.

Claims (3)

소정의 재질로 된 기판에 형성된 입력 도파로;An input waveguide formed on a substrate made of a predetermined material; 상기 입력 도파로에 연결되고 빛이 도파되는 방향에 대해 스넬의 법칙을 만족하는 소정의 입사각을 갖도록 형성된 굴절영역;A refractive region connected to the input waveguide and formed to have a predetermined angle of incidence that satisfies Snell's law with respect to the direction in which light is guided; 상기 굴절영역 위에 형성된 전극; 및An electrode formed on the refractive region; And 상기 전극의 전압에 따른 상기 굴절영역의 굴절률 변화에 의해 스위칭되어 상기 입력 도파로의 입사광을 도파시키는 적어도 둘 이상의 출력 도파로를 포함함을 특징으로하는 집적광학 광스위치.And at least two output waveguides which are switched by a change in the refractive index of the refractive region according to the voltage of the electrode to guide the incident light to the input waveguide. 제1항에 있어서, 상기 기판의 재질은The method of claim 1, wherein the material of the substrate 인가된 전계의 세기에 따라 굴절률이 변하는 전기광학효과를 갖는 재료임을 특징으로하는 집적광학 광스위치.An integrated optical optical switch characterized in that the material having an electro-optic effect of changing the refractive index according to the intensity of the applied electric field. 제1항에 있어서, 상기 기판의 재질은The method of claim 1, wherein the material of the substrate 인가된 전계의 세기에 따라 온도변화가 유도되고, 유도된 온도변화에 따라 굴절률이 변하는 열광학재료임을 특징으로하는 집적광학 광스위치.An integrated optical optical switch characterized in that the thermo-optic material is a temperature change is induced according to the intensity of the applied electric field, the refractive index is changed in accordance with the induced temperature change.
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