KR20010033579A - An integrated optical transceiver - Google Patents
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Abstract
제 1 및 제 2 귀환 요소(3, 7) 사이에 형성된 레이저 케비티와; 레이저 광선의 파장을 측정하기 위하여 레이저 케비티 내애 있는 파장 선택 수단, 즉 회절 격자(4)와; 광 수신기(10)와; 송수신기가 레이저 광선 파장에서 복사 에너지를 방출하는 것을 허용하기 위하여 레이저 광선 파장에서 부분적으로 송신가능한 귀환 요소 중 하나(3)와; 광 수신 수단(10)에서 레이저 광선 파장과는 다르게 귀환 요소를 통하여 광을 수신하고, 선택된 파장의 광을 송신하도록 배치된 파장 선택 수단(4)으로 구성된 집적 광 송수신기.A laser cavity formed between the first and second feedback elements 3 and 7; Wavelength selection means in the laser cavity, i.e., diffraction grating 4, for measuring the wavelength of the laser beam; An optical receiver 10; One of the feedback elements (3) partially transmittable at the laser beam wavelength to allow the transceiver to emit radiant energy at the laser beam wavelength; 10. An integrated optical transceiver comprising a wavelength selecting means (4) arranged to receive light through a feedback element different from the laser beam wavelength in the optical receiving means (10) and to transmit light of the selected wavelength.
Description
다중 파장 광 통신 네트워크는 현저하게 전송 용량이 증가할 수 있으며, 또한 시스템의 유연성을 향상시킬 수 있고 더욱 유연성있고 기발한 관리 기획을 허용할 수 있다. 이러한 시스템의 가격 효율성의 현실화를 갖는 대부분의 문제는 정확한 채널 파장 정의 및 저온 감도를 갖는 안정된 다중 파장 송수신기와 검출기 디바이스의 획득에 있다. 후자는 파장의 등록을 보존할 수 있음으로, 이에 따라 다른 온도에서 동작되는 시스템의 다른 부분에서 다른 디바이스의 통신이 허용된다. 기존의 방식에서 사용된 파장 선택 분사 피드백 (DFB) 디바이스는 정확한 온도 제어를 얻는 데에 어려움이 있으며, 제조 상의 파장 정의의 결핍 문제 및 채널을 단일 출력내에 커플링하고자 할 경우 높은 커플링 손실 문제를 내포하고 있다.Multi-wavelength optical communication networks can significantly increase transmission capacity, also improve the system's flexibility and allow for more flexible and novel management planning. Most of the problems with the realization of the cost efficiency of such systems are in the acquisition of stable multi-wavelength transceivers and detector devices with accurate channel wavelength definition and low temperature sensitivity. The latter can preserve the registration of the wavelength, thus allowing communication of other devices in different parts of the system operating at different temperatures. The wavelength selective injection feedback (DFB) device used in the conventional method has difficulty in obtaining accurate temperature control, and lacks the problem of lack of manufacturing wavelength definition and high coupling loss when trying to couple a channel into a single output. It is implicated.
대다수의 파장을 전송하거나 또는 검출할 수 있는 집적 다중 파장 전송기 또는 수신기 디바이스를 구성하기 위한 레이저 또는 검출기 구조내에서의 능동 또는 수동 파장 선택 디바이스의 집적이 동시에 제안되어 있다. 또한, 이러한 파장 선택 디바이스들은 대다수의 파장 체널상에서 레이저 진동을 허용하기 위하여 레이저 케이비티내에서 형성될 수 있다. 상기와 같은 배치내에서 사용되는 파장 선택 디바이스는 항상 요구되는 빔 조작을 수행하기 위하여 렌즈 또는 거울로 구성된 전형적인 집적 구조에 기반을 둔 격자이다.The integration of active or passive wavelength selection devices in a laser or detector structure for constructing an integrated multi-wavelength transmitter or receiver device capable of transmitting or detecting a majority of wavelengths is proposed at the same time. In addition, such wavelength selection devices can be formed in the laser cavity to allow laser vibrations on most wavelength channels. The wavelength selection device used in such an arrangement is a grating based on a typical integrated structure consisting of a lens or mirror to always perform the required beam manipulation.
본 발명은 집적 다중 파장 송수신기을 제공하기 위한 상기의 디바이스들을 향상시키기 위한 것이다.The present invention is directed to improving the above devices for providing an integrated multi-wavelength transceiver.
본 발명은 집적 광 송수신기에 관한 것으로서, 특히 광 통신 시스템에서 사용하기 위한 케비티 디멀티플렉서 공진기로 이용되는 송수신기에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to integrated optical transceivers, and more particularly, to transceivers used as cavity demultiplexer resonators for use in optical communication systems.
본 발명은 첨부된 도면에 따라서 실시 예의 형태로 상세하게 설명되어 진다.The invention is described in detail in the form of embodiments in accordance with the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 집적 광 송수신기의 제 1 실시 예를 보인 도시적인 다이아그램이다.1 is a schematic diagram showing a first embodiment of an integrated optical transceiver according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 집적 광 송수신기의 제 2 실시 예를 보인 도시적인 다이아그램이다.2 is a schematic diagram illustrating a second embodiment of an integrated optical transceiver according to the present invention.
본 발명의 제 1 국면에 따라서, 제 1 및 제 2 귀환 요소 사이에 형성된 레이저 케이비티와; 레이저 케이비티의 레이저 광선 파장을 검출하기 위하여 레이저 케이비티 내에 있는 파장 선택 수단과; 레이저 광선 파장의 복사 에너지를 방출하기 위하여 송수신기를 허용하기 위하여 레이저 광선 파장에서 부분적으로 송수신되는 최소한 한 개의 귀환 요소인 광 수신 수단과; 한 개의 귀환 요소를 통하여 광을 수힌하고 선택된 파장의 광을 송신하기 위하여 배열되어 있으며 또한 광 수신 수단에서의 레이저 광선 파장과 다른 파장 선택 수단으로 구성된 집적 광 송수신기를 제공하는 데에 있다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a laser cavity provided between a first and a second feedback element; Wavelength selection means within the laser cavity for detecting the laser beam wavelength of the laser cavity; At least one feedback element which is at least one feedback element partially transmitted and received at the laser beam wavelength to allow the transceiver to emit radiation energy of the laser beam wavelength; SUMMARY OF THE INVENTION An object is to provide an integrated optical transceiver which is arranged for transmitting light of a selected wavelength and receiving light through one feedback element and which is comprised of a laser beam wavelength in the light receiving means and another wavelength selecting means.
이러한 송수신기는 한 개 또는 일련의 파장 군에서 입력된 데이터를 검출하고 동시에 다른 파장 또는 다른 파장 군으로 데이터를 전송할 수 있다.Such a transceiver can detect data input from one or a set of wavelength groups and simultaneously transmit data to other wavelengths or to different wavelength groups.
파장 선택 수단은 레이저 케이비티와 광 수신 수단으로 전송되어진 선택된 파장의 한 부분으로서 레이저 광선 파장을 결정하고, 이에 따라서 송수신기에 의해서 전송된 파장과 송수신기에 의해서 수신된 파장 둘다 결정한다.The wavelength selecting means determines the laser beam wavelength as part of the laser cavity and the selected wavelength transmitted to the light receiving means, thereby determining both the wavelength transmitted by the transceiver and the wavelength received by the transceiver.
본 발명에 따른 또 다른 국면은 상기의 송수신기와 결합된 부분으로서 제공된다.Another aspect according to the invention is provided as part in combination with the transceiver.
본 발명의 또 다른 측면은 다음의 상세 설명 및 명세서의 부차적인 청구항에 의해서 명백한다.Another aspect of the invention is apparent from the following detailed description and the appended claims in the specification.
단일 파장 전송 및 검축 송수신기는 아래에 설명되어지나, 기술되는 배열은 임의의 파장 채널의 수를 확장할 수 있다.Single wavelength transmission and calibration transceivers are described below, but the described arrangement may extend the number of arbitrary wavelength channels.
도 1은 실리콘-절연체 칩과 같은 송수신기가 형성된 광 칩(1)을 보인 것이다. 실리콘 립 도파관과 같은 집적 도파관(2)은 실리콘 칩의 표면에 에칭된 일련의 좁고 얕은 그로우브(4A)에 의해서 형성된 전송 격자와 같은 파장 선택 수단(4)를 향한 도파관(2)의 일단에서 면을 형성하는 부분적으로 매끄러운 반 반사(AR) 코팅과 같은 제 1 귀환 요소(3)으로부터 확장된다. 또 다른 도파관(5)은 전송 격자(4)로부터 선택된 각도에서 광을 수신하기 위한 위치에서 칩(1) 상에 형성되어 있고, 반도체 레이저 증폭기 칩과 같은 광 증폭기(6)를 통하여 레이저 증폭기(6)의 고 반사(HR) 코팅 면과 같은 제 2 귀환 요소(7)로 유도된다. 기술된 실시 예에서, 격자는 선형 배열의 처프된 주기 아퍼처로 구성됨으로서 그곳을 통하여 전송된 광을 포커싱한다.1 shows an optical chip 1 in which a transceiver, such as a silicon-insulator chip, is formed. An integrated waveguide 2, such as a silicon lip waveguide, is faceted at one end of the waveguide 2 towards the wavelength selection means 4, such as a transmission grating formed by a series of narrow shallow grooves 4A etched on the surface of the silicon chip. It extends from the first feedback element 3, such as a partially smooth semi-reflective (AR) coating forming a. Another waveguide 5 is formed on the chip 1 at a position for receiving light at a selected angle from the transmission grating 4, and through an optical amplifier 6, such as a semiconductor laser amplifier chip, through a laser amplifier 6. Is led to a second feedback element 7, such as the high reflective (HR) coated side of. In the described embodiment, the grating consists of a linear array of chirped periodic apertures to focus light transmitted therethrough.
도파관(2)을 따라 전송 격자(4)를 향하여 이동되는 광은 점선(8)에 의해서 표시된 것처럼 실리콘 레이어 내로 분산되어 이에 따라 광은 도파관(2)을 떠나게 된다. 광은 잘 알려진 방법에 의한 격자로 구성된 선형 어레이 구조의 처프 주기 아퍼처에 의해서 생성된 간섭 패턴의 형태로 전송 격자(4)를 떠나게 되며, 격자의 축에 대해서 서로 다른 각 위치 (즉, 격자와 직각 방향인 축과 도파관(2)과 평행한 축)에서 일련의 피크로 구성되며, 각 피크는 특별한 파장 또는 파장 대역의 광으로 구성된다.Light traveling along the waveguide 2 toward the transmission grating 4 is dispersed into the silicon layer as indicated by the dotted line 8 so that the light leaves the waveguide 2. The light leaves the transmission grating 4 in the form of an interference pattern generated by the chirp period aperture of a linear array structure composed of gratings by a well known method, with different positions (i.e. An axis in the orthogonal direction and an axis parallel to the waveguide 2), each of which consists of light of a particular wavelength or wavelength band.
도파관(5)은 선택된 파장 λ1의 광을 수신하기 위하여 위치되어 있으며, 파장 λ1은 송수신기에 의해서 전송된 파장이 된다.이러한 파장의 광은 잘 알려진 방법으로 AR 코팅(3)과 HR 코팅(7) 사이에서 형성된 레이저 케비티내에서 증폭되어 지며, 이에 따라 AR 코팅은 단지 부분적으로 반사되어 지며, 이러한 광의 부분이 송수신기로부터 AR 코팅(3)을 통하여 전송됨으로서 송수신기의 출력은 파장 λ1이 된다.Wave guide (5) is positioned to receive a selected wavelength of λ 1, the wavelength λ 1 is the wavelength transmitted by the transceiver. These wavelengths are AR-coated in well-known methods (3) and HR coatings ( 7) amplified in the laser cavity formed between them, so that the AR coating is only partially reflected, and this part of the light is transmitted from the transceiver through the AR coating 3 so that the output of the transceiver becomes wavelength λ 1 . .
또한, 다른 도파관(9)은 전송 격자(4)로부터 제 2 파장 λ2의 광을 수신하기 위하여 선택된 각도에서 칩 상에 제공되며, 이러한 과을 광 다이오드와 같은 검출기(10)로 전송한다.In addition, another waveguide 9 is provided on the chip at a selected angle to receive light of the second wavelength λ 2 from the transmission grating 4, which transmits this to the detector 10, such as a photodiode.
각각 파장 λ1및 λ2를 수신하는 도파관(5 및 9) 사이의 요구되는 간격은 배열의 치수 및 기학학적인 구조에 따라 전형적으로 10 - 20 마이크론 차수가 된다.The required spacing between waveguides 5 and 9 receiving wavelengths λ 1 and λ 2 , respectively, is typically on the order of 10-20 microns, depending on the dimensions and the geometry of the arrangement.
따라서, 전송 격자는 부분적으로 반 반사 코팅(3)을 통하여 광 다이오드(10)에서 송수신기에 의해서 수신된 제 2 파장 λ2의 광을 관리하는 작용을 한다.Thus, the transmission grating serves to manage the light of the second wavelength λ 2 received by the transceiver at the photodiode 10, in part via the semi-reflective coating 3.
파장 선택 구조(4)는 부분적으로 반도체 레이저 증폭기 칩(6)의 반 반사 코팅 면(3)과 고 반사 코팅 면(7) 사이에 형성된 레이저 케비티의 부분으로서 집적되어 진다. 격자(4)는 동일한 칩 상에서 송신되고 수신된 데이터에 관련된 파장을 설정하는 데에 사용된다. 격자(4)는 레이저 케비티의 부분으로서 그리고 파장 선택 필터로 작용함으로서 레이저의 전송된 파장을 설정한다. 동시에, 격자(4)는 검출기 (10)가 파장의 정확한 범위로 조사되도록 하기 위한 대역 통과 필터로 작용한다.The wavelength selective structure 4 is integrally integrated as part of the laser cavity formed between the semi-reflective coating side 3 and the high reflective coating side 7 of the semiconductor laser amplifier chip 6. The grating 4 is used to set the wavelength related to the data transmitted and received on the same chip. The grating 4 sets the transmitted wavelength of the laser by acting as part of the laser cavity and as a wavelength selective filter. At the same time, the grating 4 acts as a band pass filter to allow the detector 10 to be irradiated in the correct range of wavelengths.
따라서, 격자(4)의 파장 선택은 한 파장 λ1에서 레이저 진동에 대한 폐쇄된 케비티의 형태를 허용하며, 또한 검출기에서 다른 파장 λ2의 자유로운 검출을 허용한다. 검출기(10)는 물리적으로 레이저 공진기의 부분이나, 파장 영역에서는 레이저 공진기와 분리된다. 도파관(10)의 말단을 이루는 광 다이오드(10)는 현저하게 효율적인 흡수기로서 작용되며, 파장에서의 진동 형태를 방지한다.Thus, the wavelength selection of the grating 4 allows the form of a closed cavity against laser oscillation at one wavelength λ 1 and also allows free detection of the other wavelength λ 2 at the detector. The detector 10 is physically part of the laser resonator, but is separated from the laser resonator in the wavelength region. The photodiode 10 at the end of the waveguide 10 acts as a remarkably efficient absorber and prevents vibrational patterns at wavelengths.
도 1은 상기의 송수신기의 일 실시 예를 도시적으로 도시한 것이다. 파장 λ2에서의 데이터는 디바이스 내에서 연결되어 있고, 검출기(10)에 빛을 비추기 위하여 격자 구조(4)에 의해서 디멀티플렉스된다. 상기에서 기술한 바와 같이, 도 1에서의 실시 예는 디멀티플렉싱 및 포커싱 둘 다 수행하기 위하여 처프 초점 격자 (4)에 합체된다.1 is a diagram illustrating an embodiment of the transceiver. The data at wavelength λ 2 are connected in the device and demultiplexed by the grating structure 4 to illuminate the detector 10. As described above, the embodiment in FIG. 1 is incorporated into the chirp focus grating 4 to perform both demultiplexing and focusing.
도 2는 반사 격자(12)외에 실리콘 칩 상에 에칭되어서 조준하며 포커싱하는 거울(11)을 사용하는 다른 실시 예를 보인 것이다.FIG. 2 shows another embodiment using a mirror 11 that is etched, aimed and focused on a silicon chip in addition to the reflective grating 12.
레이저의 레이저 광선 파장은 광 증폭기(6)에서 λ1에서의 파장 선택 귀환을 제공함으로서 격자 디멀티플렉서에 의해서 결정된다.The laser beam wavelength of the laser is determined by the grating demultiplexer by providing wavelength selective feedback at λ 1 in the optical amplifier 6.
디바이스에 의해서 수신된 검출된 파장 λ2검출기(10)에서 거울(11) 및 격자(4)에 의해서 관리되어 진다. 따라서, 격자(4)는 레이저 케비티 내에 포함되며, 각각의 주기동안 입력 데이터의 파장으로부터 복사된 레이저 광선 파장을 멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱한다. 이것은 검출기(9)를 분리하고, 격자 디멀티플렉서(12)를 통하여 칩의 부분적으로 반 반사 코팅된 면(3)에서 레이저의 고 반사 코팅 면(7) 사이의 레이저 케비티를 구성한다.It is managed by the mirror 11 and the grating 4 at the detected wavelength λ 2 detector 10 received by the device. Thus, the grating 4 is contained within the laser cavity and multiplexes and demultiplexes the laser beam wavelengths radiated from the wavelengths of the input data during each period. This separates the detector 9 and constitutes a laser cavity between the highly reflective coated side 7 of the laser at the partially semi-reflective coated side 3 of the chip via the grating demultiplexer 12.
만약 파장 λ1및 λ2이 현저하게 다르다면, 반 반사 코팅(3)은 커플링 효율을 향상시키기 위하여 검출된 파장 λ2에 대하여 낮은 값 (즉, 적은 반사)을 갖도록 설계되어야 하며, 레이저 스레스홀드를 감소하기 위하여 전송된 파장 λ1에 대하여 높은 값 (즉, 다소 높은 반사)을 갖도록 설계되어야 한다.If the wavelengths λ 1 and λ 2 are significantly different, the antireflective coating 3 should be designed to have a low value (ie less reflection) for the detected wavelength λ 2 in order to improve the coupling efficiency, It should be designed to have a high value (ie somewhat high reflection) with respect to the transmitted wavelength λ 1 in order to reduce the hold.
상기에서 설명한 송수신기는 많은 뚜렷한 장점을 갖는다.The transceiver described above has many distinct advantages.
수동 격자 디멀티플렉서의 포함은 시스템의 서로 다른 부분에 위치하는 송수신기의 전송되고 검출된 파장 사이의 어떠한 파장 등록 문제를 제거한다. 이러한 것은 검출되고 전송되는 파장들은 동일한 수동 디멀티플렉서 디바이스에 의해서 설정된다는 사실에 기인한다. 에를 들어서, 상기의 실시 예에서와 같이, λ1에서 방출된 레이저 광은 매우 정확하게 정의되고 높은 내성을 갖고 제조된, 즉 서브 마이크론 정확도로 향성된 격자를 허용하는 석판 인쇄술 공정에 의해서 제조된 디멀티플렉서 기학학 구조에 의해서 결정된다. 따라서, 이러한 파장은 동일한 디멀티플렉서를 사용하나 레이저 및 검출기 파장이 교환되는 것에 따라서 다른 송수신기의 검출된 파장에 자동적으로 결합된다. 수동 디멀티플렉서는 두 가지 경우에 효율적으로 동일한 것이기 때문에 파장은 동일한 것이 될 것이고 이에 따라서 자동적으로 자체 조정될 것이다.The inclusion of a passive grating demultiplexer eliminates any wavelength registration problem between the transmitted and detected wavelengths of the transceivers located in different parts of the system. This is due to the fact that the wavelengths detected and transmitted are set by the same passive demultiplexer device. For example, as in the above embodiment, the laser light emitted at λ 1 is very precisely defined and manufactured with high immunity, i.e., a demultiplexer machine produced by a lithography process that allows a grating directed to submicron accuracy. It is determined by the academic structure. Thus, these wavelengths are automatically coupled to the detected wavelengths of other transceivers as they use the same demultiplexer but the laser and detector wavelengths are exchanged. Since the passive demultiplexer is effectively the same in both cases, the wavelength will be the same and will automatically adjust itself accordingly.
격자 요소의 포함은 격자에 의해서 정의된 특별한 파장에서 레이저 진동을 유발한다. 이러한 파장은 매우 정확하게 (0.05nm 보다 더 좋게) 설정될 수 있으며, 한편으로는 처프의 감소를 허용하고 단점을 분산시키기 위하여 충분하게 좁게 설계되어야 하며, 또 다른 한 편으로는, 안정되고 선형적인 광 전류 응답 (출력 모드 호핑 효과를 평균하여)을 허용할 수 있도록 폭이 넓게 설계되어야 한다.Inclusion of the grating element causes laser oscillation at a particular wavelength defined by the grating. These wavelengths can be set very accurately (better than 0.05 nm), while on the one hand they must be designed to be narrow enough to allow for reduction of the chirp and to disperse the disadvantages, on the other hand, stable and linear light It should be designed to be wide enough to allow current response (averaging output mode hopping effect).
또한, 격자에 레이저를 결합한 도파관(5)을 가늘게 함으로서, 즉, 도파관(5)의 높이 및/또는 폭을 감소함으로서, 이에 따라, 도파관은 격자(4 또는 12)에 접근하고, 레이저 내에 결합된 광의 스펙트럼 선 폭은 감소될 수 있다.Further, by thinning the waveguide 5 incorporating a laser into the grating, i.e., reducing the height and / or width of the waveguide 5, the waveguide thus approaches the grating 4 or 12 and is coupled within the laser. The spectral line width of the light can be reduced.
또한, 송수신기는 온도 감응도를 줄일 수 있다. 온도 의존성은 다음 2 가지의 요소에 기인한다.In addition, the transceiver can reduce the temperature sensitivity. The temperature dependence is due to two factors:
i) 격자 피치를 변화하는 열 팽창. 실리콘의 열 팽창 계수는 4.6 x 10-8K-1이며, 전형적인 디바이스 설계에 대해서 이 값은 온도 범위 -40에서 85℃ 범위에서 0.7nm의 방출된 레이저 파장의 변화를 유발한다.i) thermal expansion to change the grid pitch. The thermal expansion coefficient of silicon is 4.6 x 10 -8 K -1 and for typical device designs this value causes a change in the emitted laser wavelength of 0.7 nm in the temperature range -40 to 85 ° C.
ii) 온도를 갖는 굴절 계수 변화 : 이것은 격자의 동작 파장을 변화한다. Si에 대해서 온도를 갖는 굴절 계수는 1.86 x 10-4K-1이다. 전형적인 디바이스 설계에 대해서 이 값은 근사적으로 9nm의 파장 변화를 유발한다.ii) change in refractive index with temperature: this changes the operating wavelength of the grating. The refractive index with temperature for Si is 1.86 x 10 -4 K -1 . For typical device designs, this value leads to an approximate 9 nm wavelength change.
따라서, 굴절 계수를 갖는 결과적인 파장 변화는 열 팽창에 기인한 해당 변화보다 규모적으로 더 큰 차수가 된다. 그러나. 계수 변동에 기인되어 안정된 125℃ 온도 범위에서 9nm 이동조차도 Fabry-Perot 레이저와 같은 기존 방법에서 사용된 값보다도 현저하게 작다.Thus, the resulting wavelength change with refractive index is on the order of magnitude larger than the corresponding change due to thermal expansion. But. Even the 9nm shift in the stable 125 ° C temperature range due to the coefficient variation is significantly smaller than the values used in conventional methods such as Fabry-Perot lasers.
또한, 디바이스 성능에서 능동 (레이저) 요소에 기인하는 온도를 갖는 파장 변동을 파장이 수동 격자 디바이스에 의해서 설정됨에 따라 피할 수 있다.In addition, wavelength variations with temperature due to active (laser) elements in device performance can be avoided as the wavelength is set by the passive grating device.
방출된 레이저 선-폭에서 감소된 것과 결합하여 온도를 갖는 파장 이동에서의 결과적인 감소는 채널 파장에서 요구되는 내성을 현저하게 감소한다. 예를 들어서, 1310nm 및 1550nm의 파장을 갖는 송수신기 디바이스 작업에서, 기존의 Fabry-Perot 레이저가 어떠한 온도 안정화도 없이 운용되면 근사적으로 100nm의 채널 폭이 요구된다. 이것은 상기에서 기술한 송수신기를 동일한 레이저에 적용되면 10nm로 감소할 수 있다.The resulting reduction in wavelength shift with temperature in combination with the reduction in the emitted laser line-width significantly reduces the resistance required at the channel wavelength. For example, in transceiver device operations with wavelengths of 1310 nm and 1550 nm, an approximate 100 nm channel width is required if the existing Fabry-Perot laser is operated without any temperature stabilization. This can be reduced to 10 nm if the transceiver described above is applied to the same laser.
검출기 도파관(9)의 끝이 가늘어짐에 따라, 즉 격자(4, 12)를 접근함에 따른 도파관 모드의 폭을 증가하기 위하야 높이를 감소 및/또는 폭을 증가함으로서 9nm 범위에서 입력된 데이터의 파장 변동을 채널 손실면에서 1dB 이하로 할 수 있다. 예를 들어서, 도파관(9)을 온도에 기인한 방출된 레이저 파장에서의 어떠한 변화도 배려할 수 있도록 하기 위하여 검출기 응답의 확장에 기인함으로서 표준 4 마이크론 폭에서 20 마이크론까지 가늘게 할 수 있다.As the end of the detector waveguide 9 becomes thinner, i.e., to increase the width of the waveguide mode as it approaches the gratings 4 and 12, the wavelength of the input data in the 9 nm range is increased by decreasing the height and / or increasing the width. The variation can be less than 1 dB in terms of channel loss. For example, the waveguide 9 can be tapered from a standard 4 micron width to 20 microns due to the extension of the detector response to allow for any changes in the emitted laser wavelength due to temperature.
상기에서 기술한 1310nm에서 1550nm와 같은 큰 채널 분리에서는 격자의 자유 스펙트럼 범위(FSR) 내에서 요구되는 채널 분리를 얻기가 어렵다. 이러한 점을 극복하기 위하여 격자는 FSR 밖에서 동작되도록 설계되어야 하나, 이러한 경우에 있어서, 어떠한 외부 모드를 갖는 크로스토크를 피하거나 줄일 수 있다. 이러한 것을 보증하기 위하여, 디바이스는 잠재적인 간섭 모드에 관련된 파장은 도파관(9)의 입력에서 나타나지 않는다.In large channel separations such as 1310 nm to 1550 nm described above, it is difficult to obtain the required channel separation within the free spectral range (FSR) of the grating. To overcome this, the grating should be designed to operate outside the FSR, but in this case crosstalk with any external mode can be avoided or reduced. To ensure this, the device does not show a wavelength related to the potential interference mode at the input of the waveguide 9.
또한, 상기에서 설명한 송수신기는 다른 파장을 상기에서 설명한 것과 동일한 또 다른 레이저 케비티 내에서 수신할 수 있도록 또는 상기에서 설명한 것과 동일한 또 다른 검출기 내에서 다른 파장들을 수신할 수 있도록 칩 상에서 다른 도파관을 제공함으로서 한 개 이상의 파장 대역을 송신 및/또는 수신할 수 있도록 설계되어야 한다. 예를 들어서, 근사적으로 4 마이크론 폭, 약 10 마이크론의 공간을 구비한 도파관에서, 송수신기가 16 개의 파장을 전송하고 16 개의 파장을 수신하는 것을 허용함에 따라서 격자의 초점 면에서 32 개 이상의 도파관을 형성하는 것이 가능하다.In addition, the transceiver described above provides another waveguide on a chip to receive other wavelengths within another laser cavity as described above or to receive other wavelengths within another detector as described above. It should be designed to transmit and / or receive one or more wavelength bands. For example, in a waveguide with an approximate 4 micron width, about 10 microns of space, more than 32 waveguides in the focal plane of the grating are allowed as the transceiver transmits 16 wavelengths and receives 16 wavelengths. It is possible to form.
또한, 상기에서 설명한 송수신기의 배열은 레이저로부터 방출된 광을 모니터링하기 위한 2 가지 가능한 방법을 용이하게 한다. 첫번 째 방법은 격자를 사용하는 레이저 케비티 내에서 광을 샘플링하는 방법이다. 격자는 작지만 더 낮거나 또는 더 높은 차수의 회절 모드에서 레이저 전력의 유한한 비율로 수행하도록 설계되어야 한다. 이것은 또 다른 탭-오프 도파관(13)에 결합될 수 있고, 또 다른 광 다이오드(14)에 결합될 수 있다 (도 2 참조). 정확한 설계에 의해서, 이러한 높은 차수의 모드의 공간 분리는 초점 면에서 잘 분리된 도파관을 허용하기 위하여 방출되고 검출된 파장 λ1및 λ2의 모드와는 달라야 한다.In addition, the arrangement of the transceivers described above facilitates two possible methods for monitoring the light emitted from the laser. The first method is to sample light in a laser cavity using a grating. The grating should be designed to perform with a finite ratio of laser power in a small but lower or higher order diffraction mode. It can be coupled to another tap-off waveguide 13 and to another photodiode 14 (see FIG. 2). By accurate design, this higher order mode of spatial separation should be different from the modes of emitted and detected wavelengths λ 1 and λ 2 to allow for well separated waveguides in the focal plane.
두번 째 방법은 레이저 증폭기(6)의 뒷 면(7)에서 방출된 전력을 모니터링하는 것에 기반을 둔다. 이것은 각을 갖는 거울로부터 반사되고, 적절한 검출기에 결합된다. 이러한 경우에 있어서, 레이저 증폭기(6)는 거울 및 칩 상에 형성된 검출기에 대한 공간을 허용하기 위하여 칩 에지로부터 떨어진 곳에 고정되어야 한다.The second method is based on monitoring the power emitted from the back side 7 of the laser amplifier 6. It is reflected from an angled mirror and coupled to the appropriate detector. In this case, the laser amplifier 6 must be fixed away from the chip edge to allow space for the mirror and the detector formed on the chip.
송수신기의 수신기 감도를 최대화하기 위하여 검출된 파장 λ2는 바람직하게 격자(4, 12)에 의해서 생성된 회절 프로파일의 피크와 일치하여야 하는 것은 명백하다.It is clear that the wavelength λ 2 detected in order to maximize the receiver sensitivity of the transceiver should preferably coincide with the peak of the diffraction profile produced by the gratings 4, 12.
또한, AR 코팅(3)의 설계에서, 파장 λ1에 대한 반사도를 증가함으로서 레이저 케비티 손실을 줄이기 위한 요구 (레이저 스레쉬홀드 전류를 줄이기 위한 요구)와 파장 λ2에 대한 반사도를 감소함으로서 수신기의 감응도를 증가하기 위한 요구 (입력 데이터에 대한 결합 손실을 감소하기 위한 요구)사이의 절충안이 도달되어야 하는 것은 명백하다.In addition, in the design of the AR coating 3, the receiver by reducing the laser cavity loss by increasing the reflectivity for the wavelength λ 1 (requirement for reducing the laser threshold current) and the reflectance for the wavelength λ 2 by reducing the receiver It is clear that a compromise must be reached between the need to increase the sensitivity of the circuit (the need to reduce the coupling loss to the input data).
예를 들어서, 약 20% (양쪽 파장에서)의 반사도를 갖는 AR 코팅은 수신 전력에 대해서 결합 손실은 0%의 반사도를 갖는 코팅과 비교하여 1dB (즉, 감응도에서 1 dB의 감소)를 유발한다. 레이저 스레쉬홀드 전류에서의 해당되는 증가는 80% 반사도를 갖는 HR 코팅의 사용과 비교하여 약 30% 정도가 될 것이다.For example, an AR coating with a reflectivity of about 20% (at both wavelengths) results in a coupling loss of 1 dB (i.e., a 1 dB reduction in sensitivity) compared to a coating with 0% reflectivity for received power. . The corresponding increase in laser threshold current will be about 30% compared to the use of HR coatings with 80% reflectivity.
상기에서 설명한 바와 같이, 상기에서 설명한 송수신기는 바람직하게 실리콘 -절연체(SOI) 칩으로 형성되어 있다. SOI 칩은 송수신기의 여러가지 요소들의 집적을 용이하게 하며, 상대적으로 적은 제조 비용이 든다. 여기에서 형성된 SOI 칩 및 립 도파관의 상세 설명은 WO95/08787에 기술되어 있다.As described above, the transceiver described above is preferably formed of a silicon-insulator (SOI) chip. SOI chips facilitate the integration of various elements of a transceiver and require relatively low manufacturing costs. Details of the SOI chips and rib waveguides formed therein are described in WO95 / 08787.
광 다이오드 검출기와 같은 요소들을 SOI 칩에 마운팅하는 방법은 GB2307786A 및 계류중인 GB9702559.7 (편찬 번호 GB2315595A)에 기술되어 있다. 끝이 얇은 립 도파관 구조는 계류중인 9702579.7 (편찬 번호 GB2317023A)에 기술되어 있다.Methods for mounting elements such as photodiode detectors on SOI chips are described in GB2307786A and pending GB9702559.7 (ed. Number GB2315595A). The thin end rib waveguide structure is described in pending 9702579.7 (ed. Number GB2317023A).
전자 빔 또는 석판 인쇄술 기법에 의해서 광 칩의 표면에 전송 및 반사 격자를 제조하는 방법은 잘 알려져 있음으로 자세하게 설명하지 않는다. 전송 격자(4)는 전형적으로 깊이와 높이에서 아주 적은 마이크론 (즉, 0.2 마이크론), 길이에서는 수 마이크론을 갖는 얕은 그로우브 형태로 구성되어 있다. 주기는 처프되며, 전형적으로 아주 적은 마이크론에서 수 마이크론까지 가변적이다.Methods of producing transmission and reflection gratings on the surface of optical chips by electron beam or lithography techniques are well known and are not described in detail. The transmission grating 4 is typically configured in the form of a shallow groove with very few microns (ie 0.2 microns) in depth and height, and several microns in length. The period is chirped and typically varies from very few microns to several microns.
반사 격자(12)는 전형적으로 반사 표면이 5 - 20 마이크론 폭, 약 5 - 20 마이크론의 간격을 갖도록 깊게 에칭된 구조로 구성되어 있으며, 격자는 전형적으로 약 500 마이크론의 길이를 갖는다.Reflective grating 12 typically consists of a deeply etched structure such that the reflective surface is 5-20 microns wide, with a spacing of about 5-20 microns, and the grating typically has a length of about 500 microns.
또한, 거울(11)은 광 가이드 레이어를 통한 모든 통로를 확장하여 깊게 에칭됨으로서 형성되고, 수백 마이크론에서 수 밀리미터의 폭을 갖는다. 바람직하게도, 도 3에 도시된 바와 같이, 거울은 광을 조준하고 포커싱하기 위하여 오목 렌즈이며, 또한 적용되어지는 알루미늄의 코팅과 같은 반사 코팅을 갖고 있다. 상기에서 기술한 바와 같이, 격자 및 거울은 공지의 석판 인쇄술 에칭 공정을 사용하여 상당히 정확하게, 즉 약 0.2 마이크론의 정확도 내에서 공정될 수 있다. 상기의 정확도는 반복되어짐으로서 송수신기는 정확하게 결합된 전송 및 수신 파장을 갖도록 제조되어 질 수 있다.In addition, the mirror 11 is formed by extending all the passages through the light guide layer to be deeply etched and having a width of several hundred microns to several millimeters. Preferably, as shown in FIG. 3, the mirror is a concave lens for aiming and focusing light, and also has a reflective coating such as a coating of aluminum to be applied. As described above, the gratings and mirrors can be processed fairly accurately using known lithography etching processes, ie within an accuracy of about 0.2 micron. The above accuracy is repeated so that the transceiver can be manufactured with exactly combined transmit and receive wavelengths.
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