KR20020048983A - 페이저용 격자 도파관 구조 - Google Patents

페이저용 격자 도파관 구조 Download PDF

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KR20020048983A
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바테레미 폰데르
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알프레드 엘. 미첼슨
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Abstract

일반적으로 S형상의 도파관 구조를 구비하는 격자가 제공된다. 격자는 어레이를 형성하기 위해 서로 인접하여 정렬된 다수의 도파관을 포함한다. 어레이(32)는 반시계방향(36)으로 굽힘된 제1 굽힘부(34), 시계방향(40)으로 굽힘된 제2 굽힘부(38) 및 직선방향으로 연장되는 제3 직선부(38')를 포함한다. 반시계방향을 따르는 각 도파관의 아크길이는 약간의 도파관이 다른 도파관보다 더 길게 한다. 이는 상기 개개의 도파관의 분명한 구별을 가져온다. 또한 격자의 전크기는 감소된 크로스-토크를 보이는 종래의 장치보다 작게 된다.

Description

페이저용 격자 도파관 구조{GRATING WAVEGUIDE CONFIGURATION FOR PHASARS}
단일 경로를 따라 여러채널에서 동시에 전송되는 것은 파장 분할 멀티플렉싱으로 알려져 있다. 상기 기술은 시스템의 구조, 성능 그리고 비용에 영향을 미치기 때문에 섬유기초시스템에 있어서 중요하다. 상기 기술의 이점은 단위 섬유당 이송가능한 채널수를 증가시켜 시스템 용량을 향상시키는 능력이 있다는 점이다. 따라서 용량 증가에 따라, 기존의 시스템은 교체되지 않고 업그레이드 될 수 있다.
파장 분할 멀티플렉싱 시스템에서, 각 채널은 상이한 파장에서 작동한다. 개개의 파장은 멀티플렉서에 의해 단일경로로 결합되고, 디멀티플렉서에 의해 서로 분리된다. 멀티플렉서와 디멀티플렉서는 통상적으로 회절격자, 프리즘 또는 홀로그램과 같이 분산소자의 형태를 취한다. 격자를 사용하는 경우, 디멀티플렉싱은 개개의 파장으로 서로 분리시키고, 약한 상이한 방향으로 각각의 파장을 회절시키는 격자를 통해 다중송신된 신호를 전송함으로써 달성된다. 멀티플렉싱은 동일한 장치를 역으로 작동하여 달성된다.
파장 분할 멀티플렉싱 기술이 진보함에 따라, 이득-평탄화 필터(gain-flattening filters), 가변감쇠기(variable attenuators) 및 애드-드롭 멀티플렉서 (add-drop multiplexers)와 같은 보다 복잡한 광학요소의 필요성이 증가되고 있다. 상기 소자를 패키지하기 위한 효율적인 방법은 평면 광학장치를 사용하는 것이다.평면 광학장치는 통상의 웨이퍼(wafer)상에서 다양한 광학적 기능을 수행하기 때문에 선택된다. 또한, 능동 디바이스가 아주 컴팩트한 패키지로 구성된 광 네트워크에 요구되는 다양한 기능(예를 들면, 스위칭, 감쇠, 모니터링, 멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱 등)을 이행하는 하이브리드 패키지를 만들기 위해 웨이퍼에 부가될 수 있다.
동일 웨이퍼상에서 상이한 다수의 소자를 조합할 경우, 노이즈나 크로스-토크는 각 소자에 의해 발생되고, 때로는 다른 요소와 간섭한다. 이는 전체 시스템의 성능을 크게 감소한다. 크로스-토크는 보다 많은 상이한 파장을 구비한 신호가 네트워크를 통해 전송되는 고밀도 파장 분할 멀티플렉싱 응용 페이저에 있어서 특히 중요하다. 각 파장은 적당한 디텍터(detector)나 섬유에 의해 바람직하게 전송되어야 하며, 다른 파장과 간섭하지 않아야 한다.
페이저에 대해 또 다른 요구는 지난 10년동안 눈부시게 증가했다. 또한 크로스-토크를 줄이기 위해, 페이저는 보다 개선된 삽입손실을 갖고, 보다 다수의 채널에서 작동을 하여 보다 밀집된 스펙트럼 간격을 가져야 한다. 따라서 이러한 요구는 보다 대형장치로의 발전를 가져왔다. 크로스-토크는 페이저 내의 이동거리에 의존되기 때문에, 보다 대형의 장치는 크로스-토크에 보다 민감하게 된다. 웨이퍼 내에서 굴절률, 코아층 또는 에칭 불균형이 있는 경우, 각 격자 도파관을 따라 축적된 위상 오차(phase error)는 길이와 증가함에 따라 비약적으로 증가한다.
종래의 페이저용 격자는 어레이를 형성하는 인접하게 정렬된 다수의 도파관을 포함한다. 도파관 어레이는 직선방향으로 연장되는 제1 부분과 시계방향으로 굽어지는 제2 부분 그리고 직선방향으로 연장되는 제3 부분을 포함한다. 다음으로 시계방향의 굽힘부는 어레이의 방향이 수평으로 하는 고정 또는 가변되는 곡률반경을 갖는다. 그 후 상기 어레이는 페이저의 반대면에 거울상(mirror image)으로 반복된다.
비록 상기 종래의 격자구조가 성공적 결과를 가져오더라도 개선의 여지는 여전히 존재한다. 예를 들면, 격자의 제1 직선부가 파장을 필요 이상의 장거리를 이동하게 함으로써, 크로스-토크 간섭의 가능성은 증가된다. 따라서, 파장이 이동해야 하는 거리를 감소시킴으로써 파장 분할 멀티플렉싱 시스템에서 크로스-토크 간섭을 감소시키는 컴팩트한 격자구조를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 일반적으로 파장 분할 멀티플렉싱 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 개선된 페이저용 격자구조에 관한 것이다.
본 발명의 장점 및 목적을 달성하기 위한 방법을 고려하기 위해, 본 발명의 보다 상세한 설명이 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명될 것이다. 첨부된 도면은 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 단지 예시하기 위한 것이므로, 따라서 그 범위에 한정되는 것으로 이해해서는 아니 된다. 본 발명은 첨부도면을 통해서 상세하게 설명되고 묘사된다.
도 1은 본 발명에 따른 격자를 포함하는 파장 분할 멀티플렉싱 시스템에 적용되는 페이저의 개략도.
도 2는 도 1의 입력도파관과 입력슬랩의 상세도.
도 3은 도 2의 입력슬랩의 상세도.
도 4는 도 1의 격자의 상세도.
도 5는 도 1의 출력슬랩과 출력 도파관 어레이의 상세도.
도 6a는 도 1의 페이저에 대한 바람직한 실시예 격자의 개략도.
도 6b는 도 1의 페이저에 대한 바람직한 실시예 격자의 또 다른 개략도.
도 7은 도 1의 페이저에 참조 부호(dimensional reference symbols)가 삽입된 개략도.
도 8은 도 1의 페이저에 참조 부호가 삽입된 입력슬랩과 단일 도파관의 개략도.
상기 목적 및 다른 목적은 일반적으로 S 형태의 도파관 구조를 구비하는 격자에 의해 제공된다. 격자는 어레이를 형성하기 위해 서로 인접하게 정열된 다수의 도파관을 포함한다. 어레이는 반시계방향으로 굽어지는 제1 굽힘부, 시계방향으로 굽어지는 제2 굽힘부, 직선방향으로 연장되는 제3 직선부를 포함한다. 굽힘부는 고정 또는 가변되는 곡률 반경을 갖는다. 반시계방향의 굽힘부를 따르는 각 도파관의 아크(arc) 길이는 하나의 도파관에서 다음 도파관까지 변화한다. 제 1반시계방향의 굽힘부의 아크길이는 거의 0이 된다. 반시계방향의 굽힘부를 따르는 다른 아크길이는 약간의 도파관을 다른 도파관 보다 길게 한다. 이것은 개개의 도파관의 분명한 구별을 가져온다. 또한 격자의 전체 크기는 감소된 크로스-토크를 가져오는 종래의 장치보다 작아진다.
본 발명은 S 형태의 도파관 구조를 가지는 격자를 포함하는 도파관 멀티플렉싱 시스템에 관한 것이다. 격자는 어레이를 형성하기 위해 서로 인접하게 정렬된 다수의 도파관을 포함한다. 어레이의 각 절반은 반시계방향의 굽힘부를 형성하는 제 1부분을 포함한다. 상기 제 1부분을 따르는 각 도파관의 아크길이는 어레이내의 최초 도파관에서 최후 도파관까지 다양하게 변화한다. 상기 격자구조는 보든 파장이 이동해야 하는 총거리를 감소시킴으로써 종래의 격자를 개선한다. 이것은 크로스-토크의 가능성을 감소시키고, 효율을 증가시킨다.
도 1은 파장 분할 멀티플렉싱 시스템에서 이용되는 페이저(10)를 도시하고 있다. 비록 페이저(10)가 도시되었지만, 이는 본 발명에 따른 격자가 이용되는 시스템 타입의 일례로 이해되어야 한다.
페이저(10)는 단일평면 유리 웨이퍼로 형성되고, 광학적으로 통신되기 위해 입력슬랩(14)에 연결된 입력도파관(12)을 포함한다. 입력슬랩(14)은 출력슬랩(18)에 연결된 격자(16)에 연결된다. 격자(16)는 입력슬랩(14)과 출력슬랩(18)사이에서 광통신을 가능하게 한다. 출력슬랩(18)은 광학적으로 통신 가능하도록 출력도파관 어레이(20)에 연결된다. 바람직하게, 입력도파관(12), 입력슬랩(14), 격자(16), 출력슬랩(18) 및 출력도파관 어레이(20)는 사진석판 공정을 통해서 반응 이온 에칭으로 형성된다.
도 2는 도 1의 입력도파관(12)과 입력슬랩(14)을 보다 상세하게 도시하고 있다. 입력도파관(12)은 멀티플렉스된 신호(22)를 입력슬랩(14)으로 전송한다. 사다리꼴의 입력슬랩(14)은 신호의 E-필드를 좁은 프로파일(24a)에서 넓은 프로파일(24b)로 변화시키기 위해 슬랩의 길이방향을 따라 멀티플렉스된 신호(22)를 회절시킨다. 도 3에서 도시한 바와 같이, 회절 후 넓은 프로파일 E-필드(24b)는 개개의 좁은 프로파일 E-필드 또는 격자로 인입되는 모드파장(26a-g)으로 분할된다. 입력슬랩(14)상의 다수 퓨넬(funnel)(28)은 넓은 프로파일 E-필드(24b)가 최소 에너지손실을 가지고 격자(16)내에서 개개의 도파관(30a-g)으로 분할되는 것을 도와준다.
도 4는 도 1의 격자를 보다 상세하게 도시하고 있다. 모드(26a-d)는 입력슬랩(14)을 통과한 후 도파관(30a-d)을 따라 출력슬랩(18)까지 이동한다. 각 도파관(30a-d)의 길이는 개개 파장에 대해 모드(26a-d)가 단계적으로 출력슬랩(18)에 도달되도록 선택된다. 보다 상세하게 설명하면, 일정한 길이증가가 연속되는 도파관(30a-d)사이에 제공된다. 비록 도시 되지 않았지만, 격자(16)와 출력슬랩(18)사이에 삽입된 다수의 퓨넬은 개개 모드(26a-d)가 퓨넬내에서 직진하도록 도와준다. 도 5에서 도시한 바와 같이, 사다리꼴의 출력슬랩(18)은 모드(26a-d)가 좁은 프로파일 E-필드(24a')로 변화되는 넓은 프로파일 E-필드(24b')에 결합되도록 신호(22')를 회절시킨다. 그 후 신호(22')는 출력도파관 어레이(22)에 전송된다.
도 6a는 격자(16)의 첫 번째 절반을 보다 상세하게 도시하고 있다. 상기 기술분야의 당업자는 생략되어진 다른 절반의 격자(16)를 간단히 인식할 수 있을 것이다. 도 6b에서 도시한 바와 같이, 격자(16)의 나머지 절반은 도 6a에서 도시된절반과 대칭된다. 격자(16)의 역할은 회절된 신호를 요구된 위상패턴을 구비하는 다수의 모드로 분할함으로써 길이가 변화하는 상이한 경로를 통해서 입력슬랩(14)으로부터 회절된 신호의 방향을 전환하는 것이다.
격자(16)는 어레이(32)를 구성하기 위해 서로 인접하게 형성된 다수의 도파관(30a-n)(여기서 n은 도파관의 수)을 포함한다. 어레이(32)는 반시계방향의 굽힘(36)형태의 제 1아치부(34)를 포함한다. 제 1아치부(34)는 시계방향의 굽힘(40)형태의 제 2아치부(38)로 변이 된다. 제 2아치부(38) 자체는 제1 아치부(34)와 반대되는 커브를 갖는다. 제2 아치부(38)는 어레이(32)를 수평하게 한다. 제 2아치부(38)는 대칭평면(46)으로 인도하는 직선부(44)형태의 일부(42)로 변이 된다. 도 6b에서 도시한 바와 같이, 격자(16)는 제 2직선부(42'), 시계방향의 굽힘 형태의 제 3아치부(38') 그리고 출력슬랩(18)에 연결된 반시계방향의 굽힘 형태의 제 4아치부(34')를 구비한 대칭평면(46)으로 연장된다.
제 1아치부(34)(및 제4 아치부(34'))를 따르는 각각의 도파관(30a-n)의 아크길이는 최초 도파관(30a)에서 최소이고, 최후 도파관(30n)에서 최대로 하여 일정하게 증가한다. 제 1아치부(34)를 경유하는 최초 도파관(30a)의 아크길이는 거의 0인 것이 바람직하다. 연속하는 도파관(30a-n)의 아크길이 증가가 점차 증가함에 따라 각 도파관(30a-n)의 길이는 최초 도파관(30a)에서 최소이고, 최후 도파관(30n)에서 최대로 하여 증가한다. 이는 격자(16)를 통해 전파하는 개개 모드의 분명한 구별을 제공한다. 또한, 격자의 S형태로 인해, 격자(16) 전체 크기는 종래 발명의 크기보다 작아진다. 예를 들면, 100GHz의 16 채널 페이저에서, 종래발명의 격자구조(즉,직선부/시계방향 굽힘부/직선부)의 최초 격자암의 길이는 14,670mm 이지만, 본 발명에 따른 격자구조(즉, 반시계방향 굽힘/ 시계방향 굽힘/ 직선부)의 최초 격자암의 길이는 13,772mm이다. 또한 50GHz의 40 채널 페이저에서, 종래발명의 격자구조의 최초 격자암의 길이는 13,645mm 이지만, 본 발명에 따른 격자구조의 최초 격자암의 길이는 12,729mm이다. 이러한 소형 격자 구조는 크로스-토크를 감소시키는 반면 효율을 증가시킨다. 예를 들면, 전술한 16채널 비교에서, 크로스-토크의 범위는 본 발명에 따른 격자 구조가 8dB 만큼 우수하다.
격자(16)의 효율은 다음식에 의해 보다 완벽하게 이해될 수 있다. 광이 격자(16)의 양 대칭부분을 통해 전파되는 경우, 입력슬랩(14)에서 출력슬랩(18)까지의 위상변이는 다음과 같다.
여기서,
k는 위상변이(phase shift)가 발견되는 도파관(30);
phase[k]는 도파관(30k)을 따라는 입력슬랩(14)에서 출력슬랩(18)까지의 위상변이;
neff[k]는 도파관(30k)내에서 평균 유효지수(the mean effective index);
(L 0 +kdl)는 도파관(30k)의 길이를 나타낸다.
이론적으로,neff[k]는 일정하다.
두 도파관(30)사이의 위상 차이(phase difference)는 일정하며, 다음과 같다.
공정의 변화에 따라 유효지수는 하나의 도파관(30)에서 다른 도파관까지 변화한다.
두 인접하는 도파관(30)사이의 위상 차이는 더이상 일정하지 않다. 위상 오차(phase errors)는 길이 L0를 증가시키고, 페이저(10)의 스펙트럼 전파에서 크로스-토크를 발생시킨다. 두 도파관(30)사이의 위상차이와 위상증분(phase increment)변화는 다음과 같다.
여기서 n은 도파관(30)의 수이다.
위상 오차는 격자길이에 비례하므로, 격자(16)는 가능한 한 L0를 줄이도록 고안된다.
도 7과 도 8은 최적의 S굽힘 격자구조를 도시하고 있다. 도 7에서, F는 입력슬랩(14)의 길이, I0는 입력슬랩(14)의 입력원점(input origin), Xd는 I0와 대칭평면(46)사이의 거리, R은 굽힘 반경이며 θ0는 입력슬랩(14)의 경사각이다. 대칭부는 우측에서 반복된다. 도 8에서, Lt는 퓨넬(28)의 길이, ak는 반시계방향 굽힘부(36)의 아크길이, bk는 시계방향 굽힘부(40)의 아크길이, lk는 직선부(44)의 길이이며 p는 두 도파관(30)사이의 피치이다.
S굽힘구조를 최적화하기 위해 직각좌표시스템(coordinate system)은 I0에서 시작하는 것으로 정의된다. 두 격자 도파관(30)사이의 각은 고정된다.
도파관(30k)의 방위(orientation)는 다음과 같다.
여기서 n은 도파관(30)의 수이다.
고정된 슬랩방위 θ0와 대칭평면 Xd의 위치에 대해, 변수 ak,bk그리고 lk은 다음의 일련의 세 수학식을 적용하여 계산된다.
직선부(38)와 대칭평면(46)은 직각을 이룬다.
모든 도파관(30)은 대칭평면에서 끝난다.
두 도파관(30)사이의 경통차이는 dl과 같다.
고정된 슬랩방위에 대해, 평면위치 Xd는 격자(16)내의 최단직선부(38)의 길이가 0이 되도록 최적화 된다. 대칭평면(46)의 위치는 모든 경로 길이의 편차(offset)이다.
마지막으로, 슬랩방위 θ0는 L0를 최소화하기 위해 선택된다. L0는 다음과같다.
a0는 최초 도파관 30a에 대해 0 과 같다.
상기 계산에 따르면, 격자(16)는 입력슬랩(14)의 원형경계부에서 시작되어,출력슬랩(18)의 원형경계부에서 끝나며, 도파관(30)사이에서 일정한 길이증가를 가지며, 가능한 소형인 것이 바람직하다. 점진적으로 증가하는 시계방향 굽힘은 종래의 "직선부/시계방향 굽힘/직선부"구조의 최초 직선부에 비해 유리하다. 양 구조는 격자내의 상이한 모드에 대해 일정한 이동증가를 가져오나, S형상 구조는 모든 모드에 의해 이동되어져야 하는 거리를 부분적으로 제거한다. 모드가 격자내에서 이동해야 하는 거리의 총감소는, 장치와 도파관을 보다 작게 하기 때문에 크로스-토크와 다른 간섭이 현저히 감소한다는 점에서, 유리하다.
본 발명분야의 기술자는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 다양한 변형 및 변경을 할 수 있음은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에서 제공되는 본 발명의 변형 및 변경을 포함한다.

Claims (20)

  1. 입력도파관;
    상기 입력도파관에 연결된 입력슬랩;
    상기 입력슬랩에 연결된 격자;
    상기 격자에 연결된 출력슬랩; 및
    상기 출력슬랩에 연합된 출력도파관 어레이를 포함하며,
    상기 격자는 두 대칭적 절반을 포함하고, 상기 각각의 절반은 일반적으로 S 형상의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 페이저.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 격자는 상기 입력슬랩에 결합된 제 1아치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페이저.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 격자는 상기 제 1아치부에서 연장되고, 상기 제 1아치부와 반대되는 곡선을 구비하는 제 2아치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페이저.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 격자는 상기 제 2아치부에서 연장되는 제 1직선부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페이저.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 격자는 상기 제 1아치부에서 연장되는 제 2직선부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페이저.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 격자는 상기 제 2직선부에서 연장된 제 3아치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페이저.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 격자는 상기 제 3아치부에서 연장되고, 상기 출력슬랩에 연결되고, 상기 제 3아치부와 반대되는 곡선을 구비하는 제 4아치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페이저.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 제 3아치부는 상기 제 2아치부와 반대되는 거울상인 것을 특징으로 하는 페이저.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 제 4아치부는 제 1아치부와 반대되는 거울상인 것을 특징으로 하는 페이저.
  10. S형상구조를 구비하는 어레이를 형성하기 위해 서로 인접하게 정렬된 다수의 도파관을 포함하고, 상기 다수의 도파관은 상기 어레이의 일단에서 최소 길이이고, 상기 어레이의 반대단에서 최대 길이로 하여 점진적으로 증가하는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 격자.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 S형상구조는 제 1아치부, 상기 제 1아치부에서 연장되고 상기 제 1아치부와 반대되는 곡선을 구비하는 제 2아치부, 상기 제 2아치부에서 연장되는 직선부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 격자.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제 1아치부는 반시계방향으로 굽어지는 것을 특징으로 하는 격자.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 제 2아치부는 시계방향으로 굽어지는 것을 특징으로 하는 격자.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 어레이는 상기 제 1 S형상의 구조에 반대되게 연장되는 제 2 S형상의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 격자.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제 2 S형상의 구조는 상기 제 1 S형상의 구조와 반대되는 거울상인 것을 특징으로 하는 격자.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 제 2 S형상의 구조는 제 1아치부, 상기 제 1아치부에서 연장되고, 상기 제 1아치부와 반대되는 곡선을 구비하는 제 2아치부, 상기 제 2아치부에서 연장되는 직선부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 격자.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 제 1아치부는 반시계방향으로 굽어지는 것을 특징으로 하는 격자.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 제 2아치부는 시계방향으로 굽어지는 것을 특징으로 하는 격자.
  19. 제 1반시계방향의 굽힘부, 상기 제 1반시계방향의 굽힘부에서 연장되는 제1 시계방향의 굽힘부 및 상기 제 1시계방향의 굽힘부에서 연장되는 제 1직선부를 포함하는 어레이를 형성하기 위해 서로 인접하여 정렬된 다수의 도파관을 포함하며, 상기 다수의 도파관은 점진적으로 증가하는 아크길이를 가지는 것을 특징으로 하는 컴팩트 격자.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 어레이는 상기 제 1직선부에서 연장되는 제 2직선부, 상기 제 2직선부에서 연장되는 제 2시계방향의 굽힘부 및 상기 제 2시계방향의 굽힘부에서 연장되는 제 2반시계방향의 굽힘부를 더 포함하며, 상기 다수의 도파관은 점진적으로 증가하는 아크길이를 가지는 것을 특징으로 하는 컴팩트 격자.
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