KR20020064908A - 통합 평면 광학 도파관 및 셔터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트렌치에 의해 분리되어 트렌치 주위에 배치되는 두 개의 출력 도파관 및 입력 도파관을 구비한 광학 스위치에 관한 것이다. 입력 도파관과 제1 출력 도파관은 그 각각의 코어에 의해 한정되는 각각의 광 경로를 갖는다. 이러한 광 경로 (및 코어)는 서로 일직선으로 되거나 동축성이다. 또한 상기 도파관들은 그 안에 제공되고 도파관의 굴절 지수와 다른 굴절 지수를 갖는 매체를 구비한 트렌치에 의해 분리된다. 광학 신호가 입력 도파관으로부터 제1 출력 도파관으로 전파될 때 다른 굴절 지수를 경험하더라도, 입력 도파관과 제1 출력 도파관은 입력 도파관으로부터 제1 출력 도파관으로 전파되는 광학 신호의 전달 특성에 영향을 주기에는 불충분한 거리로 분리된다. 입력 도파관과 제2 출력 도파관은 입력 도파관으로부터 제2 출력 도파관으로 통과되는 광학 신호가 트렌치를 완전히 횡단하지는 않도록, 일반적으로 트렌치의 같은 측면에 배치된다. 그래서, 입력 도파관으로부터 제1 또는 제2 출력 도파관 둘 모두로 통과되는 광학 신호가 다른 굴절 지수를 만나더라도, 광학 신호가 도파관들 사이에서 이동해야만 하는 거리는 그 신호의 광학 전달 특성에 영향을 주지 않을 정도로 충분히 작다.

Description

통합 평면 광학 도파관 및 셔터 {Integrated Planar Optical Waveguide and Shutter}

광학 스위치는 광 신호가 전파되는 경로를 결정하고 제어하는 광 네트워크의 기본 부품이다. 통상, 광학 신호("광 신호"와 "광학 신호"라는 용어는 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용되고, 넓게 해석하여 가시광선, 적외선, 자외선 등으로 언급하려 한다)는 광학 통로를 따라 통상 도파관 코어에 의해 한정되는 도파관에 의해 유도된다. 광학 신호를 차단하여 더 이상 도파관을 따르지 않거나 광학 신호를 방향 전환시켜서 다른 광학 통로를 따라, 즉 다른 도파관 코어를 통해 전파되는 것이 바람직하거나 요구될 수 있다. 하나의 도파관으로부터 다른 도파관으로의 광학 신호의 전달은 광학 신호가 (통상 거의 동일한 굴절 지수를 갖는) 도파관의 굴절 지수와 다른 굴절 지수를 가질 수 있는 매체를 통해 전파되는 것이 요구될 수 있다. 그러한 신호가 다른 굴절 지수를 갖는 재료(매체)를 통과할 경우 광학 신호의 전달 특성이 변화되는 원인이 될 수 있다는 것이 알려져 있다. 예컨대, 신호가 각각의 재료를 통하여 전파될 때 신호의 속도가 다르고, 적어도 부분적으로는재료 각각의 굴절 지수 때문에 의도되지 않은 위상 변화가 제1 굴절 지수를 갖는 재료로부터 제2 굴절 지수를 갖는 재료로 통과하는 광학 신호 내에서 유도될 수 있다. 또한, 두 개의 매체 사이의 경계부에서 편극장이 정합되지 않기 때문에 굴절된 신호가 발생할 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "매체"라는 용어는 넓게 해석하여 진공을 포함하려 한다.

이러한 광학 신호의 굴절은 굴절된 신호의 양에 의해 전달력을 감소시키고, 전달된 신호를 손실시키는 원인이기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 굴절된 신호는 광원의 방향으로 다시 이동할 수 있으며, 이는 광학 복귀 손실로 알려져 있다. 광학 복귀 손실은 광학 신호원을 불안정하게 할 수 있으므로 매우 바람직하지 않다.

두 개의 재료 (또는 매체)가 거의 동일한 굴절 지수를 갖는다면, 하나의 매체로부터 다른 매체로 통과할 때 광학 신호의 전달 특성의 현저한 변화는 없다. 굴절 지수의 부정합에 대한 하나의 해결책은 지수 정합 유체를 사용하는 것이다. 광학 스위치에서의 통상적인 사용은 도파관의 굴절 지수과 거의 동일한 굴절 지수를 갖는 재료로 적어도 두 개의 도파관 사이의 트렌치를 채우는 것이다. 따라서, 광학 신호는 하나의 도파관으로부터 다른 도파관으로 트렌치를 통해 통과할 때 현저한 굴절 지수의 변화를 경험하지 않는다.

그러한 해결책의 예시는 국제 출원 공개 WO 00/25160호에서 찾을 수 있다. 상기 출원은 스위치의 광학 성능을 유지하도록 광 경로들 사이(즉, 도파관들 사이)의 챔버 내에 시준 정합 유체를 사용하는 스위치를 개시한다. 지수 정합 유체의사용은 누출 가능성 및 유체 내의 스위칭 요소의 이동에 대한 항력에 기인한 스위치 반응 시간의 저하 가능성을 포함하는 일군의 새로운 관심사를 제기한다.

또한, 광학 신호는 트렌치를 가로질러 도파관들 사이를 통과하면서 삽입 손실을 경험할 것이다. 또 다른 관심사는 도파관 입력/출력 단면 및 트렌치에서의 불연속성에 의해 야기되는 광학 복귀 손실이다. 일반적으로, 광학 신호는 전파 방향을 따라 전파되면서 트렌치를 통과할 때, 그러한 단면의 물리적 특성(예컨대, 반사력, 수직성, 도파관 재료 등)에 기인하여 트렌치를 가로질러 후방으로 향하는 광학 신호의 (광학력의 관점에서) 일부분의 반사를 트렌치를 가로질러 후방으로 (전파 방향의 반대 방향으로) 유도할 수 있는 도파관의 입력 단면에 직면할 것이다. 이는 명백히 바람직하지 않다.

크기 또한 설계, 제조 및 광학 부품의 구성 (즉, 장치, 회로 및 시스템) 면에서 항상 존재하는 관심사이다. 광학 장치, 회로 및 시스템이 더 조밀하게 제조되고 더 적은 동력을 소비하며 더 효율적으로 작동할 수 있도록 더 작은 광학 부품을 제공하는 것이 명백히 바람직하다.

본 발명은 입력 도파관과 출력 도파관 사이에서 빛의 통과를 허용하거나 방지하는 광학 스위치에 관한 것이다.

비례적이지 않고, 단지 예시적인 도면에서, 유사한 도면 부호는 몇몇 도면을 통해 유사한 요소를 나타낸다.

도1은 본 발명에 따라 구성된 광학 스위치의 평면도이다.

도2의(a) 및 도2의(b)는 도1의 선 2-2를 따라 취해진 광학 스위치의 2가지 실시예의 단면도이다.

도3은 도1의 선 3-3을 따라 취해진 광학 스위치의 도파관의 단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 광학 스위치의 일부로서 제공된 전열 액츄에이터의 실시예의 단면 평면도이다.

도5는 본 발명에 따른 광학 스위치의 일부로서 제공된 정전 액츄에이터의 다른 실시예의 평면도이다.

도6은 본 발명에 따른 광학 스위치의 일부로서 제공된 정전 액츄에이터의 추가 실시예의 평면도이다.

도7은 도1의 도파관의 테이퍼부의 일부를 확대하여 도시하는 평면도이다.

도8의(a) 및 도8의(b)는 본 발명의 실시예에 따른 광학 스위치의 조립체를 도시한다.

도9의(a) 및 도9의(b)는 플립-칩 및 모놀리식(monolithic) 제조 기술을 각각 외부 부품 및 연결 하드웨어와 함께 사용하여 제조된 본 발명에 따른 광학 스위치 구조의 일부를 도시하는 부분 측단면도이다.

본 발명은 트렌치에 의해 분리되고 그 주위에 배치된 입관 및 출력 도파관을 갖는 광학 스위치에 관한 것이다. 입력 도파관 및 출력 도파관은 그들 각각의 코어에 의해 한정된 각각의 광학 경로를 갖는데, 이들 광학 경로 (및 코어)는 통상 서로 정렬되거나 또는 동축이다. 트렌치는 도파관의 굴절 지수와 다른 굴절 지수를 갖는 내부에 제공된 매체를 갖는다. 따라서, 역반사를 피할 수 있는데, 이는광학 신호가 입력 도파관으로부터 출력 도파관으로 전파되면서 상이한 굴절 지수를 경험하더라도, 입력 및 출력 도파관은 입력 도파관으로부터 출력 도파관으로 전파되는 광학 신호의 전달 특성에 영향을 미치기에 불충분한 거리만큼 분리되기 때문이다. 따라서, 입력 도파관으로부터 출력 도파관으로 통과하는 광학 신호가 트렌치를 완전히 가로질러야만 하더라도, 광학 신호가 도파관들 사이를 이동해야 하는 거리는 그 신호의 광학 전달 특성에 영향을 미치지 않기에 충분히 작다.

따라서, 본 발명은 여기에서 예시될 구성의 특성, 요소의 조합 및 부품의 배열을 포함한다. 본 발명의 범위는 청구항에 나타날 것이다.

본 발명은 트렌치에 의해 분리되고 그 주위에 배치된 입관 및 출력 도파관을 갖는 광학 스위치에 관한 것이다. 입력 도파관 및 출력 도파관은 그들 각각의 코어에 의해 한정된 광학 경로를 각각 갖는데, 이들 광학 경로 (및 코어)는 서로 정렬되거나 또는 동축이다. 이들 도파관은 트렌치에 의해 또한 분리되는데, 트렌치는 도파관의 굴절 지수와 다른 굴절 지수를 갖는 내부에 제공된 매체를 갖는다. 광학 신호가 입력 도파관으로부터 출력 도파관으로 전파되면서 상이한 굴절 지수를 경험하더라도, 입력 및 출력 도파관은 입력 도파관으로부터 출력 도파관으로 전파되는 광학 신호의 전달 특성에 영향을 미치기에 불충분한 거리만큼 분리된다. 따라서, 입력 도파관으로부터 출력 도파관으로 통과하는 광학 신호가 트렌치를 완전히 가로질러야만 하더라도, 광학 신호가 도파관들 사이를 이동하는 거리는 그 신호의 광학 전달 특성에 영향을 미치지 않기에 충분히 작다.

즉, 트렌치는 셔터의 제한된 두께가 트렌치 내부에 위치되게 하기에 충분히큰 반면, 트렌치는 또한 트렌치 갭 내에서 광 회절을 최소화하도록 가능한 작아야 한다.

이제 도면을 상세히 참조하면, 먼저 도1에, 본 발명의 실시예에 따라 구성된 광학 스위치(1)가 도시되어 있다. 본 발명의 광학 스위치(1)는 바람직하게는 규소 계열 반도체(예컨대 SiO2)와 광을 약간 제한하는 다른 도파관으로 구성된다. 예컨대 GaAs 및 InP와 같은 다른 반도체들도 사용될 수 있다. 추가로, 도파관 구조가 본 발명 실시예의 예시적인 예로서 이하에 설명되지만, 이에 제한되지는 않는다. 이외의 도파관 형상 및 구성은 본 발명의 사상과 범주 내에 있다.

도1은 1×1 스위치를 도시하고 있다. 스위치(1)는 도파관(3)과, 트렌치(15) 주위에 배열되고 트렌치에 의해 분리되는 출력 도파관(5)을 포함한다. 입력 도파관(3)의 본보기이기도 한 출력 도파관(5)의 단면이 도3에 도시되어 있다. 출력 도파관(5)의 이하의 설명 및 내용은 입력 도파관(3)에도 적용된다. 도파관(5)은 당해 기술 분야의 숙련자에게 공지된 반도체 제조 기술과 방법을 사용하여 구성되므로 본 명세서에서는 설명하지 않는다. 도파관(5)은 SiO2 기판(13, 일예일뿐이며, 규소 또는 석영 기판도 사용될 수 있음) 상에 적층된 하부 클래딩 층(9b) 상에 적층된 코어(7)를 포함한다.

상부 클래딩 층(9a)은 코어(7)의 주위에 코어 위에 침착되어, 매설된 도파관 구조를 형성한다.

도파관(3, 5)은 원하는 광학 특성을 제공하도록 선택된 다양한 종류의 재료들로부터 형성될 수 있다. 규소 계열(SiO2) 플랫폼 상에 본 발명의 광학스위치(1)를 구성하는 것이 바람직하지만, 원하는 광학 특성을 제공하는 다른 반도체가 사용될 수도 있다. 예컨대, 코어(7)는 게르마늄 첨가 규소를 포함할 수 있고, 반면에 상부 및 하부 클래딩(9a, 9b)은 열적 SiO2 또는 붕소 인화물 첨가 규소 유리를 포함할 수 있다. 이러한 플랫폼은 섬유에 대한 양호한 연결 및 광범위한 가용 지수 콘트라스트(0.35% 내지 1.10%)를 제공한다. 사용될 수 있는 다른 플랫폼들은, 예컨대 SiOxNy, 중합체 또는 이들의 조합을 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 인듐 인화물 또는 갈륨 비소와 같은 다른 시스템도 사용될 수 있다.

계속해서 도3을 참조하면, 코어(7)는 약 0.35% 내지 0.70% 범위의 굴절 지수를 가질 수 있고, 바람직하게는 출력 섬유에 대한 뛰어난 연결을 가능케 하는 굴절 지수는 약 0.35% 내지 0.55%의 범위일 수 있다. 코어(7)는 측면이 약 3 내지 10㎛의 두께 및 약 3 내지 15㎛의 폭을 갖는 사각형일 수 있다. 보다 바람직하게는, 코어(7)는 측면이 약 6 내지 8㎛의 두께 및 약 6 내지 14㎛의 폭을 갖는 정사각형이다. 코어(7)에 인접한 상부 및 하부 클래딩 층(9a, 9b)은 두께가 약 3 내지 18 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 15 ㎛이며, 마찬가지로 코어 두께는 약 7 내지 8 ㎛ 범위일 수 있다. 기본적인 코어 및 클래딩의 치수를 결정함에 있어서, 낮은 수평 회절 및 양호한 오정렬 공차로 관리되도록 주의가 요구된다.

다시 말하지만, 이러한 치수들은 예시적으로 제공되는 것이며 제한적이지 않다.

본 발명은 약간 제한된 도파관과 많이 제한된 도파관 모두에 적용된다. 현재는 약간 제한된 도파관을 사용하는 것이 양호하다.

도1을 다시 참조하면, 입력 도파관(3)의 코어(7)는 도파관의 종방향 길이를 따라 광학 경로(2)를 한정한다. 광학 경로(2)는 출력 도파관(5)의 코어(7)에 의해 한정된 광학 경로와 거의 동축을 이룬다. 비동축 각도는 한편으로는 광학 신호의 전파에 대한 수직과 입력 도파관-트렌치 경계면 사이에 형성된 각도에 의해 결정되고, 다른 한편으로는 이후에 설명될 트렌치 길이에 의해 결정된다. 따라서, 입력 도파관(3) 및 출력 도파관(5)은 입력 도파관(3)에서 출력 도파관(5)까지 전달되는 광량을 최대화하는, 정렬되거나 동축인 광학 경로를 가지고 서로 배열되도록 고려될 수 있다.

트렌치(15)는 입력 도파관(3)과 출력 도파관(5)을 분리시키고 도파관들이 둘레에 배치되는 기판(13, 도2의(a) 및 도2의(b) 참조) 내에 한정된다. 트렌치(15)는 굴절 지수 n을 갖는, 예컨대 공기와 같이 광학적으로 투명한 매체(120)로 부분적으로 또는 전체적으로 충전된다. 공기에 대해서, 굴절 지수는 1.00과 거의 동일하다.

스위칭 요소(130)는 광학 신호가 입력 도파관(3)과 출력 도파관(5) 사이를 통과하는 것을 허용하거나 차단한다. 스위칭 요소(130)는 이하에서 자세히 설명되는 바와 같이, 트렌치(15)에 제공된 셔터(17)와, 셔터(17)를 선택적으로 이동시키기 위하여 링크(10)에 의해 셔터(17)에 연결된 액츄에이터(33)를 포함한다. 본 발명은 액츄에이터(33)의 다양한 실시예들을 포함하며, 예컨대 전열식, 정전기식, 및 압전식이 있으며 이들 각각은 이하에서 보다 더 상세히 설명되지만 이에 제한되지는 않는다.

셔터(17)는 실리콘, 중합체, 금속 또는 유전 재료와 같은 가볍고 강성인 재료로 양호하게 제조된다. 셔터(17)는 박막 셔터일 수 있다. 이러한 경량의 강성 셔터(17)는 전기 신호에 응답하여, 예를 들어, 입력 도파관(3)으로부터의 광학 신호 출력이 차단되어 출력 도파관(5)으로 진입하는 것이 방지되는 도1에 도시된 위치와 셔터(17)가 광 경로의 외부에 배치되어 입력 도파관(3)으로부터의 광학 신호 출력이 트렌치(15)를 가로질러 통과하고 출력 도파관(5)으로 진입하는 제2 위치 사이에서, 신속하게 이동하도록 될 수 있다.

박막 셔터(17)는 광을 차단하도록 금속막(29)으로 코팅될 수 있다. 따라서, 이 스위치는 광학 파장에 대해 독립적이며, 즉 원격 통신 창(1310nm 및 1550nm 밴드)의 밴드들 모두가 동일한 스위치로 커버된다. 박막 셔터(17)는 매우 매끄러우며 정밀하게 수직인 방식으로 배치될 필요가 없으며, 단 하나의 요구 조건은 셔터(17)가 도파관(3, 5)들 사이의 광학 경로를 차단할 수 있는 것이다.

필요에 따라, 고반사 코팅은 셔터(17)의 적어도 하나의 표면(140), 양호하게는 입력 도파관(3)의 출력 단면(21)을 향하는 표면 상에 제공될 수 있다. 코팅하는 데 금을 사용하는 것은 예를 들면 원격 통신, 데이터 통신, 분광 장치에 있어서 본질적으로 파장 독립적이며 뒤틀림 없이 광을 반사(약 95% 반사)하는 표면(140)에 고반사면(29)을 제공한다. "단면"라는 용어는 도파관의 단부를 말한다.

계속하여 도1을 참조하면, 셔터(140)의 후방부(28)는 유사한 방식으로 금으로 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 스위치(7)를 교대 모드로 작동하게 하며, 도파관(5)으로부터 도파관(3)으로 이동하는 입력 신호의 전달을 조절한다.

셔터(17)는 광을 완전히 차단하거나 반사하기에 충분한 높이(hs)를 갖는다. 들어오는 광학 신호를 완전히 차단하도록 셔터(17)가 코어(7)의 두께(ts)보다 큰 높이를 갖는 것을 알 수 있다. 셔터(17)의 길이(ls)는 셔터(17)가 제1 위치에서 제2 위치로 이동되는 데 필요한 거리를 감소시키기 위해 양호하게는 최소화되며, 또한 광학 경로 내로 그리고 그로부터 셔터(17)를 이동시키는 데 필요한 전력을 감소시키며 스위치(1)의 속도를 향상시킨다. 또한, 들어오는 광학 신호를 완전히 차단하기 위해, 셔터(17)는 코어(7)의 폭(Wc)보다 큰 길이(ls)를 갖는다. 셔터(17)의 폭(Ws)은 반사된 광 경로 내의 삽입 손실에 영향을 미친다. 특히, 박막 셔터(17)는 삽입 손실을 낮출 수 있다.

트렌치는 폭이 약 8 내지 40㎛일 수 있다. 양호하게는 트렌치는 폭은 약 12 내지 20 ㎛일 수 있다.

셔터는 두께가 약 1 내지 8㎛이며, 높이가 약 10 내지 100㎛이며, 길이가 약 10 내지 100㎛일 수 있다. 셔터는 임의의 충분히 강성이며 가벼운 재료로 제조될 수 있다. 양호하게는, 셔터는 길이가 약 20 내지 70㎛일 수 있다. 더욱 양호하게는, 셔터는 두께가 약 2㎛이며, 높이가 약 30 내지 40㎛이며, 길이가 약 30 내지 40㎛이다. 셔터는 또한 실리콘으로 제조되며, 이미 기재된 바와 같이 양호한 반사 표면은 금으로 만들어진다.

계속하여 도1을 참조하면, 입력 도파관(3)은 광원(100)으로부터 광학 신호(예를 들면, WDM, DWDM, UDWDM 등)를 받아서 광학 신호를 코어(7) 내에서 광학 경로(2)를 따라 안내한다. 광학 신호는 입력 도파관(3)을 출력 단면을 거쳐 나가서 트렌치(15)로 진입한다. 셔터(17)의 위치에 따라서 광학 신호는 트렌치(15)를 가로질러 전파되어 입력 단면(21)을 거쳐 출력 도파관(5)으로 진입하거나 부딪히며, 그리고 코팅(29)에 반사되거나 (코팅이 존재하지 않으면) 셔터(17)의 표면(140)에 의해 흡수될 것이다. 전자의 경우에만, 광학 신호는 계속해서 전파되어 도파관의 광학 경로를 따라 출력 도파관(5)의 코어(7)에 의해 안내될 것이다.

계속해서 도1을 참조하면, 스위칭 요소(130)의 액츄에이터(33)는 제1 및 제2 위치 사이에서 셔터(17)의 이동을 제어한다. 셔터(17)의 이동은 그 이동이 광학 신호가 출력 도파관(5)으로 진입하는 것을 방지하거나 허용하는 능력을 제공하는 한, (예를 들면, 트렌치(15)의 바닥 표면(150)과 평행하거나 이에 수직인 평면을 따라) 임의의 방향일 수 있다. 예를 들면, 도1 및 도2의(a)는 트렌치(15)의 바닥 표면(150)의 평면과 대체로 평행한 평면을 따라 그리고 대체로 화살표(A, 도1)로 지시된 방향으로 이동 가능한 셔터(17)를 갖는 스위칭 요소(130)의 제1 실시예를 도시한다.

셔터(17)가 트렌치(15)의 바닥 표면(150)과 대체로 수직인 평면을 따라 그리고 화살표(B)에 의해 지시된 방향으로 이동 가능한 다른 실시예가 도2의(b)에 도시되어 있다. 셔터(17)의 이동 방향은 셔터(17)가 입력 도파관(3)과 출력 도파관(5) 사이에 한정된 광 경로(2) 내로 그리고 그로부터 이동할 수 있으면 중요하지 않다. 광학 신호는 그 광 경로(2) 내에 위치되면, 셔터(17)에 의해 반사되거나 흡수되며 출력 도파관(5)으로 진입하지 않는다. 광학 신호는 그 광 경로(2) 외부에 위치하면, 트렌치(15)를 가로질러 출력 도파관(5) 내로 진입한다. 액츄에이터(133)에 의한 셔터(17)의 이동은 액츄에이터(133)로의 제어 신호 입력에 응답한다. 그 신호는 전기, 광학, 기계, 또는 액츄에이터(133)가 응답할 수 있도록 하는 임의의 다른 신호일 수 있다.

액츄에이터(133)는 링크(110)에 의해 셔터(17)에 연결되고 셔터(17)를 광 경로(2) 내로 그리고 그로부터 이동시키도록 작용한다. 임의의 적합한 액츄에이터(133)가 본 발명을 실행하도록 사용될 수 있지만, 전열식 또는 전자 기계식 중 하나의 형식의 액츄에이터(133)가 양호하다.

전열식 액츄에이터는 본 기술분야에서 공지되어 있으므로, 엄밀하게 상세히 기술되지는 않을 것이다. 본 발명의 목적을 위해, (전기 에너지 인가에 의해 생성될 수 있는) 열 에너지 인가에 응답하여 그 크기를 충분히 변경하는 임의의 전열식 액츄에이터가 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 전열식 액츄에이터 사용의 한 가지 장점은 그러한 액츄에이터가 래치 형식 장치, 즉 에너지의 지속적인 인가없이 그 위치를 유지하는 장치일 수 있다는 것이다. 이는 액츄에이터가 적절히 구성되었으면 두 위치 중 하나로 절환되면 다른 위치로 절환되기 전까지 그 위치를 유지한다는 것을 의미한다.

본 발명에 사용되기에 적합한 예시적인 전열식 래치 형식의 액츄에이터(233)가 도4에 도시되어 있다. 액츄에이터(233)는 종점(35, 35')에서 공동(37)의 벽에 확실히 고정되어 있는 가요성 부재(34)를 포함한다. 공동(37)은 가요성 부재(34)의 이동을 허용하기에 충분한 크기이다. 부재(34)와 상대적으로 근접하여 위치한 히터(39)가 또한 제공된다. 히터(39)가 제공되면, 부재(34)는 가열되고 팽창한다.부재의 단부가 종점(35, 35')에 고정되면 부재(34)는 간단히 팽창할 수 없으므로, 대신 종점이 외부로 이동한다. 압축 응력이 부재의 길이를 따라 생성된다. 이러한 응력은 부재(34)가 그의 위치를 도면 부호(D)에 의해 지시된 위치로 변경하기에 충분한 수준에 이를 때까지 증가한다. 따라서, (예컨대, (도시되지 않은) 접점을 통한 전류의 인가에 의해) 히터(39)가 가열되기 시작하면, 가요성 부재(34)는 가열되고 도면 부호(C)에 의해 지시된 주위 위치와 도면 부호(D)에 의해 지시된 고정 위치 사이를 이동하기 시작한다. 또한, 부재(34)는 그 자체로 히터일 수 있다.

정전 액츄에이터 또한 셔터(17)를 선택적으로 이동시키는 데 사용될 수 있다. 정전 액츄에이터의 장점은 높은 작동 속도, 낮은 에너지 소비, 및 최소 시스템 가열을 포함한다. 본 발명과 관련하여 사용 가능한 정전 액츄에이터(333)의 한 형태가 도5에 도시되어 있다. 액츄에이터(333)는 전기장이 인가되었을 때 적어도 한 방향(예컨대, 폭 또는 길이)으로 연장되는 재료로 제작된 압전 요소(43)의 대향 측면들 상에 위치한 전극(41, 41')을 포함한다. 결과적으로, 전극(41, 41')에 전기 신호를 인가함으로써, 전기장이 생성되고 압전 요소(43)는 화살표(E)에 의해 지시된 방향으로 신장되어 셔터(17)를 이동시킨다.

하나의 액츄에이터만으로 셔터(17)에 대해 요구되는 이동량을 제공하기에 불충분할 가능성이 있다. 이는 도6에 도시된 바와 같이 복수의 교착된 핑거(45)를 포함하는 압전 액츄에이터(433)를 제공함으로써 수정될 수 있다. 이러한 핑거는 액츄에이터(433) 내의 지지체(20)에 부착되는데, 지지체는 핑거(45)의 일측면의 원치 않는 이동을 방지한다. 전기 신호가 도6에 도시된 액츄에이터(433)의 (도시되지 않은) 전극에 가해질 때, 종점(47)의 화살표(F) 방향의 총변위량은 각각의 핑거(45)의 변위량을 나타낸다. 종점(47)의 변위량은 핑거의 개별 변위량의 합이므로, 셔터(17)의 현저한 이동이 달성될 수 있다. 이러한 형식의 정전 액츄에이터(433)는 셔터(17)의 원하는 이동을 얻기 위해 약 100V 단위의 실제 전압의 인가를 요구한다. 이러한 전위의 크기에도 불구하고, 정전 액츄에이터(433)를 통한 전류가 무시할 만 하므로, 매우 작은 전력이 요구된다.

다시 도1에서, 각 도파관(3, 5)은 적어도 부분적으로 도파관 코어(7)가 구성되는 재료에 의해, 결정되는 관련 굴절 지수를 갖는다. 도파관(3, 5)에 대한 관련 굴절 지수는 서로 대체로 동일하며, 실리카 플랫폼에 대해 약 1.45의 값을 갖는다. 또한, 트렌치(15)에 제공된 매체(120)는 도파관 굴절 지수들과는 다른 관련 굴절 지수를 가질 수 있다. 예를 들어 매체가 공기이면, 그 굴절 지수는 1.00이다. 광학 신호가 전파되면서 다른 굴절 지수들을 경험할 때, 다른 굴절 지수들에 의해 신호의 어떤 특성이 변화될 수 있다. 예를 들어, 광학 신호가 전파되면서 다른 굴절 지수들을 경험할 때, (광학력의 관점에서) 광학 신호의 일부분은 입력 도파관으로 그리고 광 경로(2)를 따라 반대로 반사될 수 있다. 반사된 신호는 광원으로 다시 전파되어 광원을 불안정하게 할 수 있다. 또한, 광학 신호는 제1 굴절 지수를 갖는 재료로부터 다른 제2 굴절 지수를 갖는 재료로 통과될 때 위상 변화를 격을 수 있다. 몇몇 경우에는, 이는 바라던 결과이다. 광학 스위치에 대해서는, 광학 신호는 스위치를 구성하는 여러 가지 부품을 따라 안내되고 그에 의해 절환될 때 광학 특성의 어떠한 큰 변화로 나타나지 않는 것이 바람직하다.

굴절 지수들의 바람직하지 않은 효과를 극복하기 위해, 본 발명은 굴절 지수에서의 차이가 광학 신호 특성에서의 임의의 큰 변화를 야기할 수 없을 정도로 짧은 거리를 광학 신호가 전파되도록, 입력 도파관(3)의 출력 단면(21)과 출력 도파관(5)의 입사 면 사이의 거리를 제어한다. 따라서, 광학 신호가 (입력 도파관(3)으로부터 출력 도파관(5)으로) 트렌치(15)를 완전히 가로지르는 경우에도, 광학 신호는 매체 및 도파관의 각 굴절 지수들의 차이에 의해 임의의 큰 악영향을 받지 않는다.

본 발명의 다른 특징은, 광학 신호가 상이한 굴절 지수를 갖는 재료들 사이를 통과할 때 야기되는 광학 복귀 손실에 대한 보상이다. 굴절 지수에서의 차이는, 예를 들어 (광학력의 관점에서) 광학 신호의 일부분이 반사되어 입력 도파관 광 경로(2)를 따라 반대로 진행되게 할 수 있다. 반사된 신호는 광학 신호원에 다시 불리하게 영향을 미쳐서 반사되어 광학 신호원을 불안정하게 할 수 있다. 각 도파관의 광 경로에 대해 출력 단면(21)을 정렬함으로써, (예를 들어 도1 참조), 임의의 반사된 신호가 도파관 코어(7)로부터 이격되게 그리고 클래딩(9a 또는 9b)을 향하게되어, 그에 의해 반사된 광이 입력 도파관(3)에 의해 안내되고 입력 도파관(3)에서 전파되는 광학 신호와 간섭되는 것이 방지된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 출력 단면(21)은 약 5°내지 10°의 각도로, 보다 양호하게는 약 6°내지 8°로 배치되어, 도파관/트렌치 인터페이스에서 입력 도파관 내로 다시 반사되는 광학 손실(즉, 광학 복귀 손실(ORL, optical return loss))을 최소화한다. 양호하게는 6°의 경우에, 상술된 동축성에 대한 변위는 5.0㎛ 트렌치에 대해 0.2㎛ 내지35㎛ 트렌치에 대해 1.7㎛의 범위이다.

본 발명의 다른 특징에서, 도파관 면(21) 상에 (도시되지 않은) 반사 방지 코팅을 도포함으로써 광학 복귀 손실이 최소화될 수 있다. 반사 방지 코팅은 단층 또는 복층 구조이다. 이러한 코팅은 대부분의 파장에 대해 도파관 트렌치 경계부에서의 반사를 3.5% 로부터 1%미만으로 감소시킬 수 있다. 반사 방지 코팅 층들을 형성하는 재료 및 두께는 박막 기술에서 사용된 것들과 동일하다. 예를 들어, 1.55 ㎛의 파장에서 실리카 도파관과 트렌치 사이의 가장 양호한 단층 반사 방지 코팅 층은 1.204의 굴절 지수 및 322nm의 두께를 갖는다.

다른 실시예에서, 각이진 경계부 및 반사 방지 코팅의 조합을 사용함으로써 광학 복귀 손실률이 최소화될 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 스위치(1)로 그리고 그로부터 광을 향하게 하도록 사용되는 도파관(3, 5)의 형상에 관한 것이다. 본 발명의 이러한 특징에 따르면, 그리고 도1 및 도7에 도시된 바와 같이, 테이퍼형 목 구역(51)이 도파관(3, 5) 중 적어도 하나 상에 제공되어, 도파관 폭은 트렌치(15)로부터 먼 위치(49)에서 보다 작은 단면적으로 테이퍼진다. 테이퍼형 목(51)은 트렌치에서 광의 회절을 감소시키는 데 도움을 준다. 제한적이 아닌 예로서, 트렌치(15)의 구역에서, 도파관 폭은 약 5 내지 15㎛의 범위일 수 있다. 이러한 폭은 먼 위치(49)에서 약 4 내지 10㎛의 범위로 테이퍼진다. 이러한 치수는 예로서 이해되어야 하며, 본 발명의 범주 및 취지 내에서 다른 치수로 될 수 있다.

테이퍼형 목 구역(51)은 광학 신호가 도파관(3, 5)을 따라 전파되고 그에 의해 안내될 때 부드러운 전이를 가능하게 한다. 테이퍼형 목은 공지된 도파관 광학 원리를 따라 도파관을 통한 광 이동을 한정하여, 테이퍼형 목이 아닐 경우에 광이 다른 치수를 갖는 도파관들 사이를 통과할 때 발생되는 광학 손실을 크게 감소시킨다. 이는 제1 폭의 도파관으로부터 제2 폭의 도파관으로의 갑작스런 변화 시에 발생되는 감쇠와 대조된다.

주어진 설치를 특히 고려하여, 다양한 테이퍼율이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 스위치는 도8의(a) 및 도8의(b)에 도시된 플립-칩 제작 기술을 사용하여 조립될 수 있다. 플립-칩 제작 시에, 도파관(3, 5)과 트렌치(15)는 제1 칩 상에 형성되고, 셔터(17)와 액츄에이터(33)는 제2 칩 상에 형성된다. 조립 전에, 두 개의 칩은 서로 대면하도록 배치되고, 칩의 대응되는 부분들이 서로 대향되도록 정합되어, 그 후 결합된다.

대안으로, 본 발명의 다른 실시예에서, 광학 스위치(1)는 스위칭 요소(130)와 도파관(3, 5)을 모놀리식으로 형성함으로써 제작될 수 있다. 이러한 실시예에서, 광학 스위치(1)의 여러 부품들은 지금 공지되었거나 또는 이후에 발전될 반도체 에칭 기술 및 공정을 사용하여 재료의 다른 층들의 선택적인 증착 및 제거를 통해 단일 기판(13) 상에 형성된다. 모놀리식 제작의 유리한 점 중 하나는 두 개의 기판이 결합되기 전에 다른 부품들을 정합시킬 필요가 없다는 것이다.

다음으로 도9의(a) 및 도9의(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 플립-칩 및 모놀리식으로 형성된 광학 스위치(1)가 각각 도시되어 있다. 또한, 상기 두 도면은 도파관 코어(7)가 섬유 코어(65)와 광학적으로 연결되도록, 예를 들면 광섬유(67)와 같은 외부 광학 부품에 광학 스위치(1)가 연결되는 것을 도시한다. 각각의 광섬유(67)는 홈이 파인 부재(69)에 의해 지지되고, 섬유 뚜껑(63)을 사용하여 제 위치에 고정된다. 유리 커버(61)는 밑에 놓인 스위치 부품들을 보호한다. 또한, 광섬유를 고정시키거나 다른 광 경로를 사용하는 대안적 방법이 사용될 수 있다.

상기 두 제작 기술간의 차이점 중 하나는 스위칭 요소(130)를 플립-칩을 위한 도파관 위에 그리고 모놀리식을 위한 기판(13) 내부에 위치시킨다는 것이다.

이해해야 할 것은 본 발명은, 각도, 재료, 형상 또는 크기가 청구항의 특정 언어에 의해 제한되는 것을 제외하고는, 본 명세서에 언급된 각도, 재료, 형상 또는 크기에 제한되도록 의도되지 않는다는 것이다.

그래서, 양호한 실시예에 적용된 본 발명의 신규한 특징들이 도시되고 설명되고 언급되었지만, 본 개시된 발명의 형상 및 세부 항목의 다양한 생략, 치환 및 변경이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 당업자들에 의해 행해질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그래서 오직 본 명세서에 첨부되는 청구항의 영역에 의해 지시되는 바에 의해서만 제한되도록 의도된다.

또한 이하의 청구항은 본 명세서에 설명된 본 발명의 일반적인 그리고 구체적인 모든 특징들과, 언어의 문제로 인해 빠져나갈 수도 있는 본 발명의 영역의 모든 설명을 커버하도록 의도된다. 특히, 본 발명은 본 명세서에 개시된 치수, 비율 또는 배치에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (20)

1. 광원으로부터의 광학 신호 경로를 개폐하는 광 스위치에 있어서,

   상기 광학 스위치는, 관련 굴절 지수를 가지며 제1 도파관 종방향 축에 의해 일반적으로 한정되는 제1 도파관 광 경로를 따라 광학 신호를 안내하는 제1 도파관과, 관련 굴절 지수를 가지며 상기 제1 도파관의 종방향 축과 대체로 동축인 제2 도파관 종방향 축에 의해 일반적으로 한정되는 제2 도파관 광 경로를 따라 광학 신호를 안내하는 제2 도파관을 포함하며,

   상기 제1 및 제2 도파관은 관련 굴절 지수를 갖는 매체를 갖는 트렌치에 의해 이격되며,

   상기 광학 스위치는, 일 표면을 가지며 상기 트렌치 내에 배치된 셔터와, 상기 셔터에 연결되어 상기 제1 도파관 통로로부터의 광학 신호가 상기 트렌치를 통해 상기 제2 도파관 내로 통과하는 제1 위치와 제1 도파관으로부터의 광학 신호가 셔터의 표면을 부딪혀서 제2 도파관으로 진입하는 것이 방지되는 제2 위치 사이에서 셔터를 이동시키는 액츄에이터를 더 포함하며,

   상기 제1 및 제2 도파관에 대한 관련 굴절 지수는 대체로 동일하나 매체의 관련 굴절 지수와는 다르며, 상기 제1 및 제2 도파관은 광학 신호가 제1 및 제2 도파관과 매체의 다른 굴절 지수들에 의해 영향받지 않는 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 도파관은 약 8 내지 40㎛ 이하의 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 도파관은 약 12 내지 20㎛ 이하의 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
4. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 전열 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
5. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 압전 액츄에이터 및 정전 액츄에이터 중 하나인 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
6. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는 대체로 일정한 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
7. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는 가변 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 도파관은 광학 신호가 제1 도파관을 빠져 나와서 트렌치로 진입하는 트렌치를 향한 단면을 가지며, 상기 제2 도파관은 트렌치를 떠난 광학 신호가 제2 도파관으로 진입하는 트렌치를 향한 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
9. 제8항에 있어서, 트렌치를 향하는 단면들 중 적어도 하나는 그 도파관의 광 경로에 대해 각을 이루는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
10. 제9항에 있어서, 상기 단면들 중 적어도 하나는 약 6°와 10°사이만큼 각을 이루는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
11. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 도파관 단면 각각은 대응 도파관의 광 경로에 대해 각을 이루는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
12. 제11항에 있어서, 각각의 도파관 축에 대한 제1 및 제2 도파관 단면의 각각의 각도는 약 6 내지 10°사이인 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
13. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는 표면을 갖고, 상기 셔터는 상기 표면에 평행한 선을 따른 제1 및 제2 위치 사이에서 상기 표면을 따라서 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
14. 제1항에 있어서, 상기 트렌치는 표면을 갖고, 상기 셔터는 상기 표면을 교차하는 선을 따라서 제1 및 제2 위치 사이에서 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
15. 제1항에 있어서, 상기 제1 도파관은 제1 폭과, 상기 제1 폭보다 좁은 제2 폭과, 광학 신호가 제1 도파관을 빠져 나와서 트렌치로 진입하는 트렌치에 면하는 단면과, 제1 및 제2 폭을 결합하는 테이퍼진 전이부를 갖고, 상기 제1 폭은 상기 단면에 제공된 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
16. 제1항에 있어서, 상기 제1 도파관은 제1 폭과, 상기 제1 폭보다 좁은 제2 폭과, 트렌치를 떠난 광학 신호가 제2 도파관으로 진입하는 트렌치에 면하는 단면과, 제1 및 제2 폭을 결합하는 테이퍼진 전이부를 갖고, 상기 제1 폭은 상기 단면에 제공된 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
17. 제1항에 있어서, 상기 셔터는 폭이 약 2㎛이고 길이가 약 20 내지 70㎛인 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
18. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 래치 형식의 장치인 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
19. 광학 스위치 내에서 광학 신호를 절환하는 방법에 있어서,

    상기 광학 신호는 안내되어 입력 도파관에서 출력 도파관의 입력 단면으로 나오고, 상기 입력 도파관 및 출력 도파관은 서로 사실상 동일한 관련 굴절 지수를 각각 갖고, 상기 입력 도파관 및 출력 도파관은 도파관의 굴절 지수와 상이한 관련 굴절 지수를 갖는 매체가 내부에 구비된 트렌치의 대향 측면 상에 배치되고,

    상기 방법은 광학 신호가 매체와 도파관의 상이한 굴절 지수에 의해 영향을 받지 않는 거리만큼 입력 도파관 및 출력 도파관을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 트렌치는 약 12 내지 20㎛ 사이의 폭을 갖고 입력 도파관 및 출력 도파관을 분리하는 거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.