KR20030051668A - 도파관 마이크로-공진기의 공진을 변경하는 방법 - Google Patents

도파관 마이크로-공진기의 공진을 변경하는 방법 Download PDF

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데스몬드 알 림
리오넬 씨. 키머링
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매사츄세츠 인스티튜트 오브 테크놀러지
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Abstract

동조, 스위칭 또는 변조, 통상적으로 도파관 마이크로-공진기의 공진을 변화시키는 방법이 제공된다. 마이크로-공진기의 크기를 정밀하게 변화시키거나, 디바이스의 로컬 물리 구조를 변화시키거나, 마이크로-공진기에서의 모드의 굴절 인덱스를 변화시킴으로써 영구적으로 또는 일시적으로 공진의 변화가 발생될 수 있다. 또한, 도파관 주위의 인덱스 프로파일의 비대칭성을 변화시키는 것은 도파관의 복굴절률을 바꿀 수 있으며 도파관의 극성을 제어할 수 있게 한다. 이러한 인덱스 프로파일의 변화는 공진기들의 극성 의존성 또는 복굴절률을 변화시키는데 사용될 수도 있다

Description

도파관 마이크로-공진기의 공진을 변경하는 방법{METHODS OF ALTERING THE RESONANCE OF WAVEGUIDE MICRO-RESONATORS}
마이크로미터 범위의 공진 파장을 갖는 마이크로미터 크기의 광학 공진 디바이스인 마이크로-공진기들은 광 원격통신용 집적 광학에서의 잠재적인 어플리케이션에 기인하여 커다란 관심을 얻고 있다. 마이크로-공진기들은, 이들이 원격통신 파장에서 공진하도록 설계될 수 있기 때문에, 광 원격통신에서의 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 어플리케이션에서 애드-드롭(add-drop)필터로서 유용하다. WDM 어플리케이션에서, 각각의 마이크로-공진기들은 상기 디바이스로 공진되는 광의 특유의 파장을 가산(add)하거나 드롭(drop)한다. 이런 어플리케이션에서, 특정 파장에 따르는 마이크로-공진기들의 공진을 국부적으로 동조하는 능력은 집적 광학에서 마이크로-공진기들의 성공적인 구현에 결정적이다.
높은 인덱스 차(코어 및 클래딩의 굴절 인덱스에서의 차이) 도파관 지오메트리로부터 형성된 소형 마이크로-공진기들은 이들의 자유 스펙트럼 범위가 크기 때문에 특히 유용하다. 높은 인덱스 차 도파관은 특히 코어와 클래딩 사이에서 0.3과 동일하거나 그 보다 큰 인덱스 차를 전형적으로 가지며, 채널 도파관 및 리브(rib) 도파관을 포함하는 여러 다른 지오메트리에서 형성될 수 있다. 채널 도파관은 유전체 도파관으로서, 그 코어는 굴절 인덱스가 코어보다 낮은 재료 또는 재료들로 이루어진 클래딩에 의해 둘러싸이며, 피크 광 강도가 코어에 남아 있게 된다. 높은 인덱스 차 도파관은 리브 도파관을 포함하는 다른 도파관 지오메트리에 한정될 수 있다. 리브 도파관은 유전체 도파관으로서, 그 코어는 굴절 인덱스가 코어와 동일한 적어도 하나의 재료로 이루어진 클래딩에 의해 둘러싸여 있다. 채널 도파관과 차이가 있는 도파관 구성에서, 높은 인덱스 차 도파관은 모드-필드(mode-field) 크기가, 높은 인덱스 차 채널 도파관(단면 영역에서 50% 차이 내)과 유사한 것으로서 한정된다. 이런 도파관에서, 클래딩은 광학 모드의 이버너센트(evanescent) 필드가 존재하는 영역으로서 한정된다.
공진 형상의 특성 및 도파관 마이크로-공진기들의 위치의 변경은 이런 디바이스의 유용성이 이런 기술에서 예견되기 때문에 매우 중요한 현안이 된다. 도파관 마이크로-공진기들의 한 어플리케이션은 집적 광학에서 협대역 광 필터링이다. WDM, 즉 광 통신에서 점차 사용이 증가되는 기술은 이런 필터의 사용을 요구한다. 따라서, 이런 도파관 마이크로-공진기들의 특성을 수정하는 효율적인 방법을 개발하는 것은 상당한 연구가 진행되야 한다.
공진 형상의 특성을 변경하는 데에는 2가지 접근법이 있다. 제1 접근법은 어떤 응답의 특성이 변경되는지를 이해하는 것이다. 예컨대, 공진도 Q, 파장 또는 주파수 도메인에서의 위치 및 그 형상이 모두 변경된다.
공진의 질 또는 Q는 에너지가 공진기에 머무는 시간량에 영향을 미침에 의해 변경될 수 있다. 공진의 질에 영향을 미치는 것으로 나타난 한 방법은 마이크로-공진기들에서 흡수를 유도하는 단계를 포함하며, 캐스케이드된 마이크로-공진기들을 사용함에 의해 형상에 영향을 미치는 방법을 포함한다. 이런 제1 방법은 유도되야만 하는 흡수량이 크며 그 방법이 간접-대역-갭(indirect-band-gap) 반도체 및 광대역 유전체 재료에 용이하게 적용될 수 없기 때문에 구현하기 어렵다. 반면에 유용한 제2 방법은 마이크로-공진기들의 공진을 스위칭, 변조 또는 동조하는데 필수적인 공진에서의 임의의 동적 변경에 알맞지 않게 된다.
공진 위치. 즉 광 마이크로-공진기들의 공진 파장 또는 동등한 공진 주파수는 디바이스의 물리적 차원과, 공동(cavity)을 포함하는 재료의 굴절 인덱스에 의해 결정된다. 따라서, 공동 모드의 유효성(the effective) 및 그룹 인덱스를 변경하면 공진 파장을 변경할 수 있다. UV 감광 글래스를 클래딩 재료로서 낮은 인덱스 콘트라스트(전형적으로 0.1 보다 적은 코더 및 클래딩의 인덱스에서의 차이) 링 도파관에 걸쳐 사용함에 의해 마이크로-링 마이크로-공진기들의 동조가 또한 나타난다. 링 도파관의 모드의 유효성 및 그룹 인덱스가 변경하는 클래딩의 굴절 인덱스를 변경하면, 공진 라인 위치에서 쉬프트가 일어난다. 이런 방법이 낮은 인덱스 콘트라스트 도파관에 유효하다 할지라도, 이 방법은 높은 인덱스 콘트라스트 도파관에 대해 요구되는 인덱스 변경량이 너무 큰 경우와 같이 높은 인덱스 콘트라스트(전형적으로 0.3과 동일하거나 또는 그 보다 큰 코어 및 클래딩의 인덱스에서의 차이)에서는 덜 효율적이다. 그러나, 높은 인덱스 콘트라스트 도파관의 클래딩에서의 작은 인덱스 변경은 미세한 동조 어플리케이션에 충분한 라인 위치에서 커다란 쉬프트를 가져올 수 있다.
마이크로-공진기들의 코어(가이딩층(guiding layer))의 굴절 인덱스를 변경함에 의해 반도체 마이크로-공진기들의 공진를 변경하는 방법들이 또한 있다. 그러나, 이 방법은 클래딩 영역 및 비반도전(non-semiconducting) 기판에서의 인덱스 변경을 포함하지 않는다. 다른 방법은 교차하는 입출력 도파관을 갖는 마이크로-공진기들 필터의 특정 경우를 사용하는 것과 연관된다. 이런 마이크로-링 필터 구성은 크로스토크 및 손실이, 높은 인덱스 콘트라스트 시스템에서 크기 때문에 필수적으로 낮은 인덱스 차 도파관 시스템이 된다.
폭넓게 사용되는 또 다른 방법은 열-광학(thermo-optics) 효과가 온도에서의 변화에 의한 마이크로-공진기들 공동의 코어의 인덱스를 변경하는데 사용되는 열-광 동조 방법이다. 쉽고 간단하게 구현되는 열 동조는 잠재적인 높은 밀도 어플리케이션에서 큰 크로스 토크를 가져오는 단점이 있다.
공진 형상이 어떻게 변경되는지를 분석하는 제2 접근법은 마이크로-공진기들의 어떤 물리적인 양상이 공진 형상의 특성에서 소정의 효과를 갖는데 용이하게 변경될 수 있는지를 이해하는데 있다. 예컨대, 흡수 방법 및 다수의 링의 국부적인 근접성은 마이크로-링의 공진 형성을 변경시키는데 사용된다. 여러 다른 방법들은마이크로-공진기들 디바이스들의 공진 형상을 변경시키기 위해 감쇠(decay)의 공진기 내부율의 변화와 관련된다. 공진기의 감쇠의 내부율은 링에서의 흡수 및 손실에 의해 결정된다.
마이크로-공진기들의 공진을 동조하는 다른 방법은 그 공진 위치를 쉬프트시키기 위해 스트레스를 인가하는데 있다. 인가된 스트레스가 코어 및/또는 클래딩 재료의 굴절 인덱스에서 변경을 포함한다면, 마이크로 공진기에서의 공진 조건 변경 및 공진 피크는 이런 변경에 따라 쉬프트된다.
스트레스에 의한 광 공진의 동조는 이전에 개발되었다. 본딩된 압전 소자를 이용한 대형 광 공진기의 공진을 동조하는 방법이 설명되고 있다. 압전 소자는 내재하는(underlying) 광 공진기에 전압이 인가될 때 이에 스트레스를 제공하기 위해 광 공진기의 상부 표면상에 본딩된다. 공진기에 인가된 스트레스는 굴절 인덱스에서의 변경을 포함하며, 따라서 공진을 변경한다. 이런 방법은 대형 이산(discreet) 광 소자에서만 적용가능하며, 도파관 입출력을 갖는 초소형의 전형적인 집적 온-칩(on-chip)인 마이크로-공진기들의 공진을 국비적으로 동조하는데 적합하지 않다. 따라서, 마이크로-공진기들 온칩을 국부적으로 동조하는 능력을 갖는 것이 요구되고 있다.
열-광학 효과 및 UV 감광 산화물의 사용은 마이크로-공진기들 공동에서 모드의 유효성 및 그룹 인덱스를 변화시킴에 의해 공진 위치를 변경시키는 예가 된다. 본 발명에서는 구현되기 쉬운 높은 인덱스 콘트라스트 도파관 마이크로-공진기들의 위치, 형상 및 공진을 변경시키는 다른 방법에 초점을 맞추고 있다.
마이크로-공동 공진기의 공진을 변경시키는 메카니즘은 소정의 속도 또는 그 의도된 사용의 균등의 시간 프레임에 따라 리터러쳐(literature)에서 3개의 라인들을 따라 분할된다. 가장 빠른 어플리케이션은 데이터가 인코딩되는 속도에서 통상 일어나는 변조에 있다. 통신시, 속도는 1ns 보다 작은 시간에 대응하는 1GHz를 초과한다. 데이터가 통신 네트워크에서 라인들간에 라우트될 필요가 있는 속도에서 스위칭이 일어난다. 느린 스위칭은 ms 정도에서 일어나며, 패킷 스위칭은 1ns만큼 빠를 수 있다. 결국, 동조는 공진에서 영구적 또는 장시간 변경으로 간주된다.
<발명의 요약>
본 발명에 따르면, 동조, 스위칭 또는 변조, 통상적으로 도파관 마이크로-공진기의 공진을 변화시키는 방법이 제공된다. 마이크로-공진기의 크기를 정밀하게 변화시키거나, 디바이스의 로컬 물리 구조를 변화시키거나, 마이크로-공진기에서의 모드의 굴절 인덱스을 변화시킴으로써 영구적으로 또는 일시적으로 공진의 변화가 발생될 수 있다. 게다가, 도파관 주위의 인덱스 프로파일의 비대칭성을 변화시키는 것은 도파관의 복굴절률을 바꿀 수 있으며 도파관의 극성을 제어할 수 있게 한다. 이러한 인덱스 프로파일의 변화는 공진기들의 극성 의존성 또는 복굴절률을 변화시키는데 사용될 수도 있다. 본 발명은 높은 Q(Q는 100이거나 그 이상임)의 마이크로-공진기의 공진 특성을 변화시키는데 유용하며, 이러한 특성 변화는 높은 Q 공진을 갖는 도파관 마이크로-공진기를 무한의 정확도로 제조하는 것이 곤란하기 때문이다.
본 발명의 목적은 광학 마이크로-공진기 공동의 공진을 변화시키기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명 및 장치는 광학 마이크로-공진기 공동의 주파수 또는 파장 도메인의 진공 위치를 변경하고, 광학 마이크로-공진기 공동의 공진의 형상을 변경하기 위해 제공된다. 본 발명의 다른 목적은 집적화된 광학 도파관의 극성을 제어하는 방법과, 광학 도파관 마이크로-공진기의 복굴절을 증가 또는 제거하는 방법을 제공하는 것이다.
마이크로-공진기 공동의 공진을 변화시키는 방법은 마이크로-공진기 공동의 감쇠의 내부율 및 흡수율을 변화시키고, 마이크로-공진기 공동의 국부적인 부근의 재료의 굴절률을 변화시키고, 마이크로-공진기 공동의 물리적 구조를 변화시키고, 마이크로-공진기 주위의 국부적인 부근의 물리적 구조를 변화시키고, 마이크로-공진기 공동의 인덱스 프로파일의 대칭성을 변화시키며, 마이크로-공진기 공동의 재료 복굴절을 변화시키는 것을 포함한다.
본 발명에 따르면, 광학 마이크로-공진기 공동에 막의 에칭 또는 제거 또는 부가는 공진의 위치를 변화시킨다. 막의 제거 또는 에칭은 공동을 산화 분위기에 직접 노출하는 화학 수단에 의해 수행될 수도 있다. 더욱이, 마이크로-전기 및 기계 또는 MEM 디바이스를 이용하여 마이크로-공진기 공동의 로컬 환경을 변형하는 것은 공진의 형상을 변화시킨다. MEM 디바이스는 마이크로-공진 디바이스와 매우 근접하거나 접촉하여 흡수 재료 또는 그밖의 비흡수 재료를 가져오는데 사용될 수 있다.
코어에 의해 흡수될 수 있는 레이저 광을 이용한 광학 조사는 교대로 마이크로-공진기 공동의 공진 위치를 변화시키는데 사용되는 영구적인 크기 변화 또는 코어에서의 영구적인 굴절률 변화를 유도한다. 마이크로-공진기 공동의 클래딩으로서 전기 광학 재료를 사용함으로써 공동이 공동 위치가 제어되는 것이 가능하다.
높은 인덱스의 콘트라스트의 도파관 공동의 클래딩의 굴절률 변화(코어 또는 클래딩의 인덱스 차는 0.3이거나 그 이상임)는 공진의 위치를 변화시키는데 사용될 수 있다. 집적화된 광학 도파관의 대칭성을 변화시킴으로써 도파관의 극성 의존 반응을 변화시킬 것이다. 이러한 변화는 집적화된 광학 도파관 극성 제어기에서 활성될 수 있다. 마이크로-공진기 공동의 인덱스 프로파일의 대칭성을 변화시키는 것은 공동의 극성 의존 공진 위치를 유도하거나 제거하는데 사용될 수 있다.
로컬 스트레스를 인가함으로써 마이크로-공진기의 굴절률를 국부적으로 제어할 수 있다. 굴절률을 변화시킴으로써 마이크로-공진기의 공진 위치를 차례로 시프트시킬 것이다.
본 발명은 광학 분야에 관한 것으로, 특히 광학 도파관 마이크로-공진기들, 0.1마이크로미터 내지 1 밀리미터 정도의 크기를 갖는 초소형 광학 마이크로-공진기들의 공진의 특성을 변경하는데 있다. 이러한 도파관 기반의 마이크로-공진기의 예로서 광학 마이크로-링 공진기, 및 1차원 주기 포토닉 밴드 갭 도파관 구조가 있다.
도 1A는 예시적인 마이크로-공진기들 공동을 도시한 개요 블럭도, 도 1B는 마이크로-링 공진기의 형태에서 예시적인 도파관 마이크로-공진기들의 마이크로사진이다.
도 2A는 박막의 제거, 피착 또는 성장이 어떻게 마이크로-공동 공진기의 공진을 동조 또는 트림하는데 사용될 수 있는지를 도시한 개요도, 도 2B는 화학 산화의 결과로서 5 마이크론 반경의 마이크로-링 공진기의 공진 쉬프트의 플롯을 갖는 그래프이다.
도 3A는 공진기가 동조 소자의 존재에 의해 동조되는 광 동조 디바이스의 개요도, 도 3B는 마이크로-공진기들 공동을 변경시키기 위해 MEMs 디바이스들을 사용하는 시스템의 개요 블럭도.
도 4A는 마이크로-공진기들 공동의 공진을 변경시키는 광 조사의 개요 블럭도, 도 4B는 다른 파장으로 릴렉싱(relaxing)하는 포스트 광 조사 공진 위치의 플롯을 갖는 그래프, 도 4C는 광 조사 동안, 그 전 및 후에 공진 피크 위치의 플롯을 갖는 그래프이다.
도 5는 높은 인덱스 콘트라스트 도파관의 공진을 변경시키기 위해 재료 클래딩의 인덱스를 변경하기 위한 시스템의 개요 블럭도.
도 6A-6D는 TE 또는 TM 모드중 어느 하나에 대한 인덱스 프로파일을 변경시킴에 의해 도파관의 대칭이 어떻게 변경되는지를 나타내는 개요 블럭도.
도 7은 스트레스에 의해 마이크로-공진기들을 동조하는 디바이스(700)를 도시한 개요 블럭도.
도 8은 스트레스 소자로서 압전 소자를 사용하는 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 개요 블럭도.
도 9는 도 8에 도시된 실시예의 X-Y 면을 도시한 단면도.
A. 공진 위치 및 공진 형상의 영구 변화 방법. 공진기의 임시 동조용 디바이스.
a. 박막의 제거, 피착 또는 성장에 의한 광 도파관 마이크로-공진기들 공동의 영구 동조 및 트리밍.
도 1A는 예시적인 마이크로-공진기들 공동(100)의 개요 블럭도이다. 공동(100)은 N 입력(104) 및 M 출력(106) 도파관을 갖는 진성 공진기(102)를 포함한다. 공진에 인접한 마이크로-공진기들 공동의 출력 도파관들중 적어도 하나의 응답은 저우측 인세트(bottom right inset)에 나타난다. 설명의 목적으로, 공진은 인세트에 나타난 첨예한 스파이크로 한정되며, 파장 λres은 파장 스펙트럼에서 공진의 위치이다. y축 라벨은 전송 T이다.
도 1B는 마이크로-링 공진기의 형태에서 예시적인 도파관 마이크로-공진기들 공동의 마이크로사진이다. 마이크로-링 공진기는 도면에 도시된 바와 같이 2개의 직선 버스 도파관에 접속된 링의 토폴로지에 있는 도파관을 갖는다. 광은 하나의 도파관으로부터 나와서 작은 부분이 링으로 접속된다. 링 주위의 일주(round trip) 후, 광의 파장이 링에서 공진된다면, 링에 있는 광은 버스로부터 링에 접속된 광에 위상이 가산된다. 그 후 전력이 구축되고, 대기 상태에서 링의 에너지는 제2 버스 도파관에 접속된다. 링 도파관에서 전력의 오프 공진(off resonance)은 절대 구축될 수 없으며, 입력 버스 도파관에서 에너지는 거의 상해입지 않은 링을 지나 주행한다.
본 발명은 예컨대 하나 이상의 마이크로-공진기들의 코어에서 또는 그 주위에서의 박막과 같은 재료의 제거, 피착 또는 성장과 관련된다. 마이크로-공진기들의 코어 또는 클래딩중 어느 하나로부터 재료를 제거하면, 마이크로-공진기들 공동 모드의 유효성 및 그룹 인덱스가 감소되어, 공진의 적색 쉬프트(red shift)를 가져온다. 마이크로-공진기들의 코어 또는 클래딩중 어느 하나상에 재료를 피착하면, 마이크로-공진기들 공동 모드의 유효성 및 그룹 인덱스가 증가되어, 마이크로-공진기들 공동 모드의 청색 쉬프트(blue shift)를 가져온다. 층의 성장은 이하 새로운 재료의 박막의 형성을 위한 화학 반응에서 기판의 박막의 소비로서 정의된다. 이런 새로운 재료는 원 재료와는 다른 인덱스를 가지며, 일반적으로 마이크로-공진기들 공동 모드의 유효성 및 그룹 인덱스에서 변화를 야기한다.
도 2A는 박막의 제거, 피착 또는 성장이 마이크로-공진기들의 공진을 동조 또는 트리밍하는데 어떻게 사용될 수 있는지를 나타내는 개요도이다. 상좌단부는 처리되지 않은 도파관 횡단면(200)을 도시한다. 도파관은 비록 소정의 형상일 수 있지만 여기서는 직사각형으로 도시된다. 도면의 상우단부에서, 코어상에 유전 재료(202)의 피착 효과가 도시된다. 여기서, 코어 인덱스는 도파관에서 유효성 및 그룹 인덱스를 번갈아 변경하는 박막의 존재에 의해 수정된다. 하좌단부에서, 코어의 일부(204)는 제거되어 낮은 유효 인덱스를 가져오고, 공진 파장의 명확한 적색 쉬프트를 초래한다. 하우단부에서, 재료(206)의 성장 효과가 묘사된다. 여기서 몇몇 재료는 화학적으로 다른 재료를 형성하기 위하여 소비된다. 최종층에 따라, 이는 통상 비록 적색 쉬프트를 설계하는 것이 가능하다 할지하도 공진의 청색 쉬프트를 초래한다.
하나 이상의 마이크로-공진기들의 감쇠 시간은 또한 마이크로-공진기들의 코어에서 또는 그 주위에서 박막의 제거, 피착 또는 성장에 의해 변화될 수 있다. 이에 대한 2가지 가능한 물리적인 효과가 있다. 제1 효과는 마이크로-공진기들에서 외부 버스 도파관까지의 커플링 계수에서의 변화에 있다. 도파관 마이크로-공진기들의 감쇠 시간에서 변화를 야기할 수 있는 제2 물리적 효과는 마이크로-공진기들의 진성 손실의 감소에 있다. 이런 하나의 예는 코어와 마이크로-공진기들의 클래딩의 굴절 인덱스들간에 인덱스 또는 인덱스의 연속(그레이딩(grading))을 갖는 박막의 피착 또는 성장이다.
이런 방법 모두에서, 동조 및 트리밍에 중요한 사항은 정밀하게 제어되는 피착, 제거 및 성장 프로세스이다. 예컨대, 마이크로-공진기들 공동의 유효 길이에서의 1% 변화는 1550nm의 파장에서 공진 라인 위치에서 15nm의 쉬프트를 초래할 수 있다. 따라서, 막 두께는, 공진 위치가 설계된 중심 주파수의 0.1nm 내에 있을 필요가 있기 때문에, 정밀하게 제어되야만 한다.
매우 잘 제어된 화학 산화 프로세스는 본 발명에 따르는 링 공진기의 공진의 위치를 변화시키는데 사용된다. 5마이크론 반경의 링 공진기는 단일 모드 실리콘 도파관을 사용하여 제조된다. 링의 응답은 그 후 측정된다. 피라냐(piranha)(3:1 H2SO4:H2O2)용액은 표면을 화학적으로 산화시키는데 사용되고, 링 응답은 재측정된다. 3nm의 공진 라인 위치 쉬프트가 측정된다. 산화량이 파라냐 용액의 농도와, 링이 용액에 노출되는 시간에 의존하기 때문에, 이는 디바이스의 라인의 위치를 제어하는 효율적인 방법이다. 이런 실험의 결과는 도 2B의 그래프에 도시된다. 그 결과는 높은 인덱스 재료(실리카, n=3.5)가 낮은 인덱스 콘트라스트(실리카, n=1.5)로 산화될 때 예상되는 청색 쉬프트를 명확히 나타낸다.
이전에 설명한 바와 같이, 재료의 제거, 피착 또는 성장을 위한 프로세스는 매우 정밀하게 제어되야만 한다. 막 두께를 제어하는 하나의 효율적인 방법은 느린 화학 반응을 사용하는데 있다. 예컨대, 화학 산화 방법은 약 10분에 5nm의 실리콘 산화물을 성장하는데 사용된다. 따라서, 화학 방법을 주의깊게 교정함에 의해, 실리콘 도파관의 매우 적은 양이 소비될 것이다. 박막의 두께를 제어하는 방법에 대한 리터러쳐에는 많은 아이디어들이 있으며, 다음의 리스트로 결코 제한되지 않는다. 박막의 제거를 위해, 몇몇 형태의 물리, 가스 또는 액상 화학 또는 방응성 이온 에치가 사용된다.
박막의 피착을 위해, 스퍼터링, 스핀-온, 화학 기상 피착 또는 분자 빔 에피택시(epitaxy)가 사용되며, 이 모두는 리터러쳐에 설명된다. 결국, 박막의 성장을 위해, 플라즈마, 기상 또는 액상 화학 반응의 몇몇 형태가 통상 사용된다. 사용될 수 있는 여러 기판 및 화학 반응은 이하 제한된 리스트를 배제한다.
b. EM 에너지를 사용하여 광 도파관 마이크로-공진기들 공동에 대한 원위치 및 영구 광 동조 및 트리밍.
본 발명에 따르면, 전자기 파 에너지의 레이저 또는 몇몇 다른 형태는 마이크로-공진기들 공동상에 국부적으로 초점을 맞춘다. 열 에너지의 실질적인 양이 마이크로-공진기들 공동에 전달된다면, 재료는 마이크로-공진기들의 코어 또는 클래딩에서 물리적 또는 화학적 변화, 또는 인덱스 변화를 당한다. 제2 효과는 마이크로-공진기들의 코어 또는 클래딩중 어느 하나의 플라스틱 변형에 선행하는 코어와 클래딩 사이의 열 차이 열 팽창의 결과를 가져온다. 제1 효과는 레이저 유도된화학적 변화에 의해 유도될 수 있다. 이들 2가지 방법은 마이크로-공진기들 공동 모드의 유효 경로 길이 또는 유효성 및 그룹 인덱스를 번갈아 변경하는 마이크로-공진기들 공동의 물리적 구조를 변경할 수 있다.
또한, 전자기 에너지는 마이크로-공진기들의 외부 감쇠 시간에서의 변화를 초래한다. 제1 효과는 마이크로-공진기들와 외부 버스 도파관과의 커플링 계수에서의 변화에 있다. 도파관 마이크로-공진기들의 감쇠 시간에서 변화를 야기하는 제2 물리적 효과는 마이크로-공진기들의 진성 손실에서의 감소에 있다. 이런 한 예는 인덱스, 또는 마이크로-공진기들의 코어 및 클래딩의 굴절 인덱스들 사이의 인덱스들의 연속(그레이팅)을 갖는 박막의 피착 또는 성장에 있다.
코어에서 인덱스 변화의 효과는 감광상 재료 또는 오래 지속되는 광 굴절 효과의 결과일 수 있다. 광 동조 및 트리밍은 그 효과가 국부적일 수 있으며 어떠한 크로스 토크가 일어날 수 없기 때문에 특히 유용하다.
본 발명에 따르면, 이런 기술은 마이크로-링 공진기의 공진의 위치를 변경하는데 사용된다. 더욱이, 일시적인 효과는 광 굴절 효과의 사용에 의해 유도된다. 링 공진기는 단일 모드의 실리콘 도파관을 사용하여 제조된다. 광은 레이저로부터 마이크로-링에 포커싱된다. 링을 열 균형이 되게 한 후, 광은 턴오프되고 릴렉스되게 한다. 릴렉스된 파장은 원 위치로부터 12nm 쉬프트된다. 본 발명에 따르면 이런 효과가 포화됨을 알 수 있다. 많은 열 사이클 후, 마이크로-링의 공진은 위치를 변경하기 않는다.
도 4A는 마이크로-공진기들 공동(400)의 공진을 변경시키기 위한 광 조사를도시하는 개요 블럭도이다. 도면에는 전파 방향에 수직한 단면이 있다. 레이저 광은 파이버(402)를 통해 1W, 850nm 레이저로 제공된다. 공진기에 의해 필터링된 광은 도면에서 보이는 평면으로부터 들어와 피사체에서 수집된다. 높은 전력의 레이저에 의한 상부로부터의 조사는 공진 라인 위치에서의 변화를 야기한다. 수치값은 이러한 변화를 달성하는데 사용되는 값이며, 임의의 다른 수치값의 사용을 배제하지 못한다.
도 4B는 원 파장 보다 13nm 큰 파장(1565nm)로 릴렉싱된 포스트 광 조사 공진 위치의 플롯을 갖는 그래프이다. x축은 시간이고, y축은 파장이다. 점선은 원 파장을 나타낸다. 조사시, 파장은 중간값으로 점프하고 새로운 값으로 느리게 복귀한다. 이런 최종 릴렉스된 값은 조사 이전의 원 파장으로부터 13nm에 있다.
도 4C는 광 조사 이전, 동안 및 그 후 공진 피크 위치의 플롯을 갖는 그래프로서, 그 효과가 자기 제한됨을 나타낸다. 도 4A 및 4B에 도시된 타입의 조사를 반복하면, 포화 효과를 나타나고, 추가적인 조사는 변경되지 않는다. x축은 파장이고, y축은 정규화된 전송이다.
이와 함께, 도 4A-4C는 광 조명법을 사용하여 마이크로 공진기 공동의 공진을 변화시키는 방법을 도시한다. 예시적 실시예에서, 파이버에 결합된 1W, 850 ㎚ 레이저를 사용하여 실리콘 마이크로-링 공진기 상에 작은 스폿을 포커싱시킨다. 일반적으로, 레이저 광은 클래딩에 투과되고 코어층에 흡수되어 최대 에너지를 코어에 전달하도록 선택되어진다. 결과는 공진선 위치를 100초 정도에 걸쳐 서서히 감쇠시키는 것이다. 그러나, 일루미네이션 이후 공진기의 최종 위치는 원래 파장으로부터 13 ㎚ 떨어져있다. 이것은 굉장한 변화이다. 마이크로-공진기로 전달된 강도 및 에너지를 제어함으로써, 공진기 위치의 변화량을 제어할 수 있다. 최종적으로, 공진 변화 효과는 자기 한정적(self-limiting)임이 나타났고, 수많은 일루미네이션 사이클이 반복된 후 공진 위치 변화를 중단한다.
동조될 필요가 있는 마이크로-공진기 공동을 먼저 테스트한다. 동조 크기(공진기의 시프트량)가 일단 결정되면, 고강도의 레이저 스폿이 링에 비친다. 필요한 레이저 노광량을 결정하는 데 두가지 방법이 있다. 첫번째 방법은 교정 방법을 사용하여 일련의 라인 시프트를 야기시키는 데 필요한 레이저 일루미네이션량을 결정하는 것이다. 두번째 방법은 본래의 레이저 라인 시프트를 측정하여 발생할 수 있는 어떤 열 시프트를 고려하는 것이다.
레이저 광은 마이크로-공진기 공동에 흡수되고 상부 또는 하부 클래딩에 투과되도록 또는 클래딩에서 흡수하고 코어에 투과되도록 선택될 수 있다. 이러한 방법으로, 거대한 량의 에너지가 코어 또는 클래딩으로 전송되어, 차별적인 효과를 갖는다. 더우기, 레이저 스폿 사이즈는, 회로 상의 다른 부품에 어떠한 영향을 미치지 않고 하나의 공진기 공동을 조정할 수 있어야 하기 때문에, 광학 마이크로-공진기 공동의 사이즈 정도이어야 한다.
c. 광 도파관 마이크로-공진기 공동 동조 디바이스
본 발명에 따라, 광 도파관 마이크로-공진기를 동조시키는 디바이스를 설명하기로 한다. 상기 디바이스는 인덱스(index) 차가 큰 도파관 마이크로-공진기의 위치 또는 공진 형상을 일시적으로 변화시킨다. 디바이스는 클래딩에 의해 둘러싸인 패턴층 코어를 갖는 마이크로 공진기를 포함하여, 이 마이크로 공진기가 물리적으로 교차하지 않는 입력 및 출력 도파관을 갖게 된다. 클래딩은 디바이스가 일시적으로 동조되지 않는다면 순간 전계가 존재하는 코어를 둘러싸는 영역(영역들)을 포함한다. 일시적인 동조 효과는 하나 이상의 패턴층(동조 영역)에서의 굴절 인덱스의 순간적인 변화에 의해 발생한다. 동조 영역에서의 일시적인 변화는 코어와 접촉하지 않는 적어도 하나의 전극에서의 전압 변화 또는 전류에 의해 발생된다. 동조 영역은 전기 광학, 열 광학, 음향 광학, 자기 광학 광 굴절 효과를 나타내거나 또는 전자-기계 수단에 의해 가동될 수 있는 하나 이상의 재료로 이루어진다. 동조 영역은 코어 마이크로- 공진기와 접촉하거나 접촉할 수 없다. 도 3A는 이러한 디바이스를 개략도를 도시한다.
도 3A는 동조 소자(308)가 마이크로-공진기 공동(302)의 공진을 변화시키는 데 사용되는 시스템(300)의 개략적 블럭도이다. 공진기 및 동조 소자는 클래딩/기판(304) 상에 구성되고 클래딩(306)에 의해 둘러싸인다.
본 발명의 일실시예에서, 피복율을 변화시킴으로써 (코어와 클래딩 사이의 인덱스차가 0.3 이상인) 콘트라스트 인덱스가 큰 도파관 마이크로-공진기 공동의 변조 및 스위칭을 행한다. 콘트라스 인덱스가 큰 도파관을 갖는 어려운 점 중 하나는 금속 접촉부가 도파관의 모드와 간섭하지 않고 도파관의 코어의 인덱스를 변화시키는 데 어려움이 있다는 것이다. 피복율을 변화시킴으로써, 전극 또는 금속 접촉부가 공진기의 클래딩에 놓여질 수 있기 때문에 문제는 경감된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 전기 광학 재료가 광 도파관 마이크로-공진기공동에 대한 피복 재료로서 사용된다. 전기 광학 피복 재료 양단에 전압을 인가함으로써, 클래딩의 굴절률이 변한다. 도파관의 코어를 덮는 클래딩을 사용하는 잇점은 광 도파관 전력의 대부분이 도파관의 코어에 또는 코어 주변에 집중된다는 사실과 밀접하게 관련있다. 전기 광학 효과가 도파관의 코어에 사용된다면 말 그대로 코어가 클래딩보다 높은 굴절률을 갖기 때문에 금속 전극이 도파관 마이크로-공진기의 코어에 근접하게 된다는 것이다. 이것은 손실을 크게 하고, 디바이스의 Q가 제한될 것이라는 것을 의미한다. 금속 전극이 도파관의 코어로부터 (순간 전계의 1 devay 길이보다 더)멀리 위치한다면, 전계의 많은 비율이 낮은 인덱스 도파관 양단에서 드롭되어 디바이스의 효율을 감소시킨다. 따라서, 본 발명은 마이크로-공진기 공동 디바이스의 전기 광학 재료를 특성 손실없이 구현할 수 있게 한다.
도 5는 콘스트라스트 인덱스가 큰 도파관의 공진을 변화시키기 위해 재료 클래딩의 인덱스 변화에 영향을 주는 시스템(500)의 개략적 블럭도이다. 도파관은 산화물층(502), 코어(504), 전기 광학 재료층(506), 및 금속 전극(508)을 포함한다. 전기-광학 재료는 클래딩으로서 코어의 상부에 피착되어 있다. 클래딩의 인덱스가 변화될 수 있는 데, 이것은 코어의 효율 인덱스를 변화시키게 된다. 이러한 도파관이 마이크로-공진기를 형성하는 데 사용된다면, 이러한 인덱스 변화는 동조 메카니즘으로서 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, MEM 디바이스는 도파관 코어에서 멀리 떨어진데 위치하는 금속 전극에 의해 가동된 마이크로-공진기 디바이스와 접촉하거나 근접하여 재료를 흡수하거나 흡수하지 않거나 하는 데 사용된다. MEM은 이해가 용이하고통합된 광학 환경에서의 구현이 비교적 용이하기 때문에 관심을 끄는 기술이다. 이러한 효과들을 한곳에 국한하여 고밀도 환경에서 구현할 수 있다.
도 3B는 MEM 디바이스(316)가 마이크로-공진기 공동(312)의 공진을 변화시키는 데 사용되는 시스템(310)의 개략적 블럭도이다. 일반적으로, MEM 캔틸레버는 마이크로-공동으로/로부터 편향하도록 설계되어 코어 유전체에 영향을 미친다. MEM 캔틸레버는 코어 인덱스와 매치하는 인덱스가 큰 재료로 된 박층으로 설계되거나 또는 흡수 강화를 위해 금속층으로 설계될 수 있다.
본 발명에 따르면, 코어 인덱스 2인 도파관에 대한 피복 인덱스 변화율이 1%에서 유효 인덱스 변화율 0.2%로 되는 빔 전파 시뮬레이션에 의해 도시된다. 유효 인덱스 0.2% 변화는 3㎚의 라인 시프트를 발생하게 한다. Q=2000인 공진기에서, 이것은 전체 4개 폭에 대한 시프트이다.
마이크로-공진기 공동에서 전기 광학 효과의 타당성을 증명하기 위해 빔 전파 시뮬레이션이 (코어와 클래딩 간의 인덱스차가 0.3 이상인) 콘트라스트 인덱스가 큰 도파관에서 사용되었다. 콘트라스트 인덱스가 낮은 도파관에서, 유효 및 그룹과는 관계없이 전기 광학에 의한 피복율의 변화가 커지게 될 것임을 나타낸다. 1%의 피복율 변화는 콘트라스트 인덱스가 0.5인 도파관에 대해 유효 인덱스 변화율이 0.2%가 되게 한다. 유효 인덱스 변화율 0.2%이면 3㎚의 라인 시프트를 일으킨다. Q=2000인 공진기에서, 이것은 전체 4개 폭에 대한 시프트이다.
전술한 실시예에서, 본 발명은 마이크로-공진기 공동 모드에 대한 작은 휴요 인덱스 변화를 제공하기 위해 작은 광 파이버를 사용한다. 공기로 피복된 실리콘마이크로-링 공진기의 공진 응답을 먼저 측정한다. 광학 파이버는 공진기 공동으로까지 낮아진다. 파이버가 낮아진 이후 응답이 2번 측정되었고 파이버가 상승한 이후 3번 측정되었다. 손실에 따른 공진선의 히스테리시스 및 확장은 파이버에 묻은 오염 재료 때문이다. 그럼에도 불구하고 1 ㎚에 걸친 라인 시프트는 이러한 방법이 실행가능한 동조법임을 나타낸다. 이론적인 라인-시프트는 상부에 규소가 도포되거나 도포되지 않은 실리콘 마이크로-공진기의 효과적인 인덱스 측정에서 나타날 수 있다.
공기 클래드(clad)에서 규소 클래드로 규소 전환된 공진기가 있다고 가정했을 때, 최고로 효과적인 인덱스 변화는 0.8%이고, 이는 12nm의 라인 시프트와 상응한다. 훨씬 작은 라인 시프트가 나타내는 사실은 파이버가 링과 깊게 접촉되지 않았다는 것이다. 그러나, 이 실험은 대체로 기계 장치를 사용하여 마이크로-구멍의 공진기를 파괴하지 않고 이동시킬 수 있다는 것을 보여준다.
이러한 장치의 동작은 간단하다. 높은 인덱스 도파관의 클래딩은 인덱스가 변할 수 있도록 설계된다. 일반적으로, 클래딩의 인덱스를 변화시키는 소정의 방법이 사용된다. 이러한 방법의 두가지 예는 클래딩의 인덱스를 변화시키기 위해 전자-광학 클래딩과 MEMs 장치를 사용한다. 마이크로-공진기의 조정, 변조 또는 스위칭이 요구되면, 클래딩의 인덱스는 조정, 변조 및 스위칭된다.
본 발명의 상술된 양호한 실시예는 마이크로-구멍 공진기의 주변 환경을 변화시키기 위해서 다양한 기계적 방법을 사용한다. 따라서, 도 5에서와 같이, 전기적 수단을 사용하여 편향될 수 있는 작은 캔틸리버(cantilever)상에 장착된 유전재료와 결합될 수 있는 마이크로-전자 기계(MEMs) 장치를 쉽게 볼 수 있다.
MEM 장치를 사용하여 공진기의 위치나 형태를 변화시키는 많은 방법이 있다. 첫번째 방법은 상술된 양호한 실시예에서 사용되었고, 여기에서 클래딩의 효과적인 그룹 인덱스들을 변화시키는 것은 캔틸리버상에 장착된 유전체를 사용하여 이루어진다. 두번째 방법은 금속과 같이 높은 손실의 재료를 갖는 공진기 또는 공진기의 인덱스에 가까운 인덱스를 갖는 유전체 중의 하나에 접촉됨으로써 손실을 초래할 수 있다. 또한, 이러한 재료 중의 하나는 캔틸리버 빔상에 장착된다. 높은 손실을 갖는 재료는 마이크로-공진기 구멍 모드에서 흡수될 수 있고, 이 모드의 인덱스에 가까운 인덱스를 갖는 유전체는 구멍 모드의 손실을 차례로 증가시키는 스케터링을 유발하는데 사용될 수 있다. 이러한 두 효과에서 마이크로-공진기 구멍의 Q가 떨어질 것이다. 또한, 마이크로-공진기 구멍과 아주 가깝게 있거나 접촉되어 있는 비흡수 재료는 상기 모드의 효과적인 그룹 인덱스를 변화시킬 수 있고, 이는 차례로 공진기의 위치를 변화시킨다.
MEM 조정 기술의 세번째 사용은 다른 극성에 대해서 한 극성의 효과적인 그룹 인덱스를 변화시키는 것을 선호한다. 이는 마이크로-구멍의 동작에 따른 분극화를 유도하거나 제거하는데 도움을 준다. MEMs 구조의 정확한 구현은 당업자들에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 양호한 실시예는 도파관 마이크로-공진기 구멍의 코어에 근접한 (코어보다 낮은 인덱스의) 전자-광학 재료의 제조와 관련된다. 금속 전극은, 도파관을 관통하는 넓은 전기장을 인가하기에 충분히 가깝고, 코어로부터 사소한 정도의 손실을 갖도록 충분히 (소멸 필드의 1 devay 길이보다 더) 먼 공진기 주변에서 제조된다. 스위칭 동작은 공진기에 가까운 짧은 거리를 통해 적절한 전압을 인가함으로써 이루어지고, 이는 클래딩의 인덱스를 변화시키고, 따라서 공진기의 모드에서 효과적인 그룹 인덱스가 얻어진다. 효과적인 그룹 인덱스의 이러한 변화는 차례로 공진기 선의 위치 변화를 가져온다. 전자-광학 효과가 사용되기 때문에, 이 효과는 매우 신속하다. 전자-광학 재료의 선택은 동작에 있어서는 중요하지 않지만, 장치의 제조에 있어서 중요하다. 예를 들어, KDP 또는 리튬 니오베이트와 같은 비선형 결정은 쉽게 이해된다는 장점이 있지만, 통합 광학 시스템으로 통합되기는 힘들다. 반면에, 전자-광학 중합체는 제조하기는 쉽지만, 잘 이해되기는 힘들다. 그러나, 두 방법 모두가 사용될 수 있다.
B. 분극화 제어
a. 통합된 광학 도파관의 대칭을 동적으로 변화시킴으로써 통합된 광학 도파관의 분극화 제어
양호한 실시예에서, 본 발명은 동적 방식에서 도파관의 대칭을 변화시킴으로써 통합된 광학 도파관의 높은 인덱스 차이의 특성에 따른 분극화를 제어하는 방법을 포함한다. 소정 입력 파이버의 분극화가 무작위로 될 수 있고, 소정의 통합 시스템의 동작이 이 무작위성을 계산에 넣어야만 하기 때문에, 통합된 광학 도파관의 분극화 제어가 중요하다. 분극화 제어는, 제조에 있어서 변화들에 더욱 민감하기 때문에, 높은 인덱스 차이의 도파관에서 특히 중요하다.
이러한 무작위성을 무효로 하는 한 방법은 통합된 광학 분극화 제어기를 사용함으로써 통합된 광학 회로에서 분극화를 제어할 수 있다.
분극화 제어는 여러가지 방법들 중의 하나로 달성될 수 있고, 이 방법들은 도파관의 횡단면 대칭을 바꾸는 도파관의 코어 주변의 클래딩 인덱스의 대칭을 바꾸는 방법, 도파관의 횡단면 대칭을 바꾸는 도파관 코어 및/또는 클래딩 재료의 복굴절을 변화시키는 방법, 도파관의 손실에 따라 분극화를 바꾸는 높은 인덱스 도파관의 코어 주변의 클래딩 인덱스의 흡수를 변화시키는 방법, 또는 열-광학 효과에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 도파관의 클래딩의 인덱스를 변화시키는 방법등이 있다.
본 발명에 따르면, 빔 전파 시뮬레이션에 의해 비대칭적으로 클래딩의 효과적인 굴절 인덱스를 변화시키는 것은 다른 극성에 대해서 하나의 극성의 효과적인 인덱스를 변화시킬 수 있다는 것을 보여준다. 이는, 차례로 도파관 아래로 내려가는 광의 분극화 변화를 가능하게 한다.
도파관의 인덱스 대칭을 변화시키는 일반적인 소정의 방법이 사용될 수 있다. 사실, 상술된 어떤 방법이라도 도파관에 비대칭적으로 적용된다면, 제어 방법에서, 광학 도파관의 공진기 파장의 분극화 의존도가 변화될 것이다. 예를 들어, 도 6A 내지 6D는 도파관의 대칭을 어떻게 변화시키는지에 대해서 도시되어 있다.
도 6A에는 축퇴된(degenerate) TE 및 TM 모드의 대칭 도파관(600)이 도시된다. 전달 상수는 이론적으로 동일하다. 이 축퇴를 없애기 위해서, 도파관 주변의 인덱스 프로파일은 도 6B에서와 같이 변화될 수 있다. 도파관 주변의 대칭이 깨지고, 축퇴가 상승하면, TE 및 TM 모드 둘 다에서 서로 다른 효과적인 인덱스가 나타난다. 반면에, 비대칭의 도파관은 도 6C 또는 6D에서와 같이 만들어지고, 제조상의 허용 오차 또는 다른 목적때문에, 분극화 의존 동작을 가질 수 있다. 이 의존도는 인덱스 프로파일의 비대칭성이 변화된다면 보상될 수 있다. 이러한 아이디어들은 분극화 의존 동작을 강화하거나 보상하기 위한 마이크로-링 공진기 도파관으로 쉽게 확장될 수 있다.
도파관의 인덱스 프로파일은, 대칭축상의 하나의 인덱스가 실질적으로 변화될 수 있도록 설계되고, 다른 대칭축상의 인덱스는 전혀 변화될 수 없거나, 다른 대칭축의 프로파일에 대해서 반대 사인으로 변화되도록 설계된다. 이러한 방식으로, 분극화 의존에서의 변화가 요구될 때, 하나의 대칭축의 인덱스 프로파일은 변화될 수 있다. 예를 들어, 장치의 TE 모드를 늦추도록 요구된다면, 수직축의 효과적인 인덱스는 증가하고, 및/또는 수평축의 효과적인 인덱스는 감소한다.
코어의 대칭 및/또는 도파관의 클래딩을 변화시키기 위해 사용되는 방법은 다음을 포함한다: 전자-광학 효과, 음파-광학 효과, MEMs 장치의 사용, 및 열-광학 효과.
본 발명의 실시예에 따르면, 편광 제어 통합형 광학 도파관 장치는 도파관 주위에 하나 이상의 동조 소자를 배치함으로써 제조된다. 동조 소자는 도파관의 인덱스의 단면 대칭성, 도파관을 포함하는 재료의 복굴절율의 단면 대칭성, 또는 도파관을 포함하는 재료의 흡수성의 단면 대칭성을 변경하도록 제어된다. 이 실시예에서, 동조 소자를 활성화하기 위해 전극이 사용될 수 있다. 또한, 이들 전극은 클래딩시 광 강도의 감쇠 길이보다 큰 거리에 배치하는 것이 바람직하다.
이 기술은 통합형 광학 편광 제어기를 구현하는데 적용할 수 있다. 일반적으로, 광 신호로부터 소량의 전력이 편광기를 통하여 검출된다. 이 편광기는 단일 편광 도파관일 수 있다. 검출된 신호는 동조 수동 장치를 작동시키는데 사용되어 도파관의 인덱스 프로파일을 비대칭적으로 변경할 수 있으며, 이에 따라, 도파관에서 광의 편광성을 변경할 수 있다. 장치가 패킷 스위치 환경에 있다면, 조절 속도는 나노초 수준일 필요가 있으며, 전기-광학 효과와 같은 신속한 효과가 요구된다.
b. 마이크로 공진기 공동의 인덱스 프로파일의 대칭성의 변경에 의한 공동의 편광 의존성 공진 위치의 변경
앞서 설명한 방법이 마이크로 공진기에 적용된다면, 마이크로 공진기의 편광 의존성은 변경될 수 있다. 본 발명은 마이크로캐비티 공진기에서 복굴절율을 고정하는데 특히 유용하다. 전술한 바와 같이, 본 발명이 개시되고 있는 빔 전파 시뮬레이션에서는 클래딩의 굴절 인덱스를 비대칭적으로 변경시켜 양쪽 편광의 인덱스의 차이를 변경시킬 수 있다.
도파관의 인덱스 대칭성을 변경하는 일반화된 방법이 사용될 수 있다. 공진기 도파관의 인덱스 프로파일은, 대칭의 한 축의 인덱스가 실질적으로 변경되고 대칭의 다른 축의 인덱스는 거의 변경되지 않도록 또는 대칭의 다른 축의 프로파일에 대해 반대의 부호로 변경되도록 설계된다. 편광 의존성의 변경이 요구되는 경우, 이러한 방법으로 대칭의 한 축의 인덱스 프로파일을 변경할 수 있다. 예를 들어, 공진기의 TE 모드를 느리게 하려면, 수직 축의 유효 인덱스의 증가 및/또는 수평 축의 유효 인덱스의 감소를 실시한다. 이러한 방법으로, 마이크로캐비티의 TE 및TM 모드 양자는 원위치에서 동조되어 동일한 공진 위치를 제공할 수 있으며, 따라서 편광 의존성을 삭감 또는 강화시킨다.
본 발명의 실시예에 따르면, 통합형 광학 도파관 마이크로 공진기의 편광 의존성은 도판관 마이크로 공진기 주위에 하나 이상의 동조 소자를 배치함으로써 제조된다. 동조 소자는 도파관의 인덱스의 단면 대칭성, 도파관을 포함하는 재료의 복굴절율의 단면 대칭성, 또는 도파관을 포함하는 재료의 흡수성의 단면 대칭성을 변경하도록 제어된다. 이 실시예에서, 동조 소자를 활성화하기 위해 전극이 사용될 수 있다. 또한, 이들 전극은 클래딩시 광 강도의 감쇠 길이보다 큰 거리에 배치하는 것이 바람직하다.
C. 스트레스 동조
도 7은 스트레스에 의해 마이크로 공진기를 동조하는 장치(700)의 블록도이다. 마이크로 공진기(702)는 입력 도파관(704) 및 출력 도파관(706)에 접속된다. 스트레스 소자(710)는 국지적인 스트레스 필드를 마이크로 공진기에 제공한다. 스트레스 소자와 마이크로 공진기는 분리층(708)에 의해 분리된다. 분리층의 기능은 스트레스 소자와 마이크로 공진기를 공간적으로 분리하고, 스트레스 필드를 전달하는 것이다. 스트레스 소자가 마이크로 공진기에 제공하는 스트레스의 양을 변화시킴으로써, 마이크로 공진기의 굴절 인덱스가 변경된다. 이러한 굴절 인덱스의 변경은 마이크로 공진기의 공진 조건의 변경을 야기하여, 공진 파장을 시프트시킨다.
스트레스의 통합적인 국부 제어를 달성하기 위해, 스트레스 소자는 각종 피착 기술, 예컨대 스퍼터링, 전기 도금, 화학적 피착, 물리적 피착 등을 통해 박막으로서 칩상에 피착된다. 이러한 피착 단계는 피착된 막의 보존성을 향상시키기 위한 추가의 공정 단계를 필요로 한다. 스트레스 소자는 패턴화되어 바로 아래의 마이크로 공진기만 영향을 받도록 국지적으로 스트레스를 가한다. 이러한 공정 설계를 통해, 복수의 마이크로 공진기가 온 칩상에 통합된 경우에도, 각각의 마이크로 공진기의 통합적인 국지적 공진 동조가 가능해진다. 추가적인 공정 단계에서, 아래의 층에 가해지는 스트레스를 제어하도록 스트레스 소자와의 접속을 설정한다.
분리층이 존재하여 마이크로 공진기를 스트레스 소자로부터 공간적으로 분리시키므로, 스트레스 소자는 마이크로 공진기의 광학 모드를 혼란시키지 않는다. 분리층의 두께는 이러한 혼란을 피하도록 선택된다. 분리층이 존재하므로, 스트레스 소자로부터의 스트레스 필드만이 전달된다. 분리층은 마이크로 공진기(702)에 클래딩으로 작용하므로, 마이크로 공진기가 작동하는 파장에 대해 투과성을 가져야 한다.
공진 동조는 스트레스에 의해 유도되는 스트레인의 회복에 따라 영구적 또는 일시적으로 될 수 있다. 스트레스가 제거된 후 스트레인을 역전시키는 매카니즘이 마이크로 공진기에 있다면, 동조는 일시적이고, 그러한 매카니즘이 없다면 동조는 영구적이다.
도 8은 스트레스를 인가하여 마이크로 공진기의 공진을 동조하는 장치(800)의 다른 실시예의 블록도이다. 마이크로 링 공진기(802)는 그 크기에 따른 공진 특성을 갖는다. 입력 도파관(804) 및 출력 도파관(806)은 광을 마이크로 링에 입력 및 출력한다. 압전 소자(808)가 스트레스 소자로 작용한다. 소자(808)는 동조온/오프를 위한 전기 접속부에 접속된다. 클래딩층(810)이 마이크로 링을 둘러싸고, 마이크로 링을 소자(808)로부터 공간적으로 분리한다. 클래딩층은 공진 파장에 투과성이 있으며, 마이크로 링 및 도파관 보다 낮은 굴절 인덱스를 갖는다.
소자(808)에 전압이 인가되면, 그 소자는 아래의 클래딩층에 스트레스를 공급한다. 클래딩층은 스트레스를 마이크로 링에 전달하여 굴절 인덱스가 변경하게 한다. 이러한 변경은 마이크로 링의 공진 조건의 변경을 야기하고, 결국 출력 도파관과 결합된 공진 파장을 시프트시킨다. 그러므로, 마이크로 공진기의 공진 동조가 달성된다.
도 8의 장치(800)의 X-Y 평면의 단면이 도 9에 도시되어 있다. 입력 및 출력 도파관은 마이크로 링과 물리적으로 분리되어 있다. 그러나, 도파관으로 입출력하는 광은 순간적인 결합을 통해 마이크로 공진기에 전송된다.
도 8의 실시예에서 작동하는 전압 범위는 원하는 동조 범위를 얻도록 적절히 선택된다. 이러한 전압 범위는 0V에서 시작하는 것은 아니다. 이 실시예에서는 다른 타입의 마이크로 공진기, 예컨대 마이크로-포토닉 밴드 갭(PBG), 마이크로-디스크, 마이크로 구체, 회절 격자 등이 사용될 수 있다. 마이크로 일렉트로 매카니컬 서브시스템(MEMS), 정전기 소자 등과 같은 다른 타입의 스트레스 소자도 이 실시예에서 사용될 수 있다.
본 발명이 몇가지 양호한 실시예에 관해 설명되고 기술되었지만, 그 형태 및 세부 사항에 대한 다양한 변경, 추가, 생략 등은 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 가능하다.

Claims (40)

  1. 도파관 마이크로-공진기의 공진 위치 또는 외부 감쇠 시간을 정정하기 위한 방법에 있어서,
    상기 도파관내에서 또는 그 주위에서의 재료의 피착, 제거 또는 성장을 물리적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재료의 변경은 상기 도파관 마이크로-공진기의 코어에서 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 재료의 변경은 상기 도파관 마이크로-공진기의 클래딩에서 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 변경은 상기 도파관 마이크로-공진기의 광학 경로 길이를 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 변경은 상기 도파관 마이크로-공진기의 커플링을 변화시키고, 이로 인해 커플링 효율 및 도파관 마이크로-공진기의 공진 형상이 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 도파관 마이크로-공진기의 공진 위치 또는 형상을 정정하는 방법에 있어서,
    상기 공진기 상에 다량의 전자기 에너지를 집중시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전자기 에너지는 상기 도파관 마이크로-공진기의 공동 코어(cavity core)에 다량의 열 에너지를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 도파관 마이크로-공진기 코어를 포함하는 하나 이상의 재료는 물리적 또는 기계적 변화, 또는 인덱스 변화를 겪는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 전자기 에너지는 상기 도파관 마이크로-공진기 공동을 둘러싼 영역에 다량의 열 에너지를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 전자기 에너지는 상기 도파관 마이크로-공진기의 광학적 경로 길이의 변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 전자기 에너지는 상기 마이크로-공진기의 커플링을 변화시키고, 이로 인해 마이크로-공진기의 커플링 효율 및 공진 형상이 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 공진의 위치 또는 형상을 일시적으로 변화시키는 높은 인덱스 차의 도파관 마이크로-공진 디바이스에 있어서,
    적어도 하나의 공진기 및 적어도 하나의 입출력 도파관을 갖는 적어도 하나의 패턴화된 층 코어;
    일시적으로 변화되지 않는다면 사라져가는 자계가 잔류하여 있는 상기 코어를 둘러싼 영역을 포함하는 클래딩(cladding);
    비교차(non-intersecting) 입출력 도파관;
    동조 영역(tuning region)을 정의하는 적어도 하나의 층; 및
    상기 코어와의 전기적 접촉이 빈약한 적어도 하나의 전극을 포함하며,
    상기 공진의 위치 및 형상이 상기 적어도 하나의 전극에 전류 또는 전압을 인가함으로써 일시적으로 변화되도록 하여 상기 동조 영역에서의 굴절 인덱스의 변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 도파관 마이크로-공진 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 마이크로-공진기의 클래딩의 변화를 생성하기 위한 수단은 상기 입출력 도파관과 일체형으로 집적되는 것을 특징으로 하는 도파관 마이크로-공진 디바이스.
  14. 제12항에 있어서, 상기 마이크로-공진기의 클래딩의 변화를 생성하기 위한 수단은 상기 입출력 도파관과 혼합형으로 집적되는 것을 특징으로 하는 도파관 마이크로-공진 디바이스.
  15. 제12항에 있어서, 상기 마이크로-공진기의 클래딩의 변화를 생성하기 위한 수단은 상기 입출력 도파관 부근에 조립되는 것을 특징으로 하는 도파관 마이크로-공진 디바이스.
  16. 제12항에 있어서, 상기 마이크로-공진기의 클래딩의 변화를 생성하기 위한 수단은 상부에 상기 마이크로-공진기가 구성되어 있는 기판과 접촉하여 배치되는 것을 특징으로 하는 도파관 마이크로-공진 디바이스.
  17. 코어 및 클래딩을 갖는 집적된 광학 도파관의 극성 의존 특성을 제어하는 방법에 있어서, 상기 도파관의 대칭성을 동적인 방식으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 도파관의 코어 주변에서의 클래딩의 인덱스의 대칭성 변화는 상기 도파관의 단면 대칭성을 변경하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 도파관의 피복 재료 또는 코어의 복굴절 변화는 상기 도파관의 단면 대칭성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 도파관의 코어 주변에서의 클래딩의 인덱스의 흡수 작용 변화는 상기 도파관의 극성 의존 손실을 변경하고, 상기 도파관은 높은 인덱스의 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 코어 및 클래딩을 갖는 집적된 광학 도파관 공진기의 극성 의존 특성을 제어하는 방법에 있어서, 상기 도파관 공진기의 단면 대칭성을 동적 또는 영구적인 방식으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 도파관의 코어 주변에서의 클래딩의 인덱스의 대칭성 변화는 상기 도파관의 단면 대칭성을 변경하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 도파관 공진기의 피복 재료 또는 코어의 복굴절 변화는 상기 도파관 공진기의 단면 대칭성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 대칭성의 변화는 상기 마이크로 공진기 공진 모드들 각각의 2개의 극성의 광학 경로 길이간에 상대적인 변화를 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 클래딩의 변화는 상기 마이크로-공진기 공진 모드들 각각의 2개의 극성의 커플링 효율간에 상대적인 변화가 발생하는 상기 마이크로-공진기의 커플링시 상대적인 변화를 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 평면 기판;
    패턴화된 코어층과 상기 코어를 둘러싼 클래딩을 포함하되, 상기 클래딩은 사라져가는 자계가 잔존하는 상기 코어를 둘러싼 영역을 포함하는 도파관 마이크로-공진기; 및
    상기 클래딩의 적어도 일부와 접촉하는 스트레스 유도 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  27. 제26항에 있어서, 상기 스트레스 유도 소자는 형상을 변화시키는 재료의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  28. 제26항에 있어서, 상기 스트레스는 전류 또는 전압의 인가에 의해 유도되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  29. 제26항에 있어서, 상기 마이크로-공진기의 공진은 로컬 스트레스를 인가함으로써 동조되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  30. 제26항에 있어서, 상기 스트레스 유도 소자는 상기 마이크로-공진기와 온 칩으로 집적되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  31. 제26항에 있어서, 상기 스트레스는 스트레스의 로컬 제어를 위한 패턴화된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  32. 제26항에 있어서, 상기 스트레스 유도 소자는 상기 마이크로-공진기로부터 공간을 두고 분리되어 상기 마이크로 공진기의 공진이 상기 스트레스 유도 소자로부터의 스트레스 자계에 의해서만 변화되도록 한 것을 특징으로 하는 디바이스.
  33. 코어 및 클래딩을 갖는 도파관 마이크로-공진기의 공진을 동조하는 방법에 있어서, 스트레스 유도 소자에 로컬 스트레스를 인가하여 상기 코어 및 클래딩에서의 굴절률 변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 스트레스 유도 소자는 형상을 변화시키는 재료의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 스트레스는 전류 또는 전압의 인가에 의해 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제33항에 있어서, 상기 마이크로-공진기의 공진은 로컬 스트레스를 인가함으로써 동조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제33항에 있어서, 상기 스트레스 유도 소자는 상기 마이크로-공진기와 온 칩으로 집적되는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제33항에 있어서, 상기 스트레스 유도 소자는 스트레스의 로컬 제어를 위한 패턴화된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제33항에 있어서, 상기 공진은 상기 인가된 스트레스에 의해 유도된 스트레인의 복구 가능성에 따라 영구적으로 또는 일시적으로 동조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제33항에 있어서, 상기 스트레스 유도 소자는 상기 마이크로-공진기로부터 공간을 두고 분리되어 상기 마이크로 공진기의 공진이 상기 스트레스 유도 소자로부터의 스트레스 자계에 의해서만 변화되도록 한 것을 특징으로 하는 방법
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