KR20040077903A - 다중 모드 간섭 광학 도파관 장치 - Google Patents

다중 모드 간섭 광학 도파관 장치 Download PDF

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KR20040077903A
KR20040077903A KR10-2004-7011701A KR20047011701A KR20040077903A KR 20040077903 A KR20040077903 A KR 20040077903A KR 20047011701 A KR20047011701 A KR 20047011701A KR 20040077903 A KR20040077903 A KR 20040077903A
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Abstract

적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관(30;34;36)에 광학적으로 결합된 중공 코어 다중 모드 도파관(32)을 포함하는 다중 모드 간섭(MMI) 장치(90)가 기술되며, 상기 중공 코어 도파관들의 내부 표면들은 반사 코팅(92)을 갖는다. 코팅은 금속 또는 다중 층 유전체 스택과 같은 동작 파장에서 저굴절율의 재료일 수 있다. 상기 MMI 장치들을 사용하는 공진기들(150) 및 광학 증폭기들(110)이 또한 기술된다.

Description

다중 모드 간섭 광학 도파관 장치 {Multi-mode interference optical waveguide device}
US5410625에는 빔 분할 및 재결합용 다중 모드 간섭(MMI) 장치가 개시된다. 상기 장치는 제 1 도파관 및 중앙 다중 모드 도파관 영역에 접속된 두개 이상의 제 2 결합 도파관들을 포함한다. 결합 도파관들은 기본 모드에서만 동작하고, 결합 및 다중 모드 도파관 영역들의 물리적 특성들은 중앙 다중 모드 도파관 영역내의 모드 분산이 두개 이상의 제 2 결합 도파관으로 분할되는 제 1 결합 도파관 내로 입력되는 단일의 광 빔을 제공하도록 선택된다. 상기 장치는 또한 빔 결합기로서 역으로 동작될 수 있다.
또한, US5410625의 기본 MMI 장치들의 변화 및 개선형들이 공지되어 있다. US5379354에는 입력 가이드 위치의 변화가 다른 세기를 가진 출력 빔들로 입력 방사선의 분할을 제공하는 다중 웨이(way) 빔 스플리터를 얻기 위하여 사용될 수 있는 방법을 기술한다. MMI 장치들의 사용에 의해 레이저 공동들을 형성하는 기술이 또한 US5675603에 기술된다. MMI 스플리터 및 재결합기 장치들의 다양한 결합들은 광학 루팅 능력을 제공하기 위하여 사용되었다; 예를들어 US5428698을 참조.
중실 코어 MMI 도파관 장치들은 결합 및 다중 모드 도파관들이 갈륨 비소(GaAs)와 같은 반도체 재료의 중실 리지(ridge)들로 형성되고, 이것은 기판에서 직립한다. 중실 코어 MMI 도파관 장치들은 GaAs의 층들로부터 통상적으로 제조된다. 중실 코어 재료들의 단점은 그것들이 중실 코어 재료에 대한 손상이 발생하기 전에 전달할 수 있는 총 배율 밀도가 제한된다는 것이다.
MMI 장치들은 공지되었고, 결합 및 다중 모드 도파관들은 알루미나와 같은 중실 유전체 재료의 기판들내에 중공 공동들(즉, 공기 공동들)처럼 형성된다. 유전체 기판 재료는 장치의 특정 동작 파장에서 공기 코어보다 작은 굴절율을 가지는 것으로 선택된다. 중공 코어 유전체 장치들은 정밀한 엔지니어링(예를들어, 밀링) 처리에 의해 통상적으로 제조되고 중실 코어 카운터파트들보다 크기에서 통상적으로 물리적으로 크다. 최적의 성능을 얻기 위하여 중요한 상기 장치들의 크기들에서 정밀한 제어는 도전 과제일 수 있다.
본 발명은 다중 모드 간섭(MMI) 광학 도파관 장치들에 관한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 중공 코어 MMI 스플리터 장치 및 상기 장치의 가로 방향 전기장 프로파일을 도시한 도면.
도 2는 종래의 중실 코어 MMI 스플리터 장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 MMI 도파관 장치를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 MMI 장치로부터 기록된 실험 데이터와 코팅되지 않은 중공 코어 MMI 장치로부터 기록된 실험 데이터를 비교 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 2(two)-웨이 MMI 스플리터/재결합기 장치들을 통합한 증폭기 및 공진기 광학 회로를 도시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 4(four)-웨이 MMI 스플리터/재결합기 장치들을 통합한 증폭기 및 공진기 광학 회로를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 MMI 스플리터/재결합기 장치를 통합한 증폭기의 다른 구조를 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 중실 코어 MMI 스플리터 장치들 및 MMI 재결합기를 통합한 하이브리드 광학 증폭기 회로를 도시한 도면.
본 발명의 목적은 선택적인 MMI 광학 도파관 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 다중 모드 간섭(MMI) 장치는 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관에 광학적으로 결합된 중공 코어 다중 모드 도파관 영역을 포함하고, 중공 코어 도파관들의 내부 표면들이 반사 코팅을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 중공 코어 MMI 장치들은 빔 결합기들, 빔 스플리터들, 다중 웨이 빔 세기 디바이더들 등으로서 동작할 수 있다.
본 발명의 장점은 반사 코팅이 위치되는 중공 코어 도파관 구조물들(즉, 중공 코어 도파관 구조들을 형성하는 기판)이 임의의 재료로 형성된다는 것이다. 이것은 광학 손실이 최소화되는 것을 보장하기 위하여 특정 재료들(알루미나 등)로 제조되는 종래 기술 중공 코어 MMI 장치들에 비해 장점을 가진다. 따라서 본 발명은 도파관들이 다양한 재료들을 사용하여 제조되고 당업자에 의해 이전에 생각할 수 없게 처리되는 것을 허용한다. 특히, 본 발명은 고정밀 마이크로제조 기술들을 사용하여 물리적으로 작은 중공 코어 도파관 장치들을 제조하기 위한 기회를 제공한다; 상기 기술들은 종래 정밀한 엔지니어링 기술들의 사용에 의해 제공되었던 최소 중공 코어 장치상의 제한들을 극복한다.
중공 코어 도파관들이 다양한 방식으로 제조될 수 있다는 것이 또한 주의된다. 도파관들은 하나의 재료부에 형성될 수 있고, 두개의 분리된 재료부(베이스 및 리드(lid))의 재료로 형성될 수 있거나 다수의 다른 재료부들로 형성될 수 있다(예를들어, 함께 배치될 때 요구된 기본 모드 및 다중 모드 도파관 영역들을 형성하는 독립된 재료 섹션들).
본 발명의 중공 코어 도파관들은 높은 광학 배율 레벨들로 장치가 동작할 수 있게 한다. 이것은 종래의 중실 코어 도파관들에 비해 장점이며, 최대 광학 배율 밀도는 중실 코어를 형성하는 재료의 물리적 특성에 의해 제한된다.
바람직하게, 반사 코팅은 동작 파장 대역내의 도파관 코어 굴절율보다 낮은 굴절율을 가진 재료층을 포함한다. 중공 도파관 코어보다 낮은 굴절율을 가진 재료층은 MMI 장치내의 광의 총 내부 반사(TIR)를 형성하여 광학 손실의 연관된 낮은레벨들을 가진 중공 코어 장치를 제공한다.
중공 코어 광학 도파관 구조들이 형성될 때 중공 코어가 공기로 채워질 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 여기서 코어의 굴절율은 대기압 및 대기온도에서의 공기의 굴절율(즉, n≒1)로 가정된다. 그러나, 이것은 본 발명의 범위를 제한하는 방식으로 나타나지 않는다. 중공 코어는 임의의 유체(예를들어 질소 같은 불활성 가스)이거나 진공인 것을 포함할 수 있다. 중공 코어라는 용어는 간단히 임의의 중실 재료가 없는 코어를 의미한다. 또한, 총 내부 반사(TIR)라는 용어는 감쇠된 총 내부 반사(ATIR)이다.
다른 실시예에서, 중공 코어 도파관들의 내부 표면상에 제공된 낮은 반사율 재료의 층은 금속, 예를들어 금, 은 또는 구리이다.
금, 은 및 구리의 특성들은 이들 금속들이 원격 통신 도파관 대역(즉, 1.55㎛ 정도가 중심인 파장들을 사용하기 위하여)에서 동작하기 위한 MMI 장치들을 포함시키는데 특히 적당하다.
금속들은 물리적 금속 특성들에 의해 결정되는 파장 범위 이상의 낮은 굴절율을 적당히 나타낼 것이다; 1998년 런던 E.D. Palik에 의한 Academic Press의 "광학 상수들의 편람" 같은 표준 텍스트 북들은 다양한 재료들의 굴절율들에 종속하는 파장에 정확한 데이터를 제공한다. 특히, 금은 1400nm 내지 1600nm 범위내의 파장들에서 공기보다 낮은 굴절율을 가진다. 구리는 560nm 내지 2200nm의 파장 범위에서 공기보다 낮은 굴절율을 나타내고, 은은 320nm 내지 2480nm의 파장 범위에서 공기와 유사한 굴절율 특성들을 가진다.
금속 층은 당업자에게 공지된 다양한 기술들을 사용하여 증착될 수 있다. 이들 기술들은 스퍼터링, 증발, 화학 기상 증착(CVD) 및 (전기 또는 비전기) 도금을 포함한다. CVD 및 도금 기술들은 금속 층들이 임의의 방향 종속 두께 변화없이 증착될 수 있게 한다. 도금 기술들은 또한 일괄 처리가 착수되게 한다.
당업자는 부착 층 및/또는 배리어 확산층들이 재료층 증착 전에 중공 코어 도파관상에 증착될 수 있다는 것을 인식한다. 예를들어, 크롬 또는 티타늄 층은 금의 증착전에 부착층으로서 제공될 수 있다. 백금 같은 확산 배리어 층은 금 증착 전에 부착 층상에 증착될 수 있다. 선택적으로, 결합된 부착 및 확산 배리어 층(티타늄 질화물 또는 티타늄 텅스텐 합금 또는 실리콘 산화물 같은 절연체)이 사용될 수 있다.
통상적으로, 반사 코팅은 하나 이상의 유전체 재료층들을 포함할 수 있다. 유전체 재료는 CVD 또는 스퍼터링에 의해 증착될 수 있다. 선택적으로, 유전체 층은 증착된 금속 층과 화학 반응에 의해 형성될 수 있다. 은 증착 층은 은 할로겐화물의 얇은 표면을 형성하기 위하여 할로겐화물과 화학적으로 반응된다. 예를들어, 은 요오드화물(AgI) 코팅은 칼륨 요오드화물(KI) 용액의 I2에 상기 은 요오드화물을 노출시킴으로써 은의 표면상에 형성될 수 있다.
다시 말해, 반사 코팅은 모든 유전체, 또는 금속 유전체, 스택에 의해 제공될 수 있다. 당업자는 유전체 층(들)의 광학 두께가 요구된 간섭 효과들을 제공하고 코팅의 반사 특성을 결정한다는 것을 인식한다. 코팅의 반사 특성들은 몇몇 범위까지 중공 코어 도파관들이 형성되는 재료 특성들에 따를 수 있다.
상기 장치는 0.1㎛ 및 20.0㎛의 파장 범위에서 동작하도록 바람직하게 구성될 수 있고, 보다 바람직하게 3 내지 5㎛ 또는 10 내지 14㎛의 적외선 대역들에서 동작하도록 구성될 수 있다. 바람직하게, 상기 장치는 1.4㎛ 내지 1.6㎛ 파장의 방사선으로 동작한다.
통상적으로, 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관은 기본 모드 도파관이다. 선택적으로, 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관은 다중 모드 도파관이다. 하기에 보다 상세히 기술된 바와같이, 기본 모드 또는 다중 모드 도파관은 중공 코어 다중 모드 도파관 영역안쪽, 또는 바깥쪽 방사선을 결합하기 위하여 사용될 수 있다.
바람직하게, 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관은 중공 코어 광섬유를 포함한다. 다른 말로, 중공 코어 광섬유는 방사선을 다중 모드 도파관 영역에 직접적으로 결합하기 위하여 배열될 수 있다.
바람직하게, 상기 장치는 중공 코어 다중 모드 도파관 영역에 직접적으로 광학적으로 결합되는 광섬유를 부가적으로 포함한다. 광섬유는 중공 또는 중실 코어를 포함할 수 있다. 당업자에게 상기 중실 코어 광섬유가 본 발명의 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관 대신 사용될 수 있다는 것이 명백하다.
통상적으로, 중공 코어 다중 모드 도파관 영역은 실질적으로 직사각형 단면을 가진다. 후술된 바와같이, 이것은 MMI 빔 스플리터 또는 재결합기를 제공할 수 있다. 상기 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관에 의해 수행되는 광학 입력 필드의 재이미지화를 제공하기 위하여(즉, 입력 빔의 하나 이상의 이미지들을 형성하기 위하여) 선택될 중공 코어 다중 모드 도파관 영역의 크기(즉, 폭, 길이 및 깊이)가 바람직하다.
통상적으로, 중공 코어 다중 모드 도파관 영역의 직사각형 내부 단면을 형성하는 대향 표면들은 실질적으로 동일한 효과의 굴절율을 가지며 직사각형 내부 단면 중공 코어 다중 모드 도파관 영역을 형성하는 인접한 표면들은 다른 효율의 굴절율을 가진다. 이런 방식으로, 상기 장치는 공지된 선형 극의 광을 가이드할 때 감소된 광 손실을 가지도록 배열될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 중공 코어 다중 모드 도파관 영역은 실질적으로 원형 단면이고 중공 코어 다중 모드 도파관 영역의 직경 및 길이는 상기 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관에 의해 수행되는 광학 입력 필드의 재이미지화를 제공하기 위하여 선택된다. 빔 분할이 원형 다중 모드 영역에서는 가능하지 않고, 단지 재이미지화 효과만이 관찰되는 것이 주의된다.
다른 실시에에서, 중공 코어 도파관들의 내부 표면상에 유지되는 재료층은 실리콘 카바이드이다. 상술한 바와같이, 낮은 굴절율 재료의 부가적인 층은 임의의 요구된 도파관에서 효율적인 MMI 동작을 제공하도록 선택될 수 있다. 실리콘 카바이드는 10.6㎛에서 0.06의 굴절율을 가지며 상기 도파관에서 동작하는 MMI 장치들을 가지기에 특히 적당한 재료를 형성한다.
통상적으로, 중공 코어 도파관들은 반도체 재료, 예를들어 실리콘 또는 GaAs, InGaAs, AlGaAs 또는 InSb 같은 Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료들로 형성된다. 반도체 재료는 웨이퍼 형태로 제공될 수 있다. 바람직하게, 중공 코어 도파관들은 반도체마이크로 제조 기술들을 사용하여 형성된다. 바람직하게, 상기 마이크로 제조 기술들은 3mm 미만, 또는 바람직하게 1mm 미만의 단면들을 가진 기본 모드 도파관들을 제공한다.
당업자는 마이크로 제조 기술들이 통상적으로 리소그래피 단계, 그 다음 기판 재료 또는 그 위의 층에 패턴을 형성하기 위한 에칭 단계를 포함한다는 것을 인식한다. 리소그래피 단계는 포토리소그래피, x 레이 리소그래피 또는 e 빔 리소그래피를 포함할 수 있다. 에칭 단계는 이온 빔 밀링, 화학 에칭, 건식 플라즈마 에칭 또는 딥 드라이(또한 딥 실리콘이라 함) 에칭을 사용하여 수행될 수 있다. 바람직하게, 딥 리액티브 이온 에칭(DRIE) 기술들이 사용된다.
이런 형태의 마이크로 제조 기술들을 사용하여 형성된 도파관들은 종래의 중공 유전체 도파관들보다 크기면에서 상당히 작은 중공 코어 도파관들을 제공한다. 이런 형태의 마이크로 제조 기술들은 스퍼터링, 전기 도금, CVD 또는 다른 반응성 화학처리 기반의 기술들과 같은 다양한 층 증착 기술들과 호환 가능하다.
다른 실시예에서, 중공 코어 도파관들은 플라스틱 또는 중합체로 형성된다. 예를들어, 중공 코어 도파관들은 "스핀 온" 중합체 코팅(예를들어, 마이크로켐 코포레이션에서 시판중인 SU8)상에 리소그래픽 처리를 사용하여 형성될 수 있다.
플라스틱 도파관 장치들은 고온 엠보싱 또는 사출 성형을 포함하는 기술들에 의해 제조될 수 있다. 상기 기술은 마스터를 형성하는 것을 포함한다. 마스터는 딥 드라이 에칭을 사용하여 실리콘과 같은 반도체 재료로 형성된다. 선택적으로, 마스터는 LIGA 또는 UV LIGA 기술을 사용하여 층들의 전기 증착에 의해 형성될 수있다. 일단 마스터가 형성되면, 중공 코어 도파관들은 스탬핑(즉, 프레싱) 또는 고온 스탬핑에 의해 플라스틱 기판으로 형성될 수 있다. 그 다음 형성된 중공 플라스틱 도파관들은 반사 코팅으로 코팅될 수 있다.
다른 실시에에서, 중공 코어 도파관들은 석영, 실리카 등과 같은 유리로 형성된다.
통상적으로, 상기 장치의 중공 코어는 액체 또는 공기와 같은 가스를 포함한다.
가스 광학 이득 매체는 바람직하게 중공 코어 도파관들내의 광의 증폭을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 중공 코어 다중 모드 영역에서 상기 가스 이득 매체의 사용은 높은 증폭도를 허용한다. 예를들어 가스 이득 매체는 CO2, N2및 He의 혼합물로 형성된 가스 방전일 수 있다. 이것은 10.6㎛ 방사선을 제공한다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 광학 증폭기는 1 대 N 웨이 빔 스플리터, 다중 엘리먼트 광학 증폭기 및 직렬로 광학적으로 접속된 빔 재결합기를 포함하고, 상기 광학 증폭기는 1 대 N 웨이 빔 스플리터의 출력중 적어도 하나로서 동작하고, 적어도 하나의 1 대 N 웨이 빔 스플리터 및 빔 재결합기는 본 발명의 제 1 양태에 따른 중공 코어 다중 모드 간섭 장치를 포함한다.
다시 말해, 광학 증폭기는 본 발명의 제 1 양태에 따른 MMI 장치를 포함한다. 상기 MMI 장치의 사용은 증폭기가 다량의 광학 배율을 제공하도록 한다. 이것은 중실 코어 도파관들로부터 제공된 종래의 증폭기들에 비해 장점이고, 최대 광학 배율 밀도는 코어를 형성하는 재료의 물리적 특성들에 의해 제한된다. 따라서, 높은 차수의 분할 증폭 재결합이 가능하고, 이전에 달성할 수 없었던 높은 세기의 출력 빔들의 생산이 가능해진다.
통상적으로, 1 대 N 빔 스플리터 및 빔 재결합기 모두는 본 발명의 제 1 양태에 따른 중공 코어 다중 모드 간섭 장치들을 포함한다. 선택적으로, 1 대 N 빔 스플리터는 중실 코어 MMI 스플리터 장치를 포함한다.
다른 실시예에서, 광학 증폭기는 빔 재결합기에서 빔을 재결합하기 전에 증폭된 빔들의 상대적 위상들을 조절하기 위항 위상 오프셋 수단을 더 포함한다. GaAs 변조기들 또는 변형 미러들을 포함할 수 있는 위상 오프셋 수단은 재결합기에 진입하는 빔들의 상대적 위상이 제어되게 한다. 재결합기 장치에 진입하는 빔들이 적당한 위상 오프셋들을 가지는 것을 보장하는 것은 재결합 처리의 효율성을 증가시키고 재결합 영역이 길이면에서 보다 짧아지게 한다(특히 보다 높은 차수의 분할/재결합 장치들에서).
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 공진기는 부분 반사기, 스플리터/재결합기 수단, 다중 엘리먼트 광학 증폭기 및 반사기를 포함하고, 부분 반사기, 스플리터/재결합기 수단, 다중 엘리먼트 광학 증폭기 및 반사기는 스플리터/재결합기 수단이 단일 빔을 N개의 빔들로 분할하도록 배열되고, N은 2보다 크거나 같고, 각각의 N개의 빔들은 다중 엘리먼트 광학 증폭기에 의해 증폭되고, 반사기에 의해 반사되며 다중 엘리먼트 증폭기를 다시 통과하도록 재 지향되고, 그 다음 N개의 빔들은 단일 빔을 형성하기 위하여 스플리터/재결합기 수단에 의해 재결합되고, 단일 빔의 일부는 부분 반사기를 통하여 공진기에서 빠져나가고, 여기에서 스플리터/재결합기 수단은 본 발명의 제 1 양태에 따른 중공 코어 다중 모드 간섭 장치이다.
공진기는 그 자체로 접히는 효율적인 증폭기이고, 낮은 레벨의 광학 손실을 가지도록 높은 광학 배율 동작을 위한 능력을 제공한다.
본 발명은 예시적으로 첨부 도면들을 참조하여 기술될 것이다.
도 1a를 참조하면, 종래의 2-웨이 중공 코어 도파관 MMI 빔 스플리터(22)의 투시도가 도시된다. MMI 빔 스플리터(22)는 기판 층(24), 도파관 층(26) 및 커버 층(28)을 포함한다. 도파관 층(26)은 입력 도파관(30), 다중 모드 도파관 영역(32) 및 두개의 출력 도파관(34 및 36)을 가진 중공 코어 도파관 구조를 형성한다.
중공 코어 다중 모드 도파관 영역(32)은 직사각형이고, 길이(l) 및 폭(w)을 가진다. 입력 도파관(30)은 다중 모드 도파관 영역(32)의 중심에 배치되고 출력 도파관(34 및 36)들은 다중 모드 도파관 영역의 중심에서 이격되어 배치된다. 입력 도파관(30) 및 출력 도파관(34 및 36)은 기본 모드 진행만을 지원하도록 배열된다.
동작시, 입력 도파관(30)에 의해 지원되는 기본 모드는 중앙 다중 모드 도파관 영역(32)에 배치된다. 다중 모드 도파관 영역(32)의 길이(l) 및 폭(w)은 길이에 따른 다중 모드 간섭이 출력 도파관들(34 및 36)에 결합된 입력 빔 세기의 동일한 분할을 형성하도록 선택된다. 이런 방식으로, 방사선의 단일 입력 빔은 두개의 출력 빔으로 분할된다. 또한 두개의 빔들을 결합하기 위하여 상기 장치를 역으로 동작시키는 것도 가능하다.
도 1b를 참조하면, 빔 분할을 제공하는 다중 모드 간섭하에서의 기본 원리가 도시된다. 도 1b는 길이(L) 및 폭(W)의 직사각형 다중 모드 도파관 영역을 따라 균일하게 이격된 13가지 파장(λ)의 전자기 방사선에 대한 가로방향 세기 프로파일들을 도시하고, 여기서 L = W2/λ이다. 입사 방사선 입력(즉, 제 1 가로방향 세기곡선 56에 의해 표현된 모드)은 기본 모드이다.
도 1b에는 L 미만의 길이의 장치가 빔 분할 기능을 수행하기 위하여 사용될 수 있다는 것이 도시된다. 도 1a에 기술된 형태의 2-웨이 빔 스플리터의 경우, 길이 L/2(=1)인 장치가 필요하다. 유사하게, 3(three)-웨이 또는 4-웨이 스플리터들은 만약 그것들이 L/3 및 L/4의 길이이면 제공될 수 있다. 다시 말해, N 웨이 분할은 길이 LN= W2/Nλ에 의해 얻어질 수 있다. 보다 복잡한 동작의 설명 및 MMI 스플리터 장치들의 설계는 US5410625에 제공된다.
당업자는 지금까지 특정 파장의 동작에서 공기(즉, n<1)보다 작은 굴절율을 가진 유전체 기판 재료들을 사용하는 중공 코어 도파관 구조물들을 구성했다. 특히, 알루미나 기판들은 10.5㎛ 파장의 광에 대해 공기보다 작은 굴절율을 가지기 때문에 사용되었다. 이것은 중공 코어를 통하여 진행하는 광이 공기와 기판 사이의 계면에서 TIR을 겪는 것을 보장한다.
알루미나 및 다른 유전체 재료들을 사용하는 경우의 단점은 상기 재료들이 통상적으로 중공 코어 MMI 장치들을 성형하기 위해 정밀한 엔지니어링(예를들어, 밀링 또는 쏘잉(sawing)) 기술들을 사용하여 형성된다는 점이다. 이들 제조 기술들은 MMI 장치 동작에 요구된 허용 오차들을 유지하면서 형성될 수 있는 중공 코어 장치의 최소 크기를 제한한다. 예를들어, 통상적인 밀링 기술들은 구조물들이 폭의 측면에서 1mm 보다 작지 않은 도파관들에서 50㎛ 보다 작지 않은 허용 오차를 가지도록 정의되게 한다.
보다 작은 물리적 크기의 중공 코어 장치들을 제조하기 위하여 사용될 수 있는 다른 재료들은 공기 기판 계면에서 충분한 레벨의 반사를 제공하지 않고, 중공 코어와 주변 재료 사이의 계면에서 프레넬(Fresnel) 반사로부터 발생하는 현저한 광학 손실이 유도된다. 보다 소형의 장치들에서 악화되는 MMI 장치들의 프레넬 반사와 연관된 광학 손실은 당업자에게 소형 MMI 장치들을 형성하기 위하여 중공 코어 기판들의 사용을 무시하도록 유도한다. 따라서 중실 코어 MMI 도파관 장치들을 생산함에 있어서, 장치를 보다 소형으로 만들고자 하는 노력이 이루어졌다.
도 2를 참조하면, 4-웨이 중실 코어 MMI 도파관 구조(60)가 도시된다. 중실 코어 MMI 도파관 구조(60)는 반절연 GaAs 기판층(62), 하부 클래딩(cladding) 층(64), GaAs 코어 층(66) 및 상부 클래딩/캡핑 층(68)으로 구성된다.
입력 도파관(70)은 폭(W) 및 길이(l')의 다중 모드 도파관 영역(80)에 대한 중앙에 배치되고 4가지 출력 도파관들(72, 74, 76 및 78)이 또한 제공된다. 입력 및 출력 도파관들은 단지 기본 모드 진행을 지원하기 위해서만 배열된다. 다중 모드 도파관 영역(80)의 길이(l')는 4-웨이 분할을 제공하기 위하여 L/4이다(여기서 L = W2/λ).
GaAs 코어의 굴절율은 대략 3.5이고, 둘레의 공기는 1 정도의 굴절율을 가진다. 총 내부 반사(TIR)는 GaAs 재료 및 둘레 공기 사이의 계면에서 얻어진다. GaAs 및 공기 사이의 계면에서 발생하는 TIR은 중공 코어 장치에서 발견된 것보다 실질적으로 큰 표면 반사도를 제공한다. 이런 형태의 중실 코어 장치들의 전체 광학 효율성은 중공 코어 등가물보다 상당히 크다.
중실 코어 MMI 스플리터 장치들의 단점은 단지 제한된 양의 광학 배율이 코어를 형성하는 재료에 대한 손상이 발생하기 전에 중실 코어에서 진행될 수 있다는 것이다. 따라서, 중실 코어 MMI 장치들의 배율 조절 능력은 제한되고, 이것은 광학 증폭기들 등과 같은 고배율 애플리케이션에서 상기 장치들의 사용에 제한을 둔다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 2-웨이 중공 코어 도파관 MMI 빔스플리터(90)의 사시도가 도시되고, 상기된 도면들에서 기술된 것과 유사한 엘리먼트들은 유사한 참조 번호들을 제공한다.
MMI 빔스플리터(90)는 기판(88) 및 기판 리드(86)를 포함한다. 기판(88) 및 기판 리드(86)는 입력 도파관(30), 다중 모드 도파관 영역(32) 및 두개의 출력 도파관들(34 및 36)을 가진 중공 코어 도파관 구조물을 형성한다. 금 층(92)(도 3에서 해칭선으로 표시됨)은 중공 코어 도파관 구조를 형성하는 기판(88)의 내부 표면들 및 기판 리드(86)상에 제공된다. 금 층(92)은 ATIP가 발생하는 것을 보장하기 위하여 충분히 두꺼워야 한다. 당업자는 부착 촉진 층 및/또는 확산 배리어 층(도시되지 않음)이 금 층(92) 및 기판 사이에 제공될 수 있는 것을 인식한다.
금 금속층의 부가에 의해 발생되는 공동의 길이 및 폭에 대한 임의의 변경과는 별도로, 금 층(92)은 MMI 장치의 설계에 영향을 미치지 않는다. 입력 도파관(30), 다중 모드 도파관 영역(32) 및 두개의 출력 도파관들(34 및 36)은 도 1을 참조하여 기술된 형태의 종래의 중공 코어 MMI 장치들에 사용되는 것과 동일한 기준을 사용하여 설계된다.
금 층(92)의 존재는 원격 통신 도파관 대역(즉, 1.55㎛ 정도의 파장들에 대해)내의 파장을 가진 광에 중공 코어 장치내의 ATIR을 제공한다. 이들 원격통신 파장들에서, 금은 n<1의 요구된 굴절율 특성들 및 낮은 흡수 레벨들을 가진다.
비록 금 층(92)을 설명하였지만, 당업자는 도파관이 동작될 수 있는 파장들에서 공기보다 작은 굴절율을 가진 임의의 재료(또는 공동내에 포함되는 것은 무엇이든)가 중공 코어 도파관을 형성하는 표면들상에 증착될 수 있다는 것을 인식한다. 다른 재료들의 굴절율들은 다양한 공개문헌에서 발견될 수 있고, 상기 공개문헌은 1998년 런던 E.D. Palik에 의한 Academic Press의 "광학 상수들의 편람"이다. 금속들은 통상적으로 주어진 파장 범위에서 공기보다 작은 굴절율을 가진다; 특정 파장 범위는 금속의 물리적 특성들에 따른다. 특정 파장에서 금속들의 저굴절율은 일반적으로 유사한 파장 범위에서 최대 흡수에 의해 달성된다. 따라서, 재료는 공기보다 작은 굴절율 및 장치 동작의 파장 또는 도파관들에서 낮은 흡수를 가지게 선택된다.
당업자는, 단일 저굴절율 층을 사용하는 대신 다중층 반사기들이 제공될 수 있다는 것을 인식한다. 예를들어, 다중 층 유전체 스택들 또는 금속 유전체들 스택들은 기판(88) 및/또는 기판 리드(86)상에 코팅될 수 있다.
기판(88) 및 기판 리드(86)에 대한 적당한 재료는 실리콘이고; 실리콘은 당업자에게 공지된 형태의 마이크로 제조 기술들을 사용하여 높은 정확도로 에칭될 수 있다. 요구된 물리적 구조로 형성될 수 있는 재료가 MMI 장치를 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 마이크로 제조 반도체들의 사용은 장치들이 특히 정밀하게 가공된 대안물보다 크기면에서 상당히 작게 만들어질 때 특히 바람직하고; 마이크로 제조 처리는 1㎛ 미만의 정확도를 제공할 수 있다. 마이크로 제조는 다중 구조물들이 기판상에 평행하게 형성되게 하고, 이것은 기판 표면을 가로질러 절단 도구를 이동시킴으로써 도파관 구조물들이 일렬로 형성되는 정밀 엔지니어링 기술과는 다르다.
이상적으로는, 기판(88) 및 기판 리드(86)는 낮은 굴절율 재료의 층으로 코팅하기에 적당한 재료로 제조되어야 한다. 당업자는 스퍼터링, 증발, CVD, 또는 도금 같은 금속 증착 기술들을 사용하여 실리콘상에 금 층들의 증착 방법을 달성할 수 있는 방법을 인식한다. 당업자는 리드가 금 실리콘 공정 본딩 또는 중간 층과 같은 기술들을 통하여 기판에 본딩될 수 있다는 것을 인식한다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 2-웨이 MMI 장치들의 전송 특성들을 나타내는 실험 데이터가 도시된다.
50㎛의 기본 모드 도파관 폭들 및 250㎛의 다중 모드 영역 폭(W)을 가진 2-웨이 중공 코어 도파관 MMI 빔 스플리터들이 구성된다. 상기 장치들은 다양한 다중 모드 영역 길이들(l)을 사용하고, 니켈 부착 층을 사용하여 중공 코어 도파관 구조물의 내부 표면에 인가되는 구리 금속 코팅을 가지거나 가지지 않은 채로 제조된다.
제 1 곡선(100)은 2-웨이 중공 코어 MMI 스플리터들을 통한 광의 총 전송을 도시하고, 제 2 곡선(102)은 내부 표면들에 인가된 구리 금속 코팅을 가진 2-웨이 중공 코어 MMI 스플리터들을 통한 광의 전송을 도시한다. 실험 데이터로부터 중공코어 빔 스플리터의 내부 표면에 구리 재료 층의 인가가 장치의 전송 효율을 거의 두배로 증가시킨다는 것이 명백하다. 이것은 상기 장치가 중실 코어 장치들에 대한 실제의 대안인 것을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 몇몇 애플리케이션들은 개략적으로 도시되고, 여기에서 본 발명에 따른 중공 코어 2-웨이 스플리터/결합기 MMI 장치들이 사용될 수 있다.
도 5a는 증폭기(110)를 도시한다. 증폭기(110)는 스플리터 스테이지(112), 다이오드 어레이 증폭기(114) 및 결합기 스테이지(116)를 포함한다.
스플리터 스테이지(112)는 제 1의 2-웨이 MMI 스플리터(118) 및 제 2의 2-웨이 MMI 스플리터들(120 및 122)을 포함한다. 각각의 2-웨이 MMI 스플리터들(118, 120 및 122)은 단일 입력 도파관(124), 두개의 출력 도파관들(126) 및 중앙 다중 모드 영역(128)을 포함한다. 제 2의 2-웨이 MMI 스플리터들의 입력들은 제 1의 2-웨이 MMI 스플리터(118)의 출력들에 접속된다.
다이오드 어레이 증폭기(114)는 스플리터 스테이지(112)의 4개의 출력들 및 결합기 스테이지(116)의 4개의 입력들 사이에 광학적으로 접속되는 4개의 분리된 증폭 엘리먼트들(130a,b,c,d)을 포함한다. 이런 형태의 레이저 다이오드 어레이들은 당업자에게 잘 공지되어 있다.
결합기 스테이지(116)는 2-웨이 MMI 결합기들(132 및 134)의 쌍 및 제 2 MMI 결합기(136)를 포함한다. 각각의 2-웨이 MMI 결합기들(132, 134 및 136)은 한쌍의 입력 도파관들(138), 단일 출력 도파관(14) 및 중앙 다중 모드 영역(128)을 포함한다. 2-웨이 MMI 결합기들(132 및 134) 쌍의 출력은 제 2 MMI 결합기(136)의 입력들에 접속된다.
동작시, 스플리터 스테이지(112)는 입사 광 빔(142)을 4개의 빔으로 분할하고; 각각은 동일 세기를 가진다. 4개의 엘리먼트 다이오드 어레이 증폭기(114)는 그 다음 그것들이 결합기 스테이지(116)에서 재결합되기 전에 4개의 빔들 각각을 증폭한다. 따라서, 증폭된 최종 출력 빔(144)은 발생한다.
도 5b를 참조하면, 공진기 구조물(150)이 도시된다. 공진기(150)는 자체로 접히는 도 5a를 참조하여 기술된 형태의 증폭기이다.
공진기(150)는 제 1의 2-웨이 MMI 스플리터/결합기(154) 및 두개의 제 2의 2-웨이 MMI 스플리터들/결합기들(156 및 158)을 가진 단일 MMI 스테이지(152)를 포함한다. 각각의 MMI 스플리터 결합기(154, 156 및 158)는 제 1 도파관(160), 두개의 제 2 도파관들(162) 및 다중 모드 영역(128)을 포함한다. 제 1의 2-웨이 MMI 스플리터/결합기(154)의 두개의 제 2 도파관들은 두개의 제 2의 2-웨이 MMI 스플리터들/결합기들(156 및 158)의 제 1 도파관들에 광학적으로 접속된다. 공진기는 완전 반사 미러(164) 및 부분 반사 미러(166)와 4개의 엘리먼트 다이오드 어레이 증폭기(114)를 포함한다.
동작시, MMI 스테이지(152)는 분할 및 결합 기능 모두를 수행하고, 공진기는 광 증폭을 제공한다. 부분 반사 미러(166)는 광의 일부가 출력 빔(168)으로서 추출되게 한다.
비록 도 5를 참조하여 기술된 증폭기 및 공진기들이 공지된 MMI 스플리터들/결합기들을 사용하여 제조될 수 있지만, 도 3 및 도 4를 참조하여 기술된 형태의MMI 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 낮은 굴절율 코팅을 가지지 않는 중공 코어 도파관들의 사용은 시스템에서 각각의 MMI 스플리터/결합기와 연관된 누적 손실들을 증가시켜서, 다이오드 어레이 증폭기(114)의 광 증폭을 감소시킨다. 또한, 만약 종래의 중실 코어(예를들어, GaAs) MMI 스플리터들/결합기들이 재결합 스테이지와 연관된 배율 밀도들에 사용되면, 재결합 스테이지는 중실 코어 재료의 상당한 품질 저하를 유발한다. 따라서 본 발명은 높은 배율 조절 능력을 가진 광학 증폭기들 및 공진기들을 제공한다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 중공 코어 MMI 장치들이 바람직하게 사용되는 방법의 추가 실시예가 기술된다.
도 6a는 1 대 4 대 1 웨이 증폭기를 도시한다. 증폭기는 제 1 도파관(182), 다중 모드 영역(184) 및 4개의 제 2 도파관(186)을 가진 제 1의 4-웨이 MMI 스플리터(180)를 포함한다. 4개의 엘리먼트 다이오드 어레이 증폭기(114)는 또한 제 2의 4-웨이 MMI 재결합기(190)와 함께 제공된다.
동작시, 입사 광(192)은 제 1의 4-웨이 MMI 스플리터(180)의 제 1 도파관(182)에 결합된다. 제 1의 4-웨이 MMI 스플리터(180)는 네개의 제 2 도파관들(186) 사이에서 광을 똑같이 분할하고 광을 4개의 엘리먼트 다이오드 어레이 증폭기(114)로 통과시킨다.
제 1 MMI 스플리터(180)의 네개의 제 2 도파관들의 각각으로부터 방사되는 광은 제 2의 4-웨이 MMI 재결합기(190)의 제 2 도파관들에 진입하기 전에 4-엘리먼트 다이오드 어레이 증폭기(114)의 각각의 엘리먼트에 의해 증폭된다. 제 2의 4-웨이 MMI 재결합기(190)는 그 다음 네개의 증폭된 광 빔들을 하나의 광빔들로 재결합하고 증폭하여 빔(194)을 출력한다.
그러나, 상기된 2-웨이 스플리터들과 달리, MMI 재결합기(190)에 진입하는 네개의 광 빔들의 위상들은 고려될 필요가 있다. 상기 위상 고려는 단지 MMI 장치들이 가장 짧은 가능한 다중 모드 영역 길이들을 사용하여 3개 이상의 빔들(즉, N≥3)을 분할 및 재결합하도록 설계될 때 요구된다.
도 2를 참조하여 상술된 바와같이, N 웨이 분할은 MMI 장치가 폭(W) 및 길이(LN= W2/Nλ)의 다중 모드 영역을 가질 때 가장 짧은 다중 모드 영역 길이로 이루어질 수 있다. 또한 파장(λ)이 다중 모드 영역에서의 광의 파장인 것이 주의되어야 한다(즉, 코어 재료의 굴절율에 의해 증폭된 광의 자유 공간 파장).
어레이 엘리먼트들의 축들의 피치(p) 측면에서, N 웨이 분할에 대한 다중 모드 가이드 길이(l)는 하기와 같다.
여기서 p는 제 2 도파관들의 피치이고(예를들어, MMI 스플리터(180)의 4개의 도파관들(186)의 피치), p = W/N이다. 상기 식 1로부터 다중 모드 가이드의 길이(l)는 고정된 피치에 대한 분할 차수(즉, N)로 선형적으로 계산된다.
상기된 구조 설계 룰들을 지키는 다중 모드 도파관들의 대칭 분할 처리의 결과는 N 기본 모드 필드들이 동일한 크기를 가지고 형성되는 것이다. 결과적인 필드들의 위상은 동일하지 않고 상기 관계에 의해 관리된다.
4-웨이 스플리터(즉, N=4)의 경우, 4 출력 필드들의 상대적 위상들은 각각 3/8π, -1/8π, -1/8π및 3/8π이다.
4-웨이 재결합기를 사용하여 4개의 빔들을 효과적으로 재결합하기 위하여, 다중 모드 도파관 영역에 진입하는 필드들의 위상들은 분할 처리에 의해 형성된 것들의 정확한 위상 공액값들인 값들상에 취해져야 한다. 다시 말해, MMI 재결합기(190)의 다중 모드 영역에 대한 4개의 입력 필드들의 위상들은 각각 효율적인 재결합을 위하여 -3/8π, 1/8π, 1/8π및 -3/8π이어야 한다.
상술한 바에 이어서, 이들 위상 조건들이 만족되도록 하는 MMI 스플리터(180) 및 MMI 재결합기(190) 사이의 위상 오프셋들을 도입하는 것이 바람직하다. 일반적인 측면들에서 1 대 N 웨이 스플리터 및 N 대 1 웨이 재결합기 사이에 요구된 위상 오프셋들은 하기와 같이 제공된다.
도 6a의 1 대 4 대 1 웨이 증폭기에서 요구된 위상 오프셋들을 형성하기 위하여, 위상 오프셋 수단(196)은 MMI 재결합기(190)의 네개의 제 2 도파관들(186) 각각에 제공된다. 위상 오프셋 수단(196)은 MMI 재결합기(190)에 공급하는 가이드의 물리적 길이들에 대한 변형을 포함한다.
요구된 위상 오프셋을 형성하기 위한 다수의 다른 기술들은 또한 당업자에게 공지되었다. 예를들어, 다이오드 어레이 증폭기(114)의 각각의 엘리먼트의 전류는 변경될 수 있다. 선택적으로, 다이오드 어레이 증폭기(114)내의 광학 경로 길이는 변경될 수 있거나 도파관 또는 다이오드 어레이 증폭기(114) 섹션의 유효 굴절율은 필요한 위상 변위를 제공하기 위하여 변형될 수 있다.
도 6b는 단일 4-웨이 MMI 스플리터/재결합기(200) 및 4-엘리먼트 다이오드 어레이 증폭기(114)로 구성된 공진기를 도시한다. 4-웨이 MMI 스플리터/재결합기(200)는 다중 모드 영역(184), 제 1 도파관(182) 및 네개의 제 2 도파관들(186)을 가진다. 위상 오프셋 수단(204)은 네개의 제 2 도파관들(186) 각각에 제공된다. 공진기는 또한 완전 반사 미러(164) 및 부분 반사 미러(166)를 포함한다.
공진기는 그 자체로 접히는 증폭기이고, 그 결과 4-웨이 MMI 스플리터/재결합기(200)을 통한 이중 통과는 광 증폭을 유발한다. 광이 상기 장치를 통한 각각의 이중 통과 동안 위상 오프셋 수단(204)을 통하여 두번 통과하기 때문에, 위상 오프셋 수단(204)에 의해 제공된 위상 오프셋들은 증폭기 장치에 대한 상기 식 3에 제공된 것의 반이다. 부분 반사 미러(166)는 광의 일부가 출력 빔(202)으로서 추출되게 한다.
다시, 도 3 및 도 4를 참조하여 기술된 형태의 중공 코어 MMI 스플리터들/재결합기들은 그것들이 낮은 감쇠 레벨로 높은 광학 배율들을 조절하기 위한 능력을 제공하기 때문에 바람직하다.
도 7을 참조하면, 도 6a를 참조하여 기술된 증폭기의 다른 실시예가 제공된다. 증폭기는 7-웨이 MMI 스플리터(210), 7-엘리먼트 다이오드 어레이 칩(212) 및 7-웨이 MMI 재결합기(214)를 포함한다. 7-웨이 MMI 스플리터(210)는 입력 도파관(216) 및 다중 모드 영역(218)을 가진다. 7-웨이 MMI 결합기(214)는 출력 도파관(220) 및 다중 모드 영역(218)을 가진다.
MMI 스플리터(210) 및 MMI 결합기(214) 양쪽의 다중 모드 영역들(218)은 7-엘리먼트 다이오드 어레이 칩(212)의 어느 한쪽에 직접적으로 광학적으로 결합된다. MMI 스플리터(210)의 다중 모드 영역(218)의 크기들은 입력 도파관(216)으로부터의 영역에 진입하는 입사 기본 모드가 다이오드 어레이 칩(212)과의 계면(222)에서 동일한 세기의 7개의 빔들로 분할되도록 한다. 7개의 빔들은 그것들이 출력 도파관(220)을 통하여 상기 장치를 빠져나오는 단일 빔을 형성하기 위하여 재결합될 때 MMI 재결합기(214)에 진입하기 전에 다이오드 어레이 칩(212)에 의해 증폭된다. 이런 장치에서, 임의의 필요한 위상 오프셋들은 다이오드 어레이 칩 영역에 제공된다.
도 6을 참조하여 기술된 증폭기 및 공진기 장치들과 공통으로, 도 7의 집적 증폭기 장치는 도 3 및 도 4를 참조하여 기술된 형태의 MMI 스플리터(210) 및/또는 MMI 재결합기(214)를 바람직하게 포함한다.
도 8을 참조하면, 하이브리드 증폭기가 도시된다. 하이브리드 증폭기는 중실 코어 MMI 스플리터(230), 6개의 위상 변위 수단(232), 테이퍼진 다이오드 증폭기 어레이(234) 및 중공 코어 MMI 결합기(236)를 포함한다.
중실 코어 MMI 스플리터(230)는 GaAs로 제조되고 단일 입력 도파관(238), 다중 모드 영역(240) 및 6개의 출력 도파관들(242)을 가진다. 다중 모드 영역(240)의 폭(w1) 및 길이(l1)는 입력 도파관(238)에 결합된 입력 빔(241)이 6개의 출력 도파관들(242)로 분할되도록 선택된다.
각각의 6개의 출력 도파관들(242)은 위상 변위 수단(232)에 전개된다. 위상 변위 수단(232)은 전자 광학 변조기들을 포함하고, 다시 GaAs로 제조되고, 적당한 전압의 인가중에 광학 빔에 위상 변위를 부과한다. 효과적인 재결합을 보장하기 위하여 각각의 빔에 인가된 위상 변위는 상기 식 3에 의해 제공된다. 위상 변위 수단(232)은 또한 전개 처리에 의해 도입된 위상 에러들을 보상한다. 클리브(cleave) 에러, 도파관 특성에서의 불일치와 같은 제조 처리 중에 유도된 위상 에러들은 위상 변위 수단(232)에 의해 보상될 수 있다.
효율적인 재결합을 위한 적당한 위상 오프셋을 달성하기 위한 필요성 뿐만 아니라, 빔들은 동일한 크기이어야 한다는 것이 주의된다. 동일한 크기 수정은 당업자에게 공지된 다양한 방식으로 달성된다. 예를들어, 마하 젠더(Mach-Zehnder) 가변 감쇠기(도시되지 않음)는 위상 변위 수단(232) 앞에서 각각의 출력 도파관들(242)에 배치될 수 있다.
위상 변위 수단(232)에서 나오는 위상 변위된 빔들은 테이퍼진 다이오드 증폭기 어레이(234)에 결합되고, 각각 6개의 빔들을 증폭한다. 이런 임무에 적당한테이퍼진 증폭기는 1999년 1월 7일 에프 윌슨(F Wilson) 등에 의한, 전자 레터들, 35권 1번에 기술된다.
일단 증폭되면, 6개의 광학 빔들은 중공 코어 MMI 재결합기(236)의 다중 모드 영역(244)에 직접 결합된다. 반사가 테이퍼진 다이오드 증폭기 어레이(34)의 중공 엘리먼트들 및 중공 코어 다중 모드 영역(244) 사이의 계면에서 최소화되는 것을 보장하기 위하여, 반사 방지 코팅(246)이 제공된다.
다중 모드 영역(244)의 폭(w2) 및 길이(l2)는 상기 영역에 진입하는 6개의 증폭된 빔들이 재결합되고 증폭된 출력 빔(247)이 출력 도파관(248)을 통하여 상기 장치로 배출되도록 선택된다. 중실 코어 MMI 스플리터(230) 및 중공 코어 MMI 재결합기(236)의 크기들은 GaAs 및 공기(각각 1.0과 비교하여 대략 3.5)의 굴절율의 차로 인해 다르다는 것이 주의되어야 한다; 이것은 중공 코어 MMI 재결합기(236)보다 크기면에서 물리적으로 작은 중실 코어 MMI 스플리터(230)를 형성한다.
비록 1 대 6 대 1 증폭기가 상술되었지만, 당업자는 보다 높은 정도의 분할 및 재결합이 가능하다는 것을 인식한다. 광학 결합을 요구하는 배율의 양이 증가하기 때문에, 재결합기의 배율 조절 능력들은 증가하여야 한다.
도 8에 기술된 형태의 하이브리드 증폭기에서, 중실 코어 MMI 장치들은 상기 장치가 중공 코어 등가물보다 콤백트하고 낮은 배율 입사 빔의 효율적인 빔 분할을 제공하도록 입사 방사선 빔을 분할하기 위하여 사용된다. 그러나, 증폭된 신호들을 재결합할 때 중실 코어 장치들은 중실 코어 재료에 대한 손상을 발생하지 않고 증가된 광학 배율을 조절할 수는 없다. 도 3 및 도 4를 참조하여 기술된 형태의MMI 재결합기의 사용은 재결합기 장치의 코어 손상 가능성 없이 높은 세기의 빔들의 효율적인 재결합을 허용한다.
상기된 MMI 장치들은 일차원(예를들어, 수평)으로 분할을 제공한다. 그러나 US 5,410,625의 도 17 및 18을 참조하여 기술된 바와같이 제 2 방향(예를들어, 수직)으로 분할 제공하는 것 또한 가능하다. 이런 방식에서, 단일 입력 빔은 M×N 빔들로 분할될 수 있다. 3차원 분할은 제 1 차원(예를들어, 수평)에서 N 웨이 분할로서 고려되고 제 2 차원(예를들어, 수직)에서 M 웨이로서 고려된다.
2차원의 다중 모드 진행을 지원하는 직사각형 도파관에 공급되는 대칭 필드의 경우에 대하여, M 웨이 및 N 웨이 분할은 다음과 같이 제공된다.
여기서 W1은 가이드 폭이고, W2는 가이드 깊이이고, p 및 q는 정수이고, λ는 진행 광의 파장이다. 따라서,가 M ×N 필드를 제공하도록 pW1및 qW2를 선택한다.
2차원의 다중 모드 진행을 지원하는 직사각형 가이드에 공급되는 비대칭 필드의 경우에 대하여, M 웨이 및 N 웨이 분할은 다음과 같이 제공된다.
여기서 W1은 가이드 폭이고, W2는 가이드 깊이이고, p 및 q는 정수이고 λ는 진행 광의 파장이다. 다시가 M ×N 필드를 제공하도록 pW1및 qW2를 선택한다. 게다가, 다중 모드 도파관 영역에 비대칭 기본 모드를 공급하는 것은 다중 모드 필드를 입력하는 것과 유사하다.

Claims (27)

  1. 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관에 광학적으로 결합되는 중공 코어 다중 모드 도파관 영역을 포함하고, 상기 중공 코어 도파관들의 내부 표면들은 반사 코팅을 가지는 다중 모드 간섭(MMI) 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 코팅은 동작 파장 대역내에서 도파관 코어보다 작은 굴절율을 갖는 적어도 하나의 재료층을 포함하는 다중 모드 간섭 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 중공 코어 도파관들의 내부 표면상에 유지된 적어도 하나의 재료층들 중 적어도 하나는 금속인 다중 모드 간섭 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속은 금, 은 또는 구리 중 어느 하나인 다중 모드 간섭 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 코팅은 하나 이상의 유전체 재료층들을 포함하는 다중 모드 간섭 장치.
  6. 1.4㎛ 및 1.6㎛ 파장 사이의 방사선으로 동작하기 위한 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 다중 모드 간섭 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관은 기본 모드 도파관인 다중 모드 간섭 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관은 다중 모드 도파관인 다중 모드 간섭 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 코어 다중 모드 도파관 영역은 실질적으로 직사각형 단면을 가지는 다중 모드 간섭 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 중공 코어 다중 모드 도파관 영역의 크기는 상기 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관에 의해 유지되는 광학 입력 필드의 재이미지화를 제공하기 위하여 선택되는 다중 모드 간섭 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 중공 코어 다중 모드 도파관 영역의 직사각형 내부 단면을 형성하는 대향 표면들은 실질적으로 동일한 유효 굴절율들을 가지며, 상기 직사각형 내부 단면 중공 코어 다중 모드 도파관 영역을 형성하는 인접한 표면들은 상이한 유효 굴절율들을 가지는 다중 모드 간섭 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 코어 다중 모드도파관 영역은 실질적으로 원형 단면을 가지며, 상기 중공 코어 다중 모드 도파관 영역의 직경 및 길이는 상기 적어도 하나의 중공 코어 입력 도파관에 의해 유지되는 광학 입력 필드의 재이미지화를 제공하도록 선택되는 다중 모드 간섭 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MMI 장치의 중공 도파관들은 반도체 재료로 형성되는 다중 모드 간섭 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 반도체 재료는 실리콘을 포함하는 다중 모드 간섭 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 중공 코어 도파관들은 반도체 마이크로 제조 기술을 사용하여 형성되는 다중 모드 간섭 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 반도체 마이크로 제조 기술은 딥 리액티브 이온 에칭(DRIE; Deep Reactive Ion Etching)인 다중 모드 간섭 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 코어 도파관들은 플라스틱 또는 중합체 층으로 형성되는 다중 모드 간섭 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 코어 도파관들은유리로 형성되는 다중 모드 간섭 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 코어 도파관들은 가스를 포함하는 다중 모드 간섭 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 가스는 공기인 다중 모드 간섭 장치.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 가스는 광학 이득 매체인 다중 모드 간섭 장치.
  22. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 코어는 액체를 포함하는 다중 모드 간섭 장치.
  23. 1 대 N 웨이 빔 스플리터, 다중 엘리먼트 광학 증폭기 및 광학적으로 일렬로 접속된 빔 재결합기를 포함하고, 1 대 N 웨이 빔 스플리터의 출력들 중 적어도 하나에서 작동하는 광학 증폭기로서, 상기 적어도 하나의 1 대 N 웨이 빔 스플리터 및 빔 재결합기는 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 중공 코어 다중 모드 간섭 장치를 포함하는 광학 증폭기.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 1 대 N 빔 스플리터 및 상기 빔 재결합기 모두는 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 중공 코어 다중 모드 간섭 장치들을포함하는 광학 증폭기.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 1 대 N 빔 스플리터는 중실 코어 MMI 스플리터 장치를 포함하는 광학 증폭기.
  26. 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 재결합기에서 빔을 재결합하기 전에 상기 증폭된 빔들의 상대 위상들을 조절하기 위한 위상 오프셋 수단을 부가로 포함하는 광학 증폭기.
  27. 부분 반사기,
    스플리터/재결합기 수단,
    다중 엘리먼트 광학 증폭기, 및
    반사기를 포함하는 공진기로서,
    상기 부분 반사기, 스플리터/재결합기 수단, 다중 엘리먼트 광학 증폭기 및 반사기는 상기 스플리터/재결합기 수단이 단일 빔을 N개의 빔들로 분할하도록 배열되고, 상기 N은 2보다 크거나 같으며, 상기 N개의 빔들 각각은 상기 다중 엘리먼트 광학 증폭기에 의해 증폭되고, 상기 반사기에 의해 반사되며, 상기 다중 엘리먼트 증폭기를 통하여 다시 통과하도록 재지향되고, 그 후에 상기 N개의 빔들은 단일 빔을 형성하기 위하여 상기 스플리터/재결합기 수단에 의해 재결합되며, 단일 빔 중 일부는 상기 부분 반사기를 통하여 상기 공진기에서 배출되고,
    상기 스플리터/재결합기 수단은 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 중공 코어 다중 모드 간섭 장치인 공진기.
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