KR20110053264A

KR20110053264A - 손실을 감소시킨 유전체 도파관 교차부

Info

Publication number: KR20110053264A
Application number: KR1020117007804A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에이. 파탈; 징징 리
Original assignee: 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2011-05-19
Also published as: US20110194815A1; JP2012502315A; CN102144179A; CN102144179B; KR101515870B1; US8655124B2; JP5376544B2; WO2010027357A1; EP2326977A1; EP2326977A4

Abstract

도파관 교차부(300)는 입력 도파관(205)과 출력 도파관(210); 교차부(135)를 형성하기 위해 입력 도파관(205)과 출력 도파관(210)을 교차하는 크로싱 도파관(215); 및 유도 모드(405)를 교차부(135) 안에 생성하기 위하여 교차부(135)와 광학적으로 결합된 블록(305, 310)을 포함한다. 도파관 교차부(300) 내부의 광학 손실을 감소시키는 방법은 교차부(135)를 통과하는 광학 에너지(405)를 측면으로 제한하기 위하여 교차부(135)의 단면의 높이를 증가시키는 단계를 포함한다.

Description

손실을 감소시킨 유전체 도파관 교차부{DIELECTRIC WAVEGUIDE INTERSECTION WITH REDUCED LOSSES}

광빔들 또는 광학 신호들은 디지털 데이터를 전송하는데 자주 사용된다. 예를 들면, 광학 신호들은 단일 회로 보드 상의 전자 컴포넌트들 사이, 또는 인근의 회로 보드들 상의 전자 컴포넌트들 사이에 데이터를 전송하는데 사용될 수 있다. 집적 회로들 내의 서브-컴포넌트들 사이에 데이터를 전송하기 위하여 광학 신호들의 사용이 증가하고 있다.

광학 신호들은 도파관들을 사용하여 라우팅될 수 있다. 도파관들은 광학 에너지의 팽창을 제어하고 이를 원하는 위치로 유도하는 경계들을 부과함으로써 광학 에너지를 운송한다. 전형적으로 광학 도파관들은 상대적으로 고 굴절율의 유전체 물질로 구성되며, 유전체 물질은 클래딩(cladding) 또는 공기와 같은 낮은 유전율을 갖는 물질에 의해 둘러싸인다. 예를 들면, 리지 도파관들(ridge waveguides)은 집적 회로 내의 서브-컴포넌트들 사이에 광학 신호들을 운송하도록 구성될 수 있다. 전형적으로, 리지 도파관은 장방형 또는 원형 단면을 갖는 연장된 구조로, 신호 소스를 하나 또는 그 이상의 검출기에 광학적으로 연결한다. 리지 도파관은 목표 광 파장 또는 파장들의 범위에서 적어도 부분적으로 투명한 다양한 물질로 이루어질 수 있다.

도파관들이 서로 교차해야만 하는 경우, 광학 집적 회로의 설계 및 제조는 더욱 복잡해진다. 이러한 문제에 대한 한가지 가능한 접근법은 회로 평면 외부의 크로싱 도파관들(crossing waveguides) 중 하나를 다른 도파관 위 또는 아래로 통과시키기 위하여 라우팅하는 것이다. 그러나, 집적 광학 회로의 제조에 이러한 평면 외부 구조(out-of-plane structure)를 추가하는 것은 집적 광학 회로 제작의 복잡성 및 비용을 크게 증가시킨다. 또한, 회로 평면 외부 및 후면으로부터의 도파관의 회전(turn) 또는 곡선(curve)은 원치 않는 반사 또는 신호 강도의 손실을 초래할 수도 있다.

첨부한 도면은 본 명세서에 설명된 원리들의 여러 가지 실시예들을 예시한다. 예시한 실시예들은 단지 예들에 지나지 않으며 특허청구범위의 범주를 제한하지 않는다.

도 1은 본 명세서에 설명된 원리들의 일 실시예에 따라, 입력 도파관 및 크로싱 도파관의 교차부에서 크로스-토크(cross-talk)로 인한 광학 손실을 도시하는 도파관 교차부의 예시도.

도 2는 본 명세서에 설명된 원리들의 일 실시예에 따라, 입력 도파관 및 크로싱 도파관의 교차부에서 후방 방사(back reflection)로 인한 광학 손실을 도시하는 리지 도파관 교차부(ridge waveguide intersection)의 예시도.

도 3은 본 명세서에 설명된 원리들의 일 실시예에 따라, 입력 및 크로싱 도파관들의 교차부에서 상부 및 하부 유전체 블록의 추가를 도시하는 리지 도파관 교차부의 예시도.

도 4는 본 명세서에 설명된 원리들의 일 실시예에 따라, 입력 도파관에서의 유도 광학 모드(guided optical mode)를 도시하는 예시도.

도 5 는 본 명세서에 설명된 원리들의 일 실시예에 따라, 크로싱 도파관을 가로지르는 유도 광학 모드를 도시하는 예시도.

도면들 전체에 있어, 유사한 구성요소에는 동일한 도면부호를 부여했지만, 꼭 동일한 구성요소일 필요는 없다.

집적 광학 회로들을 구성하는데 있어서, 다중 입력 도파관들 상에서 동작하기 위한 공간 제약들 및 바램은 도파관 교차부들에 의해 용이하게 된다. 평면 외부 곡선들(out-of-plane curves)을 제작하는 어려움과, 곡선들에 의해 생성되는 방사 및 반사 때문에, 도파관들은 상이한 평면들 또는 층들 상에서 물리적으로 서로 교차하지 않고, 오히려 동일한 공면 영역(coplanar region)에서 교차할 수 있다. 결과적으로 본 명세서는 광학 신호들이 신호 무결성을 희생하지 않고 도파관들 간에 물리적 교차부를 통해 이동하게 하는 구조 및 기술을 기술할 것이다.

많은 수의 도파관 교차부들을 사용하는 전형적인 어플리케이션들(typical application)은 멀티-코어 칩 설계들 간에 상호 연결들을 만드는데 사용되는 매우 많은 평행 광자 네트워크들을 포함한다. 멀티-코어 칩 디자인들 간의 상호 연결들의 수와 밀도가 증가함에 따라, 다양한 코어들 사이의 전기적 상호 연결들은 시스템의 성능을 제한하는 요인이 되고 있다. 전기적 상호 연결을 온-칩 도파관 네트워크로 교체함으로써, 상호 연결은 향상된 속도, 적은 풋프린트(footprint) 및 낮은 열소모(heat dissipation)를 제공할 수 있다. 온-칩 유전체 도파관들이 더욱 조밀하게 배치됨에 따라, 도파관 교차부들은 더 공통적이 되고 이들 도파관 교차부들에서 신호 크로스-토크를 감소시키는 것은 더욱 중요해진다.

광자 네트워크를 사용하는 다른 어플리케이션이 광학 스위칭 네트워크들(optical switching networks)에 존재한다. 광학 스위칭 네트워크에서, 다수의 입력들은 다수의 출력들로 지향되고, 각각의 입력들을 모든 출력에 연결하기 위해 도파관 교차부들이 필요하다. 대형 스위칭 구조에 있어서, 광학 도파관들을 교차하는 것과 관련된 손실은 특별한 고려사항인데, 그 손실은 특정하게 선택된 경로에서 마주치는 도파관 교차부들의 함수일 것이므로, 경로가 다양해 질 것이기 때문이다.

둘 이상의 도파관들이 교차함에 따라, 도파관들은, 도파관 매체가 둘 이상의 입력 도파관들로부터 대응하는 출력 도파관들로 광학 에너지를 전송하는데 사용되는 교차부를 생성한다. 도파관 교차부들은 바람직하지 않은 광학 손실 및 크로스-토크를 회피하기에 가능한 효율적이어야 한다. 이상적으로, 광학 에너지는 입력 도파관으로부터 교차부로 진입하여 붕괴나 손실 없이 교차부를 통해 원해지는 출력 도파관으로 향한다. 그러나, 둘 이상의 도파관들의 물리적 교차부들은 통상적으로 광학 경로의 유효 굴절률(the effective index of refraction)의 큰 변동을 생성한다. 이러한 불연속성은 입사 유도 모드(incident guided mode)를 방해하고 일반적으로 크로스-토크, 후방 반사 및 개방 공간으로의 산란을 초래한다.

크로스-토크는 의도되지 않은 도파관으로의 광학 에너지 누출이다. 도파관 교차부에서의 크로스-토크에 대한 하나의 원인은 교차부에서 광학 에너지 전파에 대한 측면 구속(lateral restrains)의 부재이다. 유도 모드를 정의하는 경계로서 이전에 기능한 입력 도파관의 측벽들이 교차부에는 존재하지 않는다. 이들 측면 구속없이, 광학 에너지는 교차부로 팽창하고, 광학 에너지의 일부는 크로싱 도파관으로 빠져나간다. 그리고 나서, 분산된 광학 에너지는 다른 광학 신호들을 오염시킬 수도 있다.

광학 매체의 인터페이스 또는 불연속점에서 광학 에너지의 일부가 방향을 반전시키는 후방 방사가 발생한다. 전술한 바와 같이, 유효 굴절률은 교차부의 입구 및 출구에서 갑자기 변화한다. 유효 굴절률의 이러한 변화는 출력 전력의 손실 및 잡음을 초래할 수 있는 후방 방사를 야기할 수 있다.

광학 에너지가, 거친 표면들, 에지들 또는 다른 결함들(imperfections)과 마주치면 산란이 일어날 수 있고 광학 도파관 외부로 방향이 전환된다. 교차부에서, 광학 에너지는 입력 도파관 내에 더 이상 포함되지 않고 팽창함으로써, 둘러싸고 있는 표면과 광학 에너지의 상호작용을 증가시키고, 산란에 대한 가능성을 증가시킨다.

이하의 설명에서, 설명의 목적을 위해, 본 시스템 및 방법의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 특정 세부사항이 언급된다. 그러나 본 장치, 시스템 및 방법이 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 명세서에서 "일 실시예", "일례" 또는 유사한 표현의 언급은 그 실시예 또는 예와 관련하여 기술된 특정의 피처, 구조 또는 특성이 적어도 그 하나의 실시예에 포함되지만, 반드시 다른 실시예에 포함되지만, 다른 실시예들에서 반드시 포함되는 것은 아님을 의미한다. 명세서의 여러 곳의 구문 "일 실시예에서" 또는 유사한 구문의 다양한 예들은 반드시 모두 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다.

본 명세서와 첨부된 특허청구범위에서 사용된 바와 같이, 용어 "광학 에너지"는 일반적으로 10 나노미터에서 500 마이크론 사이의 파장을 갖는 방사 에너지를 지칭한다. 따라서, 정의된 광학 에너지는 자외선, 가시광선 및 적외선 광을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 광학 에너지 빔은 본 명세서에서 "광빔" 또는 "광학 빔"으로 언급될 수도 있다.

본 명세서에서 개시된 원리들은 예시적인 시스템 및 방법들에 의해 지금부터 논의될 것이다.

도 1은 도파관 교차부(100)의 예시도이다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 도파관 교차부(100)는 입력 도파관(105), 출력 도파관(110) 및 크로싱 도파관(115)으로 구성된다. 도파관의 교차부(135)는 점선 박스로 표시되어 있다. 이상적으로, 입사 광학 에너지(incident optical energy)(120)는 입력 도파관(105)을 통해 이동하고, 어떠한 손실도 없이 교차부(135)를 곧바로 통과해 출력 도파관(110) 내로 진행한다.

전술한 바와 같이, 도파관 교차부에서 손실이 발생할 수 있는 몇 가지 이유가 존재한다. 예를 들면, 일부 입사 광학 에너지(120)가 크로싱 도파관(115)으로 빠져나갈 수 있다. 이러한 크로스-토크 에너지(130)는 입사 광학 에너지(120)로부터의 원치 않는 에너지 손실을 나타낸다. 출력 에너지(125)의 크기는 크로스-토크 에너지(130)로서 빠져나가는 에너지의 양에 의해 감소된다. 그리고 나서, 크로스-토크 에너지(130)는 크로싱 도파관(115)을 통해 이동하는 신호에 중첩된다. 이러한 의도하지 않은 신호는 크로싱 도파관(115)를 통해 이동하는 신호의 무결성을 저하시킬 수 있거나, 회로의 오동작을 일으킬 수 있다.

도 2는 리지 도파관 교차부(200)의 예시적인 삼차원도이다. 리지 도파관 교차부(200)는 입력 도파관(205), 출력 도파관(210) 및 크로싱 도파관(215)으로 구성된다. 전술한 바와 같이, 리지 도파관들은 하나 이상의 목표 광학 파장들에서 적어도 부분적으로 투명한 여러 가지 물질로 형성될 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 리지 도파관들은 집적 회로 제조 기술을 사용하여 기판 상에 실리카(silica) 성막되어 만들어지고, 형상지어질 수 있다. 제한적이지 않은 예로써, 리지 도파관은 다수의 유리, 실리콘, 실리콘 혼합물, 폴리머들(polymers) 또는 다른 유전체 물질들로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 리지 도파관은 표준 집적 회로 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다.

전술한 바와 같이, 입사 광학 에너지(120)는 입력 도파관(205)을 통과해 교차부로 진행한다. 입사 광학 에너지(120)의 모드 형상은 입력 도파관의 기하학적 형상 및 물리적 특성과 주면 물질들에 영향을 받는다. 이러한 주변 물질들은 기판 베이스, 추가의 클래딩 층들, 인접한 구조들 또는 코팅을 포함할 수 있다. 다른 특성들 중에서, 입력 도파관(205)과 주변 물질들은 도파관을 통해 이동하는 빛의 모드 형상과 유효 굴절률에 영향을 준다. 특정한 모드 형상과 유효 굴절률은 여러 가지 요인들의 영향을 받을 수 있다. 제한적이지 않은 예로서, 이러한 요인들은 도파관의 기하 형상, 물질들의 온도, 입사 광학 에너지의 파장, 다양한 전자기장의 존재 등을 포함할 수 있다. 입력 도파관은 광학 에너지의 특정 파장 또는 최소 손실을 갖는 파장의 영역을 운송하기 위해 조정될 수 있다.

입사 광학 모드에서 운송된 에너지는 입사 도파관(incident waveguide) 내부 및 바로 근접 부근으로 제한된다. 도파관의 기하 형상 및 다른 물리적인 제약들은 광학 에너지를 도파관을 통해 이동하는 동안 하나 이상의 모드 형상을 가정하도록 한다. 용어 "모드 형상(mode shape)"은 광학 에너지가 매체를 이동함에 따른 광학 에너지의 분포를 지칭한다. 광학 에너지가 교차부에 도달하는 경우, 광학 에너지가 측면 방향으로 팽창하는 것을 제한하는 입력 도파관의 벽들은 존재하지 않는다. 전술한 바와 같이, 광학 에너지가 측면 방향으로 자유롭게 전파하는 모드 형상으로 결합하는 것이 가능하므로, 다량의 광학 에너지가 크로싱 도파관(215)을 관통하여 교차부에 존재하도록 야기한다. 전술한 바와 같이, 이러한 크로스-토크 에너지(130)는 시스템을 통과한 광학 신호들에 바람직하지 않은 효과를 줄 수 있다. 크로스-토크는 출력 신호의 진폭을 감소시킬 뿐만 아니라, 크로싱 도파관들을 통해 전파하는 원치 않는 신호들을 도입한다.

입사 광학 에너지(120)가 경로 상의 불연속들과 직면하는 경우, 후방 반사가 발생할 수 있다. 하나의 그러한 불연속성은 입사 광학 에너지(120)가 기준 평면 A(220)를 가로지르고 도파관 교차부(200)의 교차부로 진입할 때 발생할 수 있다. 입력 도파관의 이전의 제한하는 벽들(confining walls)이 크로싱 도파관(215)의 교차부에 의해 중단될 때, 매체의 유효 굴절률은 갑작스럽게 변화한다. 후방 반사 A(230)는 이러한 천이에서 발생할 수 있다.

또 다른 천이는 광학 에너지가, 제한하는 출력 도파관으로 재진입함에 따라 기준 평면 B(225)에서 발생한다. 유사한 후방 반사 B(225)가 이 지점에서 발생할 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따라서, 후방 반사들(230, 235)은 유사한 진폭 및 반대 위상을 갖도록 조정될 수 있다. 조정된 후방 반사들(230, 235)이 입력 도파관(205)으로 다시 이동할 때, 자멸적으로 간섭할 것이다. 이러한 자멸적인 간섭은 후방 반사들을 제거하고 광학 신호에서의 잡음과 에너지 손실을 감소시킨다.

후방 반사들(230, 235)은 교차부의 폭을 조정하고, 광학 물질을 선택하고, 도파관의 기하 형상을 조정하고 및/또는 주변 구조들의 형상을 조정하는 것을 포함하지만, 이것으로 한정되지는 않는 다수의 요인들을 사용하여 동일 진폭 및 반대 위상을 가지도록 조정될 수 있다.

입사 광학 에너지(120)가 그 경로 상에서 불연속성을 접하게 되면, 개방 공간으로의 산란이 발생할 수 있다. 이러한 프로세스에서, 유도 모드 형태로 도파관을 따라 이동하는 광학 에너지는 도파관 외부로 그리고 주변 매체 내부로 산란될 수 있다. 이러한 산란된 에너지(240, 245)는 광학 신호의 바람직하지 않은 손실이다. 그러한 하나의 불연속성은 입사 광학 에너지(120)가 기준 평면 A(220)를 가로질러 도파관 교차부(200)의 교차부로 진입할 때 발생할 수 있다. 다른 천이는 광학 에너지가, 제한하는 출력 도파관으로 재진입할 때, 기준 평면 B(225)에서 발생한다. 이 지점에서, 평면 B(225)에서 유사 산란이 발생할 수 있다.

도 3은 리지 도파관 교차부(300)의 예시도이다. 일 실시예에 있어서, 도파관들의 폭은 10-200 나노미터 사이이며 그 두께는 5-100 나노미터 사이이다. 또한, 도파관들은 다양한 각도로 교차할 수도 있다. 도 3에 예시된 예에서, 크로싱 도파관(215)은 입력 및 출력 도파관들(205, 210)을 90도로 교차한다. 다른 실시예들에서, 교차 각은 몇도 정도의 예각에서 큰 둔각까지의 범위일 수 있다.

일 예시적인 실시예에 따라서, 하나 이상의 유전체 블록들(305, 310)은 입력 도파관(205)과 크로싱 도파관들(210)의 교차부에서 형성된다. 도 3에서, 상부 블록(305)은 교차부 위에 형성되고, 하부 블록(310)은 교차부 아래에 형성된다. 상부 및 하부 블록들(305, 310)의 존재는 입사 유도 모드의 방향으로 전파하는 유한수의 고유 모드들(eigenmodes)을 생성한다. 이는 광학 에너지가 교차부에서 측면 방향으로 팽창하는 것을 제한한다. 더욱이, 블록들(305, 310)은 교차부에서 후방 반사를 감소시키도록 구성될 수 있다.

이들 블록들(305, 310)은 도파관들 및 집적 광학 회로의 다른 컴포넌트과 같이 동일한 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유전체 블록들 및 크로싱된 도파관들 모두를 형성하는데 다층 나노-임프린트 마스크(multilayer nano-imprint mask)가 사용된다. 다층 나노-임프린트 리소그래피는 삼차원 구조를 단일 동작으로 형성할 수 있다. 이는 유전체 블록들과 크로싱된 도파관들 사이에 우수한 레지스트레이션(registration)을 제공한다. 일부 실시예들에서, 상부 및 하부 블록(305, 310) 중 오직 하나만 형성된다. 오직 하나의 블록만을 사용하면, 교차부에서 손실 및 크로스-토크를 현저하게 감소시키면서 제조 복잡도도 감소시킬 수 있다.

상부 및 하부 블록들(305, 310)은 주변 매체의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 다양한 물질들로 형성될 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 블록들(305, 310)은 제조 프로세스를 단순화하기 위하여 도파관과 동일한 물질로 형성된다. 다른 실시예들에서, 블록 물질은 도파관 교차부(300)의 광학 특성을 개선하기 위하여 선택될 수 있다. 제한적이지 않은 예로서, 교차부에 의해 발생하는 후방 반사들을 감소시키기 위해 특정한 굴절률을 갖는 블록 물질이 선택될 수 있다.

도 3의 예시도에서, 블록들(305, 310)의 형상은 전체 교차부를 커버하는 날카로운 에지를 갖는 장방형(sharp edge rectangle)으로서 도시된다. 그외의 다수의 형상이 사용될 수 있다. 예를 들면 제조 제약들은 블록들(305, 310)이 보다 둥근 에지들(rounded edges)을 갖는 것에 영향을 줄 수 있다. 또한, 블록들(305, 310)은 교차부보다 적거나 큰 풋프린트를 가질 수 있다. 또한 광학 에너지에 대한 원해지는 제한(desired confinement)을 달성하기 위하여 블록들의 두께가 또한 조정될 수 있다. 보다 두꺼운 블록들은 교차부의 중심으로의 광학 에너지의 더 큰 제한을 만들어 내는 한편, 보다 얇은 블록들은 더 적은 제한을 만들어 낸다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 블록들(305, 310)은 도파관들(205, 210, 215)의 두께와 동등하거나 또는 더 적은 두께를 갖는다.

상부 및 하부 블록들(305, 310)은 이상적으로는 블록들이 교차부의 일체부가 되도록 도파관 내로 병합된다. 일 실시예에서, 블록들 및 도파관들은 모놀리식(monolithic)이며, 단일의 프로세스에서 형성된다. 블록들과 교차부 사이의 광학 경계를 제거함으로써, 블록들은 교차부를 통과하는 광학 에너지에 직접 작용할 수 있다. 게다가, 블록들과 교차부 사이의 광학 경계를 제거하는 것은 바람직하지 않은 반사들과 산란을 제거할 수 있다.

도 4는 기준 평면 C(310)에서 입력 도파관(205)을 바라볼 때 취한, 입력 도파관(205)의 단면도이다. 전술한 바와 같이, 입력 도파관(205)과 그 주변은 입력 도파관을 통과하는 광학 에너지의 모드 형상을 정의하는 경계들 및 그외의 조건들을 제공한다. 이러한 입력 모드(400)는 일련의 동심의 타원들(concentric ellipses)로서 예시된다. 동심의 타원들 내부를 채움으로써 광학 플럭스(optical flux)의 밀도를 예시하며, 보다 어둡게 채운 부분은 보다 높은 광학 플럭스를 나타내고, 보다 연하게 채운 부분은 보다 낮은 광학 플럭스를 나타낸다.

전술한 바와 같이, 입력 모드(400)는 입력 광학 신호의 특성들의 조합 및 입력 도파관과 주변 구조들의 물리적인 제약들에 의해 생성된다. 도 4의 예시에서, 광학 플럭스 중 다수는 입력 도파관(205) 내에 제한되며, 입력 도파관(205)의 중심에서 가장 높은 플럭스 밀도를 갖는다. 외부 타원으로 도시한 바와 같이, 오직 적은 양의 광학 에너지만 도파관(205)의 외부에 분산된다.

도 5는 기준 평면 C(310)에서 교차부를 바라볼 때 취한, 교차부의 단면도이다. 크로싱 도파관(215), 상부 블록(305) 및 하부 블록(310)의 단면들이 도시된다. 상부 및 하부 블록(305, 310)이 존재하지 않는 경우들에서, 교차부 내의 광학 모드는 측면 방향으로 억제되지 않을 것이다. 전술한 바와 같이, 이는 상당한 크로스-토크, 반사, 산란 및 다른 바람직하지 않은 광학 거동(behavior)의 원인이 될 수 있다.

상부 및 하부 블록들(305, 310)의 추가는 측면 구속들을 제공하며, 두 개의 블록(305, 310) 사이에서 집중된 영역을 갖는 잘 제한된(well-confined) 교차부 모드(405)를 만들어 낸다. 교차부 모드(405)는 두 개의 블록들(305, 310)의 두께가 증가함에 따라 보다 엄격하게 제한된다. 그러한 유도 교차부 모드(405)의 존재는 진입 경계에서 입력 모드(400)로의 보다 훌륭한 모드 매칭 및 교차부의 출구 경계에 있는 출력 모드로의 보다 훌륭한 모드 매칭을 제공한다.

전술한 입력 모드(400)와 마찬가지로, 교차부 모드(405)는 일련의 동심의 타원들로서 예시된다. 동심의 타원들 내부를 채움으로써 모드 내의 광학 플럭스의 밀도가 예시된다. 보다 어둡게 채운 부분은 보디 높은 광학 플럭스를 나타내고, 보다 연하게 채운 부분은 보다 낮은 광학 플럭스를 나타낸다. 입력 모드(400)와 비교해 볼 때, 교차부 모드(405)는 보다 적은 측면 경계들로 인한 더욱 커진 측면 확산을 갖는다. 그러나, 교차부 모드(405)는 교차부 중심에 광학 에너지 중 다수를 제한하고 크로스-토크에 대한 에너지 손실의 양을 제한한다.

부가적으로, 상부 및/또는 하부 블록(305, 310)의 추가는 교차부와 도파관들에 걸친 유효 귤절률 간의 미스매치를 감소시킨다. 결과적으로, 후방 반사의 크기는 현저하게 감소된다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 상부 및 하부 유전체 블록들이 도파관 교차부 설계에 추가되는 경우, 크로스-토크는 85% 감소하고 후방 반사는 90% 감소하는 것으로 관찰된다. 크로싱 영역의 크기를 유도 모드의 유효 파장의 절반을 선택함으로써 후방 반사를 더욱 감소시킬 수 있다.

상부 및/또는 하부 블록(305, 310)에 의해 도입된 모드-매칭 특성 때문에, 입사 유도 모드에서 운송되는 에너지는 교차부 모드(405)와 보다 잘 매칭된다. 또한, 교차부 모드(405)는 출력 도파관의 유도 모드에 보다 잘 매칭된다. 이는 모드 불연속성을 감소시키고 주변 매체로의 산란을 억제한다.

정리하면, 다수의 코어(many-core) 칩 설계에서 상호 연결의 요건들을 만족시키기 위하여 온-칩에 제작되는 다량의 평행 광자 네트워크에 대한 요구가 증가되고 있다. 온-칩 유전체 도파관들이 더욱 조밀하게 배치되고 서로 교차하는 기회가 증가함에 따라, 도파관 교차부들에서의 광학 손실 및 크로스-토크를 감소시키는 것이 더욱 더 중요해 지고 있다.

도파관 교차부의 교차부 위에 상부 및/또는 하부 블록을 형성하는 것은 교차부에서의 광학 손실 및 크로스-토크를 현저하게 감소시킨다. 상부 및/또는 하부 블록은 종래의 리소그라피 프로세스를 사용하여 효과적으로 형성될 수 있다. 블록들은 교차부 내의 잘 제한된 유도 고유 모드를 생성한다. 블록들의 두께가 증가함에 따라서, 필드(field)는 교차부의 중심으로 더 집중된다. 그러한 유도 모드의 존재는 교차부의 진입 및 출구 경계들에서 입사 유도 모드와의 보다 양호한 모드 매칭을 제공하여, 크로싱 도파관에 의해 포획되는 에너지(크로스-토크 에너지)가 크게 감소한다. 교차부에 의해 생성되는 입사 도파관으로의 후방 반사 및 주변 매체로의 산란 또한 현저하게 감소한다. 이들 수단에 의해, 광학 신호의 무결성이 보호되며, 도파관 교차부에서의, 입사 광학 신호로부터의 에너지 손실이 크게 감소한다.

전술한 설명은 설명된 실시예들 및 원리들의 예들을 예시하고 설명하기 위해서 제시되었을 뿐이다. 이러한 설명은 완전하거나, 이러한 원리들을 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 다수의 변경들 및 변형들이 전술한 교시의 관점에서 가능하다.

Claims

도파관 교차부(300)로서,
입력 도파관(205) 및 출력 도파관(210);
상기 교차부(135)를 형성하기 위해 상기 입력 도파관(205) 및 상기 출력 도파관(210)을 교차하는 크로싱 도파관(215); 및
블록(305, 310) - 상기 블록(305, 310)은 상기 교차부(135)에 광학적으로 연결되어 상기 교차부(135) 내에 유도 모드(405)가 생성되게 함 -
을 포함하는 도파관 교차부.
제1항에 있어서,
상기 교차부(135) 내에 상기 유도 모드(405)가 생성되도록 상기 교차부(135)의 바닥 표면에 상기 블록(310)을 광학적으로 연결하는 것을 더 포함하는 도파관 교차부.
제1항에 있어서,
상기 교차부(135) 내에 상기 유도 모드가 생성되도록 상기 교차부(135)의 상위 표면에 상기 블록(305)을 광학적으로 연결하는 것을 더 포함하는 도파관 교차부
제1항에 있어서,
제1 블록(305)을 상기 교차부(135)의 상위 표면으로, 그리고 제2 블록(310)을 상기 교차부(135)의 하위 표면으로 광학적으로 연결하는 것을 더 포함하는 도파관 교차부.
제1항에 있어서,
상기 블록(305, 310)은 입방형(cuboid)인 도파관 교차부.
제1항에 있어서,
상기 블록(305, 310)은 상기 교차부(135)의 평면 표면을 실질적으로 덮는 도파관 교차부.
제1항에 있어서,
상기 블록(305, 310)은, 상기 입력 도파관(205), 상기 출력 도파관(210), 및 상기 크로싱 도파관(215) 중 적어도 하나와 유사한 물질 특성들을 갖는 도파관 교차부.
제1항에 있어서,
상기 블록(305, 310)은 상기 입력 도파관(205), 상기 출력 도파관(210), 및 상기 크로싱 도파관(215) 중 임의의 하나로부터의 상기 도파관 교차부로 진입하는 광학 에너지에 대해 실질적으로 유사한 측면 제한(confinement)을 제공하는 도파관 교차부.
감소된 손실들을 갖는 도파관 교차부(300)로서,
입력 도파관(205) 및 출력 도파관(210) - 상기 입력 도파관(205) 및 상기 출력 도파관(210)은 동일 선상에 존재함 - ;
교차부(135)를 형성하기 위해 상기 입력 도파관(205) 및 상기 출력 도파관(210)을 교차하는 크로싱 도파관(215) - 상기 크로싱 도파관(215)은 상기 입력 도파관(205) 및 상기 출력 도파관(210)에 실질적으로 수직임 - ; 및
상부 블록(305) 및 하부 블록(310) - 상기 상부 블록(305) 및 상기 하부 블록(310)은 실질적으로 정사각형의 풋프린트(footprint)를 갖고, 상기 교차부(135)를 덮으며, 상기 상부 블록(305) 및 상기 하부 블록(310)은 상기 입력 도파관(205) 및 상기 출력 도파관(210)을 형성하는데 이용되는 물질과 실질적으로 유사한 물질로부터 형성됨 -
을 포함하고,
상기 도파관 교차부(300)는 다층 나노-임프린트 마스크(multi-layer nano-imprint mask)를 이용하여 형성되는 도파관 교차부.
도파관 교차부(300) 내의 광학 손실들을 감소시키는 방법으로서,
상기 교차부(135)를 통과하는 광학 에너지(405)가 측면으로 제한되도록 교차부(135)의 단면 높이를 증가시키는 단계를 포함하는 광학 손실 감소 방법.
제10항에 있어서,
적어도 하나의 블록(305, 310)을 상기 도파관 교차부(300)에 광학적으로 연결함으로써 상기 단면 높이를 증가시키는 단계를 더 포함하는 광학 손실 감소 방법.
제11항에 있어서,
제1 블록(305)을 상기 도파관 교차부(300)의 일 측면에 광학적으로 연결하고, 제2 블록(310)을 상기 도파관 교차부(300)의 반대 측면에 광학적으로 연결함으로써 상기 단면 높이를 증가시키는 단계를 더 포함하는 광학 손실 감소 방법.
제11항에 있어서,
상기 광학 에너지(405)의 측면 제한의 원하는 양을 달성하기 위해 상기 적어도 하나의 블록(305, 310)의 높이를 조정하는 단계를 더 포함하는 광학 손실 감소 방법.
제11항에 있어서,
후방 반사들을 최소화하기 위해 상기 적어도 하나의 블록(305, 310)의 물리적 특성을 조정하는 단계를 더 포함하는 광학 손실 감소 방법.
제11항에 있어서,
상기 적어도 하나의 블록은 상기 교차부와 실질적으로 동일한 풋프린트를 갖는 광학 손실 감소 방법.