KR20130027497A - 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서 - Google Patents

광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서 Download PDF

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Abstract

광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서는 평면형 구조를 형성하는 복수의 광학 도파관(31, 32)을 포함한다. 각각의 광학 도파관은 제 1 폭(Wa)을 갖는 하나 이상의 제 1 세그먼트 및 제 2 폭(Wb)을 갖는 적어도 하나 이상의 제 2 세그먼트를 포함하는 총 길이를 갖고, 제 1 폭은 제 2 폭보다 크다. 각각의 광학 도파관 내의 하나 이상의 제 1 세그먼트의 길이의 합은 도파관의 총 길이의 절반보다 크다.

Description

광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서{AN OPTICAL FILTER OR MULTIPLEXER/DEMULTIPLEXER}
본 발명은 광학 필터 및 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서에 관한 것으로서, 특히 광자 집적 회로(PIC)에 형성된 광학 필터 및 멀티플렉서/디멀티플렉서에 관한 것이다.
실리콘, 실리콘-니트라이드 및 인듐 포스파이드와 같은 특정 재료는 상당한 열-광학 계수를 갖는다는 것이 알려져 있다. 이는 재료의 굴절률이 온도의 변화에 따라 변화한다는 것을 의미한다. 필터가 이러한 재료를 사용하여 구성되면, 필터 스펙트럼은 통상적으로 온도가 변화함에 따라 파장이 시프트될 것이다. 이 열-광학 계수는 실리콘에 대해 약 0.1 nm/℃, 실리콘-니트라이드에 대해 약 0.02 nm/℃ 및 인듐 포스파이드에 대해 약 0.1 nm/℃이다.
통상적으로 바람직하지 않은 이 굴절률의 온도 의존성은 종종 광학 디바이스, 예를 들어 PIC가 온도 제어되는 것을 필요로 한다. 그러나, 이러한 온도 제어는 통상적으로 비용 뿐만 아니라 전력 소비의 견지에서 고가이다.
본 발명의 실시예는,
- 평면형 구조를 형성하는 복수의 광학 도파관을 포함하고, 각각의 광학 도파관은 총 길이를 갖고, 적어도 하나의 광학 도파관은 하나 이상의 제 1 세그먼트 및 적어도 하나 이상의 제 2 세그먼트를 포함하고,
- 상기 적어도 하나의 광학 도파관에서, 각각의 제 1 세그먼트는 제 1 폭을 갖고, 각각의 제 2 세그먼트는 제 2 폭을 갖고, 제 1 폭은 제 2 폭보다 크고,
상기 적어도 하나의 광학 도파관 내의 하나 이상의 제 2 세그먼트의 길이의 합은 도파관의 총 길이의 절반보다 짧은 광학 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
몇몇 특정 실시예에 따르면, 적어도 하나의 도파관 내의 제 2 세그먼트의 총 길이는 상기 적어도 하나의 도파관 내에서 진행하는 광학 신호의 파장의 약 500배 미만이다.
몇몇 특정 실시예에 따르면, 적어도 하나의 도파관 내의 제 2 세그먼트의 총 길이는 상기 적어도 하나의 도파관 내에서 진행하는 광학 신호의 파장의 약 100배 미만이다.
몇몇 특정 실시예에 따르면, 적어도 하나의 도파관은 제 2 세그먼트를 갖지 않는다.
몇몇 특정 실시예에 따르면, 각각의 광학 도파관 내의 하나 이상의 제 1 세그먼트의 길이의 합은 도파관의 총 길이의 75%보다 크다.
특정 실시예에 따르면, 적어도 하나의 광학 도파관은 하나 이상의 제 3 세그먼트를 갖고, 제 3 세그먼트는 제 1 폭보다 작고 제 1 폭 및 제 2 폭과는 상이한 제 3 폭을 갖는다.
몇몇 특정 실시예에 따르면, 제 1 세그먼트의 총 길이 및 제 2 세그먼트의 총 길이는 이하의 관계에 따라 일 도파관으로부터 연속적으로 도파관까지 다양하고,
Figure pct00001
여기서, ΔLeff (i)는 2개의 연속적인 도파관 사이의 유효 광학 경로 길이차이고, na 및 nb는 각각 제 1 세그먼트 및 제 2 세그먼트의 굴절률이고, T는 온도이고, ｜ΔLa｜는 2개의 연속적인 도파관 사이의 제 1 세그먼트의 총 길이의 차이의 절대값이고, ｜ΔLb｜는 동일한 연속적인 도파관 사이의 제 2 세그먼트의 총 길이의 차이의 절대값이다.
몇몇 특정 실시예에 따르면, 제 1 적과 제 2 적 사이의 비는 0.8 내지 1.2이고, 제 1 적은 이하의 식으로부터 얻어지고,
Figure pct00002
na는 하나 이상의 제 1 세그먼트의 굴절률이고, T는 온도이고, ｜ΔLa｜는 2개의 연속적인 도파관 사이의 제 1 세그먼트의 총 길이의 차이의 절대값이고,
제 2 적은 이하의 식으로부터 얻어지고,
Figure pct00003
nb는 하나 이상의 제 2 세그먼트의 굴절률이고, T는 온도이고, ｜ΔLb｜는 동일한 연속적인 도파관 사이의 제 2 세그먼트의 총 길이의 차이의 절대값이다.
몇몇 실시예에 따르면, 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서는 어레이형 도파관 격자 또는 간섭계, 예를 들어 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계이다.
몇몇 실시예에 따르면, 본 명세서에 특징화된 바와 같은 광학 필터 또는 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서를 포함하는 광자 집적 회로가 제공된다.
몇몇 실시예에 따르면, 본 명세서에 특징화된 바와 같은 광학 필터 또는 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서 또는 광자 집적 회로를 포함하는 광학 장비가 제공된다.
도 1은 종래의 간섭계의 예시적인 개략도.
도 2는 알려진 해결책에 따라 제조된 간섭계의 예시적인 개략도.
도 3은 몇몇 실시예에 따른 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서의 예시적인 개략도.
본 발명의 실시예에 의해 제공된 해결책을 더 양호하게 이해하기 위해, 몇몇 알려진 해결책에 대한 간략한 참조가 적절한 것으로 고려된다.
도 1은 예를 들어 마하-젠더 간섭계와 같은 종래의 간섭계의 예시적인 개략도이다.
도 1의 간섭계(1)는 제 1 길이를 갖는 제 1 아암(11) 및 제 2 길이를 갖는 제 2 아암(12)과, 입사 광빔을 수용하기 위한 입력 포트(13)와, 입사광을 각각의 성분이 아암(11 또는 12) 내로 유도되는 2개의 성분으로 분할하기 위한 광 스플리터(14)를 포함한다. 아암(11, 12)은 도파관이고 상이한 길이를 갖는다. 그러나, 아암(11, 12)은 동일한 폭 및 그에 따른 동일한 유효 굴절률을 갖는다. 2개의 아암(11, 12)의 길이의 차이는 아암(11, 12)을 통해 진행하는 광의 위상 변화를 유발한다. 용어 아암 및 도파관은 본 명세서 전체에 걸쳐 상호 교환 가능하게 사용될 수 있지만, 이들은 모두 동일한 요소를 칭한다.
따라서, 도파관(11)을 통해 통과하는 광은 제 2 도파관(12)을 통해 통과하는 광과는 상이한 위상 변화를 받게 된다. 2개의 광빔은 이어서 자유 공간 전파 영역(15) 내로 입력되고, 원하는 파장의 위상 변화를 갖는 광빔은 출력(16)을 통해 출력된다.
그러나, 실제로, 도파관의 굴절률은 온도의 변화에 따라 변화한다. 이미 전술된 바와 같이, 실리콘, 실리콘-니트라이드 또는 인듐 포스파이드와 같은 특정 재료에서, 이러한 온도 변화의 계수는 상당하고, 따라서 굴절률의 대응 변화는 간섭계의 파장 응답의 상당한 시프트를 유발할 수도 있다. dn/dT가 온도에 대한 재료의 굴절률의 변화의 도함수 값이고 여기서 n은 굴절률, ΔT는 온도의 변화인 것으로 가정하면, 간섭계의 최고 투과율의 파장(λ)의 시프트(Δλ)는 이하의 식에 의해 표현될 수 있다.
Figure pct00004
이러한 성능의 에러를 방지하기 위해, 디바이스는 종종 동작 중에 온도 제어될 필요가 있어, 상당한 에너지를 소비한다.
실리콘 기반 디바이스의 온도를 제어하기 위한 해결책을 향한 현재의 시도는 통상적으로 복잡한 제어 회로 및 비용이 드는 전력 소비를 필요로 한다. 온도에 따른 재료의 굴절률의 변화를 감소하거나 배제하도록 시도하기 위해, 네거티브 열 광학 계수를 갖는 폴리머와 같은 부가의 재료의 사용을 제안하는 몇몇 해결책이 또한 존재한다[예를 들어, 케이. 카시와기(K. Kashiwagi) 등, "Temperature insensitive silicon slot waveguides with air slot", ECIO, paper FrD4, 2008년 참조].
이제, 도 2를 참조하면, 몇몇 알려진 해결책에 따른 간섭계의 예시적인 개략도가 도시되어 있다. 이 예에서, 마하-젠더 간섭계가 도시되어 있다. 도 2에서, 유사한 요소는 도 1의 것들과 유사한 도면 부호가 제공되어 있다.
도 2의 간섭계(1)는 제 1 길이(L1)를 갖는 제 1 아암(11) 및 제 2 길이(L2)를 갖는 제 2 아암(12)을 포함한다. 더욱이, 도 1과 관련하여 설명된 바와 유사한 방식으로, 간섭계(1)는 입사광빔을 수용하기 위한 입력 포트(13)와, 입사광을 각각의 성분이 아암(11 또는 12) 내로 유도되는 2개의 성분으로 분할하기 위한 광 스플리터(14)를 갖는다. 도파관(11, 12)을 통해 통과한 후에, 2개의 광빔은 자유 공간 전파 영역(15) 내에 입력되고, 원하는 파장의 위상 변화를 갖는 광빔은 출력(16)을 통해 출력된다.
그러나, 전술된 알려진 해결책에서, 도파관(11, 12)은 상이한 폭을 갖는다. 도면에서, 도파관(11)은 길이(L1)에 대응하는 각각의 폭(W1)을 갖는 것으로 도시되어 있고, 반면에 도파관(12)은 길이(L2)에 대응하는 폭(W2)을 갖는 것으로 도시되어 있다.
상이한 도파관의 폭은 상이한 굴절률을 발생시킨다. 더욱이, 재료의 굴절률은 온도의 변화에 따라 변화하기 때문에, 따라서 도파관 구속도 마찬가지이고, 이에 의해 더 좁은 도파관, 예를 들어 도 2의 도파관(12)은 더 작은 굴절률(n)을 가질 수 있을지라도, 예를 들어 도파관(11)과 같은 더 넓은 도파관보다 큰 dn/dT를 갖는다.
도파관의 유효 광학 경로 길이(Leff)는 굴절률(n)과 도파관의 물리적 길이(L)의 적(product)에 의해 표현될 수 있다. 따라서, 도파관(11)에 대해, Leff1 = n1*L1이고, 도파관(12)에 대해 Leff2 = n2*L2이다. 도파관(11) 및 도파관(12)의 유효 광학 경로 길이 사이의 차이는 ΔLeff = (n1*L1) - (n2*L2)로서 표현될 수도 있다. 그러나, 온도 편차에 의해 발생된 광학 경로 길이의 변화를 고려하면, 도파관(11) 및 도파관(12)의 유효 광학 경로 길이 사이의 차이는 이하의 식으로서 표현될 수 있다.
Figure pct00005
이 차이를 온도에 비의존성이게 하기 위해(즉, 디바이스를 무열성이게 함), 이하의 식이 대략적으로 성립되는 것이 바람직하다.
Figure pct00006
상기 식 (2)에서, ΔT는 양 변으로부터 상쇄되어 있다.
식 (1) 및 (2)를 L1 및 L2에 대해 풀면,
Figure pct00007
및
Figure pct00008
가 된다.
따라서, 특정 용례 및 필터링되고, 멀티플렉싱되거나 또는 디멀티플렉싱될 특정 파장 또는 파장의 세트에 대해 사전 결정되는 소정의 ΔLeff에 대해, 길이 L1 및 L2는 상기 식 (3) 및 (4)에 나타낸 바와 같이 2개의 도파관의 굴절률의 변화율의 함수로서 각각 대략적으로 결정되어야 한다. 예를 들어, ΔLeff는 c0/ΔLeff인 필터 또는 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서의 원하는 자유 스펙트럼 범위에 의해 결정될 수 있다.
따라서, n2*(dn1/dT)≠n1*(dn2/dT)인 한, 필터 또는 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서가 온도에 비의존성으로(무열성) 동작할 수 있도록 하는 L1 및 L2에 대한 값이 발견될 수 있다.
길이의 값을 결정하기 위해, 대응 제 1 및 제 2 굴절률을 결정하는 것이 적절할 수도 있다. 이는 유산 요소 모드 솔버(solver)와 같은 모드 솔버를 사용하여 길이 L1 및 L2 각각을 갖는 도파관에 대응하는 도파관 폭인 W1 및 W2에 대한 대응값을 결정하고, 굴절률(n)을 발견하기 위해 도파관 내의 안내 모드의 유효 굴절률을 계산하고 이어서 온도에 따른 n의 변화를 발견하기 위해 온도의 변화를 시뮬레이션하도록 재료의 굴절률을 변경함으로써 가능하다.
실용적인 비한정적인 예로서, 약 220 nm 두께의 실리콘 도파관에 대해, 약 1550 nm의 파장에 대해 W1 및 W2에 대한 적당한 값은 W1 = 0.4 ㎛, W2 = 1.5 ㎛이다. 이러한 경우에, L1/(ΔLeff/n2)
Figure pct00009
L2/(ΔLeff/n1)
Figure pct00010
4.5이고, 이는 도파관 단면에 대해 2차원 유한 요소 모드 솔버를 사용하여 계산될 수 있는 값이다.
일 접근법은 엠. 우에누마(M. Uenuma) 및 티. 무오카(T. Moooka)의 "Temperature-independent silicon waveguide optical fiber"(Opt. Lett, vol. 34, pp. 599-601, 2009년)에 개시되어 있다.
상이한 폭의 도파관을 사용하는 이 기본 개념은 단지 2개 초과의 도파관이 이용 가능한 디바이스에 보편화될 수 있다. 이러한 디바이스의 일 예는 어레이형 도파관 격자(AWG)이다. 이러한 경우에, 도 2의 2-도파관 간섭계와 관련하여 전술된 바와 유사한 방식으로, 제 1 굴절률에 대응할 수 있는 제 1 폭이 결정되고, 제 2 굴절률에 대응할 수 있는 제 2 폭이 결정된다. 일 이러한 해결책은 엠. 우에누마(M. Uenuma) 및 티. 무오카(T. Moooka)의 "Design of a temperature-independent arrayed waveguide grating on SOI substrates"(Group IV Photonics, 2007년 4차 IEEE 국제 회의, 2007년 9월)에 개시되어 있다.
상기 알려진 해결책에서, 적어도 도 1로부터 개략적으로, AWG 내의 도파관의 대부분의 길이는 좁은 도파관으로 구성되고, 단지 특정 부분(대부분 직선 부분)만이 넓은 폭을 갖는 도파관이라는 것이 관찰된다. 그러나, 이러한 디자인은 특정 결점을 갖는다.
일 결점은 AWG의 광학 도파관의 에칭시의 통상적으로 회피 불가능한 제조 에러의 바람직하지 않은 효과를 감소시키는 문제점에 관련된다. 이러한 에러는 제한된 공차에 기인하고, 통상적으로 상기 도파관의 세그먼트의 폭의 랜덤 편차를 생성한다. 이러한 폭 에러는 이들이 도파관의 유효 굴절률의 에러를 유발하기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명자는 더 좁은 세그먼트의 굴절률이 통상적으로 폭의 값에 더 민감하기 때문에, 이러한 제조 에러가 광학 도파관의 넓은 세그먼트 상에서보다 광학 도파관의 좁은 세그먼트 상에 더 중요한 영향을 갖는다는 것을 인식하였다. 이 이유로, 본 발명자는 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서의 각각의 도파관의 총 길이의 1/2 초과가 넓은 도파관이고(달리 말하면, 도파관의 총 길이의 1/2 미만이 좁은 도파관임) 바람직하게는 각각의 도파관의 총 길이의 3/4 초과가 넓은 도파관인(달리 말하면, 도파관의 총 길이의 1/4 미만이 좁은 도파관임) 실시예를 제안한다.
몇몇 특정 바람직한 실시예에서, 간섭계 내의 적어도 하나의 도파관 내의 좁은 세그먼트의 총 길이는 무시할 수 있고(이상적으로 대략 0임), 더 바람직하게는 약 100 파장 미만, 적어도 약 500 파장 미만이다. 몇몇 도파관은 좁은 도파관 세그먼트의 유한 길이를 가질 수 있기 때문에, 이러한 기준은 전체 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서 내의 좁은 도파관 세그먼트의 총 길이를 최소화하는 기능을 하면서 온도 변화에 실질적으로 민감하지 않은 디바이스의 제조를 가능하게 한다.
이 디자인은 특정 장점을 갖는데, 예를 들어 넓은 도파관을 갖는 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서가 적은 위상 에러를 가질 수 있고 따라서 더 양호한 누화 및 낮은 삽입 손실을 갖기 때문에, 상기 디자인에 기초하여 제조된 디바이스는 알려진 디바이스에 비교할 때 디바이스의 동작의 개량을 제공한다.
일반적으로, 일 특정 도파관 내의 넓은 도파관의 길이에 비교할 때 좁은 도파관의 길이가 길수록, 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서가 적절하게 동작하게 되는 것이 더 곤란할 수 있다. 더욱이, 만곡부(또는 곡선부)를 갖는 도파관의 부분에 대한 좁은 도파관의 사용은 만곡부 내의 증가된 방사선 손실 및 만곡부 측벽 상의 임의의 거칠기에 기인하는 증가된 산란 손실을 야기할 수 있다.
도 3은 몇몇 실시예에 따른 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서의 예시적인 개략도이다. 도면에서, 어레이형 도파관 격자(AWG)의 기본 구조가 도시되어 있지만, 도 3의 AWG와 관련하여 본 명세서에 설명된 바와 동일한 원리가 2개 이상의 도파관이 사용되는 마하-젠더 간섭계와 같은 다른 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서에 적용될 수 있다는 것이 주목된다.
도 3의 AWG(30)에서, 각각의 개별 광학 도파관(31, 32)은 제 1 폭(Wa)을 갖는 하나 이상의 제 1 세그먼트 및 제 2 더 좁은 폭(Wb)을 갖는 하나 이상의 제 2 세그먼트를 갖는다. 도면에서, 간단화의 목적으로, 단지 하나의 제 2 좁은 세그먼트(Wb) 및 단지 2개의 세그먼트(Wa)만이 도시되어 있다. 그러나, 이는 단지 선택적인 것이고, AWG는 도면에 도시된 것 이외의 임의의 적절한 수의 제 1 세그먼트 및 제 2 세그먼트를 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 세그먼트는 제 1 폭(Wa)과 제 2 폭(Wb) 사이에서 광학 도파관의 폭을 바람직하게는 단열적으로 변화시키는 테이퍼 영역을 경유하여 단부 접속된다. 예를 들어, 더 넓은 제 1 세그먼트는 AWG의 대응 광학 도파관을 평면형 자유 공간 영역(33, 34)에 접속할 수 있고, 더 좁은 제 2 세그먼트는 도면에 도시된 바와 같이 더 넓은 제 1 세그먼트들 사이에 배치될 수 있다. 그러나, 이는 단지 선택적인 것이고, 도파관의 넓은 세그먼트 및 좁은 세그먼트의 다른 구성이 또한 본 발명의 실시예의 범주 내에 이용될 수 있다. 도 3에서, 도시의 간단화를 위해, 단지 2개의 도파관(31, 32)만이 도시되어 있다. 그러나, AWG는 통상적으로 연속적으로 위치된 임의의 적절한 수의 도파관을 통상적으로 가질 수 있어, 평면형 어레이형 도파관 격자를 형성한다. 이는 더 낮은 도파관(31)과 더 높은 도파관(32) 사이에 점에 의해 도면에 표현된다.
이 도면에 도시된 바와 같이, AWG 내의 연속적인 광학 도파관은 총 길이가 다양하다.
또한, AWG 내의 연속적인 광학 도파관의 각각 또는 일부는 상이한 총 길이의 제 1 세그먼트를 가질 수 있고 그리고/또는 상이한 길이의 제 2 세그먼트를 가질 수도 있다.
도면에서 더 낮은 도파관(31)으로부터 더 높은 도파관(32)으로 이동하여, 하나의 도파관으로부터 연속적인 도파관으로, 총 경로 길이가 증가함에 따라, 더 좁은 폭(Wb)을 갖는 제 2 세그먼트의 길이는 감소되고, 더 넓은 폭(Wa)을 갖는 제 1 세그먼트의 총 길이는 증가하는 것이 관찰될 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시일뿐이고, 연속적인 도파관의 다른 구성이 또한 청구된 발명의 범주 내에서 이용될 수도 있다.
도 3의 예시적인 표현에서, 도파관(32) 내의 폭 Wb를 갖는 세그먼트의 길이는 무시할 수 있어(거의 0), 따라서 좁은 도파관의 길이를 최소로 유지하는 기준을 만족시킨다는 것이 관찰될 수 있다. 폭 Wb를 갖는 세그먼트가 도파관(32) 내에서 더 길면, 도파관(31) 내의 폭 Wb의 세그먼트는 동일한 양만큼 더 길어야 할 것이다. 이는 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서의 세그먼트(Wb)의 길이를 증가시키게 되어, 그 성능을 열화시킨다.
폭 Wa의 제 1 세그먼트 및 폭 Wb의 제 2 세그먼트 및 는 각각의 굴절률 na 및 nb를 갖는다.
일 특정 도파관에서, k개의 도파관의 총 수로부터 도파관 번호 "i"라 하고, 도파관의 총 물리적 길이는 Li에 의해 표현되고, 제 1 세그먼트가 총 길이 Lai를 갖고, 제 2 세그먼트가 총 길이 Lbi를 갖는 것으로 가정된다. 인접 도파관에서, 도파관의 총 물리적 길이, 제 1 세그먼트의 총 길이 및 제 2 세그먼트의 총 길이는 각각 상이하다. 예를 들어 도파관 번호 "i-1"에서, 도파관의 총 물리적 길이는 Li -1로 표현되고, 제 1 세그먼트는 총 길이 La (i-1)을 갖고, 제 2 세그먼트는 총 길이 Lb(i-1)을 갖는다.
전술된 2개의 연속적인 도파관 사이의 제 1 세그먼트의 총 길이의 차이가 ΔLa(｜ΔLa｜는 절대값임)에 의해 표현되고, 동일한 연속적인 도파관 사이의 제 2 세그먼트의 총 길이의 차이가 ΔLb(｜ΔLb｜는 절대값임)에 의해 표현되는 것으로 가정된다. 따라서, 상기 2개의 연속적인 도파관 사이의 원하는(및 사전 결정된) 유효 광학 경로 길이차가 ΔLeff (i)이면, 이하의 관계가 성립한다.
Figure pct00011
이 차이를 온도 비의존성(무열성)이 되게 하기 위해, 이하의 식이 성립하는 것이 바람직하다(ΔT는 양 변으로부터 상쇄됨).
Figure pct00012
식 (6)은 수학적 동등을 표현하지만, 실제로 완전한 동등은 광학 디바이스의 허용 가능한 성능을 얻기 위해 요구되지 않을 수도 있다는 것이 주목되어야 한다. P1이
Figure pct00013
를 표현하고 P2가
Figure pct00014
를 표현한다고 가정하면, P1과 P2 사이의 비가 허용 가능한 범위 내에 있는 한, 광학 디바이스의 전체 성능은 허용 가능할 수 있다는 것이 고려될 수도 있다. 이러한 허용 가능한 범위에 대한 바람직한 값은 ±20%일 수 있는데, 달리 말하면 이하의 관계가 허용 가능한 범위로서 사용될 수 있다.
Figure pct00015
｜ΔLa｜ 및 ｜ΔLb｜에 대해 식 (5) 및 (6)을 풀면,
Figure pct00016
이 된다.
식 (7) 및 (8)은 광학 도파관의 각각의 좁은 및 넓은 세그먼트의 총 물리적인 길이에서, 도파관 대 도파관 변화, 이 예에서 도파관 번호 i 및 i-1에 대한 값을 제공한다. 관계 (7) 및 (8)에 따르면, 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서 내의 개별 도파관(Li)의 총 물리적 길이는 이어서 이하의 식에 따라 결정될 수 있고,
Figure pct00017
여기서, k는 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서 내의 도파관의 총 수이고, i는 도파관이 형성되어 있는 구조체 상의 도파관의 시퀀스 내의 도파관의 순차 번호이다. 여기서, 순차 번호 i는 1 내지 k로 다양하다.
P1과 P2의 적의 값이 허용 가능한 범위 내에서 변할 수 있는 식 (6)에 대해 이미 전술된 바와 같이, 식 (7), (8) 및 (9)는 또한 완전한 식으로부터 허용 가능한 범위로 일탈하는 것으로 또한 간주될 수 있어, 따라서 상기 허용 가능한 범위 내에서 변할 수 있는 근사값을 표현하는 것을 따른다.
이미 전술된 바와 같이, n 및 dn/dT는 유한 요소 모드 솔버와 같은 수치 솔버를 사용하여 각각의 도파관 폭에 대해 계산될 수 있다.
이 방식으로, 온도의 변화에 실질적으로 비의존성인 방식으로 동작 가능하여, 이러한 광학 필터 및 멀티플렉서/디멀티플렉서가 임의의 부가의 실질적인 프로세싱 단계 또는 재료 또는 임의의 실질적인 전기 제어 또는 전력 소비를 필요로 하지 않고 실리콘 PIC에 제조될 수 있게 하는 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서가 구성될 수 있다. 본 발명의 해결책은 통상적으로 제한된 공차에 기인하고 통상적으로 상기 도파관의 세그먼트의 폭의 랜덤 편차를 생성하는 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서의 광학 도파관의 에칭의 회피 불가능한 제조 에러의 바람직하지 않은 효과에 관련된 결점을 회피하거나 실질적으로 감소시킨다.
몇몇 대안 실시예에 따르면, 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서의 하나 이상의 광학 도파관은 2개 초과의 도파관 폭을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 도파관은 특정 길이(들)에 대해 3개 이상의 폭을 가질 수도 있다. 식 (7) 및 (8)이 각각의 상이한 폭을 갖는 2개의 각각의 세그먼트를 갖는 각각의 인접한 도파관 쌍에 대해 완전히 또는 대략적으로(허용 가능한 범위 내에서) 성립하는 한, 최종적인 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서는 상당한 온도 비의존성 동작을 제공해야 한다.
본 발명의 다양한 실시예는 이러한 조합이 호환성이 있고 그리고/또는 상보형인 한, 조합될 수도 있다.
이미 전술된 바와 같이, 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서는 어레이형 도파관 격자 또는 예를 들어 마하-젠더 간섭계와 같은 간섭계일 수 있다. 광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서는 AWG와 간섭계의 조합을 포함하는 것이 또한 가능할 수도 있다.
본 명세서의 임의의 블록 다이어그램은 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 도면을 표현하고 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해되어야 한다.
1: 간섭계 11: 제 1 도파관
12: 제 2 도파관 15: 자유 공간 전파 영역
16: 출력 30: AWG
31, 32: 광학 도파관 33, 34: 자유 공간 영역

Claims (11)

  1. 광학 디바이스로서,
    평면형 구조를 형성하는 복수의 광학 도파관을 포함하고, 각각의 광학 도파관은 총 길이를 갖고, 적어도 하나의 광학 도파관은 하나 이상의 제 1 세그먼트 및 적어도 하나 이상의 제 2 세그먼트를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 광학 도파관에서, 각각의 제 1 세그먼트는 제 1 폭을 갖고, 각각의 제 2 세그먼트는 제 2 폭을 갖고, 제 1 폭은 제 2 폭보다 크고,
    상기 적어도 하나의 광학 도파관 내의 하나 이상의 제 2 세그먼트의 길이의 합은 상기 광학 도파관의 총 길이의 절반보다 짧은
    광학 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도파관 내의 제 2 세그먼트의 총 길이는 상기 적어도 하나의 광학 도파관 내에서 진행하는 광학 신호의 파장의 약 500배 미만인
    광학 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 도파관 내의 제 2 세그먼트의 총 길이는 상기 적어도 하나의 광학 도파관 내에서 진행하는 광학 신호의 파장의 약 100배 미만인
    광학 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 도파관은 제 2 세그먼트를 갖지 않는
    광학 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 광학 도파관 내의 하나 이상의 제 1 세그먼트의 길이의 합은 상기 광학 도파관의 총 길이의 75%보다 큰
    광학 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 도파관은 하나 이상의 제 3 세그먼트를 갖고, 상기 제 3 세그먼트는 제 1 폭보다 작고 제 1 폭 및 제 2 폭과는 상이한 제 3 폭을 갖는
    광학 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 세그먼트의 총 길이 및 상기 제 2 세그먼트의 총 길이는 이하의 관계에 따라 일 도파관으로부터 연속적으로 도파관까지 다양하고,
    Figure pct00018

    여기서, ΔLeff (i)는 2개의 연속적인 광학 도파관 사이의 유효 광학 경로 길이차이고, na 및 nb는 각각 제 1 세그먼트 및 제 2 세그먼트의 굴절률이고, T는 온도이고, ｜ΔLa｜는 2개의 연속적인 광학 도파관 사이의 제 1 세그먼트의 총 길이의 차이의 절대값이고, ｜ΔLb｜는 동일한 연속적인 광학 도파관 사이의 제 2 세그먼트의 총 길이의 차이의 절대값인
    광학 디바이스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 적과 제 2 적 사이의 비는 0.8 내지 1.2이고, 제 1 적은 이하의 식으로부터 얻어지고,
    Figure pct00019

    na는 하나 이상의 제 1 세그먼트의 굴절률이고, T는 온도이고, ｜ΔLa｜는 2개의 연속적인 광학 도파관 사이의 제 1 세그먼트의 총 길이의 차이의 절대값이고,
    제 2 적은 이하의 식으로부터 얻어지고,
    Figure pct00020

    nb는 하나 이상의 제 2 세그먼트의 굴절률이고, ｜ΔLb｜는 동일한 연속적인 광학 도파관 사이의 제 2 세그먼트의 총 길이의 차이의 절대값인
    광학 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 필터 또는 멀티플렉서/디멀티플렉서는 어레이형 도파관 격자 또는 간섭계(interferometer)인
    광학 디바이스.
  10. 광자 집적 회로에 있어서,
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 광학 필터 또는 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서를 포함하는
    광자 집적 회로.
  11. 광학 장비로서,
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 광학 필터 또는 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서 또는 제 10 항의 광자 집적 회로를 포함하는
    광학 장비.
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