KR20140035874A - 파면 합성기 시스템 - Google Patents

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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

파면 합성기 및 파면 합성기로 구현되는 광학 스위치가 개시된다. 일 구현예로서, 파면 합성기(100, 200)는 적어도 2개의 말단 도파관으로 분기하는 루트 도파관을 포함하는 도파관 트리를 구비한다. 상기 루트 도파관은 상기 루트 도파관을 통해 상기 도파관 트리 내로 광을 주입하기 위한 소스(122)와 통합되어 있다. 상기 합성기는 상기 말단 도파관의 단부에 위치하는 출력 커플러(108-111, 212-219)를 포함한다. 각각의 출력 커플러는, 보강 간섭을 통해 적어도 하나의 광 빔을 형성하도록 중첩되는 적어도 2개의 파면을 갖고 주입되는 광의 일부와 연관되는 파면을 출력한다. 상기 합성기는 또한, 상기 말단 도파관에 인접하여 배치되는 마이크로링 공진기(104-107, 204-211)를 포함한다. 각각의 마이크로링은 상기 적어도 2개의 파면과 상기 빔의 방향을 조향하기 위해 상기 출력 커플러 중 하나로부터 출력되는 파면에 위상 시프트를 가하도록 독립적으로 튜닝될 수 있다.

Description

파면 합성기 시스템{WAVEFRONT SYNTHESIZER SYSTEMS}
본 개시내용은 광학적 상호연결 및 광학 스위치에 관한 것이다.
인터넷 사용이 계속 증가함에 따라 방대한 양의 데이터를 빠르게 채널링해야 할 필요가 생긴다. 인터넷을 통해 전송되는 데이터의 대부분은 광학 신호로 부호화되기 때문에, 인터넷 서핑은 광학 신호를 한 광섬유로부터 다른 광섬유로 빠르게 채널링하는 것을 필요로 한다. 종래에, 이것은 전기 스위치를 이용하는 네트워크 허브에서 수행되었는데, 이러한 전기 스위치에서는 광학 신호가 전기 신호로 변환되고, 전기 신호는 이후 전기적으로 스위칭된 후, 다시 광학 신호로 변환되면서 계속 나아가게 된다. 하지만, 전기 스위치는 부피가 크고 느리며 많은 양의 전력을 필요로 하기 때문에, 미래의 인터넷 수요를 충족할 정도가 되지는 않는다.
최근에는, 이러한 전기적 병목현상이 광학 스위치의 도입으로 부분적으로 감소하고 있다. 광학 스위치의 일례는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 기술로 구현된다. 수백 개의 수신 및 송신 광섬유의 단부는 소형 렌즈로 덮여 있고, 광학 스위치 어셈블리의 표면에 어레이로서 장착된다. 광학 스위치는, 고정된 배향을 갖는 미러와 렌즈의 어레이에 면하는 MEMS 마이크로 미러의 어레이를 포함한다. 각 마이크로 미러는 전기적으로 제어되고, 독립적으로 재배향될 수 있다. 광학 신호는 입력 광섬유를 통하여 광학 스위치로 진입하는데, 거기에서 광학 신호는 고정된 미러로부터 광학 신호를 반사시키도록 배향되는 마이크로 미러로부터, 광학 신호를 출력 광섬유로 보내도록 배향되는 다른 마이크로 미러 측으로 반사된다. 마이크로 미러는 밀리초 단위로 전기적으로 재배향될 수 있어, 광학 신호를 전기 신호로 변환하고 다시 광학 신호로 변환하는 시간 및 에너지 소모 과정을 수반할 필요없이, 입력 광섬유로부터 출력 광섬유로 광학 신호를 신속하게 스위칭할 수 있게 된다. 예를 들어, 256개의 마이크로 미러의 어레이가 1 평방 인치 미만의 실리콘 상에 제조될 수 있다. 광학 스위치에서 구현되는 이러한 컴팩트한 마이크로 미러 어레이는, 이와 유사한 전기 스위치보다 32배가 넘는 큰 스위칭 밀도를 제공하고, 광학-전기-광학 변환이 없으므로, 광학 스위치는 전력 소모를 100배까지 줄일 수 있다.
많은 기존의 광학 스위치가 광학 신호의 신속한 스위칭을 제공한다고 하더라도, 데이터 센터와 원격 통신 산업은, 데이터 센터에서 그리고 인터넷을 통해 데이터를 신속하게 채널링해야 하는 증가하는 수요를 다루기 위해, 보다 빠르고 보다 에너지 효율적인 광학 스위치를 계속 추구하고 있다.
도 1은 일차원 파면 합성기의 일례를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 2는 이차원 파면 합성기의 일례를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3a는 도파관의 단부에 배치되는 출력 커플러의 확대 사시도이다.
도 3b는 출력 커플러로부터 출력되는 구형 파면을 나타내는 반구 형상 등고선의 단면도이다.
도 4는 예시적인 출력 커플러와 2개의 직교 편광 컴포넌트를 나타내는 평면도이다.
도 5는 말단 도파관의 단부에 형성되는 예시적인 출력 커플러를 나타내는 평면도이다.
도 6은 인접하는 말단 도파관의 일부와 마이크로링(microring)의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 7은 도파관으로부터 인접하는 마이크로링으로 광을 오버 커플링하는 것과 관련하여 투과율 및 위상 대 Δ/κ의 그래프를 나타낸다.
도 8a 내지 8c는 마이크로링에 인접하도록 배치되는 예시적인 도핑 영역을 개략적으로 나타낸다.
도 9a와 9b는 마이크로링의 일부 아래의 예시적인 도핑 영역을 개략적으로 나타낸다.
도 10a 내지 10c는 마이크로링을 부분적으로 둘러싸는 예시적인 가열 요소를 개략적으로 나타낸다.
도 11a와 11b는 마이크로링의 일부 아래에 매립되는 가열 요소를 개략적으로 나타낸다.
도 12는 말단 도파관과 연관된 출력 커플러와 마이크로링의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 13은 말단 도파관을 따라 배치되는 튜닝 디바이스의 일례를 나타낸다.
도 14는 2차원 파면 합성기의 이웃하는 출력 커플러로부터 출력되는 파면 사이의 중첩의 예를 나타낸다.
도 15a 내지 15d는 파면 합성기의 2개의 출력 커플러로부터 출력되는 2개의 파면을 조향하는 예를 나타낸다.
도 16a와 16b는 파면 합성기의 3개의 출력 커플러로부터 출력되는 3개의 파면을 조향하는 예를 나타낸다.
도 17a와 17b는 광학 신호를 2개의 상이한 광섬유로 주입하도록 작동되는 광학 스위치의 예를 나타낸다.
도 18은 동일한 광학 신호를 2개의 상이한 광섬유로 동시에 주입하도록 작동되는 광학 스위치의 예를 나타낸다.
본 개시내용은 파면 합성기 및 파면 합성기로 구현되는 광학 스위치에 관한 것이다. 도 1은 파면 합성기(100)의 일례를 나타내는 개략적인 평면도이다. 합성기(100)는 도파관 트리(waveguide tree)(102), 4개의 마이크로링 공진기(microring resonator)(104-107), 및 4개의 출력 커플러(108-111)를 포함한다. 도파관 트리(102)는, 중간 도파관(115, 116)을 통해 4개의 말단 도파관(117-120)으로 대칭적으로 분기하는 루트 도파관(root waveguide; 114)을 포함하는 대칭적 이진 구조를 갖는다. 각 말단 도파관(117-120)은 4개의 출력 커플러(108-111) 중 하나에서 종단된다. 예를 들어, 중간 도파관(115)은 2개의 말단 도파관(117, 118)으로 대칭적으로 분기한다.
도 1의 예에서, 출력 커플러(108-111)가 일렬로 정렬되어 있기 때문에, 파면 합성기(100)는 1차원 파면 합성기라 지칭된다. 파면 합성기는 1차원 출력 커플러 구성으로 제한되지 않는다. 도 2는 이차원 파면 합성기(200)의 일례를 나타내는 개략적인 평면도이다. 합성기(200)는 도파관 트리(202), 8개의 마이크로링 공진기(204-211) 및 8개의 출력 커플러(212-219)를 포함한다. 도파관 트리(202)는, 중간 도파관을 통해 말단 도파관(222-229)으로 대칭적으로 분기하는 루트 도파관(220)을 포함하는 대칭적 이진 트리 구조를 갖는다. 각 말단 도파관은 출력 커플러(212-219) 중 하나에서 종단된다. 출력 커플러(212-219)가 2개의 개별 칼럼으로 정렬되어 있기 때문에 파면 합성기(200)는 2차원 파면 합성기라 지칭된다.
파면 합성기 구성은 상기 2개의 예시적인 파면 합성기(100, 200)로 제한되지 않는다. 1차원 파면 합성기는 2개 정도로 적은 출력 커플러 또는 5개 이상의 출력 커플러를 갖는 단일 칼럼을 포함할 수 있다. 2차원 파면 합성기는 출력 커플러의 2개 이상의 칼럼을 포함할 수 있는데, 각 컬럼은 2개 이상의 출력 커플러를 갖는다.
파면 합성기는 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)과 같은 단일 원소 반도체, 또는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체와 같은 화합물 반도체로 형성될 수 있는데, 여기서 로마 숫자 Ⅲ과 Ⅴ는 원소 주기율표의 Ⅲa족과 Ⅴa족의 원소들을 의미한다. 화합물 반도체는, 질소(N), 인(P), 비소(As) 및 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴa족 원소와 조합하여 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)과 같은 Ⅲa족 원소로 이루어질 수 있다. 화합물 반도체는 또한 Ⅲ족과 Ⅴ족 원소의 상대적인 양에 따라 추가로 분류될 수 있다. 예를 들어, 2원 반도체 화합물(binary semiconductor compound)은 실험식 GaAs, InP, InAs 및 GaP의 반도체를 포함하고; 3원 반도체 화합물은 실험식 GaAsyP1 -y의 반도체를 포함하며(여기서 y의 범위는 0보다 크고 1보다 작음); 그리고 4원 반도체 화합물은 실험식 InxGa1 - xAsyP1 -y의 반도체를 포함하고, 여기서 x와 y의 범위는 독립적으로 0보다 크고 1보다 작다. 다른 유형의 적절한 화합물 반도체는 Ⅱ-Ⅵ 재료를 포함하는데, 여기서 Ⅱ와 Ⅵ는 원소 주기율표의 Ⅱb족과 Ⅵa족의 원소들을 의미한다. 예를 들어, CdSe, ZnSe, ZnS 및 ZnO는 예시적인 2원 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체의 실험식이다.
파면 합성기는 우선, 기판 및 하부 클래딩 층으로 기능하는 낮은 굴절률 재료, 예컨대 SiO2 또는 Al2O3 상에 그보다 높은 굴절률 재료를 증착함으로써 형성될 수 있다. 도파관, 마이크로링, 및 출력 커플러는 다양한 리소그래피 및/또는 에칭 기술, 예컨대 나노임프린트 리소그래피 또는 반응성 이온 에칭을 이용하여, 보다 높은 굴절률 재료로 형성될 수 있다. 파면 합성기는 에어 클래딩을 가질 수 있거나, 상부 클래딩 층으로 기능하는 보다 낮은 굴절률 재료에 의해 커버될 수 있다.
도 1 및 2의 예에 도시된 바와 같이, 파면 합성기는 루트 도파관(114, 220)에 직접 연결되는 소스(122)와 통합된다. 소스(122)는 전자기 방사선의 미변조된 채널을 루트 도파관으로 주입하는 반도체 레이저일 수 있거나, 소스(122)는 광학 신호를 루트 도파관으로 주입하는 광학 신호 소스일 수 있다. 채널은 단일 주파수의 전자기 방사선 또는 특정 주파수에 중심을 두는 협소한 대역의 전자기 방사선일 수 있다. 광학 신호는 정보를 고 진폭 상태 및 저 진폭 상태 또는 채널의 위상 변화로 인코딩한다. 예를 들면, 광학 신호의 각각의 고 진폭 부분은 논리 비트 값 "1"을 나타낼 수 있고, 동일한 광학 신호의 각각의 저 진폭 부분은 논리 비트 값 "0"을 나타낼 수 있으며, 또는 이의 역도 가능하다.
출력 커플러(108-111) 각각은 단열 테이퍼(adiabatic taper) 및 서브-파장 격자를 가진다. 광은 거의 구형인(spherical) 파면을 가지고 각각의 출력 커플러로부터 방출된다. 출력 커플러(108)를 예로 들면, 이는 도파관(117)의 단부에 위치하는 단열 테이퍼(126) 및 서브-파장 격자(128)를 포함한다. 도 3a-3b는 각각, 도파관(117)의 단부에 위치하는 출력 커플러(108)의 확대된 사시도 및 측면도를 나타낸다. 격자(128)는 그루브(304)에 의해 분리되어 있는 일련의 라인(302)으로 이루어져 있고, 서브-파장 격자라 지칭되는데, 이는 소스로부터 출력되어 출력 커플러(108)에 도달하는 광의 파장(λ)이 라인(302)의 선폭(ρ)과 격자(128)의 피치(P)보다 크기 때문이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 단열 테이퍼(126)는 광(306)이 격자(128)로 진입하여 격자(128)의 평면으로부터 밖으로 방출(308)될 때 분산될 수 있게 한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 광은 반구형 등고선(310)으로 표시된 구형 파면을 갖고 격자(128)로부터 출력된다.
도 3b에서, 구형의 파면(310)은 격자(128)로부터 출력되는 광이 시간적 공간적으로 코히어런스를 가지는 이상적인 경우를 나타낸다는 점을 주목해야 한다. 실질적으로, 파면(310)의 반구형 형상에 특징이 있는 공간적 코히어런스가 격자(128) 위의 짧은 거리에 대해 유지될 수 있지만, 시간적 코히어런스는 그렇지 않을 수 있다. 실질적으로, 소스(128)로부터 출력되는 광은, 레이저를 이용하여 광을 생성하는 방출의 입상(granular) 특성 때문에, 준-단색(quasimonochromatic)이다. 다시 말해서 소스(122)로부터 출력되는 광은, 광이 랜덤하게 위상을 변경하기 전에 일정 기간 동안, 예컨대 약 10 ns 이상 동안, 방해받지 않고 정규의 사인파 형상으로 진동한다. 광 필드가 방해받지 않고 진동하는 이러한 시간 간격이 코히어런스 시간이고, 시간적 코히어런스의 척도이다. 소스(122)로부터 출력되는 광이 이와 같이 정규의 사인파 형상으로 진동하는 대응되는 공간적 범위가 코히어런스 길이이고, 시간적 코히어런스의 또 다른 척도이다. 결과적으로, 소스(122)에 의해 생성되는 광은 단지 부분적인 시간적 코히어런스를 가지고 격자(128)로부터 출력된다.
분기하는 도파관(102)의 대칭적 이진 트리 구조에 의해, 각 분기점에서, 도파관 내에서 전파하는 광이 거의 동일한 조도를 가지고 2개의 도파관으로 분할되고, 이러한 광이 동일한 시간적 코히어런스를 가지고 임의의 2개의 분기 도파관으로 진입하여 이러한 도파관을 따라 전파하게 된다. 결과적으로, 출력 커플러(108-111)는 대략적으로 동일한 조도 및 동일한 시간적 코히어런스를 가진 광을 출력하고, 출력 커플러(108-111)가 거의 동일하게 구성되기 때문에, 출력 커플러(108-111)는 동일한 공간적 코히어런스의 구형 파면을 갖는 광을 출력한다. 출력 커플러(108-111)로부터 출력되는 광은 상호 코히어런트하다고 한다.
출력 커플러의 서브-파장 격자로부터 방출되는 광 또한, 출력 커플러의 격자가 어떻게 구성되는지에 따라 편광된다. 도 4는 TE 및 TM 편광이 표현되는 예시적인 출력 커플러에 대한 평면도이다. 통상적으로, TE 편광은 전기장 성분(400)이 격자(404)의 라인(402)에 평행하도록 편광된 광을 지칭하고, TM 편광은 전기장 성분(406)이 격자(404)의 라인(402)에 수직하도록 편광된 광을 지칭한다. 라인(402)의 높이 및 격자(404)의 듀티 사이클(ρ/P)은, 격자(404)가 TE 편광 또는 TM 편광되는 광을 출력하거나, 격자(404)가 TE 및 TM 편광의 선형 조합인 편광을 갖는 광을 출력하게 되도록 선택될 수 있다.
도 1 및 2로 복귀하면, 출력 커플러의 격자의 라인이 모두 동일한 방식으로 구성된다는 점에 주목해야 한다. 결과적으로, 출력 커플러(108-111)는 동일한 편광을 갖는 광을 출력한다.
파면 합성기는 출력 커플러(108-111)를 이용하여 구현되는 것으로 제한되지 않는다. 대안적으로, 파면 합성기는 말단 도파관의 단부 근방에 형성되는 일정한 간격을 갖는 일련의 홀로 구성되는 일차원 격자로 구현될 수 있다. 도 5는 말단 도파관(502)의 단부에 형성되는 예시적인 출력 커플러(500)의 평면도이다. 출력 커플러(500)는 말단 도파관(502)에 형성되는 일련의 원형 홀(504)로 이루어진다. 말단 도파관(502)은 상기 출력 커플러를 대체하는 일련의 홀(504)을 갖는 도파관(108-111) 중 하나를 나타낼 수 있다. 출력 커플러(500)로부터 출력되는 광은 도 3b와 관련하여 위에서 논의한 바와 같이, 구형 파면을 갖는다.
도 1로 복귀하면, 합성기(100 및 200)는 또한 각각의 마이크로링에 전기적으로 연결되는 전압원(124)을 포함한다. 각각의 마이크로링은 소스(122)에 의해 분기 도파관 내로 주입되는 광의 채널과 부분적인 공진을 갖도록 구성된다. 전압원(124)은, 각각의 마이크로링에 독립적으로 적절한 전압을 인가하기 위해, 전기적으로 연결된 컴퓨팅 디바이스(미도시), 예컨대 프로세서에 의해 작동될 수 있다. 인가된 전압을 이용하여, 마이크로링의 공진이 채널과의 공진 쪽으로 보다 가까이 시프트하거나 채널과의 공진으로부터 멀어지게 시프트할 수 있도록, 마이크로링의 공진 주파수를 튜닝한다.
도 6은 예시적인 마이크로링(602)과 인접하는 말단 릿지 도파관(terminus ridge waveguide; 604)의 일부에 대한 평면도이다. 마이크로링(602)의 공진 주파수는 다음의 공진 조건을 충족시킨다:
Figure pct00001
여기서 n은 마이크로링(602)의 유효 굴절률이고, p는 마이크로링(602)의 유효 둘레, m은 공진 차수(order of resonance)를 나타내는 양의 정수이고 공진기(602)의 축방향 모드 또는 단순히 "모드"라 지칭되며, c는 자유 공간에서의 광속이다. 주파수(f)를 갖는 광이 마이크로링(602)의 공진 주파수(fm) 근방에 있을 때, 이러한 광은 도파관(604)으로부터 마이크로링(602)으로 감쇠(evanescently) 커플링되지만, 다시 도파관(604)으로 감쇠 커플링되기 전에 단지 일정 기간 동안만이다. 마이크로링(602)은 광과 "부분적 공진"을 갖는다고 하고, 광은 "오버 커플링"된다고 한다. 도 6은 마이크로링(602)에서 도파관(604)으로부터 오버 커플링된 방향성 라인(606)으로 표현되는 광을 나타낸다. 이러한 광은 약간의 내부 손실(608)을 가지고 일정 기간 동안 마이크로링(602) 내에서 순환한 후, 다시 도파관(604) 내로 감쇠 커플링된다. 한편, 마이크로링(602)의 공진 주파수(fm)가 도파관(604)에 의해 전달되는 광의 주파수(f)와 대략적으로 정합되는 경우(즉, ), 광은 마이크로링(602)으로 감쇠 커플링되어, 포획된 채로 남아 있고, 내부 손실을 통해 방산(dissipate)된다. 다시 말해서, 광이 도파관에서 마이크로링(602)을 벗어나 전파하는 것이 방지되기 때문에, 이러한 광은 도파관(604)으로부터 마이크로링(602)으로 "임계적 커플링"된다고 한다.
마이크로링(602)의 공진 주파수(fm)의 값은, 모드 지수(m), 유효 둘레(p), 및/또는 유효 굴절률(n)이 변화할 때 시프트된다. 이러한 변화의 정도가 작은 경우, 공진 주파수의 테일러 전개식은 다음과 같다:
Figure pct00003
여기서, 유효 굴절률 n≡n(f, T, q)는 주파수(f), 온도(T), 및 국소적인 캐리어 밀도(q)의 변화로 인하여 변화한다. 공진 주파수의 테일러 전개식을 다음의 n의 미분치와 조합하면
Figure pct00004
모드 m의 공진 주파수에서의 부분 시프트(fractional shift)를 얻게 된다:
Figure pct00005
여기서,
Figure pct00006
는 유효 그룹 굴절률이다.
마이크로링은 전기-광학적 동작을 나타내는 반도체 재료로 이루어진다. 전기-광학적 재료의 유효 굴절률은, 전기장이 재료에 인가되거나 전하 캐리어가 재료에 주입될 때 변화한다. 예를 들면, 마이크로링(602)의 공진 주파수 시프트는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00007
여기서는, 공진 주파수에서의 부분 시프트에 대한 식에서
Figure pct00008
및
Figure pct00009
이다. 마이크로링(602)의 공진 주파수는 마이크로링에 전류를 주입(즉, 전류 튜닝)하거나, 마이크로링에 전압을 인가(즉, 전기-광학적 튜닝)함으로써 변화될 수 있다. 양자 모두의 과정이 "전자적 튜닝"이라 지칭된다.
마이크로링(602)의 온도가 변화할 때 유효 굴절률(n)이 변화하고 마이크로링(602)의 유효 둘레(p)가 변화할 수 있다. 공진 조건에 따라, 공진 주파수(fm)는 유효 둘레(p)와 유효 굴절률(n)의 함수이기 때문에, 유효 굴절률 및/또는 둘레가 변화하게 되면, 마이크로링(602)의 공진 주파수도 이에 대응하여 변화하게 된다. 예를 들면, 공진 주파수의 시프트는 다음의 식으로 표현될 수 있다:
Figure pct00010
여기서는, 공진 주파수에서의 부분 시프트에 대한 식에서
Figure pct00011
및
Figure pct00012
이다. 둘레(p)의 변화는 Si와 같은 특정 재료에 대해 무시될 수 있다(즉,
Figure pct00013
). 마이크로링(602) 온도를 변화시킴으로써 마이크로링(602)의 유효 굴절률(n), 그리고 가능하다면 유효 둘레(p)가 변화될 수 있기 때문에, "열적 튜닝"이라 지칭되는 과정으로 열을 가하거나 마이크로링으로부터 열이 방산될 수 있게 함으로써 마이크로링의 공진 주파수가 변화될 수 있다.
도파관(604)에 의해 전달되고 마이크로링(602)을 통과하는 광의 투과율은 다음의 식에 의해 나타낼 수 있다:
Figure pct00014
여기서, Ein은 마이크로링(602)에 도달하기 전의 전자기파의 복소수 표현이고, Eout은 마이크로링(602) 이후의 전자기파의 복소수 표면이며, 비율 Eout/Ein은 투과율을 나타내며, κ는 마이크로링-도파관 커플링이고, Δ는 광의 주파수(f)로부터 마이크로링 디튜닝이고, γ는 도 6에서 마이크로링(602)으로부터 방출되는 파동(608)으로 표현되는 마이크로링(602)의 내부 손실이다.
도파관(604)으로부터 마이크로링(602)으로 광을 임계적 커플링시키도록 마이크로링(602)이 구성되고 튜닝되는 경우,
Figure pct00015
(즉,
Figure pct00016
)이고,
Figure pct00017
이며, 투과율은 대략 0이다(즉,
Figure pct00018
). 한편, 도파관(604)으로부터 마이크로링(602)으로 광을 오버 커플링하도록 마이크로링(602)이 구성되는 경우,
Figure pct00019
이고, 마이크로링(602) 이후의 전자기파는 위상 시프트
Figure pct00020
를 획득한다:
Figure pct00021
여기서,
Figure pct00022
이다.
도 7은 도파관(604)으로부터 마이크로링(602)으로 광을 오버 커플링하도록 튜닝되는 예시적인 마이크로링(602)에 대한 투과율 및 위상 대 Δ/κ의 그래프이다. 도 7에서, 투과율 Eout/Ein은 실선 곡선(702)으로 표현되고, 위상 시프트
Figure pct00023
는 점선 곡선(704)으로 표현된다. 곡선(702 및 704)은 전자기파(606)에서 특정 위상 시프트를 생성하도록 마이크로링(602)을 튜닝할 때 투과율에 어떤 영향을 미치는지를 보여준다. 전자기파가 대략 0(즉, Δ<0) 또는 대략 2π(즉, Δ>0)의 위상 시프트를 획득하도록 마이크로링(602)이 튜닝될 때,
Figure pct00024
이 크고 투과율은 최대치 "1"에 근접한다. 전자기파가 π의 위상 시프트를 획득하도록 마이크로링(602)이 튜닝될 때,
Figure pct00025
이고 투과율은 최소값(706)에 있다. 전자기파가 곡선(704)의 가파른 부분(708)으로 표현되는, 0 내지 2π의 위상 시프트를 획득하도록 마이크로링(602)이 정확히 튜닝될 수 있는 경우,
Figure pct00026
는 "0"에 근접하고, 투과율은 "1" 내지 최소값(706) 범위에 놓인다.
마이크로링(602)을 둘러싸는 기판의 영역을 적절한 전자 공여체 및 전자 수용체 원자 또는 불순물로 도핑함으로써 마이크로링(602)은 전자적 튜닝되도록 구성될 수 있다. 도 8a는 마이크로링(602)을 둘러싸는 도핑된 영역의 개략적인 평면도를 나타낸다. 도 8b-8c는 도 8a에서 라인(IA-IA 및 IB-IB)을 따르는, 마이크로링(602)의 2개의 상이한 단면도를 나타낸다. 이러한 예에서, 마이크로링(602)은 진성 반도체로 이루어진다. p-형 반도체 영역(802)이 마이크로링(602) 내부의 기판에 형성될 수 있고, n-형 반도체 영역(804)이 마이크로링(602) 외부를 둘러싸는 반도체 기판에 형성될 수 있다. p-형 영역(802) 및 n-형 영역(804)은 마이크로링(602)과 p-i-n 접합을 형성한다. 이와 다른 예로서, 마이크로링(602) 내부의 기판에 n-형 반도체 영역을 형성하고 마이크로링(602) 외부를 둘러싸는 기판에 p-형 반도체 영역을 형성하도록 도펀트가 반대로 될 수 있다.
도 9a는 마이크로링(602) 아래의 도핑된 영역에 대한 개략적인 평면도이다. 도 9b는 도 9a에서 라인(Ⅱ-Ⅱ)은 따르는 마이크로링(602)의 단면도를 나타낸다. 이러한 예에서도 마이크로링(602)은 진성 반도체로 이루어진다. p-형 반도체 영역(902)이 마이크로링(602)의 일부 아래의 반도체 기판에 형성되고 n-형 반도체 영역(904)이 마이크로링(602)의 다른 부분 아래의 반도체 기판에 형성된다. p-형 영역(902) 및 n-형 영역(904)은 마이크로링(602)과 p-i-n 접합을 형성한다.
p-형 불순물은, 마이크로링(602)의 전자 밴드 갭에, "홀"이라 지칭되는 비어있는 전자 에너지 준위를 도입하는 원자일 수 있다. 이러한 불순물은 또한 "전자 수용체"라고도 지칭된다. n-형 불순물은, 마이크로링(602)의 전자 밴드 갭에, 채워진 전자 에너지 준위를 도입하는 원자일 수 있다. 이러한 불순물은 "전자 공여체"라고 지칭된다. 예를 들면, 붕소("B"), Al, 및 Ga은 Si의 가전자대 근방에 비어있는 전자 에너지 준위를 도입하는 p-형 불순물이고; P, As, 및 Sb는 Si 의 전도대 근방에 채워진 전자 에너지 준위를 도입하는 n-형 불순물이다. Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체에서, Ⅵ족 불순물은 Ⅲ-Ⅴ 격자에서 Ⅴ족 사이트를 대체하고, Ⅱ족 불순물은 Ⅲ-Ⅴ 격자에서 Ⅲ족 원자를 대체하여 p-형 불순물을 형성한다.
도 8 및 9에 나타낸 마이크로링(602) p-i-n 접합은 순방향 또는 역방향 바이어스 모드로 작동될 수 있다. 순방향 바이어스 하에서는, 마이크로링(602)의 유효 굴절률의 변화가 전류 주입을 통해 유발된다. 역방향 바이어스 하에서는, 마이크로링(602)에 걸쳐 전기장이 형성될 수 있고, 굴절률 변화는 전기-광학적 효과 또는 전하 공핍 효과에 의해 생길 수 있다. 이러한 전자적 튜닝 기술 양자 모두는 통상적으로, 마이크로링(602)의 유효 굴절률에 비교적 작은 시프트를 제공하게 된다.
마이크로링(602)에 직접 열을 가하거나 마이크로링(602)을 둘러싸는 영역에 열을 가함으로써 마이크로링(602)이 열적으로 튜닝될 수 있다. 도 10a는 예시적인 가열 요소(1002)에 대한 개략적인 평면도이고, 이러한 가열 요소(1002)는 마이크로링(602)을 부분적으로 둘러싸는 저항성 영역(1004) 및 영역의 단부(1008)에 위치하는 전극(1006 및 1008)으로 이루어져 있다. 가열 요소(1004)는, 가변 전류 제어를 통해 공급되는 전류를 주울(Joule) 가열의 과정을 통해 열로 변환하는 재료로 이루어진다. 일부 예에서, 요소(1004)는 p-형 반도체 또는 n-형 반도체로 이루어질 수 있고, 콘택(1006 및 1008)은 금속, 예를 들어 금, 은, 백금, 구리, 또는 기타 다른 적합한 전도체로 이루어질 수 있다. 이와 다른 예로서, 콘택(1006 및 1008)이 생략될 수 있고, 요소(1004)는 백금, 니크롬, 탄화 규소, 2규화 몰리브덴, 또는 저항을 통해 전류를 열로 변환하는 기타 다른 적합한 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다.
일부 예에서, 가열 요소(1002)는 기판 내에 형성될 수 있거나 가열 요소는 기판의 표면 상에 배치될 수 있다. 도 10b-10c는 도 10a에서 라인 Ⅲ-Ⅲ을 따라 도시된 마이크로링(602)의 단면도이다. 도 10b의 예에서, 가열 요소(1004)는 기판 내에 매립된다. 도 10c의 예에서, 가열 요소(1004)는 기판 상에 배치된다.
가열 요소는 또한 공진기 근방의 다른 위치에 배치될 수도 있다. 도 11a는 마이크로링(602)의 일부 아래의 기판 내에 매립되는 가열 요소(1102)에 대한 개략적인 평면도이다. 도 11b는 도 11a에서 라인(Ⅳ-Ⅳ)을 따라 도시된 마이크로링(602)과 가열 요소(1102)의 단면도이다.
마이크로링은 도 8 내지 11을 참조하여 위에서 논의된 바와 같이 요소를 조합함으로써 전자적 그리고 열적으로 튜닝될 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하여 위에서 논의된 p-형 및 n-형 영역(902 및 904)은, 도 10을 참조하여 위에서 논의된 가열 요소(1002)와 조합될 수 있다. 대안적으로, 도 8을 참조하여 위에서 논의된 p-형 및 n-형 영역(802 및 804)은 도 11을 참조하여 위에서 논의된 가열 요소(1102)와 조합될 수 있다.
도 1로 복귀하면, 광이 특정 위상 시프트
Figure pct00027
를 갖고 출력 커플러로부터 출력되도록 말단 도파관을 따라 전송되는 광을 오버 커플링하도록 마이크로링이 튜닝될 수 있다. 도 12는 말단 도파관(1204)에 인접하여 위치된 예시적인 마이크로링(1202)과 말단 도파관(1204)의 단부에 위치된 출력 커플러(1206)의 평면도이다. 도 6 및 7을 참조하여 위에서 기술된 바와 같이, 전자기파
Figure pct00028
(1208)을 마이크로링(1202)으로 오버 커플링하여 출력 커플러(1206)로 진입하는 전자기파에 위상 시프트
Figure pct00029
를 생성하도록(
Figure pct00030
) 마이크로링(1202)이 튜닝된다. 전자기파
Figure pct00031
은, 도 3 및 4를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 구형 파면을 갖고 출력 커플러(1206)로부터 출력되고(1210) 편광된다.
마이크로링(1202)은 또한, 도파관(1204)으로부터의 전자기파
Figure pct00032
(1208)을 임계적 커플링함으로써 전자기파(1208)와 연관된 주파수의 임의의 광이 출력 커플러(1206)로부터 출력되는 것을 실질적으로 방지하도록 전자적 및/또는 열적으로 튜닝될 수 있다.
도 13은 말단 도파관(1304)을 따라 출력 커플러(1306)로 전송되는 전자기파에 위상 시프트
Figure pct00033
를 가하기 위한 대안적인 튜닝 디바이스(1302)의 일례를 나타낸다. 튜닝 디바이스(1302)는 도파관(1304)에 인접하여 기판에 형성되는 p-형 반도체 영역(1308), 및 n-형 영역(1310)의 반대편인 도파관(1304)에 인접하여 기판에 형성되는 n-형 반도체 영역(1310)을 포함한다. 영역(1308 및 1310) 및 영역(1308 및 1310) 사이에 위치하는 도파관(1304)의 부분은 p-i-n 접합을 형성한다. 영역(1308 및 1310)에 적절한 전압을 인가함으로써, 영역(1308 및 1310) 사이에 위치된 도파관(1304)의 굴절률을 변화시키게 된다. 전자기파
Figure pct00034
(1312)는 위상 속도(
Figure pct00035
)를 가지고 영역(1308 및 1310) 사이에서 도파관(1304)에 진입하고, 여기서 n은 도파관(1304)의 굴절률이다. 전류가 도파관(1304) 내로 주입될 때, 영역(1308 및 1310) 사이의 도파관(1304)의 굴절률은 n'으로 증가하고, 전자기파는
Figure pct00036
으로 느려지고, 위상 시프트
Figure pct00037
를 획득하게 된다. 전자기파
Figure pct00038
은 도 3 및 4를 참조하여 위에서 기술된 바와 같이, 구형 파면을 갖고 출력 커플러(1306)로부터 출력되고(1312) 편광된다. 대안적으로, 영역(1308 및 1310) 중 하나 또는 양자 모두는 도 10 및 11을 참조하여 위에서 기술된 바와 같이 저항성 요소일 수 있고, 영역(1308 및 1310) 사이의 도파관(1304)의 부분의 굴절률(n)을 굴절률(n')로 시프트시키기 위해 열적 튜닝이 이용될 수 있다.
도 14는 2차원 파면 합성기(200)의 평면 위에 일정한 거리에 있는 출력 커플러(212-219) 각각으로부터 출력되는 파면 간의 중첩에 대한 일례를 나타낸다. 도 14에 도시된 거리에서, 합성기(200)의 평면 위에서의 파면의 분산은 점선 원으로 표현되고, 이웃하는 출력 커플러로부터 출력되는 파면의 부분만이 중첩되는 것으로 도시된다. 예를 들면, 출력 커플러(216 및 217)로부터 출력되는 파면(1402 및 1403)은 각각, 중첩 영역(1404)을 생성한다. 파면(1402 및 1403)은 출력 커플러(212)로부터 출력되는 파면(1405)과 중첩되어 중첩 영역(1406)을 생성하게 된다. 합성기(200)의 평면으로부터 더 떨어진 거리에서는, 이웃하지 않는 출력 커플러로부터의 파면이 중첩된다. 예를 들어, 도 14에 도시된 합성기(200)로부터 더 떨어진 거리에서는, 3개의 출력 커플러(212-214)로부터 출력되는 파면이 중첩된다. 도 12를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 출력 커플러(212-219)로부터 출력되는 파면 각각에 독립적으로 별개의 위상 시프트
Figure pct00039
를 생성하거나(여기서, i는 양의 정수), 관련된 출력 커플러로부터 출력되는 광을 실질적으로 차단하도록, 마이크로링(204-211)이 전자적 및/또는 열적으로 튜닝될 수 있다.
출력 커플러로부터 출력되는 파면은 상호 코히어런트하고 동일한 편광방향을 가지므로, 중첩 영역은 서로 코히어런트한 광 빔을 생성한다. 마이크로링은 빔의 방향을 조향하도록 튜닝될 수 있다. 도 15a는 파면 합성기(1500)의 커플러(1501-1504)로부터 출력되는 예시적인 파면을 나타낸다. 출력 커플러(1501-1504)는 보다 낮은 굴절률의 기판(1506) 상에 배치된다. 파면 합성기(1500)는 위에서 논의한 바와 같이 1차원 또는 2차원 파면 합성기일 수 있다. 도 15a의 예에서, 출력 커플러(1501 및 1504)와 연관된 마이크로링은, 연관된 말단 도파관으로부터의 광을 임계적 커플링하여 출력 커플러(1501 및 1504)로부터 실질적으로 어떠한 광도 출력되지 않도록 튜닝된다. 한편, 출력 커플러(1502 및 1503)와 연관되는 마이크로링은, 연관된 말단 도파관으로부터의 광을 오버 커플링하고 동일한 위상 시프트
Figure pct00040
를 갖는 파면(1508 및 1510)을 생성하도록 튜닝된다. 출력 커플러(1502 및 1503)로부터 각각 출력되는 파면(1508 및 1510)은 상호 코히어런트하고 동일한 편광방향을 갖기 때문에, 파면(1508 및 1510)은 보강 간섭의 영역을 갖고(즉, 중첩되는 마루와 골), 이러한 영역은 도 15a에서 음영 표시 영역(1512-1514)으로 표시된 광 빔을 형성하고, 또한 파면(1508 및 1510)은 빔(1512-1514) 간에 상쇄 간섭의 영역을 갖는다. 교번하는 보강 및 상쇄 영역은 간섭 패턴(1516)을 형성한다. 실질적으로, 간섭 패턴(1516)은 일련의 교번하는 명 대역과 암 대역으로 이루어지고, 명 대역은 빔(1512-1514)에 대응하며, 암 대역은 빔(1512-1514) 사이에서 그리고 그 주위에서 파면(1508 및 1510)의 상쇄 간섭에 대응한다. 3개의 광 빔(1512-1514)의 조도는 피크(1518-1520)로 표현되고, 중앙 피크(1519)는 가장 높은 조도 또는 가장 강한 보강 간섭을 갖는 중앙 빔(1513)에 대응한다.
도 15a의 예에서, 파면은 동일한 위상
Figure pct00041
를 갖고 출력된다. 결과적으로, 중앙 빔(1513)은 파면 합성기의 평면에 수직하도록 지향된다. 도 15b에서는, 도 15a에 도시된 파면(1508 및 1510)이 동일한 위상
Figure pct00042
를 갖고 출력 커플러(1502 및 1503)로부터 외향으로 확장되는 것을 볼 수 있고, 이러한 파면은 조합된 파면(1522)으로 병합되어, 평탄화되면서 출력 커플러(1502 및 1503)로부터 파면 합성기(1500)의 평면 표면에 수직한 방향(1524)으로 전파하게 된다. 다시 말해서, 동일한 위상
Figure pct00043
를 갖고 출력되도록 파면을 선택함으로써, 중앙 빔(1513) 및 조합된 파면(1522)은 방향(1524)으로 조향된다.
보강 간섭 빔 및 조합된 파면 전파는, 출력 커플러로부터 파면이 출력되는 상대적인 위상을 변경함으로써 상이한 방향으로 조향될 수 있다. 도 15c는 조향된 간섭 파면의 예를 나타낸다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 출력 커플러(1501 및 1504)와 연관되는 마이크로링은 대응하는 말단 도파관으로부터의 광을 임계적 커플링하도록 튜닝되고, 출력 커플러(1502)와 연관되는 마이크로링은 대응하는 말단 도파관으로부터의 광을 오버 커플링하도록 튜닝되어 위상 시프트
Figure pct00044
를 갖고 파면(1508)을 생성하게 된다. 그러나, 출력 커플러(1503)와 연관되는 마이크로링은 대응되는 도파관으로부터의 광을 오버 커플링하도록 튜닝되어 위상 시프트
Figure pct00045
를 갖는 파면(1510)을 출력하게 되는데, 이러한 위상 시프트
Figure pct00046
은 위상 시프트
Figure pct00047
보다 크다. 결과적으로, 보강 간섭에 의해 생성되는 광 빔(1512-1514)은 보다 큰 위상 시프트
Figure pct00048
의 방향으로 조향된다. 간섭 패턴(1516) 또한, 앞서 도 15a에 도시되어 있는 점선 피크로 표현된 간섭 패턴의 종전 위치로부터 시프트된다.
도 15c의 예에서, 파면은 상이한 위상 시프트
Figure pct00049
및
Figure pct00050
(
Figure pct00051
)으로 출력되고, 중앙 빔(1513)은 출력 커플러(1501-1504)의 열을 따라 위상이 증가하는 방향을 향한다. 도 15d에서는, 도 15c에 도시된 파면(1508 및 1510)이 서로 상이한 위상
Figure pct00052
및
Figure pct00053
을 갖고 출력 커플러(1502 및 1503)로부터 외향으로 확장되는 것을 볼 수 있고, 이러한 파면은 조합된 파면(1528)으로 병합되어, 평탄화되면서 출력 커플러(1502 및 1503)로부터 법선(1532)에서 각도
Figure pct00054
만큼 벗어나는 방향(1530)으로 전파하게 된다. 다시 말해서, 서로 상이한 위상
Figure pct00055
및
Figure pct00056
을 갖고 출력되도록 파면을 선택함으로써, 중앙 빔(1513) 및 조합된 파면(1528)은 방향(1530)으로 조향된다.
보강 간섭 빔 및 조합된 파면은 또한, 셋 이상의 출력 커플러에 적절한 위상 시프트를 적용함으로써 상이한 방향으로 조향될 수 있다. 도 16a-16b는, 출력 커플러(1501-1504) 중 셋에 의해 생성되는 중앙의 보강 간섭 빔(1602)과 조합된 파면(1604)을 조향하는 일례를 나타낸다. 도 16a의 예에서는, 출력 커플러(1501-1503)와 연관되는 마이크로링이 동일한 위상 시프트
Figure pct00057
를 갖는 파면을 출력하도록 튜닝되고, 출력 커플러(1504)와 연관되는 마이크로링은 대응하는 말단 도파관으로부터의 광을 임계적 커플링하도록 튜닝된다. 3개의 파면은 중첩되어, 도 15a를 참조하여 위에서 기술된 바와 같이, 상쇄 간섭의 영역(미도시)에 의해 분리된 보강 간섭 빔, 예컨대 중앙 빔(1602)을 생성하게 된다. 이러한 파면은 동일한 위상
Figure pct00058
를 갖고 출력 커플러(1501-1503)로부터 외향으로 확장되고, 조합된 파면(1606)으로 병합되어, 파면 합성기(1500)의 평면에 수직인 방향(1606)으로 전파하게 된다.
도 16b의 예에서는, 출력 커플러(1501-1503)와 연관된 마이크로링이 각각 위상 시프트
Figure pct00059
및
Figure pct00060
를 갖는 파면을 출력하도록 튜닝되고, 여기서는
Figure pct00061
이며, 출력 커플러(1504)와 연관된 마이크로링은 대응하는 말단 도파관으로부터의 광을 임계적 커플링하도록 튜닝된다. 출력 커플러(1501-1503)로부터 출력되는 파면에 가해지는 위상 시프트의 변화는, 중앙 빔(1602)과 조합된 파면(1604)의 전파가 법선(1532)으로부터 각도
Figure pct00062
만큼 벗어난 방향(1608)으로 조향되도록 사전선택될 수 있다. 중앙 빔(1602)과 조합된 파면(1604)은 위상 시프트가 증가하는 방향으로 조향된다.
전자적 튜닝은 마이크로링의 공진 주파수가 나노초 미만의 시간으로 시프트될 수 있게 한다. 결과적으로, 중앙 빔과 파면의 조합은 나노초 미만의 시간에 상이한 방향으로 조향될 수 있다. 이와 같이 상대적으로 신속한 스위칭 속도에 의해, 파면 합성기는, 입력 광학 신호를 출력 도파관으로 스위칭하도록 광학 스위치에 통합되기에 적합하게 된다. 예를 들어, 광학 스위치는 상기 파면 합성기(100 및 200)를 포함할 수 있고, 이 경우 소스(122)는 광학 신호의 소스이다. 광학 스위치는 광섬유의 단부가 출력 커플러의 어레이와 대면하도록 배향되는 광섬유의 어레이를 포함할 수 있다.
도 17a-17b는 광학 신호를 광섬유 어레이의 상이한 광섬유로 주입하도록 작동되는 예시적인 광 스위치(1700)를 나타낸다. 광 스위치(1700)는 도 15에 도시된 파면 합성기(1500), 및 광섬유의 어레이(1701)를 포함하고, 이 중 5개의 광섬유(1702-1706)가 도시되어 있다. 광섬유의 어레이(1701)는 광섬유의 1차원 또는 2차원 어레이일 수 있다. 이러한 광섬유는 광섬유의 단부가 출력 커플러의 어레이와 대면하도록 배향된다. 각각의 광섬유의 단부에는 광섬유의 코어로 입사광을 포커싱하기 위해 렌즈가 덮여있다. 광학 스위치(1700)는 또한 출력 커플러(1704-1707)와 광섬유(1702-1706) 사이에 배치되는 포커싱 시스템(1708)을 포함한다. 포커싱 시스템(1708)은 렌즈, 예를 들면 양면 볼록 렌즈 또는 평면 볼록 렌즈, 또는 임의의 수의 렌즈일 수 있고, 이러한 렌즈는 출력 커플러로부터 출력되는 파면을 선택된 각도로, 파면이 간섭하는 초점 평면의 한 초점으로 조합하기 위한 것이다. 광섬유는 그 렌즈가 초점 평면에 놓이도록 위치된다.
도 17a의 예에서 파면 합성기(1500)는, 도 15a를 참조하여 위에서 기술된 바와 같이, 출력 커플러(1501-1503)로부터 출력되는 파면에 동일한 위상 시프트를 가하도록 작동된다. 파면 합성기(1500)의 루트 도파관(미도시)에 입력되는 광학 신호는 출력 커플러(1501-1503)로부터, 조합된 파면(1522)으로 표시된 바와 같이 3개의 상호 코히어런트한 파면으로 출력되고, 이러한 파면은 파면 합성기(1500)의 평면에 실질적으로 평행하게 포커싱 시스템(1708)으로 진입한다. 포커싱 시스템(1708)은 이러한 파면을 조합하여, 방향성 화살표(1712)로 표시된 바와 같이, 중앙 광섬유(1704)의 렌즈(1710) 근방의 초점으로 나아가게 한다. 파면은 간섭하여 렌즈(1710)에 의해 광섬유(1704)의 코어를 향하게 된다.
도 17b의 예에서 파면 합성기(1500)는, 도 15c를 참조하여 위에서 기술된 바와 같이,
Figure pct00063
인 위상 시프트
Figure pct00064
및
Figure pct00065
를 가함으로써 출력 커플러(1501-1503)로부터 출력되는 파면을 각각 조향하여 상이한 각도로 포커싱 시스템(1708)에 진입되게 하도록 작동된다. 결과적으로 광학 신호는, 3개의 출력 커플러(1501-1503)로부터, 조합된 파면(1604)으로 표시된 바와 같이 3개의 상호 코히어런트한 파면으로 출력되고, 이러한 파면은 각도
Figure pct00066
으로 포커싱 시스템(1708)에 진입한다. 이러한 예에서, 포커싱 시스템(1708)은 이러한 파면을 조합하여, 방향성 화살표(1716)로 표시된 바와 같이, 중앙 광섬유(1703)의 렌즈(1714) 근방의 초점으로 나아가게 한다. 파면은 간섭하여 렌즈(1714)에 의해 광섬유(1703)의 코어를 향하게 된다.
광학 스위치는 광학 신호를 광섬유 어레이의 적어도 2개의 광섬유로 지향시키도록 작동될 수 있다. 도 18은 동일한 광학 신호를 광섬유 어레이의 2개의 상이한 광섬유로 동시에 주입하도록 작동되는 예시적인 광학 스위치(1800)를 나타낸다. 광학 스위치(1800)는 파면 합성기(1802), 광섬유의 어레이(1812), 및 합성기(1802)와 어레이(1812) 사이에 배치되는 포커싱 시스템(1814)을 포함하고, 이러한 합성기의 6개의 출력 커플러(1804-1809)가 도시되어 있다. 출력 커플러(1804, 1805, 1808, 및 1809)와 연관되는 마이크로링은 각각
Figure pct00067
및
Figure pct00068
의 위상 시프트를 갖는 파면을 출력하도록 튜닝되며, 여기서
Figure pct00069
이고,
Figure pct00070
이다. 출력 커플러(1806 및 1807)와 연관되는 마이크로링은 대응되는 말단 도파관으로부터의 광학 신호를 임계적 커플링하도록 튜닝된다. 위상 시프트
Figure pct00071
및
Figure pct00072
는, 조합된 파면(1816)이 포커싱 시스템(1814)으로 진입하여, 방향성 화살표(1822)로 표시된 바와 같이, 렌즈(1818)에서 조합되어 광섬유(1820)의 코어로 진입하도록 선택된다. 위상 시프트
Figure pct00073
및
Figure pct00074
는, 조합된 파면(1824)이 포커싱 시스템(1814)으로 진입하여, 방향성 화살표(1830)로 표시된 바와 같이, 렌즈(1826)에서 조합되어 광섬유(1828)의 코어로 진입하도록 선택된다.
이제까지 기술한 내용은, 설명의 목적으로, 본 개시내용에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법을 이용하였다. 그러나, 본원에서 기술되는 시스템 및 방법을 실시하기 위해 이러한 특정 세부사항이 필요하지 않다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 특정 실시예에 대한 이제까지의 설명은, 예시 및 설명의 목적으로 제시된 것이다. 이러한 설명은 본 개시내용을 기술된 정확한 형태로만 제한하려는 의도가 아니다. 상기 교시를 고려하면 수많은 수정과 변형이 가능하다는 점이 명백할 것이다. 본 개시내용의 원리와 실제적인 응용을 최적으로 설명함으로써 통상의 기술자로 하여금 본 개시내용을 최적으로 활용할 수 있게 하기 위해 이러한 실시예가 도시 및 기술된 것이고, 다양한 수정예를 갖는 다양한 실시예가 예상되는 특정 용도에 적합화될 수 있다. 본 개시내용의 범위는 이후의 청구 범위 및 이의 균등 범위에 의해 정해진다.

Claims (15)

  1. 파면 합성기(wavefront synthesizer; 100, 200)에 있어서,
    기판의 평면 표면 상에 배치되고, 중간 도파관을 통해 적어도 2개의 말단 도파관으로 분기하는 루트 도파관(root waveguide)을 포함하는 도파관 트리(waveguide tree; 102, 202)로서, 상기 루트 도파관은 상기 루트 도파관을 통해 상기 도파관 트리 내로 광을 주입하기 위한 소스(122)와 광학적으로 통합되어 있는, 도파관 트리;
    상기 평면 표면 상에 배치되고, 상기 말단 도파관의 단부에 위치하는 출력 커플러(108-111, 212-219)로서, 각각의 출력 커플러는 상기 평면 표면으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 파면을 출력하되, 상기 파면은 상기 소스에 의해 주입될 광의 일부로 이루어지고, 상기 파면 중 적어도 2개의 파면은 보강 간섭을 통해 적어도 하나의 광 빔을 형성하도록 중첩되는, 출력 커플러; 및
    상기 평면 표면 상에서 상기 말단 도파관에 인접하여 배치되는 마이크로링 공진기(microring resonator; 104-107, 204-211)
    를 포함하고, 각각의 마이크로링 공진기는 상기 적어도 2개의 파면과 상기 빔의 방향을 조향하기 위해 상기 출력 커플러 중 하나로부터 출력되는 파면에 위상 시프트를 가하도록 독립적으로 튜닝가능한, 파면 합성기.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 마이크로링을 개별적으로 튜닝하도록 각각의 마이크로링에 전기적으로 연결되는 전압원(124)을 더 포함하는, 파면 합성기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 트리는 각각의 중간 도파관(115, 116)이 2개의 파면으로 분기되도록 하는 이진 트리 구조를 더 포함하는, 파면 합성기.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 출력 커플러는 단열 테이퍼(adiabatic taper; 126) 및 서브-파장 격자(128)를 더 포함하는, 파면 합성기.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 출력 커플러는 말단 도파관의 단부 근방에 형성되는 일련의 홀(504)을 더 포함하는, 파면 합성기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 트리 및 출력 커플러는 동일한 편광방향(polarization)을 갖는 상호 코히어런트한 파면을 출력하는, 파면 합성기.
  7. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 마이크로링 공진기는 인접하는 p-형 반도체 영역(802, 902) 및 인접하는 n-형 반도체 영역(804, 904)을 포함하는 p-i-n 접합을 더 포함하는, 파면 합성기.
  8. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 마이크로링 공진기는 인접하는 가열 요소(1002, 1102)를 더 포함하는, 파면 합성기.
  9. 광학 스위치로서,
    광섬유의 어레이(1710);
    기판의 평면 표면 상에 배치되고 소스(122)에 광학적으로 연결되는 파면 합성기(1702); 및
    상기 파면 합성기와 상기 광섬유의 어레이 사이에 배치되는 포커싱 시스템(1718)
    을 포함하고, 상기 파면 합성기는 상기 소스로부터 광학 신호를 수신하고, 상기 평면 표면으로부터 멀어지는 방향으로, 선택된 각도로 적어도 2개의 조합된 파면을 출력하며, 상기 포커싱 시스템은, 상기 적어도 2개의 조합된 파면을 수신하여 상기 광섬유 중 하나에 진입하도록 상기 적어도 2개의 조합된 파면을 포커싱하는, 광학 스위치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 파면 합성기는:
    상기 평면 표면 상에 배치되고, 중간 도파관을 통해 적어도 2개의 말단 도파관으로 분기하는 루트 도파관을 포함하는 도파관 트리(102, 202)로서, 상기 루트 도파관은 상기 소스와 통합되어 있는, 도파관 트리;
    상기 평면 표면 상에 배치되고, 상기 말단 도파관의 단부에 위치하는 출력 커플러(108-111, 212-219)로서, 각각의 출력 커플러는 상기 평면 표면으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 파면을 출력하되, 상기 파면은 상기 광학 신호의 일부로 이루어지고, 상기 파면 중 적어도 2개의 파면은 보강 간섭을 통해 적어도 하나의 광 빔을 형성하도록 중첩되는, 출력 커플러; 및
    상기 평면 표면 상에서 상기 말단 도파관에 인접하여 배치되는 마이크로링 공진기(104-107, 204-211)
    를 포함하고, 각각의 마이크로링은 상기 적어도 2개의 파면과 상기 빔의 방향을 조향하기 위해 상기 출력 커플러 중 하나로부터 출력되는 파면에 위상 시프트를 가하는, 광학 스위치.
  11. 제10항에 있어서,
    각각의 마이크로링을 개별적으로 튜닝하도록 각각의 마이크로링에 전기적으로 연결되는 전압원(124)을 더 포함하는, 광학 스위치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 도파관 트리는 각각의 중간 도파관(115, 116)이 2개의 파면으로 분기되도록 하는 이진 트리 구조를 더 포함하는, 광학 스위치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 도파관 트리 및 출력 커플러는 동일한 편광방향을 갖는 상호 코히어런트한 파면을 출력하는, 광학 스위치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 광섬유의 어레이는 상기 광섬유의 단부가 상기 파면 합성기의 출력 커플러에 면하도록 배향되는 광섬유(1712-1716)를 더 포함하는, 광학 스위치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 포커싱 시스템은 적어도 하나의 렌즈를 더 포함하는, 광학 스위치.
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