KR20200060718A - 광자 집적 회로의 도파관에 광섬유의 자기 정렬 연결을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

광자 집적 회로의 도파관에 광섬유의 자기 정렬 연결을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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리밍 왕
마틴 에이. 키츠 반 헤이닌겐
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케이브이에이치 인더스트리즈, 인코포레이티드
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Abstract

광학 장치는 클래딩 및 코어를 갖는 섬유, 및 클래딩 및 코어를 갖는 타겟 PIC 도파관을 포함한다. 입력 섬유의 한면에 있는 클래딩이 섬유의 끝에서 제거되고 평평한 표면이 섬유 코어를 따라 코어에 가깝게 생성되어 섬유 코어를 노출시킨다. PIC 도파관의 대칭축에 대해 면내 각도를 갖는 바닥이 평평한 채널이 결합 영역에서 PIC 도파관의 상부 층 상에 제조되어 테이퍼진 평면 도파관의 상부 표면을 노출시킨다. 섬유의 평평한 표면과 도파관의 상부 표면이 접촉하고 있기 때문에, 섬유의 코어는 표적 도파관의 대칭 축에 대해 비스듬히 교차되고, 상호 작용 영역으로서 교차점에서 서로 가깝게 형성되어 하이브리드 도파관을 형성한다.

Description

광자 집적 회로의 도파관에 광섬유의 자기 정렬 연결을 위한 방법 및 장치
본 출원은 2017 년 9 월 15 일에 출원된 미국 가출원 제 62/559,307 호의 이점을 주장한다. 상기 출원의 전체 교시는 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 광섬유들 간 또는 광섬유와 광자 집적 회로(PIC) 도파관 또는 PIC 도파관들 간의 소멸 파 결합 연결에 관한 것이다.
미국 특허 4,678,267은 협대역 및 광대역 채널 광 도파관 사이의 결합이 포물선의 형태의 결합 영역에 의해 매우 효과적으로 수행되는 것을 설명한다. 포물선 결합 영역을 위한 설계 방정식이 제공된다.
미국 특허 5,579,424는 평면 광 도파관 및 광섬유를 광학적으로 결합하기 위한 배열을 설명한다. 배열은 기판의 표면 위에 평면 광 도파관을 형성하는 단계, 광 도파관의 단부 면으로부터 기판의 가장자리로 이어지는 기판의 표면에 트렌치와 같은 오목부를 형성하는 단계, 공통 평면에 놓인 두 평면 사이에 고정된 섬유를 갖는 제2 홀더부를 형성하는 단계, 및 섬유가 유격을 갖도록 오목부에 배치되고 평면 도파관의 축에 정렬된 섬유의 축과 섬유가 정렬되도록 하기 위해 상기 기판의 오목부의 각 측면 위에 놓인 한 쌍의 평면 위에 별도의 홀더부를 조립하는 단계를 포함한다.
미국 특허 5,600,745는 섬유와 광 도파관을 자동으로 결합하는 방법을 설명한다. 이러한 방식은 정렬 정확도를 높이기 위해 반도체 물질, 특히 실리콘 상에 다양한 웨이퍼 방향에서의 다른 에칭 속도의 특성 및 화염 가수 분해 증착 기술에 의해 형성된 유리 수트의 수축 특성에 의해 달성된다. 먼저, 도파관 버퍼 레이어는 반도체 기판 상에 형성되고, 도파관 레이어는 반도체 기판 및 도파관 버퍼 레이어 상에 형성된다. 도파관의 일부는 평면 광 도파관으로 조작된다. 그 동안에, 평면 도파관의 I/O 끝으로 이어지는 여러 윈도우들은 다른 도파관 레이어 상에 형성된다. 윈도우 아래의 반도체 기판은 여러 정렬 홈들을 형성하도록 이방성으로 에칭된다. 이들 홈들의 측면 및 반도체 기판의 표면은 고정된 각도를 구성할 수 있다.
미국 특허 5,729,641은 광섬유와 같은 광 도파관의 광학 종축을 따라 안내되고 복사되는 방사선을 변조 또는 상호작용을 위한 광학 장치를 설명하며, 광학 장치는 예를 들어 광섬유용 플라즈면 또는 평면 표면 변조기와 같은 종래의 비교 가능한 장치와 비교해 다른 방향성 구조를 갖는다. 형상은 2개의 공간적으로 배치된 전극 사이에 형성된 비선형, 전기 광학 매체를 포함한다. 매체/전극 샌드위치는 도파관 전파축의 길이 방향을 따라 정렬되고, 도파관에서 전파되는 방사선 필드와의 소실 결합을 위해 도파관 코어에 공간적으로 근접한 매체의 내측 단부를 갖는 광 도파관 코어로부터 방사상 방향으로 연장된다. 공간적으로 배치된 전극에 인가된 전기장은 전파 방사선에 손실 상태를 유도하기 위해 도파관의 유효 굴절율 바로 아래에서부터 유효 굴절율 바로 위까지 전기 광학 매체의 굴절율을 변화시킨다. 인가된 전기장의 변조는 전파 방사선의 강도 변조를 가져올 것이다.
미국 특허 5,982,961은 광학 결합 장치, 또는 복합 도파관을 설명하며, 여기서 광학 에너지는 결합되거나 또는 투과 도파관을 따라 전파되는 광학 신호로부터 또는 광학 신호와 결합된다. 광학 결합 장치는 투과 도파관의 일부에 광학적으로 인접하게 배치된 박막 유기 결정 도파관을 포함한다. 유기 결정 도파관은 먼저, 광학 에너지와 결합되는 것을 통해 투과 도파관에 대면하는 결합 표면을 갖는다. 투과 도파관은 광섬유와 유기 결정 도파관 사이에 광학 에너지의 결합을 촉진하기 위해 그것의 측면을 따라 적어도 일부 물질이 제거된 광섬유일 수 있다. 유기 결정의 유기 염 구현과 같이, 광학적으로 매끄러운 표면을 갖는 박막 유기 결정 도파관을 생산하기 위한 폴리싱 및 래핑 방법이 또한 개시된다.
미국 특허 6,293,688은 멀티-칩 광학 조립체에 다른 사이즈의 광학 도파관들과 결합한 테이퍼된 도파관을 설명한다. 반도체 다이오드 증폭기를 포함하는 공명기는 광섬유에 광학적으로 결합된 평면 도파관 구조에 결합된다. 싱글-모드 반도체 레이저 도파관은 기판에 접착된 플립-칩이고, 싱글-모드 탄탈라 도파관에 결합된 실리카 도파관 구조와 결합된다. 추가 실시 예에서, 고 굴절율 재료는 칩들 사이의 갭에 제공된다. 다른 실시 예에서, 폴리머 재료는 도파관 구조의 열적 특성을 수정하기 위해 도파관 구조에 사용된다.
미국 특허 6,360,038은 하나의 광섬유 도파관으로부터 적어도 두 개의 격자를 사용하는 다른 도파관으로 기 설정된 파장에서 광의 결합을 위한 파장 선택성 광학 장치를 설명하고, 결합을 보조하는 클래딩-모드가 개시된다. 광의 이전은 도파관의 하나 또는 그 이상의 클래딩 모드에 대한 중간 결합을 사용해 수행된다. 이 케이스에서 섬유가 물리적으로 다른 클래딩을 가질 때, 하나의 클래딩으로부터 다른 클래딩으로의 빛의 전송을 위한 배열이 요구된다. 개시된 커플러는 역 반사가 없으며, 작은 삽입 손실 및 매우 높은 채널 분리성을 갖는다. 장치는 파장 분할 다중화 네트워크에서 사용될 수 있다.
미국 특허 7,218,809는 도파관 코어와 클래딩 사이의 고 굴절율 대비를 갖는 도파관 코어를 포함하는 광학 모드 변압기를 설명하며, 광학 모드 변압기는 도파관 코어가 도파관 코어의 두께가 임계 두께 값까지 가늘어진 테이퍼를 갖도록 구성되고, 임계 두께 값은 작은 모드 크기를 확대시킴으로써 광선의 에너지의 상당 부분이 테이퍼 구조를 둘러싸는 클래딩 레이어 내부로 침투하는 두께 값 이하로 정의된다. 이 특허는 추가로 비 원통형 등급 굴절율(GRID) 렌즈 구조를 설명한다. 굴절율의 등급은 수직 또는 수평 방향 어느 쪽이든 제공되며, 고정된 굴절율 또는 가로 방향의 굴절율 등급 어느 쪽이든 가질 수 있다. 이 특허는 추가로 복합 광학 모드 변압기를 설명하며, 이는 테이퍼 도파관 구조 및 비 원통형 등급 굴절율 구조와의 조합이다. 이 특허는 또한 다중 입력/출력 광섬유를 위한 v자 홈 및 다중 입력/출력 광자 칩 또는 장치를 위한 정렬 플랫폼과 모드 변압기의 추가적인 통합을 설명한다.
서술된 실시 예는 광섬유와 광자 집적 도파관 사이의 자기 정렬 메커니즘을 촉진하며, 높은 결합 효율 및 넓은 대역폭을 갖도록 광자 집적 회로 도파관의 싱글-모드 도파관에 수동적으로 연결되는 싱글-모드 광섬유의 연결에 관한 광자 집적 회로의 도파관에 광섬유의 자기 정렬 연결을 위한 방법 및 장치를 제공한다.
서술된 실시 예는 광섬유와 광자 집적 도파관 사이의 자기 정렬 메커니즘을 촉진하며, 높은 결합 효율 및 넓은 대역폭을 갖도록 광자 집적 회로 도파관의 싱글-모드 도파관에 수동적으로 연결되는 싱글-모드 광섬유의 연결에 관한 것이다.
서술된 실시 예는 광 입력을 제공하기 위한 클래딩 및 코어를 갖는 입력 섬유와, 광 입력 수신을 위한 클래딩 및 코어를 갖는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다. 입력 섬유의 일측면 상의 클래딩은 섬유의 단부가 제거되고, 평탄 표면은 기 설정된 거리 동안 섬유 코어를 따라 생성되며, 따라서 섬유 코어가 노출되도록 평탄 표면은 섬유의 코어에 인접하여 만들어진다. 바닥이 평평한 채널은 결합된 영역에 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제작된 PIC 도파관의 대칭축에 대하여 면내 각도를 가지며, 따라서 테이퍼진 평면 도파관의 상단 표면이 노출된다. 입력 섬유의 평탄 표면 및 타겟 도파관의 상단 표면은 접촉되며, 그에 따라 입력 섬유의 코어는 타겟 도파관의 대칭축에 대하여 각도를 갖도록 교차되고, 상호작용 영역으로서 하이브리드 도파관을 형성하기 위해 교차점에서 서로 근접된다.
하나의 양태에서, 본 발명은 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유를 절충하는 광학 장치일 수 있다. 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가질 수 있고, 입력 섬유의 일측면 상의 클래딩은 입력 섬유의 일단에서 제거되고, 그것에 의해 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면이 생성된다. 평탄 표면은 섬유의 코어에 인접하도록 구성되어 섬유 코어가 노출된다. 광학 장치는 광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관을 더 포함할 수 있다. 타겟 PIC 도파관은 평면일 수 있고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 가질 수 있다. 광학 장치는 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제작된 바닥이 평평한 채널을 더 포함할 수 있고, 이는 타겟 PIC 도파관의 상단 표면이 노출된다. 입력 섬유의 평탄 표면은 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 형성될 수 있고, 이는 입력 섬유의 코어와 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬적이고 인접하게 한다. 광학 장치는 입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션, 하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광을 결합을 위한 제2 트랜지션을 더 포함할 수 있다. 결합 영역은 PIC 도파관의 평면 내에 길이 방향으로 제1 트랜지션 및 제2 트랜지션의 사이에 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 가질 수 있다. 타겟 PIC 도파관의 코어는 실리콘 질화물일 수 있고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물일 수 있다. 타겟 PIC 도파관은 복굴절될 수 있다. 입력 섬유는 편광 유지 섬유일 수 있다. 입력 섬유 코어의 일부는 결합 영역 내에서 제거될 수 있다.
제1 트랜지션은 타겟 PIC 도파관의 단부에서 시작될 수 있고, 제2 트랜지션은 입력 섬유의 끝일 수 있다. 타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유를 절충하는 광학 장치일 수 있다. 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가질 수 있다. 입력 섬유의 일 측면 상의 클래딩은 입력 섬유의 일단에서 제거되고, 그것에 의해 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면이 생성된다. 평탄 표면은 섬유의 코어에 인접하도록 구성되어 섬유 코어가 노출된다. 광학 장치는 광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관을 더 포함할 수 있다. 타겟 PIC 도파관은 평면일 수 있고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 가질 수 있다. 타겟 PIC 도파관 코어의 폭은 면 내 테이퍼를 형성하기 위해 중앙축에 대해 대칭적으로 그 길이를 따라 점차 좁아지도록 구성될 수 있다. 광학 장치는 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 만들어진 바닥이 평평한 채널을 더 포함할 수 있고, 이에 타겟 PIC 도파관의 상단 표면이 노출된다. 입력 섬유의 평탄 표면은 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 형성될 수 있고, 이는 입력 섬유의 코어와 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬적이고 인접하게 한다. 광학 장치는 입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션, 하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광을 결합을 위한 제2 트랜지션을 더 포함할 수 있다. 결합 영역은 PIC 도파관의 평면 내에 길이 방향으로 제1 트랜지션 및 제2 트랜지션의 사이에 배치되도록 형성될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유를 절충하는 광학 장치일 수 있다. 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가질 수 있다. 입력 섬유의 일 측면 상의 클래딩은 입력 섬유의 일단에서 제거되고, 그것에 의해 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면이 생성된다. 평탄 표면은 섬유의 코어에 인접하도록 구성되어 섬유 코어가 노출된다. 광학 장치는 광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관을 더 포함할 수 있다. 타겟 PIC 도파관은 평면일 수 있고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 가질 수 있다. 광학 장치는 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제작된 바닥이 평평한 채널을 더 포함할 수 있고, 이에 타겟 PIC 도파관의 상단 표면이 노출된다. 바닥이 평평한 채널은 타겟 PIC 도파관의 대칭축에 대해 면내 각도를 가질 수 있다. 입력 섬유의 평탄 표면은 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성될 수 있고, 이에 입력 섬유의 코어와 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬적이고 인접하게 한다. 광학 장치는 입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션, 하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광을 결합을 위한 제2 트랜지션을 더 포함할 수 있다. 결합 영역은 PIC 도파관의 평면 내에 길이 방향으로 제1 트랜지션 및 제2 트랜지션의 사이에 배치되도록 형성될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유를 절충하는 광학 장치일 수 있다. 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가질 수 있다. 입력 섬유의 일 측면 상의 클래딩은 입력 섬유의 일단에서 제거되고, 그것에 의해 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면이 생성된다. 평탄 표면은 섬유의 코어에 인접하도록 구성되어 섬유 코어가 노출된다. 광학 장치는 광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관을 더 포함할 수 있다. 타겟 PIC 도파관은 평면일 수 있고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 가질 수 있다. 타겟 PIC 도파관 코어의 폭은 면 내 테이퍼를 형성하기 위해 중앙축에 대해 대칭적으로 그 길이를 따라 점차 좁아지도록 구성될 수 있다. 광학 장치는 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제작된 바닥이 평평한 채널을 더 포함할 수 있고, 이에 타겟 PIC 도파관의 상단 표면이 노출된다. 입력 섬유의 평탄 표면은 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 형성될 수 있고, 이는 입력 섬유의 코어와 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬적이고 인접하게 한다. 광학 장치는 입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션, 하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광을 결합을 위한 제2 트랜지션을 더 포함할 수 있다. 결합 영역은 PIC 도파관의 평면 내에 길이 방향으로 제1 트랜지션 및 제2 트랜지션의 사이에 배치되도록 형성될 수 있다.
본 발명은 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유로서, 입력 섬유가 클래딩 및 코어를 가지며, 입력 섬유의 일측 상의 클래딩이 입력 섬유의 단부에서 제거됨으로써 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면을 생성하고, 평탄 표면이 섬유 코어가 노출되도록 하기 위해 섬유의 코어에 근접하도록 구성되는 입력 섬유; 광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관으로서, 타겟 PIC 도파관이 평면이고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 갖는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관; 타겟 PIC 도파관의 상부 표면이 노출되도록, 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제조되는 바닥이 평평한 채널; 입력 섬유의 코어 및 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬로 인접하도록 하기 위해 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성된 입력 섬유의 평탄 표면; 입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션; 하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광의 결합을 위한 제2 트랜지션; 및 PIC 도파관의 평면 내 길이 방향에서 제1 트랜지션과 제2 트랜지션 사이에 있도록 구성되는 결합 영역을 포함하는 광학 장치를 제공한다.
타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 갖는다.
타겟 PIC 도파관은 실리콘 질화물이고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물인 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관은 복굴절성인 것이 특징이다.
입력 섬유는 분극 유지 섬유인 것이 특징이다.
입력 섬유의 코어의 일부분은 결합 영역 내에서 제거되는 것이 특징이다.
제1 트랜지션은 타겟 PIC 도파관의 시작단이고, 제2 트랜지션은 입력 섬유의 끝부분인 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유의 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖는 것이 특징이다.
또한, 본 발명은 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유로서, 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가지며, 입력 섬유의 일측 상의 클래딩이 입력 섬유의 단부에서 제거됨으로써 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면을 생성하고, 평탄 표면이 섬유 코어가 노출되도록 섬유의 코어에 근접하도록 구성되는 입력 섬유; 광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관으로서, 타겟 PIC 도파관이 평면이고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 가지며, 타겟 PIC 도파관 코어의 폭이 코어의 길이를 따라 점진적으로 좁아지도록 구성되고, 면내 테이퍼를 형성하기 위해 중심축에 대해 대칭적으로 구성되는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관; 타겟 PIC 도파관의 상부 표면이 노출되도록, 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제조되는 바닥이 평평한 채널; 입력 섬유의 코어 및 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬로 인접하도록 하기 위해 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성된 입력 섬유의 평탄 표면; 입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션; 하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광의 결합을 위한 제2 트랜지션; 및 PIC 도파관의 평면 내 길이 방향에서 제1 트랜지션과 제2 트랜지션 사이에 있도록 구성되는 결합 영역을 포함하는 광학 장치를 제공한다.
타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 갖는 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관은 실리콘 질화물이고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물인 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관은 복굴절성인 것이 특징이다.
입력 섬유는 분극 유지 섬유인 것이 특징이다.
입력 섬유의 코어의 일부분은 결합 영역 내에서 제거되는 것이 특징이다.
제1 트랜지션은 타겟 PIC 도파관의 시작단이고, 제2 트랜지션은 입력 섬유의 끝부분인 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유의 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖는 것이 특징이다.
또한, 본 발명은 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유로서, 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가지며, 입력 섬유의 일측 상의 클래딩이 입력 섬유의 단부에서 제거됨으로써 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면을 생성하고, 평탄 표면이 섬유 코어가 노출되도록 섬유의 코어에 근접하도록 구성되는 입력 섬유; 광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관으로서, 타겟 PIC 도파관이 평면이고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 갖는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관; 타겟 PIC 도파관의 상부 표면이 노출되도록, 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제조되는 바닥이 평평한 채널로서, 바닥이 평평한 채널은 PIC 도파관의 대칭 축에 대해 면내 각도를 갖는 바닥이 평평한 채널; 입력 섬유의 코어 및 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬로 인접하도록 하기 위해 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성된 입력 섬유의 평탄 표면; 입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션; 하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광의 결합을 위한 제2 트랜지션; 및 PIC 도파관의 평면 내 길이 방향에서 제1 트랜지션과 제2 트랜지션 사이에 있도록 구성되는 결합 영역을 포함하는 광학 장치를 제공한다.
타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 갖는 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관은 실리콘 질화물이고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물인 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관은 복굴절성인 것이 특징이다.
입력 섬유는 분극 유지 섬유인 것이 특징이다.
입력 섬유의 코어의 일부분은 결합 영역 내에서 제거되는 것이 특징이다.
제1 트랜지션은 하이브리드 도파관의 전방 단부이고, 제2 트랜지션은 하이브리드 도파관의 후방 단부인 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유의 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖는 것이 특징이다.
또한, 본 발명은 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유로서, 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가지며, 입력 섬유의 일측 상의 클래딩이 입력 섬유의 단부에서 제거됨으로써 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면을 생성하고, 평탄 표면이 섬유 코어가 노출되도록 섬유의 코어에 근접하도록 구성되는 입력 섬유; 광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관으로서, 타겟 PIC 도파관이 평면이고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 가지며, 타겟 PIC 도파관 코어의 폭이 코어의 길이를 따라 점진적으로 좁아지도록 구성되고, 면내 테이퍼를 형성하기 위해 중심축에 대해 대칭적으로 구성되는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관; 타겟 PIC 도파관의 상부 표면이 노출되도록, 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제조되는 바닥이 평평한 채널; 입력 섬유의 코어 및 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬로 인접하도록 하기 위해 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성된 입력 섬유의 평탄 표면; 입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션; 하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광의 결합을 위한 제2 트랜지션; 및 PIC 도파관의 평면 내 길이 방향에서 제1 트랜지션과 제2 트랜지션 사이에 있도록 구성되는 결합 영역을 포함하는 광학 장치를 제공한다.
타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 갖는 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관은 실리콘 질화물이고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물인 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관은 복굴절성인 것이 특징이다.
입력 섬유는 분극 유지 섬유인 것이 특징이다.
입력 섬유의 코어의 일부분은 결합 영역 내에서 제거되는 것이 특징이다.
제1 트랜지션은 타겟 PIC 도파관의 테이퍼의 시작단이고, 제2 트랜지션은 입력 섬유의 끝부분인 것이 특징이다.
타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유의 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖는 것이 특징이다.
본 발명은 광섬유와 광자 집적 도파관 사이의 자기 정렬 메커니즘을 촉진하며, 높은 결합 효율 및 넓은 대역폭을 가질 수 있다.
전술한 내용은 유사한 도면 부호가 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면에 도시된 바와 같이 이하의 예시적인 실시 예보다 구체적인 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 반드시 축척대로 도시 된 것은 아니며, 대신에 실시 예를 설명할 때 강조된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평탄 표면을 형성하기 위해 클래딩이 제거된 광섬유를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 코어의 상부로부터 클래딩이 제거된 PIC 도파관을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PIC 도파관 상에 배치된 평탄 표면 광섬유의 사시도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 도 3에 도시된 PIC 도파관과 광섬유의 평면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 하이브리드 도파관을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각도 θC에서 PIC에 배치된 광섬유를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 교차 각도 θC에서 z의 함수로서 도파관 폭의 플롯을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상수 α의 상이한 값에서 z의 함수로서 도파관 폭의 플롯을 도시한다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 섬유, PIC 도파관 및 총 광섬유에 의해 유도된 시뮬레이션된 광 전력을 도시한다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 파장에 대한 결합 효율의 의존성을 도시한다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 도파관 테이퍼 상에 섬유를 위치시키기 위한 정렬 공차를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 코어의 일부 또한 제거된 평탄 표면의 광섬유를 도시한다.
도 13은 도 12에 도시된 광섬유의 결합 효율을 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PIC 도파관에 결합된 광섬유를 도시한다.
예시적인 실시 예들의 설명이 이어진다.
본원에 인용된 모든 특허, 공개 출원 및 참고 문헌의 교시는 전문이 참고로 포함된다.
설명된 실시 예는 광 집적 회로에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 설명된 실시 예는 높은 결합 효율 및 넓은 대역폭을 갖는 수동적으로 광자 집적 회로 도파관의 단일 모드 도파관에 단일 모드 광섬유의 연결, 그리고 광학 자이로 스코프 및 광 통신을 위한 이러한 장치의 사용에 관한 것이다.
본 명세서의 배경 기술에 설명된 참조 중 어느 것도 높은 결합 효율 및 넓은 대역폭을 갖는 수동 광섬유-PIC 도파관 연결을 가능하게 하지 않는다.
높은 결합 효율을 가지며, 광학 집적 회로(PIC)의 도파관에 싱글-모드 광섬유의 연결을 위해 큰 정렬 오류를 허용하는 자기 정렬 방법 및 메커니즘이 개시된다. 싱글-모드 공간 분포에서 광을 안내하는 광섬유(100)는 주변의 글래스 클래딩(glass cladding, 106) 보다 높은 굴절율을 갖는 글래스 코어(glass core, 104)로 구성된다. 도파관이 오직 기본 모드만을 지지하도록, 광섬유는 기설정된 치수의 글래스 코어, 및 글래스 코어(104)와 클래딩(106) 사이의 굴절율의 차이를 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 섬유(100)의 단부에서, 광섬유의 일측에서 글래스 클래딩은 제거되고, 기 설정된 거리 동안 섬유 코어(104)를 따라 평탄 표면(102)이 생성된다. 섬유 코어(104)가 노출되도록 평탄 표면(102)은 섬유(100)의 코어(104)에 근접하도록 만들어진다. 이것은 안내된 광의 소멸 광파가 클래딩 재료의 평탄 표면(102) 너머로 확장되고, 평탄 표면(102) 너머로 분포된 빛의 비율은 원형의 클래딩 글래스를 대체하는 재료의 굴절율에 의존한다는 것을 의미한다.
PIC의 싱글-모드 광학 도파관은 클래딩 재료에 매립된 도파관 코어로 구성된다. 코어는 클래딩 재료보다 높은 굴절율을 갖는다. 도파관이 오직 기본 모드만을 지지하도록, PIC 도파관은 기 설정된 치수의 코어와, 코어 및 클래딩 사이의 굴절율의 차이를 갖도록 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광이 시작되는 PIC의 섹션에서, 도파관 코어(202) 위에 클래딩 재료의 기 설정된 영역이 제거되어 안내된 광의 전자기파가 클래딩에 의해 대체된 재료로 연장될 수 있게 한다. 이것은 안내된 광의 소멸 광파가 상단 표면(204) 너머로 확장되고, 상단 표면(204) 너머로 분포된 빛의 비율은 원형의 클래딩 재료를 대체하는 재료의 굴절율에 의존한다는 것을 의미한다. 일 실시 예에서, 도파관 코어는 실리콘 질화물이며, 클래딩 재료는 실리콘 산화물이다. 다른 실시 예에서, 도파관 코어는 박형 실리콘 질화물 스트립이고, 그 두께는 100마이크로미터 이하이다.
안내된 광을 낮은 결합 손실로 섬유와 PIC 도파관 사이로 이송하도록 만들기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 클래딩 재료가 제거된 끝부분의 섬유 섹션은 평탄 표면이 아래를 향하고 코어가 평면 도파관의 클래딩 또한 제거된 영역에서 PIC 도파관을 따라 정렬되는 방식으로 놓인다. 중첩 영역에 하이브리드 도파관을 형성하기 위해, 도파관의 두개의 코어는 두 개의 소멸 필드의 큰 중첩이 있도록 서로 근접하게 배치된다.
도 4(PIC의 상단 표면을 내려다보면서 평면도로 본 도면)에 도시된 바와 같이, 섬유 코어는 PIC 코어의 상부에 직접 배치될 수 있다. 하이브리드 도파관은 오직 싱글 모드만 지지한다. 일 실시 예에서, 섬유 코어가 PIC 도파관의 클래딩으로서 제공되기 위해, 두 개의 도파관의 코어는 거리를 두고 서로 부착되도록 배치되고, PIC 도파관 코어의 굴절율은 대체로 섬유 도파관보다 높다. 이런 식으로, 하이브리드 도파관은 싱글 모드 광 전파를 지지하지만, PIC 도파관 및 광 도파관 양쪽 모두와는 다른 전파 상수를 갖는다. 또한, 빔이 섬유로부터 하이브리드 도파관으로 전달될 때 및 하이브리드 도파관에서 PIC 도파관으로 전달될 때 안내된 광 빔의 단면이 갑자기 변한다. 갑작스러운 변화는 최하위 모드를 방사 모드로 결합하는 것을 용이하게 한다. 한편, 본 명세서에서 설명된 바와 같이, PIC 도파관을 최적화된 형상으로 제조하는 것은 전이 손실을 크게 감소시킬 수 있다.
설명된 실시 예에서, PIC 도파관의 폭은 단부에서 더 작은 폭으로 점차 테이퍼지게 될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 하이브리드 도파관은 클래딩이 제거된 섬유(100)를 평탄 표면이 아래를 향해(즉, PIC 기판을 향함) 배치하고, PIC 도파관의 클래딩 또한 제거된 PIC 도파관의 테이퍼 섹션(502)을 따라 가깝게 정렬됨으로써 만들어질 수 있으며, 두 개의 소멸 장의 큰 중첩을 촉진할 수 있다. 섬유 코어(104)는 PIC 코어의 테이퍼 섹션(502)의 상부 바로 위에 배치될 수 있고, 그것은 옆으로 옮겨질 수 있다.
하이브리드 도파관은 안내된 빔의 단면을 변화시킨다. 섬유 도파관에서 안내된 광은 효과적인 가이드 단면의 점진적인 확장의 전이를 통해 하이브리드 도파관에 결합된다. 만약 이러한 확장이 충분히 점진적이라면(아래에 보다 상세히 설명된 바와 같이), 섬유 모드는 수동적으로 모드 변환 없이 최하위 모드로 진화할 것이다. 미국 특허 4,678,267호는 대칭 테이퍼에서 단열 작동을 보장하는 간단한 디자인 규칙을 설명한다. 만약 테이퍼가 다음에 의해 정의된 조건을 만족하도록 디자인된다면, 최하위 광학 모드는 도파관에 의해 제한될 수 있으며, 따라서 최하위 모드는 최고위 모드 또는 방사 모드로의 모드 전환 없이 테이퍼에서 제한될 수 있다.
Figure pct00001
여기서 α는 상수이고, 1보다 작거나 같으며, PIC 도파관 코어(여기에 더 자세히 설명된)의 테이퍼의 비율과 관련된다. 변수 θ는 테이퍼의 로컬 반각이고, λ은 진공에서의 파장이고, neff는 하이브리드 도파관에 한정된 모드의 모드 유효 지수이고, W는 테이퍼의 로컬 전체 폭이다. 수식 1의 단열 전파 조건은 최하위 모드의 회절 전파보다 도파관 폭의 느린 팽창의 설계 기준을 사용해 얻어진다. 만약 θ가 광선 모델에서 최저 모드의 전파 각도보다 크다면, 광선은 도파관의 측벽을 "보지 않을 것"이고, 파장의 위상 정면이 왜곡되며, 최하위 모드로부터 모드 전환이 발생한다.
수식 1은 전파 방향 z를 따른 로컬 도파관 폭 확장 경사가 다음 식을 만족함을 제안한다.
Figure pct00002
neff가 W와 독립적이라고 가정하고, z=0에서 W=W0는 입력 도파관 폭, 수식 2의 적분이다.
Figure pct00003
여기서
Figure pct00004
이것은 전파 광의 최저 모드의 파장보다 작거나 같은 파라미터이다. 따라서 테이퍼 형상은 neff가 상수라는 가정 하에 포물선이어야 한다. neff가 W의 함수임을 고려하면, 최적화된 테이퍼 형상은 포물선 형상과 다르다.
전술한 모든 결합 방식은 코어-노출된 섬유가 두 개의 도파관 사이의 상호 작용이 유지되도록 PIC 도파관 코어에 충분히 근접하고 평행하게 배치될 필요가 있다. 이것은 결합 효율이 정렬 정확도에 강하게 의존되는 것을 의미하며, 이는 일반적으로 전형적인 PIC 제조 기술에 의해 서브 마이크로 미터로 제한된다. 따라서 실시간 정렬이 정기적으로 실시된다.
본 발명에서 예시적인 실시 예가 설명된다. 매우 낮은 정렬 정확도를 요구하지만 높은 결합 효율을 가져오는 PIC 도파관에 광섬유를 연결하는 것을 가능하게 하는 과정을 설명한다. 이 과정은 수동적이고 낮은 손실의 섬유 및 PIC 도파관의 연결을 용이하게 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 핵심 배열은 기 설정된 교차 각도 θC를 갖는 PIC 도파관의 테이퍼 영역 상부에 코어-노출된 섬유를 배치하는 것이다. 이러한 각도는 섬유와 PIC 도파관 사이의 광학적 상호작용을 보장한다. 미국 특허 4,678,267에서 설명된 디자인 규칙 하에서, 만약 테이퍼가 다음에서 정의한 조건을 만족하도록 디자인된다면 최하위 광학 모드는 도파관에 의해 제한될 수 있다.
Figure pct00005
따라서 도파관의 평면에서 최하위 모드의 광선 각도의 투영은 도파관의 벽의 로컬 각도를 초과하지 않을 것이다. 광선은 도파관의 벽에 의해 제한될 것이고, 파장의 위상 정면은 왜곡되지 않을 것이다.
Z 방향에서 로컬 벽의 경사에 의한 각도 θ를 표시하면, 도파관 너비에 대한 미분 방정식이 있다.
Figure pct00006
다시, neff가 W와 독립적이고, z=0 및 θC≠θ에서 W=W0 이라고 가정하면, 수식 6의 적분은
Figure pct00007
이고, 여기서 변수 l은 이전에 정의된 대로이다. W0 값은 입력한 도파관 폭이다.
도 7은 상이한 교차 각θC에서 z의 함수로서의 W의 도면(plot)이며, 여기서 λ=0.83㎛, θC=0.5, neff=1.5, 그리고 W0=1㎛이다. θC=0도인 곡선은 수식 3에 따라 포물선이 그려지며, θC=0.5도, 1도 및 1.5도에 대한 곡선은 수식 7에 기초해 그려진다. 도 7은 두 개의 코어 축이 평행하게 정렬될 때보다 광이 각도(즉, θC≠0)를 갖고 시작될 때, 더 느린 폭 기울기를 갖는 테이퍼(즉, 더 점진적인 폭 변화)가 필요함을 나타낸다. 다시 말해, 입력 각 θC가 클수록, 느린 테이퍼가 요구된다.
도 8은 α의 상이한 값에서 z의 함수로서의 W의 도면이며, 여기서 λ=0.83㎛, θC=0.5, neff=1.5, 그리고 W0=1㎛이다. 작은 α값은 회절되는 수식 4에 따른 효과적인 파장이 더 짭아지는 것을 의미한다. 더 짧은 파장은 최하위 모드의 더 큰 광 각도를 갖기 때문에, 결합 영역을 통해 단열 전파하기 위해 더 점진적인 테이퍼가 필요하 것이다.
도 9는 장치의 일 실시 예에서 PIC 도파관 및 전체 광섬유, 섬유에 의해 안내된 시뮬레이션된 광학적 힘을 도시한다. 광섬유는 전력의 1/e^2까지 4.3um X 4.3um 모드 필드를 가지며, 출력 PIC 도파관용 모드 필드는 0.1um X 4.3um의 모드 필드를 갖는다. 코어-노출된 섬유는 수식 7에 의해 설명된 형상을 갖는 PIC 도파관 테이퍼의 상부 위에 놓인다. 섬유와 PIC 도파관 사이의 고효유 결합을 보장하기 위해, 섬유 축은 PIC 도파관의 대칭축에 0.25도 각도로 테이퍼 섹션을 가로질러 놓인다. 도면 표시 900은 x-z 뷰에서 광학 필드의 등고선 플롯을 도시한다. 명암 영역 901은 명암의 기준점을 식별하는 참조 번호 902, 904, 906, 908, 910 및 912를 갖는 도면 표시 900에서의 명암을 정의한다.
플롯 903은 입력 전력에 정규화된, 광의 백분율의 결과를 도시한다. 선 920은 섬유 코어에서 부분 전력 전파이고, 선 922는 PIC 도파관 코어에서 안내된 부분 전력을 나타내며, 선 924는 전체 전력을 나타낸다. 이 실시 예에서 섬유 도파관으로부터 PIC 도파관으로의 결합 효율은 98%이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 결합 효율은 작동 자유 공간 파장에 약하게 의존한다. 도 10에서 작동 파장은 790~850nm 범위이다. 이 파장 대역폭에서, 결합 효율, 또는 정규화된 안내 광학 전력은 0.98보다 높다. 도 11은 결합 효율을 90% 이상으로 유지하기 위한 테이퍼 위에 위치한 섬유의 정렬 공차가 대략 0.8mm인 것을 보여준다. 이러한 위치 정확도는 표준 마이크로제조 기술로 달성될 수 있다.
낮은 결합 손실을 유지하기 위한 다른 중요한 요구사항은 섬유 평판 표면이 PIC 도파관의 상단 표면에 매우 가깝게 중첩될 필요가 있다는 것이다. 이 실시 예에서 90% 이상의 결합 효율을 달성하기 위해 필요한 갭은 0.2㎛ 이하이고, 이는 예를 들어, 평평한 부분이 미세하게 가공되지 않았거나, 또는 본딩 접착제의 표면 장력으로부터의 반력을 극복하기 위해 섬유에 충분한 가압력을 제공하지 않았을 가능성과 같은 여러가지 이유로 인식하기 어렵다. 일 실시 예에서, 도 12에 나타난 바와 같이, 섬유 코어의 일부 또한 제거되도록, 정합 섬유의 클래딩 재료가 과도하게 제거될 수 있다. 이 유형의 오버 에칭된 섬유를 평면 내 테이퍼형 도파관의 오버레이로 사용하면, 도 13에 도시된 바와 같이, 섬유 평면과 PIC 도파관 사이에 2.2마이크론의 갭이 있다면 결합 효율은 여전히 90% 보다 크다.
여기에 광섬유 코어를 노출시키기 위한 다른 방법들이 있다. 한가지 기술은 실리콘 V자 홈에 섬유를 매립하고 기계적으로 그것들을 연마함으로써 만들어진 측면 연마 섬유이다(예를 들어, Shiao-Min Tseng 및 Chin-Lin Chen, "측 광택 섬유", Appl.Opt.31, 3438-3447 (1992); R.A. Bergh et al. 광섬유 회전 센서 및 관련 기술의 "단일 모드 광섬유 구성 요소", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1980, eds. S Ezekiel and H.J.Arditty. pp.136-143 참조). 이 기술은 광섬유에서 유도된 광을 조작해 광학 센서 프로토 타입을 제작하는데 널리 사용되었다.
다른 기술은 D자형 섬유를 뽑아내는 것이다. 그 과정은 D형으로 만들어진 예비 성형물로 시작되었다(예를 들어, 특수 광섬유 핸드북에서 T.D.Monte, L.Wang and R.Dyott의"타원형 코어 및 D형 섬유", Amsterdam Boston Heidelberg London, eds. A. Mendez and T. F. Morse, pp.513-554 참조). 예비 성형물의 표준 제조가 끝난 후, 원형 예비 성형물을 연마하여 예비 성형물의 한쪽면에서 산화 규소를 제거하고, 예비 성형물의 단면 프로파일은 D 형이다. 표면에 의한 추가적인 광학 감쇠가 발생되지 않도록 접지된 예비 성형물의 평탄 표면은 도파관 코어로부터 충분한 거리로 유지된다. 그런 다음 D형 섬유 예비 성형물은 크기가 단일 모드 섬유의 사이즈로 줄인다. 유도된 광의 소멸 파장에 접근하기 위해, D형 섬유의 단면은 더 노출되어야만 한다. 광은 섬유의 이단으로부터 시작되고 출력 전력은 다른 단부에서 모니터링되도록, 클래딩의 미세한 제거를 위한 과정은 일반적으로 적극적으로 수행된다. 클래딩 제거의 정도는 출력 전력 측정에 의해 현장에서 모니터링된다.
기계적인 연마, 엑시머 레이저 제거, 및 초고속 레이저 마이크로 드리링과 같은 클래딩 제거를 위한 다른 기술들이 있다. 일 실시 예에서, D형 섬유는 유리 에칭 크림, 불화수소산 및 완충 불화 수소와 같은 화학 물질에 의해 원하는 코어 노출까지 화학적으로 에칭된다. 섬유 광학 편광자, 2X2 융합 광섬유 커플러 및 위상 변조기는 이러한 유형의 광섬유에서 입증되었다(Liming Wang and Thomas D. Monte, "전기 광학 폴리머 클래딩 편광 유지 광학 광섬유의 위상 변조", Optics Letters, 33, pp.1078-1080 (2008) 참조).
예시적인 실시 예에서, 결합 영역의 세부 사항은 도 14에 도시되며, 도 14는 D형 섬유(100)가 여전히 PIC 표면(1406)의 위로부터 분리되어 있는 결합 영역(1402)을 도시한다. 바닥이 평평한 채널은 PIC 도파관의 상부 크래딩 레이어 상에 제조될 수 있고, 따라서 평면 도파관의 단부에 테이퍼된 코어의 상단 표면은 노출된다. D형 섬유의 평탄 표면이 PIC 도파관의 상단 표면에 밀착되도록, 채널은 섬유를 채널 내부에 단단히 고정시킬 수 있는 폭으로 만들어질 수 있다. 기 설정된 굴절율을 갖는 광학적으로 투명한 접착제는 두 개의 표면 사이에 제공될 수 있고, 접착제는 섬유를 제자리에 유지하고, 두 개의 도파관 사이에 매끄러운 굴절율 전이를 제공한다. 채널은 도파관 제조 공정과 함께 제조될 수 있기 때문에, 코어 노출 광섬유의 PIC 면내 위치(x 및 z 위치) 정확도는 마이크로제조의 정확도에 의해 제한된다. 전술한 바와 같이, 일 실시 예에서 채널은 PIC 도파관의 대칭축에 대해 PIC 평면에 기 설정된 각도로 설치될 수 있다. 이것은 섬유 도파관과 PIC 도파관의 교차점을 보장하고, 섬유 면내 위치 오차의 허용 오차를 크게 완화시킨다. 광섬유의 평탄 표면이 채널의 바닥 표면과 접촉하기 때문에, 광섬유의 면 외 위치(y 위치) 또한 정의될 수 있다. y 위치의 정확도는 채널의 깊이와 D형 광섬유의 평평한 코어 거리에 대한 정밀도에 의해 결정된다. 도 14B에 나타낸 바와 같이, 두 표면 사이의 긴밀한 접촉을 보장하기 위해 균일한 압력이 D형 광섬유의 둥근면에 적용되는 것이 바람직하다. 압력은 PIC 상단 표면과 (도면에 도시하지 않은) 섬유의 둥근면의 상부에 플레이트의 하부 표면 사이의 접착력에 의해 공급될 수 있다.
일부 응용에서, 광섬유 자이로 스코프와 같이, 선형 편광이 광학 시스템에서 유지되는 것이 요구된다. 일 실시 예에서, 동작 편광의 방향은 PIC 평면에 있다. 각각의 복굴절 도파관 설계에 의해 편광 방향이 PIC 및 광섬유 도파관 양쪽 모두에 유지될 수 있기 때문에, 결합 영역에서 편광 정렬 정확도는 편광 유지 섬유의 편광 축으 갖는 D형 광섬유의 평탄 표면 정열의 정확도에 주로 의지한다. D형 광섬유의 습식 에칭, 또는 레이저 제거, 또는 레이저 마이크로 드릴링, 또는 PM 섬유의 기계적 연마 등에 의한 예비성형물 접지와 같은 적절한 방법을 사용함으로써, 광섬유의 측면 클래딩의 제거는 광섬유 축에 대한 정확한 평탄 표면 정렬을 달성하기 위해 사전 교정되고 제어된 조건에서 수행될 수 있다.
설명된 과정 및 장치는 6 자유도 모두에서 광섬유와 광자 집적 도파관 간의 자기 정렬을 용이하게 한다; 광섬유의 2차원(2D) 면내 위치 및 2D 경사각은 미세 가공된 채널에 의해 정의되는 반면, 광섬유의 1차원(1D) 면외 위치 및 1D 편광 각도는 광섬유 평탄 정확도에 의해 결정된다. 또한, 테이퍼된 PIC 도파관 단부와 면내 각진 채널은 위에서 언급된 처음 5차원을 변환 및 각도 오정렬로 인한 에러에 매우 민감하지 않게 만든다. 이러한 모든 장점은 수동 정렬을 용이하게 한다. 결합 공정은 높은 처리량을 갖도록 자동화될 수 있다.
종래 기술의 구현에서, 섬유를 광학 평면 도파관에 높은 결합 효율로 연결하기 위해, 엔드-파이어 결합 방법이 가장 효율적인 기술로 입증되었다. 고효율 결합의 중요한 조건은 두 개의 도파관의 모드 필드를 일치시키는 것이다. 이는 PIC 도파관의 단부에 모드 스팟 컨버터를 제조하거나, 또는 광섬유로부터 출력되는 광의 프로파일을 조작함으로써 정기적으로 달성된다. 이것은 렌즈식 광섬유 팁을 미세 가공하거나, 또는 외부의 초점 렌즈를 추가함으로써 완료된다. 비록 효율이 몇몇 케이스에서 극적으로 개선될 수 있지만, 결합 효율은 정려 오차에 매우 민감하다. 위치 정확도는 서브 마이크로 미터 정도이며, 이를 달성하기 위해 세심한 능동 정렬이 요구된다. 만약 모드-스팟 컨버터나 렌즈를 사용하지 않으면, 결합 효율이 종종 매우 낮아진다. 예를 들어, 도 9에서 동이한 섬유와 도파관 구조가 엔드-파이어 결합을 사용해 연결되고, 컨버터 또는 포커스 렌즈가 없다면, 최대 결합 효율은 일반적으로 약 39%에 불과하다.
예시적인 실시 예들이 특히 도시되고 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구 범위에 의해 포함된 실시 예들의 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
100: 광섬유 102: 평탄 표면
104: 글래스 코어 106: 글래스 클래딩
202: 도파관 코어 204: 상단 표면
502: 테이퍼 섹션 1402: 결합 영역
1404: D형 섬유 1406: PIC 표면

Claims (32)

  1. 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유로서, 입력 섬유가 클래딩 및 코어를 가지며, 입력 섬유의 일측 상의 클래딩이 입력 섬유의 단부에서 제거됨으로써 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면을 생성하고, 평탄 표면이 섬유 코어가 노출되도록 하기 위해 섬유의 코어에 근접하도록 구성되는 입력 섬유;
    광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관으로서, 타겟 PIC 도파관이 평면이고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 갖는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관;
    타겟 PIC 도파관의 상부 표면이 노출되도록, 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제조되는 바닥이 평평한 채널;
    입력 섬유의 코어 및 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬로 인접하도록 하기 위해 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성된 입력 섬유의 평탄 표면;
    입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션;
    하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광의 결합을 위한 제2 트랜지션; 및
    PIC 도파관의 평면 내 길이 방향에서 제1 트랜지션과 제2 트랜지션 사이에 있도록 구성되는 결합 영역을 포함하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 갖는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관은 실리콘 질화물이고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물인 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관은 복굴절성인 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    입력 섬유는 분극 유지 섬유인 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    입력 섬유의 코어의 일부분은 결합 영역 내에서 제거되는 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 트랜지션은 타겟 PIC 도파관의 시작단이고, 제2 트랜지션은 입력 섬유의 끝부분인 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유의 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖는 광학 장치.
  9. 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유로서, 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가지며, 입력 섬유의 일측 상의 클래딩이 입력 섬유의 단부에서 제거됨으로써 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면을 생성하고, 평탄 표면이 섬유 코어가 노출되도록 섬유의 코어에 근접하도록 구성되는 입력 섬유;
    광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관으로서, 타겟 PIC 도파관이 평면이고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 가지며, 타겟 PIC 도파관 코어의 폭이 코어의 길이를 따라 점진적으로 좁아지도록 구성되고, 면내 테이퍼를 형성하기 위해 중심축에 대해 대칭적으로 구성되는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관;
    타겟 PIC 도파관의 상부 표면이 노출되도록, 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제조되는 바닥이 평평한 채널;
    입력 섬유의 코어 및 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬로 인접하도록 하기 위해 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성된 입력 섬유의 평탄 표면;
    입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션;
    하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광의 결합을 위한 제2 트랜지션; 및
    PIC 도파관의 평면 내 길이 방향에서 제1 트랜지션과 제2 트랜지션 사이에 있도록 구성되는 결합 영역을 포함하는 광학 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 갖는 광학 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관은 실리콘 질화물이고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물인 광학 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관은 복굴절성인 광학 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    입력 섬유는 분극 유지 섬유인 광학 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    입력 섬유의 코어의 일부분은 결합 영역 내에서 제거되는 광학 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    제1 트랜지션은 타겟 PIC 도파관의 시작단이고, 제2 트랜지션은 입력 섬유의 끝부분인 광학 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유의 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖는 광학 장치.
  17. 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유로서, 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가지며, 입력 섬유의 일측 상의 클래딩이 입력 섬유의 단부에서 제거됨으로써 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면을 생성하고, 평탄 표면이 섬유 코어가 노출되도록 섬유의 코어에 근접하도록 구성되는 입력 섬유;
    광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관으로서, 타겟 PIC 도파관이 평면이고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 갖는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관;
    타겟 PIC 도파관의 상부 표면이 노출되도록, 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제조되는 바닥이 평평한 채널로서, 바닥이 평평한 채널은 PIC 도파관의 대칭 축에 대해 면내 각도를 갖는 바닥이 평평한 채널;
    입력 섬유의 코어 및 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬로 인접하도록 하기 위해 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성된 입력 섬유의 평탄 표면;
    입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션;
    하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광의 결합을 위한 제2 트랜지션; 및
    PIC 도파관의 평면 내 길이 방향에서 제1 트랜지션과 제2 트랜지션 사이에 있도록 구성되는 결합 영역을 포함하는 광학 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 갖는 광학 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관은 실리콘 질화물이고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물인 광학 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관은 복굴절성인 광학 장치.
  21. 제17항에 있어서,
    입력 섬유는 분극 유지 섬유인 광학 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    입력 섬유의 코어의 일부분은 결합 영역 내에서 제거되는 광학 장치.
  23. 제17항에 있어서,
    제1 트랜지션은 하이브리드 도파관의 전방 단부이고, 제2 트랜지션은 하이브리드 도파관의 후방 단부인 광학 장치.
  24. 제17항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유의 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖는 광학 장치.
  25. 광 입력을 제공하도록 구성된 입력 섬유로서, 입력 섬유는 클래딩 및 코어를 가지며, 입력 섬유의 일측 상의 클래딩이 입력 섬유의 단부에서 제거됨으로써 기 설정된 거리 동안 입력 섬유를 따라 평탄 표면을 생성하고, 평탄 표면이 섬유 코어가 노출되도록 섬유의 코어에 근접하도록 구성되는 입력 섬유;
    광 입력을 수신하도록 구성된 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관으로서, 타겟 PIC 도파관이 평면이고, 탑 클래딩 레이어 및 코어를 가지며, 타겟 PIC 도파관 코어의 폭이 코어의 길이를 따라 점진적으로 좁아지도록 구성되고, 면내 테이퍼를 형성하기 위해 중심축에 대해 대칭적으로 구성되는 타겟 광자 집적 회로(PIC) 도파관;
    타겟 PIC 도파관의 상부 표면이 노출되도록, 결합 영역에서 타겟 PIC 도파관의 탑 클래딩 레이어 상에 제조되는 바닥이 평평한 채널;
    입력 섬유의 코어 및 타겟 PIC 도파관의 코어가 하이브리드 도파관을 형성하도록 결합 영역에서 서로 병렬로 인접하도록 하기 위해 타겟 PIC 도파관의 상단 표면에 접촉하도록 구성된 입력 섬유의 평탄 표면;
    입력 섬유로부터 하이브리드 도파관으로의 광의 결합을 위한 제1 트랜지션;
    하이브리드 도파관으로부터 타겟 PIC 도파관으로의 광의 결합을 위한 제2 트랜지션; 및
    PIC 도파관의 평면 내 길이 방향에서 제1 트랜지션과 제2 트랜지션 사이에 있도록 구성되는 결합 영역을 포함하는 광학 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유 코어의 굴절율 보다 높은 굴절율을 갖는 광학 장치.
  27. 제25항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관은 실리콘 질화물이고, 타겟 PIC 도파관의 클래딩은 실리콘 산화물인 광학 장치.
  28. 제25항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관은 복굴절성인 광학 장치.
  29. 제25항에 있어서,
    입력 섬유는 분극 유지 섬유인 광학 장치.
  30. 제25항에 있어서,
    입력 섬유의 코어의 일부분은 결합 영역 내에서 제거되는 광학 장치.
  31. 제25항에 있어서,
    제1 트랜지션은 타겟 PIC 도파관의 테이퍼의 시작단이고, 제2 트랜지션은 입력 섬유의 끝부분인 광학 장치.
  32. 제25항에 있어서,
    타겟 PIC 도파관의 코어는 입력 섬유의 코어의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 갖는 광학 장치.
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