KR20240008360A - 표면 도파관의 열 기반 및 응력 기반 위상 조정을 위한 집적 광학 기반의 복합 위상 제어기 - Google Patents

표면 도파관의 열 기반 및 응력 기반 위상 조정을 위한 집적 광학 기반의 복합 위상 제어기 Download PDF

Info

Publication number
KR20240008360A
KR20240008360A KR1020237043278A KR20237043278A KR20240008360A KR 20240008360 A KR20240008360 A KR 20240008360A KR 1020237043278 A KR1020237043278 A KR 1020237043278A KR 20237043278 A KR20237043278 A KR 20237043278A KR 20240008360 A KR20240008360 A KR 20240008360A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase controller
waveguide
controller
phase
disposed
Prior art date
Application number
KR1020237043278A
Other languages
English (en)
Inventor
로날드 데커
뤼트 미히엘 올덴뵈빙
디미트리 게스쿠스
르네 게리트 하이드만
Original Assignee
라이오닉스 인터내셔널 비브이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 라이오닉스 인터내셔널 비브이 filed Critical 라이오닉스 인터내셔널 비브이
Publication of KR20240008360A publication Critical patent/KR20240008360A/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0128—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0147—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on thermo-optic effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0128—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects
    • G02F1/0131—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects based on photo-elastic effects, e.g. mechanically induced birefringence
    • G02F1/0134—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects based on photo-elastic effects, e.g. mechanically induced birefringence in optical waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/212—Mach-Zehnder type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

본 발명은 각각 표면 도파관을 통해 이동하는 광 신호의 위상에, 또는 다른 전파 특성에 영향을 주도록 구성되는 적어도 하나의 열 광학(TO) 위상 제어기 및 적어도 하나의 광 응력(SO) 위상 제어기를 포함하는, 집적 광학 기반 복합 위상 제어기에 관한 것이다. SO 위상 제어기는 작은 위상 변화를 빠르게 유도할 수 있는 반면, TO 위상 제어기는 더 큰 위상 변화를 천천히 유도할 수 있다. 실시예는 링 공진기, 스펙트럼 필터 등과 같은 도파관 기반 공진 소자에 사용하기에 특히 적합하다. 또한 LiDAR, 화학/생물학적 감지, 의료 진단 및 광 통신과 같은 응용 분야를 위한 파장 조정 가능 레이저와 같은, 하나 이상의 복합 위상 제어기를 포함하는 광자 시스템을 개발할 수 있다.

Description

표면 도파관의 열 기반 및 응력 기반 위상 조정을 위한 집적 광학 기반의 복합 위상 제어기
본 발명은 일반적으로 집적 광학에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 표면 도파관에서 전파되는 광 신호의 위상, 전파 속도 등과 같은 전파 특성을 제어하기 위한 위상 제어기에 관한 것이다.
본 사건은 2021년 5월 17일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 제63/189,538호(변리사 사건번호: 142-042PR1) 및 2021년 11월 18일에 출원된 제63/280,877호(변호사 사건번호: 142-043PR2)에 대해 우선권을 주장하며, 각 사건은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 참조로 통합된 하나 이상의 사건과 본 명세서 간에 본 사건 청구범위의 해석에 영향을 미칠 수 있는 모순 또는 불일치가 있는 경우, 본 사건의 청구범위는 본 사건의 언어와 일치하는 것으로 해석되어야 한다.
PLC(평면 광파 회로, Planar Lightwave Circuit)는 기판의 표면에 배치된 하나 이상의 집적 광학 기반 도파관으로 구성된 광학 시스템으로서, 일반적으로 도파관이 결합되어 복잡한 광학 기능을 제공한다. 이러한 "표면 도파관"은 일반적으로 첫 번째 재료의 코어(core)를 포함하고, 이러한 첫 번째 재료의 코어는 첫 번째 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 두 번째 재료로 둘러싸인다. 재료들 사이의 인터페이스에서의 굴절률의 변화는 코어를 통해 전파되는 광의 반사를 가능하게 하여, 표면 도파관의 길이를 따라 광을 유도하게 된다.
PLC 기반 장치 및 시스템은 광통신 시스템, 센서 플랫폼, 고체 프로젝션 시스템 등 많은 응용 분야에 큰 영향을 미쳤다. 표면 도파관 기술은, 시스템을 통해 전파되는 복수의 광 신호에 대한 기능 제어를 제공할 수 있는 작고 안정적인 광 회로 부품을 위한, 이러한 시스템들에 대한 요구를 충족한다. 간단한 장치(예를 들어, 1x2 및 2x2 광 스위치, 마하-젠더 간섭계 기반 센서 등)부터 다수의 표면 도파관 소자와 많은 입력 및 출력 포트가 있는 보다 복잡한 매트릭스 기반 시스템(예를 들어, 파장 애드-드롭 멀티플렉서, 교차 연결, 파장 결합기 등)을 예로 들 수 있다.
이러한 많은 시스템에는 스위칭 소자가 필요하다는 공통점이 있다. 역사적으로 PLC에 사용하기에 적합한 가장 일반적인 스위칭 소자는 TO(열 광학, thermo-optic) 위상 제어기로 알려진 장치를 기반으로 한다. TO 위상 제어기는 표면 도파관의 상부 클래딩(cladding) 상단에 배치된 박막 히터를 포함함으로써, 굴절률(즉, 재료에서의 광의 속도)이 온도에 따라 달라진다는 사실(열 광학 효과라고 함)을 활용한다. 히터를 통과하는 전류는 클래딩과 코어 재료로 전파되는 열을 발생시켜, 온도를 변화시키고 결과적으로 굴절률을 변화시킨다. TO 위상 제어기는 2π보다 더 큰 유도 위상 변화를 입증했다.
광학 스위칭 소자를 형성하기 위해, 일반적으로 MZI(마하-젠더 간섭계, Mach-Zehnder Interferometer)와 같은 표면 도파관 소자에 TO 위상 제어기가 포함된다. MZI 스위치 배열에서 입력 광 신호는 두 개의 동일한 부분으로 분할되어 한 쌍의 실질적으로 동일한 경로(즉, 아암(arm))를 따라 접합부로 전파된 다음 출력 신호로서 재결합된다. 아암 중 하나에는 해당 아암의 광 위상을 제어하는 TO 위상 제어기가 통합되어 있다. 아암의 광 신호 부분 사이에 위상차(phase difference) π를 부여하면 두 신호가 재결합될 때 파괴적인 간섭을 일으켜 서로 상쇄되어 제로 전력 출력 신호가 생성된다. 광 신호 부분 간의 위상차가 0(또는 n*2π, 여기서 n은 정수)이면, 두 신호가 건설적으로 재결합되어 최대 전력 출력 신호가 생성된다.
안타깝게도 도파관 재료는 일반적으로 열 전도성 계수가 낮기 때문에 TO 위상 제어기는 많은 응용 분야에서 너무 느리다. 그 결과 표면 도파관 구조를 가열하거나 냉각하는 데 필요한 시간이 매우 길어질 수 있다(예를 들어, 유리 기반 도파관의 경우 250마이크로초).
최근에는 표면 도파관 구조에 배치된 압전 소자를 통합하여 광 탄성 효과(photo-elastic effect)를 활용하는 광 응력 위상 조정 기능이 입증되었다. 이러한 SO(광 응력, stress-optic) 위상 제어기의 예는, 예를 들어 미국 특허 제9,221,074호 및 제9,764,352호에 개시되어 있으며, 각 특허는 본 문서에 참조로 통합되어 있다.
SO 위상 제어기는 마이크로초(또는 나노초) 내에 광 신호에 2π 위상 변이를 유도할 수 있지만, TO 위상 제어기보다 더 높은 전압이 필요하고 표면 도파관에서 응력이 유도되는 상호 작용 길이가 훨씬 더 길어야 한다. 예를 들어, TO 위상 제어기가 2π 위상 변이를 유도하는 데 약 1mm의 상호 작용 길이가 필요한 반면, 유사한 SO 위상 제어기에 필요한 상호 작용 길이는 TO 위상 제어기의 21배인 2.1cm에 달할 수 있다.
표면 도파관에서 전파되는 광 신호의 위상 제어를 위한 빠르고 공간 효율적인 접근 방식에 대한 필요성은 아직까지 종래 기술에서 충족되지 않고 있다.
본 발명은 집적 광학 기반 도파관을 통해 전파되는 광 신호의 위상을 제어하기 위한 장치에 관한 것으로서, 이러한 제어기는 빠른 미세 조정 메커니즘과 느리고 거친 조정 메커니즘의 두 가지 제어 메커니즘을 갖는다. 본 발명에 따른 실시예는 특히 라이다, 광학 센서, 광 통신 시스템, 의료 진단 시스템 등과 같은 응용 분야에 사용하기에 적합하다.
본 발명은, 기판 상에 배치된 집적 광학 기반 도파관과 각각 동작 가능하게 결합된 SO(광 응력) 위상 제어기와 TO(열 광학) 위상 제어기를 결합함으로써 종래 기술에 비해 진보성을 제공하며, 각 위상 제어기는 도파관을 통해 전파되는 광 신호의 위상에 영향을 미치기 위해 동작한다. TO 위상 제어기는 넓은 위상 레인지에서 위상을 느리게 조정하는 반면, SO 위상 제어기는 동시에 더 작은 위상 레인지에서 빠른 조정을 제공한다.
예시적인 실시예는 평면 상부 표면을 갖는 도파관, 도파관 상에 배치된 SO 위상 제어기 및 SO 위상 제어기 상에 배치된 TO 위상 제어기를 포함하는 복합 위상 제어기이다.
SO 위상 제어기는 한 쌍의 전극 및 전극 사이에 위치한 압전 소자를 포함한다. 전극에 구동 신호가 가해지면 SO 위상 제어기는 도파관 재료에 상당한 응력을 가하여 도파관 재료의 굴절률을 변화시킨다. 굴절률 변화는 도파관의 전파 특성과 도파관을 통해 전파되는 광 신호의 위상을 변화시킨다. 응력을 빠르게 유도할 수 있기 때문에 위상 변화도 매우 빠르게 실현할 수 있다. 그러나, 유도할 수 있는 응력의 양이 제한되어 있기 때문에 쉽게 유도할 수 있는 위상 변화의 양 또한 제한되어 있다.
TO 위상 제어기에는 도파관과 열적으로 결합된 옴(ohmic) 히터가 포함되어 있다. 히터를 통해 구동 전류를 인가하면 도파관 재료의 온도가 변화하여 도파관 재료의 굴절률이 변화한다. 굴절률 변화는 도파관의 전파 특성과 도파관을 통해 전파되는 광 신호의 위상에 영향을 미친다. 도파관에 큰 온도 변화를 유도할 수 있기 때문에 큰 위상 변화를 구현할 수 있다. 그러나 일반적인 도파관 재료는 열전도율이 낮기 때문에 이러한 위상 변화는 천천히만 실현될 수 있다.
히터와 압전 액추에이터(piezoelectric actuator)는 그 사이에 위치한 유전층에 의해 전기적으로 절연되어 있다.
일부 실시예에서, 히터는 링 공진기(ring resonator)와 압전 액추에이터 사이에 있다.
일부 실시예에서, 각각의 링 공진기 구조는 히터 및 압전 액추에이터가 실질적으로 동일한 평면에 위치하도록 구성되며, 여기서 히터는 링 원주의 제1 부분 상에(또는 근처에) 존재하고, 압전 액추에이터는 링 원주의 제2 부분 상에(또는 근처에) 배치된다. 이러한 일부 실시예에서, 위상 제어기는 서로 측면으로 변위되어 SO 및 TO 위상 제어기 중 하나가 다른 위상 제어기 내에 적어도 부분적으로 "포개져 배치"되고, 두 위상 제어기가 공진 소자와 동작적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 전극은 SO 위상 제어기와 TO 위상 제어기 간에 공유된다.
일부 실시예에서, 도파관은 링 공진기와 같은 공진 소자에 포함된다. 결과적으로, 복합 위상 제어기는 공진 소자의 스펙트럼 응답(spectral response)을 제어하는 데 사용될 수 있다.
복합 위상 제어기를 포함하는 예시적인 시스템 실시예는 LiDAR 시스템에 사용하기에 적합한 하이브리드 튜너블 레이저이다. 이 튜너블 레이저는 도파관 미러를 포함하는 PLC 칩과의 하이브리드 통합을 통해 광학적으로 결합된 이득 칩(gain chip)을 포함한다. 도파관 미러에는 각각 다른 복합 위상 제어기에 포함된 한 쌍의 링 공진기로 구성된 집적 광학 기반 버니어(Vernier) 필터가 포함되어 있다. 튜너블 레이저의 이득 공동(gain cavity)은 이득 칩의 연마된 패싯(facet)을 포함하는 제1 미러와 PLC의 버니어 필터 기반 도파관 미러에 의해 정의된다. 레이저의 파장은 복합 위상 제어기에 적절한 구동 신호를 제공함으로써 버니어 필터의 자유 스펙트럼 레인지(free-spectral range) 전체에 걸쳐 조정할 수 있다.
또 다른 예시적인 시스템 실시예는 아암 중 하나에 복합 위상 제어기를 포함하는 마하-젠더 간섭계를 기반으로 하는 광학 스위치/가변 광학 감쇠기이다.
본 발명에 따른 실시예는, 기판 상에 배치된 제1 도파관; 제1 도파관 상에 배치되고 제1 도파관의 제1 응력을 제어하도록 구성된 제1 광 응력(SO) 위상 제어기 - 제1 SO 위상 제어기는, 제1 전극 쌍 사이에 배치된 제1 압전 소자를 포함함 - ; 및 제1 도파관 상에 배치되고 제1 도파관의 제1 온도를 제어하도록 구성된 제1 열 광학(TO) 위상 제어기;를 포함하는 복합 위상 제어기를 포함하는 장치이다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예는, 제1 복합 위상 제어기 - 제1 복합 위상 제어기는, 기판 상에 배치된 제1 도파관, 제1 도파관 상에 배치되고 제1 도파관의 제1 응력을 제어하도록 구성된 제1 광 응력(SO) 위상 제어기 - 제1 SO 위상 제어기는, 제1 전극 쌍 사이에 배치된 제1 압전 소자를 포함함 - , 및 제1 도파관 상에 배치되고 제1 도파관의 제1 온도를 제어하도록 구성된 제1 열 광학(TO) 위상 제어기를 포함함 - 를 제공하는 단계; 제1 광 신호를 제1 도파관으로 광학적으로 결합하는 단계; 및 제1 도파관 내의 제1 광 신호의 전파 특성을 제어하도록 제1 SO 위상 제어기 및 제1 TO 위상 제어기 중 적어도 하나를 제어하는 단계;를 포함하는 방법이다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 위상 제어기의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 위상 제어기를 형성하는 데 적합한 예시적인 방법의 동작을 도시한 도면이다.
도 3a는 상부 클래딩(114) 상에 SO 위상 제어기(104)가 형성된 후의 초기 복합 위상 제어기(100')의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3b는 유전층(120) 상에 TO 위상 제어기(106)가 형성된 후의 초기 복합 위상 제어기(100')의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3c는 접점(124A 내지 124D)이 형성된 후의 완성된 복합 위상 제어기(100)의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 대안적 복합 위상 제어기의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명에 따른 제2 대안적 복합 위상 제어기의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명에 따른 실질적으로 동일한 평면의 SO 및 TO 위상 제어기를 갖는 복합 위상 제어기의 두 번째 예시의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5c는 본 발명에 따른 실질적으로 동일한 평면의 SO 및 TO 위상 제어기를 갖는 복합 위상 제어기의 세 번째 예시의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제3 대안적 복합 위상 제어기의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 복합 위상 제어기를 포함하는 제1 예시적 시스템 실시예의 개략도를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 예시적인 복합 위상 제어기(714-i)의 분해도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 복합 위상 제어기를 포함하는 제2 예시적 시스템 실시예의 사시도를 개략적으로 도시한 도면이다.
첨부된 청구범위를 포함하여 본 명세서의 목적에 따라 다음 용어가 정의된다.
● "~상에 배치" 및 "~상에 형성"은 기본 재료 또는 레이어가 직접 물리적으로 접촉하여, 또는 하나 이상의 중간 레이어와 함께 "~상에 존재"하는 것으로 정의된다. 예를 들어, 어떤 재료가 "기판 상에 배치(또는 성장)"되었다고 설명되는 경우, 이는 (1) 재료가 기판과 밀접하게 접촉해 있거나, (2) 재료가 기판에 이미 존재하는 하나 이상의 레이어와 접촉하고 있음을 의미할 수 있다. 컨포멀 레이어(conformal layer)는 그것이 정합하는 구조체의 각 표면에 배치된 것으로 간주된다는 점에 유의해야 한다.
● "집적 광학 도파관", "표면 도파관" 및 "도파관"은 상호 교환적으로 사용되며,발명 기판의 표면에 형성된 하부 클래딩 층, 코어, 및 상부 클래딩 층을 포함하는 PLC 기반 도파관 구조를 의미하는 것으로 정의된다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 위상 제어기의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다. 위상 제어기(100)는 도파관(102), 광 응력(stress-optic) 위상 제어기(104) 및 열 광학(thermo-optic) 위상 제어기(106)를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 위상 제어기를 형성하는 데 적합한 예시적인 방법의 동작을 도시한다. 방법(200)은 도 1을 계속 참조하고, 도 3a 내지 3c를 참조하여 본 명세서에서 설명한다. 방법(200)은 도파관(102)이 제공되는 동작 201로 시작된다.
도파관(102)은 하부 클래딩(110), 코어(112), 및 상부 클래딩(114)을 포함하는 고지수 콘트라스트(high-index-contrast) 도파관으로, 모두 기본 기판(108)에 배치된다.
도시된 예에서, 도파관(102)은 코어(112)를 둘러싸는 이산화 규소의 상부 및 하부 클래딩 층을 포함하는 다층 코어 도파관(일반적으로 TriPleX WaveguideTM 이라고 함)이다. 코어(112)는 질화 규소의 하부 및 상부 층과 이산화 규소의 중앙 층을 포함하는 다층 코어로, 단일 광학 모드의 단일 모드 전파를 집합적으로 지원하도록 구성된다. 본 발명에 따라 사용하기에 적합한 다층 코어 도파관의 예는 미국 특허 제7,146,087호, 제7,142,317호, 제9,020,317호, 제9,221,074호 및 제9,764,352호에 설명되어 있으며, 각 특허는 본원에 참조로 통합되어 있다. 이러한 도파관 구조는 넓은 스펙트럼 레인지에 걸쳐 낮은 전파 손실을 가능하게 하고, 이를 통해 전파되는 모드 필드(mode field)의 형상을 제어하기 위해 1차원 또는 2차원으로 쉽게 테이퍼링될 수 있기 때문에 일부 실시예에서 선호된다. 그러나, 무수히 많은 대안적 도파관 유형들(예를 들어, 실리콘 상의 실리카, 단일 코어 도파관, 실리콘 도파관 등) 중 어느 것이라도 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 도파관(102)에 사용될 수 있다.
동작 202에서, 도파관(102)의 상부 클래딩 층의 상부 표면에 광 응력 위상 제어기(이하 SO 위상 제어기(104)라고 함)가 형성된다.
도 3a는 상부 클래딩(114) 상에 SO 위상 제어기(104)가 형성된 후의 초기 복합 위상 제어기(100')의 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
SO 위상 제어기(104)는 전극(116-1 및 116-2), 및 전극(116-1 및 116-2) 사이에 존재하는 압전 소자(118)를 포함한다.
전극(116-1 및 116-2) 각각은 접착층 및 고전도성 층을 포함하는 전기 전도성 구조이다. 도시된 예에서, 전극(116-1) 및 전극(116-2) 각각은 티타늄 및 백금을 포함하며, 그 결합 두께는 약 100nm이다.
압전 소자(118)는 약 2미크론 두께의 티탄산 지르콘산 연(PZT) 층이다. 일부 실시예에서, 압전 소자(118)는 상이한 압전 재료 및/또는 상이한 두께를 포함한다. 임의의 적합한 압전 재료 및/또는 두께가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 압전 소자(118)에 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
SO 위상 제어기(104)는 도파관(102)의 층들, 특히 코어(112)에 하나 이상의 응력장을 유도하여 코어의 굴절률 변화를 유도하도록 구성된다. 도파관(102)의 재료에 굴절률 변화를 부여함으로써, SO 위상 제어기(104)는 코어(112)를 통해 전파되는 광 신호의 위상 변화를 유도한다. 당업자가 본 명세서를 읽은 후에 알 수 있듯이, SO 위상 제어기(104)는 도파관 재료에 응력을 빠르게 유도할 수 있지만, 응력에 의한 굴절률 변화는 압전 소자의 단위 길이당 상대적으로 작다.
동작 203에서, 유전층(120)은 SO 위상 제어기(104)의 상부에 배치되도록 형성된다. 도시된 실시예에서, 유전층(120)은 전체 표면층을 형성하고 종래의 방식으로 패터닝함으로써 정의된다. 일부 실시예에서, 유전층(120)은 섀도 마스크를 통한 증착과 같은 직접 패터닝을 통해 형성된다. 유전층(120)을 정의하는 무수한 방법이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
유전층(120)은 일단 형성되면 열 광학 위상 제어기(106)(이하 TO 위상 제어기(106)라고 함)로부터 전극(116-1 및 116-2)을 전기적으로 절연하도록 구성된 전기 절연 재료의 층이다. 도시된 실시예에서, 유전층(120)은 이산화 규소를 포함하지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 임의의 적절한 전기 절연 재료가 유전층(120)에 사용될 수 있다.
동작 204에서, TO 위상 제어기(106)는 유전층(120) 상에 형성된다.
TO 위상 제어기(106)는 도파관(102) 상에 배치된 패턴화된 박막 금속 필름인 히터(122)를 포함하는 열 광학 위상 제어 소자이다. 도시된 예에서, 히터(122)는 약 100nm 두께의 백금 층이지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 임의의 적절한 재료 및/또는 두께가 히터(122)에 사용될 수 있다.
전류가 히터(122)를 통과할 때, 도파관(102)의 클래딩 및 코어 재료로 전파되는 열을 발생시켜 온도를 변화시키고, 열 광학 효과를 통해 재료의 굴절률 변화를 유도한다. 당업자가 본 명세서를 읽은 후에 알 수 있듯이, TO 위상 제어기(106)는 큰 굴절률 변화를 유도할 수 있지만, 일반적인 도파관 재료의 긴 열 시간 상수(thermal time constants)로 인해, 그러한 굴절률 변화는 상대적으로 느리게 발생한다.
도 3b는 유전층(120) 상에 TO 위상 제어기(106)가 형성된 후의 초기 복합 위상 제어기(100')의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
동작 205에서, 유전층(120)과 압전 소자(118)를 통해 비아(vias)가 형성되어 전극(116-1) 및 전극(116-2)이 노출된다.
동작 206에서, 전극(116-1 및 116-2) 및 히터(122) 상에 접점(124A 내지 124D)이 형성된다.
도 3c는 접점(124A 내지 124D)이 형성된 후의 완성된 복합 위상 제어기(100)의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도시된 실시예는 실질적으로 평면적인 상부 클래딩을 갖는 도파관을 포함하지만, 일부 실시예에서, 복합 위상 제어기는, 상부 클래딩이 적어도 SO 위상 제어기가 배치되는 돌출된 부분(예: 돌출부, 받침대, 리지 등)을 포함하는 도파관을 포함한다. 이러한 배열은 향상된 광 응력 효과를 발생시키는 동시에 수직 및 수평 방향에서 특정한, 제어된 응력 텐서를 유도하여 바이모달 굴절률(bimodal refringence)을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 대안적 복합 위상 제어기의 단면도를 개략적으로 도시한다. 복합 위상 제어기(400)는 표면 도파관(402), SO 위상 제어기(404) 및 TO 위상 제어기(406)를 포함한다.
도파관(402)은 도파관(102)과 유사하지만, 도파관(402)은 하부 클래딩(406), 코어(112), 및 상부 클래딩(408)으로 구성된다.
하부 클래딩(406)은 하부 클래딩의 필드 영역으로부터 위쪽으로 돌출된 받침대(410)를 포함한다.
코어(112)는 받침대(410)의 상부 표면에 위치한다.
상부 클래딩(408)은 받침대(410) 및 코어(112) 상에 배치된 컨포멀 레이어로서, 받침대, 코어, 및 상부 클래딩이 상부 클래딩의 필드 영역 위로 돌출되는 돌출부(412)를 집합적으로 정의한다.
위상 제어기(404)는 전극(414-1), 압전 소자(416) 및 전극(414-2) 각각이 돌출부의 상부 표면 및 측면에 존재하도록 돌출부(412) 상에 배치된다. 결과적으로, 제어 신호가 전극들에 인가될 때, 압전 소자(416)는 횡 방향 응력 및 수직 방향 응력을 모두 부여하는데, 여기서 수직 및 횡 방향 응력의 비율은 전극(414-1), 압전 소자(416) 및 전극(414-2) 중 적어도 일부와 돌출부(412)의 구성에 기초한다. 본 발명에 따라 사용하기에 적합한 SO 위상 제어기의 예는 미국 특허 제10,241,352호 및 제10,437,081호에 상세히 설명되어 있으며, 각 특허는 본원에 참조로 통합되어 있다.
유전층(418)은 유전층(120)과 유사하다.
히터(420)는 히터(122)와 유사하다.
유전층(418) 및 히터(420)는 SO 위상 제어기(404)의 상부 표면에 배치되어, 히터에 의해 생성된 열이 도파관(402)의 적어도 일부 층에 결합할 수 있도록 한다. 일부 실시예에서, 유전층(418) 및 히터(420) 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 돌출부(412)의 측면 아래로 연장된다.
위에서 설명한 각 복합 위상 제어기의 구성은 SO 위상 제어기 상에 배치된 TO 위상 제어기를 포함하지만, 이러한 위상 제어기가 형성되는 순서는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 역방향으로 변경될 수 있다. 즉, 일부 실시예에서, TO 위상 제어기(106 또는 406)는 기본 도파관 상에 직접 배치되고, 유전층(120 또는 418)은 TO 위상 제어기 상에 배치되고, SO 위상 제어기(104 또는 406)는 유전층 상에 배치된다.
또한, 일부 실시예에서, SO 및 TO 위상 제어기는 실질적으로 동일한 평면에 있고 서로로부터 측면으로 변위된다. 이러한 실시예들에서, 각 TO 및 SO 위상 제어기는, 각 위상 제어기가 도파관과 동작적으로 결합되도록 기본 도파관 상에, 또는 도파관 근처에 배치된다. 일부 실시예에서, TO 및 SO 위상 제어기 중 적어도 하나는 기본 도파관 상에 직접 배치되지 않고, 오히려 도파관으로부터 작은 거리만큼 측면으로 변위되어 TO 및 SO 위상 제어기가 "포개져 배치"된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, TO 위상 제어기는 도파관의 제1 부분(도파관의 임의의 부분부터 대략 전체까지) 상에 배치되고, SO 위상 제어기는 TO 위상 제어기의 원주 외부 및/또는 내부에 배치된다. 일부 실시예에서, SO 위상 제어기는 도파관의 제 1 부분(도파관의 임의의 부분부터 대략 전체까지) 상에 배치되고, TO 위상 제어기는 SO 위상 제어기의 원주 외부 및/또는 내부에 배치된다.
도 5a는 본 발명에 따른 실질적으로 동일한 평면의 SO 및 TO 위상 제어기를 갖는 복합 위상 제어기의 첫 번째 예시의 사시도를 개략적으로 도시한다. 복합 위상 제어기(500)는 표면 도파관(102), SO 위상 제어기(502) 및 TO 위상 제어기(504)를 포함한다.
SO 위상 제어기(502)는 SO 위상 제어기(104)와 유사하며, 위에서 설명한 압전 소자(118)와 유사한 압전 소자(506)를 포함한다.
TO 위상 제어기(504)는 TO 위상 제어기(106)와 유사하며, 히터(122)와 유사한 히터(508)를 포함한다.
도시된 예에서, 히터(508)는 압전 소자(506)가 위치하는 내부 영역을 포함하도록 구성되어 "포개져 배치된" 복합 위상 제어기를 형성한다.
또한, 복합 위상 제어기는 평면 도파관(즉, 도파관(102)) 상에 배치되기 때문에, SO 위상 제어기(502) 및 TO 위상 제어기(504)는 실질적으로 동일한 평면에 배치된다. 그러나, 포개져 배치된 위상 제어기가 평면 도파관이 아닌 도파관(예를 들어, 도파관(402)) 상에 형성되는 경우, 그 SO 및 TO 위상 제어기의 적어도 일부 부분은 비동일 평면(non-coplanar)일 수 있다.
비교적 작은 주파수 레인지에서 빠른 조정을 달성하려는 노력이 선행 기술에서 이루어졌다는 점에 유의해야 하며, 여기에는 참조로 통합된 "초저잡음 주파수 적응 광자 집적 레이저"(arXiv: 2102.02990v1)에 설명된 G. Lihachev 등이 설명한 것과 같은 선행 기술이 본 명세서에 통합되어 있다. 이 연구에서는 단일 파장(레이저 구조의 설계 및 제작에 의해 결정됨)을 갖는 DFB 다이오드 레이저를 압전 액추에이터를 포함하는 링 공진기와 결합했다. 압전 액추에이터 마이크로링 공진기(iezoelectric-actuated microring resonator)를 사용하여 DFB 레이저의 레이저 공동을 조정하면, 출력 파장을 설계 파장 주변에서 약간(즉, 매우 작은 파장 레인지에서) 조정할 수 있다. 링 공진기의 공진은 다이오드를 통과하는 전류를 변경하여 레이저 다이오드에 정렬되었다. 안타깝게도 이러한 접근 방식은 고정된 파장 주변에서 매우 좁은 레인지의 조정만 가능할 뿐 아니라 구현하기가 복잡하고 까다롭다.
대조적으로, 본 발명의 교시는 작은 주파수 레인지에서의 빠른 조정과 함께 열 광학 효과를 통해 넓은 주파수 레인지에서 거친 조정을 가능하게 하며, 이는 Lihachev 등이 제시한 작업과 관련된 많은 함정을 완화하거나 피하는 보다 간단한 방식으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예가 제공하는 이점에는 도파관 소자의 유효 경로 길이를 천천히 거칠게 조정하고 빠르게 미세 조정할 수 있는 기능이 포함된다. 이는 도파관 소자가 링 공진기 기반 스펙트럼 필터와 같은 공진 소자에 포함될 때 특히 유리하다. 이러한 이중 위상 조정 기능은 본 발명에 따른 복합 위상 제어기를 사용하는 시스템에 종래 기술에 비해 상당한 이점을 제공한다. 이러한 장점은 라이다, 화학 및 생물학적 감지, 광 통신 등과 같은 무수히 많은 응용 분야에서 향상된 성능을 가능하게 한다.
또한, 일부 실시예에서, SO 및 TO 위상 제어기는 실질적으로 동일한 평면에 있고 서로로부터 측면으로 변위된다. 이러한 실시예들에서, 각 TO 및 SO 위상 제어기는 각 위상 제어기가 도파관과 동작적으로 결합되도록 기본 도파관 상에, 또는 도파관 근처에 배치된다. 일부 실시예에서, TO 및 SO 위상 제어기 중 적어도 하나는 기본 도파관 상에 직접 배치되지 않고, 오히려 도파관으로부터 작은 거리만큼 측면으로 변위되어 TO 및 SO 위상 제어기가 "포개져 배치"된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, TO 위상 제어기는 도파관의 제1 부분(도파관의 임의의 부분부터 대략 전체까지) 상에 배치되고, SO 위상 제어기는 TO 위상 제어기의 원주 외부 및/또는 내부에 배치된다. 일부 실시예에서, SO 위상 제어기는 도파관의 제1 부분(도파관의 임의의 부분부터 대략 전체까지) 상에 배치되고, TO 위상 제어기는 SO 위상 제어기의 원주 외부 및/또는 내부에 배치된다.
도 5b는 본 발명에 따른 실질적으로 동일한 평면의 SO 및 TO 위상 제어기를 갖는 복합 위상 제어기의 두 번째 예시의 단면도를 개략으로 도시한다. 복합 위상 제어기(510)는 표면 도파관(102), SO 위상 제어기(512) 및 TO 위상 제어기(514)를 포함한다. SO 위상 제어기(512) 및 TO 위상 제어기(514)는 측면으로 변위되지만 도파관(102)의 축 방향을 따라 인접하도록 배열된다. 또한, SO 위상 제어기(512) 및 TO 위상 제어기(514)는 전극 및 본드 패드(bond pad)를 공유하도록 전기적으로 연결된다.
SO 위상 제어기(512)는 SO 위상 제어기(104)와 유사하며 압전 소자(516), 전극(116-1) 및 전극(520)을 포함한다. 본드 패드(124A) 및 본드 패드(522)는 각각 전극(116-1) 및 전극(520)과 전기적으로 결합된다. 본드 패드(522)는 본드 패드(124A 내지 124D) 각각과 유사하다.
전극(520)은 SO 위상 제어기 영역의 히터(518)에 배치된 전기 전도성 재료의 두꺼운 층이다. 그 결과, 전극(520)은 매우 낮은 저항을 갖는다. 도시된 예시에서, 전극(520)은 약 1 미크론 두께의 금 층을 포함하지만, 임의의 적절한 재료 및/또는 두께가 전극(520)에 사용될 수 있다.
TO 위상 제어기(514)는 TO 위상 제어기(106)와 유사하며, 본드 패드(124C)와 전극(520) 사이에 전기적으로 연결되는 히터(518)를 포함한다. 히터(518)는 히터(122)와 유사하며 압전 소자(516)의 상부 표면에 배치된다.
본드 패드(124C)와 본드 패드(522) 사이에 전압 차가 적용되면, 대부분의 전압 강하가 전극(520) 영역 외부의 히터(518) 내에서 발생하여, 히터를 통한 전류 흐름이 발생하고 도파관(102)으로 전도되는 열이 생성된다. 일반적으로, 본드 패드(522)는 접지에 전기적으로 연결되므로, 전극(520) 및 압전 소자(518)의 전체 표면도 일반적으로 접지 전위에 있다. 일부 실시예에서, 본드 패드(522)는 접지 전위 이외의 전압에 전기적으로 연결된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본드 패드(124A)와 본드 패드(522) 사이에 전압 전위가 인가되면 전극(116-1)과 전극(518) 사이에 존재하는 압전 재료가 도파관(102)의 재료에 응력을 발생시킨다.
도 5c는 본 발명에 따른 실질적으로 동일한 평면의 SO 및 TO 위상 제어기를 갖는 복합 위상 제어기의 세 번째 예시의 단면도를 개략으로 도시한다. 복합 위상 제어기(510)는 표면 도파관(102), SO 위상 제어기(526) 및 TO 위상 제어기(528)를 포함한다. SO 위상 제어기(526) 및 TO 위상 제어기(528)는 도파관(102)의 축 방향을 따라 횡 방향으로 변위되고 서로 전기적으로 디커플링되도록 배열된다. 그러나, SO 위상 제어기(526) 및 TO 위상 제어기(528)는 도파관(102)과 동작적으로 결합되도록 구성되어, 각각 자신의 재료 내에서 굴절률 변화를 유도함으로써 도파관을 통해 전파되는 광 신호에 위상 변화를 부여할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명에 따른 제3 대안적 복합 위상 제어기의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다. 복합 위상 제어기(600)는 표면 도파관(102), SO 위상 제어기(602) 및 TO 위상 제어기(604)를 포함한다.
SO 위상 제어기(602)는 탑-탑(top-top) 전극 구성을 갖는 SO 위상 제어기로 구성된다. 탑-탑 전극 기반 SO 위상 제어기의 예시는 2021년 11월 18일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/280,877호에 더 자세히 설명되어 있으며, 본 문서에 참조용으로 통합되어 있다.
SO 위상 제어기(602)는 상부 클래딩(114) 상에 배치되는 압전 소자(118)와 압전 층(118)의 상부 표면 상에 각각 형성되는 전극(606-1, 606-2)을 포함한다.
도시된 예시에서, 전극(606-1, 606-2) 각각은 백금을 포함하며 폭이 10미크론이고 두께가 300nm이다.
전극(606-1) 및 전극(606-2) 사이에 전압이 인가되면, 압전 소자(118)는 결과적인 전기장의 방향(즉, 도시된 바와 같이 X 방향)으로 신장을 시도하여, 그 아래의 도파관(102) 재료에 인장 응력을 발생시켜 재료를 X 방향을 따라 잡아당긴다. 또한, 압전 소자(118)의 부피 보존(푸아송 비율)으로 인해 압전 재료 층은 전기장에 수직인 방향(즉, Y 방향 및 Z 방향)으로 수축한다. 결과적으로, 도파관 재료는 세 방향 모두를 따라 당겨진다.
TO 위상 제어기(604)는 TO 위상 제어기(106)와 유사하며, 전극(606-1) 및 전극(606-2) 사이의 영역 내의 압전 소자(118) 상에 위치하고 유전층(120) 상에 배치되는 히터(508)를 포함한다.
도 7은 본 발명에 따른 복합 위상 제어기를 포함하는 제1 예시적 시스템 실시예의 개략도를 도시한다. 시스템(700)은 이득 칩(702) 및 평면 광파 회로(PLC)(704)를 포함하는 파장 조정이 가능한, 외부 공동 레이저이다. 예시적인 실시예는 튜너블 레이저를 구현하기 위해 본 발명의 교시를 이용하지만, 본원의 교시는 이에 한정되지 않으며 무수히 많은 대체 응용 분야에 적용될 수 있음에 유의해야 한다.
이득 칩(702)은 광 신호에 대한 광학 이득(optical gain)을 제공하는 데 적합한 종래의 이득 소자이다. 이득 칩(702)은 액티브 도파관(706) 및 패싯(F1, F2)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 이득 칩(702)은, 액티브 도파관(706)이 700미크론 길이의 채널과 1770nm를 중심으로 100nm 이상의 이득 대역폭을 갖는 반도체 광 증폭기(SOA, semiconductor optical amplifier)를 정의하도록 구성된 인듐 인화물(InP)의 기판을 포함한다.
패싯(F1)은 약 90%의 반사율을 갖는 고반사율(HR) 코팅을 포함하는 피드백 미러(M1)를 정의하기 위해 연마된다. 일부 실시예에서, 패싯(F1)은 HR 코팅으로 코팅되기 전에 연마되지 않고 절단된다. 패싯(F2)은 액티브 도파관(706)과 PLC(704)의 입력 포트 사이의 결합 손실을 완화하도록 구성된 반사 방지 코팅으로 코팅된다.
이득 칩(702)은 하이브리드 통합을 통해 PLC(704)와 결합되어 외부 공동 레이저 구성을 집합적으로 정의한다. 이득 칩(702)과 PLC(704)를 결합하는 데 적합한 예시적인 방법은 "하이브리드 통합 질화 규소 레이저"(Proc. SPIE 11274, 광전자 장치의 물리학 및 시뮬레이션 XXVIII, 112741L, 2020년 3월 2일)에서 J.P. Epping 등이 자세히 설명하며, 이를 참조하여 본 명세서에 통합되어 있다.
PLC(704)는 기판(708) 상에 배치된 복수의 도파관(102)을 포함한다. PLC(704)에서, 도파관(102)은 입력 포트(710), 미러(M2) 및 출력 포트(712)를 포함하는 저손실 광 회로를 정의하도록 배열된다.
기판(708)은 전술한 기판(108)과 유사하지만, 기판(708)은 이득 칩(702)을 배치하도록 구성된 오목한 영역인 마운팅 영역(MR1)을 포함하여, 액티브 도파관(706)이 입력 포트(710)와 광학적으로 결합되도록 한다. 일부 실시예에서, 기판(708)은 다른 적합한 재료로 구성된다. 일부 실시예에서, 기판(708)은 마운팅 영역을 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 이득 칩(702) 및 PLC(704)는 멀티칩 모듈 칩 캐리어, 광학 서브마운트 등과 같은 공통 기판 상에 배치된다.
도시된 예에서, 입력 포트(710)는 액티브 도파관(706)의 모드 프로파일(약 3.7미크론 x 3.7미크론)과 일치하도록 2차원으로 테이퍼링된다. 또한, 입력 포트(710)는, 인터페이스에서 커플링 손실 및 스퓨리어스 반사(spurious reflection)를 줄이기 위해 이득 칩(702)의 반대편 패싯의 각도와 일치하도록 패싯에 대해 19.87° 각도로 기울어져 있다. 유사한 방식으로, 도시된 예에서 출력 포트(716)도 광섬유의 모드 프로파일과 일치하도록 테이퍼링된다.
미러(M2)는 복합 위상 제어기(714-1, 714-2)를 포함하며, 각 제어기는 위에서 설명한 복합 위상 제어기(100)와 유사하다.
도 8은 본 발명에 따른 예시적인 복합 위상 제어기(714-i)의 분해도를 개략적으로 도시한 도면이다. 복합 위상 제어기(714-i)는 복합 위상 제어기(714-1) 및 복합 위상 제어기(714-2) 각각을 대표한다. 복합 위상 제어기(714-i)는 공진 소자(802-i), SO 위상 제어기(804-i) 및 TO 위상 제어기(806-i)를 포함한다.
공진 소자(802-i)는 링 도파관(102R-i)과 버스 도파관(102B-1-i, 102B-2-i)을 포함하는 링 공진기 구조이다.
도시된 실시예에서, 링 도파관(102R-i)은 레이스 트랙 도파관이지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 임의의 폐루프 도파관 형상(예컨대, 링, 루프, 타원, 불규칙 등)을 사용할 수 있다.
SO 위상 제어기(804-i)는 링 도파관(102R-i)의 상부 클래딩 층에 직접 배치되고, 링 도파관(102R-i)과 동일한 일반 형상을 따르도록 패턴화된 압전 재료 층인 압전 소자(808-i)를 포함한다. 압전 소자(808-i)는 위에서 설명한 바와 같이 접점(124A, 124B)과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 전극 사이에 끼워져 있다. 명확성을 위해, 도 8에는 압전 소자만 표시되어 있고 상단 및 하단 전극은 도면에서 제외되어 있다.
SO 위상 제어기(804-i)는 전술한 바와 같이 접점(124C, 124D)과 전기적으로 연결되는 히터(810-i)를 포함한다. 히터(810-i)와 SO 위상 제어기(804-i)의 전극은 유전층(120)에 의해 물리적으로 분리되어 서로 전기적으로 절연되어 있다.
SO 위상 제어기(804-i) 및 TO 위상 제어기(806-i)는 위에서 설명한 SO 위상 제어기(104) 및 TO 위상 제어기(106)와 유사하지만, 히터(810-i) 및 압전 소자(808-i)(및 SO 위상 제어기(804-i)의 전극)는 링 도파관(102)의 원주 대부분에 배치되어 있다. 바람직하게는, SO 위상 제어기(804-i) 및 TO 위상 제어기(806-i) 각각은 링 도파관(102R-i)의 50% 이상(즉, 적어도 하나의 최대 영역)에 배치된다.
일부 실시예에서, 유전층(120)은 SO 위상 제어기(804-i)와 TO 위상 제어기(806-i) 사이에 포함되지 않는다. 이러한 실시예에서, 히터(810-i)는 히터 및 SO 위상 제어기(804-i)의 상부 전극으로 기능한다. 일반적으로, 그러한 실시예에서, SO 위상 제어기의 하부 전극은 도 8의 압전 소자(808-i)에 도시된 것과 유사한 형상을 가질 것이다.
당업자에게는 명백하겠지만, 본 명세서를 읽은 후, 링 및 버스 도파관 사이에 결합된 광의 파장 및 결합된 신호의 세기는 링 도파관(102R-i)의 굴절률 및 유효 길이에 기초한다. 링 도파관의 유효 길이를 제어하기 위해 TO 및 SO 위상 제어기를 모두 사용하면, SO 위상 제어기만 사용하는 경우와 비교하여 훨씬 더 작은 공진 소자 구조를 사용할 수 있다. 비슷한 방식으로 TO 위상 제어기만 사용하는 경우에 비해 훨씬 더 빠른 조정(비록 스펙트럼 레인지는 더 작지만)을 달성할 수 있다.
예를 들어, 대기 경로 길이가 약 800미크론인 링 공진기는 자유 스펙트럼 레인지(FSR)가 1.7nm, 즉 210GHz인 것이 특징이다. 광 응력 조정만 사용하는 경우, 전체 2π 위상 이동에는 길이가 2.1cm인 압전 소자가 필요하다. 따라서 링 공진기의 길이가 800미크론이라고 가정하면, 0.08π 위상 변이(~8GHz의 주파수 변이에 해당)만 달성할 수 있지만, 이는 단 몇 마이크로초 안에 달성할 수 있다. 열 광학 조정만 사용하면, 거의 완전한 2π 위상 변이를 구현할 수 있지만, 약 250마이크로초가 소요된다. 따라서 동일한 장치에서 SO 조정과 TO 조정을 결합하면 레이저의 거친 파장 조정을 느린 시간 규모로 실현하면서 동시에 매우 빠른 미세 파장 조정을 실현할 수 있다. 또한 공진 소자(802)의 경로가 짧아짐에 따라 더 큰 FSR을 달성할 수 있다.
이제 도 7로 돌아가서, 복합 위상 제어기(714-1, 714-2)의 도파관(102R-1, 102R-2)은 미러(M2)를 정의하기 위해 버니어 배열(V1)로 배열되어 있다. 그 결과, 일반적으로 각각의 링 도파관의 왕복 경로는 서로 다르다. 도시된 예에서, 복합 위상 제어기(714-1, 714-2)는 애드-드롭 구성으로 배열되고 링 도파관의 원주가 각각 857.5미크론 및 885.1미크론으로 약간 다르도록 구성된다. 따라서 복합 위상 제어기(714-1)의 자유 스펙트럼 레인지(FSR)는 1.58nm이고 복합 위상 제어기(714-2)의 FSR은 1.63nm이다. 결과적으로 버니어 효과로 인해 미러(M2)의 총 FSR은 50.6nm이 된다.
일부 실시예에서, 두 개 이상의 복합 위상 제어기의 폐루프 도파관이 버니어 배열에 포함된다는 점에 유의해야 한다.
링 도파관(102R) 재료의 굴절률을 제어함으로써, 복합 위상 제어기(714-1, 714-2)는 광학적으로 결합되어 미러(M2)의 반사율/투과율을 전체 FSR 내의 모든 파장으로 제어할 수 있다.
미러(M2)의 주파수 선택적 반사율은 미러(M1)와 미러(M2) 사이의 분리에 의해 정의되는 레이저 공동(LC1)에 대한 단일 종방향 모드를 정의한다. 즉, 레이저 공동(LC1)은 이득 칩(702)의 길이(즉, 패싯(F1)과 패싯(F2) 사이의 거리)와 입력 포트(710)와 미러(M2) 사이의 PLC(704)의 부분을 포함한다. 도시된 예에서, 공동 길이(LC1)는 수 센티미터이고, 따라서 시스템(500)의 출력 신호(516)의 선폭은 단일 kHz 범위에 있다.
도 9는 본 발명에 따른 복합 위상 제어기를 포함하는 제2 예시적 시스템 실시예의 사시도를 개략적으로 도시한 도면이다. 시스템(900)은 마하-젠더 간섭계(902) 및 위상 제어기(904)를 포함하는 집적 광학 스위치 및 가변 광학 감쇠기(VOA, variable optical attenuator)이다. 도시된 예는 집적 광학 스위치/VOA를 포함하는 PLC이지만, 본 발명의 범위 내에서 무수히 많은 대안적 집적 광학 시스템이 가능하다.
마하-젠더 간섭계(MZI)(902)는 입력 도파관(906), 아암(908A, 908B) 및 출력 도파관(910)을 포함하며, 이들은 광 신호(912)가 입력 도파관(906)을 통해 전파될 때, 그 광 에너지는 광 신호(912A, 912B)로 동일하게 분할되어 각각 아암(908A, 908B)을 통해 전파되어 출력 도파관(910)까지 전달되고, 이 광 신호가 결합하여 출력 신호(914)를 형성하도록 배열된다.
도시된 실시예에서, 아암(908A, 908B)의 길이는, 위상 제어기(904)가 대기 상태에 있을 때 광 신호(912A, 912B)가 위상을 가지며 출력 도파관(910)에서 건설적으로 결합되도록 설계되어 있다. 결과적으로, 위상 제어기(904)에 제어 전압이 인가되지 않을 때, 출력 신호(914)의 강도는 입력 신호(912)의 강도와 실질적으로 동일하다(MZI(902)의 도파관에서의 전파 손실은 무시됨). 일부 실시예에서, 아암(908A) 및 아암(908B)은 길이가 동일하지 않아서, 광 신호가 재결합될 때 위상이 같지 않고, 따라서 비대칭 MZI(aMZI)를 정의한다.
위상 제어기(904)는 위에서 설명한 복합 위상 제어기(100)와 유사한 복합 위상 제어기이다.
위상 제어기(904)가 활성화되면, 아암(908B)의 도파관 구조에서 굴절률 변화를 유도하여 광 신호(912B)가 아암을 통과하는 속도에 변화를 일으킨다. 이렇게 유도된 굴절률 변화의 크기에 따라 광 신호(912A)와 광 신호(912B)가 재결합할 때의 위상차가 결정되며, 이에 따라 출력 신호(914)의 크기를 제어할 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예의 일 실시예에 불과하며, 본 발명을 읽은 당업자에 의해 본 발명에 따른 실시예의 많은 변형이 쉽게 고안될 수 있고, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정되어야 한다는 것을 이해해야 한다.

Claims (19)

  1. 제1 복합 위상 제어기(100)를 포함하는 장치로서,
    기판(108) 상에 배치된 제1 도파관(102);
    상기 제1 도파관 상에 배치되고, 상기 제1 도파관의 제1 응력을 제어하도록 구성된 제1 SO(stress-optic, 광 응력) 위상 제어기(104) - 상기 제1 SO 위상 제어기는, 제1 전극 쌍(116-1, 116-2) 사이에 배치된 제1 압전 소자(118)를 포함함 - ; 및
    상기 제1 도파관 상에 배치되고, 상기 제1 도파관의 제1 온도를 제어하도록 구성된 제1 TO(thermo-optic, 열 광학) 위상 제어기(106);를 포함하는,
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 SO 위상 제어기는 상기 제1 도파관과 상기 제1 TO 제어기 사이에 있는,
    장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 TO 위상 제어기는 상기 제1 도파관과 상기 제1 SO 제어기 사이에 있는,
    장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 TO 위상 제어기 및 상기 SO 제어기는 포개져 배치되어, 상기 제1 SO 위상 제어기 및 상기 제1 TO 위상 제어기 중 하나가 상기 제1 SO 위상 제어기 및 상기 제1 TO 위상 제어기 중 다른 하나의 원주 내부에 위치하도록 하는,
    장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도파관은 돌출부(412)를 포함하고, 상기 제1 SO 위상 제어기는 상기 돌출부의 적어도 하나의 영역 상에 배치되는,
    장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도파관은 제1 공진 소자(602)의 적어도 하나의 영역인,
    장치.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 아암(708A)(arm) 및 제2 아암(708B)을 갖고 상기 제1 복합 위상 제어기를 포함하는 마하-젠더 간섭계(MZI, Mach-Zehnder Interferometer);
    입력 신호(712)를 상기 제1 아암의 제1 광 신호(712A) 및 상기 제2 아암의 제2 광 신호(712B)로 분배하도록 구성된 입력 포트; 및
    상기 제2 광 신호가 상기 제1 복합 위상 제어기를 통과한 후에 상기 제1 광 신호 및 상기 제2 광 신호를 출력 신호(714)로서 결합하도록 구성된 출력 포트(710);를 더 포함하는,
    장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도파관을 포함하는 평면 광파 회로(PLC)(504)를 더 포함하는,
    장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 장치는 파장 가변 레이저(500)를 더 포함하고,
    상기 레이저는,
    제1 반사율을 갖는 제1 미러(M1)를 갖는 이득 칩(502)(gain chip); 및
    상기 이득 칩과 광학적으로 결합되고, 제어 가능한 제1 파장에서 제2 반사율을 갖는 제2 미러(M2) - 상기 제1 미러 및 상기 제2 미러는, 상기 레이저를 위한 레이저 공동(LC1)(laser cavity)을 집합적으로 정의함 - 을 포함하는, 상기 평면 광파 회로(PLC);를 포함하며,
    상기 제2 미러는,
    상기 제1 복합 위상 제어기(514-1) - 상기 제1 도파관은 제1 공진 소자(602-1)의 적어도 하나의 영역임 - ; 및
    제2 공진 소자(602-2)의 적어도 하나의 영역인 제2 도파관을 포함하는 제2 복합 위상 제어기(514-2);를 포함하고,
    상기 제1 복합 위상 제어기 및 상기 제2 복합 위상 제어기는, 상기 제1 공진 소자 및 상기 제2 공진 소자가 제1 자유 스펙트럼 레인지(free-spectral range)를 갖는 버니어 배열(V1)에 포함되도록 배열되고,
    상기 제1 복합 위상 제어기 및 상기 제2 복합 위상 제어기는 상기 제1 자유 스펙트럼 레인지 내에서 상기 제1 파장을 제어하도록 동작하는,
    장치.
  10. 방법에 있어서,
    제1 복합 위상 제어기 - 상기 제1 복합 위상 제어기는, 기판(108) 상에 배치된 제1 도파관(102); 상기 제1 도파관 상에 배치되고, 상기 제1 도파관의 제1 응력을 제어하도록 구성된 제1 SO(stress-optic, 광 응력) 위상 제어기(104) - 상기 제1 SO 위상 제어기는, 제1 전극 쌍(116-1, 116-2) 사이에 배치된 제1 압전 소자(118)를 포함함 - ; 및 상기 제1 도파관 상에 배치되고, 상기 제1 도파관의 제1 온도를 제어하도록 구성된 제1 TO(thermo-optic, 열 광학) 위상 제어기(106);를 포함함 - 를 제공하는 단계;
    제1 광 신호를 상기 제1 도파관에 광학적으로 결합하는 단계; 및
    상기 제1 SO 위상 제어기 및 상기 제1 TO 위상 제어기 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 제1 도파관에서 상기 제1 광 신호의 전파 특성을 제어하는 단계;를 포함하는,
    방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 복합 위상 제어기는,
    상기 제1 도파관(102)을 제공하는 동작;
    상기 제1 도파관 상에 상기 제1 SO 위상 제어기를 형성하는 동작;
    상기 제1 SO 위상 제어기 상에 제1 유전층(120)을 형성하는 동작; 및
    상기 제1 유전층 상에 상기 제1 TO 위상 제어기를 형성하는 동작;을 포함하는 동작에 의해 제공되는,
    방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 복합 위상 제어기는,
    상기 제1 도파관(102)을 제공하는 동작;
    상기 제1 도파관 상에 제1 TO 위상 제어기를 형성하는 동작;
    상기 제1 TO 위상 제어기 상에 제1 유전층(120)을 형성하는 동작; 및
    상기 제1 유전층 상에 상기 제1 SO 위상 제어기를 형성하는 동작;을 포함하는 동작에 의해 제공되는,
    방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 복합 위상 제어기는,
    상기 제1 도파관(102)을 제공하는 동작; 및
    상기 제1 도파관 상에 상기 제1 TO 위상 제어기 및 상기 제1 SO 위상 제어기 각각을 형성하는 동작;을 포함하는 동작에 의해 제공되고,
    상기 제1 TO 위상 제어기 및 상기 제1 SO 위상 제어기는, 상기 제1 SO 위상 제어기 및 상기 제1 TO 위상 제어기 중 하나가 상기 제1 SO 위상 제어기 및 상기 제1 TO 위상 제어기 중 다른 하나의 원주 내부에 위치하도록 구성되는,
    방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도파관은 제1 돌출부(412)를 포함하도록 제공되고, 상기 제1 SO 위상 제어기의 적어도 하나의 영역은 상기 제1 돌출부 상에 배치되는,
    방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도파관은 제1 공진 소자(602)의 적어도 하나의 영역이 되도록 제공되는,
    방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도파관은 제1 평면 광파 회로(PLC)(504)의 적어도 하나의 영역이 되도록 제공되는,
    방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도파관은 제1 폐루프 도파관(102R-1)으로서 제공되고, 상기 제1 SO 위상 제어기(604-1)는 상기 제1 도파관의 하나의 최대 영역 상에 배치되며, 또한 상기 제1 TO 제어기(606-1)는 상기 제1 도파관의 적어도 상기 하나의 최대 영역 상에 배치되는,
    방법.
  18. 제17항에 있어서,
    제1 반사율을 갖는 제1 미러(M1)를 포함하는 이득 칩(502)을 제공하는 단계;
    상기 제1 복합 제어기 및 상기 제2 복합 제어기를 포함하는 제1 평면 광파 회로(PLC)를 제공하는 단계;
    상기 이득 칩 및 상기 제1 평면 광파 회로 - 상기 이득 칩 및 상기 제1 평면 광파 회로는, 파장 가변 출력 신호(516)를 갖는 레이저를 집합적으로 정의함 - 를 광학적으로 결합하는 단계;
    상기 출력 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 복합 위상 제어기 및 제2 복합 위상 제어기 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 출력 신호의 파장을 제어하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제2 복합 제어기는,
    제2 폐루프 도파관인 제2 도파관(102R-2),
    상기 제2 도파관 상에 배치되고, 상기 제2 도파관의 제2 응력을 제어하도록 구성된 제2 SO 위상 제어기(604-2) - 상기 제2 SO 위상 제어기는, 제2 전극 쌍(116-1, 116-2) 사이에 배치된 제2 압전 소자(608-2)를 포함함 - , 및
    상기 제2 도파관 상에 배치되고, 상기 제2 도파관의 제2 온도를 제어하도록 구성된 제2 TO 위상 제어기(606-2)를 포함하고,
    상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관은, 제어 가능한 제1 파장에서 제2 반사율을 갖는 제2 미러(M2)를 정의하는 버니어 배열(V1)로 배열되는,
    방법.
  19. 제10항에 있어서,
    제1 도파관을 포함하는 제1 아암(708A) 및 제2 아암(708B)을 갖는 마하-젠더 간섭계(MZI)에 입력 신호(712)를 제공하는 단계;
    상기 입력 신호를 상기 제1 아암의 제1 광 신호(712A) 및 상기 제2 아암의 제2 광 신호(712B)로 분배하는 단계;
    상기 제1 복합 위상 제어기에서 상기 제2 광 신호의 위상을 제어하는 단계; 및
    상기 제1 광 신호 및 상기 제2 광 신호를 출력 신호(714)로서 재결합하는 단계;를 더 포함하는,
    방법.
KR1020237043278A 2021-05-17 2022-05-13 표면 도파관의 열 기반 및 응력 기반 위상 조정을 위한 집적 광학 기반의 복합 위상 제어기 KR20240008360A (ko)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163189538P 2021-05-17 2021-05-17
US63/189,538 2021-05-17
US202163280877P 2021-11-18 2021-11-18
US63/280,877 2021-11-18
PCT/IB2022/054494 WO2022243827A2 (en) 2021-05-17 2022-05-13 An integrated-optics-based composite phase controller operative for thermal-based and stress-based phase tuning of a surface waveguide
US17/743,853 US20220365376A1 (en) 2021-05-17 2022-05-13 Integrated-Optics-Based Composite Phase Controller Operative for Thermal-Based and Stress-Based Phase Tuning of a Surface Waveguide
US17/743,853 2022-05-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240008360A true KR20240008360A (ko) 2024-01-18

Family

ID=81850801

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237043278A KR20240008360A (ko) 2021-05-17 2022-05-13 표면 도파관의 열 기반 및 응력 기반 위상 조정을 위한 집적 광학 기반의 복합 위상 제어기

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220365376A1 (ko)
EP (1) EP4341747A2 (ko)
KR (1) KR20240008360A (ko)
WO (1) WO2022243827A2 (ko)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4194252B2 (ja) 2000-06-21 2008-12-10 キヤノン株式会社 印刷制御装置、制御方法ならびにプログラム
US7146087B2 (en) 2004-01-13 2006-12-05 Lionix Bv Low modal birefringent waveguides and method of fabrication
US9020317B2 (en) 2012-10-11 2015-04-28 Octrolix Bv Surface waveguide having a tapered region and method of forming
US9221074B2 (en) 2012-10-11 2015-12-29 Octrolix Bv Stress-tuned planar lightwave circuit and method therefor
US10241352B2 (en) 2017-01-19 2019-03-26 Lionix International Bv Integrated-optics-based stress-optic phase modulator and method for forming

Also Published As

Publication number Publication date
EP4341747A2 (en) 2024-03-27
US20220365376A1 (en) 2022-11-17
WO2022243827A3 (en) 2024-05-23
WO2022243827A2 (en) 2022-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9318868B2 (en) Tunable hybrid laser with carrier-induced phase control
KR101115735B1 (ko) 에스오아이 구조체에서의 광의 능동 조작
US8615025B2 (en) Method and system for hybrid integration of a tunable laser
KR102427251B1 (ko) 집적 광학 기반의 광 응력 위상 변조기
JP4562339B2 (ja) 差動導波路対
US6321011B2 (en) Channel-switched cross-connect
US6411752B1 (en) Vertically coupled optical resonator devices over a cross-grid waveguide architecture
JP4768127B2 (ja) 熱光学ポリマーを含むフォトニックデバイス
US10126501B2 (en) Tunable reflectors based on multi-cavity interference
US20190253776A1 (en) Fast optical switch and its applications in optical communication
EP1840631A1 (en) Variable light controlling device and variable light controlling method
JP6666423B2 (ja) 高インデックスコントラストのフォトニックデバイスおよびその応用
KR102299974B1 (ko) 스트레스에 동조된 평면 광파회로 및 이를 위한 방법
CN113381292A (zh) 用于控制绝对波长和光带宽的方法、激光器和成像系统
US6510259B1 (en) Optical switch using an integrated Mach-Zehnder interferometer having a movable phase shifter and asymmetric arms
JP2932742B2 (ja) 導波路型光デバイス
KR20240008360A (ko) 표면 도파관의 열 기반 및 응력 기반 위상 조정을 위한 집적 광학 기반의 복합 위상 제어기
JP2001177182A (ja) 外部共振器型半導体レーザおよび光導波路装置
US20230089696A1 (en) Optical filter and wavelength tunable laser element
US20220163729A1 (en) Fast optical switch and its applications in optical communication
Tao et al. An MEMS tunable dual-wavelength laser

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination