KR930005900B1 - 도파형 광 분기 소자 - Google Patents

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니뽄 덴신 덴와 가부시끼가이샤
야마구찌 가이세이
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Abstract

내용 없음.

Description

도파형 광 분기 소자
제1도는 종래 도파형 광 분기 소자의 구성 평면도.
제2도는 종래 도파형 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제3도는 종래 도파형(3×3) 광 분기 소자의 구성 평면도.
제4도는 종래 도파형(3×3) 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제5도는 본 발명의 도파형 광 분기 소자의 기본 구성 평면도.
제6a도는 본 발명의 제1실시예에 따른 도파형 광 분기 소자의 구성 평면도.
제6b도는 제6a도의 라인 A-A'을 따라 취해진 단면도.
제6c도는 제6a도의 라인 B-B'을 따라 취해진 단면도.
제6d도는 제6a도의 라인 C-C'을 따라 취해진 단면도.
제7도는 제1실시예의 도파형 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제8도는 제1실시예의 실효 광로 길이 차(nㆍΔL)의 적당한 설정의 중요성을 설명한 그래프.
제9도는 본 발명의 제2실시예의 따른 도파헝 광 분기 소자의 구성 평면도.
제10도는 제2실시예의 도파형 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제11도는 본 발명의 제3실시예에 따른 도파형 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제12도는 본 발명의 제4실시예에 따른 도파형 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제13도는 본 발명의 제5실시예에 따른 도파형 광 분기 소자의 결할비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제14도는 제5실시예의 실효 광로 길이 차(nㆍΔL)의 적당한 설정의 중요성을 설명한 그래프.
제15도는 본 발명의 제6실시예에 따른 도파형 광 분기 소자의 구성 평면도.
제16도는 본 발명의 제6실시에에 따른 도파형 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제17도는 본 발명의 제7실시예에 따른 4-분기 소자의 구성 평면도.
제18도는 본 발명의 제8실시예에 따른 도파형 광 분기 소자 어레이의 구성 평면도.
제19a도는 본 발명의 제9실시예에 따른 도파형 광 분기 소자(가변 결합비형 소자)의 구성 평면도.
제19b도는 제19a도의 라인을 따라 취해진 단면도.
제20a 및 b도는 제각기 본 발명의 제9실시예에 따른 도파형 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제21a 및 21b도는 제각기 본 발명의 제10실시예에 따른 도파형 광 분기 소자(광섬유형 소자에 대한 연장)의 구성도.
제22a도는 본 발명의 제11실시예에 따른 도파형(3×3) 광 분기 소자의 구성 평면도.
제22b도는 제22a도의 라인 A-A'를 따라 취해진 단면도.
제22c도는 제22a도의 라인 B-B'를 따라 취해진 단면도.
제22d도는 제22a도의 라인 C-C'를 따라 취해진 단면도.
제23도는 제11실시예의 도파형 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제24도는 본 발명의 제12실시예에 따른 도파형(3×3) 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
제25도는 본 발명의 제13실시예에 따른 도파형(3×3) 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
43,44 : 방향성 결합기 53,54,55 : 2분기 소자
71,72 : 박막 히터 73,74 : 광섬유
82,83,84 : 도파관
본 발명은 양호하게도 광 통신 분야에 이용되는 도파형 광 분기 소자에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 전력 결합비의 파장 종속도가 감소되는 도파형 광 분기 소자에 관한 것이다.
광섬유 통신을 더욱 개발하기 위하여, 광 분기/조합 소자, 광 멀티플렉서/디멀티플렉서, 광 스위치등과 같은 각종 광 회로 소자의 개발이 필수적이며, 또한 광섬유, 광 검출기 및 발광 소자가 고성능이면서 저가로 제조되어야 한다. 무엇보다도, 광 분기 소자는 가장 기본적인 광 소자이다. 즉, 50퍼센트, 20퍼센트 또는 소수 퍼센트 분기비와 같은 각종 분기비(결합비)를 가진 광 분기 소자가 요구된다. 특히, 넓은 파장 영역내의 매우 작은 파장 종속도의 광 분기 소자가 요구된다.
광 분기 소자는 또한 광 결합기라 부르며, 아래의 세형, 즉 (1) 벌크형 분기 소자, (2) 섬유형 분기 소자, (3) 도파형 분기 소자로 분류된다.
벌크형 분기 소자는 마이크로렌즈, 프리즘, 간섭막 필터등을 장치함으로써 구성되고, 파장 종속도가 매우 낮다. 벌크형 분기 소자가 어떤 범위까지 실제 사용될지라도, 상기 소자는 조립 및 조절을 위해 장시간이 요구되고, 장기 신뢰성, 비용 및 크기에 대해 어떤 문제점이 존재한다.
섬유형 분기 소자는 구성 재질로서 광섬유를 이용하여 연마, 광택, 용화 및 신장과 같은 공정으로 제조된다. 이런형태는 감소된 파장 종속도의 분기 소자를 생산할 수 있게 하지만, 제조 공정은 숙련을 필요로 하고 재생력이 없기 때문에 대량 생산에 부적당하다.
대조적으로, 도파형 분기 소자는 사진석판술 공정을 통해 다수로 평면 기판상에 구성될 수 있는 잇점을 가지므로, 재생될 수 있고, 복잡한 부품에 집적될 수 있는 소망형 분기 소자로서 주지된다.
제1도는 종래(2×2) 도파형 분기 소자의 구성을 실시한 평면도이다. 제1도에서, 두개의 광 도파관(2 및 3)은 플랫 기판(1)상에 형성된다. 일부의 광 도파관(2) 및 일부의 광 도파관(3)은 방향성 결합기(4)를 형성 하도록 서로 근접된다. 방향성 결합기(4)는 포트(5)로 전달된 광 신호가 출력될 포트(6 및 8)로 분기되도록 설계된다. 방향성 결합기(4)의 전력 결합비가 매우 바람직한 파장에서 소정치로 지정될 수 있지만, 결합비의 파장 종속도는 분기 소자가 넓은 파장 영역내에 이용될시에 문제점을 갖는다.
제2도는 제1도내의 방향성 결합기 도파헝 분기 소자의 결합비의 일예의 파장 종속도를 나타낸 것이다. 제2도에서, 결합비가 1.3㎛파장에서의 50%로 세트될 시에, 1.55㎛에서의 결합비는 대략 100%이다. 이것은 분기 소자가 1.3㎛ 및 1.55㎛의 파장에서 동시에 동작할 수 없게 함을 나타낸다.
일반적으로, 방향성 결합기의 전력 결합비 C는 아래식으로 제공된다.
C=sin2 ψ(1)
여기서ψ는 방향성 결합기의 결합 영역, 결합 영역의 길이, 파장등에서의 도파관 사이의 공간에 의존한다. 제2도의 실시예에서,ψ는 대략 1.0㎛파장에서 대략 0이며, 1.3㎛에서는 π/4 및 1.6㎛에서는 π/2이다 결과적으로, C는 파장에 따라 대략 정형파적으로 변화한다. 이것은 50%의 결합비가 제2도의 넓은 파장 영역내에서 왜 유지될 수 없는가에 대한 이유이다.
도파형 분기 소자의 다른 구성은 "Y-분기"형으로 알려져 있다. Y-분기형의 결합비(즉, 분기비)의 파장 종속도가 작을지라도, 약 1㏈이상의 광 전력 손실이 Y-분기 영역에서 회피될 수 없는 기본적인 결점을 갖고 있다. 게다가, Y-분기형은 단지 3개의 포트를 갖는 반면에 방향성 결합기형은 4개의 포트를 갖기 때문에, Y-분기형은 방향성 결합기형의 모든 기능 또는 용도의 장소를 취할 수 없다.
이것은 종래(2×2)형 도파형 분기 소자에 대한 문제점을 기술한 것이다. 그다음, 종래 (3×3)도파형 분기 소자에 관한 문제점을 기술하기로 한다.
제3도는 종래 (3×3)도파형 분기 소자의 구성을 실시한 평면도이다. 제3도에서, 3개의 광 도파관(10),(11) 및 (12)은 플랫기판(9)상에 형성된다. 각 도파관중 일부는 방향성 결합기(13)를 형성하도륵 서로 근접 된다. 방향성 결합기(13)는 포트(15)로 전달된 광 신호가 출력될 포트(17), (18) 및 (19)로 동일하게 분기 되도록 설계된다. 방향성 결합기(13)의 전력 결합비가 매우 바람직한 파장에서의 소정값으로 지정될 수 있지만, 결합기의 파장 종속도는 분기 소자가 넓은 파장 영역내에 이용될 시에 문제점을 갖는다.
제4도는 제3도에 도시된 도파형 분기 소자의 결합비의 일례의 파장 종속도를 나타낸 것이다. 제4도에서, 결합비는 광 신호가 1.3㎛ 파장에서 각 출력 포트(17), (18) 및 (19)로 동일하게 분할되도록 세트될 시에(즉, 결합비 I15-17=I15-19=0.33,I15-18=0.34), 1.55㎛에서의 결합비는 I15-17=I15-19=0.45, I15-18=0.10이 된다. 그래서, 분기 소자는 1.3㎛ 및 1.55㎛의 파장으로 동시에 동작하는 동일 분기 소자로서 이용 될 수 없다.
일반적으로, 광 신호가 중앙 광 도파관(제3도의 도파관(11))으로 전달될 시에 (3×3)방향성 결합기의 전력 결합비 C(=I15-17=I15-19)는 아래식으로 제공된다.
c=(sin2 ψ)/2 (1')
여기서ψ는 방향성 결합기의 결합 영역, 결합 영역의 길이, 파장등에서의 광 도파관 사이의 공간에 외존 한다. 보통,ψ는 파장의 증가에 따라 증가한다. 이것은 33%의 결합비(C=33%)가 제4도의 넓은 파장 영역내에 유지될 수 없는 이유이다.
종래 (3×3)광 분기 소자에 대한 문제점이 도파형을 실시함으로써 기술되었지만, 섬유형 분기 소자는 유사한 문제점을 갖는다.
그래서, 본 발명의 제1목적은 예를들어 1.3㎛ 내지 1.65㎛의 파장 영역내의 약 50%±10%의 결합비의 저 파장 종속도 및 저 전력 손실을 가진 도파형 광 분기 소자를 제공하는 것이다.
제1목적을 성취하기 위하여, 본 발명은 넓은 감지력을 가진 Mach-Zehnder간섭계, 즉 두 광 도파관으로 접속되는 두 방향성 결합기는 구성된 Mach-Zehnder간섭계로 제공되며, 두 광 도파관의 광로 길이는 서로 ΔL의 미소차만큼 다르며, 방향성 결합기 및 광 도파관은 광 분기 소자를 구성한다.
특히, 본 발명의 도파형 광 분기 소자에 있어서, 도파형 광 분기 소자는 두개 이상의 광 도파관을 가지며, 광 도파관은 다수의 방향성 결합기를 구성하도록 다수 위치에서 서로 근접되며, 각 광 도파관의 한 단부는 입력 포트이며, 다른 단부는 출력 포트이며, 적어도 하나의 광 도파관의 실효 광로 길이는 임의로 선택된 두 인접한 방향성 결합기 사이의 다른 광 도파관의 상기 길이와 다르며, 실효 광로 길이의 차는 도파형 광 분기 소자의 동작 파장 영역내의 가장 짧은 파장보다 작게 결정되며, 각각의 두 인접한 방향성 결합기의 결합비는 동작 파장 영역내의 파장에 따라 단조롭게 증가하도록 결정되는 것을 특징으로 한다.
게다가, 두 이상의 도파관은 기판상에 위치되거나, 광섬유로 구성된다.
더우기, 도파형 광 분기 소자는 두 입력포트 및 두 출력포트, 또는 세 입력포트 및 세 출력포트로 제공된다.
또한, 두 인접한 방향성 결합기의 결할비는 서로 다르게 설정된다.
최종으로, 도파형 광 분기 소자는 인접한 방향성 결합기 사이의 실효 광로 길이를 미소 조정하는 광 위상 시프터로 제공될 수 있다.
본 발명의 광 분기 소자는 광로 길이의 차 ΔL에 대응하는 위상차 θ를 제공하여, 방향성 결합기의 파장 종속도를 감소시키도록 두 방향성 결합기를 접속한다는 점에서 종래 방향성-결합기형 광 분기 소자와 매우 다르다.
본 발명과 종래 Mach-Zehnder간섭계의 차에 대해 본 발명의 광 분기 소자가 외형상 Mach-Zehnder간섭계처럼 보이기 때문에 상세히 기술하기로 한다.
종래 Mach-Zehnder간섭계에 있어서, 간섭계를 구성하는 방향성 결합기는 결합기의 결합비가 50%의 값을 취하도륵 설계된다. 한쌍의 방향성 결합기를 포함하는 Mach-Zehnder간섭계는 아래 조건의 광 스위치 역할을 한다. 즉 두 방향성 결합기를 접속한 두 광 도파관은 같은 광로 길이를 갖도록 설계되며(즉, 그의 차 ΔL는 0임), 두 광 도파관중의 하나의 실효 광로 길이는 전자-광 또는 열-광 효과로 1/2파장만큼 상호 변화된다.
게다가, 결합비가 특정 파장에서 50%인 두 방향성 결합기와, 제각기 서로 매우 다른 길이를 가지고, 두 방향성 결합기를 접속한 두 광 도파관을 포함한 Mach-Zehnder간섭계는 광 주파수 멀티플렉싱용 광 멀티플렉서/디멀티플렉서 역할을 하는 것으로 공지되어 있다. 예를들면, 실리카유리 등으로 제조되고, 광로 길이차 ΔL가 대략 10㎜이도록 설계된 광 도파관을 이용한 Mach-Zehnder간섭계는 서로(파장의 0.1나노미터의 분리도에 상당하는) 10㎓로 분리되는 2-채널 광 신호를 멀티플렉스하거나 디멀티플렉스할 수 있다.
지금까지, 종래 Mach-Zehnder간섭계의 설계 실시예에 대해 기술되었다. 전술된 바와 같이, 종래 Mach-Zehnder간섭계는 광 스위칭 기능 또는 멀티플렉싱/디멀티플렉싱 기능을 성취하도록 설계된다. 넓은 파장 영역내의 파장 종속도를 감소시킬 수 있는 광 분기 소자를 제조할 본 발명의 개념은 종래 기술내에서는 전혀 제시되지 않았다. 넓은 파장을 통해 광 분기 소자의 파장 종속도를 감소시키기 위해, 본 발명의 Mach-Zehnder 간섭계를 구성하는 각각의 두 방향성 결합기는 본 발명이 부여하는 특정 조건, 즉 실효 광로 길이 차와 각 방향성 결합기의 파장 종속도에 대한 조건을 충족시켜야 한다. 종래 Mach-Zehnder간섭계는 변형없이 이용될 수 없다.본 발명은, 응용이 광 스위치 또는 광 멀티플렉서/디멀티플렉서의 분야로 통상 제한되어온 Mach-Zehnder간섭계 장치가 광 분기 소자에 직용될 수 있고, 광 소자가 소정의 넓은 파장 영역에서 동작하여, 상기 목적을 성취할 수 있는 완전히 새로운 개념 및 실험에 의존된다.
제5도는 본 발명의 도파형 광 분기 소자의 기본적인 구성 평면도이다. 제5도에서, 광 도파관(32 및 33)은 플랫기판(31)상에 위치된다. 두 방향성 결합기(34 및 35)는 두 위치에서 나란히 근접하여 광 도파관(32 및 33)을 위치시킴으로써 구성된다. 광 도파관(32)의 한 단부는 광 신호 Pin가 전달되는 입력포트(36)이고, 광 도파관(32)의 다른 단부는 주 광 신호 Pmain가 방출되는 주 출력포트(38)이다. 마찬가지로, 광 도파관(33)의 한 단부는 입력포트(37)이고, 광 도파관(33)의 다른 단부는 보조-광 신호 Psub가 방출되는 보조-출력포트(39)이다.
두 방향성 결합기(34 및 35) 사이의 광 도파관(32 및 33)의 광로 길이는 작은 수량 ΔL만름 서로 다르다. 이런 Mach-Zehnder간섭계의 광로 길이차 ΔL는 두 방향성 결합기(34 및 35)의 위상차 θ를 나타내며, 위상차 θ는 아래와 같이 주어진다.
θ=2πㆍnㆍΔL/λ (2)
여기서 n은 광 도파관의 굴절율이고, λ는 파장이다. 완전한 Mach-Zehnder간섭계형 분기 소자는 아래식으로 주어진다.
CMZ=sin2(2ψ)ㆍ(1+cosθ)/2 (3)
여기ψ는 각 방향성 결합기의 결합비 C(=sin2 ψ)를 한정하는 식(1)의 변수이다.
식(3)에서 알 수 있듯이, 본 발명은 sin2(2ψ)의 파장 종속도가 (1+cosθ)/2항목의 파장 종속도, 즉 (2)의 위상차 θ의 파장 종속도에 의해 삭제되는 원리를 기초로 한다. (1+cosθ)2항목의 파장 종속도에 의해 sin2(2ψ)항목의 파장 종속도를 삭제하므로써 지정된 파장 영역의 매우 작은 파장 종속도의 바람직한 결합비를 성취하기 위해, 각각의 방향성 결합기(34 및 35)의 결합비 c의 파장 종속도를 결정하고. 식(3)을 참조함으로써 차 ΔL를 적당히 결정할 필요가 있다.
λ1내지 λ2의 파장 영역의 결합비의 더욱 낮은 파장 종속도를 가진 본 발명의 광 분기 소자를 제조할 설계 원리는 아래와 같다.
첫째로, 각 방향성 결합기는 결합비가 단조롭게 파장 영역내에서 증가하도록 설계되고, 둘째로, 두 방향성 결합기 사이의 값(nㆍΔL), 즉 두 결합기 사이의 실효 광로 길이의 차는 양호하게도 범위내의 가장 짧은 파장 λ1보다 약간 짧은 값 λ0으로 지정된다. 그런 조건하에, λ=λ0의 파장에서, 식(2)의 θ는 값 2π을 취하므로, (1+cosθ)/2항목의 값은 최대값 1이 된다. 따라서, 완전한 광 분기 소자의 결합비는 함께 접속된 두 방향성 결합기의 결합비와 같다. 파장 λ이 λ1을 초과할 시에, sin2(2ψ)항목의 기울기 상승을 억제하는 (1+cosθ)/2항목은 내려간다. 파장 영역내의 가장 긴 파장 λ2을 연장하도륵 더욱 긴 파장 영역으로 연장되는 억제 영향의 정도는 각 방향성 결합기의 설계 상세에 의존한다.
지금까지, 본 발명의 (2×2)광 분기 소자의 기본 구성을 기술했다. 이런 기술은 (3×3)광 분기 소자의 경우에 명백히 유지한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본원 명세서를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
아래 실시예(1 내지 10)는 도파형 (2×2) 광 분기 소자의 예이고, 실시예(11 내지 13)는 도파형 (3×3) 광분기 소자의 예이다.
이하, 광 도파관으로서 실리콘 기판상에 형성된 실리카에 의한 단일-모드 도파관을 이용하는 본 발명의 실시예를 기술하기로 한다. 실리카에 의한 단일-모드 도파관은 단일-모드 광섬유에 잘 접속되며, 실제 도파형 광 분기 소자를 제공한다.그러나, 본 발명의 도파관은 실리카에 의한 광 도파관으로 제한되지 않는다.
[실시예 1]
제6a 내지 d도는 제각기 본 발명의 제1실시예에 따른 도파형 광 분기 소자의 구분 라인 A-A', B-B' 및 C-C'을 따른 평면 확대 단면도이다. 분기 소자가 그의 결합비가 1.25㎛(=λ1) 내지 1.6㎛(=λ2)의 파장영역내에서 50%±10%이도록 설계된다.
기판(40)은 실리콘 기판이며, 광 도파관(41 및 42)은 실리카에 의한 유리 재질을 이용한 실리콘 기판(40)상에 형성된 실리카에 의한 광 도파관이다. 광 도파관(41 및 42)은 기판상의 두 위치에서 서로 근접되어, 방향성 결합기(43 및 44)를 형성한다.
광 도파관(41 및 42)은 약 8㎛×8㎛의 단면도를 가진 각각의 SiO2-TiO2에 의한 유리 코어로 구성되며, SiO2에 의한 유리로 형성된 두께 약 50㎛의 클래딩(cladding)층(45)내에 매립된다. Mach-Zehnder간섭계 회로는 곡선 반경이 50㎜인 선형 패턴 및 활형 패턴을 조합함으로써 구성된다. 실리카에 의한 광 도파관(41 및 42)은 유리막 부착 기술 및 마이크로 제조 기술의 공지된 조합으로 형성될 수 있다. 즉, 유리막 부착 기술은 실리콘 4가 염화물 및 티타늄 4가 염화물의 불꽃형-가수분해 반응을 이용하고, 마이크로 제조 기술은 반응-이온 에칭을 이용한다.
방향성 결합기(43 및 44)의 각 결합 영역에서, 두 광 도파관은 4㎛으로 분리되고 길이 0.3㎜위에 병렬로 위치된다.
입력포트(46 및 47)는 0.250㎜로 분리되고, 출력 포트(48 및 49)는 또한 0.250㎜로 분리된다. 두 방향성 결합기(43 및 44)사이의 각 광 도파관(41 및 42)의 도파관 길이는 L 및 L+ΔL이고, 실효 광로 길이 차(nㆍΔL)는 1.15㎛로 설정된다. 여기서, ΔL은 실리카에 의한 광 도파관의 굴절율 n이 대략 1.45이기 때문에 0.79㎛의 값으로 추정된다. ΔL는 제8a도에서 두 방향성 결합기(43 및 44) 사이의 곡선 도파관 및 직선 도파관의 길이의 미소차를 이용함으로써 사진석판술 마스패턴 단계에서 정확히 설정될 수 있다.
제7도는 실시에의 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 설명한 그래프도이다. 곡선(a)은 분기 소자를 구성한 각 방향성 결합기(43 또는44)사이의 결합비 특성을 나타낸 것이고, 곡선(b)은 nㆍΔL=1.15㎛인 본 발명에 따른 Mach-Zehnder간섭계형 광 분기 소자의 결합비 특성을 나타낸 것이며, 곡선(c)은 nㆍΔL=0.OΔn, 즉 CMZ=sin2(2ψ)가 식(3)에서 충족될 시에 결합비 특성을 나타낸 것이다.
곡선(a) 및 (c)에서, 결합비는 파장의 증가에 따라 단조롭게 증가한다. 곡선(b)에서, 한편으로, 결합비는 대략 1.4㎛에서 피크에 따라 변하고 λ1=1.25㎛ 내지 λ2=1.6㎛의 파장 영역내의 50%±10%에서 유지된다. 이것은 실시예의 광 분기 소자의 결합비의 단조로운 증가가(곡선(c) 참조) 대략 설정치(nㆍΔL)의 결과로 제한되기 때문이다. 환언하면, 식(3)의 값 CMZ은 (1+cosθ)/2항목으로 제한되고, 그의 값θ은 식(2)에서 (nㆍΔL)에 의해 결정된다. λ0=nㆍΔL일 경우 θ=2πㆍλ0/λ가 식(2)으로부터 성취된다. 따라서, 파장 λ이λ0(=nㆍΔL)과 같을시에, θ=2π가 충족되어, CMZ=sin2(2ψ)는 식(3)으로부터 성취된다.
따라서, 곡선(b) 및 (c)은 제9도의 이런 포인트(λ=λ0=1.15㎛)에서 서로 일치한다. λ가 λ0이상 증가 할 시에, (1+cosθ)/2항목은 1에서 감소하기 시작하여, sin2(ψ) 항목의 증가를 제한하는 역할을 한다. 이것은 양호하게도 λ0(=1.15㎛)가 파장 영역내의 가장 짧은 파장 λ1(=1.25㎛)보다 약간 짧게 설정되는 것을 제시 한다.
따라서, 실시예에 따르면, 위상차 θ=2πλ0/λ에 대응하는 광로 길이차는 두 방향성 결합기에 제공되며, 그의 결합비는 100%로 단조롭게 증가하여, (nㆍΔL)으로 형성된 대칭인 두 방향성 결합기를 포함한 전체 시스템을 제공한다. 이것은 광 분기 소자의 결합비가 교대로 100%에 도달하지 않게 억제함으로써, 최대 결합비는 λ1내지 λ2의 바람직한 파장 영역의 중간 주변에서 일어난다.
그런데, 방향성 결합기 자체의 결합비(곡선 (a))는 광 분기 소자의 결합비(곡선 (c))를 단조롭게 증가하도록 결정되어야 한다.
제8도는 실시예의 실효 광로 길이차(nㆍΔL)의 적당한 설정의 중요성을 설명한 그래프도이다. 제8도에서, 이론 계산으로 성취된 결합비 CMZ의 최대값 CMZmax 및 최소값 CMZmin은 1.2㎛ 내지 1.6㎛의 파장 영역의 실효 광로 길이차의 함수로서 플롯된다. 제8도에서, 결합비의 파장 종속비는 전술된 파장 영역내에서 감소될 수 있는 것으로 잘 알게 되며, 이때 실효 광 파장차는 CMZmax 및 CMZmin이 50%의 바람직한 결합비에 접근하는 1.15㎛주변일뿐이다. 실효 광로 길이차가 약1.5㎛를 초과할시에, CMZmin은 일반적으로 0에 접근하고 CMZmax로 부터의 차는 증가한다. 따라서, 광 간섭계는 서로 다른 파장의 빛을 분리하는 광 필터와 유사한 파장 특성을 나타낸다. 이것은 본 발명의 목적에 부적당하다. 한편으로, 실효 광로 길이차가 0에 접근할 시에, 광 간섭계를 구성하는 방향성 결합기 자체의 파장 종속도는 또한 부적당하게 크다. 따라서 매우 큰 정확도가 (nㆍΔL) 및 설정이 요구된다. 그러나, 이것은 현행 사진석판술로 쉽게 성취 될 수 있다.
실시예의 광 분기 소자는 복잡하며, 크기는 길이가 25㎜이고, 넓이가 2.5㎜이며, 40소자는 3-인치 si 와이퍼 기판상에 동시에 구성될 수 있다.
실시예의 광 분기 소자의 광 전력 손실은 매우 낮아, 대략 0.2㏈이다. 입력 및 출력 포트에 접속된 단일 모드 광섬유와 소자 사이의 접속 손실을 포함한 광 분기 소자의 전체 전력 손실은 실제 사용에는 매우 낮은 대략 0.5㏈이다. 이것은 종래 Y-형 분기 소자와는 대조적으로 분기 소자의 탁월한 특징이며, 섬유-접속 손실을 포함한 상기 종래 Y-형 분기 소자의 전력 손실은 1.5㏈보다 적지 않다. 이것은, 본 발명의 광 분기 소자가 Y-분기됨과 같은 단일점을 포함하지 않아, 소자가 방향성 결합기의 부드러운 패턴과 유사한 부드러운 패턴으로 구성되기 때문이다.
[실시예 2]
제9도는 본 발명의 제2실시예의 광 분기 소자의 평면도이며, 그의 결합비는 λ1=1.25㎛ 내지 λ2=1.75㎛의 파장 영역에서 20%±5%이다. 광 분기 소자의 구성은 제6a도의 제1실시예의 구성과 거의 유사하다. 전자는 입력포트(46 및 47)에서 후자와 다르며, 출력포트(48 및 49)는(제8a도의 것과 유사한 식으로 상기 포트를 위치시킬 수 있지만) 소자의 수평 중간 라인에 대해 대칭으로 위치된다. 방향성 결합기(43 및 44)의 결합 영역은 제1실시예의 결합력보다 약한 결합력을 갖는다. 즉 두 도파관 사이의 분리도는 4㎛이고, 결합 영역의 길이(상호 작용 길이)는 0.1㎜이다. (nㆍΔL)의 값은 제1실시예에서와 같이 1.15㎛로 설정된다. 제2실시예의 소자 길이는 20㎜이다.
제10도에서, 곡선(b)은 제2실시예의 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 것이다. 비교의 편리를 의해, 단일 방향성 결합기의 파장 특성은 곡선(a)으로 도시되고, 함께 접속된 두 방향성 결합기의 파장 특성(즉, nㆍΔL=0.0㎛)은 곡선(c)으로 표시된다. 곡선(a) 및 (c)에서, 결합비는 파장의 증가에 따라 증가한다. 대조적으로, 곡선(b)에서, 결합비가 20%±5% 내에서 유지되는 파장 영역은 대략 1.50㎛에서의 피크에 따라 1.25㎛에서 1.75㎛까지 연장한다.
[실시에 3]
제11도의 곡선(b)은 본 발명의 제3실시예에 따른 광 분기 소자의 결합비의 파장 종속도를 나타낸 것이다. 즉 그의 결합비는 λ1=1.25㎛ 내지 λ2=1.65㎛의 파장 영역에서 4%±1%내에서 유지되도록 설계되고 제조된다. 비교의 편리를 위해, 단일 방향성 결합기의 파장 종속도는 곡선(a)으로 표시되고, 함께 직접 접속된 두 방향성 결합기의 파장 종속도(nㆍΔL=0.0㎛)는 곡선(c)으로 표시된다. 상기 실시예의 구성이 제2실시예의 구성과 거의 유사하지만, 각 방향성 결합기의 결합 영역내의 두 도파관 사이의 분리도는 제2실시예보다 더 약한 결합도를 성취하도록 5㎛까지 넓혀진다. (nㆍΔL)의 값은 1.05㎛로 설정된다.
상기 실시예에서, 방향성 결합기의 결합 영역의 구조적 파라미터가 기술된다. 이런 파라미터는 방향성 결합기가 구조에 매우 민감하기 때문에 제조 공정의 각종 특수성을 고려하여 적당히 변화될수 있다. 이런 요건은 Mach-Zehnder간섭계를 구성한 각 방향설 결합기가 제7. 10 및 11도의 곡선(a)으로 표시된 바와 같은 파장 특성을 나타내도록 설계되고 제조될 수 있다.
상기 실시예에서 광 도파관(42)이 두 방향성 결합기 사이에서 ΔL만큼 광 도파관(41)보다 길게 되지만, 반대 설정도 가능함을 알 수 있다. 광 도파관(41)은 만큼 광 도파관(42)보다 길게 될 수 있다. 이것은 동일 분기 특성을 성취한다.
선행 실시예에 있어서, 1.3㎛ 내지 1.55㎛의 영역을 포함하는 바람직한 파장 영역을 단조롭게 증가시키는 분기 소자를 구성한 각 방향성 결합기의 결합비는 1.1㎛ 주변에서 설정되는 nㆍΔL(=λ0)만큼 감소된다. 이것은 상기 조건을 만족하는 방향성 결합기가 설계 및 제조되기 쉽기 때문이다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예로 제한되지 않는다. 필수적인 것은 식(3)의 제1 및 2항목의 파장 종속도가 바람직한 파장 영역내에서 삭제된다는 것이다. 따라서, 다른 조건이 가능하다는 것을 주지해야 한다.
1.3㎛ 내지 1.55㎛의 영역을 포함한 상기 파장 영역이 광섬유 통신 분야에 매우 중요하지만, 광 센서 응용 분야에 이용된 광 분기 소자는 시각 범위를 포함한 파장 영역내에서 작업(work)하도륵 설계되고 제조될 수 있다.
선행 실시예에서, 두 방향성 결합기(43 및 44)는 같은 결합비 특성을 갖는다. 그러나, 본 발명은 이것으로 제한되지 않는다. 즉 두 방향성 결합기의 결합비는 반드시 같지 않고, 다를 수 있다. 이 경우에, 전체 광 간섭계형 분기 소자의 전력 결합비 CMZ는 아래식으로 주어진다.
CMZ=sin2(ψ 1+ψ 2)ㆍ(1+cosθ)/2+sin2(ψ 1+ψ 2)ㆍ(1-cosθ)/2 (4)
여기서ψ 1및ψ 2는 두 방향성 결합기의 결합 특성을 나타내는 파라미터이다. 두 방향성 결하기의 결합비는 제각기 sin2및 sin2에 의해 지정된다.
식(4)의 제1항은 (3)식과 유사하며, 이 식의 파장 종속도는 상술된 원리를 이용하여 감소될 수 있다. 식(4)에서 파장 종속도의 추가 조정은ψ 1및ψ 2와 다를때 제2항을 사용하여 가능하다. 다음 실시예는ψ 1이ψ 2가 다를때의 실시예이다.
[실시예 4]
제12도는 제5도에 도시된 방향성 결합기(43,44)로서 2개의 방향성 결합기를 사용하는 광 분기 소자의 결합비율의 파강 종속도를 나타낸 특성 그래프이며 상기 결합기의 특성은 서로 다르다. 제12도에서 곡선(a)은 제1방향성 결합기(43)의 특성을 도시하며, 곡선(b)은 방향성 결합기(43)의 결합 강도의 2배인 제2방향성 결합기(44)의 결합 특성을 나타낸다. 곡선(c)은 방향성 결합기(43,44)의 값(nㆍ ΔL)이 1㎛로 셋트되었을때 전체 Mach-Zehnder광 분기 소자의 결합 특성을 나타낸다. 곡선(d)은 방향성 결합기(43,44) 사이의 값(nㆍΔL)이 0.0㎛로 셋트되었을때 전체 Mach-Zehnder광 분기 소자의 결합 특성을 나타낸다. 곡선(c)은 상기 실시예의 광 분기 소자가 1.2㎛ 내지 1.7㎛의 넓은 파장 범위에서 50%±5%의 작은 파장 종 속도의 결합 비율을 유지하는 것을 도시한다.
한편 2개의 방향성 결합기(43,44)의 특성을 바꾸면 같은 결합 특성의 광 분기 소자를 만든다.
[실시예 5]
제13도는 제5도에 도시된 방향성 결합기(43,44)로서 특성이 서로 다른 2개의 방향성 결합기를 이용하는 광 분기 소자의 결합 비율의 파장 종속도를 나타낸 특성 그래프이다. 광 분기 소자는 넓은 파장 영역에서 약 20% 결합 비율을 갖는다. 제13도에서 곡선(a)은 제1방향성 결합기(43)의 결합 특성을 도시하며, 곡선(b)은 결합 강도가 제1방향성 결합기(43)의 강도의 2배인 제2방향성 결합기(44)의 결합 특성을 도시한다. 곡선(c)은 방향성 결합기(43,44) 사이의 실효 광로차가 0.9로 규정되었을때 전체 Mach-Zehnder광 분기 소자의 전체 결합 특성을 나타낸다. 곡선(c)은 상기 실시예의 광 분기 소자가 1.2 내지 1.7의 넓은 파장 영역에서 20%±2% 이내의 작은 파장 종속도의 결합 비율을 유지하는 것을 나타낸다. 한편 곡선(d)은 (nㆍΔL)이 0㎛로 규정되었을때 결합 특성을 도시한다. 곡선(d)으로 도시될 결합 비율은 큰 파장 종속도를 갖는다.
제14도는 상기 실시예에서 실효 광로차(nㆍΔL)의 적당한 설정의 중요성을 도시한 그래프이다. 제14도에서 이론적 계산에 의해 얻어진 결합비율 CMZ의 최대값 CMZmax와 최소값 CMZmin은 1.2㎛ 내지 1.6㎛의 광 파장 영역에서 실효 광로차의 함수로 구성된다. 제14도로부터 결합 비율의 파장 종속도는 실효 광로차가 약 0.9㎛인 상기 파장 영역에서만 감소될 수 있으며 상기 0.9㎛에서 CMZmax와 CMZmin 모두가 소정의 20% 결합 비율에 근접한다.
보다 평탄한 결합 특성은 2개의 방향성 결합기(43,44)의 결합 특성이 같은때보다는 다른때 얻어질 수 있다. 이는 제1실시예(제7도)와 제4실시예(제12도) 또는 제2실시예(제10도)와 제5실시예(제13도)를 비교하여 알 수 있다.
상기 실시예는 2개의 방향성 결합기가 2개의 광 도파관을 통해 연결된 광 분기 소자를 다루고 있으며, 상기 도파관의 길이는 ΔL만큼 차이가 난다. 그러나 본 발명의 개념은 N개의 방향성 결합기가 광 도파관에 의해 직렬로 연결되며 광 파장의 차이 ΔLi(i=1,2,…,N-1)가 각각의 인접 방향성 결합기 사이에서 제공되는 광 분기 소자에서 적용될 수 있다. 다음 실시예는 N=3일 때의 실시예이다.
[실시예 6]
제15도는 본 발명의 제6실시예에 따른 50% 광 분기 소자의 구성을 도시한 평면도이며 여기서 N=3인 방향성 결합기가 사용되며 제16도는 분기 소자의 결합 특성을 도시한 그레프이다. 제15도에서, 2개의 광 도파관(41,42)은 3개소에서 근접하여 3개의 방향성 결합기(50,51,52)를 구성한다. 상기 실시예에서, 3개의 방향성 결합기 각각은 제1실시예의 방향성 결합기(43,44)의 특성과 같은 특성을 갖는다. 방향성 결합기(50,51) 사이에는 광 파장(42)의 실효 광로차는 도파관(41)의 광로차보다 NㆍΔL=0.88㎛만큼 더 길게 규정되며, 반면, 방향성 결합기(51,52) 사이에서, 광 도파관(41)의 실효 광 파장은 광 도파관(42)의 광로차보다 0.88㎛만름 더 길게 설정된다. 제16도에서 광 분기 소자는 1.2㎛ 내지 1.65㎛의 파장에서 50%±10%의 결합 비율을 갖는다는 것을 알 수 있다. 특히 50%±5%의 평탄한 결합 특성은 1.25㎛ 내지 1.6㎛의 파장 영역에서 얻어질 수 있다.
방향성 결합기의 수는 증가될 수 있다. 또한, 특성이 다른 3개의 방향성 결합기는 광 분기 소자를 구성하는데 사용될 수 있다.
상기 모든 실시예는 2분기 소자를 취급하고 있지만, 본 발명은 다중 분기 소자에도 적용될 수 있다. 다음은 4분기 소자의 실시예이다.
[실시예 7]
제17도는 본 발명의 제7실시예에 따른 4분기 소자의 구성을 도시한 평면도이다. 제17도에서 2분기 소자(53,54,55)는 기판(40)상에 형성될 수 있다. 각각의 2분기 소자는 제12도의 제4실시예의 것과 같은 50% 결합 광 분기 소자이다. 하나의 입력포트와 4개의 출력포트(57,58,59,60)가 제공된다. 입력포트(56)에 진입된 광 신호는 광 분기 소자(53)에 의해 2개의 같은 부분으로 나누어지며, 광 분기 소자(54,55)에 의해 다시 나누어진 다음 출력포트(57,58,59,60)로부터 출력된다. 상기 구성은 작은 파장 종속도의 4분기 소자를 제공할 수 있다. 1.25㎛ 내지 1.6㎛의 파장 영역에서 각 출력포트에 대한 결합 비율의 변화는 25%±5%로 낮다. 한편, 기판(40)의 크기는 약 50㎜×15㎜이며, 인접 출력포트 사이의 거리는 250㎛로서 광 섬유 어레이와 일치한다.
[실시예 8]
제18도는 넓은 파장 영역에서 동작할 수 있는 도파형 광 분기 소자의 구성을 나타낸 평면도이다. 4개의 50% 결합 분기 소자(61,62.63,64)의 각각은 제4실시예의 구성과 유사한 구성을 가지며, 상기 소자(61 내지 64)는 병렬 형태로 배치되어 있다. 입력포트 어레이(65), 출력포트 어레이(66), 입력섬유 어레이(67), 출력섬유 어레이(68) 및 입력섬유 어레이 단자(69)가 제공된다 상기 어레이 단자(69,70)에서 섬유 어레이 피치와 입력 및 출력포트 어레이(65,66)의 도파관 피치는 250㎛로 설정되었다. 본 실시예의 기판(40)은 작으며 그 크기는 25㎜×5㎜로, 많은 수의 소자가 단일 기판상에 형성될 수 있는 도파형 광 소자의 이점을 얻을 수 있다.
상술된 실시예에서, 광 분기 소자는 석영계(SiO2-TiO2) 광 도파관을 사용하여 형성될 수 있다. 그러나 기판은 실리콘 기판에만 한정되지 않고, 실리콘 유리 기판도 사용될 수 있다. 또한 코어의 주 도펀트로서 GeO2를 사용하는 SiO2-GeO2계 광 도파관이 사용될 수 있다. 또한 본 발명은 석영계 광 도파관뿐만 아니라 다성분 유리계 또는 리튬니오베이트와 같은 다른 재질의 광 도파관에도 직용될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서 (nㆍΔL)이 2개의 방향성 결합기를 연결하는 2개의 광 도파관의 길이의 차로서 설정되었지만, 다른 방법을 취할 수 있다. 예를들어, 광로차는 2개의 도파관의 굴절율을 약간 변화시켜 제공될 수 있으며 한편으로, 2개의 광 도파관의 길이는 같이 유지할 수 있다. 또한, 방향성 결합기 사이에서 광도파관상에 제공된 박막 히터가 열 광학 효과를 이용하여 광 도파관의 굴절율을 변화시켜 실효 광로차를 조정하고 따라서, 원하는 광학 분기 소자를 얻을 수 있다. 또한, 결합 비율의 파장 종속도는 큰 값과 작은 값 사이에서 파장 종속도를 변화시키기 위해 전환될 수 있다. 이는 최초에 설정된 ΔL의 실효 광로차를 변화시키기 위해 짧은 또는 긴 도파관상에 제공된 박막 히터를 온시키거나 그리고 오프시켜서 실행될 수 있다.
가변 결합 비율을 갖는 광 분기 소자의 실시예는 다음 실시예에서 설명하기로 한다.
[실시예 9]
제19a와 b도는 본 발명의 제9실시예를 도시한다. 상기 실시예는 2개의 박막 히터(71,72)가 2개의 방향성 결합기를 연결하는 2개의 광 도파관(41,42)상에 형성된 클래딩층(45)상에 제공된다는 점에서 제19도에 도시된 제2실시예와 다르다. 상기 박막 히터(71,72)는 0.5㎜두께와 20㎛의 폭 및 2.5㎜의 길이의 크롬 박막으로 만들어진다. 전류가 박막 히터(71,72)에 공급되었을때, 본 실시예의 광 결합 소자는 제2실시예의 결합 소자와 같이 파장 종속도가 감소된 20% 결합 소자로서 작동한다. 이와 대조적으로 전류가 2개의 방향성 결합기 사이에서 보다 짧은 광로를 갖는 광 도파관(41)상에 형성된 박막 히터(71)에 제공되었을때 상기 히터 하부의 광 도파관(41)의 부분의 온도가 상승되고, 그리고 상기 부분에서 굴절율은 약간 증가한 다. 그래서 상기 열 광학 효과를 이용한 광 도파관의 실효 광로에서의 증가는 전류 공급전의 0.9의 최초 차이와는 다른 실효 광로차를 감소시키며, 이는 다음 전체 광 결합기 소자의 전체 결합 비율을 변화시킨다.
제20a도는 상기 실시예의 광 분기 소자의 결합 비율의 파장 종속도가 매개변수로서 박막 히터(71)에 공급된 전력(OW,0.1W,0.3W,0.5W,0.7W 및 0.9W)을 이용하여 구성된 그래프이다. 인가된 전력이 OW일때, 20% 결합 비율이 제2실시예의 광 분기 소자에서와 같이 1.2㎛ 내지 1.7㎛의 넓은 파장 영역에서 얻어질 수 있다. 전력이 0.1W일때, 결합 비율은 약 10%로 감소한다. 전력이 0.3W 내지 0.9W일때, 일반적으로 결합 비율의 파장 종속도는 증가하며, 결합 비율은 약 1.65㎛에서 약 100% 근방에 다다르게 된다. 2개의 방향성 결합기(43,44) 사이의 실효 광로차는 이론적 계산과 비교하여 전력이 0.9W일때 거의 제로로 감소되는 것으로 생각될 수 있다. 전력 0.3W 내지 0.9W일때, 결합비율의 파장 종속도는 점차 증가하며, 결합 비율은 약 1.65㎛에서 100%에 달한다. 2개의 방향성 결합기(43,44) 사이의 실효 광로차는 이 론적 계산과 비교하여 전력이 0.9W일때 거의 제로로 감소되는 것으로 생각될 수 있다.
제20b도는 20a도와 대조적으로 광 도파관(42)상에 제공된 박막 히터(72)에 전류가 제공될때 결합 비율의 파장 종속도를 도시하는 그래프이다. 파장 종속도는 매개변수로서 박막 히터에 제공된 전력(OW,0.1W,0.2W,0.3W,0.4W 및 0.6W)을 이용하여 도시한 그래프이다. 전력이 증가하면 결합 비율이 최소값 20%에서 약 40%로 증가하며, 파장 종속도도 점차 증가한다. 2개의 방향성 결합기(43,44) 사이의 실효 광로차는 이론적 계산과 비교하여 전력이 0.6W일때 약 1.5㎛로 증가된 것으로 볼 수 있다.
제20a도와 20b도에 도시된 실험 결과로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이 박막 히터를 갖는 실시예의 광 분기 소자는 동조 가능한 결합 소자로서 동작하며 상기 결합 소자의 결합 특성은 박막 히터에 제공된 전류를 조절하여 크게 또는 적게 조절될 수 있다.
상기 실시예에서, 모든 광학 분기 소자는 기본 소자로서 평면 기판상에 형성된 광 도파관을 사용하여 구성된다. 그러나 본 발명은 평면 광 도파관을 이용한 광 분기 소자에만 한정되지 않는다. 다음 실시예는 광 도파관으로서 광 섬유를 이용한다.
[실시예 10]
제21a와 b도는 섬유로 만들어져 있으며, 넓은 파장 영역에서 동작하는 본 발명의 제10실시예의 광 분기 소자의 구성을 도시한다. 상기 분기 소자는 기본적으로 2개의 단일 모드 광섬유(73,74)로 이루어진다. 2개의 단일 모드 광섬유(73,74)가 용해되어 2개의 부분으로 길게 신장되어 2개의 방향성 결합기(75,76)를 형성한다. 방향성 결합기(75,76)를 연결하는 2개의 광섬유(73,74)의 길이는 약간 다르다. 광섬유(74)의 실효 광로차는 본 발명의 특징인 광섬유(73)보다 약 1㎛만큼 약간 길다. 실효 광로차 부분(77)은 제21a도에서 광섬유(74)를 약간 굴곡시켜서 그리고, 제21b도에서 방향성 결합기 사이의 2개 광섬유를 굴곡시켜 이루어진다. 상기 광로는 상대적인 크기이기 때문에, 광섬유(73)는 제21a도에서 섬유(74) 대신에 굴곡된다.
제21a와 b도에서 방향성 결합기(73,74)는 제1실시예에서 방향성 결합기(43,44)의 역할을 하며, 입력포트(78,79)와 출력포트(80,81)를 갖는 광 간섭계를 구성하며 이러한 구성은 광 분기 소자로서의 역할을 하며, 상기 소자의 파장 종속도는 감소될 수 있다. 이 경우, 방향성 결합기(75,76) 사이의 광섬유의 길이는 가능한한 짧게 설정되어야 한다는 것을 알 수 있다. 감소된 파장 종속도를 갖는 광 분기 소자의 안정한 동작은 방향성 결합기(75,76) 사이의 광섬유의 길이가 1cm를 초과하거나 또는 방향성 결합기(75,76)를 포함하는 전체 광 간섭계가 단일 패키지로 견고하게 고정되지 않았을때 얻어질 수 없다. 개별적인 패키지형의 2개 섬유 형태의 방향성 결합기는 수십 cm의 2개 섬유를 통해 접속되어 상기 실시예의 광 분기 소자를 구성하는 것은 바람직하지 못하다. 상기 구성에서 광 분기 소자의 안정한 동작은, 2개의 방향성 결합기 사이의 광섬유의 진동 또는 온도 변화로 인한 미세한 실효 광로차의 예기치 못한 변동 때문에 얻어질 수 없다.
여태까지, 도파형(2×2) 광 분기 소자의 실시예가 기술된다. 다음, 도파형(3×3) 광 분기 소자는 실시예 11 내지 13에서 기술하기로 한다.
[실시예 11]
제22a 내지 d도는 도파형(3×3) 광 분기 소자의 구성을 도시한 도면이며, 상기 분기 소자의 결합비율 Ci은 λ1=1.2㎛ 내지 λ2=1.6㎛의 파장 영역에서 33%±5%가 되도록 설계되어 있다. 제22a도는 평면도 이며 제22b, c 및 d도는 제22a도에서 라인 A-A', B-B' 및 C-C'를 따라 취한 확대 단면도이다.
기판(40)은 실리콘 기판이며 광 도파관(82,83,84)은 석영 성분 유리 재질을 사용하는 실리콘 기판(40)상에 형성된 석영 성분 광 도파관이나 광 도파관(82,83,84)은 기판상의 2개 위치에서 옆으로 나란히 근접하여 배치되어 방향성 결합기(85,86)를 형성한다.
광 도파관(82,83,84)은 약 8㎛×8㎛의 단면을 갖는 SiO2-TiO2성분 유리 코어로 구성되며, 약 50㎛두께의 SiO2성분 유리의 클래딩층(45)내에 삽입된다. 3도파형 Mach-Zehnder간섭계 회로는 선형 패턴과 곡률 반경이 50㎜인 원호 패턴을 결합하여 구성된다. 석영 성분 광 도파관(82,83,84)은 유리 박막 부착 기술과 미세가공 기술의 공지된 결합을 이용하여 형성될 수 있다. 유리 박막 부착 기술은 4염화실리콘 및 4염화티탄의 화염 가수분해 반응 기술을 이용하며, 미세 가공 기술은 반응성 이온 에칭을 이용한다.
방향성 결합기(85,86)의 각 결합 영역에서 3개의 광 도파관(82.83,84)은 4㎛씩 이격되어 있으며, 1.2㎜길이를 통해 병렬로 위치된다.
입력포트(87,88,89)는 0.25㎜씩 분리되고 출력 포트(90,91,92)는 0.25㎜만큼 분리된다. 2개의 방향성 결합기(85,86) 사이의 각 광 도파관(82,83,84)의 파장 길이는 광 도파관(83)에 대해 L이며, 광 도파관(82,84)에 대해서는 L+ΔL이다. 실효 광로차(nㆍΔL)는 1,15㎛로 설정된다. 여기서, ΔL은 0.79㎛이다. 왜냐하면 석영 성분 광 도파관의 굴절율은 약 1.45이기 때문이다. ΔL은 제22a도에서 2개의 방향성 결합기 (85,86) 사이의 곡선 도파관과 직선 도파관의 길이에서의 약간의 차를 이용하여 사진석판술 마스크 패턴 단계에서 정확하게 설정될 수 있다.
광 도파관(82,83)의 광로 길이와 2개의 방향성 결합기(85,86) 사이의 광 도파관(83,84)의 광로 길이는 작은 크기 ΔL 정도로 서로 다르다. 3펜스형(penciltype) Mach-Zehnder간섭계의 광로차는 2개의 방향성 결합기(85,86) 사이의 위상차를 발생하며 위상차 θ는 다음과 같이 주어진다.
θ=2πㆍnㆍΔL/λ (5)
여기서 n은 광 도파관의 굴절율이며 λ는 파장이다. 제24a도의 전체 펜슬형 Mach-Zehnder간섭계의 전력 결합 비율 Ci은 다음과 같이 표현된다.
Ci=Psub/(Pmain+2Psub) (6)
그리고
Ci=2cos2(θ/2)ㆍsin2 ψ[1-cos2(θ/2)sin2 ψ] (7)
여기서ψ는 단일(3x) 방향성 결합기(85 또는 86)의 결합 비율을 규정하는 변수이다.
참고를 위해, 여기서 θ=0, 즉 ΔL=0 방정식(7)은 다음과 같이 변환된다.
CiO=[sin2(2ψ)]/2 (7')
본 발명은 방향성 결합기의 파장 종속도를 규정하는 결합항 sin2 ψ이 위상항 cos2(θ/2)에 의해 곱해지는 형태로 방정식(7)에서 나타나는 것에 특히 주목하고 있다. 바꾸어 말하자면, 본 발명은 방정식(7)에서 sin2 ψ항의 파장 종속도가 방정식(5)에서 위상차 θ의 파장 종속도에 의해 상쇄될 수 있는 원리를 기초로 하고 있다. sin2 ψ항의 파장 종속도를 cos2(θ/2)항의 파장 종속도로 상쇄시켜 원하는 파장 영역에서 거의 작은 파장 종속도의 원하는 결합 비율을 얻기 위해서 단일 방향성 결합기(85 또는 86)의 결합 비율 C의 파장 종속도를 적당히 결정하여, 방정식(7)을 고려하여 그 차이(nㆍΔL)를 적당히 규정할 필요가 있다.
제23도는 상기 실시예의 광 분기 소자의 결합 비율 Ci의 파장 종속도를 도시하는 그래프로서 곡선(a)은 광 분기 소자를 구성하는 단일 방향성 결합기(85 또는 86)의 결합 특성을 도시하며, 곡선(b)은 본 발명의 실시예에 따른 Mach-Zehnder간섭계 형태의 광 분기 소자의 전체 결합 비율 특성을 도시한다. 여기서 nㆍΔL=1.15㎛이며, 곡선(c)은 방정식(7')에서 결합비율 CiO에 대응하는 nㆍΔL=0.0㎛일때의 결합비율 특성을 도시한다.
곡선(a) 및 (c)에서 결합비율은 파장의 증가와 함께 1.3㎛ 내지 1.55㎛의 파장 영역에서 단조롭게 증가한다. 곡선(b)에서 다른 한편으로 결합비율은 약 1.4㎛에서 피크를 갖도륵 변하며, 1.2㎛ 내지 1.6㎛의 파장 영역에서 33%±5%내로 유지된다. 이는 본 실시예의 광 분기 소자의 결합 비율의 단조로운 증가는 설정치(nㆍΔL)의 효과에 의해 제한되기 때문이다. 다른말로 하자면, sin2 ψ항의 증가는 방정식(7)에서 cos2(θ/2)항에 의해 제한되며, 상기 항의 값 θ는 방정식(5)에서 (nㆍΔL)에 의해 결정된다. 이 경우, 만약 λ0=nㆍΔL인 경우, θ=2π는 파장 λ가 λ0와 같을때 얻어진다. 따라서, 파장 λ가 λ0와 같은 경우(λ0=nㆍΔL), 방정식(7)은 방정식(7')으로 줄어들고, 곡선(b)와 (c)는 제23도의 상기 지점에서 일치한다.
λ가 λ0이상으로 증가할때 그리고 λ1이상까지도 증가할때 cos2(θ/2)항은 1부터 감소하기 시작하고, sin2 ψ항의 증가를 상쇄시키는 역할을 한다.
상술된 바와 같이, 상기 실시예에서 위상차 θ=2πλ0/λ에 대응하는 광로차가 2개의 방향성 결합기에 제공되고, 상기 결합기의 결합비율 c는 차이가 존재하지 않는 경우 50%로 단순 증가한다. 그래서 (nㆍΔL)에 의해 발생된 비대칭성을 갖는 2개의 방향성 결합기를 포함하는 전체 시스템을 제공한다. 이는 다음 광 분기 소자의 결합비율 Ci가 50%에 도달하는 것을 방지하며 따라서 최대 결합 비율은 λ1내지 λ2의 원하는 파장 영역의 중심에서 생긴다.
본 발명에 있어서, 실효 광로차(nㆍΔL) 또는 ΔL은 정확하게 설정되어야 한다. 만약 nㆍΔL이 1.15㎛ 내지 1.4㎛의 적정치로부터 벗어나는 경우, 파장 종속도의 원하는 완만한 변화는 얻어질 수 없다. 그래서, 초미크로보다 더 높은 정확도가 (nㆍΔL)과 ΔL을 설정하는데 요구된다. 그러나, 이는 상술된 바와 같이, 현재의 사진석판술에 의해 쉽게 달성될 수 있다.
본 실시예의 (3×3)광 분기 소자는 소형이며, 그 크기는 길이가 25㎜ 및 폭이 2.5㎜이며, 약 40개 소자가 3인치 실리콘 웨이퍼 기판상에 동시에 구성될 수 있다.
상기 실시예의 광 분기 소자의 광 손실은 약 0.2㏈정도로 아주 낮다. 입력 및 출력포트에 접속된 단일 모드 광섬유와 상기 소자 사이의 접속 손실을 포함하여 광 분기 소자의 전체 전력 손실은 약 0.5㏈이며, 이는 실용상으로 이용되는 충분히 낮은 값이다.
상기 실시예에서 2개 방향성 결합기(85,86)의 결할 비율은 이해의 편리를 위해 동일하게 설정된다. 그러나, 본 발명은 이에만 한정되지 않는다. 2개 방향성 결합기의 서로 다른 결합 특성은 (3×3)광 분기 소자의 파장 종속도를 감소시키기 위해 바람직하다. 이는 다음 실시예에서 기술하기로 한다.
[실시예 12]
제24도는 (3×3)분기 소자의 결합 비율의 파장 종속도를 도시한 그래프이며 여기서, 2개의 방향성 결합기(85,86)는 서로 다른 결합 특성을 갖는다. 제24도에서, 곡선(a)은 방향성 결합기(85)의 결합 비율 특성을 도시하며, 곡선(b)은 다른 방향성 결합기(86)의 결합 비율 특성을 도시하며, 상기 결합기의 결합 길이는 방향성 결합기(85) 길이보다 3배 더 길다. 곡선(c)은 3도파관 간섭계형 (3×3)광 분기 소자의 전체 결합 비율 특성을 나타내며, 여기서, 광 도파관(82,83)과 광 도파관(84,83)의 실효 광로차는 (nㆍΔL)=1.06㎛로 설정된다.
방향성 결합기(85,86)의 기본 구조는 다음과 같다.
방향성 결합기(85)
도파관 사이의 거리 4㎛
결합길이 0.6㎜
방향성 결합기(86)
도파관 사이의 거리 4㎛
결합길이 1.8㎜
상기 실시예의 광 분기 소자는 보다 낮은 파장 종속도틀 가지며, 상기 소자의 결합 특성은 제24도에서 곡선(c)으로 도시되어 있으며 다시말해 상기 종속도는 결합 특성이 제23도에서 곡선(b)으로 도시된 광 분기 소자보다 넓은 파장에서 보다 평탄한 결합 특성을 갖는다.
2개의 방향성 결합기(85,86)가 서로 다른 결합 특성을 갖는 경우, 상기 실시예의 광 분기 소자의 전체 결합 비율을 나타내는 방정식은 방정식(7)보다 복잡해진다. 따라서, 특정 파장 영역에서 파장 종속도를 감소시킬 수 있는 결합 방정식의 해를 구하는 것이 바람직하다. 그러나 이는 실효 광로차(nㆍΔL)의 적정한 설정에 의해 방향 결합기가 원래 갖는 파장 종속도를 감소시킬 수 있다는 사실에 영향을 미치지 않는다.
한편, 2개의 방향성 결합기(85,86)의 위치에서의 변화는 같은 결합 특성의 광 분기 소자를 얻을 수 있다.
[실시예 13]
제25도는 본 발명의 제13실시예에 대한 특성을 나타낸다. 즉 (3×3)광 분기 소자의 결합 비율의 파장 종속도를 나타내는 그래프이며, 상기 소자의 결합 비율은 1.1㎛ 내지 1.8㎛의 넓은 파장영역에서 약 10%로 유지된다.
상기 실시예에서 2개의 방향성 결합기(85,86)는 실시예 12와 같이 서로 다른 결합 특성을 갖는다.
방향성 결합기(85,86)의 기본 구조는 다음과 같다.
방향성 결합기(85)
도파관 사이의 거리 4㎛
결합 길이 0.6㎜
방향성 결합기(86)
도파관 사이의 거리 4㎛
결합 길이 1.0㎜
실효 광로차(nㆍΔL) 1.0㎛
상술된 방향성 결합기의 결합 영역의 구조적 변수는 방향성 결합기 구조에 아주 민감하기 때문에, 제조 공정의 여러가지 특성을 고려하여 적당히 변형될 수 있다.
상기 실시예 11 내지 13에서 결합 특성은 광 신호가 3개 도파관(82,83,84)의 중심 도파관(83)의 끝인 입력포트(88)에 주입될때 얻어진다. 이는 사용의 형태가 가장 일반적이기 때문이다. 그러나 본 발명의 광 분기 소자는 광 신호가 다른 입력포트(87 또는 89)에 삽입되었을 때도 파장 종속도를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 보다 큰 세기차가 일반적으로 출력포트(90,91)로부터의 광학 출력 세기 사이에서 나타낸다.
또한, 상기 실시예 11 내지 13에서, 도파관(82,84)의 실효 광로는 2개의 방향성 결합기 사이의 도파관(83)의 광로 길이(nㆍΔL)보다 더 길다 상기 광로 길이의 변화때문에, 도파관(82,84)의 실효 광로 길이는 도파관(83)의 광로 길이보다 (nㆍΔL)과 2(nㆍΔL)만큼 더 길게 설정된다. 이는 또한 (3×3)광 분기 소자를 얻을 수 있으며, 여기서 파장 종속도는 감소된다. 이 경우, 중심 입력 포트(88)에 주입된 광 신호는 대칭성의 부족으로 인해 출력포트(90,92)에 동일하게 분배되지 않는 것이 분명하다.
상기 실시예 11 내지 13에서, 방향성 결합기(85,86)의 결합 영역에서 광 도파관(82,84)을 중심 도파관(83)에 대해 대칭적이다. 그러나 대칭성은 무시할 수도 있다. 예를들어, 광 도파관(82,83) 사이의 거리가 광 도파관(83,84) 사이의 거리보다 더 넓게 설정되면, 따라서 출력포트(9)로부터의 광 출력은 광 신호가 중심 도파관(83)의 입력포트(88)에 주입되었을때 출력포트(92)로부터의 광 출력보다 적다. 이 경우, 결합 특성의 파장 종속도는 (nㆍΔL)을 제공하여 감소된다.
또한, 본 발명의 광 분기 소자는 3개의 입력포트와 3개의 출력포트가 제공되는 기본 (3×3)구조를 갖는다. 그러나 이는 여러가지 방법으로 변형될 수 있으며, 예를들어 3개중에서 2개의 입력포트를 생략하여 (1×3)결합기가 얻어질 수 있다.
상술된 실시예에서, 광 분기 소자는 실리콘 기판상에 석영 성분(SiO2-TiO2) 광 도파관을 이용하여 형성 될 수 있다. 그러나 상기 기판은 실리콘 기판에만 한정되지 않는다. 실리콘 유리기판도 사용될 수 있다. 또한 코어의 주 도펀트로서 GeO2를 사용하는 SiO2-GeO2성분 광 도파관이 또한 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 석영 성분 광 도파관에도 적용될뿐만 아니라 여러가지 성분의 유리계 또는 리튬니오베이트계와 같은 다른 재질의 도파관에도 적용될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서, (nㆍΔL)은 2개의 방향성 결합기를 접속하는 2개의 광 도파관의 길이의 차로서 설정되어 있지만, 다른 장치도 가능하다. 예를들어, 실효 광로차는 2개의 광 도파관의 길이를 동일하게 유지하는 한편 2개의 광 도파관의 굴절율을 약간 변화시켜 제공될 수 있다. 또한, 방향성 결합기 사이의 광 도파관상에 제공된 박막 히터는 열 광학 효과를 이용하여 광 도파관의 굴절율을 변화시킬 수 있다. 그리고 그에 의해 실효 광로차를 조정할 수 있으며 따라서 원하는 광 분기 소자를 얻는다. 또한, 결합 비율의 파장 종속도는 큰 값과 작은 값 사이에서 파장 종속도를 변화시키기 위해 전환이 될 수 있다. 이는 최초에 ΔL로 설정된 실효 광로 길이를 변화시키기 위해 긴 또는 짧은 도파관중 어느 하나상에 제공된 박막 히터를 온 또는 오프시켜 이루어질 수 있다.
상기는 실시예 1 내지 13에 따른 도파형 광학 소자의 설명이다.
본 발명의 도파형 광 분기 소자는 넓은 파장 영역에서 광 신호를 분배, 모니터 또는 탭핑하기 위해 광범위하게 사용될 수 있다는 것으로 기대된다.
또한 본 발명의 광 분기 소자는 2개 또는 3개 광 빔을 멀티플렉싱시키는 광 조합기로서 사용될 수 있는 것으로 기대된다.
또한, 본 발명의 광 분기 소자는 평면 기판상에 다단계 구성을 형성하기 위해 본 발명의 광 분기 소자를 연결하여 4분기소자, 8분기소자, 9분기 또는 27분기소자에도 적용될 수 있다. 또한 어레이 형태의 단일 기판상에 부착된 광 분기 소자는 실제 사용이 되도록 250피치의 광섬유 어레이에 접속된다. 또는 짧은 도파관 중 어느 하나상에 제공된 박막 히터를 온 또는 오프시켜 이루어질 수 있다.
상기는 실시예 1 내지 13에 따른 도파헝 광학 소자의 설명이다.
다음은 본 발명의 도파형 광 스위치의 설명이다.
본 발명의 도파형 광 분기 소자는 넓은 파장 영역에서 광 신호를 분배, 모니터 또는 탭핑하기 위해 광범위하게 사용될 수 있다는 것으로 기대된다.
또한 본 발명의 광 분기 소자는 2개 또는 3개 광 빔을 멀티플렉싱시키는 광 조합기로서 사용될 수 있는 것으로 기대된다.
또한, 본 발명의 광 분기 소자는 평면 기판상에 다단계 구성을 형성하기 위해 본 발명의 광 분기 소자를 연결하여 4분기소자, 8분기소자, 9분기 또는 27분기소자에도 적용될 수 있다. 또한 어레이 형태의 단일 기판상에 부착된 광 분기 소자는 실제 사용이 되도록 250피치의 광섬유 어레이에 접속된다.
본 발명의 광 분기 소자는 평면 기판상에 크게 제조될 수 있으며, 이는 광 분기 소자의 비용을 감소시킨다. 그 결과 본 발명의 광 분기 소자와 이들의 응용 소자는 광 통신 시스템의 분배에 크게 기여하는 것으로 기대된다.
본 발명은 본원의 사상과 범주를 벗어나지 않고 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (12)

  1. 적어도 2개 이상의 광 도파관을 가지며 그 광 도파관이 다수의 위치에서 서로 근접하여서 복수개의 방향성 결합기를 구성하고 상기 적어도 2개의 광 도파관의 각 한쪽의 단부는 입력 포트, 각 다른쪽의 단부는 출력 포트로된 도파형 광 분기 소자에 있어서, 상기 복수개의 방향성 결합기중 2개의 임의로 선정된 인접하는 방향성 결합기의 사이에 적어도 1개의 광 도파관의 실효 광로 길이는 다른 광 도파관 길이의 실효 광로 길이와 다르며 이 실효 광로 길이의 차이가 광 분기 소자의 동작 파장 영역의 가장 짧은 파장 이하임과 더불어 상기 2개의 인접 방향성 결합기의 결합 비율이 상기 동작 파장 영역에서 단조 증가하도록 설정되어 있는 도파형 광 분기 소자.
  2. 제1항에 있어서. 상기 2개 이상의 광 도파관은 기판상에 배치되는 도파형 광분기 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 2개 이상의 광 도파관은 광섬유로 구성되는 도파형 광 분기 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도파형 광 분기 소자는 2개의 입력 포트와 2개의 출력 포트를 가지는 도파형 광 분기 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 도파형 광 분기 소자는 3개의 입력 포트와 3개의 출력 포트를 가지는 도파형 광 분기 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 2개의 인접 방향성 결합기의 결합 비율은 서로 다르게 설정되는 도파형 광 분기 소자.
  7. 제2항에 있어서, 상기 2개의 인접 방향성 결합기의 결합 비율은 서로 다르게 설정되는 도파형 광 분기 소자.
  8. 제3항에 있어서, 상기 2개의 방향성 결합기의 결합 비율은 서로 다르게 설정되는 도파형 광 분기 소자.
  9. 제4항에 있어서, 상기 2개의 방향성 결합기의 결합 비율은 서로 다르게 설정되는 도파형 광 분기 소자.
  10. 제5항에 있어서, 상기 2개의 방향성 결합기의 결합 비율은 서로 다르게 설정되는 도파형 광 분기 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 도파형 광 분기 소자는 상기 인접 방향성 결합기 사이의 실효 광로 길이를 미세하게 조정하기 위한 광 이상기를 구비하며, 상기 광 이상기는 상기 인접 방향성 결합기를 연결하는 2개 이상의 광 도파관중의 적어도 하나에 위치되는 도파형 광 분기 소자.
  12. 제2항에 있어서, 상기 도파형 광 분기 소자는 상기 인접 방향성 결합기 사이의 실효 광로 길이를 미세하게 조정하기 위한 광 이상기를 구비하며, 상기 광 이상기는 상기 인접 방향성 결합기를 연결하는 2개이상의 광 도파관중의 적어도 하나에 위치되는 도파형 광 분기 소자.
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