WO2024117360A1 - Integrated optical isolator and circulator element - Google Patents

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WO2024117360A1
WO2024117360A1 PCT/KR2022/020605 KR2022020605W WO2024117360A1 WO 2024117360 A1 WO2024117360 A1 WO 2024117360A1 KR 2022020605 W KR2022020605 W KR 2022020605W WO 2024117360 A1 WO2024117360 A1 WO 2024117360A1
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WO
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optical waveguide
optical
polarization
phase shifter
input
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PCT/KR2022/020605
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
김경헌
김승환
박범수
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주식회사 포토니솔
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths

Definitions

  • the present invention relates to an integrated optical isolator and a circulator device, and more specifically, to an integrated device having an optical isolator function and an optical circulator function for all input polarized light.
  • Integrated optical isolators and optical circulator elements are essential for generating stable optical signals from laser diodes used in large-capacity optical transmission and reception modules, as well as photonics such as optical interposers and optical interconnects. It is an important element that is essential for integrated modules and circuit configurations.
  • devices that form all or part of an optical interferometer using an optical waveguide made of magneto-optical material have the disadvantage of being disadvantageous in integration with other waveguide devices and operating only in horizontal or vertical polarization.
  • devices using an irreversible phase shifter that uses silicon or other materials as an optical waveguide but attaches a magneto-optical thin film to the top have not reached the level of mass production and practical use.
  • the purpose of the present disclosure is to provide an integrated optical isolator and circulator element.
  • the problem to be solved by the present disclosure is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention.
  • the present disclosure will be understood more clearly by the examples.
  • the problems and advantages to be solved by the present disclosure can be realized by the means and combinations thereof indicated in the patent claims.
  • an integrated optical isolator and circulator device includes an input optical coupler connected to an input optical waveguide and an output optical coupler connected to an output optical waveguide; a first optical waveguide arm and a second optical waveguide arm connecting between the input optical coupler and the output optical coupler; an irreversible phase shifter formed on the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm; an input reversible polarization rotator located between the input optical coupler and the irreversible phase shifter, and an output reversible polarization rotator located between the irreversible phase shifter and the output optical coupler; and a polarization-dependent reversible phase shifter positioned between the irreversible phase shifter and the output optical coupler, wherein the input reversible polarization rotator and the output reversible polarization rotator are formed on the first optical waveguide arm, A polarization-dependent reversible phase shifter may be formed on
  • the optical isolator and optical circulator functions can be performed with an integrated optical isolator and circulator element of the same structure for all input polarizations.
  • Figure 1 is a diagram showing an integrated optical isolator and a circulator element according to an embodiment.
  • Figure 2 is a diagram showing the connection relationship between components of an integrated optical isolator and a circulator element according to an embodiment.
  • Figure 3 is a diagram showing a cross section of an irreversible phase shifter according to an embodiment.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of a reversible polarization rotator according to an embodiment.
  • Figure 5 is a diagram showing a polarization-dependent reversible phase shifter according to an embodiment.
  • Figure 6 is a graph showing the effective refractive index distribution for each waveguide mode of a channel optical waveguide according to a change in the width of the optical waveguide according to an embodiment.
  • Figure 7 is a diagram showing an integrated optical isolator and circulator element having three input ports according to an embodiment.
  • An integrated optical isolator and circulator element comprising: an input optical coupler connected to an input optical waveguide and an output optical coupler connected to an output optical waveguide; a first optical waveguide arm and a second optical waveguide arm connecting between the input optical coupler and the output optical coupler; an irreversible phase shifter formed on the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm; an input reversible polarization rotator located between the input optical coupler and the irreversible phase shifter, and an output reversible polarization rotator located between the irreversible phase shifter and the output optical coupler; and a polarization-dependent reversible phase shifter positioned between the irreversible phase shifter and the output optical coupler, wherein the input reversible polarization rotator and the output reversible polarization rotator are formed on the first optical waveguide arm,
  • a polarization-dependent reversible phase shifter may provide an integrated optical isolator and circulator element formed on the second optical waveguide arm
  • the terms used in the embodiments are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the embodiments, but this is due to the intention or precedent of technicians working in the technical field to which the embodiments belong, the emergence of new technology, etc. It may vary depending on In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the relevant section. Therefore, the terms used in the embodiments should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the embodiments, rather than simply the name of the term.
  • Figure 1 is a diagram showing an integrated optical isolator and a circulator element according to an embodiment.
  • the integrated optical isolator and circulator element 100 includes an input optical waveguide (105a, 105b), an input optical coupler (101a), an input reversible polarization rotator (110a), and an irreversible phase. It may include a shifter 103, an output reversible polarization rotator 110b, a polarization-dependent reversible phase shifter 120, an output optical coupler 101b, and an output optical waveguide 106a, 106b.
  • the integrated optical isolator and circulator element 100 includes a first optical waveguide arm 102a and a second optical waveguide arm 102b connecting between the input optical coupler 101a and the output optical coupler 101b. It can be included.
  • the input optical waveguides 105a and 105b are ports through which light is incident from a light source. Light is incident through one input optical waveguide 105a and travels to the integrated optical isolator and circulator element 100 and is transmitted to the output optical waveguide ( 106a). At this time, if the light traveling to the integrated optical isolator and circulator element 100 in the opposite direction through the output optical waveguide 106a is not output to the input optical waveguide 105a, the integrated optical isolator and circulator element (100) can function as an optical isolator.
  • the integrated optical isolator and circulator Device 100 may function as an optical circulator.
  • the optical couplers 101a and 101b are optical passive elements that have the function of distributing or splitting optical signals into two or more to propagate, or conversely, combining two or more optical signals that have been propagated into one. That is, the optical couplers 101a and 101b can function as both an optical splitter and an optical combiner.
  • the optical couplers 101a and 101b have N depending on the terminal structure of the input and output terminal. It has the shape of M. For example, if the number of optical fibers at the optical coupler input end is N and the number of optical fibers at the optical coupler output end is M, the optical couplers 101a and 101b have N It may have the form M.
  • the input optical coupler 101a and the output optical coupler 101b may each be a 3dB optical coupler.
  • the input optical coupler 101a has 2 2 form or 3 It may have a 2 shape
  • the output stage optical coupler 101b has 2 2 form or 2 It can have 3 forms.
  • the input optical coupler (101a) and the output optical coupler (101b) are each 3 2 forms and 2 Embodiments of the three types of integrated optical isolator and circulator element 100 will be described later with reference to FIG. 7.
  • the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b are waveguides configured to allow light propagated through the input optical coupler 101a to proceed respectively and be combined at the output optical coupler 101b. It can be.
  • the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b may be channel-type silicon optical waveguides formed on an oxide layer of a silicon on insulator (SOI) substrate.
  • SOI silicon on insulator
  • the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b form an optical waveguide in a channel shape on a silicon substrate on the top of the SOI substrate, and an oxide film (for example, an oxide film) is formed around the upper part of the optical waveguide. , It may be created by forming an oxide film made of silicon dioxide.
  • the first and second optical waveguide arms 102a and 102b are formed as described above, and the optical waveguide arms 102a and 102b include an irreversible phase shifter 103 in which the oxide film is removed on the upper part of the waveguide and a magneto-optical thin film is formed, and a reversible phase shifter 103 is provided.
  • Elements such as polarization rotators 110a and 110b may be integrated.
  • the input reversible polarization rotator 110a and the output reversible polarization rotator 110b convert vertical (Transverse Electric Wave, TE) polarization into horizontal (Transvers Magnetic Wave, TM) polarization, or TM polarization into TE polarization. can do.
  • a pair of two reversible polarization rotators 110a and 110b may exist on the first optical waveguide arm 102a.
  • the irreversible phase shifter 103 can irreversibly change the phase of an optical signal using a magneto-optic effect material.
  • the magneto-optical effect of a magneto-optical material that is, the Faraday effect, is a magneto-optical effect in which the polarization axis of an optical signal rotates under the influence of an external magnetic field, and the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b )
  • the polarization axis may rotate by a predetermined angle.
  • the predetermined angle may be determined by the length of the irreversible phase shifter 103 and the size of the external magnetic field or residual magnetic field, or the predetermined angle may be determined by the size of the optical signal passing through the irreversible phase shifter 103. It may vary depending on the wavelength.
  • TE polarized light or TM polarized light passes through the irreversible phase shifter 103, the effect on the propagation speed of TE polarization is minimal, but it may have a significant effect on the propagation speed of TM polarization.
  • the progressing speed of each polarization can be adjusted through the polarization-dependent reversible phase shifter 120, which will be described later, so that the integrated optical isolator and circulator element 100 can perform a complete optical isolator or optical circulator function.
  • the irreversible phase shifter 103 may be formed connected to the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b as shown in FIG. 1, but may be formed separately. It may be (not shown).
  • the irreversible phase shifter 103 includes a first irreversible phase shifter 103 formed on the first optical waveguide arm 102a and a second irreversible phase shifter formed on the second optical waveguide arm 102b. It may include a device 103.
  • the first irreversible phase shifter 103 and the second irreversible phase shifter 103 may be separated from each other, or may be connected to each other.
  • the phase is reversibly changed to have a positive phase value or a negative phase value compared to the phase of an optical signal traveling through a general optical waveguide depending on the type of polarization input to the polarization-dependent reversible phase shifter 120.
  • the polarization-dependent reversible phase shifter 120 adjusts the width of the optical waveguide or changes the type of clad on the upper part of the optical waveguide according to the refractive index to control the passage of light. Speed can be changed.
  • the polarization-dependent reversible phase shifter 120 transmits optical light traveling through the integrated optical isolator and circulator element 100 in the forward direction (i.e., from the input optical waveguide 105a to the output optical waveguide 106b).
  • An optical signal propagates through the integrated optical isolator and circulator element 100 in the reverse direction (i.e., from the output optical waveguide 106a to the input optical waveguide 105a) so that constructive interference occurs in the output optical waveguide 106b.
  • the width and length of the optical waveguide inside the polarization-dependent reversible phase shifter 120 or the refractive index of the upper clad can be adjusted so that destructive interference occurs in the input optical waveguide 105a.
  • the integrated optical isolator and circulator element 100 is output only in the direction of the output optical waveguide 106a and the light cannot return to the input optical waveguide 105a, so the integrated optical isolator and circulator device
  • the device 100 may implement a function as an optical isolator.
  • the optical signal traveling in the opposite direction through the integrated optical isolator and circulator element 100 causes destructive interference in one input optical waveguide 105a, but constructive interference occurs in the other input optical waveguide 106a,
  • the width of the optical waveguide inside the polarization-dependent reversible phase shifter 120 or the refractive index of the upper clad can be adjusted.
  • the light incident on one input optical waveguide 105a and traveling in the forward direction through the integrated optical isolator and circulator element 100 proceeds to the output optical waveguide 106b and is incident on the output optical waveguide 106b. Therefore, the light traveling in the reverse direction through the integrated optical isolator and circulator element 100 is output only to the other input optical waveguide 105b, so the integrated optical isolator and circulator element 100 can implement the function as an optical circulator. You can.
  • Figure 2 is a diagram showing the connection relationship between components of an integrated optical isolator and a circulator element according to an embodiment.
  • the integrated optical isolator and circulator element 200 includes an input optical waveguide (205a, 205b), an input optical coupler (201a), a first optical waveguide arm (202a), and an input reversible polarization rotator (210a).
  • an irreversible phase shifter (203), an output-end reversible polarization rotator (210b), a second optical waveguide arm (202b), a polarization-dependent reversible phase shifter (220), an output-end optical coupler (201b), and an output-end optical waveguide (206a, 206b) includes the input optical waveguides 105a and 105b, the input optical coupler 101a, the first optical waveguide arm 102a, and the input reversible polarization rotator of the integrated optical isolator and circulator element 100 described above in FIG.
  • an irreversible phase shifter 103 an irreversible phase shifter 103, an output reversible polarization rotator 110b, a second optical waveguide arm 102b, a polarization-dependent reversible phase shifter 120, an output optical coupler 101b, and an output optical waveguide ( It may be the same as 106a, 106b). Therefore, overlapping descriptions will be omitted.
  • the input optical coupler 201a and the output optical coupler 201b may be connected to the input optical waveguides 205a and 205b and the output optical waveguides 206a and 206b, respectively.
  • the first optical waveguide arm 202a and the second optical waveguide arm 202b may be connected between the input optical coupler 201a and the output optical coupler 201b.
  • the first optical waveguide arm 202a may configure a first path along which light travels
  • the second optical waveguide arm 202b may configure a second path along which light travels.
  • the light incident on the input optical waveguides 205a and 205b passes through the input optical coupler 201a to the first optical waveguide arm 202a forming the first path and the second optical waveguide arm forming the second path ( It can be branched out through 202b).
  • the irreversible phase shifter 203 may be formed in the first optical waveguide arm 202a and the second optical waveguide arm 202b.
  • a pair of reversible polarization rotators 210a and 210b may be formed on the first optical waveguide arm 202a.
  • the input reversible polarization rotator 210a may be located between the input optical coupler 201a and the irreversible phase shifter 203
  • the output reversible polarization rotator 210b may be located between the irreversible phase shifter 203. and the output end optical coupler 201b.
  • the light traveling the first path passes through a pair of reversible polarization rotators (210a, 210b) and an irreversible phase shifter (203) located between the pair of reversible polarization rotators (210a, 210b) to the output end light. You can proceed with the coupler (201b).
  • a polarization-dependent reversible phase shifter 220 may be formed on the second optical waveguide arm 202b.
  • the polarization-dependent reversible phase shifter 220 may be located between the irreversible phase shifter 203 and the output optical coupler 201b. Accordingly, light traveling through the second path may proceed to the output optical coupler 201b through the irreversible phase shifter 203 and the polarization-dependent reversible phase shifter 220. As a result, each light traveling through the first path and the second path may be combined at the output end optical coupler 201b and output through the output end optical waveguides 206a and 206b.
  • Figure 3 is a diagram showing a cross section of an irreversible phase shifter according to an embodiment.
  • the cross section of the irreversible phase shifter may represent the cross section A-A' of FIG. 1. That is, the irreversible phase shifter of FIG. 3 may be the same as the irreversible phase shifter 103 of FIG. 1 and the irreversible phase shifter 203 of FIG. 2 .
  • the irreversible phase shifter may be formed in the channel-type first optical waveguide arm 312 formed on the oxide layer 311 of the SOI substrate.
  • the irreversible phase shifter may be formed by coating the magnetic thin film 314 with clad.
  • the first optical waveguide arm 312 is a channel-type optical waveguide formed on the oxide film layer 311 of the SOI substrate and is created by forming the oxide film 313 on the optical waveguide
  • the irreversible phase shifter is formed on the optical waveguide. It can be created by etching a portion of the upper oxide film 313 and the first optical waveguide arm 312 and forming a magneto-optical thin film layer 314 on the etched portion. If the residual magnetic field of the magneto-optical thin film 314 is weak, an additional magnetic thin film 315 may be formed on the top.
  • the irreversible phase shifter is created by coating an oxide film formed on the top of the first optical waveguide arm 312 and a mask thin film on the oxide film, and removing the upper mask layer in the area where the irreversible phase shifter is to be generated from the coated mask layer, It can be created by performing an oxide film etching process on the area from which the mask layer was removed, coating and heat treating the magneto-optical thin film 314. At this time, as described above, if the residual magnetization of the coated magneto-optical thin film 314 is low, the magnetic thin film 315 may be additionally coated and magnetized.
  • the residual magnetization of the magneto-optical thin film 314 or the magnetization of the additional magnetic thin film 315 may be magnetized in a direction perpendicular to the direction of optical signal propagation of the optical waveguide arm 312.
  • the magneto-optical thin film 314 may be coated at an inclination angle with respect to the travel direction of the first and second optical waveguide arms, and may be magnetized perpendicular to the travel direction of the first and second optical waveguide arms.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of a reversible polarization rotator according to an embodiment.
  • the cross section of the reversible polarization rotator may represent the B-B' cross section of FIG. 1. That is, the reversible polarization rotator of FIG. 4 may be the same as the input and output reversible polarization rotators 110a and 110b of FIG. 1 and the input and output reversible polarization rotators 210a and 210b of FIG. 2 .
  • the reversible polarization rotator may be formed by etching the channel-type first optical waveguide arm 412 formed on the oxide layer 411 of the SOI substrate.
  • the first optical waveguide arm 412 is a channel-type optical waveguide 412 formed on the oxide layer 411 of the SOI substrate, and a portion of the corner of the first optical waveguide arm 412 ( After etching 416), an oxide film 413 may be formed on the optical waveguide 412.
  • the reversible polarization rotator removes the upper mask layer of the area 416 to be etched to create a polarization rotator among the mask layers coated on the top of the first optical waveguide arm 412, and It can be created by performing an etching process on a portion of the waveguide, removing the mask layer, and then forming an oxide layer 413 on the top of the first optical waveguide arm 412.
  • the polarization rotator has a structure formed by etching a portion of the edge 416 of the first optical waveguide arm 412, as well as a structure in which an asymmetric groove is formed in the first optical waveguide arm 412 and the first optical waveguide arm 412.
  • One side of (412) may have an inclined structure, etc., and the structure of the polarization rotator is not limited to this.
  • Figure 5 is a diagram showing a polarization-dependent reversible phase shifter according to an embodiment.
  • the polarization-dependent reversible phase shifter of FIG. 5 may be the same as the polarization-dependent reversible phase shifter 120 of FIG. 1 and the polarization-dependent reversible phase shifter 220 of FIG. 2 .
  • the polarization-dependent reversible phase shifter includes one or more input ports 525a and 525b, an input polarization splitter 521a, a high-speed optical waveguide 524, a low-speed optical waveguide 523, and an output polarization splitter ( 521b) and one or more output ports 526a and 526b.
  • the input polarization splitter 521a may separate light traveling through the second optical waveguide arm into TE polarization and TM polarization.
  • the input polarization splitter 521a can separate TE polarization and TM polarization by using the principle that the propagation constants of TE polarization and TM polarization are different depending on the characteristics of the optical waveguide.
  • the TM polarization and TE polarization separated by the input polarization splitter 521a may propagate to the high-speed optical waveguide 524 or the low-speed optical waveguide 523, respectively.
  • the high-speed optical waveguide 524 is an optical waveguide in which the relative speed of light is higher than that of a general optical waveguide and the propagation speed of one polarization is higher than the propagation speed of the other polarization, and is comprised of the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm.
  • the waveguide width is narrower than the width of a general optical waveguide or has an upper clad with a low effective refractive index, it has a negative phase value compared to the phase of the optical signal passing through the general optical waveguide, thereby increasing the speed of light travel.
  • the waveguide width can be narrowed, or the upper clad can be changed to a material with a low effective refractive index.
  • the low-speed optical waveguide 523 is an optical waveguide in which the relative traveling speed of light is lower than that of a general optical waveguide and the traveling speed of polarization on one side is opposite, and the general optical waveguide of the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm
  • the waveguide has a width wider than the width or has an upper clad with a high effective refractive index, it has a positive phase value compared to the phase of an optical signal passing through a general optical waveguide, slowing down the speed of light.
  • the waveguide width can be made wider, or the upper clad can be changed to a material with a high effective refractive index.
  • a method of applying heat or irradiating a laser to the existing clad material on the upper part of the optical waveguides 523 and 524 can be utilized. You can.
  • the output terminal polarization splitter 521b may output the combined TE polarization and TM polarization transmitted through the high-speed optical waveguide 524 and the low-speed optical waveguide 523.
  • which optical waveguide the TE polarization and TM polarization travel through among the high-speed optical waveguide 524 and the low-speed optical waveguide 523 depends on the positions of the input ports 525a and 525b of the input terminal polarization splitter 521a.
  • the polarization-dependent reversible phase shifter of FIG. 5 represents an embodiment in which an optical signal is input to the input terminal polarization splitter 521a through the upper input port 525a.
  • TE polarization proceeds in a straight line and is input to the low-speed optical waveguide 523, but TM polarization crosses and is input to the high-speed optical waveguide 524.
  • the input polarization splitter 521a may further include an intermediate optical waveguide that allows TM polarization to traverse.
  • TM polarized light that has passed through the high-speed optical waveguide 524 can be output from the output port 526a by crossing through the intermediate optical waveguide at the output end polarization splitter 521b.
  • the split polarization path may vary depending on the structure of the input polarization splitter 521a, and the output port of the merged polarization may vary depending on the structure of the output polarization splitter 521b.
  • FIG. 6 is a graph showing the effective refractive index distribution for each waveguide mode of a channel optical waveguide with respect to a change in the width of the optical waveguide according to an embodiment.
  • the effective refractive index changes depending on the width of the optical waveguide used in the polarization-dependent reversible phase shifter.
  • the optical waveguide width is 300 nm and the lateral inclination is 80 degrees
  • the optical waveguide width changes at a wavelength of 1310 nm, looking at the modes and effective refractive index changes within the optical waveguide
  • the optical waveguide width is 230 nm.
  • the effective refractive index of TE polarized light and TM polarized light is relatively small, and the effective refractive index of TM polarized light is larger than that of TE polarized light.
  • the effective refractive index value may increase, and it can be seen that the effective refractive index of TE polarized light is greater than that of TM polarized light.
  • the optical isolator and All polarized light encountering the optical waveguide at the output end of the circulator element causes constructive interference, and conversely, light traveling in the opposite direction causes destructive interference at the optical waveguide at the input end.
  • the selection of the input ports (525a, 525b) and output ports (526a, 526b) of the polarization-dependent reversible phase shifter may also be changed.
  • an operational embodiment of the integrated optical isolator and circulator element 200 is shown assuming that TE polarized light or TM polarized light is input to the input optical waveguides 205a and 205b according to the above-described embodiment.
  • TE polarized light is input to the input end optical waveguide 205a
  • the TE polarized light is branched through the input end optical coupler 201a to the first path of the first optical waveguide arm 202a and the second path of the second optical waveguide arm 202b. 2 routes will be followed.
  • TE polarization traveling through the first path is converted into TM polarization through the input polarization rotator 210a, passes through the irreversible phase shifter 203, slows down, and is converted back into TE polarization through the output polarization rotator 210b. converted. That is, the TE polarized light that has traveled the first path arrives at the output optical coupler 201b at a reduced travel speed. The TE polarized light traveling the second path is not affected by the traveling speed as it passes through the irreversible phase shifter 203, so its speed is faster than the TE polarized light traveling the first path.
  • TE polarized light passing through the irreversible phase shifter 203 of the second path is input to the polarization-dependent reversible phase shifter 220 (specifically, the upper input port of the polarization-dependent reversible phase shifter 220),
  • a low-speed optical waveguide is used, thereby slowing down the speed. That is, the TE polarization that travels the second path slows down like the TE polarization that travels the first path, and is combined at the output end optical coupler 201b.
  • TM polarized light when TM polarized light is input to the input optical waveguide 205a, the TM polarized light is split through the input optical coupler 201a and passes through the first path of the first optical waveguide arm 202a and the second optical waveguide arm 202b. The second path is proceeded.
  • TM polarization traveling through the first path is converted into TE polarization through the input polarization rotator 210a, is not affected by the traveling speed while passing through the irreversible phase shifter 203, and is returned to TM through the output polarization rotator 210b. converted to polarized light. That is, the TM polarized light traveling the first path arrives at the output optical coupler 201b without being affected by the traveling speed.
  • the TM polarization traveling through the second path slows down as it passes through the irreversible phase shifter 203, making it slower than the TM polarization traveling through the first path.
  • the TM polarized light that has passed through the irreversible phase shifter 203 of the second path is input to the polarization-dependent reversible phase shifter 220 (specifically, the upper input port of the polarization-dependent reversible phase shifter 220),
  • the speed is increased by using a high-speed optical waveguide. That is, the TM polarized light that travels the second path has the same traveling speed as the TM polarized light that travels the first path, and is combined at the output end optical coupler 201b.
  • the integrated optical isolator and circulator element 200 can perform optical isolator and optical circulator functions regardless of input polarization, such as TE polarization and TM polarization.
  • Figure 7 is a diagram showing an integrated optical isolator and circulator element having three input ports according to an embodiment.
  • the input optical waveguides 705a, 705b, 705c and the output optical waveguides 706a, 706b, 706c are three optical waveguides. It can be done.
  • first and second optical waveguide arms (202a, 202b), a pair of polarization rotators (210a, 210b), the irreversible phase shifter (203), and the polarization-dependent reversible phase shifter (220).
  • the input optical coupler 701a and the output optical coupler 701b each have 3 2 forms and 2 It can have 3 forms.
  • one of the three optical waveguides 705a and 706a may be a bridge-type optical waveguide.
  • the input optical coupler 701a is tapered so that the three input ports 705a, 705b, and 705c are divided into a first optical waveguide arm 702a and a second optical waveguide arm 702b. You can.
  • the output end optical coupler 701b may be configured to be tapered so that the first optical waveguide arm 702a and the second optical waveguide arm 702b are divided into three output ports 706a, 706b, and 706c. .
  • the integrated optical isolator and circulator device uses a multimode interferometer structure, uses a Mach-Zehnder interferometer structure, uses an asymmetric directional coupler, uses a directional coupler consisting of a curved optical waveguide, or uses a multi-level optical coupler.
  • a directional coupler or a directional coupler composed of an optical waveguide with a groove an input optical waveguide (705a, 705b, 705c) and an output optical waveguide (706a, 706b, 706c) having three optical waveguides can be formed. there is.

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Abstract

The present invention may provide an integrated optical isolator and circulator element, comprising: an input end optical coupler connected to an input end optical waveguide and an output end optical coupler connected to an output end optical waveguide; a first optical waveguide arm and a second optical waveguide arm connecting the input end optical coupler and the output end optical coupler; an irreversible phase shifter formed on the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm; an input end reversible polarization rotator positioned between the input optical coupler and the irreversible phase shifter, and an output end reversible polarization rotator positioned between the irreversible phase shifter and the output end optical coupler; and a polarization-dependent reversible phase shifter positioned between the irreversible phase shifter and the output end optical coupler, wherein the input end reversible polarization rotator and the output end reversible polarization rotator are formed on the first optical waveguide arm, and the polarization-dependent reversible phase shifter is formed on the second optical waveguide arm.

Description

집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자 Integrated optical isolator and circulator elements
본 발명은 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모든 입력 편광에 대하여 광 아이솔레이터 기능 및 광 서큘레이터 기능을 가지는 집적 소자에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated optical isolator and a circulator device, and more specifically, to an integrated device having an optical isolator function and an optical circulator function for all input polarized light.
집적형 광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터 소자는 대용량 광송수신 모듈에 사용되는 레이저 다이오드의 안정적인 광신호 발생에 필수적으로 사용되는 소자임과 동시에 광 인터포저(Optical Interposer) 및 광배선(Optical Interconnect) 등의 광자 집적 모듈 및 회로 구성에 필수적으로 활용되는 중요한 소자이다.Integrated optical isolators and optical circulator elements are essential for generating stable optical signals from laser diodes used in large-capacity optical transmission and reception modules, as well as photonics such as optical interposers and optical interconnects. It is an important element that is essential for integrated modules and circuit configurations.
이러한 집적형 광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터 소자에 대한 다양한 연구개발 결과들이 보고되고 있으나, 기존 실리콘 반도체 공정에 적용하여 양산 가능한 수준으로 개발하지 못하고 있는 실정이다.Although various research and development results have been reported on these integrated optical isolators and optical circulator devices, they have not been developed to a level that can be mass-produced by applying them to existing silicon semiconductor processes.
예를 들어, 종래의 광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터 소자 중 자기광학 소재의 광 도파로를 이용하여 광 간섭계 전부 또는 일부를 구성하는 소자는 다른 도파로 소자와의 집적화에 불리하고 수평 또는 수직 편광에만 작동한다는 단점이 있으며, 실리콘 또는 다른 재료를 광 도파로로 사용하되 자기광학 박막을 상부에 접착하는 방식의 비가역적 위상 변이기를 사용하는 소자는 양산화 및 실용화 수준에 미치지 못하고 있다.For example, among conventional optical isolators and optical circulator devices, devices that form all or part of an optical interferometer using an optical waveguide made of magneto-optical material have the disadvantage of being disadvantageous in integration with other waveguide devices and operating only in horizontal or vertical polarization. In addition, devices using an irreversible phase shifter that uses silicon or other materials as an optical waveguide but attaches a magneto-optical thin film to the top have not reached the level of mass production and practical use.
본 개시의 목적은 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자를 제공하는 데 있다. 본 개시가 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있고, 본 개시의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 개시가 해결하고자 하는 과제 및 장점들은 특허 청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.The purpose of the present disclosure is to provide an integrated optical isolator and circulator element. The problem to be solved by the present disclosure is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention. The present disclosure will be understood more clearly by the examples. In addition, it will be appreciated that the problems and advantages to be solved by the present disclosure can be realized by the means and combinations thereof indicated in the patent claims.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 개시의 일 실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자는, 입력단 광 도파로와 연결된 입력단 광 커플러 및 출력단 광 도파로와 연결된 출력단 광 커플러; 상기 입력단 광 커플러 및 상기 출력단 광 커플러 사이를 연결하는 제1 광 도파로 팔 및 제2 광 도파로 팔; 제1 광 도파로 팔 및 제2 광 도파로 팔에 형성된 비가역적 위상 변이기; 상기 입력단 광 커플러 및 상기 비가역적 위상 변이기 사이에 위치하는 입력단 가역적 편광 회전기 및 상기 비가역적 위상 변이기 및 상기 출력단 광 커플러 사이에 위치하는 출력단 가역적 편광 회전기; 및 상기 비가역적 위상 변이기 및 상기 출력단 광 커플러 사이에 위치하는 편광의존 가역적 위상 변이기;를 포함하고, 상기 입력단 가역적 편광 회전기 및 상기 출력단 가역적 편광 회전기는 상기 제1 광 도파로 팔 위에 형성되고, 상기 편광의존 가역적 위상 변이기는 상기 제2 광 도파로 팔 위에 형성될 수 있다.As a means to solve the above-described technical problem, an integrated optical isolator and circulator device according to an embodiment of the present disclosure includes an input optical coupler connected to an input optical waveguide and an output optical coupler connected to an output optical waveguide; a first optical waveguide arm and a second optical waveguide arm connecting between the input optical coupler and the output optical coupler; an irreversible phase shifter formed on the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm; an input reversible polarization rotator located between the input optical coupler and the irreversible phase shifter, and an output reversible polarization rotator located between the irreversible phase shifter and the output optical coupler; and a polarization-dependent reversible phase shifter positioned between the irreversible phase shifter and the output optical coupler, wherein the input reversible polarization rotator and the output reversible polarization rotator are formed on the first optical waveguide arm, A polarization-dependent reversible phase shifter may be formed on the second optical waveguide arm.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features and advantages in addition to those described above will become apparent from the following drawings, claims and detailed description of the invention.
전술한 본 개시의 과제 해결 수단에 따르면, 평판형 광 도파로 집적 회로에서 다른 소자들과의 집적화가 용이하고 반도체 공정에 적용하여 양산이 가능한 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자를 제공할 수 있다.According to the problem-solving means of the present disclosure described above, it is possible to provide an integrated optical isolator and circulator device that can be easily integrated with other devices in a planar optical waveguide integrated circuit and can be mass-produced by applying to a semiconductor process.
또한, 본 개시의 과제 해결 수단에 따르면, 모든 입력 편광에 대하여 동일한 구조의 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자로 광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터 기능을 수행할 수 있다.In addition, according to the problem solving means of the present disclosure, the optical isolator and optical circulator functions can be performed with an integrated optical isolator and circulator element of the same structure for all input polarizations.
실시예들에 의한 효과가 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the examples are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention.
도 1은 일 실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram showing an integrated optical isolator and a circulator element according to an embodiment.
도 2는 일 실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자의 구성요소 간의 연결관계를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the connection relationship between components of an integrated optical isolator and a circulator element according to an embodiment.
도 3은 일 실시예에 따른 비가역적 위상 변이기의 단면을 나타낸 도면이다.Figure 3 is a diagram showing a cross section of an irreversible phase shifter according to an embodiment.
도 4는 일 실시예에 따른 가역적 편광 회전기의 단면을 나타낸 도면이다.Figure 4 is a cross-sectional view of a reversible polarization rotator according to an embodiment.
도 5는 일 실시예에 따른 편광의존 가역적 위상 변이기를 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing a polarization-dependent reversible phase shifter according to an embodiment.
도 6은 일 실시예에 따른 광 도파로 폭의 변화에 따른 채널 광 도파로의 도파 모드별 유효 굴절률 분포를 나타내는 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the effective refractive index distribution for each waveguide mode of a channel optical waveguide according to a change in the width of the optical waveguide according to an embodiment.
도 7은 일 실시예에 따른 3개의 입력 포트를 갖는 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자를 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram showing an integrated optical isolator and circulator element having three input ports according to an embodiment.
집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자로서, 입력단 광 도파로와 연결된 입력단 광 커플러 및 출력단 광 도파로와 연결된 출력단 광 커플러; 상기 입력단 광 커플러 및 상기 출력단 광 커플러 사이를 연결하는 제1 광 도파로 팔 및 제2 광 도파로 팔; 제1 광 도파로 팔 및 제2 광 도파로 팔에 형성된 비가역적 위상 변이기; 상기 입력단 광 커플러 및 상기 비가역적 위상 변이기 사이에 위치하는 입력단 가역적 편광 회전기 및 상기 비가역적 위상 변이기 및 상기 출력단 광 커플러 사이에 위치하는 출력단 가역적 편광 회전기; 및 상기 비가역적 위상 변이기 및 상기 출력단 광 커플러 사이에 위치하는 편광의존 가역적 위상 변이기;를 포함하고, 상기 입력단 가역적 편광 회전기 및 상기 출력단 가역적 편광 회전기는 상기 제1 광 도파로 팔 위에 형성되고, 상기 편광의존 가역적 위상 변이기는 상기 제2 광 도파로 팔 위에 형성되는, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자를 제공할 수 있다.An integrated optical isolator and circulator element, comprising: an input optical coupler connected to an input optical waveguide and an output optical coupler connected to an output optical waveguide; a first optical waveguide arm and a second optical waveguide arm connecting between the input optical coupler and the output optical coupler; an irreversible phase shifter formed on the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm; an input reversible polarization rotator located between the input optical coupler and the irreversible phase shifter, and an output reversible polarization rotator located between the irreversible phase shifter and the output optical coupler; and a polarization-dependent reversible phase shifter positioned between the irreversible phase shifter and the output optical coupler, wherein the input reversible polarization rotator and the output reversible polarization rotator are formed on the first optical waveguide arm, A polarization-dependent reversible phase shifter may provide an integrated optical isolator and circulator element formed on the second optical waveguide arm.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 수 있으며, 다르게 정의되지 않는 한 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.In describing the present invention, if it is judged that a detailed description of related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description may be omitted, and unless otherwise defined, all terms used in this specification refer to the present invention. It has the same meaning as generally understood by those with ordinary knowledge in the relevant technical field.
본 명세서에의 "일 실시예에 따른", "일 실시예에 관한" 또는 "일 실시예의 구현에 따라" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시 예를 가리키는 것은 아니다.Phrases such as “according to one embodiment,” “related to one embodiment,” or “according to an implementation of an embodiment” in this specification do not necessarily all refer to the same embodiment.
실시예들은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 일부 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시예들을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예들의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 명세서에서 사용한 용어들은 단지 실시예들의 설명을 위해 사용된 것으로, 실시예들을 한정하려는 의도가 아니다.Since the embodiments can be subject to various changes and have various forms, some embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the embodiments to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the embodiments. The terms used in the specification are merely used to describe the embodiments and are not intended to limit the embodiments.
실시예들에서 사용되는 용어는 본 실시예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 실시예들이 속하는 기술 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 실시예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 실시예들 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in the embodiments are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the embodiments, but this is due to the intention or precedent of technicians working in the technical field to which the embodiments belong, the emergence of new technology, etc. It may vary depending on In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the relevant section. Therefore, the terms used in the embodiments should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the embodiments, rather than simply the name of the term.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Additionally, terms including ordinal numbers such as 'first' or 'second' used in this specification may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. Terms are used only to distinguish one component from another.
또한, 도면 상의 일부 구성 요소는 그 크기나 비율 등이 다소 과장되어 도시 되었을 수 있다. 또한, 어떤 도면 상에 도시된 구성 요소가 다른 도면 상에는 도시 되지 않을 수 있다.Additionally, some components in the drawing may be depicted with their size or proportions somewhat exaggerated. Additionally, components shown in one drawing may not be shown in other drawings.
명세서 전체에서 '실시예'는 본 개시에서 발명을 용이하게 설명하기 위한 임의의 구분으로서, 실시예 각각이 서로 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 일 실시예에 개시된 구성들은 다른 실시예에 적용 및/또는 구현될 수 있으며, 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 변경되어 적용 및/또는 구현될 수 있다.Throughout the specification, 'examples' is an arbitrary division for easily explaining the invention in the present disclosure, and each embodiment does not need to be mutually exclusive. For example, configurations disclosed in one embodiment may be applied and/or implemented in another embodiment, and may be applied and/or implemented with changes without departing from the scope of the present disclosure.
또한, 본 개시에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 실시예들을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 개시에서 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. Additionally, the terms used in this disclosure are for describing the embodiments and are not intended to limit the embodiments. In this disclosure, the singular form also includes the plural form unless otherwise specified.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시예들에 대하여 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시의 실시예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 개시에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present disclosure will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement them. However, embodiments of the present disclosure may be implemented in various different forms and are not limited to the embodiments described in the present disclosure.
이하에서는 이를 기반으로 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 일 실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram showing an integrated optical isolator and a circulator element according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)는 입력단 광 도파로(105a, 105b), 입력단 광 커플러(101a), 입력단 가역적 편광 회전기(110a), 비가역적 위상 변이기(103), 출력단 가역적 편광 회전기(110b), 편광의존 가역적 위상 변이기(120), 출력단 광 커플러(101b) 및 출력단 광 도파로(106a, 106b)를 포함할 수 있다. 이 때, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)는 입력단 광 커플러(101a) 및 출력단 광 커플러(101b) 사이를 연결하는 제1 광 도파로 팔(102a) 및 제2 광 도파로 팔(102b)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the integrated optical isolator and circulator element 100 according to an embodiment includes an input optical waveguide (105a, 105b), an input optical coupler (101a), an input reversible polarization rotator (110a), and an irreversible phase. It may include a shifter 103, an output reversible polarization rotator 110b, a polarization-dependent reversible phase shifter 120, an output optical coupler 101b, and an output optical waveguide 106a, 106b. At this time, the integrated optical isolator and circulator element 100 includes a first optical waveguide arm 102a and a second optical waveguide arm 102b connecting between the input optical coupler 101a and the output optical coupler 101b. It can be included.
입력단 광 도파로(105a, 105b)는 광원으로부터 광이 입사되는 포트로서, 하나의 입력단 광 도파로(105a)를 통해 광이 입사하여 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 진행하고 출력단 광 도파로(106a)로 출력될 수 있다. 이 때, 출력단 광 도파로(106a)를 통해 반대 방향으로 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 진행한 광이 결과적으로 입력단 광 도파로(105a)로 출력되지 않는다면 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)는 광 아이솔레이터로 기능할 수 있다. 또한, 출력단 광 도파로(106a)를 통해 반대 방향으로 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 진행한 광이 결과적으로 다른 하나의 입력단 광 도파로(105b)로 출력된다면 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)는 광 서큘레이터로 기능할 수 있다.The input optical waveguides 105a and 105b are ports through which light is incident from a light source. Light is incident through one input optical waveguide 105a and travels to the integrated optical isolator and circulator element 100 and is transmitted to the output optical waveguide ( 106a). At this time, if the light traveling to the integrated optical isolator and circulator element 100 in the opposite direction through the output optical waveguide 106a is not output to the input optical waveguide 105a, the integrated optical isolator and circulator element (100) can function as an optical isolator. In addition, if light traveling through the output optical waveguide 106a through the integrated optical isolator and circulator element 100 in the opposite direction is output to the other input optical waveguide 105b, the integrated optical isolator and circulator Device 100 may function as an optical circulator.
광 커플러(101a, 101b)는 광 신호를 2개 이상으로 분배 또는 분파하여 전파시키거나, 또는 반대로 2개 이상으로 전파되어온 광 신호를 하나로 결합하는 기능을 갖는 광 수동소자이다. 즉, 광 커플러(101a, 101b)는 광 분파기(Splitter) 및 광 결합기(Combiner)의 역할을 모두 수행할 수 있다. 광 커플러(101a, 101b)는 입출력단의 단자 구조에 따라 N
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000001
M 형태를 갖는다. 예를 들어, 광 커플러 입력단의 광섬유 수가 N개이고 광 커플러 출력단의 광섬유 수가 M개인 경우, 광 커플러(101a, 101b)는 N
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000002
M 형태를 가질 수 있다.
The optical couplers 101a and 101b are optical passive elements that have the function of distributing or splitting optical signals into two or more to propagate, or conversely, combining two or more optical signals that have been propagated into one. That is, the optical couplers 101a and 101b can function as both an optical splitter and an optical combiner. The optical couplers 101a and 101b have N depending on the terminal structure of the input and output terminal.
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000001
It has the shape of M. For example, if the number of optical fibers at the optical coupler input end is N and the number of optical fibers at the optical coupler output end is M, the optical couplers 101a and 101b have N
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000002
It may have the form M.
일 실시예에서, 입력단 광 커플러(101a) 및 출력단 광 커플러(101b)는 각각 3dB 광 커플러일 수 있다. 또한, 입력단 광 커플러(101a)는 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000003
2 형태 또는 3
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000004
2 형태를 가질 수 있고, 출력단 광 커플러(101b)는 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000005
2 형태 또는 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000006
3 형태를 가질 수 있다. 입력단 광 커플러(101a) 및 출력단 광 커플러(101b)가 각각 3
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000007
2 형태 및 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000008
3 형태인 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)에 관한 실시예는 도 7을 통하여 후술하기로 한다.
In one embodiment, the input optical coupler 101a and the output optical coupler 101b may each be a 3dB optical coupler. In addition, the input optical coupler 101a has 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000003
2 form or 3
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000004
It may have a 2 shape, and the output stage optical coupler 101b has 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000005
2 form or 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000006
It can have 3 forms. The input optical coupler (101a) and the output optical coupler (101b) are each 3
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000007
2 forms and 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000008
Embodiments of the three types of integrated optical isolator and circulator element 100 will be described later with reference to FIG. 7.
일 실시예에서, 제1 광 도파로 팔(102a) 및 제2 광 도파로 팔(102b)은, 입력단 광 커플러(101a)를 통해 분파된 광이 각각 진행하여 출력단 광 커플러(101b)에서 결합되도록 구성된 도파로일 수 있다.In one embodiment, the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b are waveguides configured to allow light propagated through the input optical coupler 101a to proceed respectively and be combined at the output optical coupler 101b. It can be.
일 실시예에서, 제1 광 도파로 팔(102a) 및 제2 광 도파로 팔(102b)은, SOI(Silicon on Insulator) 기판의 산화막 층 위에 형성된 채널형 실리콘 광 도파로일 수 있다. 구체적으로, 제1 광 도파로 팔(102a) 및 제2 광 도파로 팔(102b)은, SOI 기판의 상부의 실리콘 기판에 채널형으로 광 도파로를 형성하고 광 도파로 상부를 포함한 주변에 산화막(예를 들어, 이산화규소로 이루어진 산화막)을 형성함으로써 생성된 것일 수 있다. 제1 및 제2 광 도파로 팔(102a, 102b)을 상기와 같이 형성하여 광 도파로 팔(102a, 102b)에는 도파로 상부에 산화막을 제거하고 자기광학 박막이 형성된 비가역적 위상 변이기(103) 및 가역적 편광 회전기(110a, 110b) 등의 소자가 집적될 수 있다.In one embodiment, the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b may be channel-type silicon optical waveguides formed on an oxide layer of a silicon on insulator (SOI) substrate. Specifically, the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b form an optical waveguide in a channel shape on a silicon substrate on the top of the SOI substrate, and an oxide film (for example, an oxide film) is formed around the upper part of the optical waveguide. , It may be created by forming an oxide film made of silicon dioxide. The first and second optical waveguide arms 102a and 102b are formed as described above, and the optical waveguide arms 102a and 102b include an irreversible phase shifter 103 in which the oxide film is removed on the upper part of the waveguide and a magneto-optical thin film is formed, and a reversible phase shifter 103 is provided. Elements such as polarization rotators 110a and 110b may be integrated.
일 실시예에서, 입력단 가역적 편광 회전기(110a) 및 출력단 가역적 편광 회전기(110b)는 수직(Transverse Electric Wave, TE) 편광을 수평(Transvers Magnetic Wave, TM) 편광으로, 또는 TM 편광을 TE 편광으로 변환할 수 있다. 두 가역적 편광 회전기(110a, 110b)는 제1 광 도파로 팔(102a) 위에 한 쌍이 존재할 수 있다.In one embodiment, the input reversible polarization rotator 110a and the output reversible polarization rotator 110b convert vertical (Transverse Electric Wave, TE) polarization into horizontal (Transvers Magnetic Wave, TM) polarization, or TM polarization into TE polarization. can do. A pair of two reversible polarization rotators 110a and 110b may exist on the first optical waveguide arm 102a.
일 실시예에서, 비가역적 위상 변이기(103)는 자기광학(Magneto-Optic Effect) 물질을 이용하여 광신호의 위상을 비가역적으로 바꿀 수 있다. 자기광학 물질의 자기광학 효과, 즉 패러데이 효과(Faraday Effect)란 광 신호가 외부 자기장의 영향을 받아 편광 축이 회전하는 자기 광학적 효과로 제1 광 도파로 팔(102a) 및 제2 광 도파로 팔(102b)을 진행하던 광이 비가역적 위상 변이기(103)의 자기광학 물질을 지나면서 편광 축이 소정의 각도만큼 회전할 수 있다. 예를 들어, 소정의 각도는 비가역적 위상 변이기(103)의 길이와 외부 자기장 또는 잔류 자기장의 크기에 의하여 결정될 수 있고, 또는 소정의 각도는 비가역적 위상 변이기(103)를 지나는 광 신호의 파장에 따라 달라질 수 있다. TE 편광 또는 TM 편광이 비가역적 위상 변이기(103)를 통과하는 경우, TE 편광의 진행속도에는 영향이 미소하나 TM 편광의 진행속도에는 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 후술할 편광의존 가역적 위상 변이기(120)를 통해 각 편광의 진행속도를 조정하여 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)가 완전한 광 아이솔레이터 또는 광 서큘레이터 기능을 수행하도록 할 수 있다.In one embodiment, the irreversible phase shifter 103 can irreversibly change the phase of an optical signal using a magneto-optic effect material. The magneto-optical effect of a magneto-optical material, that is, the Faraday effect, is a magneto-optical effect in which the polarization axis of an optical signal rotates under the influence of an external magnetic field, and the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b ) As the light traveling passes through the magneto-optical material of the irreversible phase shifter 103, the polarization axis may rotate by a predetermined angle. For example, the predetermined angle may be determined by the length of the irreversible phase shifter 103 and the size of the external magnetic field or residual magnetic field, or the predetermined angle may be determined by the size of the optical signal passing through the irreversible phase shifter 103. It may vary depending on the wavelength. When TE polarized light or TM polarized light passes through the irreversible phase shifter 103, the effect on the propagation speed of TE polarization is minimal, but it may have a significant effect on the propagation speed of TM polarization. Therefore, the progressing speed of each polarization can be adjusted through the polarization-dependent reversible phase shifter 120, which will be described later, so that the integrated optical isolator and circulator element 100 can perform a complete optical isolator or optical circulator function.
일 실시예에서, 비가역적 위상 변이기(103)는 도 1에 도시한 바와 같이 제1 광 도파로 팔(102a) 및 제2 광 도파로 팔(102b)과 연결되어 형성될 수도 있으나, 개별적으로 떨어져 형성(미도시)될 수도 있다. 예를 들어, 비가역적 위상 변이기(103)는 제1 광 도파로 팔(102a)에 형성된 제1 비가역적 위상 변이기(103) 및 제2 광 도파로 팔(102b)에 형성된 제2 비가역적 위상 변이기(103)를 포함할 수 있는데, 이 때, 제1 비가역적 위상 변이기(103) 및 제2 비가역적 위상 변이기(103)는 서로 분리될 것일 수 있고, 또는 서로 연결된 것일 수도 있다.In one embodiment, the irreversible phase shifter 103 may be formed connected to the first optical waveguide arm 102a and the second optical waveguide arm 102b as shown in FIG. 1, but may be formed separately. It may be (not shown). For example, the irreversible phase shifter 103 includes a first irreversible phase shifter 103 formed on the first optical waveguide arm 102a and a second irreversible phase shifter formed on the second optical waveguide arm 102b. It may include a device 103. In this case, the first irreversible phase shifter 103 and the second irreversible phase shifter 103 may be separated from each other, or may be connected to each other.
일 실시예에서, 편광의존 가역적 위상 변이기(120)로 입력되는 편광의 종류에 따라 일반 광 도파로를 진행하는 광 신호의 위상에 비하여 양의 위상 값 또는 음의 위상 값을 갖도록 위상을 가역적으로 바꿀 수 있다. 자기광학 물질을 이용하는 비가역적 위상 변이기(103)와 달리 편광의존 가역적 위상 변이기(120)는 광 도파로 폭을 조절하거나 광 도파로 상부의 크래드를 굴절률에 따라 종류를 바꾸어 사용함으로써 통과하는 광의 진행 속도를 변화시킬 수 있다.In one embodiment, the phase is reversibly changed to have a positive phase value or a negative phase value compared to the phase of an optical signal traveling through a general optical waveguide depending on the type of polarization input to the polarization-dependent reversible phase shifter 120. You can. Unlike the irreversible phase shifter 103 using a magneto-optical material, the polarization-dependent reversible phase shifter 120 adjusts the width of the optical waveguide or changes the type of clad on the upper part of the optical waveguide according to the refractive index to control the passage of light. Speed can be changed.
일 실시예에서, 편광의존 가역적 위상 변이기(120)는 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 순방향(즉, 입력단 광 도파로(105a)에서 출력단 광 도파로(106b) 방향)으로 진행하는 광신호가 출력단 광 도파로(106b)에서 보강 간섭이 일어나도록, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 역방향(즉, 출력단 광 도파로(106a)에서 입력단 광 도파로(105a) 방향)으로 진행하는 광신호는 입력단 광 도파로(105a)에서 상쇄 간섭이 일어나도록, 편광의존 가역적 위상 변이기(120) 내부의 광 도파로의 폭과 길이 또는 상부 크래드의 굴절률을 조정할 수 있다. 이 때, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 진행하는 광은 출력단 광 도파로(106a) 방향으로만 출력되고 입력단 광 도파로(105a)로는 광이 되돌아올 수 없으므로 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)는 광 아이솔레이터로서의 기능을 구현할 수 있다. 반대로, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 역방향으로 진행하는 광신호는 하나의 입력단 광 도파로(105a)에서는 상쇄 간섭이 일어나지만, 다른 입력단 광 도파로(106a)에서는 보강 간섭이 일어나도록, 편광의존 가역적 위상 변이기(120) 내부의 광 도파로의 폭 또는 상부 크래드의 굴절률을 조정할 수 있다. 이 때, 하나의 입력단 광 도파로(105a)로 입사하여 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 순방향으로 진행하는 광은 출력단 광 도파로(106b)로 진행하고, 출력단 광 도파로(106b)로 입사하여 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)를 역방향으로 진행하는 광은 다른 하나의 입력단 광 도파로(105b)로만 출력되므로 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)는 광 서큘레이터로서의 기능을 구현할 수 있다.In one embodiment, the polarization-dependent reversible phase shifter 120 transmits optical light traveling through the integrated optical isolator and circulator element 100 in the forward direction (i.e., from the input optical waveguide 105a to the output optical waveguide 106b). An optical signal propagates through the integrated optical isolator and circulator element 100 in the reverse direction (i.e., from the output optical waveguide 106a to the input optical waveguide 105a) so that constructive interference occurs in the output optical waveguide 106b. The width and length of the optical waveguide inside the polarization-dependent reversible phase shifter 120 or the refractive index of the upper clad can be adjusted so that destructive interference occurs in the input optical waveguide 105a. At this time, the light traveling through the integrated optical isolator and circulator element 100 is output only in the direction of the output optical waveguide 106a and the light cannot return to the input optical waveguide 105a, so the integrated optical isolator and circulator device The device 100 may implement a function as an optical isolator. Conversely, the optical signal traveling in the opposite direction through the integrated optical isolator and circulator element 100 causes destructive interference in one input optical waveguide 105a, but constructive interference occurs in the other input optical waveguide 106a, The width of the optical waveguide inside the polarization-dependent reversible phase shifter 120 or the refractive index of the upper clad can be adjusted. At this time, the light incident on one input optical waveguide 105a and traveling in the forward direction through the integrated optical isolator and circulator element 100 proceeds to the output optical waveguide 106b and is incident on the output optical waveguide 106b. Therefore, the light traveling in the reverse direction through the integrated optical isolator and circulator element 100 is output only to the other input optical waveguide 105b, so the integrated optical isolator and circulator element 100 can implement the function as an optical circulator. You can.
도 2는 일 실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자의 구성요소 간의 연결관계를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the connection relationship between components of an integrated optical isolator and a circulator element according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(200)의 입력단 광 도파로(205a, 205b), 입력단 광 커플러(201a), 제1 광 도파로 팔(202a), 입력단 가역적 편광 회전기(210a), 비가역적 위상 변이기(203), 출력단 가역적 편광 회전기(210b), 제2 광 도파로 팔(202b), 편광의존 가역적 위상 변이기(220), 출력단 광 커플러(201b) 및 출력단 광 도파로(206a, 206b)는 도 1에서 전술한 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(100)의 입력단 광 도파로(105a, 105b), 입력단 광 커플러(101a), 제1 광 도파로 팔(102a), 입력단 가역적 편광 회전기(110a), 비가역적 위상 변이기(103), 출력단 가역적 편광 회전기(110b), 제2 광 도파로 팔(102b), 편광의존 가역적 위상 변이기(120), 출력단 광 커플러(101b) 및 출력단 광 도파로(106a, 106b)와 동일할 수 있다. 따라서, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Referring to FIG. 2, the integrated optical isolator and circulator element 200 includes an input optical waveguide (205a, 205b), an input optical coupler (201a), a first optical waveguide arm (202a), and an input reversible polarization rotator (210a). , an irreversible phase shifter (203), an output-end reversible polarization rotator (210b), a second optical waveguide arm (202b), a polarization-dependent reversible phase shifter (220), an output-end optical coupler (201b), and an output-end optical waveguide (206a, 206b) includes the input optical waveguides 105a and 105b, the input optical coupler 101a, the first optical waveguide arm 102a, and the input reversible polarization rotator of the integrated optical isolator and circulator element 100 described above in FIG. 110a), an irreversible phase shifter 103, an output reversible polarization rotator 110b, a second optical waveguide arm 102b, a polarization-dependent reversible phase shifter 120, an output optical coupler 101b, and an output optical waveguide ( It may be the same as 106a, 106b). Therefore, overlapping descriptions will be omitted.
일 실시예에서, 입력단 광 커플러(201a) 및 출력단 광 커플러(201b)는 각각 입력단 광 도파로(205a, 205b) 및 출력단 광 도파로(206a, 206b)와 연결될 수 있다.In one embodiment, the input optical coupler 201a and the output optical coupler 201b may be connected to the input optical waveguides 205a and 205b and the output optical waveguides 206a and 206b, respectively.
일 실시예에서, 제1 광 도파로 팔(202a) 및 제2 광 도파로 팔(202b)은 입력단 광 커플러(201a) 및 출력단 광 커플러(201b) 사이를 연결할 수 있다. 특히, 제1 광 도파로 팔(202a)은 광이 진행하는 제1 경로를, 제2 광 도파로 팔(202b)은 광이 진행하는 제2 경로를 구성할 수 있다. 예를 들어, 입력단 광 도파로(205a, 205b)로 입사된 광은 입력단 광 커플러(201a)를 통해 제1 경로를 이루는 제1 광 도파로 팔(202a) 및 제2 경로를 이루는 제2 광 도파로 팔(202b)을 통해 분파될 수 있다.In one embodiment, the first optical waveguide arm 202a and the second optical waveguide arm 202b may be connected between the input optical coupler 201a and the output optical coupler 201b. In particular, the first optical waveguide arm 202a may configure a first path along which light travels, and the second optical waveguide arm 202b may configure a second path along which light travels. For example, the light incident on the input optical waveguides 205a and 205b passes through the input optical coupler 201a to the first optical waveguide arm 202a forming the first path and the second optical waveguide arm forming the second path ( It can be branched out through 202b).
일 실시예에서, 비가역적 위상 변이기(203)는 제1 광 도파로 팔(202a) 및 제2 광 도파로 팔(202b)에 형성될 수 있다.In one embodiment, the irreversible phase shifter 203 may be formed in the first optical waveguide arm 202a and the second optical waveguide arm 202b.
일 실시예에서, 한 쌍의 가역적 편광 회전기(210a, 210b)가 제1 광 도파로 팔(202a) 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 입력단 가역적 편광 회전기(210a)는 입력단 광 커플러(201a) 및 비가역적 위상 변이기(203) 사이에 위치할 수 있으며, 출력단 가역적 편광 회전기(210b)는 비가역적 위상 변이기(203) 및 출력단 광 커플러(201b) 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제1 경로를 진행하는 광은 한 쌍의 가역적 편광 회전기(210a, 210b) 및 한 쌍의 가역적 편광 회전기(210a, 210b) 사이에 위치하는 비가역적 위상 변이기(203)를 거쳐 출력단 광 커플러(201b)로 진행할 수 있다.In one embodiment, a pair of reversible polarization rotators 210a and 210b may be formed on the first optical waveguide arm 202a. For example, the input reversible polarization rotator 210a may be located between the input optical coupler 201a and the irreversible phase shifter 203, and the output reversible polarization rotator 210b may be located between the irreversible phase shifter 203. and the output end optical coupler 201b. Accordingly, the light traveling the first path passes through a pair of reversible polarization rotators (210a, 210b) and an irreversible phase shifter (203) located between the pair of reversible polarization rotators (210a, 210b) to the output end light. You can proceed with the coupler (201b).
일 실시예에서, 편광의존 가역적 위상 변이기(220)는 제2 광 도파로 팔(202b) 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 편광의존 가역적 위상 변이기(220)는 비가역적 위상 변이기(203) 및 출력단 광 커플러(201b) 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제2 경로를 진행하는 광은 비가역적 위상 변이기(203) 및 편광의존 가역적 위상 변이기(220)를 거쳐 출력단 광 커플러(201b)로 진행할 수 있다. 결과적으로, 제1 경로 및 제2 경로를 진행한 각각의 광은 출력단 광 커플러(201b)에서 결합되어 출력단 광 도파로(206a, 206b)를 통해 출력될 수 있다.In one embodiment, a polarization-dependent reversible phase shifter 220 may be formed on the second optical waveguide arm 202b. For example, the polarization-dependent reversible phase shifter 220 may be located between the irreversible phase shifter 203 and the output optical coupler 201b. Accordingly, light traveling through the second path may proceed to the output optical coupler 201b through the irreversible phase shifter 203 and the polarization-dependent reversible phase shifter 220. As a result, each light traveling through the first path and the second path may be combined at the output end optical coupler 201b and output through the output end optical waveguides 206a and 206b.
도 3은 일 실시예에 따른 비가역적 위상 변이기의 단면을 나타낸 도면이다.Figure 3 is a diagram showing a cross section of an irreversible phase shifter according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 비가역적 위상 변이기의 단면은 도 1의 A-A' 단면을 나타낸 것일 수 있다. 즉, 도 3의 비가역적 위상 변이기는 도 1의 비가역적 위상 변이기(103) 및 도 2의 비가역적 위상 변이기(203)와 동일할 수 있다.Referring to FIG. 3, the cross section of the irreversible phase shifter may represent the cross section A-A' of FIG. 1. That is, the irreversible phase shifter of FIG. 3 may be the same as the irreversible phase shifter 103 of FIG. 1 and the irreversible phase shifter 203 of FIG. 2 .
일 실시예에서, 비가역적 위상 변이기는 SOI 기판의 산화막 층(311) 위에 형성된 채널형 제1 광 도파로 팔(312)에 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 비가역적 위상 변이기는 자성체 박막(314)이 크래드로 코팅되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 도파로 팔(312)이 SOI 기판의 산화막 층(311) 위에 형성된 채널형 광 도파로이고 광 도파로 상부에 산화막(313)을 형성하여 생성된 경우, 비가역적 위상 변이기는 광 도파로 상부의 산화막(313) 및 제1 광 도파로 팔(312)의 일부를 식각하고, 식각된 부분에 자기광학 박막 층(314)을 형성함으로써 생성될 수 있다. 만약, 자기광학 박막(314)의 잔류 자기장이 약한 경우 상부에 추가적인 자성체 박막(315)을 형성할 수 있다.In one embodiment, the irreversible phase shifter may be formed in the channel-type first optical waveguide arm 312 formed on the oxide layer 311 of the SOI substrate. Specifically, the irreversible phase shifter may be formed by coating the magnetic thin film 314 with clad. For example, if the first optical waveguide arm 312 is a channel-type optical waveguide formed on the oxide film layer 311 of the SOI substrate and is created by forming the oxide film 313 on the optical waveguide, the irreversible phase shifter is formed on the optical waveguide. It can be created by etching a portion of the upper oxide film 313 and the first optical waveguide arm 312 and forming a magneto-optical thin film layer 314 on the etched portion. If the residual magnetic field of the magneto-optical thin film 314 is weak, an additional magnetic thin film 315 may be formed on the top.
구체적으로, 비가역적 위상 변이기는 제1 광 도파로 팔(312) 상부에 형성된 산화막과 이 산화막 위에 마스크 박막을 코팅하고 코팅된 마스크 층 중에서 비가역적 위상 변이기가 생성될 영역의 상부 마스크 층을 제거하고, 마스크 층이 제거된 영역에 대하여 산화막 식각 공정을 진행하고, 자기광학 박막(314)을 코팅(Coating)하고 열 처리함으로써 생성될 수 있다. 이 때, 전술한 바와 같이 코팅된 자기광학 박막(314)의 잔류 자화도가 낮은 경우 추가적으로 자성체 박막(315) 코팅 및 자성화가 이루어질 수 있다. 또한, 자기광학 박막(314)의 잔류 자화도나 추가적인 자성체 박막(315)의 자화도는 광 도파로 팔(312)의 광 신호 진행 방향에 수직 방향으로 자화되도록 할 수 있다. 구체적으로, 자기광학 박막(314)은 제1 및 제2 광 도파로 팔의 진행 방향에 대하여 경사각으로 코팅되고, 제1 및 제2 광 도파로 팔의 진행 방향에 대하여 수직으로 자화될 수 있다.Specifically, the irreversible phase shifter is created by coating an oxide film formed on the top of the first optical waveguide arm 312 and a mask thin film on the oxide film, and removing the upper mask layer in the area where the irreversible phase shifter is to be generated from the coated mask layer, It can be created by performing an oxide film etching process on the area from which the mask layer was removed, coating and heat treating the magneto-optical thin film 314. At this time, as described above, if the residual magnetization of the coated magneto-optical thin film 314 is low, the magnetic thin film 315 may be additionally coated and magnetized. Additionally, the residual magnetization of the magneto-optical thin film 314 or the magnetization of the additional magnetic thin film 315 may be magnetized in a direction perpendicular to the direction of optical signal propagation of the optical waveguide arm 312. Specifically, the magneto-optical thin film 314 may be coated at an inclination angle with respect to the travel direction of the first and second optical waveguide arms, and may be magnetized perpendicular to the travel direction of the first and second optical waveguide arms.
도 4는 일 실시예에 따른 가역적 편광 회전기의 단면을 나타낸 도면이다.Figure 4 is a cross-sectional view of a reversible polarization rotator according to an embodiment.
도 4를 참조하면, 가역적 편광 회전기의 단면은 도 1의 B-B' 단면을 나타낸 것일 수 있다. 즉, 도 4의 가역적 편광 회전기는 도 1의 입력단 및 출력단 가역적 편광 회전기(110a, 110b) 및 도 2의 입력단 및 출력단 가역적 편광 회전기(210a, 210b)와 동일할 수 있다.Referring to FIG. 4, the cross section of the reversible polarization rotator may represent the B-B' cross section of FIG. 1. That is, the reversible polarization rotator of FIG. 4 may be the same as the input and output reversible polarization rotators 110a and 110b of FIG. 1 and the input and output reversible polarization rotators 210a and 210b of FIG. 2 .
일 실시예에서, 가역적 편광 회전기는 SOI 기판의 산화막 층(411) 위에 형성된 채널형 제1 광 도파로 팔(412)을 식각하여 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 도 3에서와 마찬가지로, 제1 광 도파로 팔(412)이 SOI 기판의 산화막 층(411) 위에 형성된 채널형 광 도파로(412)이고,제1 광 도파로 팔(412)의 모서리 일부(416)를 식각한 후, 상기 광 도파로(412) 상부에 산화막(413)을 형성할 수 있다.In one embodiment, the reversible polarization rotator may be formed by etching the channel-type first optical waveguide arm 412 formed on the oxide layer 411 of the SOI substrate. For example, as in FIG. 3, the first optical waveguide arm 412 is a channel-type optical waveguide 412 formed on the oxide layer 411 of the SOI substrate, and a portion of the corner of the first optical waveguide arm 412 ( After etching 416), an oxide film 413 may be formed on the optical waveguide 412.
구체적으로, 가역적 편광 회전기는 제1 광 도파로 팔(412) 상부에 코팅된 마스크 층 중에서 편광 회전기를 생성하기 위해 식각될 영역(416)의 상부 마스크 층을 제거하고, 마스크 층이 제거된 영역에 대하여 도파로의 일부분에 대한 식각 공정을 진행한 다음, 마스크 층을 제거한 후에 다시 제1 광 도파로 팔(412) 상부에 산화막 층(413)을 형성함으로써 생성될 수 있다.Specifically, the reversible polarization rotator removes the upper mask layer of the area 416 to be etched to create a polarization rotator among the mask layers coated on the top of the first optical waveguide arm 412, and It can be created by performing an etching process on a portion of the waveguide, removing the mask layer, and then forming an oxide layer 413 on the top of the first optical waveguide arm 412.
일 실시예에서, 편광 회전기는 제1 광 도파로 팔(412)의 모서리 일부(416)를 식각하여 형성한 구조 이외에도 제1 광 도파로 팔(412)에 비대칭형 도랑을 판 구조 및 제1 광 도파로 팔(412)의 한쪽 측면이 경사진 구조 등을 가질 수 있으며 편광 회전기의 구조는 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the polarization rotator has a structure formed by etching a portion of the edge 416 of the first optical waveguide arm 412, as well as a structure in which an asymmetric groove is formed in the first optical waveguide arm 412 and the first optical waveguide arm 412. One side of (412) may have an inclined structure, etc., and the structure of the polarization rotator is not limited to this.
도 5는 일 실시예에 따른 편광의존 가역적 위상 변이기를 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing a polarization-dependent reversible phase shifter according to an embodiment.
도 5의 편광의존 가역적 위상 변이기는 도 1의 편광의존 가역적 위상 변이기(120) 및 도 2의 편광의존 가역적 위상 변이기(220)와 동일할 수 있다.The polarization-dependent reversible phase shifter of FIG. 5 may be the same as the polarization-dependent reversible phase shifter 120 of FIG. 1 and the polarization-dependent reversible phase shifter 220 of FIG. 2 .
도 5를 참조하면, 편광의존 가역적 위상 변이기는, 하나 이상의 입력 포트(525a, 525b), 입력단 편광 분파기(521a), 고속 광 도파로(524), 저속 광 도파로(523), 출력단 편광 분파기(521b) 및 하나 이상의 출력 포트(526a, 526b)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the polarization-dependent reversible phase shifter includes one or more input ports 525a and 525b, an input polarization splitter 521a, a high-speed optical waveguide 524, a low-speed optical waveguide 523, and an output polarization splitter ( 521b) and one or more output ports 526a and 526b.
일 실시예에서, 입력단 편광 분파기(521a)는 제2 광 도파로 팔을 진행하는 광을 TE 편광 및 TM 편광으로 분리할 수 있다. 구체적으로, 입력단 편광 분파기(521a)는 TE 편광 및 TM 편광의 전파 상수(Propagation Constant)가 광 도파로의 특성에 의해 차이가 발생하는 원리를 이용하여 TE 편광 및 TM 편광으로 분리할 수 있다. 이 때, 입력단 편광 분파기(521a)에 의해 분리된 TM 편광 및 TE 편광은 각각 고속 광 도파로(524) 또는 저속 광 도파로(523)로 전파될 수 있다.In one embodiment, the input polarization splitter 521a may separate light traveling through the second optical waveguide arm into TE polarization and TM polarization. Specifically, the input polarization splitter 521a can separate TE polarization and TM polarization by using the principle that the propagation constants of TE polarization and TM polarization are different depending on the characteristics of the optical waveguide. At this time, the TM polarization and TE polarization separated by the input polarization splitter 521a may propagate to the high-speed optical waveguide 524 or the low-speed optical waveguide 523, respectively.
고속 광 도파로(524)에서는 일반 광 도파로에 비해 광의 상대적인 속도가 높은 편이며 한 쪽 편광의 진행속도가 다른 쪽 편광의 진행속도보다 높은 광 도파로로서, 제1 광 도파로 팔 및 제2 광 도파로 팔의 일반 광 도파로 폭 보다 좁은 도파로 폭을 갖거나, 낮은 유효 굴절률을 갖는 상부 크래드를 갖는 경우, 일반 광 도파로를 지나는 광신호의 위상에 비하여 음의 위상 값을 가져 광의 진행속도를 빠르게 한다. 예를 들어, 고속 광 도파로(524)를 형성하기 위하여 도파로 폭을 좁게 형성하거나, 상부 크래드를 낮은 유효 굴절률을 갖는 재료로 바꿀 수 있다. 마찬가지로, 저속 광 도파로(523)에서는 일반 광 도파로에 비해 광의 상대적인 진행속도가 낮은 편이며 한 쪽 편광의 진행속도가 반대인 광 도파로로서, 제1 광 도파로 팔 및 제2 광 도파로 팔의 일반 광 도파로 폭 보다 넓은 도파로 폭을 갖거나, 높은 유효 굴절률을 갖는 상부 크래드를 갖는 경우, 일반 광 도파로를 지나는 광신호의 위상에 비하여 양의 위상 값을 가져 광의 진행속도를 느리게 한다. 예를 들어, 저속 광 도파로(523)를 형성하기 위하여 도파로 폭을 넓게 형성하거나, 상부 크래드를 높은 유효 굴절률을 갖는 재료로 바꿀 수 있다.The high-speed optical waveguide 524 is an optical waveguide in which the relative speed of light is higher than that of a general optical waveguide and the propagation speed of one polarization is higher than the propagation speed of the other polarization, and is comprised of the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm. When the waveguide width is narrower than the width of a general optical waveguide or has an upper clad with a low effective refractive index, it has a negative phase value compared to the phase of the optical signal passing through the general optical waveguide, thereby increasing the speed of light travel. For example, to form the high-speed optical waveguide 524, the waveguide width can be narrowed, or the upper clad can be changed to a material with a low effective refractive index. Likewise, the low-speed optical waveguide 523 is an optical waveguide in which the relative traveling speed of light is lower than that of a general optical waveguide and the traveling speed of polarization on one side is opposite, and the general optical waveguide of the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm When the waveguide has a width wider than the width or has an upper clad with a high effective refractive index, it has a positive phase value compared to the phase of an optical signal passing through a general optical waveguide, slowing down the speed of light. For example, to form the low-speed optical waveguide 523, the waveguide width can be made wider, or the upper clad can be changed to a material with a high effective refractive index.
한편, 고속 광 도파로(524) 및/또는 저속 광 도파로(523)의 유효 굴절률을 변화시키기 위해서 광 도파로(523, 524) 상부의 기존의 크래드 물질에 열을 가하거나 레이저를 쬐는 방법 등을 활용할 수 있다.Meanwhile, in order to change the effective refractive index of the high-speed optical waveguide 524 and/or the low-speed optical waveguide 523, a method of applying heat or irradiating a laser to the existing clad material on the upper part of the optical waveguides 523 and 524 can be utilized. You can.
일 실시예에서, 출력단 편광 분파기(521b)는 고속 광 도파로(524) 및 저속 광 도파로(523)를 진행한 TE 편광 및 TM 편광을 결합하여 출력할 수 있다. 이 때, TE 편광 및 TM 편광이 고속 광 도파로(524) 및 저속 광 도파로(523) 중 어떤 광 도파로를 진행하였는지는 입력단 편광 분파기(521a)의 입력 포트(525a, 525b)의 위치에 달려 있다. 예를 들어, 도 5의 편광의존 가역적 위상 변이기는 광신호가 상부 입력 포트(525a)를 통해 입력단 편광 분파기(521a)로 입력되는 실시예를 나타낸다.In one embodiment, the output terminal polarization splitter 521b may output the combined TE polarization and TM polarization transmitted through the high-speed optical waveguide 524 and the low-speed optical waveguide 523. At this time, which optical waveguide the TE polarization and TM polarization travel through among the high-speed optical waveguide 524 and the low-speed optical waveguide 523 depends on the positions of the input ports 525a and 525b of the input terminal polarization splitter 521a. For example, the polarization-dependent reversible phase shifter of FIG. 5 represents an embodiment in which an optical signal is input to the input terminal polarization splitter 521a through the upper input port 525a.
이 때, 입력단 편광 분파기(521a)에서 TE 편광은 직선으로 진행하여 저속 광 도파로(523)로 입력되나, TM 편광은 횡단(Crossing)하여 고속 광 도파로(524)로 입력된다. 이 때, 입력단 편광 분파기(521a)는 TM 편광을 횡단하게 하는 중간 광 도파로를 더 포함할 수 있다. 마찬가지로, 고속 광 도파로(524)를 지난 TM 편광은 출력단 편광 분파기(521b)에서 중간 광 도파로 등을 통해 횡단함으로써 출력 포트(526a)에서 출력될 수 있다. 그러나, 입력단 편광 분파기(521a)의 구조에 따라 분파되는 편광 경로는 달라질 수 있고, 출력단 편광 분파기(521b)의 구조에 따라 병합된 편광의 출력 포트가 달라질 수 있다.At this time, in the input terminal polarization splitter 521a, TE polarization proceeds in a straight line and is input to the low-speed optical waveguide 523, but TM polarization crosses and is input to the high-speed optical waveguide 524. At this time, the input polarization splitter 521a may further include an intermediate optical waveguide that allows TM polarization to traverse. Likewise, TM polarized light that has passed through the high-speed optical waveguide 524 can be output from the output port 526a by crossing through the intermediate optical waveguide at the output end polarization splitter 521b. However, the split polarization path may vary depending on the structure of the input polarization splitter 521a, and the output port of the merged polarization may vary depending on the structure of the output polarization splitter 521b.
도 6은 일 실시예에 따른 광 도파로 폭의 변화에 대한 채널 광 도파로의 도파 모드별 유효 굴절률 분포를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the effective refractive index distribution for each waveguide mode of a channel optical waveguide with respect to a change in the width of the optical waveguide according to an embodiment.
도 6을 참조하면, 편광의존 가역적 위상 변이기에 사용되는 광 도파로의 폭에 따라 유효 굴절률이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 일 실시예에서, 광 도파로 폭이 300nm이고, 측면 기울기가 80도인 경우 1310nm 파장에서 광 도파로 폭이 변할 때, 광 도파로 내 모드들과 유효 굴절률 변화를 살펴보면 단일모드 광 도파로인 경우 광 도파로 폭이 230nm 이하에서, TE 편광 및 TM 편광의 유효 굴절률이 상대적으로 작고, TM 편광의 유효 굴절률이 TE 편광의 유효 굴절률보다 큰 것을 알 수 있다. 상기 광 도파로 폭 230nm 보다 더 넓은 광 도파로 폭을 갖는 경우 유효 굴절률 값이 커질 수 있으며, TE 편광의 유효 굴절률이 TM 편광의 유효 굴절률보다 큰 것을 알 수 있다. 상기 편광의존 가역적 위상 변이기에 사용되는 광 도파로 폭과 길이을 조절하여 제2 광 도파로 팔을 지나는 광의 위상 뿐만 아니라 편광에 따른 위상을 제1 광 도파로 팔을 지나는 광의 편광에 따른 위상을 조절하여 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자의 출력단 광 도파로에서 만나는 모든 편광들이 보강 간섭이 되도록 하고, 반대로 역방향으로 진행하는 광이 입력단 광 도파로에서는 상쇄 간섭이 일어나도록 한다. 제1 광 도파로 팔에 위치한 가역적 편광 회전기에서의 위상변화 정도에 따라 편광의존 가역적 위상 변이기의 입력 포트(525a, 525b)와 출력 포트(526a, 526b)의 선정도 바꾸어질 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that the effective refractive index changes depending on the width of the optical waveguide used in the polarization-dependent reversible phase shifter. In one embodiment, when the optical waveguide width is 300 nm and the lateral inclination is 80 degrees, when the optical waveguide width changes at a wavelength of 1310 nm, looking at the modes and effective refractive index changes within the optical waveguide, in the case of a single-mode optical waveguide, the optical waveguide width is 230 nm. Below, it can be seen that the effective refractive index of TE polarized light and TM polarized light is relatively small, and the effective refractive index of TM polarized light is larger than that of TE polarized light. When the optical waveguide width is wider than 230 nm, the effective refractive index value may increase, and it can be seen that the effective refractive index of TE polarized light is greater than that of TM polarized light. The optical isolator and All polarized light encountering the optical waveguide at the output end of the circulator element causes constructive interference, and conversely, light traveling in the opposite direction causes destructive interference at the optical waveguide at the input end. Depending on the degree of phase change in the reversible polarization rotator located in the first optical waveguide arm, the selection of the input ports (525a, 525b) and output ports (526a, 526b) of the polarization-dependent reversible phase shifter may also be changed.
다시 도 2를 참조하여, 전술한 실시예에 따라 입력단 광 도파로(205a, 205b)로 TE 편광 또는 TM 편광이 입력된 경우를 가정하여 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(200)의 작동 실시예를 설명한다. TE 편광이 입력단 광 도파로(205a)로 입력된 경우, TE 편광은 입력단 광 커플러(201a)를 통하여 분파되어 제1 광 도파로 팔(202a)의 제1 경로 및 제2 광 도파로 팔(202b)의 제2 경로를 진행하게 된다. 제1 경로를 진행하는 TE 편광은 입력단 편광 회전기(210a)를 통해 TM 편광으로 변환되고 비가역적 위상 변이기(203)를 통과하면서 진행속도가 느려지며 출력단 편광 회전기(210b)를 통해 다시 TE 편광으로 변환된다. 즉 제1 경로를 진행한 TE 편광은 진행속도가 느려진 상태로 출력단 광 커플러(201b)에 도착한다. 제2 경로를 진행하는 TE 편광은 비가역적 위상 변이기(203)를 통과하면서 진행속도에 영향을 받지 않아 제1 경로를 진행하는 TE 편광에 비하여 속도가 빠르다. 제2 경로의 비가역적 위상 변이기(203)를 통과한 TE 편광은 편광의존 가역적 위상 변이기(220)(구체적으로는, 편광의존 가역적 위상 변이기(220)의 상부 입력 포트)에 입력되고, 전술한 실시예에 따라 저속 광 도파로를 진행하게 되어 속도가 느려진다. 즉 제2 경로를 진행한 TE 편광은 제1 경로를 진행한 TE 편광과 같이 진행속도가 느려져, 출력단 광 커플러(201b)에서 결합된다.Referring again to FIG. 2, an operational embodiment of the integrated optical isolator and circulator element 200 is shown assuming that TE polarized light or TM polarized light is input to the input optical waveguides 205a and 205b according to the above-described embodiment. Explain. When TE polarized light is input to the input end optical waveguide 205a, the TE polarized light is branched through the input end optical coupler 201a to the first path of the first optical waveguide arm 202a and the second path of the second optical waveguide arm 202b. 2 routes will be followed. TE polarization traveling through the first path is converted into TM polarization through the input polarization rotator 210a, passes through the irreversible phase shifter 203, slows down, and is converted back into TE polarization through the output polarization rotator 210b. converted. That is, the TE polarized light that has traveled the first path arrives at the output optical coupler 201b at a reduced travel speed. The TE polarized light traveling the second path is not affected by the traveling speed as it passes through the irreversible phase shifter 203, so its speed is faster than the TE polarized light traveling the first path. TE polarized light passing through the irreversible phase shifter 203 of the second path is input to the polarization-dependent reversible phase shifter 220 (specifically, the upper input port of the polarization-dependent reversible phase shifter 220), According to the above-described embodiment, a low-speed optical waveguide is used, thereby slowing down the speed. That is, the TE polarization that travels the second path slows down like the TE polarization that travels the first path, and is combined at the output end optical coupler 201b.
마찬가지로, TM 편광이 입력단 광 도파로(205a)로 입력된 경우, TM 편광은 입력단 광 커플러(201a)를 통하여 분파되어 제1 광 도파로 팔(202a)의 제1 경로 및 제2 광 도파로 팔(202b)의 제2 경로를 진행하게 된다. 제1 경로를 진행하는 TM 편광은 입력단 편광 회전기(210a)를 통해 TE 편광으로 변환되고 비가역적 위상 변이기(203)를 통과하면서 진행속도에 영향을 받지 않으며 출력단 편광 회전기(210b)를 통해 다시 TM 편광으로 변환된다. 즉 제1 경로를 진행한 TM 편광은 진행속도에 영향을 받지 않고 출력단 광 커플러(201b)에 도착한다. 제2 경로를 진행하는 TM 편광은 비가역적 위상 변이기(203)를 통과하면서 진행속도가 느려져 제1 경로를 진행하는 TM 편광에 비하여 속도가 느리다. 제2 경로의 비가역적 위상 변이기(203)를 통과한 TM 편광은 편광의존 가역적 위상 변이기(220) (구체적으로는, 편광의존 가역적 위상 변이기(220)의 상부 입력 포트)에 입력되고, 전술한 실시예에 따라 고속 광 도파로를 진행하게 되어 속도가 빨라진다. 즉 제2 경로를 진행한 TM 편광은 제1 경로를 진행한 TM 편광과 같은 진행속도를 갖게 되어, 출력단 광 커플러(201b)에서 결합된다.Similarly, when TM polarized light is input to the input optical waveguide 205a, the TM polarized light is split through the input optical coupler 201a and passes through the first path of the first optical waveguide arm 202a and the second optical waveguide arm 202b. The second path is proceeded. TM polarization traveling through the first path is converted into TE polarization through the input polarization rotator 210a, is not affected by the traveling speed while passing through the irreversible phase shifter 203, and is returned to TM through the output polarization rotator 210b. converted to polarized light. That is, the TM polarized light traveling the first path arrives at the output optical coupler 201b without being affected by the traveling speed. The TM polarization traveling through the second path slows down as it passes through the irreversible phase shifter 203, making it slower than the TM polarization traveling through the first path. The TM polarized light that has passed through the irreversible phase shifter 203 of the second path is input to the polarization-dependent reversible phase shifter 220 (specifically, the upper input port of the polarization-dependent reversible phase shifter 220), According to the above-described embodiment, the speed is increased by using a high-speed optical waveguide. That is, the TM polarized light that travels the second path has the same traveling speed as the TM polarized light that travels the first path, and is combined at the output end optical coupler 201b.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자(200)는 TE 편광 및 TM 편광 등 입력 편광에 무관하게 광 아이솔레이터 및 광 서큘레이터 기능을 수행할 수 있다.As such, the integrated optical isolator and circulator element 200 according to an embodiment of the present invention can perform optical isolator and optical circulator functions regardless of input polarization, such as TE polarization and TM polarization.
도 7은 일 실시예에 따른 3개의 입력 포트를 갖는 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자를 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram showing an integrated optical isolator and circulator element having three input ports according to an embodiment.
도 7을 참조하면, 다른 실시예에 따른 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자의 구성을 위해 입력단 광 도파로(705a, 705b, 705c) 및 출력단 광 도파로(706a, 706b, 706c)는 3개의 광 도파로로 이루어질 수 있다. 한편, 입력단 광 도파로(705a, 705b, 705c) 및 출력단 광 도파로(706a, 706b, 706c)를 제외한 소자, 예를 들어 입력단 및 출력단 광 커플러(701a, 701b), 제1 및 제2 광 도파로 팔(702a, 702b), 한 쌍의 편광 회전기(710a, 710b), 비가역적 위상 변이기(703) 및 편광의존 가역적 위상 변이기(720)는 도 2의 입력단 및 출력단 광 커플러(201a, 201b), 제1 및 제2 광 도파로 팔(202a, 202b), 한 쌍의 편광 회전기(210a, 210b), 비가역적 위상 변이기(203) 및 편광의존 가역적 위상 변이기(220)와 동일할 수 있다.Referring to FIG. 7, for the configuration of an integrated optical isolator and circulator device according to another embodiment, the input optical waveguides 705a, 705b, 705c and the output optical waveguides 706a, 706b, 706c are three optical waveguides. It can be done. Meanwhile, elements other than the input optical waveguides (705a, 705b, 705c) and the output optical waveguides (706a, 706b, 706c), such as input and output optical couplers (701a, 701b), first and second optical waveguide arms ( 702a, 702b), a pair of polarization rotators (710a, 710b), an irreversible phase shifter (703), and a polarization-dependent reversible phase shifter (720) are connected to the input and output optical couplers (201a, 201b) of FIG. It may be the same as the first and second optical waveguide arms (202a, 202b), a pair of polarization rotators (210a, 210b), the irreversible phase shifter (203), and the polarization-dependent reversible phase shifter (220).
일 실시예에서, 입력단 광 커플러(701a) 및 출력단 광 커플러(701b)는 각각 3
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000009
2 형태 및 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000010
3 형태를 가질 수 있다. 이 때, 3개의 중 1개의 광 도파로(705a, 706a)는 다리형 광 도파로일 수 있다. 예를 들어, 입력단 광 커플러(701a)는 테이퍼링(Tapering)되어 3개의 입력 포트(705a, 705b, 705c)가 제1 광 도파로 팔(702a) 및 제2 광 도파로 팔(702b)로 나누어지도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 출력단 광 커플러(701b)는 테이퍼링(Tapering)되어 제1 광 도파로 팔(702a) 및 제2 광 도파로 팔(702b)이 3개의 출력 포트(706a, 706b, 706c)로 나누어지도록 구성될 수 있다.
In one embodiment, the input optical coupler 701a and the output optical coupler 701b each have 3
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000009
2 forms and 2
Figure PCTKR2022020605-appb-img-000010
It can have 3 forms. At this time, one of the three optical waveguides 705a and 706a may be a bridge-type optical waveguide. For example, the input optical coupler 701a is tapered so that the three input ports 705a, 705b, and 705c are divided into a first optical waveguide arm 702a and a second optical waveguide arm 702b. You can. Likewise, the output end optical coupler 701b may be configured to be tapered so that the first optical waveguide arm 702a and the second optical waveguide arm 702b are divided into three output ports 706a, 706b, and 706c. .
일 실시예에서, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자는 다중모드 간섭계 구조를 사용하거나, 마하젠더 간섭계 구조를 사용하거나, 비대칭형 방향성 결합기를 사용하거나, 휘어진 광 도파로로 구성된 방향성 결합기를 사용하거나, 다단계 방향성 결합기를 사용하거나, 도랑을 가진 광 도파로로 구성된 방향성 결합기를 사용하여, 3개의 광 도파로를 가지는 입력단 광 도파로(705a, 705b, 705c) 및 출력단 광 도파로(706a, 706b, 706c)를 구성할 수 있다.In one embodiment, the integrated optical isolator and circulator device uses a multimode interferometer structure, uses a Mach-Zehnder interferometer structure, uses an asymmetric directional coupler, uses a directional coupler consisting of a curved optical waveguide, or uses a multi-level optical coupler. By using a directional coupler or a directional coupler composed of an optical waveguide with a groove, an input optical waveguide (705a, 705b, 705c) and an output optical waveguide (706a, 706b, 706c) having three optical waveguides can be formed. there is.
본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.Unless there is an explicit order or statement to the contrary regarding the steps constituting the method according to the invention, the steps may be performed in any suitable order. The present invention is not necessarily limited by the order of description of the above steps. The use of all examples or illustrative terms in the present invention is simply for explaining the present invention in detail, and the scope of the present invention is not limited by the examples or illustrative terms unless limited by the claims. Additionally, those skilled in the art will recognize that various modifications, combinations and changes may be made depending on design conditions and factors within the scope of the appended claims or their equivalents.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all scopes equivalent to or equivalently changed from the scope of the claims are within the scope of the spirit of the present invention. It will be said to belong to

Claims (6)

  1. 입력단 광 도파로와 연결된 입력단 광 커플러 및 출력단 광 도파로와 연결된 출력단 광 커플러;an input optical coupler connected to the input optical waveguide and an output optical coupler connected to the output optical waveguide;
    상기 입력단 광 커플러 및 상기 출력단 광 커플러 사이를 연결하는 제1 광 도파로 팔 및 제2 광 도파로 팔;a first optical waveguide arm and a second optical waveguide arm connecting between the input optical coupler and the output optical coupler;
    제1 광 도파로 팔 및 제2 광 도파로 팔에 형성된 비가역적 위상 변이기;an irreversible phase shifter formed on the first optical waveguide arm and the second optical waveguide arm;
    상기 입력단 광 커플러 및 상기 비가역적 위상 변이기 사이에 위치하는 입력단 가역적 편광 회전기 및 상기 비가역적 위상 변이기 및 상기 출력단 광 커플러 사이에 위치하는 출력단 가역적 편광 회전기; 및an input reversible polarization rotator located between the input optical coupler and the irreversible phase shifter, and an output reversible polarization rotator located between the irreversible phase shifter and the output optical coupler; and
    상기 비가역적 위상 변이기 및 상기 출력단 광 커플러 사이에 위치하는 편광의존 가역적 위상 변이기;를 포함하고,It includes a polarization-dependent reversible phase shifter located between the irreversible phase shifter and the output optical coupler,
    상기 입력단 가역적 편광 회전기 및 상기 출력단 가역적 편광 회전기는 상기 제1 광 도파로 팔 위에 형성되고,The input reversible polarization rotator and the output reversible polarization rotator are formed on the first optical waveguide arm,
    상기 편광의존 가역적 위상 변이기는 상기 제2 광 도파로 팔 위에 형성되는, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자.The polarization-dependent reversible phase shifter is formed on the second optical waveguide arm.
  2. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 비가역적 위상 변이기는,The irreversible phase shifter,
    상기 제1 및 제2 광 도파로 팔 상부에 자기광학 박막이 코팅되어 상기 제1 및 제2 도파로 팔을 진행하는 광의 위상을 비가역적으로 변하도록 하되,A magneto-optical thin film is coated on the top of the first and second optical waveguide arms to irreversibly change the phase of light traveling through the first and second waveguide arms,
    상기 자기광학 박막은,The magneto-optical thin film is,
    상기 제1 및 제2 광 도파로 팔의 진행 방향에 대하여 소정의 경사각으로 코팅되고, 상기 제1 및 제2 광 도파로 팔의 진행 방향에 대하여 수직으로 자화된 것인, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자.An integrated optical isolator and circulator element coated at a predetermined inclination angle with respect to the traveling direction of the first and second optical waveguide arms and magnetized perpendicular to the traveling direction of the first and second optical waveguide arms. .
  3. 제 2 항에 있어서,According to claim 2,
    상기 비가역적 위상 변이기는,The irreversible phase shifter,
    상기 제1 광 도파로 팔에 형성된 제1 비가역적 위상 변이기; 및a first irreversible phase shifter formed on the first optical waveguide arm; and
    상기 제2 광 도파로 팔에 형성된 제2 비가역적 위상 변이기;를 포함하고,A second irreversible phase shifter formed on the second optical waveguide arm,
    상기 제1 및 제2 비가역적 위상 변이기는 서로 분리된 것인, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자.An integrated optical isolator and circulator device, wherein the first and second irreversible phase shifters are separated from each other.
  4. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 편광의존 가역적 위상 변이기는,The polarization-dependent reversible phase shifter,
    상기 제2 광 도파로 팔을 진행하는 광을 TE(Transverse Electric Wave) 편광 및 TM(Transvers Magnetic Wave) 편광으로 분리하는 입력단 편광 분파기;an input polarization splitter that separates the light traveling through the second optical waveguide arm into TE (Transverse Electric Wave) polarization and TM (Transverse Magnetic Wave) polarization;
    상기 입력단 편광 분파기로부터 분리된 TE 편광 또는 TM 편광의 진행 속도를 높이는 고속 광 도파로;a high-speed optical waveguide that increases the propagation speed of TE polarization or TM polarization separated from the input polarization splitter;
    상기 입력단 편광 분파기로부터 분리된 TE 편광 또는 TM 편광의 진행 속도를 낮추는 저속 광 도파로; 및a low-speed optical waveguide that reduces the propagation speed of TE polarization or TM polarization separated from the input polarization splitter; and
    상기 고속 광 도파로 및 상기 저속 광 도파로를 진행한 TE 편광 및 TM 편광을 결합하여 출력하는 출력단 편광 분파기;an output-stage polarization splitter that combines TE polarization and TM polarization transmitted through the high-speed optical waveguide and the low-speed optical waveguide and outputs the output;
    를 포함하는, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자.An integrated optical isolator and circulator element comprising a.
  5. 제 4 항에 있어서,According to claim 4,
    상기 고속 광 도파로는,The high-speed optical waveguide,
    상기 제2 광 도파로 팔의 폭 보다 좁은 도파로 폭을 갖거나, 낮은 유효 굴절률을 갖는 상부 크래드를 갖고,Having a waveguide width narrower than the width of the second optical waveguide arm, or having an upper clad with a low effective refractive index,
    상기 저속 광 도파로는,The low-speed optical waveguide,
    상기 제2 광 도파로 팔의 폭 보다 넓은 도파로 폭을 갖거나, 높은 유효 굴절률을 갖는 상부 크래드를 갖는 것인, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자.An integrated optical isolator and circulator element having a waveguide width wider than the width of the second optical waveguide arm or having an upper clad with a high effective refractive index.
  6. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 입력단 광 도파로 및 상기 출력단 광 도파로는,The input optical waveguide and the output optical waveguide are:
    2개 또는 3개의 광 도파로로 이루어진 것인, 집적형 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 소자.An integrated optical isolator and circulator element consisting of two or three optical waveguides.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110070420A (en) * 2009-12-18 2011-06-24 한국전자통신연구원 Optical switch using mach-zehnder interferometor and optical switch matrix having the same
KR20150055389A (en) * 2013-11-13 2015-05-21 인하대학교 산학협력단 Integratable planar waveguide-type optical isolator and circulator with polarization-mode control
KR101656183B1 (en) * 2015-04-21 2016-09-09 인하대학교 산학협력단 Integratable planar waveguide type nonreciprocal polarization rotator
US20180267245A1 (en) * 2017-03-17 2018-09-20 Fujitsu Limited Optical isolator and optical module
CN112711147A (en) * 2021-01-26 2021-04-27 中国科学院半导体研究所 Lithium niobate optical isolator irrelevant to polarization

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110070420A (en) * 2009-12-18 2011-06-24 한국전자통신연구원 Optical switch using mach-zehnder interferometor and optical switch matrix having the same
KR20150055389A (en) * 2013-11-13 2015-05-21 인하대학교 산학협력단 Integratable planar waveguide-type optical isolator and circulator with polarization-mode control
KR101656183B1 (en) * 2015-04-21 2016-09-09 인하대학교 산학협력단 Integratable planar waveguide type nonreciprocal polarization rotator
US20180267245A1 (en) * 2017-03-17 2018-09-20 Fujitsu Limited Optical isolator and optical module
CN112711147A (en) * 2021-01-26 2021-04-27 中国科学院半导体研究所 Lithium niobate optical isolator irrelevant to polarization

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