KR101121459B1 - 광섬유 및 평면 광학 도파관을 치밀하게 결합하는 방법 및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라, 광섬유는, 1)일련의 확장된 단면(enlarged cross section)의 평면 도파관 세그먼트, 2)수직으로 테이퍼된 단면(tapered cross section)의 세그먼트를 통해 평면 도파관에 결합된다. 이격된 세그먼트들 및 테이퍼된 세그먼트들의 조합은 종래의 단열적인 결합(adiabatic coupling)에서 요구되는 종축보다 훨씬 짧은 종축를 통해 효과적인 결합을 제공한다.

도파관, 광섬유, 굴절률, 테이퍼, 결합

Description

광섬유 및 평면 광학 도파관을 치밀하게 결합하는 방법 및 장치{Method and apparatus for compactly coupling an optical fiber and a planar optical wave guide}

도 1은 본 발명에 따라, 평면 도파관 디바이스에 결합된 광섬유의 개략도.

도 2는 도 1의 결합 장치의 제 1 예를 개략적으로 예시하는 도면.

도 3은 도 1의 결합 장치의 제 2 예를 개략적으로 예시하는 도면.

도 4는 테이퍼된 영역(tapered region)이 연속적으로 테이퍼된 것 보다는 스텝 테이퍼된 결합 장치의 예를 개략적으로 도시하는 도면.

도 5는 세그먼트들이 평면 도파관(planar guide)상에 위치된, 굴절률이 상이한 두 재료들을 포함하는 결합 장치의 예시적인 측면 뷰를 도시하는 도면.

도 6은 테이퍼된 세그멘팅된 섹션이 상이한 굴절률들의 두 재료들을 포함하는 결합 장치의 예시적인 측면 뷰를 개략적으로 도시하는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명*

10...광섬유 11...도파관 디바이스

12...섬유 코어 13...도파관 코어

14...도파관 섹션

본 발명은 광섬유로부터 평면 도파관으로, 및 그 역으로 빛을 간결하고 효과적으로 결합시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

평면 도파관 디바이스들은 광섬유 통신 시스템들의 중요한 성분이다. 이들 시스템들은 통신을 위해 긴 종축의 섬유를 통상적으로 포함하고, 종종 평면 도파관 디바이스들을 사용하여 필터링, 신호 채널들의 멀티플렉싱, 디멀티플렉싱, 색 분산의 보상 및 편광 분산의 보상과 같은 갖가지 처리들을 수행한다.

광섬유는 통상적으로 동심 클래딩 유리(concentric cladding glass)에 의해 주변이 둘러싸인 원형 단면의 중심 코어를 갖는 유리의 얇은 스트랜드(thin strand) 형태이다. 코어는 빛이 전반사(total internal reflection)에 의해 코어에서 유지되고 섬유 모드(fiber mode)에서 전파하도록, 클래딩보다 높은 굴절률을 갖는다. 장거리의 전송의 경우, 빛이 단일 원형 모드에서 전파되도록 코어 치수들은 통상적으로 선택된다.

대조적으로, 평면 도파관 디바이스는 통상적으로 실리콘 기판에 의해 지지되는 이산화규소(silica)의 얇은 층들에 의해 형성된다. 코어는 통상적으로 직사각형의 단면이다. 코어 영역은 마스킹된 표면(masked surface)의 에칭에 의해, 원하는 기능을 수행하는 패터닝된 구성으로 형성된다. 작은 반경 곡선들(radius curves)을 허용하고, 그에 의해 치밀한 기능성을 허용하기 위해, 평면 도파관 코어의 굴절률과 클래딩의 굴절률간의 차이는 통상적으로 괌섬유에 대해 대응하는 차이보다 실질적으로 크다. 평면 도파관은 고 델타가 된다고 하며, 여기서, 델타(ㅿ)는 클래딩 굴절률보다 적은 코어 굴절률에 의해 주어지며, 모두는 코어 굴절률에 의해 분할된다.

유감스럽게, 전송 섬유로부터 평면 도파관에 빛을 결합시키는데는 문제가 존재한다. 굴절률들에서 부정합(mismatch)에 더하여, 코어 사이즈에서 부정합도 존재한다. 통상적인 광섬유에 대한 코어 사이즈는 단일 모드 평면 도파관에 대한 최적 코어 사이즈보다 대단히 크고, 따라서, 그들의 광학 모드들은 필드가 섬유 보다는 도파관내에서 한정되기 때문에, 정합되지 않는다. 이들 부정합들의 결과로서, 평면 도파관에 대해 섬유의 직접적인 결합은 광학 빔의 많은 삽입 손실을 초래할 수 있다.

상기 문제에 대한 종래의 접근 방법은 섬유를 수신하기 위해 확장된 단부(enlarged end)를 갖는 도파관을 제공하고, 측면 방향으로 도파관 코어를 최적 사이즈로 점차적으로(단열적으로) 테이퍼(taper)시키는 것이다. 도파관 광학 회로와 동일한 평면상에 측면 테이퍼가 있다. 이 접근 방법은 삽입 손실을 감소시키지만, 유감스럽게도, 단열적인 측면 테이퍼링은 고 델타 도파관들에 대해 효과적이지 않고, 상당한 종축를 필요로 한다.

보다 많은 프로세스-요구 접근 방법은 광섬유 단부에서 확장된 높이 도파관으로 시작하는 것이고, 그 후, 도파관은 도파관 회로 레벨까지 수직적으로 테이퍼 다운된다. 이 기술은 koch 등(T.l.Koch, 등)에 의해 제안되었다("Tapered Waveguide InGaAa/InGaAsP Multiple-Quantum-Well Lasers", IEEE Photonics Letters Vo12. No2 1990. 2월호, A.Mahapatra 및 J.M. Connors의 "Thermal tapering of ion-exchanged channel guides in glass," Opt. Letters, vol.13, pp.169-171, 1988, 및 Shani 등의 "Efficient coupling of semiconductor laser to an optical fiber by means of a tapered waveguide on silicon" Applied Physics Letters 55(23), Dec 1989 참조). 그러나, 이는 성장시키는데 매우 긴 시간이 소요되는 상당히 큰 도파관 시작 코어 높이(waveguide starting core height)를 필요로 한다.

2-D 테이퍼된 세그멘팅된 도파관은 Z. Weissman 및 A.Hardy에 의해 설명된다. 이 기술은 도파관들의 세그먼들 사이에 갭들을 도입함으로써 2-차원 모드 테이퍼링을 구현한다(Weissma 및 A.Hardy, "Modes if Periodically Segmented Waveguide", IEEE Journal of Lightwave Technology 11:1831 - 1838(1993)). 사실상, 도파 영역의 전체 유효 굴절률은 감소된다. 이 접근 방법은 결합 손실을 감소시키는데 매우 효과적이다. 그러나, 고 굴절률 도파관들의 경우에, 코어 두께가 섬유에 비해 작고, 따라서, 세그멘팅된 테이프들을 통한 모드 정합은 달성하기 어렵고, 섬유 모드와의 양호한 정합은 여전히 달성될 수 있다.

따라서, 광섬유에서 전파하는 빛을 도파관으로 치밀하고 효과적으로 결합시키는 개선된 장치에 대한 요구가 존재한다.

본 발명의 이점들, 특성 및 다양한 부가적인 특징들은 첨부된 도면들과 관련 하여 상세히 기술될 예시적인 실시예들을 고려하여 완전히 드러날 것이다.

본 발명에 따라, 광섬유는, 1)일련의 확장된 단면의 평면 도파관 세그먼트와, 2)테이퍼된 단면의 세그먼트를 통해 평면 도파관에 결합된다. 이격된 세그먼트들 및 테이퍼된 세그먼트들의 조합은 종래의 단열적인 결합에서 요구되는 종축보다 훨씬 짧은 종축를 통해 효과적인 결합을 제공한다.

상기 도면들은 본 발명의 개념들을 예시의 목적을 위한 것이고, 그래프들을 제외하고, 스케일링되지 않았다는 것을 알 수 있다.

도면들을 참조하여, 도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 평면 도파관 디바이스(11)에 결합된 광섬유(10)를 포함하는 디바이스(9)의 개략도이다. 특히, 디바이스(9)는 지름(d)의 코어(12)를 갖는 광섬유(10)와 섬유 코어(12)의 지름보다 각각 적은 횡치수들(높이 h 및 폭 w)의 코어(13)를 갖는, 적어도 하나의 축으로 연장하는 평면 도파관(axially extending planar waveguide;11)을 포함한다. 섬유 코어(12)는 확장된 횡단면의 세그멘팅된 도파관 섹션(14)과 테이퍼된 섹션(15)에 의해 보다 작은 도파관 코어(13)에 광학적으로 결합된다. 양호하게는, 세그멘팅된 섹션(14)은 섬유 코어(12)와 대략적으로 동일한 횡단면을 갖고, 코어(12)로부터 초기 결합을 제공한다. 세그먼트들의 이격(spacing) 및/또는 세그먼트들의 두께는 섬유로부터 평면 도파관에 이를때까지 변하여, 보다 낮은 굴절률 섬유 코어 섬유를 떠나는 빛은 유효 코어 굴절률이 점차 증가하여 대략적으로 보다 높은 굴절률 평면 도파관 코어를 만나게(encounter)된다. 이는 세그멘팅된 섹션(14)으로부터 테이퍼된 영역(15)의 확장된 영역 단부(16)로의 결합을 최소의 굴절률 부정합(index mismatch)으로 허용한다. 테이퍼된 영역은 평면 도파관 코어(12)의 보다 작은 횡영역에 근접할 때까지 테이퍼 다운(taper down)된다. 도파관 코어(12)는 결합된 빛을 처리하기 위해, 지오메트리(geometry), 다른 코어들, 위상 천이기들(phase shifters) 또는 링 공진기(도시되지 않음)로 구성된다.

도 1의 결합 디바이스는 광섬유의 세그먼트의 형태로 구현될 수 있고, 또는 평면 도파관을 포함하는 집적된 광학 디바이스의 일부로서 구현될 수 있다.

유사하게, 평면 도파관 디바이스로부터의 빛은, 평면 도파관으로부터 섬유로 통과함으로써 광섬유로 효과적이고 치밀하게 결합될 수 있다. 상기 빛은 반대 방향으로, 테이퍼된 영역(15)을 통과하여 확장된 단부(16)로 통과되어야 한다. 그 후, 세그멘팅된 영역(14)을 통하여 광섬유의 단부와 정합되는 보다 낮은 유효 단부에 결합한다.

수직 테이퍼의 세그멘팅된 부분은 실리콘 광학 벤치 기술(silicon optical bench technology)이 사용되는 표준 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 우선은, 저 클래딩층은 저압 스팀 산화(lowpressure steam oxidation)후 어닐에 의해 형성된다. 그 후, 보다 높은 굴절률 코어층은 PECVD(Plasma Enhanced vapor deposition) 또는 LPCVD(low pressure Chemical vapor deposition)에 의해 증착되고, 그 후, 유리를 플로우(flow)하도록 어닐링된다. 그 후, 세그멘팅된 도파관은 크롬 마스크 접촉(chrome mask contact)을 사용하여 1:1 투영(projection)으로 포토리소그라피에 의해 패터닝된다. 그 후, 마스크 정보는 코어를 통과하는 반응성 이온 에칭을 사용하여 패터닝된다. 폴리 실리콘 합성물 또는 하드 베이크드 포토레지스트(hard baked photoresist)가 이 프로세스를 위해 사용된다. 0.7 내지 32.5 ㎛ 범위의 갭 사이즈들이 달성될 수 있다. 다음, 클래딩층은 유리를 플로우시키기 위한 어닐들을 수행하는 몇개의 단계들에서 증착된다.

섀도우 또는 디더 마스크들(shadow or dither masks)은 구조의 수직으로 테이퍼된 부분을 패터닝하는데 사용될 수 있다. 이들 마스크들은 빛 강도들의 가변 전송을 허용한다. 포토레지스트가 보다 높은 빛 강도에 노출되는 영역들은 보다 빠르게 현상될 것이다. 코어 재료의 에칭 속도는 레지스트가 얼마나 멀리 현상되는지와 관련되고, 따라서, 상이한 높이들을 갖는 영역들이 제조될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 테이퍼된 영역(15)은 도 1에서 도시된 바와 같이 연속적으로 테이퍼되는 대신에, 도 4에서 도시된 바와 같이 단계적으로 테이퍼(step-tapered)될 수 있다. 이러한 접근 방법의 이점은 제조에 용이하다는 것이다. 그러나, 적은 수의 단계들이 사용될 때, 손실의 증가를 초래할 수 있는 고차 모드들(higher order modes)이 여기될 수 있다.

다른 대안적인 실시예에서, 도 5에서 도시된 바와 같이, 결합기 구조는 섬유로부터 평면 도파관 회로(PLC)칩에 결합을 위한 두 개의 층들을 포함한다. 굴절률(n1)의 세그먼트들은 굴절률(n2)을 갖는 평면 도파관(52)과 접촉하여 위치된다. 코어(51)(n1)는 빛을 섬유로부터 결합기 칩에 효과적으로 결합시키기는 두꺼운 저 굴절률 재료(thick low index material)이다. 코어(52)(n2)는 PLC 디바이스와 동일한 재료의 고 굴절률 코어이다. 빛은 저 굴절률 코어가 갭들로 세그멘팅된 코어들(n1,n2)에 효과적으로 결합될 수 있다. 갭 사이즈는 PLC 칩쪽을 향하여 증가하고, 따라서 저 굴절률 코어의 유효 굴절률은 천천히 감소된다. 결과적으로, 빛은 고 굴절률 코어에 단열적으로 결합된다. 단부 폭(end width; PLC 칩 근처)은 도파관의 단일 모드 사이즈로 테이퍼 다운될 수 있다.

또 다른 대안적인 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 가변 높이 세그먼트들이 섬유(12)로부터 평면 도파관(62)으로 테이퍼된다. 세그먼트들(61)은 섬유와 호환 가능한 굴절률(n1)과 평면 도파관의 굴절률(n2)인, 두개의 재료들을 포함한다. 굴절률(n2)을 포함하는 세그먼트의 부분은 그것이 평면 도파관(62)의 치수들에 정합할 때까지 점차 증가된다.

이하의 예들에서, 세그먼트들의 치수들, 특히 세그먼트의 두께들은 프로메테우스(Prometheus)를 사용하여 결정된다. 프로메테우스는 도파관 시뮬레이션 및 디바이스 최적화를 위해 표준 기술들을 사용하는 3D 유한 차분 빔 전파 컴퓨터 프로그램(3D finite difference beam propagation computer program)이다. 프로메테우스 패키지(이전에는, BBV 소프트웨어, 네덜란드)는 지금 "올림피오스(OlympIOs)"의 일부이다. 상업적으로 이용 가능한 광학 소프트웨어 패키지인 올림피오스는 2D 유효 굴절률 빔 전파 방법(2D effective index beam propagation method)뿐 아니라 프로메테우스도 포함한다(C2V, P.O. Box 318, 7500 AH, Enschede, 네덜란드). 본 발명은 다음의 특정한 예들을 고려함으로써 더 분명히 이해될 수 있다.

예 1:

도 2는 8 마이크로미터 코어를 갖는 광섬유를 치수 1.9 x 1.9 마이크로미터들의 고 6% 델타 평면 도파관에 결합하는 장치를 개략적으로 예시한다. 세그멘팅된 섹션(14)은 섬유 코어로부터 테이퍼된 섹션(15)에 결합하는 10개의 고 델타 세그먼트들을 포함한다. 각각의 세그먼트는 8 x 8 마이크로미터의 단면을 갖고, 연속하는 세그먼트들은 8 마이크로미터들 떨어져서 정기적으로 이격된다(중심간 거리). 연속하는 세그먼트들의 두께는 섬유로부터 테이퍼된 섹션으로 종축 방향으로 증가하여, 섬유로부터의 빛은 연속적인 고 델타 테이퍼된 섹션을 접근함에 따라, 증가하는 유효 굴절률을 경험한다. 테이퍼된 섹션은 테이퍼 없는 110 마이크로미터 종축, 테이퍼 없는 250 마이크로미터 종축, 평면 도파관 치수로 선형 테이퍼 다운하는 250 마이크로미터 영역을 포함한다. 결합 손실은 입력 세그먼트로부터 선형 테이퍼의 시작까지 약 0.25 dB이다. 단열적인 테이퍼에서의 손실은 종축 및 외형(shape)에 의존한다.

예 2:

광섬유를 4% 델타 평면 도파관에 결합하기 위해, 도 3에서 도시된 바와 같이 유사한 장치는 9 마이크로미터만큼 정기적으로 이격된 7 x 7 마이크로미터 세그먼트들을 가질 수 있다. 전체 결합 손실은 약 0.18 dB이다.

예 3:

도 4는 연속적으로 테이퍼되기 보단 단계적으로 테이퍼된 테이퍼된 섹션을 사용하는 장치를 개략적으로 예시한다. 이는 섬유(도시되지 않음)로부터 단계적으로 테이퍼된 섹션(15)에 결합하기 위해 10개의 7 x 7 마이크로미터 세그먼트들을 사용한다. 섹션(15)은 10개의 25 마이크로미터 단계들 각각에서 0.43 마이크로미터들만큼 하향으로 테이퍼된다. 4% 델타 평면 도파관에 결합하기 위한 전체 결합 손실은 약 0.35dB이다.

본 발명은 광섬유를 평면 도파관에 광학적으로 결합하기 위한 디바이스를 포함한다는 것을 이제 알 수 있다. 디바이스는 세그멘팅된 안내부(guiding portion) 및 테이퍼된 안내부를 포함하는 도파관 구조를 포함하며, 두 안내부들은 섬유 및 평면 도파관 사이의 보다 낮은 굴절률 클래딩 영역에 배치된다.

세그멘팅된 안내부는 보다 높은 굴절률 재료의 일련의 이격된 세그먼트들을 포함한다. 세그먼트들은 섬유 코어의 단면과 실질적으로 동일한 종축 단면들을 갖고, 연속하는 세그먼트들은 유효 굴절률을 제공하기 위해 증가하는 축 두께들을 갖고, 여기서, 상기 유효 굴절률은 대략 섬유 코어의 굴절률로부터 대략 평면 도파관의 굴절률로 변한다.

테이퍼된 안내부는 대략 세그멘팅된 안내부의 종축 단면으로부터 대략 평면 도파관 코어의 종축 단면으로 변하는 종축 단면을 갖는다. 테이퍼는 연속적이거나 단계화 될 수 있다.

예 4:

도 5는 코어들(51 및 52)을 포함하는 2층(two-layered) 접근 방법을 사용하는 장치를 개략적으로 예시한다. 여기서, 섬유 코어(12)로부터의 빛은 2.7 ㎛의 높이 및 8.0 ㎛의 폭의 치수들을 갖는 평면 도파관에 결합된다. 이 장치는 섬유로부터 코어(51)를 통과하여 코어(52)에 결합하기 위해 10개의 세그먼트들을 사용한다. 코어(52)는 2.7 ㎛의 높이와 8 ㎛의 폭을 갖는다.

예 5:

도 6은 세그먼트들이 n1 및 n2 굴절률의 2개의 재료들을 포함하는 장치를 개략적으로 예시하며, 여기서, n2 > n1 이다. 10개의 세그먼트들(61)은 섬유(12)로부터 평면 광파 가이드(63)에 빛을 결합하기 위해 사용된다(사용된 세그먼트들의 수는 굴절률들에 의존하여 10 내지 30 사이에서 변한다). 세그먼트들(61)은 섬유(12)로부터 평면 도파관(62)까지 증가하는 두께를 갖는다. 또한, 세그먼트들(61)은 평면 도파관을 향해 n2 재료의 증가하는 부분을 포함한다. 평면 가이드에서, 마지막 세그먼트에서의 n2 재료의 치수들은 평면 도파관(62)의 치수들과 정합하며, 여기서는 8㎛ x 2.7㎛ 이다.

상술한 실시예들은 본 발명의 응용들을 나타낼 수 있는 다수의 가능한 특정 실시예들 중 오직 몇 개만을 예시했다는 것을 알 수 있다. 수많은 및 다양한 다른 장치들은 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어남 없이 당업자에 의해 만들어질 수 있다.

본 발명에 따라, 광섬유는 확장된 단면의 일련의 평면 도파관 세그먼트와 수직으로 테이퍼된 단면의 세그먼트를 통해 평면 도파관에 결합된다. 이격된 세그먼트들 및 테이퍼된 세그먼트들의 조합은 종래의 단열적인 결합에서 요구되는 종축보다 훨씬 짧은 종축를 통해 효과적인 결합을 제공한다.

Claims (10)

1. 광섬유를 평면 도파관에 광학적으로 결합시키는 결합 디바이스로서,

   상기 섬유 및 상기 평면 도파관 사이의 보다 낮은 굴절률 클래딩 영역(lower refractive index cladding region)에 각각 배치된 세그멘팅된 안내부 및 테이퍼된 안내부를 포함하는 광학 도파관 구조를 포함하고,

   상기 세그멘팅된 안내부는 보다 낮은 굴절률 재료의 일련의 이격된 세그먼트들을 포함하고, 상기 세그먼트들은 상기 섬유 코어의 단면과 실질적으로 동일한 종축 단면들을 갖고, 연속하는 세그먼트들은 상기 섬유로부터의 빛이 상기 도파관에 접근함에 따라, 상기 평면 도파관의 굴절률에 점점 근접하는 유효 굴절률을 상기 섬유로부터의 빛에 제공하기 위해 증가하는 축 두께들(increasing axial thicknesses)을 갖고,

   상기 테이퍼된 안내부는 인접한 세그먼트의 종축 단면 면적과 실질적으로 동일한 상기 세그멘팅된 안내부에 인접하는 종축 단면을 갖고, 상기 세그멘팅된 안내부와 평면 도파관 코어 사이에서, 상기 도파관 코어에 인접한 축 위치에서 상기 도파관 코어의 단면 면적에 근접하도록 상기 단면 면적을 테이퍼링하는 테이퍼된 영역을 갖는, 결합 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 테이퍼된 안내부는 연속적으로 테이퍼된 섹션을 갖는, 결합 디바이스.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 테이퍼된 안내부는 단계적으로 테이퍼된 섹션을 갖는, 결합 디바이스.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유 코어는 상기 평면 도파관 코어보다 큰 단면 면적을 갖는, 결합 디바이스.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 섬유 코어는 상기 평면 도파관 코어보다 작은 굴절률을 갖는, 결합 디바이스.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 평면 도파관은 4% 또는 그 이상의 고 델타 코어(high delta core)를 갖는, 결합 디바이스.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 평면 도파관은 6% 또는 그 이상의 고 델타 코어를 갖는, 결합 디바이스.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 결합 디바이스의 적어도 일부는 광섬유의 세그먼트의 형태로 구현되는, 결합 디바이스.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 도파관 구조는 상기 평면 도파관을 포함하는 집적 광학 디바이스에 배치되는, 결합 디바이스.
10. 제 1 항의 결합 디바이스에 의해 평면 도파관에 결합되는 광섬유.

Images