실리콘 광 도파로 입출력 포트의 광 커플링 구조 최적화 연구

Abstract

전자 기기의 크기가 점점 작아지고 데이터 통신이 고속화 됨에 따라 기존 구리 배선을 통한 칩 레벨 데이터 통신으로는 전자기 간섭, skin effect 및 crosstalk 와 같은 현상으로 인해 더 이상 데이터 통신을 빠르게 하는데 한계가 생기게 되었다. 실리콘 포토닉스는 이와 같은 부작용이 없이 초고속 데이터통신을 가능하게 하며, 기존 CMOS 공정을 이용할 수 있다는 장점 때문에 현재 전기적 배선을 대체할 수 있는 분야로 각광받고 있다.

실리콘 포토닉스의 가장 큰 기술적 한계는 현재까지는 실리콘 광원의 효율이 매우 떨어지기 때문에 외부광원을 필연적으로 이용해야 한다는 것이다. 통신 효율의 병목 현상의 대부분이 이 외부 광원과 실리콘 도파로의 커플링 사이에서 일어나기 때문에 커플링 효율은 전체 시스템 수준에서 고려해봐도 매우 중요하다. 현재 외부 광원과 실리콘 광 도파로의 커플링 방법에는 수평 커플링과 수직 커플링이 있는데 여러 측면에서 수직 커플링이 수평 커플링에 비해 더 효율적이다. 수직 커플링 방법으로 가장 널리 사용되는 것이 회절 격자 커플링인데 기본적으로 회절 격자의 주기, 식각 두께, 입사 각도, 반사 방지 코팅 물질 및 두께에 의해 커플링 효율이 영향을 받는다. 또한 커플링 효율이 외부 광원과 회절 격자의 정렬 오차에 의해 커플링 효율이 크게 영향을 받는다. 따라서 커플링 효율의 향상을 위해 정렬 허용도를 높이는 연구는 필수적이다.

본 논문의 2, 3 장에서는 회절 격자 커플러의 구동 원리와 회절 격자 구조에 따른 커플링 효율에 대해 시뮬레이션 및 측정을 통해 알아 보았다. 그리고 본 논문의 4 장에서는 외부 광원과 회절 격자 커플러와의 정렬 허용도를 증대시킬 수 있는 구조를 제안하고, 이를 직접 측정해 보고 정렬 허용도가 증가한 것을 확인하였다.

회절 격자에서의 정렬 허용도 증가와 별개의 이야기로, 실리콘 광 도파로 말단에서의 빛의 소멸에 대한 연구 역시 중요하다. 광 모듈레이터와 같은 구조에서 전송 라인 반대편 채널로 새어나간 빛이 반사되거나 산란되어 주변 채널에 진입하게 되면 에러율이 높아지게 된다. 이러한 광 도파로 말단에 grating, tapering, MMI 와 같은 구조들을 적용하여 시뮬레이션을 통해 말단에서의 빛 소멸 효율 정도에 대해 알아보고, 각 구조들의 장단점에 대해 분석해 보았다.