We demonstrate a silicon photonic wire filter using phase-shifted long-period gratings. The proposed device consists of single-mode waveguide sections, a two-mode section with corrugated gratings, taper sections to connect them, and phase-shifted grating at the center of grating region for the π phase-shift. By adopting a high refractive index contrast waveguide, the period and depth of grating are given as 4.48 ㎛ and 5 ㎚, respectively. The total length of device including two mode-size-converters is 750 ㎛. The total coupling length is 372 ㎛. The transmission characteristics of phase-shifted long-period gratings are examined theoretically. It is shown that the transmission spectrum of grating can be controlled by the phase shift which allows the shape of the spectrum to meet the requirements of many kinds of devices. The π phase-shifted filter is experimentally fabricated and it shows the spectrum of band pass filter. The measured maximum attenuation at the stop band is 12 ㏈. The bandwidth of the transmission dip is 8 ㎚. Finally, issues on the design and the performance of our device are discussed.
본 논문에서는 SOI 구조를 이용하여 코어 모드간 결합을 이용한 위상 편이 장주기 격자를 이용한 실리콘 포토닉 와이어 필터를 설계, 제작하여 위상 편이 효과를 이용해 투과 스팩트럼을 조절할 수 있음을 확인하였다.
사용한 SOI 구조는 클래딩으로 사용하는 $SiO_2$ 층의 두께가 2 ㎛ 이고 최 상층의 실리콘의 두께가 230 nm이다. 필터를 설계하기 위해 Photon Design사의 상용 시뮬레이션인 FIMMWAVE (국소 모드 전개 방법 이용)을 이용하여 실리콘 포토닉 와이어 도파로의 단일 모드 영역과 다중 모드 영역, 그리고 장주기 격자의 폭, 주기, 개수를 정해주고 위상 편이 효과에 대한 결과를 수치 모사해 주었다. 설계한 실리콘 포토닉 와이어 도파로의 단일 모드 영역의 크기는 높이가 230 nm이고 폭이 450nm 이며 다중 모드 영역의 크기는 같은 높이에 폭이 1000nm 이다. 결합하는 모드가 비대칭(asymmetric) 형태이므로 장주기 격자도 비대칭 구조로 만들었으며 격자의 깊이는 5nm, 주기는 4.48 μm, 총 결합 길이는 270 μm 이다.
모드 크기 변환기를 포함한 총 필터의 길이는 750 μm이며 실리콘 도파로를 이용한 1mm 크기 이하의 필터를 제작할 수 있었다. 위상 편이 효과를 준 격자의 주기는 π 위상 편이를 가지는 6.72 μm 이며 결합 길이의 중심에 하나를 위치시켜 주었다. 모드 크기 변환기 테이퍼의 길이는 200 μm 이고 테이퍼 끝 부분의 두께는 50 nm이다. 폴리머 도파로의 크기는 두께와 폭 모두 3 μm 로 설계하였다. 설계한 필터를 제작하기 위한 공정 조건을 확립하였고 제작된 필터의 파장 의존성을 측정하고 위상 편이 효과를 주었을 때와 주지 않았을 때를 비교해 주었다. 위상편이 효과를 주지 않았을 경우에 대역폭은 9 nm, 소광비는 14dB, 결합 길이는 345 μm가 측정이 되었으며 위상 편이 격자를 삽입한 경우 대역폭은 8 nm, 소광비는 12 dB 결합길이는 372 μm가 측정이 되었다. π 위상 편이 된 필터의 경우 위상 정합 조건에 의해 모드간의 결합으로 신호가 제거 되어야 되는 파장에서 보강 간섭 효과로 인해 패스 밴드가 되며 양쪽으로 스탑밴드가 나타나는 스택트럼을 보여주고 있다. 더불어 실리콘 포토닉 와이어 도파로의 길이에 따른 삽입 손실까지 측정하였다.
본 논문에서 설계, 제작한 위상 편이 장주기 격자 실리콘 필터는 공정 상의 오차에 너무 큰 영향을 받는 단점이 있다. 더 미세한 실리콘 도파로 패터닝의 형성이 가능하고 공정의 간소화를 통해 실리콘 도파로와 격자에 영향을 끼칠 수 있는 요소들을 제거하여 성능을 더욱 개선한다면 광통신 분야의 여러 가지 모양의 필터에 응용이 가능할 것이다.
