We demonstrate two kinds of silicon photonic wire filters using sidewall long-period waveguide gratings (LPWGs) for the first time. One is based on the co-directional coupling between two core modes, and the other on the co-directional coupling between the core and cladding modes. By adopting the silicon photonic wire that is a high refractive index contrast waveguide, the period of LPWG is significantly reduced to a few micrometers. Using the sidewall grating structure not only simplifies the fabrication processes, but also minimizes the alignment error between the waveguide and the grating. The coupled-mode analysis of the 3-dB bandwidth of the proposed filter, confirmed by numerical simulations, shows that the bandwidth is widely controllable. In addition, the thermal characteristics of the LPWG device are investigated. To demonstrate the feasibilities of the proposed LPWGs, we design and fabricate a wavelength-insensitive polarization splitter and a temperature sensor.
First, we design a silicon photonic wire by using local eigen mode expansion method and fabricate it by using e-beam direct writing and inductively coupled plasma (ICP) dry etching. To characterize the fabricated silicon photonic wires, we have fabricated mode size converters at the input and output ends of the waveguides. The average propagation losses for TE- and TM-like modes are 8.2 dB/cm and 7.5 dB/cm, respectively.
Then, we propose two kinds of silicon photonic wire filters using corrugated LPWGs. One is based on the co-directional coupling between two core modes, and the other on the co-directional coupling between the core and cladding modes. Since we adopt a sidewall LPWG structure, a precise alignment process between the LPWG and the waveguide is not necessary. Therefore, the fabrication process is simplified and the alignment error is minimized. For the filter based on the coupling between two core modes, the period of grating is reduced to 4.44 $\mu$m. Consequently, the length of grating is also reduced to $260 \mu m$. The device has a maximum attenuation level of -13 dB, and 3-dB bandwidth of 15 nm with a center wavelength of 1609-nm wavelength. For the filter based on the coupling between core and cladding modes, the period and length of the grating are 1.81 and $455 \mu m$, respectively. The device has a maximum attenuation level of -9.5 dB, and 3-dB bandwidth of 1.5 nm with a center wavelength of 1600-nm wavelength.
The 3-dB bandwidth of the proposed filter is analyzed from the dispersion of the silicon photonic wire by applying the coupled-mode theory that has been confirmed by numerical simulation. It is shown that the 3-dB bandwidth largely depends on the width of the waveguide. Considering the limit of fabrication equipments, the experimentally realizable 3-dB bandwidth is from a few nm to about 200 nm.
To demonstrate the feasibilities of the proposed LPWGs, we design and fabricate a wavelength-insensitive polarization splitter. An asymmetric Y-branch is adopted at the output end of the LPWGs for splitting TE- and TM-like modes. The crosstalk of fabricated polarization splitter is smaller than -15 dB from 1540 to 1625 nm wavelength. The operating range covers the almost C-band and the whole L-band in the wavelength range of optical communication. In addition, we study temperature characteristics of the LPWGs as a temperature sensor. Since the thermooptic constant of silicon is relatively large the silicon is proper material for temperature sensors. For the temperature sensor using core-to-core mode coupling, the sensitivity is 0.075 nm/℃. For the temperature sensor using core-to-cladding mode coupling, the sensitivity is 0.2 nm/℃.
The results of this work may contribute to the implementation of optoelectronic System-on-Chip based on optoelectronic and complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) integrated circuits.
본 논문에서 실리콘 포토닉 와이어에 각종 센서와 필터, 애드/드롭 다중화기 등의 기능성 소자에 다양하게 응용되고 있으나, 소형화하기 어려웠던 장주기 격자를 최초로 도입하여 장주기 격자를 극소형화하고, 실리콘 포토닉 와이어에 기능성을 부여하는 또 하나의 방법에 관한 연구를 수행하였다.
실리콘 포토닉 와이어를 설계하고 이를 구현하기 위한 제작 공정을 개발한 후, 제작된 광도파로에 광을 여기하기 위한 모드 크기 변환기를 입·출력 면에 집적하였다. 이를 바탕으로 두 가지 결합 현상을 각각 이용한 측면 장주기 격자 필터를 제안하고 그 특성을 측정하였다. 실리콘 광도파로의 분산 관계로부터 필터의 FWHM 대역폭을 나타내는 관계식을 도출함으로써 가용 대역폭을 매우 광범위하게 조절 가능함을 이론적으로 보였다. 이 결과로부터 대역폭이 160nm 이상인 장주기 격자를 설계하고, 그 응용으로 대부분의 C- 와 L- 밴드 대역에서 사용 가능한 편광 분리기를 구현하였다. 마지막으로 제안한 장주기 격자를 온도 센서에 응용하여 그 이용 가능성을 입증하였다. 부록에서는 실리콘 나노 와이어 연구의 기초가 되는 실리콘 제작 공정 등을 익히기 위하여 실리콘 과대립 도파로 및 장주기 격자 소자를 제작 실험한 내용을 기술하였다. 각각에 대한 상세한 연구 내용은 다음과 같다.
먼저, 실리콘 포토닉 와이어를 설계하고, e-beam direct writing 기법과 ICP 건식 식각 기술을 활용한 제작 공정을 개발하였다. 실리콘 포토닉 와이어는 공기 덮개층을 갖는 구조와 폴리머 덮개층을 갖는 구조 두 가지를 설계·제작하였다. 설계에 사용한 수치모사 방법은 국소 모드 전개 방법을 사용하였다. 개발된 실리콘 포토닉 와이어에 광을 여기하기 위해 필요한 모드 크기 변환기를 입·출력 단에 집적하여 그 특성을 조사하였다. 모드 크기 변환기의 변환 손실은 TE-와 TM-like 모드의 경우 모두 0.3 dB 이내의 변환 손실을 보였고, 공기 덮개층을 갖는 실리콘 포토닉 와이어의 TE- 와 TM-like 모드 전파 손실은 각각 4.3 dB/mm 와 16.9 dB/mm 였다. 이 광도파로의 성능을 향상시키기 위하여 폴리머 덮개층을 갖는 실리콘 포토닉 와이어를 개발하였으며, 제작된 광도파로의 TE 와 TM-like 모드 전파 손실은 각각 8.2 dB/cm 와 7.5 dB/cm 로, 국제적인 수준에 근접한 정도로 개선되었다.
이 제작 기술을 기반으로 코어 모드 간 결합과 코어 모드와 클래딩 모드 간 결합을 이용하는 두 가지 형태의 장주기 격자 필터를 제안하고 구현하였다. 이 소자는 측면 장주기 격자 구조를 도입하였기 때문에 극 미소 구조를 필요로 하는 실리콘 포토닉 와이어 소자임에도 불구하고, 격자와 도파로 간의 정렬 오차에 구애됨 없이 원하는 기능성을 부여할 수 있음을 확인할 수 있었다. 코어 모드간 결합을 이용한 장주기 격자는 주기가 $4.44 \mu m$ 이고 격자 길이가 $260 \mu m$ 였다. 측정 결과 1609 nm 파장에서 -13 dB의 최대 감쇄치를 보였으며, FWHM 대역폭은 15 nm 였다. 코어와 클래딩 모드 간 결합을 이용한 장주기 격자는 주기가 $1.81 \mu m$ 이고 격자 길이는 $455 \mu m$ 였다. 1600 nm 파장에서 -9.5 dB 의 최대 감쇄치를 보였으며, FWHM 대역폭은 1.5 nm 로 측정되었다.
제안한 소자가 더욱 다양한 종류의 필터로 응용되기 위해서는 파장에 따른 투과 스펙트럼의 FWHM 대역폭 조정이 필요하다. 먼저, 실리콘 포토닉 와이어와 같이 코어와 클래딩 간의 굴절률 차가 큰 경우, 파장에 따른 도파 모드의 유효굴절률 변화가 크게 나타나는 점에 착안하여, 광도파로의 분산 관계와 FWHM 대역폭 간의 관계를 결합 모드 이론을 이용하여 규명하였다. 이로부터 코어 모드간 결합을 이용한 장주기 격자의 대역폭이 광도파로의 폭 변화에 따라 급격하게 변화하는 것을 이론적으로 보이고, 정확한 수치 모사 결과와 일치함을 확인하였다. 연구 결과 현실적으로 구현 가능한 필터의 FWHM 대역폭 조절 범위는 수 ~ 200 nm 이상이었다. 이는 실리콘 포토닉 와이어에서 주로 사용되는 환형 공진기 형태의 필터 대역폭이 주로 1 nm 이하인 것과 비교하여 대역폭 조절 범위가 획기적으로 증가한 것이다.
위의 연구 결과로부터 160 nm 의 대역폭을 갖는 코어 모드간 결합 장주기 격자를 설계하고 응용하여 파장 변화에 둔감한 편광 분리기를 제안하고 실험적으로 구현하였다. 장주기 격자는 TE-like 모드에만 필터로 동작하므로 다중 모드 광도파로의 끝단에 비대칭 Y-분기를 연결하여, 기저 모드와 고차 모드를 구분하면 편광 분리기가 완성된다. 이 편광 분리기는 1540 ~ 1625 nm 파장 대역에서 TE-와 TM-like 모드 간 -15 dB 이하의 누화를 보였다. 이것은 광통신에서 사용되는 파장 영역 중 대부분의 C-band 와 전체 L-band 를 포함하는 결과로서, 일반적인 편광 분리기가 파장 변화에 민감한 특성을 보이는 것에 반해, 제안하는 소자는 광범위한 파장 영역에서 동작이 가능하다.
실리콘은 비교적 큰 열광학 계수($1.8 \times 10^{-4} K^{-1}$)를 가지고 있으므로 온도에 따른 굴절률 변화가 크다. 이것을 이용하여 제안한 장주기 격자를 온도 센서에 응용하였다. 코어 모드간 결합을 이용한 온도 센서의 경우 0.075 nm/℃ 중심 파장 변화를 보였고, 코어와 클래딩 모드간 결합을 이용한 센서는 0.2 nm/℃의 변화를 보였다. OSA의 최소 분해능을 0.01 nm 로 두면, 센서의 분해능은 각각 0.13 ℃ 와 0.05 ℃ 에 해당한다. 코어 모드간 결합을 이용한 온도 센서는 상대적으로 낮은 분해능을 가지고 있으나, 고온에서도 물질 특성 변화가 적은 실리콘과 실리카만으로 구성되어 있으므로 넓은 영역의 온도 변화를 감지하는 데 유리하다. 반면 코어 모드와 클래딩 모드간 결합을 이용한 온도 센서는 정밀한 온도를 측정하는 데 적합하다.
부록에서는 실리콘 나노 와이어 연구에 기초가 되는 실리콘 제작 공정 등을 익히기 위하여 실리콘 과대립 도파로 설계·제작하고, 코어와 클래딩 모드간 결합을 이용한 장주기 격자를 제안한 후, 소자 제작 실험한 내용을 기술하였다.
본 논문에서 측면 장주기 격자를 이용한 미소 크기의 실리콘 포토닉 와이어 소자를 제안하고 이 소자를 광 필터, 편광 분리기, 온도 센서로 응용할 수 있음을 보였다. 이 소자는 CMOS 전자 소자와의 monolithic integration 가능성을 가지므로 집적광학소자와 전자소자가 하나의 기판에 집적된 실리콘 optoelectronic IC 의 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 optoelectronic IC가 실용화 될 경우, 이를 이용하여 아주 작은 크기의 광전 System-on-Chip(SoC) 구현이 가능할 것으로 예상된다.
