An ultrashort polarization splitter based on the zero-gap directional coupler (ZGDC) in the silicon photonic wire is proposed and realized. By adopting the ZGDC structure, the precision of fabrication is relaxed and the coupling length becomes much shorter than the conventional directional coupler structure. It is also shown that the length of the interference section can be reduced. Based on this research, we suggest one way to solve the polarization dependence problem of the silicon photonic wire devices. Controlling the fundamental coupling length of the ZGDC by a simple variation of waveguide geometry, we demonstrate a polarization independent 3-dB coupler and a thermooptic switch in the silicon photonic wire. We also propose a method to reduce the switching power of the polarization independent thermooptic switch by adopting a Mach-Zehnder interferometer.
First, we propose and realize an ultrashort polarization splitter based on the ZGDC in the silicon photonic wire. The two-mode interference (TMI) length of the device is $8.8 \microm$. The crosstalk for both transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) polarizations is 16 dB at a wavelength of $1.55 \microm$. The extinction ratio of two ports for both TE and TM polarizations are 18.2 and 13.7 dB, respectively. The device has 3-dB bandwidth of 43 nm in TE polarization and 50 nm in TM polarization with the center wavelength at $1.55 \microm$. It covers almost the C-band and partially the L-band in the wavelength range of optical communication. We also show the TMI length can be reduced to 430 nm and it is confirmed by the numerical simulation.
Based on the results of the ultrashort polarization splitter research, we propose a polarization independent 3-dB coupler and a thermooptic switch in the silicon photonic wire. The fabricated polarization independent 3-dB coupler has 0.3 dB output power deviation between both output ports when the TMI length is $7.1 \microm$. From the numerical simulation, it is shown that the output power deviation is reduced to below than 0.1 dB. We also investigate the fabrication tolerance of the proposed device using the numerical simulation. We confirm that the output power deviation between both output ports of the proposed device is smaller than 0.2 dB when there is $\plusmm 10 nm$ variation of the interference section width.
According to the numerical simulation results, the switching power of the polarization independent thermooptic switch is 160 mW. The crosstalk of TE and TM polarizations are 19.2 dB and 16.2 dB, respectively. The total length of the simulated device except for the mode size converter is about $70 \microm$. By adopting the Mach-Zehnder interferometer, we improve the switching power of the polarization independent thermooptic switch. According to the numerical simulation results, the improved switching power is 15.8 mW and the crosstalk is 19.2 dB for TE polarization and 16.2 dB for TM polarization at a wavelength of $1.55 \microm$. The total length of the simulated device except for the mode size converter is about $110 \microm$. To demonstrate the feasibility of the proposed polarization independent thermooptic switch, we observe the output power variation of the device versus the background temperature change and confirm that the device has polarization independent switching operation when the background temperature changes over $50 \degC$. The crosstalk of TE and TM polarizations are 17.2 dB and 15.6 dB, respectively.
In this research, we propose one way to solve the polarization dependence problem of the silicon photonic wire devices by controlling the birefringence with a simple variation of waveguide geometry. Therefore, we overcome the application limit of the silicon photonic wire devices arising from the polarization dependence problem. The results of this work will contribute to the implementation of optoelectronic system-on-chip based on optoelectronic and complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) integrated circuits.
본 논문에서는 실리콘 포토닉 와이어 기반 소자에 영 간격 방향성 결합기를 도입하여 극소형의 편광 분리기를 제안하고, 설계.제작하여 실험적으로 고찰하였다. 또한 이를 응용 실리콘 포토닉 와이어 기반 소자에서 일반적으로 나타나는 편광 의존성 문제를 해결한 편광 무의존 3-dB 결합기와 열광학 스위치에 관한 연구를 수행하였다. 상세한 연구 내용은 다음과 같다.
실리콘 포토닉 와이어를 설계하고, e-beam direct writing과 ICP 건식 식각 기술을 활용하여 제작 공정을 개발하였다. 실리콘 포토닉 와이어는 공기 덮개층을 갖는 구조와 폴리머 덮개층을 갖는 구조 두 가지를 설계·제작 하였다. 설계에 사용한 수치모사 방법은 국소 모드 전개 방법을 사용하였다. 모드 크기 변환기 제작을 위하여 WIR30-520 물질을 이용하여 폴리머 광도파로를 제작하였다. 측정된 유사 TE와 TM 모드의 전파 손실은 각각 2.7 dB/cm 와 4.9 dB/cm 였다. 이를 개선하기 위해 식각 공정이 필요하지 않으므로 식각 공정에 의한 폴리머 광도파로의 PDL을 줄이면서 공정도 단순화 할 수 있는 SU-8 물질을 이용하여 폴리머 광도파로를 제작하였다. 측정된 유사 TE와 TM 모드의 전파 손실은 각각 2.3 dB/cm 와 2.5 dB/cm 로, PDL이 상당히 개선되었다. 개발된 실리콘 포토닉 와이어에 광을 여기 하기 위해 필요한 모드 크기 변환기를 입.출력 단에 집적하여 그 특성을 조사하였다. 모드 크기 변환기의 변환 손실은 유사 TE와 TM 모드의 경우 모두 0.3 dB 이내의 변환 손실을 보였고, 공기 덮개층을 갖는 실리콘 포토닉 와이어의 유사 TE와 TM 모드의 전파 손실은 각각 5.9 dB/mm 와 11.4 dB/mm 였다. 이 광도파로의 성능을 향상시키기 위하여 폴리머 덮개층을 갖는 실리콘 포토닉 와이어를 개발하였으며, 제작된 광도파로의 유사 TE와 TM 모드의 전파 손실은 각각 8.2 dB/cm 와 7.5 dB/cm 로, 국제적인 수준에 근접한 정도로 개선되었다.
이 제작 기술을 바탕으로 다음에 제안한 소자들을 제작하고 측정하였다. 먼저 영 간격 방향성 결합기를 이용하여 편광 분리기를 제안하였다. 제안된 편광 분리기는 영 간격 방향성 결합기 구조를 채택함으로 공정상의 오차로 인한 소자 특성 변화를 최소화 하였으며, 소자의 크기도 획기적으로 줄 일 수 있었다. 수치모사 결과 제안된 최소 길이의 편광 분리기는 TMI 길이가 430 nm로 현재까지 발표된 편광 분리기 소자 중에서 가장 짧은 길이로 제작 될 수 있음을 보였다. 그리고 실험실에서 보유하고 있는 상층 실리콘의 높이 230 nm인 SOI 웨이퍼를 이용하여 실제 소자를 제작 측정하여 편광 분리기로 동작하는 것을 보였다. 실재 제작된 편광 분리기 소자는 TMI 길이가 $8.8 \microm$이었다. 주어진 파장 $1.55 \microm$에서 TMI 길이가 $8.8 \microm$인 편광 분리기의 유사 TE와 TM 모드의 누화특성은 16 dB 였고, 두 출력 단의 소광비는 유사 TE와 TM 모드 각각 18.2 dB, 13.7 dB 였다. 또한 3 dB 대역폭은 $1.55 \microm$를 중심 파장으로 유사 TE 모드의 경우는 43 nm이었고, 유사 TM 모드의 경우는 50 nm 이었다. 이는 광통신에서 대부분의 C-band와 부분적으로 L-band를 포함하는 수치이다.
이 연구를 바탕으로 계속해서 실리콘 포토닉 와이어 기반의 소자에서 나타나는 편광 의존성 문제를 해결하기 위한 방법을 제안하였다. 영 간격 방향성 결합기의 기본결합길이가 TMI section 안에 존재하는 기저모드와 1차 고차모드의 유효굴절률 차로 결정된다. 그리고 유사 TE와 TM 모드의 유효굴절률 차는 TMI section의 단면구조 변화를 통해 조절 가능하다. 따라서 영 간격 방향성 결합기의 기본 결합길이가 TE와 TM 편광 모두 같은 TMI section의 단면을 정하면 이 소자는 편광에 무의존적인 특성을 나타낸다. 이를 이용 편광 무의존 3-dB 결합기와 편광 무의존 열광학 스위치를 제안하였다.
제안된 영 간격 방향성 결합기를 이용한 편광 무의존 3-dB 결합기는 측정결과 TMI section의 폭과 높이가 각각 1154 nm 와 230 nm 이며 TMI 길이가 $7.1 \microm$일 때, 편광에 무의존적인 3-dB 결합기로 동작하였다. 그리고 이때 두 출력포트에서 편광에 따른 파워 변화 량은 0.3 dB 이하로 아주 작았다. 제작된 소자는 $500 \microm$ 길이의 실리콘 포토닉 와이어를 포함하여 약 1 cm 이고, 삽입 손실은 TE와 TM 편광 모두 5.1 dB 였다.
또한 영 간격 방향성 결합기를 이용한 편광 무의존 열광학 스위치를 제안 하였다. 제안된 소자는 수치모사 결과 누화특성이 TE 편광의 경우 19.2 dB, TM 편광의 경우 16.2 dB 이었고, 스위칭 파워는 160 mW 이었다. 그리고 수치모사에 사용한 소자의 전체 길이는 모드 크기 변환기를 제외하고 $67 \microm$ 이었다. 이는 현재까지 발표된 열광학 스위치 소자 중에서 가장 작은 크기이다. 수치모사한 편광 무의존 열광학 스위치의 작동 여부를 확인하기 위하여 소자 전체에 열을 가하여 온도 변화에 따른 스위치 특성을 살펴 보았다. 그 결과 온도 차가 $50 \degC$ 이상에서 완전 스위칭 하는 것을 예상할 수 있었으며, 온도변화에 따른 편광 의존적인 특성이 나타나지 않기 때문에 실제 열광학 스위치로도 잘 동작 할 수 있음을 확인하였다.
끝으로, 영 간격 방향성 결합기를 이용한 편광 무의존 열광학 스위치의 다소 높은 스위칭 파워를 개선하기 위한 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 마흐-젠더 간섭기를 도입하여 스위칭 파워를 개선하였다. 제안된 소자는 수치모사 결과 누화특성이 TE 편광의 경우 20.8 dB, TM 편광의 경우 17.2 dB 이었고, 스위칭 파워는 15.8 mW로 전보다 약 10배 이상 개선됨을 확인 하였다. 또한 이 스위칭 파워는 다른 실리콘 포토닉 와이어 기반 열광학 스위치나 폴리머를 재료로 하는 열광학 스위치와 비교해도 낮은 수치이다. 수치모사에 사용한 소자의 전체 길이는 모드 크기 변환기를 제외하고 $106.6 \microm$ 이었다.
본 논문에서 영 간격 방향성 결합기를 이용한 실리콘 포토닉 와이어 기반 편광 분리기, 편광 무의존 3-dB 결합기 그리고 편광 무의존 열광학 스위치 등을 제안하고 제작하여 그 특성을 살펴 보았다. 이 소자들은 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.
