For on chip photonic integration, guiding light is solved by Silicon-on-Insulator (SOI) which has high refractive index contrast between silicon and silicon dioxide. SOI can be with complementary metal-oxide (CMOS) compatible. However, use of high refractive contrast device makes large mode mismatch when coupled light with outside. This problem is directly connected with coupling loss which can increase the amplification of light power and needs of extra device for lossless communication.
Absence of silicon light source based on SOI wafer, light should be coupled from outside with optical fiber. However, coupling light between optical fiber and integrated waveguide has many problems such as large mode mismatch. Vertical coupling and edge coupling is used for way of light coupling in common. In edge coupling, it is shown large mode mismatch between fiber and waveguide due to 220㎚ of thickness compared with 10㎛ of fiber core size. Also it needs polishing to make facet of edge clean. So vertical coupling which can be done by grating coupler is focused for solution of light coupling. It has strong point as very easy to fabricate, doesn`t have to polish facet, and can do wafer-scale testing which can affects cost of packaging of photonic integrated chip.
For reducing coupling loss of grating couplers, three kinds of way were proposed in this paper. At first, Bragg reflector is used to reduce forward direction light which is not diffracted at grating couplers. It is fabricated by E-beam lithography and FIB (focus ion beam) in ETRI. In addition, gold metal mirror at back side of silicon chip is fabricated by thermal deposition. Finally, LTO (low temperature oxide) and TEOS (tetraethly orthosilicate) is used for anti-reflection coating between air (n=1) and silicon (n=3.5).
실리콘 포토닉스 기술에는 현재 실리콘 광원 개발의 한계로 인하여 광원을 외부로부터 입사시키고 있다. 이를 위한 방법으로 단면 커플링과 수직 커플링이 있다. 단면 커플링의 경우 실리콘 칩의 옆면을 이용하여 실리콘 도파로에 직접 광 섬유를 이용하여 커플링 하게 되는데 하지만 도파로의 크기와 단일 모드 광 섬유의 중심의 크기의 차이로 인하여 많은 양의 커플링 손실이 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해 관심을 받고 있는 것이 광 격자 커플러를 이용한 수직 광 입사이다. 이는 주기적인 격자를 통해 빛의 회절 특성을 이용하여 수직으로 광을 입사 시키게 되는데 단면 커플링에서의 단면 연마가 필요 없을 뿐만 아니라 웨이퍼 위에서의 모든 측정이 가능하게 되는 장점을 가지고 있다.
현재 많은 논문들을 통하여 광 격자 커플러의 성능을 향상 시키는 방법을 제안하고 있다. 대표적으로 아랫면에 금속 거울을 증착하거나 다른 형태의 격자를 이용하는 방법을 제안하고 있지만 실험적인 결과보다는 시뮬레이션 결과에 의존하고 있다. 이는 실험적 데이터의 부족을 가져왔는데 이를 위해 이 논문을 시작하게 됐다.
광 격자 커플러의 성능을 증가시키기 위해 본 논문에서 제안한 방법은 다음과 같다. 첫째, Bragg 반사 격자를 이용하여 회절을 일으키지 못하고 전파되는 빛을 반사시켜 성능을 증가시키고자 했다. 둘째, 아래의 금속 거울을 증착하여 아래 방향으로 투과되는 빛을 반사시키고자 했다. 셋째, 공기와 실리콘의 큰 굴절률 차이로 인해 외부로 반사되는 빛을 줄이기 위하여 무반사 코팅을 하고 두께에 따라 성능 변화를 확인하고자 했다. 제안한 설계는 ETRI의 실리콘 fab.에서 공정이 진행 되었으며, Bragg 반사 격자의 패턴이 미세하여 이는 추가적으로 E-beam lithography와 FIB를 통해 진행 됐다. 무반사 코팅의 성능을 확인하기 위해서 LTO와 TEOS를 각각 1000㎚를 증착한 후 BOE 6:1을 이용하여 그 두께를 줄여가며 손실을 비교해 보았다. 열 증착 장치를 통하여 금(Au)를 칩의 하단에 증착했다.
LTO와 TEOS를 무반사 코팅으로 이용하였는데 두께는 약 700㎚에서 약 3dB정도의 손실로 가장 좋은 성능을 보여 주었다. 금속 거울을 통해 광 격자 커플러의 손실이 약 2dB 감소 했다. 또한 Bragg 반사 격자를 통하여 1600㎚에서 손실이 10~15dB가 감소하여 broad band 광 격자 커플러의 효과를 가져오게 됐다. 이는 실리콘 포토닉스에서 WDM통신을 위하여 매우 중요한 결과이다. 기존의 5dB정도의 손실을 가져왔던 광 격자 커플러의 손실을 위의 방법을 통해 2dB이상을 감소하는 효과를 가져왔다.
