As the chips becomes smaller as nanometer size and data rate increases as THz level in future computer communications, the critical drawbacks of data communication using copper line like EMI (electromagnetic interference) and crosstalk, with smaller chip size, and skin effect at high frequency emerges. Since silicon photonics uses optical communication which has no interference and adverse effect shown in electromagnetic communication, it can be one of the alternatives that can overcome the limit of copper line communication even in very short distance communication as intra-chip communications. But silicon photonics has critical problem not solved yet; absence of silicon light source.
Since we necessarily need external light source, optimal coupling between optical fiber and silicon waveguide on chip is very important. There are 2 types of coupling method, edge coupling and grating cou-pling. Grating coupling has several merits than edge coupling; less loss, more convenient for coupling. But external light source-to-chip coupling is still not appropriate for commercial one even we use grating coupling because coupling efficiency is influenced by the mechanical misalignment which causes fiber-to-silicon chip coupling too time-consuming and elaborated.
In the grating coupling, several factors determine the transmission coupling. The optical loss varies by not only alignment position but also the AR (anti-reflection) coating material, thickness, and grating structure. In this paper, we find optimal grating structures; grating period, etch depth, fill factor, incident angle, and grating width. And we also find optimal AR coating material and thickness by OmniSim simulation and measurement. After that, by varying the grating structures, we suggest the way of increasing align tolerance which enables optical coupling to be less influenced by mechanical misalignment.
In addition to the alignment tolerance, light termination at waveguide terminal is also important in branched structures like modulator. If some light leaks from transmission channel to redundancy channel, the leaked light can occurs error since it can be reflected or scattered at waveguide edge and flows to transmission channel. We also investigate the way of termination of light at waveguide edge with simulating the effect of adopting various kinds of structures at waveguide edge.
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.
