In this dissertation, the new type of total-internal-reflection (TIR) switch and tunable grating coupler were introduced for the wide-band operation in silicon with overcoming limitations of previous Si-photonic devices. Those devices are newly proposed and demonstrated using CMOS-compatible fabrication process at National Nanofab Center (NNFC) in KAIST.
At first, optical switch based on TIR effect is introduced composed with y-branched multimode wave-guide structure based on SOI wafer. By locating a pn diode using ion implantation process at the y-junction area, incident light can be normally reflected to the reflection output port based on free carrier plasma dis-persion effect by decreasing the refractive index of silicon, which can satisfy the TIR condition. For the switching operation of switch, thermo-optic effect based on reverse breakdown of pn diode is used for compensation of refractive index in pre-doped silicon area. The fabricated TIR switch shows the extinc-tion ratio of 10 dB and 20 dB with switching power of 138.56 mW at the reflection and transmission state respectively. This result shows a high performance comparison with previous silicon TIR switch.
From the absence of Si light source due to indirect bandgap characteristic, the light coupling between the Si-photonic devices and external light source is regarded as major problems for the on-chip communi-cation. Grating coupler is mainly used as a component for the light coupling which can support wafer-level test with ease of fabrication. However, grating coupler shows a wavelength dependency due to its structur-al parameter, which shows a serious degradation of coupling efficiency when using the operation wave-length in out range of central wavelength. To solve this limitation, tunable grating coupler is proposed based on thermo-optic effect in silicon which can directly change the effective refractive index of silicon. By embedding of pn diode at the grating coupler region, central wavelength was tuned from 1548 nm to 1596nm with only 1-dB change of coupling efficiency. Using this tunable grating coupler, 1-dB bandwidth can be extended over 100nm suitable for wide-band operation.
Proposed TIR switch and tunable grating coupler can be easily adopted in Si-photonics technology based on CMOS-compatible fabrication with the wide-band operation. We expect to those devices can be used for WDM communication which can increase the capacity of single channel.
본 논문에서는 기존의 실리콘포토닉스 (Si-photonics) 기반 스위치 (switch) 및 커플러(coupler)에서의 파장 의존성 문제를 해결하기 위하여 전반사 (TIR) 효과 기반의 광 스위치 및 중심파장 변조가 가능한 광 격자 커플러에 대한 연구 결과를 소개하였다. 두 소자의 구조는 새로이 제안되었을 뿐만 아니라, 실제 소자를 나노종합기술원 (NNFC)의 반도체 소자 제작 기술을 기반으로 제작하여 그 동작 성능에 대하여 검증하였다.
먼저, 전반사 효과 기반의 광 스위치의 경우, 기존 Mach-Zehnder interferometer (MZI) 및 Ring형의 실리콘 광 스위치가 가지고 있는 파장 의존성문제를 획기적으로 해결하는 광 스위치를 제안하였다. y-분기 형태의 다중모드 (multimode) 도파로에 단순 pn 다이오드를 분기점에 위치시켜 동작하는 소자를 제안하였다. 이온 주입 공정 (ion implantation)을 기반으로 형성된 pn 다이오드는 자유운반자 플라즈마 분산 (FCPD: free carrier plasma dispersion) 효과에 의해 실리콘의 굴절률 (refractive index)보다 낮은 굴절률 영역을 형성하고, 이는 특정 각도에서 반사를 만족시키는 전반사 효과를 기반으로 소자를 제작하였다. 또한 빛의 진행 방향 변화, 즉 스위칭을 위하여, pn 다이오드에 역전압을 가하여 항복현상 (breakdown)을 발생시켜 열을 발생시켰다. 이로부터, 열광학 효과 (thermo-optic effect)를 기반으로 이온 도핑에 의해 낮아진 굴절률이 보상되어 반사되는 빛의 양이 감소하고 기존의 진행방향으로 진행하는 스위칭 결과를 확인하였다. 본 논문에서 제안된 소자는 반사상태의 소광비 (extinction ratio) 10 dB와, 소모전력 138.56 mW로 진행하는 투과상태의 소광비 20 dB이상을 달성하였다. 본 결과는 기존의 실리콘포토닉스 기반의 전반사 스위치에 비해 월등히 높은 성능을 보여주고 있다.
실리콘포토닉스에서의 실리콘 광원 부재로 인해 광 커플링 방법에 다양한 방법이 사용되고 있다. 그 중에서도 광 격자 커플러는 웨이퍼 (wafer-level) 기반의 측정이 가능할 뿐만 아니라, 그 제작의 용이함으로 인해 가장 흔히 사용되고 있는 방법이다. 하지만 광 격자 커플러는 물리적인 한계로 인하여 특정 중심 파장에서만 높은 커플링 효율을 보여주고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 논문에서는 중심파장의 변조가 가능한 광 격자 커플러를 제안하였다. 중심파장 변조를 위하여 높은 굴절률 변화를 기대할 수 있는 열광학 효과를 이용하였으며, 보다 빠른 응답속도와 열발생을 위하여 광 격자 커플러 내부에 pn 다이오드를 제작하여 줄 (Joule) 열에 기반하는 히터를 제작하였다. 이를 기반으로 중심파장의 변조 결과를 확인하였으며, 1548 nm ~ 1596 nm까지의 중심파장 변조효과를 확인하였다. 이 소자를 기반으로 광 커플링을 할경우 기존의 1-dB 커플링 대역을 100 nm 이상으로 확장 시킬 수 있어 넓은 파장 대역에 높은 커플링 효율을 달성 할 수 있다.
본 논문에서 제안된 전반사 효과 기반 광 스위치 및 변조가능한 광 격자 커플러 구조는 기존의 반도체 공정을 기반으로 쉽게 제작할 수 있을 뿐 아니라, 동작 파장 범위를 넓게 할 수 장점을 기반으로 향후 실리콘포토닉스 기반의 파장다중화 기술에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
