Optical path switching based on silicon photonics is necessary for optical network having high efficiency. Most conventional path switches are based on thermo-optic effect which has high modulation efficiency but with low speed due to thermal heating and cooling. By using free carrier plasma dispersion effect with p-i-n junction structure, high speed operation of nanosecond can be achieved.
Prior to getting measurement results, calculations of refractive index change, critical angle change and absorption loss by doping concentration are achieved. Then, intensities by y waveguide structures for two output ports at given conditions and intensity differences with existence of reflector are also achieved by simulation with RSoft Photonic CAD suits BeamPROP and FDFD Lumerical Solutions.
With measuring suggested p-i-n y branch waveguide structure, basically about 100% reflection occurred at the interface of constructed p-doping reflector and waveguide due to total internal reflection. And by applying voltage to both electrodes, carriers are injected to intrinsic region on the waveguide and refractive index of intrinsic region is reduced by free carrier plasma dispersion effect. By controlling refractive index of intrinsic region with changing applied voltage, refractive indices change between reflector and waveguide can be reduced, and then reflectance of interface will be controlled. Using this results, it is shown that there is high possibility of implementing optical modulator or optical path switch.
실리콘 포토닉스 기반에서의 광 경로 스위칭은 고효율 광 네트워크를 구현하는 데 있어서 필수적이다. 기존에 연구된 대부분의 경로 스위치들은 열 광학 효과에 기반 한 것들이 많은데, 이는 변조 효율이 높지만 온도 조절 과정에서 열로 가열 또는 냉각하는 과정 때문에 고속 구현이 힘들다는 단점이 있다. p-i-n 접합 구조에서 자유 캐리어 플라즈마 분산 효과를 이용하면 나노초 단위의 고속 변조가 가능하다.
실제 소자의 측정에 앞서, 도핑 농도에 따른 굴절률의 변화와 이로 인한 반사기 구조에서의 임계각의 계산, 그리고 도핑 된 영역을 지나면서 생기는 흡수 손실을 계산해 보았다. 다음으로, 주어진 조건 하에서 RSoft Photonic CAD suits BeamPROP과 FDTD Lumerical Solutions 시뮬레이션 툴을 사용하여 y 형태로 갈라지는 도파로 구조에서 주 도파로와 가지 도파로 쪽의 두 결과 포트에서 빛의 intensity를 얻어 비교해 보았고, 반사기 구조의 유무에 따른 양 도파로의 intensity도 비교해 보았다.
제안한 p-i-n y 형태의 가지 도파로를 가지는 구조에서, 도파로 위에 위치한 p 도핑으로 얻은 반사기 구조의 표면에서 전반사 현상에 인한 100%의 반사를 실제 소자의 측정을 통해 확인하였다. 또한 기본적으로 반사가 일어나고 있는 상태에서 전극에 전압을 인가하여 캐리어가 진성 영역인 도파로에 주입되도록 하면 자유 캐리어 플라즈마 분산 효과에 의해 도파로 부분의 굴절률이 낮아지고, 반사기의 굴절 정도를 제어할 수 있다. 이 논문의 결과로, 같은 원리를 사용하여 효과적인 광 변조기나 광 경로 스위치를 구성할 수 있다는 가능성을 보였다.
