To overcome the limit of electrical interconnects, silicon photonics is the perfect candidate for future; because of its strength like high-speed, EMI free and etc. In this situation, coupling is the important issue since proper integrated light source on a silicon platform has not yet been developed. Among various couplers, grating coupler has advantages: no need to dice chips, easy to measurement. However, grating coupler has low coupling efficiency and narrow bandwidth.
In this thesis, tunable grating coupler is introduced to reduce the effect of dependence of wavelength and broaden the bandwidth. Introduced grating coupler is controlled thermally based on p-i-n junction. In comparison to existing passive grating coupler, active tunable grating coupler compensates the loss by wave-length and defect due to fabrication.
Joule heating is caused by p-i-n junction in forward bias and the grating and waveguides are heated. According to the thermo-optic effect, as the temperature of silicon waveguide increases, the reflective index of silicon also increases proportionately. Then, the peak wavelength of the grating coupler is blue-shifted by grating coupler theory. When forward biasing 8V to p-i-n junction, the peak wavelength is shifted about 36nm. The tuning efficiency of introduced tunable grating coupler is 0.25nm/mW.
For long wavelength region, optical intensity is compensated by small power. It means tunable grating coupler can replaces the role of EDFA (erbium-doped fiber amplifiers). Plus, by active operation of tunable grating coupler, the bandwidth broadens over 59nm. Therefore, tunable grating coupler tends to be affected by wavelength far less than existing grating coupler.
아직까지 마땅한 실리콘 광원의 부재로 안해 외부광원을 사용한 광섬유-도파로-광섬유 간 커플링을 가능하게 하는 커플러의 역할이 중요하다. 커플러의 종류에는 도파로 단면에 바로 광섬유를 연결하는 `edge coupler`와 격자를 통과한 빛의 회절과 간섭을 기반을 한 `광 격자 커플러 (grating coupler)`가 있다. 광 격자 커플러는 칩을 절단하는 과정을 생략하고 웨이퍼 스케일의 측정이 가능하다는 장점이 있다. 본 논문에서는 기존의 광 격자커플러의 파장 의존적인 커플러 효율 특성을 개선하고 더 넓은 대역폭을 가지기 위해 능동적으로 중심 파장이 이동하는 p-i-n 접합 기반의 변조가능한 광 격자 커플러에 대해 연구하였다. p-i-n 접합에서 발생하는 줄열이 실리콘 격자의 온도를 상승시켜 열광학효과에 의해 격자의 굴절률이 상승한다. 광 격자 커플러 공식에 따라 유효굴절률이 증가하면 중심파장도 청색이동 할 것으로 예측할 수 있다. 실제 소자를 제작하여 실험을 한 결과, 8V의 순방향 바이어스를 가해주었을 때, 36nm의 중심파장의 청색 이동이 일어났고, 전력에 대한 중심파장 이동효율은 0.25nm/mW였다. 또한, 중심파장이 이동하는 효과와 더불어 장파장 영역에 해당하는 파장에서는 순방향 바이어스를 가해줄 때, 광 출력이 증가하여 EDFA를 대체하여 광 출력을 높일 수 있는 방법이 될 것이다. 본 논문에서 제안한 p-i-n 기반의 변조 가능한 광 격자 커플러는 능동적 동작으로 중심파장이 이동하여 대역폭이 증가할 뿐 아니라 특정 파장에서 광 출력의 증가를 불러와 WDM 시스템 환경에서 유용하게 사용할 수 있을 것으로 기대한다.
