Silicon photonics is the next generation technique to overcome the limit of electrical interconnects. It is considered as proper candidate as applications like chip-to-chip interconnection and data center, and it is essential to have a function of converting signals from electrical to optical. Mach-Zehnder modulator is the good candidate as a modulator because of its strength like immunity to EMI, high sensitivity, and wide temperature range. In the Mach-Zehnder modulator, phase shifter is important component for high modulation efficiency, and it is necessary to improve phase shifter.
Reverse biased pn junction is necessary for optical modulators to have high speed modulation. Using this principle, many research papers have been published recently. However, modulation efficiency has trade-off relation with manufacturing process, i.e. cost. So, there is need to study phase shifter having good performance, without additional manufacturing process and cost.
In this thesis, phase shifter based on interleaved pn junction is introduced to have high modulation efficiency, compared to phase shifter based on lateral pn junction. Proposed structure of phase shifter is designed to have a wider depletion region under reverse bias at pn junction than other types of phase shifters. In order to maintain the existing manufacturing process, minimum CD is chosen to be 300nm in 248nm KrF laser based lithography.
Modulation efficiency of the phase shifters is simulated and experimented. From the DC measurement, V_π L_π is plotted from -1V to -10V. V_π L_π is 1.34Vcm for interleaved pn junction and 1.35Vcm for lateral pn junction at -1V. This is going much better in interleaved pn junction than lateral pn junction from -8V. From the RF measurement, two types of phase shifter, interleaved pn and lateral pn, can operate up to 20Gb/s, but the modulation depth is slightly better at interleaved pn junction type. Proposed structure of interleaved pn junction phase shifter is analyzed with SIMS profile and wavelength spectrum curves, comparing with lateral pn junction phase shifter. For further development, interleaved pn junction can be applied to ring modulator.
실리콘 포토닉스는 기존 전기적 신호를 이용한 인터커넥트의 한계를 극복하기 위한 차세대 기술로 각광받고 있다. 칩간 인터커넥션과 데이터 센터에 사용되는 통신 모듈에 사용되기에 적합한 기술로 알려진 실리콘 포토닉스는 전기적인 신호를 광 신호로 바꾸어 주는 광 변조기에 대한 연구가 필수적이다. 많은 광 변조기들 중에 Mach-Zehnder 변조기는 많은 장점을 가진 소자로 알려지면서 활발한 연구가 되어 왔다. Mach-Zehnder 변조기가 우수한 변조 성능을 갖기 위해서는 위상 천이기의 효율이 좋아야 하고, 그에 따라 위상 천이기에 대한 연구개발이 필요하다.
광 변조기가 고속 동작을 하기 위해서 PN접합 구조 위상 천이기에 역방향 전압을 인가하여 변조하는 방식을 사용한다. 이와 관련된 많은 연구들이 이루어졌지만, 변조 효율을 위해서 불가피한 제작 공정 프로세스를 추가하는 연구들이 많았다. 공정복잡도가 증가하면 가격경쟁력을 잃게 되기 때문에, 추가적인 공정 프로세스를 추가하지 않고 좋은 성능을 갖는 위상천이기에 대한 연구가 필요하다.
이에 따라 본 논문에서는 인터리브트 PN 접합 구조 기반의 광 위상 천이기를 제안하고, 기존의 수평 PN 접합 구조에 사용된 공정을 사용하여 두 종류의 위상 천이기에 대한 비교 분석을 진행하였다. 인터리브드 PN 접합 구조는 수평 PN 접합 구조보다 더 넓은 공핍 영역을 갖게 되므로 더 좋은 변조 효율을 나타낼 수 있다.
위상 천이기의 변조 효율을 시뮬레이션과 제작 및 실험을 통해 검증하였다. 그 결과 -1V에서 인터리브드 PN 접합 구조는 1.34Vcm 의 VπLπ를, 수평 PN 접합 구조는 1.35Vcm의 VπLπ를 갖는 것으로 확인되었다. 또한 -8V 이상의 전압을 인가하면 인터리브드 PN 접합 구조가 훨씬 더 좋은 변조 효율을 가짐을 확인하였다. 인터리브드 PN 접합 구조와 수평 PN 접합 구조 모두 20Gb/s까지의 고속 동작을 달성하였고, 소광비는 인터리브드 PN 접합 구조가 조금 더 우수한 특성을 나타내었다.
제안된 구조에 대한 시뮬레이션, 제작, 실험을 토대로 결과에 대한 원인을 분석하여 인터리브드 PN 접합 구조의 광 위상 천이기와 수평 PN 접합 구조 및 기 연구된 위상 천이기들을 종합적으로 비교하였다. 후속 연구로 본 논문에서 다룬 인터리브드 PN 접합 기반 광 위상 천이기를 링 변조기에 적용할 수 있다.
