Silicon photonics is a powerful technology to fabricate photonic integrated circuits (PICs) for various applications because of its fabrication compatibility that permits the re-use of silicon-based electronics fabrication infrastructure and design techniques. Moreover, the high contrast of refractive index at telecommunication wavelength between silicon waveguide core and silica cladding permits ultracompact guided optical components while allowing more flexibilities in the photonic circuit layout. Diffraction grating-based coupling has been proposed not only to carry out the significant mode size difference between optical fibers and integrated nanophotonic waveguides, but also to support scalable optical interfaces from the surface-normal direction instead of edges of PIC. Despite its relaxed alignment tolerance which is an attractive advantage for economic packaging, the grating coupling is inherently a near-vertical coupling, so a vertical profile is generally produced instead of planar packaging. The non-planar structure is unpleasing because of its tendency to have poor mechanical durability and bulky size.
In this thesis, a novel planar fiber-to-chip coupling scheme for PICs is suggested. Efficient light coupling between a silicon-based PIC with diffraction grating-based couplers and a standard single-mode optical fiber oriented in parallel with the PIC chip is realized by utilizing an angle-polished silica waveguide block fabricated with well-established planar light circuit (PLC) fabrication processes. When compared to the angle-polished-fiber-based coupling technique, the demonstrated method can significantly decrease the distance between the fiber core and the grating coupler, and thereby offers a number of advantages in mechanical stability and misalignment tolerances. Our simulations as well as experimental results suggest that the proposed technique is applicable to the passive-alignment-based photonics packaging processes. In-plane and misalignment tolerance parallel to the PIC plane is found out to be more than 5 $\mu$m, and out-of-plane misalignment tolerance is better than 9 $\mu$m with about 1 dB excess loss.
실리콘 포토닉스는 실리콘 공정 기반을 재사용할 수 있어 다양한 응용 분야의 광 집적 회로 제조에 있어 적절한 기술이다. 또한, 실리콘 도파로 코어와 실리카 클래딩 사이의 통신 파장에서의 높은 굴절률 차이는 광 회로 설계에서 높은 유연성을 허용하고 초소형 광학 부품 실현을 가능하게 한다.
실리콘 포토닉 칩 패키징은 집적 광학 소자 제작의 마지막 단계로, 칩을 연구실 환경으로부터 연구실 환경 밖의 소자 환경으로 이동시키는 어려움을 해결하고 실제 시장에서 가치를 입증할 수 있는 중요한 단계이다. 패키징 단계에서 적절하지 못 한 방법을 사용할 경우 최종 소자의 성능이 저하될 뿐만 아니라 불필요한 제작 비용이 발생할 수 있고, 특히 정밀도가 높은 방법을 사용할수록 경제적 비용 측면에서 직접적인 영향을 받게 된다.
격자 결합기는 광섬유와 나노 포토닉 도파로 사이의 광 정렬 시 모드 크기 차이 문제를 해결해줄 뿐만 아니라 충분한 허용 오차를 가지므로, 광섬유 패키징에서 정밀도와 비용 사이의 상충관계를 완화할 수 있는 장점이 있다. 하지만 격자 결합기는 수직 결합이라는 고유의 특성 때문에 평면 형태의 패키징을 직관적으로 구현하기 힘들고, 이러한 비 평면 패키징은 물리적인 내구성이 악화되고 최종 크기가 필요 이상으로 커지는 단점들을 수반한다.
이 논문에서는 새로운 광섬유-광 집적 회로 결합 방식을 제안한다. 기초가 확실한 기술인 평면 광 회로 (PLC) 제작 기술로 만든 각도 연마된 실리카 도파로 블록을 이용해, 격자 결합 기반의 광 집적회로와 그와 평행하게 배치된 광섬유 사이의 효율적인 광 결합을 구현한다. 구현한 기술은 기존에 연구된 각도 연마된 광섬유를 이용한 방법과 비교하여 광섬유 코어와 격자 결합기 사이의 거리를 크게 줄일 수 있고, 기계적 안정성과 결함 손실 측면 등에서 여러 가지 장점을 제공한다. 시뮬레이션과 실험 결과는 제안한 기법이 수동 정렬 기반의 광학 패키징 공정에 적용 가능함을 시사한다. 평면 방향으로 약 5 마이크로미터, 높이 방향으로 약 9 마이크로미터의 정렬 허용 오차를 얻을 수 있었다.
