KR101725637B1 - 주파수 대역폭이 향상된 그레이팅-투-그레이팅 커플러를 이용한 광 신호 커플링 장치 및 광 신호 커플링 방법 - Google Patents

주파수 대역폭이 향상된 그레이팅-투-그레이팅 커플러를 이용한 광 신호 커플링 장치 및 광 신호 커플링 방법 Download PDF

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Abstract

광 신호 결합 장치가 개시된다. 일 실시예는 제1 커플러 및 상기 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제1 리플렉터(reflector)를 포함하는 입력 광 소자 및 상기 제1 커플러에 대응되게 위치하는 제2 커플러 및 상기 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제2 리플렉터를 포함하고, 상기 제1 리플렉터의 반사 및 상기 제2 리플렉터의 반사를 기초로 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이에서 왕복하는 광 신호를 이용하여 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 출력 광 소자를 포함한다.

Description

주파수 대역폭이 향상된 그레이팅-투-그레이팅 커플러를 이용한 광 신호 커플링 장치 및 광 신호 커플링 방법{OPTICAL SIGNAL COUPLING APPRATUS AND METHOD USING GRATING-TO-GRATING COUPLER HAVING BANDWIDTH PERFORMANCE ENHANCEMENT}
아래 실시예들은 그레이팅-투-그레이팅 커플러를 이용하여 광 신호 커플링 장치 및 광 신호 커플링 방법에 관한 것이다.
금속 도파로 대역폭의 한계를 극복하기 위해서 optical interconnect에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. 특히, 실리콘 기반의 optical interconnect는 많은 주목을 받고 있다. 실리콘 기반의 optical interconnects를 구현하기 위해 마이크로 혹은 밀리미터 간격의 극소 거리에서 광 신호가 전송되어야 한다. 다양한 커플러 구조를 통해 광 신호 커플링이 가능하지만 높은 커플링 효율과 넓은 주파수 대역폭 확보가 어렵다.
관련 선행기술로, 한국공개특허공보 제10-2013-0058291호(발명의 명칭: 그레이팅 커플러, 출원인: 한국전자통신연구원, 공개일: 2013년06월04일)이 있다.
일 측에 따른 광 신호 커플링 장치는 제1 커플러 및 상기 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제1 리플렉터(reflector)를 포함하는 입력 광 소자; 및 상기 제1 커플러에 대응되게 위치하는 제2 커플러 및 상기 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제2 리플렉터를 포함하고, 상기 제1 리플렉터의 반사 및 상기 제2 리플렉터의 반사를 기초로 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이에서 왕복하는 광 신호를 이용하여 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 출력 광 소자를 포함한다.
상기 출력 광 신호의 상기 공진 주파수는, 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정될 수 있다.
또한, 상기 제1 커플러는, 상기 입력 광 소자로 입력된 입력 광 신호를 상기 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리할 수 있다.
또한, 상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터를 기초로 상기 광 신호 커플링 장치 내에 공진 캐비티가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 커플러는, 상기 제2 리플렉터에 의해 반사된 광 신호를 상기 제1 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 출력 광 소자의 도파로로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다.
또한, 상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는, 그레이팅 커플러(grating coupler)일 수 있다.
또한, 상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는, 서로 수직 대향으로 위치할 수 있다.
또한, 상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터 각각은, 상기 입력 광 소자의 클래딩 및 상기 출력 광 소자의 클래딩에 삽입될 수 있다.
일 실시예에 따른 광 신호 커플링 방법은 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제1 리플렉터(reflector)를 이용하여 반사하는 단계; 상기 제1 커플러와 대응되게 위치하는 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제2 리플렉터를 이용하여 반사하는 단계; 및 상기 제1 리플렉터의 반사 및 상기 제2 리플렉터의 반사를 기초로 왕복하는 광 신호를 이용하여 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
상기 출력 광 신호의 공진 주파수는, 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정될 수 있다.
상기 제1 커플러는, 상기 제1 커플러로 입력되는 입력 광 신호를 상기 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리할 수 있다.
상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터를 기초로 공진 캐비티가 형성될 수 있다.
상기 제2 커플러는, 상기 제2 리플렉터에 의해 반사된 광 신호를 상기 제1 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 출력 광 소자의 도파로로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다.
상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는, 그레이팅 커플러(grating coupler)일 수 있다.
상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는, 서로 수직 대향으로 위치할 수 있다.
일 실시예에 따르면, optical interconnects에서 광 신호의 결합 효율이 증가할 수 있고, 광 신호의 넓은 주파수 대역폭이 확보될 수 있다. 효율 및 성능이 증가한 실리콘 3D 광 집적회로 및 LSI(Large-Scale Integration) chip의 구현이 가능하다.
도 1은 브릿지 칩(bridge chip)을 이용하여 서로 떨어져 있는 캐리어 칩(carrier chip)의 광 신호 커플링을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 Inter-layer 에서 서로 분리된 도파로 사이의 광 신호 커플링을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 Bragg Condition을 만족하는 회절 차수에 따른 빛의 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 Bragg reflector를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 fiber-to-grating coupler 및 grating-to-grating coupler의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 grating coupler와 grating coupler 사이의 광 신호의 공진을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 광 신호 결합 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 광 신호 결합에 의한 주파수 대역폭과 커플링 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 광 신호 결합 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 브릿지 칩(bridge chip)을 이용하여 서로 떨어져 있는 캐리어 칩(carrier chip)의 광 신호 커플링을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광 신호는 브릿지 칩(120)을 통해 캐리어 칩(110)에서 캐리어 칩(130)으로 전송될 수 있다. 레이어(layer)가 서로 떨어져 있는 구조에서, 광 신호의 전송은 브릿지 칩(120)을 통해 수행될 수 있다. 캐리어 칩(110)이 속한 레이어와 캐리어 칩(130)이 속한 레이어는 서로 떨어질 수 있다. 캐리어 칩(110)으로 입력된 광 신호는 캐리어 칩(110)의 커플러에 의해 브릿지 칩(120)의 커플러로 전송될 수 있고, 브릿지 칩(120)의 커플러에 의해 캐리어 칩(130)의 커플러로 전송될 수 있다.
도 2는 Inter-layer에서 서로 분리된 도파로 사이의 광 신호 커플링을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 서로 다른 도파로(waveguide)가 하나의 레이어 안에서 분리된다. 도파로(210)과 도파로(220) 사이에는 레이어의 물질로 채워질 수 있다. 도 1에 도시된 브릿지 칩을 이용한 광 신호 커플링과 도 2에 도시된 레이어 내부의 도파로 사이의 광 신호 커플링은 서로 분리되고 평행한 광 도파로 사이의 광 신호를 커플링할 때 이용될 수 있다.
도 3은 Bragg Condition을 만족하는 회절 차수에 따른 빛의 방향을 설명하기 위한 도면이다.
그레이팅 커플러(Grating coupler)는 굴절률이 주기적으로 이루어진 그레이팅을 커플러로 이용한 것이다. 그레이팅 커플러는 광 도파로에서 다른 광 도파로로 빛의 회절 현상을 이용하여 광 신호를 결합시키는 것이다. 균일한 그레이팅 커플러는 실리콘 광 도파로가 주기적으로 식각되어 획득될 수 있다. 이에 따라, 균일한 그레이팅 커플러에서 주기적인 유효 굴절률이 나타날 수 있다. 광 신호가 주기적인 구조물과 만난 경우, 전자파(Electromagnetic wave)의 특성 중 하나인 회절 현상이 발생할 수 있다. 광 도파로를 따라 진행하는 광 신호가 그레이팅 커플러에 입사하는 경우, 광 신호는 그레이텅 커플러에 입사되기 전의 진행 방향과 다른 방향으로 진행한다. 보다 구체적으로, Bragg condition이 만족되는 경우, 그레이팅 커플러에 입사된 빛은 다른 방향으로 진행 할 수 있다. Bragg condition은 수학식 1과 같이 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112015055712482-pat00001
수학식 1에서,
Figure 112015055712482-pat00002
는 그레이팅 커플러의 유효 굴절률,
Figure 112015055712482-pat00003
는 회절에 의해 광 신호가 진행하는 방향의 물질의 굴절률,
Figure 112015055712482-pat00004
는 수직면을 기준으로 광 신호가 회절되는 각도, m은 정수,
Figure 112015055712482-pat00005
는 그레이팅 커플러에 입사하는 광 신호의 파장, 및
Figure 112015055712482-pat00006
는 그레이팅의 주기를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 파장이 일정한 광 신호가 그레이팅 커플러에 입사되는 경우,
Figure 112015055712482-pat00007
와 m(차수)에 따른 K 값이 결정될 수 있다.
m은 1, 듀티 비(duty ratio)는 0.5, 유효 굴절률에 영향을 미치는 그레이팅의 주기는 680 nm, 및 식각 두께는 100 nm인 그레이팅 커플러를 이용한 경우(그레이팅의 주기 및 식각 두께는 타임 도메인 유한 요소 해석 방법에 기초한 최적값), 그레이팅 커플러에 입사한 광 신호는 두 방향으로 분리된다. 여기서, 듀티 비는 격자의 폭/격자의 주기를 나타낼 수 있다. 분리된 광 신호 중 하나는 위 방향이고, 다른 하나는 기판(substrate)으로 향하는 아래 방향이다. 이론적으로는 유효 굴절률의 주기적인 차이로 생기는 회절 특성에 의해 그레이팅 커플러의 위 방향과 아래 방향으로 진행하는 광 신호의 양은 동일하다. 식각에 의해 그레이팅의 모서리에서 발생하는 edge scattering 및 그레이팅 커플러를 감싸고 있는 위, 아래의 물질의 굴절률에 의해 위 방향과 아래 방향으로 진행하는 광 신호의 양은 약간의 차이가 있다. 아래 방향으로 진행하는 광 신호는 광 손실의 주요 원인이 될 수 있다.
도 4는 Bragg reflector를 설명하기 위한 도면이다.
Bragg reflector는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질을 주기적으로 배치를 하여 주기적인 반사(reflection)의 보강 간섭과 상쇄 간섭을 이용한 반사체로, 반사율(reflectivity)이 다른 reflector에 비해 높을 수 있다. Bragg reflector의 일 종류에는 DBR(Distribute Bragg Reflector)이 있다.
DBR을 만들기 위해 주로 이용되는 물질은 GaAs-AlAs이다. 상대적으로 낮은 굴절률 차이를 보이는 GaAs-AlAs를 이용한 DBR의 경우, 주파수 스펙트럼의 Stopband가 넓으나 높은 반사율이 획득되기 위해서 GaAs-AlAs의 주기적인 층이 10개 정도 필요하다. 반면에 상대적으로 높은 굴절률 차이를 갖는 Si-SiO2를 이용한 DBR의 경우, 주파수 스펙트럼의 Stopband가 넓지 않으나, 2개의 주기적인 실리콘 층을 이용하여 90% 이상의 반사율이 획득될 수 가 있다.
도 4를 참조하면, 그레이팅 커플러 아래에 Si와 SiO2로 이용한 Bragg reflector의 구조가 도시된다. Bragg reflector의 Si layer와 Si layer는 일정 거리(420)만큼 떨어져 있다. 그레이팅 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 기판으로 향하는 광 신호는 Bragg reflector에 의해 반사되고, 그레이팅 커플러로 진행한다. 그레이팅 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 다른 방향으로 진행하는 광 신호와 Bragg reflector에 의해 반사된 광 신호가 그레이팅 커플러에 의해 커플링될 때 보강 간섭이 되도록 서로의 위상이 맞아야 한다. 위상이 맞기 위해서 그레이팅 커플러와 Bragg reflector 사이의 거리(410)가 적절해야 한다.
도 5는 fiber-to-grating coupler 및 grating-to-grating coupler의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, fiber-to-grating coupler가 도시되고, 도 5의 (b)를 참조하면, grating-to-grating coupler가 도시된다. fiber-to-grating coupler와 grating-to-grating coupler 사이에는 구조적인 차이점이 있다. 도 5에 도시된 것과 같이, fiber-to-grating coupler는 1개의 grating coupler를 포함하고, grating-to-grating coupler는 2개의grating coupler를 포함한다.
fiber-to-grating coupler의 경우, fiber(510)에서 나온 광 신호는 광 소자(520)의 grating coupler를 통해 실리콘 광 도파로와 결합한다.
grating-to-grating coupler의 경우, 광 소자(530)의 실리콘 광 도파로와 광 소자(540)의 실리콘 광 도파로가 평행하게 분리되어 있고, 각각의 광 도파로에 위치한 그레이팅 커플러를 통해 광 신호가 결합된다. 광 소자(530)의 실리콘 광 도파로로 입사된 광 신호는 그레이팅 커플러에 의해 진행 방향과 수직되게 진행하고, 광 소자(540)의 그레이팅 커플러로 입사되며, 처음 진행 방향과 동일한 방향으로 진행한다.
또한, fiber-to-grating coupler와 grating-to-grating coupler는 모드 미스매치(mode mismatch)에서 차이점이 있다. fiber-to-grating coupler의 경우, 광 신호는 rectangular 도파로와 circular 도파로에서 진행하기 때문에 모드 미스매치의 영향이 클 수 있고, 이에 따라 광 손실이 크다. 보다 구체적으로, fiber에서 출력된 광 신호는 코어 중심에서 세기(intensity)가 최대가 되어 가우시안 빔을 따르고, 그레이팅 커플러에서 출력된 광 신호는 가우시안 빔이 아닌 그레이팅 커플러의 시작점에서 세기가 최대가 되는 exponential한 형태의 빔의 모양을 따른다. 이에 따라, fiber-to-grating coupler의 경우, 모드 미스매치가 크다. grating-to-grating coupler의 경우, rectangular 도파로를 통해 진행한 광 신호가 그레이팅 커플러를 통해 다시 rectangular 도파로로 진행하므로, fiber-to-grating coupler보다 상대적으로 모드 미스매치의 영향이 작아 광 손실이 작다.
도 6은 grating coupler와 grating coupler 사이의 광 신호의 공진을 설명하기 위한 도면이다.
패브리-페롯 캐비티(Fabry-Perot cavity) 내의 광 신호는 양 끝 단에 있는 미러나 다른 물질의 굴절률 차이에 의해 왕복하고, 왕복하는 광 신호는 상쇄 간섭 또는 보강 간섭되며, 상쇄 간섭 또는 보강 간섭에 의해 공진(resonance) 현상이 발생한다. 평행한 도파로 사이의 광 신호의 왕복은 패브리-페롯 캐비티 내의 광 신호와 유사하다.
광 소자(610)의 도파로(612)에 입사된 광 신호는 그레이팅 커플러에 입사되고, 그레이팅 커플러에 입사된 광 신호는 Bragg condition에 의해 위 방향과 아래 방향으로 분리된다. 아래 방향으로 진행하는 빛은 Bragg reflector(611)에 의해 다시 그레이팅 커플러로 진행한다. Bragg reflector(611)에 의해 반사된 광 신호와 Bragg condition에 의해 위 방향으로 진행하는 광 신호는 물리적으로 떨어진 광 소자(620)의 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사된다. 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사된 광 신호 중에서 미량의 광 신호는 반사되고, 나머지 광 신호는 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러에 의해 분리된다. 보다 구체적으로, Bragg condition에 의해 도파로(622)로 진행하는 광 신호와 광 소자(620)의 기판으로 진행하는 광 신호로 분리된다. 광 소자(620)의 기판으로 진행하는 광 신호는 Bragg reflector(621)에 의해 반사되고, 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러로 진행한다. 여기서, Bragg reflector(621)에 의해 반사된 광 신호는 도파로(622)와 결합하는 광 신호 및 도파로(622)와 결합하지 못하고 도파로(612)에 위치한 그레이팅 커플러로 진행하는 광 신호로 분리된다. 반사 및 분리의 과정이 반복되어 도파로(612)의 그레이팅 커플러와 도파로(622)의 그레이팅 커플러 사이에 광 신호가 왕복하고, 광 신호가 왕복하면서 공진이 발생한다. 공진 발생 조건은 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112015055712482-pat00008

d는 도파로(612)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러 사이의 거리이고, d0는 그레이팅 인터페이스(grating interface)에서 발생하는 위상 변화에 대한 등가 거리(constant due to the phase shift at the grating interface)를 나타낸다. 또한, m은 양의 정수이고, m에 의해서 공진은 주기적인 거리에 따라 최대가 될 수 있다. 또한,
Figure 112015055712482-pat00009
는 초기에 그레이팅 커플러에 입사하는 광 신호의 파장을 나타낸다.
Figure 112015055712482-pat00010
를 갖는 광 신호는 수학식 2에 의해 획득된 d를 갖는 구조에서 공진할 수 있다. 수학식 2에서, d는 grating-to-grating coupler의 성능을 결정짓는 중요한 요소가 될 수 있다. d가 조정됨으로써
Figure 112015055712482-pat00011
를 갖는 광 신호의 공진 현상이 발생할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 광 신호 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 입력 광 소자(710) 및 출력 광 소자(720)가 도시된다.
광 신호를 커플링하기 위해 Bragg reflector가 입력 광 소자(710) 및 출력 광 소자(720) 각각의 클래딩(712 및 722) 내에 삽입된다. 도파로(711 및/또는 721)의 경우, 단일 모드의 광 도파로일 수 있고, 두께가 220nm일 수 있다. 클래딩(712 및/또는 722)은 두께가 2μm일 수 있고, SiO2(실리카)로 구성될 수 있다. 그레이팅 커플러는 편광 상태에 영향을 많이 받으므로, 기본 TE 모드(2.83)인 그레이팅 커플러일 수 있다.
도파로(711)에 입력 광 신호가 입력되고, 도파로(711)를 통해 진행하는 입력 광 신호는 그레이팅 커플러에 의해 분리된다. 그레이팅 커플러는 입력 광 신호를 출력 광 소자(720)로 진행하는 광 신호와 기판(713)으로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다. 기판(710)으로 진행하는 광 신호는 클래딩(712) 내부에 삽입된 Bragg reflector에 의해 반사되고, 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러로 진행한다.
도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러는 Bragg reflector에 의해 반사된 광 신호 및 출력 광 소자(720)로 진행하는 광 신호를 커플링할 수 있다. 커플링 시 보강 간섭이 발생할 수 있다. Bragg reflector에 의해 반사된 광 신호 및 출력 광 소자(720)로 진행하는 광 신호는 출력 광 소자(720)의 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사될 수 있다. 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 입사된 광 신호를 출력 광 소자(720)의 기판(723)으로 진행하는 광 신호 및 도파로(721)와 결합하는 광 신호로 분리할 수 있다.
기판(723)으로 진행하는 광 신호는 클래딩(722) 내부의 Bragg reflector에 의해 반사되고, 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러로 진행한다. 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 서로 대응되게 위치할 수 있다. 예를 들어, 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 서로 마주보고 평행하게 위치할 수 있다. 또한, 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 lateral shift될 수 있다.
도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 반사된 광 신호를 도파로(721)와 결합하는 광 신호 및 입력 광 소자(710)로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다. 입력 광 소자(710)로 진행하는 광 신호는 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사될 수 있다. 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사된 광 신호는 분리되고, 분리된 광 신호 중 일부는 Bragg reflector에 의해 반사될 수 있다.
광 신호의 분리 및 반사에 의해 입력 광 소자(710) 및 출력 광 소자(720) 사이에서 광 신호가 왕복할 수 있다. 즉, 광 신호의 분리 및 반사에 의해 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러 사이에 광 신호가 왕복할 수 있다. 광 신호의 왕복에 의해 공진이 발생할 수 있고, 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호가 생성될 수 있다. 여기서, 공진 주파수는 입력 광 소자(710)와 출력 광 소자(720) 사이의 거리, 즉, 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러 사이의 거리에 의해 결정될 수 있다.
출력 광 소자(720)는 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력한다. 출력 광 신호의 주파수 특성을 살펴보면, 그레이팅 커플러의 특성에 의한 주파수 대역폭과 발생하는 공진에 의한 공진 주파수가 오버랩핑(overlapping)된다. 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러 중 적어도 하나에 의해 출력 광 신호의 주파수 대역폭이 획득될 수 있고, 획득된 주파수 대역폭에 공진 주파수가 오버랩핑될 수 있다. 이로 인해, 출력 광 신호는 단일 공진 주파수를 가지지 않을 수 있고, 오버랩핑에 의해 넓은 대역폭을 가질 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 광 신호 결합에 의한 주파수 대역폭과 커플링 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, Bragg reflector를 이용한 경우(810)와 Bragg reflector를 이용하지 않은 경우(820) 각각의 커플링 효율 및 출력 광 신호의 주파수 대역폭을 확인할 수 있다. 여기서, 커플링 효율은 입력 광 신호의 세기 대비 출력 광 신호의 세기를 기초로 결정될 수 있다.
Bragg reflector를 이용한 경우(810), 공진 주파수를 기준으로 상대적으로 넓은 주파수 대역폭이 획득될 수 있다. 또한, 공진 주파수에서 높은 커플링 효율이 나타난다. 반면에, Bragg reflector를 이용하지 않은 경우(820), 출력 광 신호의 대역폭은 상대적으로 좁고, 커플링 효율 역시 상대적으로 낮다. 커플링 효율과 출력 광 신호의 주파수 대역폭은 공진 향상(resonance enhancement)을 이용하여 최대가 될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 광 신호 커플링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
일 실시예에 따른 광 신호 커플링 방법은 광 신호 커플링 장치에 의해 수행될 수 있다. 도 9를 참조하면, 광 신호 커플링 장치는 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제1 리플렉터를 이용하여 반사한다(910). 광 신호 커플링 장치는 도파로를 따라 진행하는 입력 광 신호를 제1 커플러를 이용하여 분리할 수 있다. 이 때, 제1 커플러는 입력 광 신호를 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리할 수 있다. 제1 리플렉터는 제1 커플러에 대응되게 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 리플렉터는 제1 커플러와 평행하게 위치할 수 있다.
광 신호 커플링 장치는 제1 커플러와 대응되게 위치하는 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제2 리플렉터를 이용하여 반사시킨다(920). 제2 커플러는 제1 커플러와 평행하게 위치할 수 있다. 즉, 제1 커플러와 제2 커플러는 서로 마주보고 위치할 수 있다. 여기서, 제2 커플러는 lateral shift될 수 있다. 제1 리플렉터에 의해 반사된 광 신호 및 제2 커플러로 진행하는 광 신호는 제2 커플러에 입사된다. 제2 커플러는 입사된 광 신호를 분리한다. 보다 구체적으로, 제2 커플러는 제2 커플러가 위치한 도파로와 결합하는 광 신호 및 제2 리플렉터로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다. 여기서, 제2 리플렉터로 진행하는 광 신호는 반사되어 제2 커플러로 되돌아올 수 있다. 제2 리플렉터는 제2 커플러에 대응되게 위치할 수 있다. 예를 들어, 제2 리플렉터는 제2 커플러와 평행하게 위치할 수 있다. 제2 커플러는 반사된 광 신호를 도파로와 결합하는 광 신호 및 제1 커플러로 향하는 광 신호로 분리할 수 있다.
광 신호 커플링 장치는 제1 커플러 및 제2 커플러의 광 신호 분리와 제1 리플렉터 및 제2 리플렉터의 광 신호 반사를 통해 제1 커플러 및 제2 커플러 사이에서 광 신호를 왕복시킬 수 있다. 광 신호의 왕복에 의해 공진이 발생할 수 있고, 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호가 생성될 수 있다. 여기서, 출력 광 신호의 공진 주파수는 제1 커플러 및 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른 광 신호 커플링 장치는 기판으로 진행하는 광 신호의 손실을 최대한 줄이고 그레이팅 커플러 사이에 광 신호를 더 주입할 수 있다. 이로 인해, 그레이팅 커플러의 주파수 대역폭과 그레이팅 커플러 사이의 광 신호의 왕복으로 인한 공진 현상에 따른 공진 주파수가 오버랩핑되고, 오버랩핑에 의해 출력 광 신호의 커플링 효율과 주파수 대역폭이 향상될 수 있다.
Optical interconnects는 최근 급증하는 데이터 레이트(data rate)를 처리하는데 사용될 수 있다. Optical interconnects를 구현하기 위해 광 신호의 저 손실 및 대역폭 확보가 중요하다. 광 집적회로 안에서 광 신호의 저 손실 및 대역폭이 확보되는 경우, 대용량 데이터를 처리하는 데이터 센터와 높은 성능을 가지는 슈퍼컴퓨터 제작이 가능하다.
다양한 커플러를 통해 광 도파로 커플링의 구현이 가능하지만, 높은 커플링 효율과 대역폭 확보를 위한 소형화 및 칩 배치의 용이성은 쉽지 않다. 또한, 수직적으로 분리된 광 도파로의 광 신호 커플링은 쉽지 않다. 그레이팅 커플러를 통해 칩 위의 배치가 용이할 뿐 아니라, 소형화가 가능하고, 수직적으로 분리된 광 도파로의 광 신호결합에 대한 고 밀도 광 집적회로를 구현할 수 있다.
그레이팅 커플러의 경우, 회절 현상을 이용하기 때문에 커플링 효율 및 주파수 대역폭이 낮다. 일 실시예에 따르면, 높은 커플링 효율과 주파수 대역폭 확보를 위하여 그레이팅 커플러 하단에 Bragg reflector가 추가된다. 또한, 일 실시예에 따르면, 광 도파로 사이의 반복적인 광 신호 왕복으로 인해 공진 현상이 발생하고, 기존의 주파수 대역폭보다 넓은 주파수 대역폭을 확보 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, CMOS 공정을 통해 실리콘 기반의 광 도파로가 식각되어 생성된 그레이팅 커플러가 이용되고, 그레이팅 커플러를 추가로 이용함으로써grating-to-grating coupler를 형성하며, grating-to-grating coupler를 통해 광 도파로 사이의 광 신호의 커플링이 가능하다. 또한, 그레이팅 커플러 아래에 Bragg reflector를 추가하여 기존의 그레이팅 커플러에 비해 커플링 효율 및 주파수 대역폭이 증가한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 제1 커플러 및 상기 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제1 리플렉터(reflector)를 포함하는 입력 광 소자; 및
    상기 제1 커플러에 대응되게 위치하는 제2 커플러 및 상기 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제2 리플렉터를 포함하고, 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이에서의 광 신호 왕복에 의해 발생하는 공진을 통해 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 출력 광 소자
    를 포함하고,
    상기 출력 광 신호는,
    상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러 중 적어도 하나의 주파수 대역폭과 상기 공진 주파수가 오버랩되는 특성을 갖는,
    광 신호 커플링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 광 신호의 상기 공진 주파수는,
    상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정되는,
    광 신호 커플링 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커플러는,
    상기 입력 광 소자로 입력된 입력 광 신호를 상기 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리하는,
    광 신호 커플링 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터를 기초로 상기 광 신호 커플링 장치 내에 공진 캐비티가 형성되는,
    광 신호 커플링 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 커플러는,
    상기 제2 리플렉터에 의해 반사된 광 신호를 상기 제1 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 출력 광 소자의 도파로로 진행하는 광 신호로 분리하는,
    광 신호 커플링 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는,
    그레이팅 커플러(grating coupler)인,
    광 신호 커플링 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는,
    서로 수직 대향으로 위치하는,
    광 신호 커플링 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터 각각은,
    상기 입력 광 소자의 클래딩 및 상기 출력 광 소자의 클래딩에 삽입되는,
    광 신호 커플링 장치.
  10. 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제1 리플렉터(reflector)를 이용하여 반사시키는 단계;
    상기 제1 커플러와 대응되게 위치하는 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제2 리플렉터를 이용하여 반사시키는 단계; 및
    상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러 사이에서의 광 신호 왕복에 의해 발생하는 공진을 통해 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 단계
    를 포함하고,
    상기 출력 광 신호는,
    상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러 중 적어도 하나의 주파수 대역폭과 상기 공진 주파수가 오버랩되는 특성을 갖는,
    광 신호 커플링 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 출력 광 신호의 상기 공진 주파수는,
    상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정되는,
    광 신호 커플링 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 커플러는,
    상기 제1 커플러로 입력되는 입력 광 신호를 상기 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리하는,
    광 신호 커플링 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터를 기초로 공진 캐비티가 형성되는,
    광 신호 커플링 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제2 커플러는,
    상기 제2 리플렉터에 의해 반사된 광 신호를 상기 제1 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 출력 광 소자의 도파로로 진행하는 광 신호로 분리하는,
    광 신호 커플링 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는,
    그레이팅 커플러(grating coupler)인,
    광 신호 커플링 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는,
    서로 수직 대향으로 위치하는,
    광 신호 커플링 방법.
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