KR102070349B1 - 리튬나이오베이트-실리콘나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나 - Google Patents

리튬나이오베이트-실리콘나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나 Download PDF

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임철순
이우빈
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 광 위상 배열안테나는, 광원으로부터 입력된 광파를 분배하는 광파워 분배기; 상기 분배된 광파의 위상을 제어하는 LN-SiN 기반의 위상변조기; 및 상기 제어된 위상에 따른 광파를 공간으로 발산하는 SIN 기반의 격자 안테나; 를 포함하고, 상기 LN-SiN 기반의 위상변조기는 광 위상변조기가 다수열로 배열된 것을 특징으로 하며, 상기 광 위상 변조기는 제2 전극이 상부에 형성된 실리콘 기판층; 상기 실리콘 기판층 상부에 형성된 제2 절연 실리카층; 상기 절연 실리카층 상부에 형성된 리튬나이오베이트 박막층; 상기 리튬나이오베이트 박막층 상부에 형성된 실리콘 나이트라이드층; 상기 실리콘 나이트라이드 층 상부에 형성된 제1 절연 실리카층; 및 상기 제1 절연 실리카층 상부에 형성된 제1전극; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

리튬나이오베이트-실리콘나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나{Lithium niobate-silicon nitride phase modulator and optical phased array antenna using the same}
본 발명은 리튬나이오베이트- 실리콘 나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나에 관한 기술이다.
4차산업 혁명의 도래로 인하여 전자장치의 시스템 내부의 다양한 부품들 간의 통신에 기존의 금속 배선 대신 광도파로를 이용하는 광집적 회로(photonic integrated circuit; PIC)의 활용이 확대되고 있다. 이에 대한 실리콘 포토닉스 기반의 광통신 기술을 실리콘 포토닉스라고 한다. 광집적 회로는 전기 신호가 아닌 광신호로 정보를 전달하므로, 실리콘 포토닉스 기술을 이용한 광집적 회로를 구현하기 위해서는 실리콘 포토닉스 기반의 광위상변조기가 필요하다.
초연결, 초지능, 초융합으로 특정지어지는 4차 산업혁명에서 눈의 역할을 하는 초고속 빔포밍 기술 중요성이 증가되고 있다.
빔포밍 기술은 자율주행 자동차, 자유공간 광통신, 스마트 팩토리, 3D 스캐닝 등 다양한 분야에서 핵심적인 요소기술로 자리잡고 있다.
현재까지 빔포밍 기술은 주로 MEMS mirror 와 motor가 사용된 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)를 통해서 구현되어 왔다. 이 방식들은 넓은 범위를 스캐닝 가능하고 상용화 단계에 있으나, 부피가 크고 제조비용도 비싸서 비경제적이며, 기계적 움직임으로 인한 마모로 인하여 신뢰성 보장에 문제가 발생될 수 있다.
이에 대한 대응으로 기계적인 모터회전 방식 대신 광위상 배열이 사용된 라이다 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 연구되고 있는 실리콘 기반의 광위상배열(Optical phased array (OPA)은 기계적 라이다에 비해 초소형사이즈 및 상당히 빠른 빔 scanning rate를 가지고 있으나, 열광학 효과를 기반으로 하여 스캐닝 속도가 수 kHz에 머무르는 수준이다.
연구되고 있는 실리콘 기반의 광위상배열은 기존 반도체 집적회로에서 주로 사용되어온 실리콘 포토닉스 기술이 적용되며, 실리콘 포토닉스 기술은 실리콘(Silicon [Si]) 및 실리콘 나이트라이드 (Silicon nitride [Si3N4]: SiN)물질들이 사용된다.
실리콘 포토닉스는 많은 유용성에도 불구하고, 실리콘의 낮은 전기 광학효과로 인해서, 위상변조를 위해 열광학 효과 등을 이용하여 수 kHz의 변조 속도에 머무르고 있다.
실리콘 포토닉스 기반의 광도파로를 이용한 광위상변조기에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1768676호에 게시된 바 있다.
나노 포토닉스 기반의 광 위상배열 안테나에 대한 Optical phased arrays(US Publication US 2014/0192394 A1)에서 반도체 실리콘 소재를 기반으로 위상제어 광소자를 matrix형으로 집적한 광 위상배열 안테나가 제안된 바 있다.
종래의 위상배열 안테나에서는 광파의 위상제어를 thermo-optic 효과에 의해 굴절률이 변화되는 원리를 이용한다. 종래의 발명에서는 안테나 전단에 광 지연선(optical delay line)을 설치하고, 광 지연선 부분에 전류를 주입해서 가열시켜서, 지연선 부분이 가열되어 온도가 올라가면, thermo-optic 효과에 의해 굴절률이 증가되어 지연선을 통과한 광파의 위상을 변화시키는 것이다. 종래의 기술과 같이, thermo-optic 효과를 이용할 경우에는 소모되는 소비전력이 크고 thermo-optic 에 의해 위상변조 속도에 한계가 있다.
따라서, 이러한 Photonic OPA(Optical phased arrays) 구조는 주로 Si waveguide의 높은 굴절률(n = 3.5)과 Temperature sensitivity를 이용한 1D array의 광안테나로 이용된다.
또한, 실리콘 소재를 기반으로 하는 격자구조의 위상제어변조 가능한 광 위상 배열 안테나에 관한 기술은 대한민국 등록특허공보 10-1720434호에 게시된 바 있다.
등록특허 10-1720434에서는 광 발산기의 길이방향으로 충분한 공간을 확보하기 위하여 1xM 발산기 어레이 밖에 광 파워 분배기, 위상 제어기, 위상 공급선들을 배치한 특징을 갖고 있다. 등록특허 10-1720434에서는 1xM 발산기 어레이 N 개를 상하로 독립적으로 배치하고, 각 1xM 발산기 어레이에서 종방향 방사각도를 각기 다른 각도로 담당케 함으로써 2차원(2D) 공간의 빔 스캐닝 기능을 부여하는 구조를 특징으로 한다.
실리콘 포토닉스의 낮은 속도의 전기 광학효과와 더불어 광 비선형성 문제를 해결해줄 수 있는 플랫폼 및 방사각에 대한 능동적 제어가 이루어질 수 있는 광위상배열(OPA)에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다.
여기에는 인가 전계에 의하여 굴절률이 변하는 특성인 전기광학효과(electro -optic effect)가 크고, Si 대비 낮은 온도 특성을 가지며, 수 GHz에 이르는 높은 속도의 변조 특성을 가지고 있는 이상적인 전기광학 물질로 여겨지는 리튬나이오베이트(Lithium Niobate [LN])를 효과적으로 위상변조기에 적용할 수 있는 방법이 요구된다.
종래에 실리콘 나이트라이드를 이용한 도파물질에 대한 포토닉스의 대한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 2007-0117378(도파물질을 포함하는 집적 포토닉스)에 게시된 바 있다.
대한민국 공개특허공보 2007-0117378(도파물질을 포함하는 집적 포토닉스) 대한민국 등록특허공보 10-1720434호(광 위상배열 안테나) 미국공개특허공보 US 2014/0192394 A1(Optical phased arrays)
본 발명은 본 발명은 리튬나이오베이트- 실리콘 나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수 GHz에 이르는 높은 변조 특성을 제공할 수 있는 리튬나이오베이트- 실리콘 나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나를 제공하는 것이다
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 광 위상 배열안테나는, 광원으로부터 입력된 광파를 분배하는 광파워 분배기; 상기 분배된 광파의 위상을 제어하는 LN-SiN 기반의 광위상변조기; 및 상기 제어된 위상에 따른 광파를 공간으로 발산하는 SIN 기반의 격자 안테나; 를 포함하고, 상기 LN-SiN 기반의 위상변조기는 개별 광 위상변조기가 다수열로 배열된 것을 특징으로 하며, 상기 개별 광위상 변조기는 제2 전극이 상부에 형성된 실리콘 기판층; 상기 실리콘 기판층 상부에 형성된 제2 절연 실리카층; 상기 절연 실리카층 상부에 형성된 리튬나이오베이트 박막층; 상기 리튬나이오베이트 박막층 상부에 형성된 실리콘 나이트라이드층; 상기 실리콘 나이트라이드 층 상부에 형성된 제1 절연 실리카층; 및 상기 제1 절연 실리카층 상부에 형성된 제1전극; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리튬나이오베이트 박막층은 펨토초 레이저로 광이 통과하는 부분의 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)을 조사하여 상기 광 도파로의 양면의 굴절률을 상대적으로 낮춘 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리튬나이오베이트 박막층은 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)에 800nm 파장, 120fs 펄스폭(pulse width), 400 nJ ~ 600 nJ의 펄스 에너지를 갖는 펨토초 레이저로 조사하여 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 도파로는 1㎛의 폭으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 도파로를 통과하는 입력 광신호는 상기 제1전극 및 제2 전극에 의해 상기 광 도파로에 수직으로 가해지는 전계에 따라 다음 식의 크기만큼의 굴절률이 변화된 출력 광신호(LO)가 얻어지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112019039398466-pat00001
여기서, ne는 extraordinary굴절률(extraordinary refractive index), r33은 전기광학계수, E는 전기장의 세기임.
또한, 상기 다수열의 각 광 위상 변조기의 상부 전극으로부터 연장되어 제어단자로 각각 연결된 다수의 전극단자를 포함하며, 상기 다수의 전극 단자의 인가 전압은 광 위상이 인접한 열별로 선형적으로 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실리콘 나이트라이드층은 비정질 실리콘(a-Si)층 또는 TiO2층으로 치환할 수 있다.
또한, 상기 광파워 분배기는 상기 입력된 광파를 광파를 1:A 으로 분배하는 분배기를 n의 다단계로 연결하여 1:An으로 분배시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광파워 분배기, LN-SiN 기반의 광 위상변조기 및 SiN 기반의 격자 안테나는 동일한 채널수를 가지며 칩-to-칩 정렬을 통하여 하나의 소자로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 파워 분배기에서 각 분배기와의 사이 및 분배기에서 분배된 도파로는 SiN 도파관으로 연결되며, 상기 분배된 도파로와 상기 LN-SiN 기반의 광 위상변조기의 각 개별 광 위상변조기와의 연결 및 상기 각 개별 광위상변조기에서 상기 SiN 기반의 격자 안테나로의 연결은 SiN 도파관으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 SiN 기반의 격자 안테나는 실리카층 상에 형성된 SiN 도파관에 일정 주기(pitch)의 격자가 형성된 구조가 다수열로 배열된 구조로 형성되며, 상기 SiN 기반의 격자 안테나의 각열에서 방사되는 방사각 θ는 다음 식으로부터 구해지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112019039398466-pat00002
수학식 2에서,
Figure 112019039398466-pat00003
는 입력 광파의 자유공간에서 중심 파장,
Figure 112019039398466-pat00004
는 격자의 주기,
Figure 112019039398466-pat00005
는 격자를 포함하는 광 도파로의 유효 귤절률(effective index), θ는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, LN-SiN 광위상변조기 배열과 SiN 격자 안테나를 결합하여 초고속 빔스캐닝(조향)이 가능한 LN-SiN 광위상배열 안테나를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, LN-SiN 기반의 광 위상변조기와 SiN 광도파관과의 구조간 Chip-to-chip coupling를 통해 SiN 광안테나로 2D 스캐닝이 가능한 구조로 광위상 배열안테나가 구현될 수 있다.
또한 전기광학효과를 이용한 LN-SiN 기반의 위상변조기는 본 광위상 배열 안테나를 수 GHz에 달하는 초고속 위상 제어가 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 도파관 장치에서 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터 (LN thin film on insulator)층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 도파관 장치에서 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 고굴절률층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관에 대한 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 수행한 모드파일을 도시한 것이다.
도 4는 도 1에서 형성된 리튬나이오베이트 기판에 펨토초 레이저로 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면벽(side wall)을 을 각인하여 도파로를 형성하는 공정을 도시한 것이다.
도 5은 펨토초 레이저 가공공정을 수행한 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관에 대한 단면 이미지와 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 수행한 모드파일을 도시한 것이다.
도 6, 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광위상변조기의 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열안테나에 적용될 LN-SiN 기반의 광위상 변조기의 예를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 광위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나의 예를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파워 분배기의 입력단에 적용되는 모드 컨버터를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 SiN 기반의 격자 안테나의 발산기의 구조를 나타낸 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 기존 실리콘 포토닉스의 한계를 극복하기 위하여 전기광학 물질인 LN 박막이 접목된 Si-LN 포토닉스 기반의 광 도파층을 제공한다.
리튬나이오베이트(Lithium Niohate: LiNbO3)는 인가 전계에 의하여 굴절률이 변하는 특성인 전기광학효과(electro -optic effect)가 커서 이를 이용하여 광스위치, 광변조기 등의 광도파로 소자로 이용될 수 있다.
이와 같은 리튬나이오베이트는 식각 공정이 용이하지 않아 도파로로 이용하기 위한 변형 공정에 많은 비용과 시간이 소요된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 리튬나이오베이트(LN) 박막을 일반적으로 적용할 수 있는 반도체 증착 공정을 통하여 효율적이고 경제적인 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관을 제공한다.
도 1, 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관을 제조하는 공정을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 도파관은 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼 또는 벌크(bulk) 실리콘 웨이퍼 상에 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터 (LN thin film on insulator)층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.
예를 들면, SOI 실리콘 웨이퍼 상에 광 도파관을 형성하는 경우에는 도 1과 같이 실리콘 기판층(20) 상부에 형성된 절연 실리카층(10) 상부에 광도파로로 사용되는 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층을 형성하는 것을 포함하여 전체적으로 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터 (LN thin film on insulator)층을 형성한다.
도 1은 실리콘기판층(20) 상에 형성된 절연 실리카층(10) 상에 광도파로로 사용되는 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층을 형성하는 공정을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 고굴절률층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.
도 1의 공정에 이어서, 다음은 도 2와 같이 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 위에 비교적 굴절률이 높은 비정질 실리콘(a-Si)층, 실리콘나이트라이드(SiN)층 또는 TiO2층을 증착하여 고굴절률층(60)을 형성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 비교적 굴절률이 높은 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘나이트라이드(SiN), 또는 TiO2를 증착하여 국부적으로 유효 굴절률을 증가시킬 수 있어서, 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파층을 형성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 유효 굴절률이 증가된 영역인 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층은 스트립 도파관으로써 동작한다. 실제 광신호에 활성화되는 영역은 리튬나이오베이트 박막층(100)이다.
본 발명의 일 실시 예에서는 700nm 두께의 리튬나이오베이트(LN) 박막 층 위에 실리콘나이트라이드(SiN)층, 비정질 실리콘(a-Si)을 1um width에 두께 100nm 정도를 증착하여 strip waveguide 형성하여, 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관을 형성하였다.
도 3은 도 2의 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파층에 대한 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 수행한 모드파일을 도시한 것이다.
도 3의 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 통해 검증한 Mode profile을 참조하면, 리튬나이오베이트 박막층(100)과 결합된 실리콘나이트라이드(SiN)층 또는 비정질 실리콘으로 형성된 고굴절률층(200)은 리튬나이오베이트 도파관을 형성함으로써, 효과적으로 실리콘- 복합 스트립 도파관을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 도파관 장치에 의하면, 리튬나이오베이트(LN)박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 비교적 굴절률이 높은 비정질 실리콘(a-Si)이나 실리콘나이트라이드(SiN)층 또는 이산화티타늄(TiO2)을 증착시켜서 리튬나이오베이트(LN)의 유효굴절률을 부분적으로 올려줌으로써 도파로를 형성할 수 있어서, 식각 공정 없이 일반적인 반도체 증착 공정을 도입하여 경제적이고 효과적으로 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 형성할 수 있다.
도 2의 실시 예에 따른 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관 의 경우, 일반적인 반도체 증착 공정으로 도파관 생성이 가능하여 경제적이고 효과적으로 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 형성할 수 있다. 그러나, 비교적 약한 모드 감금(mode confinement)으로 인해서 전파손실이 발생될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서는 이와 같은 전파손실이 발생되는 단점을 줄이기 위한 방법으로 펨토초 레이저로 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)을 조사하여 도파로의 양면의 굴절률을 상대적으로 낮추어서 모드감금을 강하게 만드는 방법이 채택된다.
도 4는 도 1에서 형성된 리튬나이오베이트 박막에 펨토초 레이저로 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면벽(side wall)을 각인하여 도파로를 형성하는 공정을 도시한 것이다,
도 4를 참조하면, 펨토초 레이저를 이용하여 리튬나이오베이트(LN)의 박막 내부에 있는 waveguide 의 양쪽 side wall에 데미지(damage)를 가해주어 굴절률을 변화시킴으로써, 레이저 초점이 맺힌 곳의 높은 에너지 밀도로 리튬나이오베이트(LN) 특성이 변화하여 굴절률이 낮아지게 된다.
예를 들면, 펨토초 레이저를 Dual-line으로 각인하여, 리튬나이오베이트 박막에서 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면벽(side wall)에 데미지를 가해주어 굴절률을 변화시키도록 가공한다. 이에 따라 리튬나이오베이트 박막의 가운데 공간에 mode confine가 일어나서 mode confinement가 증가하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 도 4와 같은 공정으로 800nm 파장, 120fs 펄스폭(pulse width), 400nJ ~ 600nJ의 펄스 에너지를 갖는 펨토초 레이저를 Dual-line으로 조사하였으며, 레이저에서 출력되는 빛은 100배, NA= 0.85 를 갖는 대물렌즈에 의해서 리튬나이오베이트(LN) 박막층 내부에 초점이 맺히도록 조사되었고, 초점이 맺힌 부분 (focal area)은 주변에 비해 약 0.003 정도 굴절률이 감소하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 펨토초 레이저는 30um/s 속도로 동작되도록 제어된다.
도 4의 펨토초 레이저 가공 공정에 이어서 도 2의 LN 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 실리콘 나이트라이드층으로 형성된 고굴절률층을 형성하는 공정을 수행하여 1㎛ 폭의 도파로를 가지는 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 리튬나이오베이트(LN) 박막 온 인슐레이터(LN thin film on insulator) 상에 비교적 굴절률이 높은 실리콘 나이트라이드층, a-Si SiN층, 또는 TiO2층을 증착시켜서 레이저 가공공정이 수행된 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 형성할 수 있다.
도 5은 펨토초 레이저 가공공정을 수행한 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관에 대한 단면 이미지와 FDTD(finite-difference time-domain) 기반의 시뮬레이션을 수행한 모드파일을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 도 3에 비하여 도파로의 양 측 경계면에 접하는 부분에 펨토초 레이저에 의한 굴절률변화에 의해 모드감금(mode confinement) 특성이 증가한 것을 알 수 있다.
위와 같이 레이저 가공공정을 수행하여 형성된 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광 도파관은 모드감금(mode confinement) 특성이 증가하여 전파손실의 발생을 줄일 수 있는 초미세 광도파로를 형성할 수 있다.
도 6, 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광위상변조기의 구조를 도시한 것이다.
도 6, 7은 도 3, 4의 실시 예에 따른 펨토초 레이저 가공공정을 수행하여 형성된 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 이용한 개별 광위상변조기의 구조를 도시한 것이다.
도 6은 펨토초 레이저 가공공정이 수행된 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 광도파관을 중심으로 상, 하에 전극을 형성한 초미세 개별 광위상변조기의 정면(X-Y)을 나타낸 것이고, 도 7은 그 측면(X-Z)을 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘-리튬나이오베이트 기반의 초미세 개별 광 위상변조기는 제2 전극(42)이 상부에 형성된 실리콘기판층(20) 상에 형성된 제1 절연 실리카층(10)과 상기 절연 실리카층(10) 상에 형성되며 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면벽(side wall)에 펨토초 레이저에 의해 가공된 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층이 형성되며, 상기 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 100)층 상부에 실리콘 나이트라이드(SiN) 재질의 고굴절률층(60)이 형성되고, 상기 고굴절률층(60) 상부에 제1전극(41)이 형성되는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 고굴절률층(60) 상부에 제1전극(41) 사이에는 제1전극(41)의 절연과 결합을 용이하게 하기 위한 제2 실리카층(11)이 더 포함될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 개별 광위상 변조기는 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기로 제조될 수 있다.
도 6, 7을 참조하면, 광 도파로(100)를 통과하는 입력 광신호(LI)는 제1, 2 전극(41, 42)에 의해 광도파로(105)에 수직으로 가해지는 전계에 따라 굴절률이 변화되어 위상이 쉬프트된 출력 광신호(LO)가 얻어진다.
리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film, 105)은 전기장을 받으면 전기광학효과에 의해서 다음 수학식1의 크기만큼의 굴절률 변화가 유도된다.
Figure 112019039398466-pat00006
여기서, ne는 extraordinary굴절률(extraordinary refractive index), r33은 전기광학계수, E는 전기장의 세기를 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기는 좁은 영역(도파로)에서의 광 에너지 밀도가 증가되는 것에 의해, 높은 전기광학 변조 효율을 얻음으로써 광신호 위상제어가 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광 위상 변조기는 식각 가공이 어려운 리튬나이오베이트 박막을 증착 공정 및 펨토초 레이저 가공 공정을 통해 효과적으로 제조할 수 있는 mode confinement 특성이 향상된 1㎛폭의 도파로(105)를 가지는 초미세 광위상 변조기를 제공할 수 있다.
리튬나이오베이트는 높은 전기광학계수는 수 GHz 에 이르는 높은 변조 특성을 제공할 수 있어서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반의 초미세 광 위상 변조기는 변조 대역폭을 수 GHz 범위로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광 위상 변조기는 향상된 변조효율과 레이저 가공에 의한 실리콘-리튬나이오베이트 포토닉스 기반에 의해 집적도를 증가 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반 광 위상 변조기는 광집적회로(Photonic integrated circuit)를 포함하는 여러 응용분야에서 이상적인 플랫폼으로 폭넓게 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열안테나에 적용될 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기의 예를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 개별 광 위상 변조기(201~208)가 일정 간격으로 배열된 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기와, 개별 광 위상 변조기(201~208)의 상부 전극으로부터 연장되어 제어단자로 각각 연결된 8개의 전극단자(e1 ~ e8)을 포함한다.
각 단자의 인가 전압은 모든 쌍의 인접한 열의 LN-SiN 기반의 개별 광 위상 변조기에서 동일하게 인가된 전압 차에 기인하여 단자 e1에서 단자 e8까지 광 위상이 선형적으로 증가(
Figure 112019039398466-pat00007
,
Figure 112019039398466-pat00008
,
Figure 112019039398466-pat00009
)하도록 설정된다.
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기는 채널들이 여러 개 모여서 위상배열을 이루고 각각의 채널의 위상을 조절하여 호이겐스의 원리를 기반으로 횡방향으로 빔 조향이 가능할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LN-SiN 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나의 예를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열안테나는 광원으로부터 입력된 광파를 분배하는 광파워 분배기(300, power splitter), 상기 분배된 광파의 상기 광파의 위상을 제어하는 LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200) 및 상기 제어된 위상에 따른 광파를 공간으로 발산하는 SiN 기반의 격자 안테나(500, grating antenna)를 포함한다.
상기 LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200)는 개별 광위상변조기(201~208)가 다수열로 배열된 것을 특징으로 한다.
상기 광파워 분배기(300, power splitter), LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200) 및 SiN 기반의 격자 안테나(500, grating antenna)는 각각 별개의 칩(chip)로 제조되어 결합될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 광 파워 분배기(300)에서 각 분배기와의 사이 및 분배기에서 분배된 도파로는 SiN 도파관으로 연결되며, 상기 분배된 도파로와 상기 LN-SiN 기반의 위상변조기의 각 개별 광 위상변조기(201~208)와의 연결 및 상기 각 광 위상변조기(201 ~208)로부터 상기 SiN기반의 격자 안테나(500) 배열로의 연결은 SiN 도파관으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 광파워 분배기(300, power splitter), LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200) 및 SIN 기반의 격자 안테나(500, grating antenna)는 동일한 채널수를 가지며 칩-to-칩 정렬을 통해서 하나의 소자로 결합될 수 있다.
광파워 분배기(300)는 입력단에 광모드 변환기(Spot size converter (SSC))를 통하여 연결되며, 다중모드 커플러(Multimode interferometer coupler (MMI))를 통하여 분배되는 것을 포함할 수 있다.
또한, LN-SiN 기반의 광 위상변조기 Chip과 SiN photonic 구조 간 결합은 SIN 도파로의 광모드변환(Spot-size converter : SSC)를 통해 연결될 수 있다.
이에 따라 LN 위상변조기의 도파로 구조형태는 Waveguide 및 Film 형태 등 모드를 지닌 형태에 한해서는 모두 적용이 가능하도록 제작될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파워 분배기(300)의 입력단에 적용되는 광모드 변환기를 도시한 것이다.
광모드 변환기(Spot size converter (SSC))는 빛이 파이버에서 SiN 도파관으로 손실 없이 전달될 수 있도록 Taper길이, width, height 를 고려하여, 모드 크기를 바꿔주는 역할을 한다.
도 9를 참조하면, 광모드 변환기(Spot size converter (SSC))를 통하여 전달된 빛은 SiN 도파관을 통하여 실질적인 분배기 역할을 하는 다중모드 커플러(MMI)로 진행하여 분배된다.
광파워 분배기(300)는 단일의 광원(Li))으로부터 입력되는 광파를 N개의 위상 변조기(201~208)로 분배시키기 위한 소자이다. 광파워 분배기(300)는 광파를 1:A 으로 분배하는 분배기를 n의 다단계로 연결하여 1:An으로 분배시킬 수도 있다.
일 예로 도 9를 참조하면, 제1 분배기는 광입력을 50:50 비율로 각 1:2로 분배하여 SiN 도파관을 통하여 연결되며, 제2분배기(311)에서는 2개의 1:2 분배기로 다시 각 1:4로 분배하고, 제3분배기(321)에서는 4개의 1:2 분배기로 다시 각 1:8로 분배된다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파워 분배기(300)는 1:2 분배기(311, 321)를 2단계로 분배시켜서 1:8 분배를 시행하여 LN-SiN 기반의 위상변조기(200)에 SiN 도파관(90)을 통하여 전송하는 예를 보여준다.
LN-SiN 기반의 광 위상변조기(200)는 SiN 기반의 격자 안테나(500)에 각 발산기(501 ~508) 소자마다 위상이 등 간격으로 차이를 둔 광파를 공급하기 위하여, 광파의 위상을 제어하는 기능을 수행한다.
광파의 위상을 각각의 발산기마다 위상을 등 간격으로 차이를 둠으로써 방사되는 광파들의 간섭에 의해 공간상에서 특정한 방향으로 좁은 발산각을 갖는 위상정합 빔이 형성될 수 있다. 위상배열의 각 광파 발산기마다 등 간격의 위상차이 ΔΦ를 -π ≤ ΔΦ ≤+π 사이에서 연속적으로 변화시켜 줌으로써 위상정합 빔은 공간상에서
일정한 궤적을 따라 이동되며 빔 스캐닝 기능을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열안테나에는 도 8의 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기(200)가 적용된다.
격자 안테나(500)는 LN-SiN 기반의 광 위상 변조기(200)의 제어된 위상에 기초한 광파를 공간으로 발산하는 기능을 수행한다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 SiN 기반의 격자 안테나의 발산기의 구조를 나타낸 것이다.
도 11를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 SiN 기반의 격자 안테나는 실리카층 상에 형성된 SiN 도파관에 일정 주기(pitch)의 격자가 형성된 구조가 다수열로 배열된 구조로 형성된다.
각 열의 격자 구조로부터 방사되는 출력 광파의 원거리장의 방사각은 회절(diffraction) 원리에 의하여 수학식 2을 활용하여 산출될 수 있다.
Figure 112019039398466-pat00010
수학식 2에서,
Figure 112019039398466-pat00011
는 입력 광파의 자유공간에서 중심 파장,
Figure 112019039398466-pat00012
는 격자의 주기,
Figure 112019039398466-pat00013
는 격자를 포함하는 광 도파로의 유효 귤절률(effective index), θ는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 방사각도는 격자표면의 법선방향을 기준으로 벌어진 각도를 나타낸다.
유효 굴절률
Figure 112019039398466-pat00014
는 광 도파로의 소재와 광파의 파장에 따른 굴절률을 기반으로 하여 광 도파로의 구조에 따라 정해진다.
파장과 굴절률에 따라 방사 각도에 대한 의존성은 수학식 2를 통하여 산출될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에서는 수학식 2에서 유효 굴절률
Figure 112019039398466-pat00015
을 전기적 제어에 의해 각각 변화시킴으로써 방사각 θ를 효과적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광위상변조기가 일정간격으로 배열된 LN-SiN 기반의 위상 변조기를 통과한 빛은 SiN 기반의 격자안테나에서 방출되는데, 이때 방출되는 빛의 종방향 각도는 빛의 파장과 격자 안테나의 유효굴절률에 의해서 결정될 수 있다.
SiN 격자 안테나 도파로 및 LN-SiN 변조기의 채널 수는 방사각 범위 및 Multimode interferometer coupler (MMI)의 분배회로수(N)에 의하여 설계될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 광위상 배열 안테나는 2D 스캐닝이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, LN-SiN 광위상변조기 배열과 SiN 격자 안테나를 결합하여 초고속 빔스캐닝(조향)이 가능한 LN-SiN 광위상배열 안테나를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, LN-SiN 기반의 광 위상변조기와 SiN 광도파관과의 구조간 Chip-to-chip coupling를 통해 SiN 광안테나로 2D 스캐닝이 가능한 구조로 광위상 배열안테나가 구현될 수 있다.
또한 전기광학효과를 이용한 LN-SiN 기반의 위상변조기는 본 광위상 배열 안테나를 수 GHz에 달하는 초고속 위상 제어가 가능하도록 할 수 있다.
10: 절연 실리카층
20: 실리콘 기판층
41, 42: 전극
60: 고 굴절률층
100: 리튬나이오베이트 박막(LiNbO3 thin film)층
200: LN-SiN 기반의 광위상 변조기
201~208: 개별 광위상변조기
300: 광파워 분배기
500: SiN 기반의 격자 안테나
e1~e8 : 전극단자

Claims (10)

  1. 광위상 배열안테나에 있어서,
    상기 광위상 배열안테나는
    광원으로부터 입력된 광파를 분배하는 광파워 분배기;
    상기 광파워 분배기에서 분배된 광파의 위상을 제어하는 LN-SiN 기반의 위상변조기; 및
    상기 제어된 위상에 따른 광파를 공간으로 발산하는 SIN 기반의 격자 안테나; 를 포함하고,
    상기 LN-SiN 기반의 위상변조기는 개별 광위상변조기가 다수열로 배열된 것을 특징으로 하며,
    상기 개별 광위상변조기는
    제2 전극이 상부에 형성된 실리콘 기판층;
    상기 실리콘 기판층 상부에 형성된 제2 절연 실리카층;
    상기 절연 실리카층 상부에 형성된 리튬나이오베이트 박막층;
    상기 리튬나이오베이트 박막층 상부에 형성된 실리콘 나이트라이드층;
    상기 실리콘 나이트라이드 층 상부에 형성된 제1 절연 실리카층; 및
    상기 제1 절연 실리카층 상부에 형성된 제1전극; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리튬나이오베이트 박막층은 펨토초 레이저로 광이 통과하는 부분의 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)을 각인하여 상기 광 도파로의 양면의 굴절률을 상대적으로 낮춘 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리튬나이오베이트 박막층은 광 도파로로 형성될 부분의 양쪽 경계면(side wall)에 800nm 파장, 120 fs 펄스폭(pulse width), 400 nJ ~ 600 nJ의 펄스 에너지를 갖는 펨토초 레이저로 조사하여 형성된 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광 도파로를 통과하는 입력 광신호는 상기 제1전극 및 제2전극에 의해 상기 광 도파로에 수직으로 가해지는 전계에 따라 다음 식의 크기만큼의 굴절률이 변화된 출력 광신호가 얻어지는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.

    Figure 112019108368998-pat00016

    여기서, ne는 extraordinary굴절률(extraordinary refractive index), r33은 전기광학계수, E는 전기장의 세기를 의미함.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다수열의 각 광 위상 변조기의 상부 전극으로부터 연장되어 제어단자로 각각 연결된 다수의 전극단자를 포함하며,
    상기 다수의 전극 단자의 인가 전압은 광 위상이 인접한 열을 따라 선형적으로 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 나이트라이드층은 비정질 실리콘(a-Si)층 또는 TiO2층으로 치환한 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광파워 분배기는 상기 입력된 광파를 광파를 1:A 으로 분배하는 분배기를 n개의 다단계로 연결하여 1:An으로 분배시키는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광파워 분배기, LN-SiN 기반의 광 위상변조기 및 SIN 기반의 격자 안테나는 동일한 채널수를 가지며 칩-to-칩 정렬을 통하여 하나의 소자로 결합되는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 파워 분배기에서 각 분배기와의 사이 및 각 분배기에서 분배된 도파로는 SiN 도파관으로 연결되며, 상기 분배된 도파로와 상기 각 개별 광위상변조기와의 연결 및 상기 각 개별 광 위상변조기에서 상기 SiN 기반의 격자 안테나로의 연결은 SiN 도파관으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 SiN 기반의 격자 안테나는 실리카층 상에 형성된 SiN 도파관에 일정 주기(pitch)의 격자가 형성된 구조가 다수열로 배열된 구조로 형성되며,
    상기 SiN 기반의 격자 안테나의 열에서 방사되는 방사각 θ는 다음 식으로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 광위상 배열안테나.
    [수학식 2]
    Figure 112019039398466-pat00017

    여기서,
    Figure 112019039398466-pat00018
    는 입력 광파의 자유공간에서 중심 파장,
    Figure 112019039398466-pat00019
    는 격자의 주기,
    Figure 112019039398466-pat00020
    는 격자를 포함하는 광 도파로의 유효 귤절률(effective index), θ는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도를 나타내는 것을 의미함.
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