KR102080688B1 - 격자 결합기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 제1 측면에 의하면, 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 상부면에 증착되는 클래딩층과, 상기 클래딩층 상부에 형성되며, 광원에서 출력되는 광신호가 입력되어 진행하는 코어층을 포함하는 격자 결합기로서, 입력된 상기 광신호가 진행하는 방향으로 직경이 점차 증가하도록 형성되며, 매트릭스 형태로 배치되고 내측으로는 유전체 물질이 채워지는 복수의 원형 공간부를 포함하는 격자 결합기를 제공한다.
본 발명은, 외부의 광이 입사되는 부위에 홀 또는 홈으로 이루어지는 원형 공간을 형성하되, 입사된 빛이 진행하는 방향으로 원형 공간의 직경이 점차 증가하도록 하여 광결합 효율은 향상시키고, 광 반사율은 저감시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 형성된 원형 공간 내부에는 유전체 물질을 채워넣어 광결합 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 광 반사율은 보다 저감시킬 수 있다.

Description

격자 결합기{Grating coupler}

본 발명은 격자 결합기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유전체 물질이 채워지는 원형 공간이 형성된 포토닉 결정 구조를 적용하여 광결합 효율이 증가되고 광반사율이 낮아지는 격자 결합기에 관한 것이다.

정보 통신 기술의 발전에 따른 정보 전송 속도의 증가는 미래의 정보 통신 시스템에서 필요로 하는 초고속, 초고밀도, 대용량화를 충족시킬 수 있는 기술을 필요로 하고 있으며, 이를 해결할 수 있는 강력한 대안 기술들 중의 하나로 광 연결(optical interconnection) 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다.

초고속 저전력 신호 전달을 구현하기 위해서는 광 신호로서 칩 내부 및 외부로 신호를 전달하는 광배선(optical interconnect)을 활용한 기술이 유력한 대안으로 떠오르고 있다. 최근 MS, ***, Facebook 등에서 데이터 용량이 급증하면서 데이터 센터에서 광배선을 이용한 고속, 저전력 데이터 통신에 대한 수요가 증대하고 있다.

광배선 기술은 배선에서 전기 신호를 광신호로 바꾸어 광섬유 등을 이용하여 전달한 이후에 다시 이를 전기신호로 변환시켜주어 칩 과 칩 사이 혹은 칩 내부에서 신호를 전달하는 기술이며, 일반적으로 광원, 광변조기, 광도파로(waveguide), 광검출기(PD), 격자 겹합기 (grating coupler) 등이 반도체 상에서 집적되어 있는 광집적회로 형태로 구현되고 있다.

특히, 실리콘(silicon) 기판 상에서 광배선을 구현하는 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 기술은 CMOS 호환이 가능한 silicon 공정 기술을 활용함으로써 저가격, 초미세, 초고속, 저전력 광배선의 기술로 주목받고 있다.

실리콘 포토닉스는 일반적으로 silicon 기판 상에 SiO₂와 같은 저굴절률 층이 존재하고 그 상부에 Si 도파로가 적층되어 있는 SOI(silicon on insulator) 구조를 이용하여 Si 도파로 상에서 빛이 전파하게 된다.

한편, 격자 결합기는 광배선 집적회로에서 빛을 외부로 방출시켜 광섬유로 결합시키거나 반대로 광섬유 등을 통해 외부에서 들어오는 빛을 광배선 집적회로로 결합시키는 역할을 하는 광배선 구조물이다.듀티율

도 1은 SOI 상에 형성된 격자 결합기의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 1의 (A)는 단면도이고, 도 1의 (B)는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 격자 결합기(1)는 기판(1A), 버퍼층(1B), 코어층(1C)가 차례대로 적층되고, 코어층(1C) 상부에는 에칭(etching)에 의해 소정의 폭(W)과 주기(Λ)를 갖는 격자(4)들이 형성되어 있음을 알 수 있다. 여기서, 격자(4)와 격자(4) 사이의 홈에는 공기나 SiO₂와 같은 저굴절률 물질로 채워질 수 있다.

한편, 도 1에 도시된 격자 결합기(1)는 격자(4)의 폭(W)과 주기(Λ)가 일정함을 알 수 있다. 격자의 주기(Λ)에 대한 격자의 폭(W)을 듀티율(duty cycle)로 정의하는데, 도 1에 도시된 격자 결합기(1)는 듀티율 50%로 일정함을 알 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 격자 결합기를 통한 out-coupling 상황을 나타내는 도면이.

격자 결합기에서의 광결합 효율은 광집적회로 전체의 에너지 효율에 큰 영향을 주기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같은 격자 결합기에서는 광의 out-coupling 시에 결합 효율을 높이는 것이 필요하다.

또한, 격자 결합기의 out-coupling 시, 외부로 방출되는 광의 일부가 격자 결합기와 외부 매질간의 유효 굴절률 차이에 의해 반사된다. 이때, 반사광은 후방으로 진행하면서 광원에 영향을 주어 잡음을 유발시키므로, 이를 방지하기 위해 광반사율을 낮출 필요가 있다.

대한민국 공개특허 2009-105655호를 참조하면, 격자 결합기에서 격자의 듀티율을 비균일하게 형성할 경우 광반사율이 감소하는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상기한 선행기술에 개시된 격자 결합기의 구성을 살펴보기로 한다.

도 3은 선행기술에 개시된 격자 결합기의 구성의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 3을 참조하면, 광이 진행하는 방향으로 격자(14)의 주기는 일정하고, 격자(14)의 폭은 점진적으로 감소하여, 이에 따라 듀티율(duty cycle)이 감소함을 알 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 격자 결합기의 반사율과 외부 결합 효율을 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 격자 결합기의 듀티율이 점진적으로 감소하는 구조를 듀틸율이 일정한 구조와 비교하였을 때, 듀티율이 감소하는 구조의 반사율이 작고, 외부 결합 효율도 감소함을 알 수 있다.

그러나, 상기와 같은 비균일한 격자 구조에서 반사율 감소 효과를 얻으려면 폭이 가장 좁은 격자의 폭이 10 nm 정도로 가공되어야 한다. 격자 홈의 깊이는 대략 50~150 nm인데, 격자 홈의 폭을 10 nm로 구현하기 위해서는 공정의 난이도가 증가하고, 공정상 발생하는 오차의 영향도 크게 되어 실제 상용화된 제품으로 구현하기는 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외부의 광이 입사되는 부위에 홀 또는 홈으로 이루어지는 원형 공간을 형성하되, 입사된 빛이 진행하는 방향으로 원형 공간의 직경이 점차 증가하도록 하여 광결합 효율은 향상시키고, 광 반사율은 저감시킬 수 있는 격자 결합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 형성된 원형 공간 내부에는 유전체 물질을 채워넣어 광결합 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 광 반사율은 보다 저감시킬 수 있는 격자 결합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1 측면에 의하면, 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 상부면에 증착되는 클래딩층과, 상기 클래딩층 상부에 형성되며, 광원에서 출력되는 광신호가 입력되어 진행하는 코어층을 포함하는 격자 결합기로서, 입력된 상기 광신호가 진행하는 방향으로 직경이 점차 증가하도록 형성되며, 매트릭스 형태로 배치되고 내측으로는 유전체 물질이 채워지는 복수의 원형 공간부를 포함하는 격자 결합기를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제2 측면에 의하면, 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 상부면에 증착되는 클래딩층과, 상기 클래딩층 상부에 형성되며, 광원에서 방출된 출력 광신호와 입력 광신호가 진행하는 코어층을 포함하는 격자 결합기로서, 입력된 상기 광신호가 진행하는 방향으로 직경이 점차 증가하도록 형성되며, 매트릭스 형태로 배치되고 내측으로는 유전체 물질이 채워지는 복수의 원형 공간부; 및 상기 코어층 상면에 상기 원형 공간부에 이웃하여 일정 간격으로 형성되는 복수의 격자를 포함하는 격자 결합기를 제공한다.

상기 원형 공간부는 홀 또는 홈 형태일 수 있다.

상기 격자는, 상기 빛의 진행 방향에서 상기 원형 공간부보다 후방에 배치될 수 있다.

상기 격자의 주기는 300 내지 600nm 이고, 상기 격자와 상기 격자 사이의 홈의 깊이는 50 내지 300nm 일 수 있다.

상기 원형 공간부의 직경은 30nm 이상일 수 있다.

n+1행상의 상기 원형 공간부의 직경은 n행상의 원형 공간부의 직경보다 5 내지 20 nm 클 수 있다.

(여기서, n은 0 이상의 정수)

상기 유전체 물질의 굴절률은 상기 코어층의 굴절률보다 작을 수 있다.

상기 유전체 물질은, SiO₂, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃, HfO₂, TiO₂, MnO, Ta₂O₅ 중 어느 하나 또는 선택된 2개 이상을 포함할 수 있다.

상기 유전체 물질은, 진공박막 증착법에 의해 상기 홀에 채워질 수 있다.

상기 코어층의 굴절률은 상기 클래딩층의 굴절률보다 클 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 외부의 광이 입사되는 부위에 홀 또는 홈으로 이루어지는 원형 공간을 형성하되, 입사된 빛이 진행하는 방향으로 원형 공간의 직경이 점차 증가하도록 하여 광결합 효율은 향상시킬 수 있고, 광 반사율은 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 형성된 원형 공간 내부에는 유전체 물질을 채워넣어 광결합 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 광 반사율은 보다 저감시킬 수 있다.

도 1은 SOI 상에 형성된 격자 결합기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 격자 결합기를 통한 out-coupling 상황을 나타내는 도면이다.
도 3은 선행기술에 개시된 격자 결합기의 구성의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 격자 결합기의 반사율과 외부 결합 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 결합기의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 격자 결합기의 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 격자 결합기의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 격자 결합기의 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 격자 결합기의 외부 결합 효율을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 격자 결합기의 외부 결합 효율을 나타내는 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 결합기의 구성을 나타내는 평면도이다.

우선, 격자 결합기(100)에 광을 공급하기 위해 광원, 광 분배기, 광 위상 제어부를 사용할 수 있다. 광원, 광 분배기, 광 위상 제어부는 널리 알려진 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

격자 결합기(100)는 광원에서 발광된 소정 파장의 광을 수광받은 후, 이를 소정의 각도로 외부로 방사한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 결합기(100)는 차례대로 적층되는 기판, 클래딩층, 코어층을 포함한다.

기판은 소정의 면적을 갖는 직사각형 형태의 플레이트(plate) 형상이다. 기판은 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.

클래딩층은 소정의 두께를 갖고, 기판의 상부에 배치된다. 클래딩층은 소정의 두께를 가질 수 있다. 클래딩층은 이산화규소를 포함할 수 있다.

코어층은 클래딩층의 상부에 배치된다. 코어층은 소정의 두께를 가질 수 있다.

코어층은 외부에서 입력되는 광신호가 진행하는 영역이다.

여기서, 코어층의 굴절귤은 클래딩층의 굴절률보다 높은 것이 바람직하다.

코어층(100C) 상에는 복수의 원형 공간(112)이 형성될 수 있다.

코어층(100C)에 형성되는 원형 공간(112)에 대하여 살펴보기로 한다.

원형 공간(112)은 소정의 직경을 갖고 코어층(100C)을 관통하는 원형의 홀 형태일 수 있다.

또한, 원형 공간(112)은 소정의 직경과 깊이로서 코어층(100C)에 형성되는 원형의 홈 형태일 수 있다.

그리고, 복수의 원형 공간(112)은 격자 결합기(100) 상에 n개의 행과 n개의 열을 이루는 매트릭스 형태로 형성될 수 있다.

빛이 입사되는 부분에 배치되는 행을 제1 행(N1)이라 하기로 한다.

동일한 행이 포함하는 원형 공간(112)의 직경은 동일함을 알 수 있다. 그리고, 제1 행(N1)에서 다음의 행으로 진행하면서 원형 공간(112)의 직경은 점차 증가함을 알 수 있다.

이때, 제1 행(N1)이 포함하는 원형 공간(112)의 직경은 적어도 30nm인 것이 바람직하다.

그리고, 제1 행(N1)에서 제2 행(N2)으로 진행하면서 원형 공간(112)의 직경은 5 내지 20 nm 씩 증가할 수 있다. 보다 바람직하게는 제1 행(N1)에서 제2 행(N2)으로 진행하면서 원형 공간(112)의 직경은 10nm 씩 증가할 수 있다.

도 6은 도 5에 도시된 격자 결합기의 굴절률을 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 격자 결합기(100)로 유입된 광이 진행하면서 광이 입사되는 원형 공간(112)의 직경이 점차 증가하고, 코어층(110C)에서의 유효 굴절률은 점차 감소함을 알 수 있다.

한편, 원형 공간(112)의 내부에는 유전체 물질이 채워질 수 있다.

원형 공간(112)에 채워지는 유전체 물질은 SiO₂, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃, HfO₂, TiO₂, MnO, Ta₂O₅ 중 어느 하나 또는 선택된 2개 이상을 포함할 수 있다.

상기와 같은 유전체 물질의 굴절률은 코어층(100C)이 포함하는 실리콘의 굴절률보다 작은 것이 바람직하다.

여기서, 유전체 물질은 진공박막 증착법에 의해 원형 공간(112)에 채워질 수 있다.

진공박막 증착법은 전자빔 증착법 (electron-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering), 화학적 증착법(chemical vapor deposition) 등을 포함한다.

진공박막 증착법은 널리 알려진 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

원형 공간(112)에 채워진 유전체 물질에 의해 코어층(110C)에서의 유효 굴절률의 감소 효과가 향상될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 격자 결합기의 구성을 나타내는 평면도이다.

도 7을 참조하면, 격자 결합기(200) 상에는 복수의 원형 공간(212)이 형성되고, 빛의 진행 방향에서 원형 공간(212)의 후방으로는 일정 주기로 격자(214)가 형성됨을 알 수 있다.

격자 결합기(200) 상에 형성되는 원형 공간(212)은 이전의 실시예와 동일한 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

격자(214)는 코어층(210C) 상부 일측에 일정 주기로 형성된다. 여기서, 격자(214)가 형성되는 부위는 빛의 진행 방향 상에서 원형 공간(212) 보다 후방일 수 있다.

격자(214)는 소정의 주기와 깊이로 형성될 수 있다. 이때, 격자(214)의 주기는 300 내지 600nm 이고, 격자홈의 깊이는 50 내지 300nm 일 수 있다.

도 8은 도 7에 도시된 격자 결합기의 굴절율을 나타내는 그래프이다.

도 8을 참조하면, 격자 결합기(200)로 유입된 광이 진행하면서 광이 입사되는 원형 공간(212)의 직경이 점차 증가하고, 코어층(210C)에서의 유효 굴절률은 점차 감소함을 알 수 있다. 그리고, 격자(214) 부위에서의 유효 굴절률은 일정함을 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 격자 결합기의 외부 결합 효율을 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 파장 1.30 내지 1.33 um 영역에서는 본 발명에 따른 격자 결합기의 반사율은 일정한 듀티율(duty cycle) 50%를 갖는 종래의 격자 결합기보다 낮은 것을 알 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 격자 결합기의 외부 결합 효율을 나타내는 그래프이다.

도 10을 참조하면, 파장 1.30 내지 1.33 um 영역에서는 본 발명에 따른 격자 결합기의 외부 결합 효율은, 일정한 듀티율 50%를 갖는 종래의 격자 결합기보다 높은 것을 알 수 있다.

본 발명은, 외부의 광이 입사되는 부위에 홀 또는 홈으로 이루어지는 원형 공간을 형성하되, 입사된 빛이 진행하는 방향으로 원형 공간의 직경이 점차 증가하도록 하여 광결합 효율은 향상시키고, 광 반사율은 저감시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 형성된 원형 공간 내부에는 유전체 물질을 채워넣어 광결합 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 광 반사율은 보다 저감시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100, 200: 격자 결합기
112: 원형 공간
214: 격자

Claims (11)

1. 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 상부면에 증착되는 클래딩층과, 상기 클래딩층 상부에 형성되며, 광원에서 출력되는 광신호가 입력되어 진행하는 코어층을 포함하는 격자 결합기로서,
   직경 30nm 이상이고, 입력된 상기 광신호가 진행하는 방향으로 직경이 점차 증가하도록 상기 코어층에 형성되며, 매트릭스 형태로 배치되고 내측으로는 유전체 물질이 채워지는 복수의 원형 공간부를 포함하고,
   n+1 행상의 상기 원형 공간부의 직경은 n행상의 원형 공간부의 직경보다 4 내지 20nm 큰 격자 결합기.
   (여기서, n은 0 이상의 정수)
2. 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 상부면에 증착되는 클래딩층과, 상기 클래딩층 상부에 형성되며, 광원에서 방출된 출력 광신호와 입력 광신호가 진행하는 코어층을 포함하는 격자 결합기로서,
   직경 30nm 이상이고, 입력된 상기 광신호가 진행하는 방향으로 직경이 점차 증가하도록 상기 코어층에 형성되며, 매트릭스 형태로 배치되고 내측으로는 유전체 물질이 채워지는 복수의 원형 공간부; 및
   상기 코어층 상면에 상기 원형 공간부에 이웃하여 일정 간격으로 형성되고, 상기 광신호의 진행 방향에서 상기 원형 공간부보다 후방에 배치되는 복수의 격자를 포함하고, n+1 행상의 상기 원형 공간부의 직경은 n행상의 원형 공간부의 직경보다 4 내지 20nm 큰 격자 결합기.
   (여기서, n은 0 이상의 정수)
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 원형 공간부는 홀 또는 홈 형태인 격자 결합기.
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,
   상기 격자의 주기는 300 내지 600nm 이고,
   상기 격자와 상기 격자 사이의 홈의 깊이는 50 내지 300nm인 격자 결합기.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 유전체 물질의 굴절률은 상기 코어층의 굴절률보다 작은 격자 결합기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 유전체 물질은,
   SiO₂, Si₃N₄, ZrO₂, Al₂O₃, HfO₂, TiO₂, MnO, Ta₂O₅ 중 어느 하나 또는 선택된 2개 이상을 포함하는 격자 결합기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 유전체 물질은,
    진공박막 증착법에 의해 상기 원형 공간부에 채워지는 격자 결합기.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코어층의 굴절률은 상기 클래딩층의 굴절률보다 큰 격자 결합기.

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