KR100927652B1 - 파장분할다중화 소자 - Google Patents

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Abstract

파장분할다중화 소자를 제공한다. 이 소자는 입력 도파관 및 적어도 하나의 출력 도파관 사이에 배치되는 복수개의 링 공진기들을 구비하되, 각각의 출력 도파관에는 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 복수개의 링 공진기들이 병렬로 결합된다. 이 소자는 채널 간격에서의 증가된 균일도 및 증가된 채널 밴드 폭을 가질 수 있으며, 플랫-탑한 모양의 스펙트럼을 구현할 수 있다.

Description

파장분할다중화 소자{Wavelength-Division-Multiplexing Device}
본 발명은 포토닉스 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 파장분할다중화 소자에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2006-S-004-02, 과제명: 실리콘 기반 초고속 광인터커넥션 IC].
광배선(optical interconnection) 기술은 CPU와 같은 반도체 소자의 고속 버스 스피드를 구현하기 위한 방법으로 사용될 수 있다. 이때, 상기 광배선 기술을 통한 신호의 교환을 위해서는, 소정의 파장의 빛을 선택적으로 분리할 수 있는 파장분할다중화 소자(wavelength-division-multiplexing device, WDM device)가 필요하다.
링 공진기(Ring Resonator)는 광학적 공진 현상을 이용하여 소정 파장의 빛을 선택적으로 추출할 수 있기 때문에, 상기 파장분할다중화 소자의 목적을 구현하기 위한 수단으로 사용될 수 있다. 예를 들면, W. Bogaerts 등의 논문("Compact Wavelength-Selective Functions in Silicon-on-Insulator Photonic Wires," IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol.12, no. 6, 2006.)은 소정 파장의 빛을 선택적으로 추출하는 방법을 개시하고 있다.
링 공진기에서의 공진 주파수는 링의 반경에 의해 결정될 수 있다. 도 1에 도시된 것처럼, W. Bogaerts은 이러한 사실에 기초하여 다양한 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4)의 빛들을 선택적으로 추출하기 위해 링들(11, 12, 13, 14)의 반경들을 미세하게 조절하는 방법을 개시하고 있다. (즉, r1<r2<r3<r4) 하지만, W. Bogaerts의 방법에 따르면, 링들의 반경들 사이의 차이(예를 들면, r2-r1)가 20nm일 때, 해당 링들로부터 추출되는 빛들의 파장 간격(예를 들면, λ2-λ1)은 대략 4nm였다고 한다. 파장분할다중화 광통신에서는 일반적으로 0.8nm 이하의 파장 간격을 구현하는 것이 요구된다는 점에서, 4nm의 파장 간격을 제공하는 기술은 파장분할다중화 광통신을 위해 사용되기는 어렵다.
이에 더하여, 링들은 리소그래피 기술을 사용하여 제작되지만, 리소그래피 공정에서 제어가능한 오차 범위가 현재 또는 당분간은 요구되는 수준을 크게 벗어날 것으로 예상되고 있다. 즉, 링들(11~14)의 반경을 20nm의 간격으로 만드는 것은 현재 구현가능한 기술적 한계에 해당되기 때문에, 이들 간격의 편차를 줄이는 것은 현실적으로 어렵다. 따라서, 링들의 반경을 미세하게 조절하는 방법은, 적어도 당분간은, 요구된 파장 간격을 구현하기 위한 적절하면서 현실적인 방법이 아니다.
특히, 플랫-탑 박스형 파장분할다중화 필터(flat-top box-like WDM filters) 가 다중화 및 역다중화 응용 분야(multiplexing and de-multiplexing application)에서 선호되지만, 단일-링 공진기의 드로핑 스펙트럼(dropping spectrum of a single-ring resonator)은 이를 구현하기에는 과도하게 좁은 밴드폭을 갖는다.
결합된 공진기 광도파로들(coupled-resonator optical-waveguides; CROWs)이 플랫-탑 WDM 필터를 구현하기 위해 사용될 수 있지만, CROW의 스펙트럼 형태는 공진 파장의 편차에 매우 민감하기 때문에, 스펙트럼 피크에서의 분리 및 효율 감소가 있을 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 채널 간격에서의 증가된 균일도 및 증가된 채널 밴드 폭을 갖는 파장분할다중화 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 플랫-탑 스펙트럼을 구현할 수 있는 파장분할다중화 소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 병렬형 링 공진 구조체를 구비하는 파장분할다중화 소자를 제공한다. 이 소자는 입력 도파관 및 적어도 하나의 출력 도파관 사이에 배치되는 복수개의 링 공진기들을 구비하되, 각각의 출력 도파관에는 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 복수개의 링 공진기들이 병렬로 결합된다.
본 발명에 따르면, 상기 입력 도파관에는 복수개의 병렬형 링 공진 구조체 들이 병렬로 결합된다. 이때, 하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들은 동일한 모양 및 크기로 설계된 후 제작되고, 서로 다른 병렬형 링 공진 구조체들에 포함되는 링 공진기들은 모양 및 크기 중의 적어도 하나에서 서로 다르게 설계된 후 제작된다. 또한, 하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 크기에서의 최대 편차는 서로 다른 병렬형 링 공진 구조체에 포함되는 링 공진기들의 크기에서의 최소 편차보다 작은 것이 바람직하다.
한편, 상기 출력 도파관을 통해 출력되는 스펙트럼은 상기 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들 각각을 통해 출력되는 빛들이 중첩된 결과일 수 있다. 이 경우, 하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들은 상기 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들 각각을 통해 출력되는 빛들이 보강적으로 간섭(constructively interfere)하도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 중심들 사이의 간격은 각각의 링의 공진 파장의 1/4배의 홀수배일 수 있다. 또한, 하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 수는 2 내지 15 중의 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 병렬로 결합된 복수개의 링 공진기들이 입력 도파관과 출력 도파관 사이에 배치되어, 병렬형 링 공진 구조체를 구성한다. 이러한 병렬 결합된 링 공진기들의 공진 피크들은 무작위적으로(randomly) 서로 더해지면서 채널 간격의 편차를 상쇄시키기 때문에, 본 발명에 따른 파장분할다중화 소자는 채널 간격에서의 증가된 균일도 및 증가된 채널 밴드 폭을 가질 수 있다.
이에 더하여, 본 발명에 따르면, 상기 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들은 그들의 중심들 사이의 간격이 링 공진기의 공진 파장의 1/4배의 홀수배인 조건을 충족시키도록 배열된다. 이에 따라, 각 링 공진기로부터 출력되는 빛들은 보강적으로 간섭하여 출력 도파관으로부터 방출되는 빛의 스펙트럼은 플랫-탑한 모양을 갖게 된다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
용어와 관련하여, 알려진 것처럼, 매질 속에서의 빛의 속도(v), 진공에서의 빛의 속도(c) 및 매질의 굴절률(n) 사이의 관계는 n=c/v로 주어질 수 있고, 매질에서의 빛의 속도(v)는 그 주파수 및 파장의 곱으로 쓰여질 수 있다. 이러한 관계로부터, 소정의 주파수를 특정하기 위해, 상응하는 소정의 파장을 특정하는 표현이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 링 공진기들을 구비하는 파장분할다중화 광학 소자를 도시하는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 파장분할다중화 소자는 입력 도파관(input waveguide)(120), 출력 도파관들(131, 132, 133) 및 상기 입력 및 출력 도파관들(120, 131, 132, 133) 사이에 배치되는 복수개의 링 공진기들(110)을 구비한다.
다양한 파장들(λ1, λ2, λ3,..., λN, ...)의 빛이 상기 입력 도파관(120)으로 입사된 후, 상기 링 공진기들(110)을 거쳐 상기 출력 도파관들(131, 132, 133)로 출력된다. 이때, 소정의 공진 파장에 상응하는 파장의 빛 만이, 알려진 광학적 커플링 현상(optical coupling)을 통해, 상기 입력 도파관(120)으로부터 선택적으로 상기 링 공진기(110)로 입사된다. 결과적으로, 상기 출력 도파관(131, 132, 133)으로부터 출력되는 빛의 파장은 상기 링 공진기(110)의 공진 파장에 의해 결정 된다.
한편, 상기 링 공진기(110)의 공진 파장은 상기 링 공진기(110)의 반경에 의해 주로 결정되기 때문에, 앞서 '배경기술'에서 설명한 것처럼, 상기 출력 도파관(131, 132, 133)으로부터 출력되는 빛의 파장은 상기 링 공진기들(110)의 반경의 변화에 극히 민감하다. 본 발명에 따른 파장분할다중화 소자는 이러한 공진 파장의 과도하게 민감한 반경-의존성을 줄일 수 있도록, 상기 출력 도파관들 각각(131, 132, 133)과 상기 입력 도파관(120) 사이에 각각 배치되는 병렬형 링 공진 구조체들(parallel-coupled ring resonating structure)(PR1, PR2, PRn)을 구비한다. 상기 병렬형 링 공진 구조체들(PR1, PR2, PRn)은 상기 입력 및 출력 도파관들(120, 131, 132, 133) 사이에서, 이들에 병렬로 결합된 복수개의 상기 링 공진기들(110)로 구성된다.
이처럼 상기 병렬형 링 공진 구조체들(PR1, PR2, PRn) 각각은 복수개의 링 공진기들(110)로 구성되기 때문에, 상기 출력 도파관들(131, 132, 133) 각각으로부터 출력되는 빛은 해당 병렬형 링 공진 구조체(PR1, PR2, PRn)를 구성하는 링 공진기들(110)로 입사된 빛들이 중첩된 결과이며, 따라서 상술한 공진 파장의 반경-의존성은 둔화될 수 있다. 상기 병렬형 링 공진 구조체(PR1, PR2, PRn)와 관련된 기술적 특징은 이후 도 3을 참조하여 다시 설명될 것이다.
한편, 상기 입력 도파관(120) 및 상기 출력 도파관들(131, 132, 133)은 그것들과 다른 굴절률을 갖는 물질(즉, 클래드 층)에 의해 둘러싸임으로써 에너지 손실을 최소화하면서 빛을 전송할 수 있는 광학적 경로를 제공한다. 예를 들면, 상기 입력 도파관(120) 및 상기 출력 도파관들(131, 132, 133)은 실리콘 산화막에 의해 둘러싸인 실리콘일 수 있다. 이에 더하여, 상기 링 공진기들(110) 중의 적어도 하나의 적어도 일부분이 변조 클래드 패턴(modulating clad pattern)(도시하지 않음)에 의해 덮일 수 있다. 상기 변조 클래드 패턴은 해당 링 공진기의 공진 주파수를 미세하게 변화시키도록, 상기 클래드층과 다른 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 링 공진 구조체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이 실시예에 따르면, 병렬형 링 공진 구조체(PR)는 실질적으로 동일한 모양 및 크기로 설계된 복수개의 링 공진기들(110)을 구비한다. 예를 들면, 하나의 병렬형 링 공진 구조체(PR)의 m개의 링 공진기들(110)은 동일한 반경으로 설계될 수 있다. (Rc(1)=Rc(2)=Rc(3)=Rc(m)) 하지만, 배경 기술에서 설명한 것처럼, 이를 제조하는 과정에 수반되는 공정적 변동(process variation)에 의해, 실제로 제작되는 링 공진기들(110)의 크기들 및 모양들은 적용된 공정의 공정 오차에 상응하는 차이를 가질 수 있다. (즉, Rc(i)≠Rc(j), i는 1 내지 m 사이의 정수, j는 i가 아니면서 1 내지 m 사이의 정수) 상술한 것처럼, 이러한 차이는 종래 기술에 따른 파장분할다중화 소자의 특성을 열화시키는 이유였다.
하지만, 본 발명에 따르면, 출력 도파관(130)으로부터 출력되는 빛은 공진 파장에서의 미세한 차이를 갖는 링 공진기들(110)로부터 상기 출력 도파관(130)으로 입사되는 빛들이 중첩된 결과이며, 이러한 중첩의 결과로서, 본 발명에 따른 병 렬형 링 공진 구조체는 채널 간격에서의 증가된 균일도 및 증가된 채널 밴드 폭과 같은 요구된 기술적 특징들을 충족시킬 수 있다.
이에 더하여, 이처럼 중첩된 빛들이 상기 출력 도파관(130)으로부터 출력되기 때문에, 상기 링 공진기들(110)로부터 출력되는 여러 빛들은 그들의 위상에 따라 보강적으로 또는 소멸적으로 간섭할 수 있다. 본 발명에 따르면, 하나의 병렬형 링 공진구조체를 구성하는 링 공진기들(110)은 이러한 간섭이 보강적으로 나타나도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 것처럼, 하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들은 그들의 중심들 사이의 간격(Lc)이 공진 파장의 1/4의 홀수배인 조건을 충족하도록 배치될 수 있다. 이러한 조건에 따른 기술적 효과는 이후 도 6 및 도 7를 참조하여 다시 설명될 것이다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 상기 출력 도파관들(131, 132, 133)은 파장분할다중화 광학 소자의 채널들을 정의한다. 즉, 상기 입력 도파관(120)에 병렬로 결합된 상기 출력 도파관들(131, 132, 133)은 서로 다른 파장의 빛들을 출력할 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 상기 병렬형 링 공진 구조체들(PR1, PR2, PRn)은 서로 다른 모양 또는 크기를 갖도록 설계되는 것이 요구된다. 즉, 하나의 병렬형 링 공진 구조체들(PR1, PR2, PRn) 중의 하나의 링 공진기들(110)은, 모양 및 크기 중의 적어도 하나에서, 다른 병렬형 링 공진 구조체의 링 공진기들(110)과 서로 다르게 설계될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 상기 병렬형 링 공진 구조체들(PR1, PR2, PRn) 각각은, 실질적으로 동일한 모양 및 크기를 갖지만 상술한 공정 오차에 따른 미세한 차이를 가지면서 제작되는, 복수개의 링 공진기들(110)을 구비한다. 이때, 상기 병렬형 링 공진 구조체들(PR1, PR2, PRn)은 각각의 출력 도파관들(131, 132, 133)로부터 출력되는 빛들을 구분가능한 신호로 사용할 수 있도록(즉, 채널 크로스-톡(channel cross-talk)을 감소시킬 수 있도록) 구성된다. 예를 들면, 하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들(110)의 크기에서의 최대 편차는 이와 다른 병렬형 링 공진 구조체에 포함되는 링 공진기들의 크기에서의 최소 편차보다 작을 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 병렬형 링 공진 구조체의 기술적 효과를 설명하기 위한 그래프들이다. 구체적으로, 도 4 및 도 5는 입력 및 출력 도파관들 사이에 각각 하나의 링 공진기 및 아홉 개의 링 공진기들이 배치된 두개의 9채널 파장분할다중화 광학 소자들로부터 측정된 스펙트럼들을 도시한다. 결과적으로, 도 4 및 도 5는 각각 종래의 기술 및 본 발명에 따른 파장분할다중화 광학 소자들로 이해될 수 있다.
도 4 및 도 5를 비교하면, 하나의 링 공진기를 갖는 경우 도 4에 도시된 것처럼 각 채널별 3dB 밴드폭 및 20dB 밴드폭은 각각 대략 0.15nm 및 1.0nm였고, 아홉 개의 링 공진기를 갖는 경우, 도 5에 도시된 것처럼 각 채널별 3dB 밴드폭 및 20dB 밴드폭은 각각 대략 1.1nm 및 2.8nm였다.
즉, 상술한 공정 오차 등에 의한 링 공진기들의 무작위적 공진 피크들이 서로 더해지면서 더불어 채널 간격의 편차를 상쇄시키기 때문에, 하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 수가 증가할수록, 채널 밴드 폭은 증가하고 스펙트럼 모양은 플랫-탑에 가까워짐을 알 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 배치에 따른 영향을 보여주는 시뮬레이션 그래프들이다. 구체적으로, 도 6은 공진기들이 공진 파장의 절반에 상응하는 간격으로 배열된 것으로 가정된 반파장결합 조건(half-wavelength coupled (HWC) condition) 아래에서 얻어진 시뮬레이션 결과를 도시하고, 도 7은 공진기들이 공진 파장의 1/4배에 상응하는 간격으로 배열된 것으로 가정된 1/4파장결합 조건(Quarter-wavelength coupled (QWC) condition) 아래에서 얻어진 시뮬레이션 결과를 도시한다. 이때, 도 6 및 도 7은 모두 파장분할다중화 광학 소자들이 9채널을 갖는 조건 아래에서 얻어졌다.
도 6 및 도 7을 참조하면, HWC 조건에 있는 파장분할다중화 소자는 크게 변동하는 드롭핑 스펙트럼(highly fluctuating dropping spectra)을 갖는다. 이와 달리, 이러한 변동은 QWC 조건에 있는 파장분할다중화 소자에서는 크게 감소되었다. 즉, QWC 파장분할다중화 소자는 도 7에 도시된 것처럼 플랫-탑 스펙트럼을 나타내었다.
이러한 결과로부터, 상술한 것처럼, 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들이 공진 파장의 1/4의 홀수배인 조건을 충족하는 간격(Lc)으로 배치될 경우, 플랫-탑 스펙트럼을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 링 공진기들을 구비하는 파장분할다중화 광학 소자를 도시하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 링 공진기들을 구비하는 파장분할다중화 광학 소자를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 링 공진 구조체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 병렬형 링 공진 구조체의 기술적 효과를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 배치에 따른 영향을 보여주는 시뮬레이션 그래프들이다.

Claims (8)

  1. 입력 도파관 및 적어도 하나의 출력 도파관 사이에 배치되는 복수개의 링 공진기들을 구비하되, 각각의 출력 도파관에는 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 복수개의 링 공진기들이 병렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 도파관에는 복수개의 병렬형 링 공진 구조체들이 병렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들은 동일한 모양 및 크기로 설계된 후 제작되고,
    서로 다른 병렬형 링 공진 구조체들에 포함되는 링 공진기들은 모양 및 크기 중의 적어도 하나에서 서로 다르게 설계된 후 제작되는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 크기에서의 최대 편차는 서로 다른 병렬형 링 공진 구조체에 포함되는 링 공진기들의 크기에서의 최소 편차보다 작은 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 도파관을 통해 출력되는 스펙트럼은 상기 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들 각각을 통해 출력되는 빛들이 중첩된 결과인 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들은 상기 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들 각각을 통해 출력되는 빛들이 보강적으로 간섭(constructively interfere)하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 중심들 사이의 간격은 각각의 링의 공진 파장의 1/4배의 홀수배인 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    하나의 병렬형 링 공진 구조체를 구성하는 링 공진기들의 수는 2 내지 15 중의 하나인 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 소자.
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