KR20010012625A - 광학장치와 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학장치에 관한 것으로, 이러한 광학장치는 도파관의 전달 특성을 결정하는 특성을 가진 포토닉 밴드 갭을 구비하는 영역에 의해 경계지어지는 도파관을 포함한다. 이러한 장치는 예를 들면, 파장 분할 멀티플렉서, 단색성 레이저 또는 화학 센서의 컴포넌트와 같은 역할을 한다. 이는 마이크로프로세서와 같은 전자 컴포넌트를 위한 광학 버스와 같은 역할을 할 수도 있다.
이러한 장치는 2㎛ 정도의 반경을 가지며 직각으로 구부러진 도파관의 제조를 가능케 하기 때문에 광학 및 광학-전자 집적회로내에 조합되기에 특히 적합하다.

Description

광학장치와 그 제조 방법 {OPTICAL DEVICES AND METHODS OF FABRICATION THEREOF}
몇몇 주기 유전체 구조에서, 전자기 방사선의 전파는 소정 격자 방향으로는 불가능하다. 이러한 구조는 포토닉 갭 구조로서 공지되어 있다. 백그라운드 유전체 재료내 깊은 공기 로드(rod)의 정방형 또는 삼각형 격자에 기초한 구조는 포토닉 밴드 갭(photonic band gap : PBG)을 나타낸다. 밴드 갭의 크기 및 위치는 파의 편광 상태, 파의 전파 방향, 포토닉 결정의 크기 및 유전 콘트라스트에 의존한다. 밴드 갭의 주파수 범위는 격자 이격 거리 정도이다. 반도체 재료는 이들의 큰 유전상수 때문에 PBG 제조에 이상적이다. 2차원 포토닉 격자가 3차원 밴드 갭을 나타낸 수 있는 것이 알려져 있다 즉, 밴드 갭이 평면파 성분이 많을 경우에도 개방될 수 있다.
광학 주파수에서 밴드 갭을 가진 포토닉 밴드 구조는 여러 흥미로운 응용을 가진다. 포토닉 밴드 갭의 중요 특성은 밴드 갭 에너지 범위내에서의 자발적인 방출을 증진시키고 나타낼 수 있는 능력을 가진다는 것이다. 이는 반도체 레이저 및 발광 다이오드(LED)와 같은 직접적인 밴드 갭 광전자 장치에 대해 중요한 의미를 가진다.
포토닉 밴드 갭 구조는 또한 형광(레이저 포함) 재료로 제조될 수도 있다. PBG는 센서와 같이 이러한 활성 재료를 사용 가능하게 할 수 있고 또는 하나의 전이가 다른 전이에 비해 더 잘 발생되도록 할 수 있다.
센서로서, PBG는 구조내의 공기 홀이 공기로 채워질 때 특정 파장에서 형광을 발생시킨다. 하지만 만이 공기 홀이 순수 이산화탄소 또는 일산화탄소와 같은 다른 기체로 채워지면, (일반적인 공기에 비해) 기체의 다른 굴절률이 쉽게 검출될 수 있는 형광 라인으로부터 PBG를 벗어나도록 튜닝시킬 것이다. PBG 구조는 액체 감지에 대해서도 동일한 방식으로 사용될 수 있다.
몇몇 레이저 유리는 여러 다른 파장(에를 들면, 네오디뮴 도핑된 GLS 유리)에서 방출한다. 종종, 오로지 하나의 라인만을 증폭하도록 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 라인은 라인 그룹의 가장 약한 전이이다. 유리내 PBG 구조는 원하지 않는 라인의 형광을 방지하고 원하는 파장의 전이를 증진시키는데 사용된다.
특히 중요한 응용은 하부에 위치하는 방사 레벨로부터의 직접 전이를 방지함으로써 원하는 유리내의 높은 에너지 레이저 전이를 만드는 것이다. 전형적인 레이저 장치에서, 하부에 위치하는 전이는 더 강하고 발생하기 쉽다. 하지만, 사용될 수 있었던 높은 에너지 레벨(예를 들면, 스펙트럼의 청색 영역내의)이 있지만, 이들은 하부 에너지 전이가 모든 에너지를 가지고 있기 때문에 바람직하지 않다. 이러한 레이저 장치내 적합하게 가공된 PBG는 하부 에너지 전이를 방지할 수 있었고, 이에 따라 높은 에너지 레벨에서 레이저를 발생할 수 있었다.
PCT 특허 출원번호 WO 94/16345(매사추세츠 공과대학)에는 포토닉 밴드 갭을 가진 구조물내에 제조된 광 인도부를 가진 저손실 광학 및 광학-전자 집적 회로에 관해 개시되어 있다. 이 특허는 밴드 갭의 중심 주파수를 제외하고 이러한 도파관의 전이 특성을 결정하기 위한 방법에 관해서는 개시하고 있지 않다. 더욱이, 여기서 설명된 방식으로 동작하지 않는 실시예에 관해 개시되어 있는데, 그 이유는 포토닉 밴드 갭과 유전체 도파관 사이의 역효과 때문이다. 다른 실시예에도 끝이 가는(tapered) 도파간내의 후면 반사의 영향으로 인한 장점을 제공하지는 않는다.
에칭된 실리콘 구조는 1993년 10월 발간된 브이. 레만의 Electrochem. Soc. Vol.140, No.10, page 2836에 개시되어 있다. 하지만, 광학장치로서 에칭된 실리콘 구조를 사용하는 것에 관해서는 개시되어 있지 않다. 개시된 에칭된 실리콘 구조물은 산성 배스내에 벌크 실리콘의 균질 슬랩을 위치시켜 에칭함으로써 형성된다. 에칭은 실리콘 슬랩의 두 개의 마주하며 실질적으로 평탄한 면에 전기장을 인가함으로써 수행된다. 그 결과 형성된 구조물은 실질적으로 동일하게 이격하는 홀 또는 구멍(pore) 어레이를 가진다. 이러한 홀 또는 구멍은 매크로(macro) 구멍이라 불리고 매크로 구멍의 끝에서 자가 조정 전하 분포의 현상과 관련된 전기화학 반응의 결과 발생된다.
크라우스 티.에프. 등의 in Nature 1996(1996년 10월 24일) Vol. 383의 699-702페이지에는 포토닉 밴드 갭(PBG) 장치에 관해 설명된다. 이러한 장치는 높은 굴절률 실리콘의 반도체 도파관내에 형성된 홀의 균일한 어레이 형태인 2차원 격자이다. 크라우스에 따르면, 소정 각으로 구조물상에 입사하는 조종가능한 소스로부터의 방사선이 실질적으로 방사선이 입사하는 반대쪽에 위치하는 도파관으로부터 나오는 것을 검출한다.
본 발명에 따르면, 제 1 광학-투과 재료로 구성된 제 1 영역 및 제 1 영역과 경계를 이루며 내부에 하부-영역 어레이를 가진 제 2 영역으로 형성되어 미리 설정된 주파수의 방사선에 대해 적어도 부분적으로 비-투과적인 포토닉 밴드 갭을 형성하는 도파관을 포함하는 광학장치가 제공되고, 여기서 상기 도파관의 주파수 투과 특성은 상기 제 2 영역의 투과 특성에 의해 적어도 부분적으로 결정된다.
포토닉 밴드 갭으로 적어도 부분적으로 경계를 가지며 도파관에 의해 연결되는 제 1의 다수의 출력 포트 및 제 2의 다수의 출력 포트를 포함하는 광학 전달 장치가 제공되고, 여기서 상기 제 1의 다수의 출력 포트중 적어도 하나는 제 1 주파수 범위를 가진 광학 신호를 통과시키고, 제 2의 다수의 출력 포트중 적어도 하나는 제 2 주파수 범위를 가진 광학 신호를 통과시키며, 상기 제 1 및 제 2 주파수 범위는 상기 포토닉 밴드 갭에 의해 결정된다.
포토닉 밴드 갭에 의해 경계지어지는 광학-투과 재료로 구성된 영역을 포함하며 상기 재료내의 유사-안정 에너지 레벨을 유도하도록 하는 도펀트를 함유하는 활성 광학장치 또한 제공된다.
본 발명은 전기 전하 캐리어의 이동에 의해 신호를 전달하도록 하는 제 1 영역 및 전자기 방사선에 의해 해당 신호를 전달하도록 하는 제 2 영역을 구비하는 하이브리드형 광학-전자 신호 번역 장치 및 상기 제 1 및 제 2 영역 사이에 배치되어 상기 해당 신호로부터 또는 해당 신호로 상기 신호를 전환하는 전기-광학 변환기 수단을 제공하고, 여기서 상기 제 2 영역은 포토닉 밴드 갭에 의해 적어도 일부가 경계지어지는 제 3 영역을 구비한다.
본 발명은 또한 상기 도파관으로 또는 도파관으로부터 방사선의 전달을 위한 입력 또는 출력 포트를 가지며 포토닉 밴드 갭에 의해 한정되는 도파관으로의 연결기를 제공하고, 여기서 상기 입력 및 출력 포트는 상기 도파관으로 또는 도파관으로부터 방사선의 전달을 증진시키기 위한 그레디드(graded) 굴절률을 가진 영역을 구비한다.
또한, 미리 설정된 주파수에 대해 적어도 비-투과적인 포토닉 밴드 갭을 가진 하부-영역 어레이를 제 2 영역내에 형성함으로써 제 1 광학-투과 재료로 구성된 제 1 영역내에 도파관을 형성하는 단계를 포함하는 광학장치 제조 방법이 제공되고, 여기서 상기 도파관의 방사선 투과 특성은 상기 제 2 영역의 투과 특성에 의해 적어도 부분적으로 결정된다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 도파관을 지지하는 기판, 입력 채널 및 상기 도파관과 광학적으로 연결되는 두 개의 출력 채널을 포함하는 광학장치가 제공되고, 도파관은 제 1 굴절률을 가진 재료로 구성되고 내부에 형성된 영역 어레이를 가지며, 이러한 영역은 도파관의 굴절률과는 다른 굴절률을 가져 장치에 입사하는 방사선의 빔이 적어도 두 개의 출력 빔으로 분할되도록 한다.
바람직하게는, 출력 빔의 강도는 실질적으로 동일하다.
본 발명의 특히 바람직한 특징에 따르면, 광학장치는 WDDM과 같이 사용된다. WDDM은 도파관 멀티플렉서로서 사용될 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 광학장치는 파장으로 인코딩된 다수의 입력 채널로부터 정보 채널 그룹을 분리시키도록 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 에칭된 반도체 기판을 포함하는 장치가 제공되고, 다수의 홀 또는 구멍이 기판내에 형성되고, 이러한 홀과 구멍은 비균일 특성 및/또는 비균일 홀간 이격을 가진다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 제 1 굴절률을 가진 도파관을 기판상에 형성하는 단계 및 도파관내에 영역 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 광학장치 제조방법이 제공되고, 상기 영역은 도파관과는 다른 굴절률을 가진다.
바람직하게는 광학장치는 실리콘 기판과 적어도 하나의 상부에 위치하는 층을 포함하는 에칭된 반도체로부터 형성된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 조합 또는 분할하는 단계를 포함하는 다수의 신호를 멀티플렉싱 또는 디멀티플렉싱하는 방법이 제공되며, 상기 신호는 상술된 바와 같은 광학장치를 사용한다.
본 발명의 추가의 특징에 따르면, 제 1 유전상수를 가지며 제 2 유전상수를 가진 도파관내에 위치하는 영역의 어레이를 전자기 신호에 노출시키는 단계 및 상기 신호의 특성을 변화시키기 위해 상기 유전상수중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 특징에 따라 바람직하게 제조된 광학장치의 일례는 파장 분할 디멀티플렉서(wave division demultiplexer : WDDM)이다. WDDM은 데이터를 전달하는 방사선의 단일 입사빔을 다른 파장을 가진 두 개 이상의 빔으로 분할한다. 분할된 빔 각각은 다른 빔에 의해 전달되는 것과는 다른 데이터를 전달한다. 파장은 파장에서 투과된 데이터가 다른 파장에서 투과된 데이터와 간섭하지 않도록 선택된다. 그 결과 광섬유와 같은 하나의 데이터 채널이 캐리어 신호의 파장에 의해 인코딩된 여러 다른 데이터 신호를 전달할 수 있다는 것이다. 따라서, 광섬유의 데이터 전달 능력이 증가된다.
종래의 WDDM은 채널의 초소 밴드폭이 커질 수 있다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 이러한 장치는 불연속 컴포넌트이며, 정렬하기 어렵고 그리고 견고하지 않다. 이들은 또한 편광에 민감하다.
파장 멀티플렉서는 다수의 출력 채널에 파장 분할 멀티플렉서(WDDM) 인코딩된 입력 신호를 전달하는 장치이고, 미리 설정된 출력 채널 그룹에 선택된 파장 신호 그룹을 동시에 루트를 정한다. 그러므로 본 발명의 광학장치를 포함하는 파장 멀티플렉서는 파장 선택도의 추가된 특징을 가진다.
분할기는 방사선 전달 데이터의 단일 입사빔을 감소된 파워의 둘 이상의 빔으로 분할한다. 분할된 빔 각각은 동일한 정보를 전달한다. 그 결과 단일 데이터 채널은 동시에 여러 다른 목적지로 분배될 수 있다. 입력 채널은 다수의 데이터 채널로 구성되고, 각각은 전달 신호의 파장에 따라 인코딩되거나 또는 시간 분할 멀티플렉싱(time division multiplexing : TDM)에 의해 인코딩된다. 이러한 장치에서, 입력 데이터 채널로부터 광학장치로의 모든 데이터 신호 입력은 모든 출력 채널에 대해 동시에 루트가 정해진다.
파장 분할 멀티플렉서(WDM)는 주어진 파장 인코딩된 입력 데이터 채널을 미리 한정된 출력 채널 하부-그룹으로 루트를 정하는 것을 선택적으로 및 동시에 할 수 있다. 출력 채널의 하부-그룹은 각각의 파장 인코딩된 입력 데이터 채널에 대해 다르다. 추가로, 출력 채널의 하부-그룹은 원래의 입력 데이터 채널의 전자기 편광에 따라 추가로 증가 또는 감소된다.
입력 채널은 또한 전자기 편광 상태에 의해 인코딩된다. 이는 입력 채널의 능력을 두 배로 증가시킨다. 하지만, 종래의 회절격자 빔 분할기 또는 멀티플렉서는 단일 채널로부터 분할된 빔이 매우 변하는 강도 또는 파워를 가진다는 단점을 가진다. 현존하는 분할기 및 멀티플렉서의 다른 문제점은 출력 채널의 최대 수가 매우 작다는 점이다. 본 발명은 이러한 문제점을 극복하여, 데이터 전달 채널에 사용하기에 적합한 광학장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징에 따른 광학장치의 예는 광학 신호 교차-연결이다. 교차 연결은 다수의 데이터 채널간의 양방향 동시 통신을 가능케 하여 임의의 단일 채널로부터 장치에 입력되는 데이터 신호가 모든 다른 채널에 동시에 분배되도록 한다. 입력 채널은 캐리어 파장, 전자기 편광 상태 또는 시간 분할 멀티플렉싱(TDM)에 의해 인코딩된 데이터 신호를 전달한다. 다음으로, 단일 장치가 여러 세트의 트랜스시버 사이의 양방향 동시 통신을 가능케 하고 이들 모두간의 높은 채널 분리를 유지한다. 본 교차 연결은 "모드 의존성"이 있고 출력 신호간에 파워에 있어서의 상당한 변화를 야기한다. 추가적으로, 파장 민감도는 이러한 교환에 결합하여 목적지 그룹으로 파장 신호 그룹이 루트를 정하도록 한다.
바람직하게는, 도파관내에 형성된 영역 어레이는 도파관의 표면에 수직인 홀의 축을 가진 정육각형 패턴의 형태이다. 이러한 장치에서, 단일 입력빔은 다수의 출력빔으로 분할된다.
바람직하게 입력빔은 6개의 출력빔으로 분할된다.
광학장치는 조합기의 일부로서 사용되고, 이 경우 장치에 입사하는 다수의 입력빔은 단일 출력빔으로 조합된다.
바람직하게는 도파관의 깊이는 실질적으로 일정하다. 어레이는 도파관을 통해 3차원 패턴으로 위치한다.
본 발명의 다른 특징에 따라 제조된 광학장치는 일체형 광학 편광 제어기이다. 임의의 파장을 가진 불규칙하게 편광된 입력빔은 TE 및 TM 편광 상태로 분리된다. 본 발명은 이러한 장치를 사용하고, 그 결과 채널의 하부-그룹은 상술된 바와 같이 멀티플렉싱될 뿐만 아니라 멀티플렉싱된 편광이다.
만일 라인 결함과 같은 결함이 장치내에 유입된다면, 날카로운 밴드는 일체형인 평탄한 도파관내의 광학 경로로 형성될 것이다. 여기서, 이는 다른 방법에 의해서는 구현하기에는 불가능하다.
추가의 광학장치는 포토닉 밴드 갭 필터의 일부로서 사용될 수 있다. 이러한 장치에서, 다른 주기 격자내에 '결함'을 포함하는 것은 장치의 성능을 개선시키고, 스톱 밴드의 파장 범위내에서 좁은 통과대역을 형성한다.
어레이는 예를 들면, 정사각형과 같은 다른 형태이거나 또는 "유사 주기적"이다. 이는 다른 수의 출력빔(예를 들면, 정사각형 격자에 대해 4 또는 2)을 제공한다. 이러한 예에서, 유사-주기에 의해 두 개의 직사각형 격자의 중첩으로 구성되는 구조를 의미하고, 이는 다시 비균일 격자를 야기한다. 이는 또한 격자 형태로 미리 설정된 방식으로 주어진 크기를 따라 변하는 이격 및/또는 밀집된 배치일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 에칭된 반도체 기판을 포함하는 장치가 제공되고, 다수의 홀 또는 구멍이 기판내에 형성되며, 이러한 홀 또는 구멍은 비균일 특성 및/또는 비균일 홀간 이격을 가진다.
에칭 기술은 도파관 빔 분할기 제조와 90°구부러짐에 의해 가능하다. 구부러진 반경(0의 손실을 가진)은 다른 기술을 사용할 경우 ∼10mm인 현 상태와는 반대로 ∼50㎛이다. 633nm 반경에 대한 가능한 제한은 ∼2㎛이다. 이는 계산 및 통신 응용에 대한 칩-스케일 통합내 광학적 상호연결을 가능케 한다.
홀 또는 구멍은 반도체 기판을 통해 어레이내에 위치하여 홀간 이격이 미리 설정된 방식으로 변하도록 한다.
본 발명의 일 특징에 따라, 홀간 이격 또는 홀의 반경 변화가 광학장치에 입사하는 방사선의 물리적 특성이 변화될 수 있도록 한다. 따라서, 예를 들면 제 1 및 제 2 인접 로우(row)사이에서 어레이의 에지부를 다라 홀간 이격 또는 구멍 이격이 10㎛이고, 어레이내 홀의 제 2 및 제 3 로우 사이에서 홀간 이격은 100㎛이다.
인접 로우간의 이격은 한 쌍의 인접 로우로부터 다음까지의 일정량만큼 증가된다. 홀 또는 구멍은 그룹지어 로우 또는 칼럼(column)이 되거나 또는 원형, 삼각형, 정사각형, 나선형 또는 다른 형태의 패턴일 수 있다.
어레이의 홀간(또는 칼럼간) 이격의 변화는 선형적으로 또는 비선형적으로 증가한다. 예를 들면 홀간 이격 또는 구멍 이격은 'd'로서 정의되고 인접 로우의 이격 사이의 관계 I는 In+1=In+kd이고, 여기서 k는 임의의 양수이다. 이러한 간단한 선형 관계는 이하에서 상세히 설명된다. 이격이 비선형적으로 증가될 것임을 알 수 있다.
WDDM에 대해, 대부분의 적절한 결함은 홀의 마찰의 상대 뱐경이 증가 또는 감소되는 곳이다.
결함 세트는 일정한 방식으로 배치되거나 또는 일정 격자를 통해 불규칙하게 중첩될 수 있다. 결함을 가진 홀의 질은 효과의 효율을 결정한다.
가변 굴절률을 가진 매체가 홀 또는 구멍내에 위치한다. 매체의 굴절률을 변화시키기 위한 수단이 제공된다. 추가적으로, 비선형성은 도펀트의 존재에 의한 것이고, 방사선을 흡수 또는 방출하는 유사-안정 에너지 레벨을 형성한다.
홀 또는 구멍내 매체의 굴절률은 제어기를 통해 변하는 전기장 또는 자기장에 매체를 노출시킴으로써 변한다. 이러한 변경된 장치는 선택적으로 변하는 광학 스위치를 제공한다. 선택적으로 가변 굴절률을 가진 매체는 에칭 또는 결정 성장을 통해 형성된 다중층 구조를 포함한다.
포토닉 밴드 갭 구조는 형광(레이저 포함) 재료내에 제조될 수 있다. PBG는 이러한 활성 재료를 센서로서 사용할 수 있도록 하고, 하나의 전이가 다른 전이보다 더 잘 발생될 수 있도록 한다.
센서로서, PBG는 구조물내의 공기-홀이 공기로 채워질 때 특정 파장에서 형광성을 가지도록 제조될 수 있다. 하지만, 공기 홀이 이산화탄소 또는 일산화탄소와 같은 다른 기체로 채워진다면, (공기에 비한) 기체의 다른 굴절률은 쉽게 검출될 수 있는 형광 라인으로부터 PBG를 벗어나도록 튜닝시킬 수 있다. PBG 구조물은 액체 감지에서도 동일한 방식으로 사용될 수 있었다.
몇몇 레이저 유리는 여러 다른 파장(예를 들면, 네오디뮴 도핑된 GLS 유리)에서 방출되고, 하나의 라인만을 증폭시키도록 선택할 수 있으며, 이러한 라인은 종종 라인 그룹중 가장 약한 전이이다. 유리내 PBG 구조물은 원하지 않는 라인의 형광을 방지하고 요구된 파장의 투과를 증진시킨다.
특히 중요한 응용은 하부에 위치하는 방사 레벨로부터 직접 전이를 방지함으로써 유리내 높은 에너지 레이저 전이를 가능케 하는 것이다. 전형적인 레이저 장치에서, 하부에 위치하는 전이는 더 강하고 발생하기 더 쉽다. 하지만, 사용되었던 높은 에너지 레벨(예를 들면, 스펙트럼의 청색 영역의)이지만, 하부 에너지 전이가 모든 에너지를 가지고 있기 때문에 사용할 수 없다. 이러한 레이저 장치내의 적절하게 가공된 PBG는 하부 에너지 전이가 발생하는 것을 방지하고, 따라서 높은 에너지 레벨에서 레이저가 발생되도록 한다.
에너지내 밴드 갭의 에지부에 인접하여 위치하는 광자는 (이들이 멈추는 밴드 갭내에서 이들은 정재파) PBG 구조물을 통해 속도가 상당히 감소된다. 투과된(정보 전달) 광자 에너지에 인접한 PBG 영역을 제조함으로써, 광자 스트림은 속도가 느려질 수 있고 - 파 속도가 감소된다. 이는 데이터의 신호 처리가 더욱 신뢰할 수 있는 시간 스케일로 발생되도록 한다(지연 라인이 신호 처리 전기 신호인 것과 정확히 같은 방식으로).
본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조로 예시하는 방식으로 설명된다.
본 발명은 포토닉(photonic) 밴드 갭에 의해 도파관내 방사선의 전파특성을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이고, 특히 포토닉 밴드 갭에 의해 방사선의 투과에 영향을 주는 광학장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 원하는 파장에서 방사선의 전파를 지지하는 물질을 에칭함으로써 형성된다. 비록 여기서는 가시광과 관련하여 설명되지만, 관련된 원리는 자외선, 적외선, 테라헤르쯔 및 마이크로파 방사선과 같은 여러 형태의 전자기 방사선의 전파를 제어하기 위한 기술에 적용될 수 있다.
도 1과 도2는 파 전파 분석에 사용되는 설명적인 도면.
도 3 내지 도 5는 재료의 에너지 밴드 구조를 도시하는 도면.
도 6은 간단한 3-층 평탄한 도파관로의 대표도.
도 7과 도 8은 실리콘 질화물 PBG 도파관내 인도된 모드 전파를 도시하는 도면.
도 9a 내지 도 9c는 여러 장치의 구조를 도시하는 도면.
도 10 내지 도 12는 인도된 모드 형상을 도시하는 도면.
도 13은 도파관내 모드 연결을 도시하는 도면.
도 14 내지 도 18은 여러 구조물의 스캐닝 전자 현미경 사진.
도 19a와 도 19b는 각각 적색 및 녹색광의 투과를 도시하는 사진.
도 20은 도파관내 여러 방사선 모드의 전파를 도시하는 도면.
도 21은 광자 밴드 갭의 설명적인 도면.
도 22는 인도 모드 전파를 도시하는 다른 설명적인 도면.
도 23a 내지 도 23n은 면판(face plate)을 제조하는 단계를 도시하는 도면.
도 24는 도 8에 도시된 방법에 의해 제조된 면판.
도 25는 PBG 장치의 개략도.
도 26과 도 27은 PBG 구조의 스캐닝 전자 현미경 사진.
도 28 내지 도 32 및 도 35 내지 도 36a와 도 36b는 PBG 구조물을 통한 광의 전파를 도시하는 사진.
도 33과 도 34는 설명적인 도면.
도 37과 도 38은 PBG 구조물의 개략도.
도 39 내지 도 41은 PBG 구조물을 사용하는 광학 컴포넌트.
도 39는 '그룹' 디멀티플렉싱 또는 밴드 갭 좁히기를 위한 3개의 캐스케이드형 밴드 갭 장치의 개략도.
도 40a는 도 1에 도시된 형태의 여러 광학장치와 결합시키는 완전한 파장 디멀티플렉서(WDM)의 전체적인 개략도. 이러한 장치에서, 디멀티플렉서는 하나는 광학장치를 지지하고 다른 하나는 광학-전자 검출기 어레이를 지지하는 두 개의 분리 기판으로 구성된다. 기판은 함께 뷰팅되어(butted) 둘 사이가 광학적으로 연결되도록 한다. 장치는 단일 일체형 광학 입력 도파관 채널을 가지고, 이는 다음으로 여러 광학장치에 신호가 루트를 정하도록 분할한다. 광학장치로부터 감소된 밴드폭 출력 신호는 일체형 광학 도파관을 통해 개별-광학-전자 검출기로 루트를 정한다.
도 40b는 하이브리드형 또는 단결정 장치의 개략 평면도. 도 40a의 설명에 추가하여, 하이브리형 장치에서, 광전자 검출기는 완전히 다른 재료로 제조되고, 기판내에 제조된 리세스내로 삽입되어 광학장치를 지지한다. 리세스는 일체형 광학 도파관으로부터 광학-전자 검출기로의 우수한 광학 연결을 제공하도록 설계된다. 단결정 장치에서, 광전자 검출기는 광학적으로 호환 가능한 재료로 동일 기판상에 제조된다. 이는 광학장치와 광학-전자 검출기 사이의 연결 간섭을 감소시켜, 장치의 효율을 더욱 증진시킨다.
도 40c는 개선된 단결정 또는 하이브리드형 장치의 일부의 개략도이고, 여기서 전자 증폭 또는 신호 처리 회로는 광학장치를 지지하는 기판상에 제조된다. 다시, 검출기는 단결정인 일체형일 수 있거나 또는 기판상의 리세스 내부로 삽입될 수 있다.
도 41a는 광학장치의 개략 평면도이고, 날카로운 구부러진 곳이 일체형 평탄한 도파관의 길이를 따라 결합될 수 있도록 한다. 이는 복잡한 VLSI 광학-전자 회로의 일부일 수 있다. 이러한 장치에서, 단일 기판상의 광전자 장치의 대규모 집적이 가능하다.
도 41b는 일체형 광학 도파관 분할기로서의 역할을 하는 광학장치의 개략 평면도. 이는 더욱 복잡한 VLSI 광학-전자 회로의 일부일 수 있다.
도 42a 내지 도 42d는 다른 통과 대역 갭 재료의 주파수 응답의 그래프.
도 42a와 도 42b는 넓은 스톱 밴드 특성을 도시하고, 도 37a에 도시된 형상에 의해 구현될 수 있다. 도 39에 도시된 바와 같이 이러한 특성을 가진 장치를 케스케이딩함으로써, 도 7c에 도시된 좁은 스톱 밴드를 가진 장치가 구현된다.
도 42d는 좁은 통과 대역 특성을 도시하고, 도 37b와 도 37c에 도시된 격자의 결함 예를 포함함으로써 얻어진다.
도 43은 도파관내 여러 굴절률을 가진 매체 사이의 간섭을 도시하는 도면.
도 44a와 도 44b는 본 발명의 실시예를 도시하는 대표도.
도 45 내지 도 47은 본 발명의 특징을 도시하는 스캐닝 전자 현미경 사진.
도 48과 도 49는 추가의 실시예의 대표도.
도 50 내지 도 57은 본 발명의 컴퓨터 시뮬레이션에 사용되는 그래프.
포토닉 밴드 구조물은 광학 계산과 광학 통신을 위한 일체형 광학장치와 같은 수동적 응용에 이용할 수 있다. 예를 들면, PBG 필터 장치의 어레이는 완전한 일체형 단결정 WDM 디멀티플렉서와 같은 기능을 하도록 배치된다. 반면에 대부분의 능동적 응용은 TE 및 TM 편광 상태 모두를 위한 완전한 포토닉 밴드 갭을 필요로 하고, 편광 의존성은 수동 광학장치에서 용이하게 사용될 수 있다.
많은 수동 일체형 광학 응용에 있어서의 중요한 요구사항은 주 밴드 갭 영역으로부터 저 전이 손실이다. 선택된 파장 범위 이상에서 강한 전이를 가능케 하는 도파관용 PBG 장치의 광대역 전이 특성과 모드 구조를 결정할 수 있도록 하는 방법이 고안되었다. 이러한 방법은 자신을 관통하여 에칭된 공기 로드 매트릭스를 가진 유전체 재료의 무한히 두꺼운 슬랩 내부로 전자기파 전파를 위한 포토닉 분산 관계를 계산하기 위해 3차원 평면파 분석[M. Plihal, A. A. Maradudin, Physical Review B, 44, 8565,(1991)와 A. A. Maradudin, A. R. McGrun, Journal of Modern Optics, 41, 275,(1994)]를 사용한다. 다음으로, 표준 도파관 이론이 각각의 층에서 전자기(EM) 경계 조건을 풀고, 각각의 에칭된 층에 대한 평균 굴절률을 취함으로써 도파관내에 한정된 낮은 유전 격자 구조에 의해 지지된 인도된 모드를 계산하는데 사용된다. 이러한 3차원적 접근은 공기 로드의 방향으로 따라 정렬한 유한 파 전파 벡터 성분을 고려한 것이고, 인도된 모드 각과 관련된다. 이러한 유한 '스루 플레인' 파 벡터 성분은 계산된 분산 관계를 상당히 변경시킬 수 있다. 도파관 장치가 실제로 3차원 장치이기 때문에, 여분의 자유도는 바람직하게는 무시될 수 없다.
TE 및 TM 편광된 파와 관련된 에너지 고유치가 계산이 3차원 평면파 분석과 관련되는 한 풀리지 않고, 분산 곡선은 계산된 이후 특정 편광 상태와 관련된다.
낮은 유전 재료내의 TM 편광된 파를 위한 포토닉 밴드 갭은 존재하지 않는 반면, 상대적으로 낮은 유전 재료는 매우 적은 공기 충진양에도 불구하고 TE 편광된 파를 위한 특정 포토닉 밴드 갭을 지지할 수 있다.
도 1과 도 2의 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예는 스펙트럼의 가시영역내에서 632.8nm에서 편광 의존 광학 밴드 갭을 가지는 도파관용 포토닉 결정(21)을 포함한다. 이러한 구조물은 삼각형 격자상에 위치하며 코어를 통해 에칭되는 공기 구멍(22) 어레이 및 실리콘 기판(도시 안됨)상에서 성장된 단일 모드 실리콘 질화물 도파관의 클래딩(cladding)층으로 구성된다. 이러한 장치는 두 편광 상태 모두에 대해 하부 밴드 에지 아래로 545nm까지 강한 전이를 나타내는 반면, 632.8nm에서 TE 편광된 적색광의 전이를 완전히 금지한다. TM 편광된 적색광은 강하게 전이된다.
x-y 평면내에 위치하는 평탄한 포토닉 결정을 고려하면, 높이는 z-방향이다. 광이 공기 로드에 수직으로 전파(하여 파 전파 벡터 k가 z-방향의 성분을 가지지 않도록 하는)하는 경우, 파는 전자기(EM)장 성분(도 1을 참조)의 방위(orientation)에 따라 두 개의 구별된 편광 상태로 나누어진다. 이 경우, 자기장 및 전기장 벡터에 대한 맥스웰의 필드 방정식은 분리되고 분해되어 두 개의 독립 포토닉 밴드 도표를 발생시킨다[M. Plihal AA Maradudin, Physical Review B, 44, 8565, (1991)]. 이러한 시나리오는 '인 플레인(in plane)' 파 전파로서 불린다.
만일 파가 격자평면에 대해 특정 각으로 전파하여 z-방향에서 분해된 유한 파-벡터 성분(kz)이 존재하게 된다면, 전기장 및 자기장 벡터는 격자의 평면내에서 분해된 몇몇 성분을 가질 것이다. (이러한 시나리오는 '스루 플레인(through plane)' 파 전파라 불린다.) 이 경우, 전기장 및 자기장 벡터에 대한 파동 방정식은 풀리지 않고, 분산 관계를 유도하기 위해서는 3차원 고유치 문제를 풀어야만 한다. 하지만, E 및 H 필드 벡터에 대한 해는 결국 동일한 값으로 수렴한다. 결과적으로, 전체 밴드 구조를 유도하기 위해 필드 방정식중 하나만을 푸는 것이 필요하다.
3차원 평면파 분석을 위해, 주기적인 유전 구조를 통과하는 주파수 ω=ω(k)을 가진 단일 모드 파 E(r)eiωt의 전파는 다음과 같이 표현되고:
식(1)
여기서, r은 3차원 위치 벡터이고, k는 3차원 파수 벡터이고, c는 광의 진공 속도 그리고 ε는 유전 함수이다.
(고체 물리학과 관련된 역격자 공간으로서 알려진) 푸우리에 영역에서, 전기장 벡터는 블로치 전개에 의해 표현되고:
식(2)
여기서, G는 2차원 역격자 벡터,
k는 3차원 파 전파 벡터,
r은 3차원 위치 벡터,
a(k,G)는 3차원 블로치 벡터 계수.
유전 함수는 푸우리에 급수로 표현된다.
식(3)
푸우리에 계수 CG는 다음과 같이 주어진다:
식(4)
호(Ho)의 행렬 최적화법을 사용하여[C. T. Chan, K. M. Ho, C. M. Soukoulis, Europhysics Letters, 16, 563(1991)], 등변삼각형 격자내에 위치하는 반경 R의 로드의 2차원 격자에 대한 푸우리에 계수는 다음과 같다:
식(5)
식(6)
여기서, a는 격자 피치, εa는 로드의 유전상수, εb는 백그라운드 유전체의 유전상수, JI(x)는 1차 베셀함수, 및 f는 볼륨 공기 충진 비율.
식 1을 데카르트 좌표축 x, y, z를 따라 풀고, 급수(식2, 3)를 대체하면, 이하의 파동 방정식 세트는 역격자 공간내 전기장 벡터를 나타낸다.
x-성분: 식(7a)
y-성분: 식(7b)
z-성분: 식(7c)
E-필드 벡터는 각각의 데카르트 좌표축 x, y, z를 따라 분해되고,
은 격자의 평면내에서 분해된 파 전파 벡터 성분,
은 역격자 벡터,
ω2/c2은 스칼러 에너지 고유치,
은 3차원 블로치 벡터 계수,
은 스칼러 푸우리에 계수.
이러한 식들과 함께 분리불가능 3차원 고유치 문제(식 8)를 컴퓨터에 의해 구성되고 풀려질 수 있고, 각각의 k 벡터에 대해 선택할 수 있다.
식(8)
Mx-Mz는 괄호로 도시된 데카르트 변수의 수치함수이다. 각각의 함수는 역격자 벡터 G와 G'로 지정된 정사각 소행렬을 구성한다.
이러한 식은 격자 피치 Λ를 가진 실리콘 질화물 백그라운드 유전체(εb=4)내의 에오 홀(εa=1)의 삼각형 격자에 대해 풀려진다. 원시 전이 벡터는:
.
해당 원시 역격자 벡터는:
.
역격자 벡터의 샘플 세트는 다음과 같이 주어진다:
(m,n은 어드레싱 정수)
k 벡터 샘플은 격자 대칭점에 의해 한정된 감소된 브릴뤼앙 영역 세그먼트 주위에서 선택되어 포토닉 밴드 도표를 구성한다. kz의 여러 값을 계산하는 것을 반복함으로써, 분산 곡선의 특성이 고정된 공기 충진 비율에 대해 모드 각 θz의 함수로서 맵핑된다.
단일 모드로서 분산 곡선의 전개는 0°(평면파 전파에서)에서 90°(정규 입사 또는 '스루 플레인'파 전파)로 증가되고, TE 및 TM 편광된 상태에 대한 에너지 고유치 해는 계산 문제가 계산 문제가 관련되는 한 풀 수 없게 되고, 각각의 분산 곡선은 일단 계산된 이후에는 특정 편광 상태와 관계한다는 것을 나타낸다. 이는 도 3 내지 도 5에 도시되어 있다.
도 3은 40%의 볼륨 공기 충진 비율을 가진 실리콘 질화물 백그라운드내의 공기 로드의 격자에 대한 밴드 구조를 도시하고, 이는 호(Ho)의 역변환 행렬법과 관련된 81개의 평면파를 사용하는 통상적인 2차원 평면파 분석을 사용하여 계산된다. 2개의 편광 상태를 위한 분산 관계는 비교의 용이함을 위해 중첩된다. 도 5는 kz=0을 가진 3차원 평면파 분석을 사용하여 계산된 '인 플레인' 밴드 구조를 도시한다. 분산 관계는 동일하다. 결과적으로, 도 4내의 각각의 분산 곡선은 도 3에 비해 특정 편광 상태와 관계를 가질 수 있다. '스루 플레인' 성분 kz가 증가됨에 따라(도 5 참조), T점에서 제 1의 2개의 분산 곡선 아래로 갭이 나타나고, 분산 곡선은 상승하며 약간 눌려진 모양이 된다. 하지만, 곡선의 형상과 퇴화점은 변화되지 않은 상태로 남게 되고, 각각의 분산 곡선은 특정 편광 상태와 관계를 가지게 된다.
단일 3-층 평탄한 도파관의 모드 구조(도 6 참조)는 2개의 기본 경계 조건을 풂으로써 유도된다. 제 1 조건은 경계에서의 모드 각이 전체 내부 반사에 대한 임계각 θcrit보다 작아야 한다는 것이고, 그렇지 않을 경우 광은 도파관 외부로 누설된다.
식(9)
n=클래딩의 굴절률,
nc=코어의 굴절률.
홀(61)의 크기가 밴드 갭 근처에서 λ/4 내지 λ/2 정도이기 때문에, 이들은 진행파에 의해 풀릴 수 없다. 대신에, 에칭된 층은 평균 굴절률에 의해 주어진 감소된 굴절률을 가지는 것을 나타날 것이다.
식(10)
na=홀의 굴절률,
nb=유전체의 굴절률.
다음으로, 횡방향 위상 정합 조건은 만들고자 하는 공진 인도된 파에 대한 차수를 충족시켜야 한다.
식(11)
m=정수,
ψ=경계에서의 위상 변화의 합,
Λ=격자 피치.
kz를 대체하기 위해, 횡방향 공진 조건은 모드 각의 함수로서 인도된 모드의 파장을 제공하도록 재배치된다.
θz=모드 각,
navg=코어의 평균 굴절률,
φ(θz, n)=경계에서의 p 위상 변화,
nb=버퍼층의 평균 굴절률,
nc=클래딩층의 평균 굴절률,
d=코어 두께,
m=모드 수,
Λ=격자 피치. 식(12)
도파관 경계로부터의 반사에 따른 위상 변화는 각각의 편광 상태에 대해 다르다. 이는 편광되지 않은 광이 평탄한 도파관을 따라 전파는 동안 편광 상태의 분리를 야기한다.
TM 모드에 대한 위상 변화:
식(13a)
TE 모드에 대한 위상 변화:
식(13b)
n=클래딩의 굴절률,
nc=코어의 굴절률,
φz=모드 각.
파-인도 모델은 평면파 분석과 조합된다. kz가 0보다 크다면, 도파관 모드 각은 포토닉 밴드 도표(도 7 참조)의 x-축을 따라 각각의 k-벡터와 관계를 가질 수 있다. 하지만, T점에서의 0 모멘텀 k-벡터에 대한 모드 각은 불확실한 상태로 남아 있다.
"스루 플레인" 모드 각 식(14)
인도된 모드의 파장은 고정된 도파관 형상에 대한 모드 각의 함수로서 계산되고, 이를 3차원 밴드 갭상에 중첩시킨다(도 8 참조). 인도된 모드 라인이 분산 곡선과 교차는 점들은 PBG 구조에 의해 지지되는 인도된 브로치 모드의 해를 나타내내다[D. M. Atkin, P. St. J. Russel, T. A. Briks, Journal of Modern Optics, 43, 1996, (1035)]. 이는 특정 파장에서 PBG 구조 전체에 대한 전이를 얻기 위해 어떠한 파 벡터가 여기되어야 하는가를 나타낸다. 인도된 모드가 특정 파장에 존재할 수 있는지 없는지의 여부가 kz값의 범위에 대한 분산 곡선의 전개를 조사함으로써 결정된다. 이는 일련의 밴드 도표를 애니메이팅하고, 특정 시험 파장에서 인도된 모드 라인과 분산 곡선 사이의 교차점을 구함으로써 도식적으로 얻어진다. 만일 임의의 kz 값에 대해 어떠한 인도된 블로치 모드가 없다면, 포토닉 밴드 갭이 그 파장에 존재하게 되고, 이는 정상 도파관 모드가 밴드 구조에 의해 억압되었다는 것을 나타낸다. 이러한 분석을 수행함에 있어, 각각의 분산 곡선이 특정 편광 상태와 관계를 가진다는 것을 명심한다. 격자 구조 전체에 대한 인도된 블로치 모드에 대한 필드 강도 형상은 고유벡터 문제로 돌아가 인도된 블로치 파수 벡터에 대한 고유치를 구함으로써 구성된다.
도 8은 T-J 대칭 방향을 따라 545nm에서 TM 편광된 인도된 모드 및 T-X 방향을 따라 600nm에서 TM 편광된 인도된 모드의 존재를 도시하는 실리콘 질화물 구조에 대한 '3차원' 밴드 도표의 일례이다. 0 모멘텀점 T 주위에 중심을 둔 파수-벡터는 구조에 입사하는 정상 입사와 근접하는 모드에 해당한다. 이는 전체 내부 반사에 대한 임계각을 초과하는 누설 모드이다. 결과적으로, 인도된 모드 라인은 이러한 경계에서 불연속이다. 도 7의 수직선은 전체 내부 반사에 대한 한계를 나타낸다.
도파관내의 파 전파의 군속도는 다음과 같이 주어진다:
식(15)
이는 분산 관계상에 굴곡점(대체로 대칭점)에서 블로치 파가 놀랍게도 0의 군속도를 가질 것이라는 것을 나타낸다. 이러한 모드내에 광을 직접 연결시킴으로써, 고품질-팩터의 정재파가 형성된다.
통상적인 도파관에서, 광은 높은 유전체 영역내에 전체 내부 반사에 의해 한정되고, 낮은 유전체 매체에 의해 둘러싸인다. 인도된 모드를 최소화는데 필요한 굴절률 콘트라스트는 매우 작다. 이러한 원리는 PBG 도파관과 관련하여 사용될 수 있다(도 9 참조). 예를 들면, 도파관 구조를 통해 작은 홀(91)을 에칭함으로써 에칭된 층의 유효 굴절률이 감소된다. 광을 포토닉 격자내에 한정하기 위해, 코어(92)의 유효 굴절률을 클래딩(93) 및 버퍼(94)층의 굴절률보다 낮게 유지하는 것이 필요하다. 이러한 조건은 클래딩 및 코어층을 통해 홀을 에칭함으로써 코어/클래딩 계면에서 충족되는데, 그 이유는 두 층의 유효 굴절률이 동일한 비율로 감소하기 때문이다(도 9a 참조). 주된 문제는 기판 버퍼층에서 발생된다. 실리콘 이산화물/실리콘 질화물 재료 시스템에서, 최대 볼륨 공기-충진 비율은 40%로 제한되고, 이는 PBG의 최대 대역폭을 제한한다.
최대 볼륨 공기-충진 비율은 공기 공동(95)에 의해 도파관의 에칭된 영역을 버퍼층으로부터 격리시킴으로써 확장될 것이다(도 9b 참조). 하지만, 이는 격자 주기보다 많은 재료 시스템에서 응력과 관련된 구조적 문제를 야기한다. 다른 해법은 홀(91)을 오버에칭하여 이들이 격리된 버퍼층 내부로 잘 확장되도록 하는 것이다(도 9c 참조). 다시, 이는 코어와 같은 비율로 유효 굴절률을 감소시킨다.
도 10 내지 도 12는 각각의 동작 모드에서의 실리콘 질화물 도파관 구조에 대한 인도된 모드 형상을 예를 도시한다. 백분율 숫자는 각각의 층 내부에서의 모드 강도의 비율을 나타낸다. 추정된 감쇠 또한 도시되어 있다. 도 10에 도시된 형상은 이러한 구조에서 사용되는 가장 일반적인 동작 모드이고, 볼륨 공기 충진 비율 한계에 근접한다. 모드의 많은 비율은 버퍼층내에 존재한다. 이는 이러한 실리콘 질화물 구조가 두 편광 상태에 대해 도파관 모드를 지지할 수 있어야 한다는 것을 나타낸다. 이러한 인도된 모드는 포토닉 격자에 의해 억압되고 이는 가시 스펙트럼내에서 작용하는 PBG로 설명되었다.
도 11은 전체적으로 절연된 도파관 구조가 매우 작은 절연 공기 갭의 경우에도 잘 한정된 모드를 제공하는 것을 도시한다. 도 10은 에칭이 과도하게 손실되는 도파관 모드를 형성하는 것을 방지하도록 버퍼 영역 내부로 상당한 거리를 확장하여야 한다는 것을 나타낸다.
실제로, 도파관 장치는 3개의 분리된 단결정 일체형 장치-입력 도파관, PBG 영역 및 출력 도파관으로 구성된다. 작은 손실 전달을 위해, 바람직하게는 PBG 영역과 입출력 도파관 사이에 강한 모드 연결이 존재하고, 경계에서 평균 굴절률이 변한다는 것을 명심한다.
비록 광이 경계에서 PBG 영역 내부의 임의의 가능한 모드에 연결되지만, 연결은 두 영역내에 큰 모드 오버랩이 있을 때(도 13 참조) 가장 잘 이루어진다. 이상적으로, 도파관 모드는 유전체 계면에서 PBG 인도된 모드로 직접 굴절되어야 한다. 경계에서 후면 반사 또한 발생하여 손실을 야기한다. 원하는 특정 파장에 대한 입출력 도파관 모드와 형상은 PBG 코어 영역의 상태 두께를 증가 또는 감소시킴으로써 정밀하게-튜닝될 수 있다.
나노구조(nanostructure)는 스펙트럼의 633nm에 중심을 둔 편광-의존 포토닉 밴드 갭을 가지는 것으로 제조되었다. 상술된 실시예에 따라 구성된 장치는 광이 PBG 구조를 통해 전파하는 동안의 특성을 눈으로 관찰하는 것을 가능케 한다.
본 발명의 특징에 따른 장치는 단일-모드 실리콘 질화물 도파관의 클래딩 및 코어층을 통해 에칭된 공기 구멍 플라즈마의 삼각형 격자에 기초한다(도 8 참조). 도파관은 열적으로 성장된 1.8㎛ 두께의 실리콘 이산화물 기판 버퍼층(n=1.46), 저압 화학 기상 증착(LPCVD)에 의해 증착된 250nm 두께의 실리콘 질화물 도파관층(n=2.02), 및 역시 LPCVD에 의해 증착된 얇은(75-180nm) 실리콘 이산화물 클래딩층으로 구성된다. 다음으로, 웨이퍼가 직접-쓰기 전자빔 리소그래피에 의해 패터닝되고 플라즈마-에칭되어 코어/버퍼 계면으로 확장되는 웰(well)을 형성한다. 웨이퍼는 광학 시험을 위한 개별 장치내로 분리된다.
여기서, 인접 코어간에 좁은 리브를 형성하는 저항벽이 직경이 증가됨에 따라 붕괴하는 경향이 있기 때문에, 서브미크론 피치에서 큰 구멍보다 좁은 매우 좁은 구멍을 형성하기가 상당히 쉽다는 것을 알 수 있었다. 50 내지 120nm 범위의 직경을 가진 구멍은 표준 프로세스를 사용하여 제조하기가 매우 쉬웠다. 하지만, 포토닉 밴드 갭을 형성하기 위해, 20% 이상의 볼륨 공기-충진 비율이 요구된다. 본 해법은 초기 등방성 플라즈마 에칭 이후 구멍의 측면 팽창을 허용하는 우수하게-제어된 프로세스를 발전시켰다. 이는 초기 제조 이후 포토닉 밴드 갭의 정밀한-튜닝을 가능케 한다.
구멍의 팽창을 용이하게 하는 리소그래피와 플라즈마 에칭 프로세스를 사용하여, 500nm 이상의 두께를 가진 도파관 구조 웰(well)을 통해 260nm 피치에서 50-200nm 범위의 직경을 가진 우수한 품질의 구멍을 제조하는 것이 가능하다. 게다가, 구멍 형상은 상술된 절연된 도파관 구조를 형성하도록 변형될 수 있다.
도 23은 도파관 PBG 구조의 단면도를 도시하는 스캐닝 전자 현미경사진(SEM)이다. 이는 475nm의 전체 깊이로 에칭된 공기 구멍의 260nm 피치 삼각형 격자로 구성된다. 2-단계의 건식 에칭 처리가 실리콘 질화물 코어를 통해 에칭하고 하부에 위치하는 실리콘 이산화물 버퍼층을 통해 분할되는데 사용되어, 주 도파관 코어 하부에 감소된 굴절률의 버퍼층을 형성한다. 구멍의 반정도 아래에, 처리가 변화되었던 지점을 마킹하는 구멍 직경(150 내지 75nm)으로 확실한 스텝이 존재하게 된다. 미세한 구멍 직경에도 불구하고, 벽은 양쪽 부분에서 정확하게 등방적이다. 이러한 구조는 도 8에 도시된 영역내에서 동작하는 큰 공기 충진 비율 장치의 제조시 시작점을 형성한다.
초기 플라즈마 에칭이후, 구멍 직경은 특정 재료 습식 에칭 처리에 의해 실리콘 질화물층내에서만 확장될 수 있다. 도 15의 SEM은 300nm 피치 삼각형 격자 구조를 도시한다. 이 경우, 건식 에칭 처리 전이는 실리콘 질화물층의 중간정도에서 발생한다. 도 15에 확연하게 도시된 직경 스텝은 구멍에 대해 끝이 가늘어지도록 하는 습식 에칭 처리에 의해 둥글어진다. 얇은 클래딩 층은 보호 캡을 형성하는 최상부상에 위치한다. 구멍 직경은 버퍼층에서 30nm로 시작하여 질화물층에서 115nm 내지 173nm로 끝이 가늘어지고, 클래딩층내에서 95nm의 감소된 직경을 가진다.
구멍 벽의 등방성은 주의 깊은 포스트-에칭 세척 및 건조와 관련되어 사용되는 측정 프리-에칭 프라이밍(priming) 처리에 의해 상당히 증가된다. 이는 도 16의 SEM에 도시되어 있다. 초기 플라즈마 에칭 처리 전이로 인한 질화물층내의 구멍 직경의 스텝(250 내지 175nm)이 형성된다. 구멍 직경은 클래딩층에서 120nm에서 시작한다.
산화물 버퍼층에 대해 유사한 처리가 행해져, 원하는 구멍 직경이 얻어지면 다공성 실리콘 질화물 도파관을 언더컷하여 도 9b에 도시된 바와 같은 공기 공동을 형성한다. 불행하게도, 이러한 종류의 구조는 매우 견고하지 않으며 수 격자 주기 이상의 주기가 요구된다면 초기 층 성장동안 열적 클래딩에 의해 유도된 응력에 의해 붕괴된다. 이는 매우 다공성인 실리콘 이산화물의 벌집모양을 형성함으로써 방지되고, 더 적은 다공성의 도파관 코어를 지지한다. 이는 실리콘 이산화물 버퍼층 내부로 좁은 모세관 에칭된 부분을 주의 깊게 확장시킴으로써 달성된다(도 14와 도 16 참조). 그 결과가 도 17의 SEM에 도시되어 있다. 여기서, 실리콘 이산화물 클래딩층은 다공성 실리콘 이산화물 버퍼층의 최상부에 위치하는 실리콘 질화물 도파관 코어(오른쪽 코너 하부에서)의 일부를 드러내도록 제거되었다. 구멍 직경은 실리콘 질화물 도파관 코어에서 135nm이고, 실리콘 이산화물 버퍼층에서 250nm이다. 구멍의 질은 언더-에칭된 버퍼층에서 매우 우수하고, 놀랍게도 직선 구멍벽을 가진다.
구멍 확장 처리의 전개과정에서 사용된 시험 샘플은 도파관내에 눈에 보이는 포토닉 밴드 갭의 존재를 나타내었다. 이는 2730 행(row)의 공기 구멍으로 구성되었고, 300nm의 피치를 가진 삼각형 격자내에 위치하며, 블래킷 도파관층 전체에 대해 에칭된다. 구멍은 40%에 근접하는 볼륨 공기-충진 비율을 제공하는 200nm의 직경을 가졌다.
홀 제조시, 광학적 산란과 에지 효과를 보상할 필요가 있다. 이는 에칭 홀 또는 홀의 라인에 대한 특정 로킹 속도를 관련시킴으로써 얻어진다. 몇몇 예에서, 정확한 레지스트 노출을 위해, 포지티브에서 네가티브로의 '레지스트 플립핑'을 방지하도록 E-빔을 초점을 맞추지 않는 것이 필요하다.
특정 실시예에 따른 장치는 양 편광 상태에 대한 TE 및 TM 편광된 녹색광(545nm)의 강한 투사를 도시한다(도 19a, b 참조). TM 편광된 광을 위한 빔 트랙이 PBG 영역의 양 측면상에서 확연하게 보이지만, 양 편광 상태를 위한 투과에 대한 추가의 확인이 웨이퍼의 최상부 에지에서 밝은 얼룩에 의해 주어진다. 이는 출사빔의 위치를 나타낸다.
전통적인 관점에서, 단파장 인도된 모드는 가장 작은 도파관 효과로부터도 레일리 산란에 의해 강하게 억합될 것을 예상된다. 이러한 규모에서는, 공기 구멍은 절대적으로 거대한 것이다. 632.8nm에서 투과된 모드의 편광 민감 억압과 조합된 수 천개의 홀의 주기에 대한 녹색광의 투과는 적색에서 광학 밴드 갭의 존재를 나타낸다.
PBG 도파관의 구조를 결정하는 선택적인 방법은 평면파 방법을 사용하여 포토닉 밴드 구조와 동시에 도파관 경계 구조 조건을 푸는 것이다. 평면파 방법이 격자 전체에 대해 많은 샘플 점에서 맥스웰 방정식의 정확한 해를 포함하고, 그 결과는 절대적이고 유효 굴절률의 불확실한 값에 의존하지 않는다.
금속화된 도파관의 경우, 경계 조건은 전기장의 x와 y 성분이 두 개의 도파관 경계에서 0으로 감소되는 것을 나타내고, 결과적으로 (전파 파수-벡터를 보존하기 위해) z-성분은 최대값이 되어야 한다.
Ex=Ey=0 양 경계에서(z=0,d) 식(16)
하지만, 유전체 도파관의 경우, 경계 조간은 약간 다르다. 이 경우, 클래딩 및 기판 버퍼층을 관통하는 순간적인 필드가 존재한다. 결과적으로, 모든 필드 성분은 경계 전체에 대해 연속해야만 한다. 다음으로 이들은 도파관 코어의 외부로 일정 거리에서 0으로 감소된다.
임의의 도파관에 대한 일반적인 경계 조건은 횡방향 위상 정합 조건에 의해 표현된다.
식(17)
φ는 도파관 경계로부터의 반사에 따른 위상 변화의 합,
m은 정수 모드수,
kz는 도파관 코어내에서 측정된 z-축을 따라 구해진 전파 파수-벡터의 크기,
d는 도파관 코어 두께.
이는 도파관이 도 20에 도시된 바와 같이 (도파관의 두께 전체에 대해) 도파관의 횡방향으로 나오는 정수의 모드를 가능케 해야만 한다는 것을 효과적으로 설명한다.
횡방향 위상 정합 조건을 포함하는 평면파 방법을 변경시키기 위해, 필요한 모든 것은 횡방향 위상 정합 조건을 포함하는 (데카르트 좌표축을 따라 구해진) 블로치 확장 항을 변경하는 것이고, 그 이유는 이들이 구조내의 모든 점에서의 필드 성분을 나타내는 것이기 때문이다.
3차원 고유계(eigen-system)를 형성하는 방정식의 최종 세트를 통해 결과가 걸러지면, (밴드 구조를 제공하도록 구해지면), 필요한 모든 것은 원하는 모드수에 대한 위상 정합 조건을 만족하는 kz의 값에 대해 밴드 구조를 계산하는 것임을 알 수 있다.
만일 고유계의 해를 구하고 주어진 도파관 형상과 모드수 m에 대한 3차원 밴드 도표를 구성하면, 분산 곡선은 자유공간 파장의 함수로서 전파 모드에 해당하는 파수-벡터의 정확한 해를 나타낸다. (간단한 도파관 구조와는 대조적으로, 주기 구조내의 임의의 주어진 파장에서 여러 허용된 모드가 존재할 것이다. 이는 인도된 블로치 모드로 알려져 있다.)
분산 곡선이 주어진 파장에서 구조내의 허용된 파-전파 벡터의 크기와 방향을 나타내기 때문에, 각각의 및 모든 인도된 블로치 모드에 대한 유효 굴절률의 정확한 값을 계산하기 위해 필요한 모든 정보를 가지게 된다. 게다가, 만일 선택된 파장에서 모든 블로치 모드에 대한 진정한 유효 굴절률이 알려지면, 반사 계수와 입력 도파관과 PBG 영역 사이의 계면에서의 모드 오버랩이 계산된다.
유효 모드 지수의 계산시, 자유공간 파 전파 벡터와 PBG 격자 영역내의 파 전파 벡터는 벡터 방정식에 의해 관계를 가진다:
식(18)
k0은 자유공간 파 전파 상수,
nmode는 전파하는 파에 의해 나타내진 PBG 영역에 대한 유효 모드 지수.
그래디언트를 취하면:
식(19)
이제 통상적인 2차원 포토닉 밴드 도표를 고려해보자(도 21 참조). 이는 '인 플레인' 파 전파 벡터(kxy)의 샘플 세트에 대한 고유치 문제를 반복적으로 풂으로써 구성된다.
샘플 k-벡터는 구조내의 파 전파 방향과 관계를 가지고 (격자 구조내의 대칭 평면과 관계를 가지고), 또한 주 구조내의 전파하는 파의 파장과 관계를 가진다. 샘플 k-벡터의 선택은 완전히 임의적이지만, 통상적으로 모든 대칭점을 둘러싸는 감소된 브릴뤼앙 영역 세그먼트 주위에서 k-벡터를 선택할 수 있다.
을 감안하면, y축을 따라 작성된 해는 전파 모드의 하용된 자유공간 파수 벡터(k0)와 직접 관계를 가진다. 유효 모드 지수
을 A/λ항으로 쓸 수 있다.
각각의 샘플 k-벡터의 크기를 계산하고 이를 분산 곡선에 의해 나타난 자유공간 k-벡터 해로 나눔으로써, 각각의 및 모든 분산 곡선상의 각각의 및 모든 샘플점에 해당하는 유효 모드 지수를 계산할 수 있다.
클래딩층의 굴절률보다 작은 유효 굴절률을 가진 모드는 주변 매체에서 손실될 것이다. 이는 방사 모드로서 알려져 있다. 기판 버퍼층의 유효 굴절률보다 작은 유효 굴절률을 가진 모드는 기판내에서 누설되어 다시 손실될 것이다. 이는 기판 모드로서 알려져 있다.
PBG 구조내에서 인도된 모드의 군속도(vg)는 유효 모드 지수과 자유공간 파장(λ)을 알고 다음의 식을 이용하여 계산할 수 있다.
c=진공속에서의 광속
군속도는 파장에 대한 유효 모드 지수의 그래디언트에 의존한다. 이는 다시 각각의 분산 곡선상의 각각 및 모든 k-벡터 샘플점과 관련된 유효 모드 지수를 계산함으로써 계산된다.
관련 분산 곡선에 의해 표시된 파장과 관련된 이러한 데이터를 사용하여, 인도된 모드 파장의 함수로서 유효 모드 지수를 나타내는 곡선을 구성할 수 있다. 요구된 그래디언트는 원하는 특정 샘플점 주위에 이러한 곡선의 그래디언트에 의해 직접 주어진다. 선택적으로:
.
이는 전파하는 파의 군속도가 분산 곡선(밴드 도표에 도시된)의 그래디언트에 직접 관계하는 것을 나타낸다. 분산 곡선상의 각각의 샘플점은 이와 관련된 특정 군속도를 가진다. 그러므로, 입력 도파관과 PBG 영역 사이를 연결하는 모드를 제어함으로써 PBG 구조내에 투과된 전파 모드의 속도를 선택할 수 있다.
예를 들어, 만일 입력 도파관과 PBG 구조 사이의 경계가 정확하게 설계된다면, 입력 도파관을 통과하는 광은 분산 곡선상의 굴곡점에 위치하는 k-벡터를 가진 인도된 블로치 모드로 연결될 것이다. 이 경우, 전파하는 파는 0의 군속도를 가질 것이고, 정재파는 구조내에 형성될 것이다. 만일 블로치 모드를 분산 곡선상의 굴곡점으로부터 약간 떨어져 연결한다면, 파는 매우 작은 군속도를 가진 구조를 통해 전파될 것이다. 마지막으로, 만일 분산 곡선의 그래디언트가 가장 경사가 급한 점에 위치하는 k-벡터를 가진 인도된 블로치 모드로 연결시킨다면, 전파하는 파는 최대 속도로 통과할 것이다. 이러한 방법으로, PBG 구조를 '완화' 또는 광을 트랩핑하는데 사용할 수 있다.
선택적으로, PBG 구조내에서 전파하는 파의 방향을 변화시킴으로써, 전파 속도 및 구조내에서 전파하는 파의 파장 모두를 변화시킬 수 있다. 이는 광학 지연 라인의 기초를 형성한다.
PBG 도파관 구조내의 전파하는 파의 파장은 유효 모드 지수과 자유공간 모드 파장(분산 곡선에 의해 표시된)을 알고 이하의 관계식을 사용하여 계산될 수 있다:
선택적으로, PBG 재료내의 파-전파 벡터의 크기로부터도 알 수 있다:
.
특정 조건하에서, 구멍의 연속 행은 전파하는 파에 의해 나타내져 강한 회절 평면을 구성한다. 회절 효과는 교차-포트 멀티플렉서내에서 사용되는 다중빔 분할을 야기한다.
구조내에서 전파하는 파의 파장을 앎으로써, (1차 또는 2차 다중빔 분할과 같은) 회절이 브래그 회절 조건을 제공함으로써 관찰될 수 있는지에 관한 여부를 결정할 수 있다:
m은 회절차수를 나타내는 정수,
p u는 연속 회절 평면 사이의 이격,
φd는 회절 평면의 법선에 대해 측정된 회절각,
φi는 회절 평면의 법선에 대해 측정된 입사각.
통상적인 (1차원) 회절 격자에서, 회절차수 m은 회절된 빔의 수에 대한 직접 측정을 제공한다. 예를 들어, m=0이면(0차 회절) 단일빔일 것이다. 하지만, 2차원 격자 구조에서, 격자의 대칭 평면 수에 해당하는 각각의 회절차수에 대해 한 세트의 빔이 존재한다. 예를 들면, 6중 대칭을 가진 삼각형 격자는 각각의 회절차수에 대해 6개의 빔으로 구성된 세트를 발생시킨다.
회절빔의 방향은 재료의 파장을 알고 브래그 조건을 사용하여 계산된다. 회절빔이 다른 유효 굴절률을 가지고 격자내 다른 블로치 모드에 연결되는 것을 주목한다.
인도된 블로치 모드와 PBG를 포함하는 금속화된 도파관내 해당 유효 굴절률의 해에 대해, 1차 목적은 특정 도파관 모드와 편광 상태에 대해 '인 플레인' 파수벡터(kxy)의 함수로서 인도된 블로치 모드의 파장을 도시하는 정확한 2차원 밴드 도표를 구성하는 것이다.
금속화된 도파관(마이크로파 도관과 같은)에 대해, 횡방향 위상 정합 조건은 다음과 같이 주어진다:
식(22)
m은 모드수,
d는 도파관 두께.
이는 kxy, 및 k0에 독립적인 간단한 함수이다. 결과적으로, 모든 인-플레인 k-벡터 샘플점에 대해 kz의 단일값을 사용하여 필요한 밴드 도표를 구성할 수 있다.
원하는 특정 파장에서 인도된 모드 해법은 수평 파장 라인과 분산 곡선 사이의 교차점에 의해 표시된다. 예는 실리콘 질화물 PBG 도파관내 인도된 모드의 밴드 도표상에서 545nm와 633nm에서 표시되어 있다(도 22 참조). 임의의 파장 또는 편광 상태에 대해 (그 파장상에서 교차된 분산 곡선의 수에 해당하는) 여러 인도된 블로치 모드가 있다.
인도된 모드에 대한 유효 굴절률을 계산하기 위해, 밴드 도표상에서보다 더 많은 정보가 필요하다. 교차점에 해당하는 '인 플레인' 파수 벡터를 알고 난후, 밴드 구조 계산은 약간 다른 kz값을 사용하여 반복되어야 한다. 실제로, 이는 3차원 분산 표면의 매우 작은 부분을 형성한다. 다음으로 분산 곡선의 그래디언트가 유효 모드 지수를 제공한다.
PBG를 포함하는 유전체 도파관내의 인도된 블로치 모드와 유효 모드 지수의 해에 대해, 횡방향 위상 정합 조건은 위상 항에 의존하는 편광을 포함한다. 이는 기판 버퍼 및 클래딩층 내부로 짧은 거리로 관통하는 순간적인 파가 있다는 사실을 반영한다:
식(23)
φ는 2개의 도파관 경계로부터 반사됨에 따른 위상 변화의 합,
m은 모드수,
d는 코어 두께.
위상 항 φ는 파-전파 벡터 성분 kxy및 kz항내에 위치될 수 있다.
식(24)
식(25)
nclad/buff는 적절한 클래딩층의 버퍼층의 굴절률.
각각의 전파하는 파수-벡터(블로치 파수-벡터)는 PBG 장치가 유한 두께를 가진다면 3차원일 것이다(예를 들면, k=kx+ky+kz). (금속화된 도파관의 경우와 같은) 특정 경우, 해는 파장에 관계없이 모두 같은 값을 가진다. 통상적인 밴드 도표를 도시할 때, kx및 ky벡터 성분은 브릴뤼앙 영역의 대칭점 사이에 한정된 '인 플레인' k-벡터 회로를 선택함으로써 하나의 그래프축상에서 압축된다. 이는 더욱 일반적이고 단일한 콤브형 파수-벡터 kxy를 발생시키고, 이는 하나의 축을 따라 도시될 수 있다.
3차원 분석을 수행하기 위해, 2차원 곡선 대신 3차원 표면으로서의 분산 관계를 고려하는 것이 적절하다. kz-의존성은 새로운 축상에 이를 맵핑함으로써 보존된다. kx와 ky파수-벡터 성분은 이전과 같이 단일 축상에 압축된다.
필요한 kz값 세트를 얻기 위해, kxy및 kz샘플값의 2차원 그리드(grid)에 대해 고유치 문제를 가장 먼저 계산해야한다. 이는 통상적인 밴드 도표상에 일반적으로 도시된 2차원 분산 곡선과는 반대로 3차원 분산 표면 세트를 효과적으로 구성한다. 위상에 의해 야기된 최대 편차는 -π이고, 범위 전체에 대해 샘플 kz에 민감하다:
각각의 분산 표면상의 각각의 샘플점은 특정 유효 모드 지수 및 이와 관련된 모드수를 가진다. 횡방향 위상 조건을 재-배열함으로써 모드수는 이하의 식을 사용하여 계산될 수 있다:
이는 특정 분산 표면과 관련된 각각의 3차원 모드수 표면 세트를 효과적으로 구성한다. 다음으로 정수 모드수에 해당하는 kz의 정확한 값이 다항식 전개를 사용하여 모드 표면 데이터를 결합함으로써 각각의 kxy샘플점에 대해 알 수 있다.
일단 정확한 kz값이 알려지면, 동일한 방법으로 kz의 동일한 값에 유효 모드 지수 데이터를 결합시킴으로써 각각의 kxy샘플점에 해당하는 정확한 유효 모드 지수를 알 수 있게 된다.
초기 샘플 그리드의 해 및 다항식 전개의 차수에 의존하여, 인도된 블로치 모드와 유효 모드 지수에 해당하는 매우 정확한 해를 구할 수 있다.
인도된 모드가 PBG 구조에 의해 지지되지만, 입력 도파관으로부터 광을 이들에게 직접 연결시킬 필요는 없다. 두 영역 사이의 모드 부정합으로 인한 입력 도파관 및 PBG 구조 사이의 경계에서의 소정의 손실이 있을 것이다. 또한 경계에서 유효 모드 지수의 변화로 인한 후면 반사가 있을 것이다. 후면 반사 및 투과 계수는 이 경우 이하와 같이 표현될 수 있는 프레넬 방정식을 사용하여 계산될 수 있다:
θwg=(도파관 경계에 대한 법선에 대해 측정된) 도파관 모드 각,
θPBG=(도파관 경계에 대한 법선에 대해 측정된) PBG 영역내의 블로치 모드 각.
PBG 구조내 인도된 블로치 모드 각은 다음과 같이 주어진다:
입력 모드 각 φwg는 입력 도파관에 대해 횡방향 위상 정합 조건을 적용하고 모드수, 파장 및 편광 상태의 함수로서 해를 구함으로써 알 수 있다. 이는 다음과 같이 표현될 수 있다:
d=도파관 코어의 두께,
m=모드수.
kz를 대체하고, 파장의 함수로서 재배열하면, 위상 조건은 이하와 같다:
여기서, 위상 항 φbuff및 φclad는 다음과 같이 주어진다:
적절한 편광 상태를 위해, nclad/buff에 대해 적절한 값을 사용한다.
이하는 계산 방법을 요약한 것이다.
1) 계산 방법에 대한 가장 실용적인 접근은, 선택된 도파관 모드에 대해, 기본 경계 조건을 만족시키기 위해 필요한 값에 근접하는 kz값의 범위에 대해 평면파 해를 포함하는 3차원 표면 맵을 형성하는 것이다. 각각의 분산 밴드에 대한 하나의 분산 표면 맵이 존재하게 될 것이다.
2) 샘플 k-벡터 및 고유치 해법에 의해 주어진 자유공간 k-벡터 k0의 크기를 계산함으로써, 유효 모드 지수를 알 수 있다.
3) 각각의 분산 표면에 대해 유효 모드 지수의 관련값을 사용하여 2단계에 의해 계산함으로써, 각각의 샘플점에서 횡방향 위상 정합 조건에 대한 해를 구하여 kxy및 kz의 함수로서 모드수의 맵을 발생시킬 수 있다. 각각의 편광 상태에 대한 분리된 모드 지수가 존재할 것이다.
4) 다음으로 각각의 분산 표면에 대한 관련 모드수 맵이 스캐닝되고, 돌아가면서 각각의 kxy샘플을 선택하고, 선택된 모드수에 가장 근접한 모드값을 찾는다. 이는 선택된 모드수의 kz각각의 측면의 2개의 가장 근접한 값을 돌려보낼 것이다. 다음으로 알려진 해를 나타내는 점의 양측면중 하나의 샘플점 범위에 대해 곡선을 설명하는 다항식 전개가 구성된다. 정수 모드수에 대한 정확한 kz값은 다항식을 풂으로써 알 수 있다. 이러한 방법으로, '인 플레인' k-벡터 샘플점(kxy)에 해당하는 새로운 kz값의 정확한 리스트가 구성된다. 각각의 분산 밴드에 대한 하나의 리스트가 제공될 것이다.
5a) 새로운 두 가지 선택이 있다. 약간 덜 정확한 결과를 위해, 분산 표면(단계 1에서 계산된)으로 돌아가 각각의 인-플레인 k-벡터 샘플점 및 분산 곡선에 대한 kz에 의해 지정된 점에 파장 해를 외삽(extrapolate)할 수 있다.
5b) 선택적으로, (그리고 더욱 정확하게), 포토닉 밴드 갭은 각각의 '인 플레인' k-벡터 샘플점 및 분산 곡선에 대해 계산된 정확한 새로운 kz값을 사용하여 재계산된다. 이는 전체 밴드 구조가 원하는 각각의 분산 곡선에 대해 2배인 것으로 재계산되어야 하기 때문에 매우 길이적인 처리일 것이다.
6) 최종 파장값을 사용하여, 통상적인 2차원 포토닉 밴드 도표가 도시된다. 이는 선택된 도파관 모드 및 선택된 '인 플레인' 샘플 파수-벡터 kxy에 해당하는 인도된 블로치 모드의 정확한 파장을 나타내내다. 다음으로, 밴드 갭의 정확한 위치가 원하는 특정 파장에서 정확한 블로치 모드 해에서와 같이 이러한 도표로부터 판독된다.
7) 새로운 수정된 분산 곡선상의 모든 동일한 점들에 해당하는 최종 유효 모드 지수표가 kz의 정확한 값에 유효 지수 함수를 외삽함으로써 계산되고, 각각의 '인 플레인' k-벡터 샘플점 및 분산 곡선에 대해 계산된다.
8) 입력 도파관내 모드 인도된 모드 파장은 모드 각의 함수로서 계산된다.
9) 입력 도파관과 PBG 영역 사이의 경계에서 반사 및 투과 계수는 유효 모드 지수표와 인도된 블로치 모드 각을 사용하여 계산된다.
10) 입력 도파관과 PBG 도파관 영역내 모드 형상이 계산되고, 이어서 두 영역 사이의 모드 오버랩이 계산된다.
두꺼운 실리콘 이산화물 버퍼층, 250nm 실리콘 질화물 코어 및 두꺼운 실리콘 클래딩층으로 구성된 도파관 구조에 대해 시뮬레이션이 수행되었다. 밴드 구조는 평면파 방법을 사용하여 계산되었고, 25 격자점의 그리드에 대해 고유계를 계산하였다. 도 50은 4번째 분산 밴드에 해당하는 3차원 표면 도표이다. kz샘플 벡터의 범위는 모드수 범위 0→2(예를 들면, 0=모드0, 5=모드 1)에 해당하도록 선택되었다. 도 51은 4번째 분산 표면에 해당하는 3차원 유효 모드 지수 표면이다. 유효 모드 지수값은 ncore와 0 사이의 범위인 것을 주목한다. nclad또는 nbuff보다 작은 값을 가진 모드는 PBG 구조내 손실된 방사 모드 또는 기판 모드에 해당한다. 도 52a는 TM 위상 각 맵이고 도 52b는 제 1 분산 표면에 해당하는 TE 위상 각 맵이다. 도 54는 각각의 k-벡터 샘플점과 관련된 모드 각이다. (모든 분산 표면에 대해서 동일.) 도 55는 모드 각의 함수로서 입력 도파관 영역내의 인도된 모드의 파장이다. 점선은 TM 모드이고 실선은 TE 모드이다. 도 56은 도파관 모드 1에 대한 밴드 도표이고 도 57은 해당 투과 계수이다.
본 발명의 특정 실시예에에 따른 전방 플레이트의 제조가 깊은 홀을 제조하는 방법의 예를 통해 이하에서 상세히 설명될 것이다.
도면의 도 23을 참조하면, 기판(10)은 3-5Ω-cm n-형 ＜100＞ 방위 실리콘 웨이퍼를 포함한다. 얇은 산화물층(12)이 건조 산소 분위기에서 기판(10)에 대해 웨이퍼를 산화시킴으로써 성장된다. 층(12)의 표면은 포토레지스트(14)내에 코팅된다. 포토레지스트층(14)은 직접 기록 전자빔 리소그래피를 사용하여 규칙적인 격자 패턴으로 패터닝되고, 이러한 기술은 당업자에게 공지되어 있으며 전제부에서 인용된 참고 논문에서 레만에 의해 설명된다. 포토레지스트층(14)은 오븐(도시 안됨)내에서 현상되고 강하게 베이킹되어 표면상의 격자면에서 원형 윈도우(16)를 남긴다. 실리콘의 표면은 실리콘 이산화물(18)이 플라즈마 에칭에 의해 제거되는 것과 같이 노출되어 포토레지스트가 스트립핑되어 전체적으로 패터닝된 실리콘 이산화물 마스크를 남기도록 한다. 피라미드형 노치(20)가 수산화칼륨(KOH) 에칭에 의해 노출된 실리콘 윈도우내에서 형성된다. 에탄올내의 불화수소산(HF)의 약한 용해가 양극화 처리를 위한 전해질로서 사용된다. 에탄올은 습식제와 같은 역할을 한다.
양극화 처리에 의해 형성된 깊고 큰 구멍의 예가 도 23에 도시되어 있다. 간략함을 위해, 이는 비교적 큰 규모의 구조를 도시하고 있지만, 홀 어레이는 150㎛ 이상의 깊이로 성장될 수 있고 200nm 정도의 균일한 직경을 유지한다.
양극화 이후, 홀은 반복된 산화에 의해 확장되고 산화물은 포토닉 밴드 구조 응용에 적합한 미세-구조를 형성하도록 스트립핑된다.
만일 큰 구멍 구조가 반복적으로 산화된다면, 홀은 결국 자신과 인접한 것들을 통해 붕괴하여 홀간의 코너면에 지유로이 서있는 실리콘 기둥을 남긴다. 기둥의 직경은 추가의 산화에 의해 감소되어 자유로이-서있는 양자 와이어 어레이를 형성한다. 이러한 처리를 사용하여, 150nm정도로 작은 직경이 얻어진다.
매우 작은 격자 크기와 광학 밴드 갭을 형성하는데 필요한 공기 구멍의 비교적으로 큰 깊이로 인해, 여기서 스펙트럼의 근적외선 영역 또는 중간 적외선 영역(NIR/MIR)내에 포토닉 밴드 구조를 제조하기가 상당히 어려운 것으로 판명되었다. 본 발명의 일실시예에서, 광학-관련 양극 에칭 처리가 실리콘내 공기 로드의 0.81㎛ 삼각형 격자에 기초한 2차원 중간-적외선 포토닉 결정의 제조에 사용된다. 45%의 추정 공기 충진 비율을 가진 40㎛ 깊이로 성장된 장치의 '스루 플레인' 투과 특성이 측정을 위해 특별하게 변형된 페르킨-엘머 푸우리에 변환 적외선(FTIR) 분광기를 사용하여 파 전파의 여러 각도와 넓은 스펙트럼 범위에 대해 시험되었다.
PBG 샘플은 회전 스테이지상에 장착되고 거울과 반사 현미경 대물렌즈를 사용하여 회전축에서 표면상에 집속된 FTIR 분광기로부터의 광이다. 투과된 광의 일부는 광을 다시 분광기에 연결하는 As2S3섬유에 의해 모아진다. 섬유는 일반적으로 150㎛의 큰 코어 직경을 가진다. 다른 섬유 단부로부터 방출된 광은 포물선모양의 거울로부터 반사되어 FTIR 분광기내의 카드뮴 수은 텔루르화합물(CMT)상에 모아진다.
'스루 플레인' 투과 특성은 구조의 평면에 대해 여러 외부 입사각의 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 측정된다. 스펙트럼 측정은 섬유 링크와 실리콘 기판내의 흡수 밴드의 효과를 제거한 측정의 각각의 각도에서 선택된 블랭크 실리콘 스펙트럼을 참조하여 만들어진다. 이러한 특정 예에 대해, 포토닉 밴드 갭은 법선 입사에 근접한 것으로 알려졌고 그래서 이러한 스펙트럼이 완화의 레벨을 측정하기 위한 기준으로서 사용된다. (도 7 참조) 60°의 큰 외부 각도 검침 범위가 계면에서의 굴절로 인해 14°의 내부 각도 범위에 해당하고, 장치의 감소된 굴절률을 보상한다. 섬유 링크내의 흡수 밴드는 스펙트럼상에 잡음 스파크로서 나타나고, 이중 가장 강한 것은 2500cm에서 이다.
PBG 구조는 1500 내지 대략 4800cm-1(2㎛ 내지 6.7㎛)의 강한 완화를 야기하였고, 입사각으로서 거의 선형적으로 증가된 완화 레벨은 격자의 평면에 법선으로부터 떨어져 이동한다.
이론적으로 예상된 '인 플레인' 밴드 도표와 스펙트럼을 비교하는 것(255 평면파를 사용하여 Plihal등의 평면파 방법으로 계산된 [M. Plihal, A. A. Maradudin, Physical Review B, 44, 8565,(1991)])은 둘 사이에 우수한 일치를 제공한다. 하지만, 검출된 밴드 갭이 밴드 도표에 의해 예상된 것보다 훨씬 적은 파수로 확장한다. 본 발명의 광학장치는 실질적으로 시준되지 않은 광을 격자 평면내에서 모든 파 전파를 동시에 여기시키는 장치에 비추고, 사실상 평균 밴드 갭은 격자 평면내에서의 파 전파의 모든 각도에 대해 측정된다. 그러므로, 이는 낮은 두 밴드의 평균 파수를 가진 검출된 밴드 에지를 비교한다. '평균' 밴드 갭은 1752cm-1내지 4760cm-1로 확장된다. 검출된 밴드 갭 에지는 스펙트럼 잡음에 의해 검출된 에지와 예상된 에지 사이에 매우 우수한 일치를 가진다.
통상적으로, 마이크로채널 플레이트는 유리 모세관 튜브를 함께 적층함으로써 제조되고, 다음으로, 수 미크론으로 나온 결과의 자의 피치를 감소시키도록 도면으로 작성한다. 다음으로, 튜브가 광-방출 재료로 코팅된다. 제조 프로세스는 매우 노동집약적이고 (최종 격자 피ㅊ에 의해 결정된) 최대 해법은 모세관 튜브의 붕괴를 야기함없이 또는 외부 적층 결함을 유입함없이 섬유 번들을 도시화는데 있어서의 기술적인 어려움에 의해 제한된다. 이러한 문제점은 마이크로채널의 최대 직경을 제한한다. 이러한 현존하는 플레이트의 크기는 전형적으로 ∼7mm 격자 피치 및 전체적으로 직경 ∼2cm로 제한된다.
마이크로채널 플레이트는 도 23에 개요된 프로세스의 변경을 사용하여 바람직하게 제조된다. 이러한 플레이트를 포함하는 이미지 강화기는 도 24에 개략적으로 도시되어 있다. 이는 상술된 방법으로 제조된 마이크로채널 플레이트 MP의 하나의 표면(S1)상에 물체(O)로부터 방사선을 방출하도록 위치하는 렌즈(1)를 포함한다. 전자가 인광성 스크린(S)상에 부딪치도록 하는 다른 표면(S2)에 대해 포텐셜 차이가 적용된다. 본 발명의 이러한 특징에 따른 장치는 상당히 개선된 분해능(격자 피치가 500nm 이하 또는 기존에 제조된 것보다 적은)을 제공하고, 저가이며 제조가 용이하고, 수 십 센티미터 정도의 전체 직경을 가질 수 있고 반도체 기판을 제조하는데 사용된 웨이퍼에 의해서만 제한된다.
본 발명의 특정 실시예에 따라, 마이크로채널 플레이트는 n-도핑된 저저항(3-5Ω-cm)＜100＞ 실리콘 웨이퍼로 구성된 초기 기판을 사용하여 구성된다. 기판은 200nm 두께의 실리콘-이산화물 마스킹층을 형성하도록 산화된다. (선택적으로 실리콘 질화물 마스킹층은 LPCVD에 의해 증착된다.) 레지스트는 마스킹층상에 스핀되고 원하는 격자 패턴을 형성하기 위해 직접-기록 전자빔 리소그래피에 의해 노출된다. 레지스트가 현상되고 하드-베이킹되어 격자면에서 원형 윈도우를 형성한다. 이들이 최종적으로 필요한 구멍 직경보다 작다면, 윈도우는 임의의 크기일 수 있다. 다음으로 웨이퍼는 건식-에칭되고, 레지스트는 전체적으로 패터닝된 산화물(또는 질화물) 마스킹층을 남기도록 스트립핑된다. KOH 에칭은 보호되지 않은 산화물 윈도우의 면에서 피라미드형 노치를 형성한다.
다음으로, 오옴 접촉이 양극 에칭 프로세스를 위해 갈륨-인듐 공융을 사용하여 웨이퍼의 후면에 만들어진다. 다음으로, 구멍이 양극 에칭에 의해 필요한 깊이(또는 실제로 웨이퍼를 통해)로 성장된다. 장치는 건조 산소 환경내에서 산화되고 산화물은 불화수소산내에서 스트립핑되고, 구멍의 직경을 증가시킨다. 이러한 스테이지는 원하는 구멍 직경을 얻기 위해 반복된다. 최종 산화된 층은 제거되지 않고, 따라서 매우 절연된 코팅을 남긴다.
웨이퍼는 칼륨수산화물을 사용하여 후면 표면으로부터 에칭되어 후면 표면을 통해 구멍이 붕괴되도록 한고, 다음으로 웨이퍼가 다시 산화되어 후면 표면상에 절연층을 형성한다.
장치가 광-방출 재료로 코팅되고 마스크를 통해 재료(알루미늄 같은)를 증기화함으로써 전방 및 후면 표면에 저기 접촉이 이루어진다.
마이크로채널 플레이트내의 각각의 튜브는 포토-멀티플라이어와 같은 역할을 한다. 렌즈에 의해 튜브 아래로 조사된 광자는 광-방출 코팅내 다수의 전자의 방출을 야기한다. 이러한 전자는 튜브 아래로 전파하여 인광성 스크린을 향하고, 여기서 스크린상에 가시광 섬광를 야기한다. 희미하게 조명된 물체의 증진된 이미지가 스크린상에 나타난다.
여러 요소가 포토닉 밴드 갭의 특징에 영향을 미친다. 이들은: 격자 형상, 유전체 콘트라스트, 구멍 반경 및 파 편광 상태를 포함한다. 삼각형 격자는 가장 넓은 밴드 갭을 제공하고, TE 및 TM 편광된 파 모두를 위한 전체 PBG를 형성하는 가능성을 제공한다. 하지만, TM 편광된 밴드 갭을 형성하기 위해, 큰 유전체 콘트라스트가 요구된다. 이러한 이유로, 실리콘, 게르마늄 또는 갈륨비소와 같은 반도체 재료가 PBG의 제조시 자연스럽게 선택된다. 하지만, 이러한 재료는 근적외선(NIR)에서 투과적이 된다. 가시영역에서 투과적인 비교적 낮은 지수 재료(실리콘 질화물)로부터 도파관 장치를 제조하였지만, TE 편광된 밴드 갭만을 지지할 수 있다.
PBG에 대한 하나의 응용은 LED 및 레이저와 같은 능동 광학-전자 장치내에 자발적인 방출의 제어이다. 이러한 응용을 위해, 모든 방출을 단일 좁은 통과대역 레이저 모드를 체널링할 3차원 PBG를 형성하는데 바람직한 것으로 간주된다. 대부분의 미세공동이 TE 및 TM 편광된 모드의 동일한 수를 지지하기 때문에, 이들 모두는 억압되어야 하고, 그렇지 않을 경우, 파워가 영향받지 않은 편광 상태에 재조사(redirect)될 것이고, 레이저 효율이 약간 게선될 것이다. 하지만, 편광 선택도는 많은 수동 장치에서 유용하다. 예를 들면, 광학 통신 장치의 커패시티는 편광 선택도를 모든 스위칭 컴포넌트내로 결합함으로써 두 배가 된다. 편광 선택도 또한 집적된 광학-전자 회로(IOEC)의 집적레벨을 증가시킨다. 이는 또한 진단도구로서도 사용할 수 있다. 제어로서 TM 편광된 광을 사용하여, 산란 또는 회절과 같은 매우 일반적인 광학 효과보다는 PBG로 인도된 모드 억압과 같은 일반적이지 않은 광학 특성에 영향을 줄 수 있다.
많은 실제적인 응용은 스톱 밴드로부터 떨어진 파장에서 저손실 투과를 필요로 할 것이다.
도 25에 도시된 실시예에서, 공기 구멍의 여러 행이 삼각형 격자상에 위치하고, 실리콘 기판(124)상의 실리콘 이산화물 버퍼층(123)상에 형성된 도파관 구조를 가진 산화물 커버층(121) 및 실리콘 질화물 코어(122)를 통해 플라즈마 에칭된다. 격자 피치는 300nm 또는 260nm이다. 광은 도파관내로 엔드-파이어 연결되었고, 격자 영역의 투과 특성이 검사되었다. 장치 설계시, 밴드 갭의 양 면중 하나에서의 파장으로 인도된 블로치 모드의 존재를 보장하기 위해 통상적인 도파 이론과 조합된 3차원 평면파 분석을 사용한다.
도파관은 열적으로 성장된 1.8㎛ 두께의 실리콘 이산화물 기판 버퍼층(n=1.46), 250nm 두께의 실리콘 질화물 코어(n=2.02) 및 75nm 두께의 실리콘 이산화물 클래딩층을 포함한다. 코어 및 클래딩층은 모두 저압 화학 기상 증착(LPCVD)에 의해 증착된다. 웨이퍼는 UVIII 레지스트를 사용하는 직접 기록 전자빔 리소그래피에 의해 패터닝되고, 이어서 플라즈마 에칭되어 좁은 등방성 구멍(도 1 참조)를 형성한다. 놀랍게도, 50-120nm 범위의 직경을 가지며 260nm 피치의 삼각형 격자상에 위치하는 매우 작은 구멍이 리소그래피만을 제어함으로써 형성된다. 하지만, 이는 여전히 너무 작아서 큰 포포닉 밴드 갭을 형성할 수 없다. 넓은 구멍을 직접-기록함으로써, 레지스트내 표면 장력이 패터닝이 현상하자마자 지워지도록 한다.
이러한 문제에 대한 해법은 매우 좁은 구멍을 초기에 에칭하고 다음으로 질화물 선택 에칭을 사용하여 질화물 코어층까지 확장시키는 것이다. 이는 또한 초기 제조 이후 포토닉 밴드 갭의 정밀한 튜닝을 허용한다(도 26 참조).
통상적인 회절 격자와는 달리, 구멍의 크기는 스톱 밴드에 근접한 파장에서 레일리 분해능 한계 이하이고, 그래서 전파하는 파에 의해 적절하게 분해될 수 없다. 결과적으로, 평균 지수 접근법은 일반적인 도파관 특성의 우수한 접근을 제공하는데 사용될 수 있다. 통상적인 도파관에서, 광은 전체 내부 반사에 의한 낮은 지수 유전체 클래딩에 의해 둘러싸인 높은 지수 유전체 영역 내부에 한정된다. 밴드 갭 외부의 파장에서 PBG 장치에 대한 투과를 허용하기 위해, 코어의 유효 지수는 반드시 클래딩 및 버퍼층의 유효 지수보다 커야만 한다. 이는 구멍의 반경을 제한하고, 이는 다시 공기 충진 비율(f) 및 PBG의 밴드 갭을 제한한다. 하나의 해법은 기판 버퍼층 내부로 깊게 홀을 에칭하는 것이다. 이는 모든 도파관층의 유효 지수를 동일한 비율로 감소시키고, 큰 구멍의 잘 한정된 모드를 유지한다. 이러한 구조는 산화물 버퍼층 내부로 에칭된 좁은 모세관 투브형 부분을 선택적으로 확장시킴으로써 제조된다. 주위 깊은 제어를 통해, PBG 격자(SEM 도 17 참조)에 우수한 지지를 제공하는 매우 다공성을 가진 실리콘 이산화물 벌집형상부가 형성된다.
선택적으로, 도파관 코어는 격자 영역 하부에 공기 공동을 형성하도록 완전하게 언더컷된다. 이는 밀집하여 패킹된 구멍(SEM3 도 27 참조)에 대해서도 인도된 모드를 제공하는 완전하게 절연된 브리지 도파관 구조물을 형성한다. 이러한 장치는 동일한 매체가 PBG 격자의 양 측면상에 위치한다는 주된 장점을 가진다. 하지만, 브리지 도파관 구조물은 단지 수 개의 격자 주기이후 매우 붕괴되기 쉽다. 20 격자 주기 이상을 가지며 60% 이상의 공기 충진 비율을 가진 장치를 제조하는데 성공하였다.
2730행의 공기 구멍(반경 200nm)으로 구성되며, 40%의 공기 충진 비율을 가지며, 삼각형 격자(피치 300nm)상에 위치하고 그리고 단일 모드 실리콘 질화물 격자(코어 두께 250nm)에 걸쳐 스트립으로서 기록된 장치는 스펙트럼의 가시광 영역내에 편광 의존 밴드 갭의 존재를 나타낸다. 도 28의 사진은 이상으로부터 이러한 장치를 직접 나타낸다. He-Ne 레이저로부터의 적색광(632.8nm)은 장치에 엔드-파이어(end-fire) 연결되고, T-J 격자 대칭 방향을 따라 전파하는 PBG 스트립에 수직하게(사진의 좌측에서 우측으로) 입사된다.
광경로는 도파관내의 미세-산란으로 인해 나타난다. TM 편광된 적색광이 단일빔으로서 강하게 투과되는 것이 명확하지만(도 28 참조), TE 편광된 적색광은 장치에 의해 완전하게 차단된다(도 29 참조). 도 30과 도 31은 녹색광에 대한 해당 사진이다. TE 편광된 광은 도파관 외부로 수직으로 산란되거나 또는 입사빔 경로를 따라 다시 반사된다. 위로 산란되는 것들 사이에는 눈에 보이는 증가는 없다. 튜닝 가능한 염색 레이저를 가진 He-Ne 레이저 소스를 교체함으로써 하부 밴드 에지는 620nm를 나타낸다. 산란이 이러한 효과에 대해 어떠한 영향도 미치지 않는다면, 강한 단일빔 투과는 575nm 이하의 튜닝 가능한 범위의 나머지 이상으로 유지된다.
비록 수 천의 격자 주기를 통한 강한 단일빔 투과가 도 28-31에서 관찰되지만, 주기의 수가 상당히 감소된다면 일반적이지 않은 빔 분할 효과가 나타나게 된다. 60행의 공기 구멍(반경 150nm)으로 구성되며, 260nm 피치의 삼각형 격자상에 위치하고, 그리고 26%의 공기 충진 비율을 가진 장치가 이를 가장 잘 나타낸다. 도 32는 이상으로부터 직접 이러한 장치를 통해 통과하는 광을 도시한다. 웨이퍼의 곡선진 에지가 우측에 도시되어 있고, PBG 스트립은 두 개의 정사각형 마커 블록에 의해 경계지어진 사진의 상부에서 하부로 진행한다. 레이저는 현미경 대물렌즈에 의해 쪼개진 도파관 면(facet)으로 집속되고, T-J 대칭 방향을 따라 광을 방출한다(도 33, 34 참조).
도 32의 사진은 PBG 구조를 횡단하는 동안 632.8nm(상부 밴드 갭 이상)에서의 TE 편광된 적색광의 특성을 나타낸다. 입력빔은 장치에 입사되자마자 6개의 빔으로 분할된다. 3개의 빔은 장치를 통해 투과되고, 2개의 빔은 410에서(PBG 스트립에 대해 측정된)에서 후면 반사되며 그리고 3번째 빔은 입력빔 경로를 따라 다시 반사된다. 재-반사된 빔의 궤적은 웨이퍼 에지로부터 장치상에 반사되는 것을 나타내고, 여기서 다시 6개의 빔으로 분할된다. 다른 빔 경로중 하나의 방향으로 광을 방출시킴으로써 정확하게 동일한 패턴이 얻어진다. 이러한 효과는 격자 대칭 평면으로부터 0차 2차원 회절에 의한 것이다.
594nm에서 황색광은 장치에 의해 완전하게 차단되고, 2세트의 재-반사 빔이 있게 된다. 545nm에서 녹색광에 대한 하부 밴드 에지 아래로 훨씬 더 일반적이지 않은 특성을 가진다(도 35의 사진 참조). 비록 2세트의 재-반사빔이 있지만, 하나의 투과빔만이 있다. 튜닝 가능한 염색 레이저를 사용하여, 상부 밴드 에지가 607nm로 결정되었다. 575nm 이하로 확장된 나머지 튜닝 가능한 범위 이상의 밴드 갭이 545-575nm의 하부 밴드 갭 에지를 형성한다. TM 편광된 광은 전체 튜닝 가능한 범위에 대해 단일 빔 투과를 제공하였다. 격자 주기를 30으로 감소시킴으로써 재-반사된 빔의 강도를 증가시키지만, 투과된 빔은 상당히 완화된다. 주기수를 20 이하로 감소시키면, 빔 분할이 관찰되기는 하지만 밴드 갭은 거의 사라진다.
도 28에 도시되 것과 유사한 장치는 광대역 편광 선택을 나타낸다. 장치는 하나의 각도로 설정되고, 입력빔은 웨이퍼의 우측 에징상에서 PBG 스트립의 단부에 인접하여 입사된다. TM 편광된 녹색광은 PBG에 의해 웨이퍼로부터 명확하게 굴절되는 반면(도 36 참조), TE 편광된 녹색광은 PBG에 의해 재반사된다(도 37 참조). 다음으로 입력빔을 따라 거의 모두가 쪼개진 웨이퍼 에지로부터 다시 반사된다. 이는 632.8nm 이하의 가시 스펙트럼 전체에 작용하는 광대역 효과이다. 이는 집적된-광학 편광 선택 엘리먼트로서 PBG용 새로운 수동 응용을 나타낸다.
삼각형 격자에 기초한 PBG 장치는 주의 깊은 설계로 밴드 갭으로부터 떨어진 파장에서 효율적인 단일 빔 투과를 제공할 수 있디. 좁은 통과대역 또한 직사각형 격자내로 결함으로 유도함으로써 형성될 수 있다. 이는 밴드 갭 파장 범위내에서 매우 좁은 모드를 형성하는 효과를 가진다. 각각이 약간 다르게 튜닝된 결함 모드를 가진 이러한 PBG 장치 어레이는 WDM 통신을 위한 단결정으로 집적된 디멀티플렉서의 기초를 형성할 수 있었다.
격자 주기수를 감소시킴으로써, 큰 파장 범위이상으로 입력빔을 여러 출력빔으로 분할하는 PBG 장치가 설계될 수 있다. 이러한 효과가 2차원 1차 회절에 기여하기 때문에, 출력빔의 수는 격자 대칭 평면의 수에 의존한다. 여러 구조를 캐스케이딩함으로써, 새로운 형태의 양방향 디멀티플렉서가 구성될 수 있다. 게다가, 결함 모드를 장치에 결합시킴으로써, 협대역 파장 선택가능한 교차-연결 포트가 만들어질 수 있다. 밴드 갭의 편광 의존성은 집적된 광학 편광 선택기로서의 역할을 하는 PBG 장치를 형성하는데 사용될 수 있다.
도 37은 원하는 주파수 특성을 만들기 위해 격자 구조내에 결함을 유입하는 원리를 도시한다. 도 37a는 삼각형 패킹 배치내의 홀(130) 어레이를 가진 PBG 격자를 도시한다. 도 37b에서, 이러한 홀의 특정 홀이 격자내의 남아있는 갭(131)을 버리는 반면, 도 37b에서는 큰 크기의 이러한 홀(132)이 이러한 갭으로 대체된다.
도 38은 홀의 행간 이격이 점진적으로 증가되는 어레이를 도시한다. 이격 d는 행마다 선형적으로 증가된다. 이러한 배치는 파장 분할 멀티플렉서내에 결합된다(도 39 참조). 이는 WDM(134)에 의해 분리되고 분리 출력 인도부(136)로 통과되는 입력 방사선 인도부로부터의 방사선을 가진 집적된 광학 칩의 형태를 개략적으로 도시한다. 도 40a-c는 이러한 컴포넌트가 네트워크 배치내에 결합되는 다른 실시예를 도시한다.
두 개의 주파수-의존 광학 컴포넌트의 구성이 도 41a와 도 41b에 도시되어 있다. 도 41a는 격자(130)내 갭(131)이 광을 구부러진 부분 주위로 인도하는 90°구부러짐을 도시하는 반면, 도 41b는 Y-분할기를 도시한다.
도 42a 내지 도 42d는 다른 PBG 구조물을 가진 필터의 주파수 특성를 도시한다. 도 42a와 도 42b의 배치는 각각 특성 주파수 f0상부 및 하부에 위치하는 넓은 스톱 밴드(140)를 가져서 저-통과대역 필터 및 고-통과대역 필터를 제공한다. 파상적인 갭 배치는 결함 노드(142)가 좁은 통과 대역을 제공하는 동안 좁은 스톱 밴드(141)를 제공한다. 상부 및 하부 밴드 에지는 참조부호 143과 144로 표시된다.
에너지의 밴드 갭의 에지에 인접하여 위치하는 광자는 PBG 구조(밴드 갭 그 자체내에서 멈추고, 이들은 정재파이다)를 통해 속도가 상당히 감소될 것이다. 투과된 (정보 전달) 광자 에너지에 인접한 PBG 영역을 제조함으로써, 광자 스트림이 감속된다. 이는 데이터의 신호 처리가 더욱 신뢰할만한 시간 스케일내에 발생하도록 한다(지연 라인이 전기 신호 처리에 사용되는 것과 정확하게 동일한 방식으로).
'인-플레인' 포토닉 밴드 갭의 편광 의존성은 3차원으로 확장될 수 있다. 비록 TE 및 TM 편광 상태가 계산에 관한 한 혼합되어 있지만, '3차원' 밴드 도표내의 각각의 분산 곡선은 특정 편광 상태와 고정적으로 관계될 수 있다. 이러한 원리를 추가로 확장시킴으로써, 밴드 갭의 3차원 편광 의존성은 사용 가능한 TE 편광된 밴드 갭이 낮은 굴절률 재료내에 형성되도록 한다.
광학 도파관을 연결시킬 때, 다른 굴절률을 가진 매체 사이의 계면에서 재-반사로 인한 손실을 가진 엘리먼트가 존재할 것이다. 재-반사 레벨은 두 매체 사이의 굴절률의 콘트라스트에 비례한다. 포토닉 밴드 갭 구조의 주요 요인이 높은 굴절률이기 때문에, 입력면에 입사하는 파의 상당한 파 반사가 있다. 재-반사의 실제 레벨은 PBG 구조내 인도된 블로치 모드의 유효 모드 지수에 의존할 것이다. 이러한 문제점을 극복하고자 하는 하나의 방법이 한 세트의 홀을 유입함으로써 도파관과 포토닉 밴드 갭 구조 사이의 경계에 인접한 유효 모드 지수를 분류하는 것이고, 홀의 직경은 PBG 구조내의 전파하는 블로치 모드의 파장보다 상당히 작다. 이는 전파하는 파에 감소된 굴절률을 제공하는 영역을 형성한다.
도 43은 도파관(W)으로 입력되는 입력파(I)를 도시하고 다른 굴절률을 가진 영역(R)에 의해 부분적으로 반사된다. 방사선의 나머지(T)는 투과된다. 도 44a는 주 포토닉 밴드 갭 영역(PBG)이 균일한 크기의 균일하게 이격하는 구멍(441)을 포함하는 일실시예를 도시한다. 이러한 영역의 경계에서, 점진적으로 작아지는 크기를 가진 구멍(442)은 주 밴드 갭 구조의 격자 위치에 해당하는 격자 위치를 차지한다. 선택적인 실시예에서(도 44b 참조), 이러한 지수-정합 구멍(443)은 더 작게 만들어지지만 균일한 크기와 이들의 패킹 밀도는 밴드 갭 영역으로부터의 거리가 증가함에 따라 감소된다.
에지 효과를 보상하기 위해 그리고 다른 광학 투과 특성을 제공하기 위해, PBG 격자내의 다른 위치에 다른 크기의 구멍을 제공하는 것이 때로는 바람직하다.
도 45는 구멍 반경이 인도된 에지에서 수정되어 전체 격자에 대해 균일한 구멍을 제공하는 PBG 절연된 도파관 부분을 도시하는 SEM이다. SEM의 최상부에서 밝은 균일한 직사각형 형상부는 광을 PBG 장치내로 인도하는 메사-절연된 도파관 부분이다.
도 46은 격자의 첫번째 두 행내의 구멍의 직경이 약간 증가된 PBG 격자의 예이다. (제 1 행의 직경이 격자의 나머지의 직경보다 확실히 크다.) SEM은 구멍 형상을 보기 위해 필요한 매우 높은 분해능으로 인해 낟알 모양이다.
도 47은 (도파관 에지에 가장 인접한) PBG 격자의 첫번째 두 행내의 구멍 등급의 좀더 확실한 예이다. 이러한 SEM은 또한 도파관 구부러짐을 보여준다.
도 48은 전자장치내에서 사용하기 위한 광학 버스의 개략도이다. 실리콘 질화물 도파관(WG)이 반도체 집적회로의 실리콘 기판(SC)의 표면상의 포토닉 밴드 갭에 의해 한정된다. 전기-광학 트랜스듀서(TEO)는 예를 들면, 전기 신호를 광학 신호로 변환하는 에르븀-도핑된 실리카 영역이고, 다음으로 이러한 신호는 도파관을 통해 예를 들면, 전자사태 다이오드와 관련하여 90° 구부러진 PBG인 광학-전자 트랜스듀서(TEO)에 전달된다.
마이크로프로세서 또는 통신장치와 관련하여 사용하기 위한 광학 버스는 예를 들면, 각각이 개별 전자-광학 또는 광학-전자 트랜스듀서(Rx, Tx)에 연결되는 다수의 광학 도파관(Z1-Z10)을 포함한다. 트랜스듀서는 전기 접촉부(C)를 가진다. 트랜스듀서 쌍 각각은 다른 주파수 통과대역 특성를 가져 WDM 장치내의 컴포넌트와 같은 역할을 한다.
비록 설명된 실시예가 스펙트럼의 가시 영역으로서 동작하는 것으로 설명되었지만, 본 나노-제조 처리와 재료 시스템은 적외선에서 사용하기에 적합하고, 모든 두 광학 통신 윈도우에도 사용할 수 있다. 당업자라면 이러한 파장으로 동작하는 크기로 스케일링하는 것이 비교적 간단하다는 것을 알 수 있을 것이다.
광학 필터는 비주기적인 홀 격자를 사용함으로써 제조될 수도 있다. 상술된 방법으로 제조된 도파관의 주파수-선택 필터 특성은 단일 모드 LED의 개선과 높은 효율성을 가능케 했다. 수동 필터는 단일 주파수 레이저, 단일-주파수 광학 클록 및 WDM 빔분할기를 포함하는 광학 컴포넌트가 가능하게 한다.
삼각형 격자 또는 흑연 격자와 같은 특정 격자 구조만이 양 편광 상태로 동작할 수 있다. 그러므로 정사각형 격자 구조는 편광 의존 필터를 제조하는데 사용된다. 격자 구조는 균일한 WDM 채널 응답을 제공하기 위해 콤브형 레이저 또는 콤브형 필터를 제조하도록 설계된다. 광학 지연 라인은 PBG 구조를 제어하기 위한 격자 형상을 사용하도록 구성된다. 이는 홀 형상의 조합을 사용하여 유사-주기 구조 또는 두 격자의 조합을 형성한다.

Claims (12)

  1. 미리 설정된 주파수의 방사선에 대해 적어도 부분적으로 비-투과적인 포토닉 밴드 갭을 형성하도록 제 1 광학적으로-투과적인 재료로 구성된 제 1 영역 및 하부-영역 어레이를 가지며 상기 제 1 영역과 경계를 이루는 제 2 영역으로 형성된 도파관을 포함하며, 상기 도파관의 방사선 투과 특성은 상기 제 2 영역의 투과 특성에 의해 적어도 부분적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  2. 포토닉 밴드 갭에 의해 적어도 부분적으로 경계지어지는 도파관에 의해 연결되는 제 1의 다수의 입력 포트 및 제 2의 다수의 출력 포트를 포함하며, 상기 제 1의 다수의 입력 포트중 적어도 하나는 제 1 주파수 범위를 가진 광학 신호를 통과시키고, 상기 제 2의 다수의 출력 포토중 적어도 하나는 제 2 주파수 범위의 광학 신호를 통과시키며, 상기 제 1 및 제 2 주파수는 상기 포토닉 밴드 갭에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 광학 전달장치.
  3. 포토닉 밴드 갭에 의해 경계지어지는 광학-투과적인 재료로 구성된 영역을 구비하며 상기 재료의 비-선형 광학 특성을 유도하는 도펀트를 함유하는 도파관을 포함하는 능동 광학장치.
  4. 포토닉 밴드 갭에 의해 경계지어지는 광학-투과적인 재료로 구성된 영역을 구비하며 상기 재료내에서 유사-안정 에너지 레벨을 유도하는 도펀트를 함유하는 도파관을 포함하는 능동 광학장치.
  5. 전기 전하 캐리어의 이동에 의해 신호를 전달하는 제 1 영역 및 전자기 방사선과 전자-광학 트랜스듀서 수단에 의한 해당 신호를 전달하는 제 2 영역을 포함하며, 상기 전자-광학 트랜스듀서는 상기 제 1 및 제 2 영역 사이에 위치하여 상기 신호를 상기 해당 신호로부터 또는 상기 해당 신호로 전환하며, 상기 제 2 영역은 포토닉 밴드 갭에 의해 적어도 부분적으로 경계지어지는 제 3 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학-전자 신호 전달장치.
  6. 포토닉 밴드 갭에 의해 적어도 부분적으로 한정되며 자신으로 또는 자신으로부터의 방사선 전달을 위한 입력 또는 출력 포트를 구비하는 도파관을 포함하며, 상기 입력 또는 출력 포트는 상기 도파관으로 또는 상기 도파관으로부터의 방사선의 전달을 증진시키기 위해 그레디드 굴절률을 가진 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 연결기.
  7. 다수의 파장에서 여기-방출이 가능한 에너지를 갖는 재료를 구비하는 영역을 가진 여기-방출 장치 및 상기 파장중 미리 설정된 적어도 하나를 선택하는 포토닉 밴드 갭 광학장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  8. 필터의 응답을 결정하는 특성을 가진 포토닉 밴드 갭에 의해 적어도 부분적으로 경계지어지는 전자기 방사선 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  9. 비-균일 격자 구조를 가진 영역을 구비하는 포토닉 밴드 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 따른 광학장치 또는 하이브리드형 광학-전자 신호 전달장치를 결합한 집적 회로.
  11. 시험할 재료에 노출되는 포토닉 밴드 갭을 가진 영역을 구비하는 광학장치를 포함하며, 상기 포토닉 밴드 갭의 광학 특성은 상기 영역이 상기 재료에 노출되었는지 또는 노출되지 않았는지의 여부에 따라 다른 것을 특징으로 하는 센서.
  12. 미리 설정된 주파수의 방사선에 대해 적어도 부분적으로 비-투과적인 포토닉 밴드 갭을 가진 하부-영역 어레이를 제 2 영역내에 형성함으로써 제 1의 광학-투과적인 재료로 구성된 제 1 영역내에 도파관을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 도파관의 방사선 투과 특성은 상기 제 2 영역의 투과 특성에 의해 적어도 부분적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 광학장치 제조 방법.
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