KR20060124721A - 실리콘 나노테이퍼 커플러 및 모드 정합 장치 - Google Patents

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KR20060124721A
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프라카쉬 고스오스카
로버트 키스 몬트고매리
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소햄 패스아크
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캐더린 에이. 야누쉬프스키
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Abstract

자유 공간 전파 광신호와, 실리콘 기판과 절연층 상의 실리콘(SOI : silicon-on-insulator) 구조체의 상부 실로콘 층에 형성된 극박의 실리콘 도파관 사이의 광 커플링을 제공하는 장치는, 절연층 상의 실리콘 구조체의 상부 실리콘 층(SOI 층)에 형성되고 극박의 실리콘 도파관에 연결된 실리콘 나노테이퍼 구조체를 포함한다. 유전체 절연층의 굴절률보다 크지만, 실리콘의 굴절률보다는 작은 굴절률을 지닌 유전체 커플링 도파관 층은, SOI 층의 관련 부분 영역에서의 유전체 절연층의 부분이 과도하게 제거되도록 배치된다. 유전체 도파관 커플링 층의 단부 부분은 자유 공간 전파 광신호와 극박의 실리콘 도파관 사이에서 모드 변환 영역을 형성하기 위하여 실리콘 나오테이퍼 단부 구역과 중첩되도록 배치된다. 자유 공간 광 커플링 장치(프리즘 또는 격자와 같은)는 유전체 도파관 커플링 층에 배치되고, 자유 공간과 유전체 도파관 커플링 층 사이의 전파 광신호를 연결하여 이 신호가 극박의 실리콘 도파관으로 진입하도록 사용된다.
절연층, 실리콘, 나노테이퍼

Description

실리콘 나노테이퍼 커플러 및 모드 정합 장치{SILICON NANOTAPER COUPLERS AND MODE-MATCHING DEVICES}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2004년 2월 11일에 출원된 가출원 제60/543,613호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 실리콘 기반의 나노테이퍼 커플러(nanotaper coupler)에 관한 것이고, 보다 상세하게는 극박(極薄)의 단일 모드 실리콘 도파관(waveguide)으로 출입하는 광신호의 커플링을 용이하게 하기 위하여 자유 공간 광 커플러(free-space optical coupler)와 공동으로 사용될 수 있는 나노테이퍼 커플러에 관한 것이다.
"나노테이퍼" 또는 "역 테이퍼(inverse taper)"는, 일반적으로 단일 모드 광섬유(예를 들어)와 극박의 단일 모드 고대비형 광 도파관 사이의 효율적인 커플링을 용이하게 하도록 사용되는 고대비형 도파관의 중심부의 말단 부분으로서 형성된다. 본 발명의 목적을 위하여, "극박의" 도파관은 대략 0.5㎛ 정도의 전형적인 너비와 대략 0.25㎛ 정도의 전형적인 두께를 가지는 것으로 정의된다. 전형적인 장치 구조에 따르면, 고대비형 도파관의 중심부에 인접한 나노테이퍼 부분의 측면 치수는 중심부의 너비와 대략 일치한다. 나노테이퍼의 측면 치수는 "선단(tip)"(즉, 고 대비형 도파관의 중심부로부터 멀리 떨어진 나노테이퍼의 부분)과 관계된 작은 값이 될 때까지 광 전파의 방향을 따라서 일정하게 감소한다. 선단 부분은, 광선이 "입구" 나노테이퍼를 향해 고대비형 도파관에 처음으로 들어가는 지점을 나타내거나, 또는 광선이 "출구" 나노테이퍼를 향해 고대비형 도파관으로부터 처음으로 나오는 지점을 나타낸다.
일부 종래 기술의 나노테이퍼에 있어서, 장치는 선단 위치가 잘려진 가장자리(cleaved edge)와 실질적으로 일치하도록 잘려진다. 이어서, 광선은 입구 나노테이퍼의 선단을 향해 입사되거나, 또는 출구 나노테이퍼의 선단으로부터 출사된다. 선택적으로 다른 종래 기술의 나노테이퍼에 있어서는, 선단의 위치가 잘려진 가장자리로부터 떨어진 장치의 내부에 위치하고, 이어서 광선을 잘려진 가장자리로부터 나노테이퍼의 선단으로 전송하기 위하여 보조 도파관이 사용된다. 보조 도파관은 일반적으로 극박의 도파관보다 큰 치수와 작은 굴절률을 가지므로, 이로 인해 광섬유로 진입하는 최대 커플링 효율이 달성되는데, 왜냐하면 보조 도파관의 모드 크기와 개구수가 극박의 도파관 변수보다 섬유 변수에 보다 근접하기 때문이다. 보조 도파관의 중심부는 1.5 내지 1.6 정도의 굴절률을 지닌 중합체 기반의 재료를 포함한다. 실리콘 질산화물, 첨가된 실리콘 이산화물과 같은 다른 재료는 보조 도파관의 중심부 영역을 형성하도록 사용될 수 있다.
특히, 종래 기술의 나노테이퍼 커플러는 일반적으로 한쌍의 도파관 구역을 포함한다. 더욱 큰 치수의 제1 도파관 구역은, 제1 구역의 일부가 제2 구역의 일부와 중첩되도록 더욱 작은 치수의 제2 도파관 구역에 대하여 배치되어서 "모드 변환 영역"을 형성한다. 한 예시적인 중첩 형상은, 도 1 및 도 2에서 이러한 형상을 각각 평면도와 측면도로 도시하는 미국 공개 특허 공보 제2004/0057667호에 개시되어 있다. 도시된 바와 같이, 도면 부호 1은 극박의 단일 모드 도파관을, 도면 부호 2는 모드 필드 크기 변환 영역(mode field size conversion region)을, 도면 부호 3은 보조 도파관 구역을, 도면 부호 4는 나노테이퍼를 나타낸다. 모드 필드 크기 변환 영역(2) 내에서, 나노테이퍼(4)는 선단(5)에서 상대적으로 작은 값(대개 50 내지 150nm)으로 시작되는 측면 치수를 가지며, 이어서 극박의 도파관 구역(1)과 관련된 소망한 최종 도파관 치수로 테이퍼진다. 나노테이퍼(4)의 두께는 모드 필드 크기 변환 영역(2)을 따라 상대적으로 일정하게 유지된다.
나노테이퍼(4)의 선단(5)과 관련된 모드 크기는 "보다 크고"(광선의 약한 제약(weak confinement)으로 인하여), 나노테이퍼의 크기가 팽창함에 따라 수축하며, 실효 굴절률이 나노테이퍼의 길이에 따라 증가하므로 보다 강화된 광선의 집중을 제공한다. 이러한 효과는, 요구된 모드가 극박의 단일 모드 도파관(1)과 관련된 보다 작은 모드로 변환되는 것을 용이하게 한다. 도시된 바와 같이, 광선은 보조 도파관 영역(3)의 단부면으로 입사되고(아마도 미도시된 광섬유로부터), 모드 변환 영역(2)에서 나노테이퍼(4)의 선단(5)에 도달할 때까지 방해를 받지 않고 전파한다. 이 지점에서, 광 빔은 보조 도파관 구역(3)의 상대적으로 낮은 실효 굴절률 층(7)으로부터 낮은 손실의 상대적으로 높은 실효 굴절률의 극박의 도파관(1)으로 전송되는데, 이는 모드 크기가 테이퍼진 정도를 따라서 점차 감소하기 때문이다.
이들 및 다른 종래 기술의 나노테이퍼 커플러가 광선을 광섬유로부터 극박의 단일 모드 도파관으로 성공적으로 전송해 왔으나, 이들 커플러를 적용하는 방법에는 제한이 있다. 종래 기술의 나노테이퍼 커플러를 사용하는 데 있어서 가장 큰 난관은 아마도 "단부 발사(end fire)" 커플링 요구, 즉 광섬유(또는 도파관)가 광 기판의 측벽(단면)을 통과하고 나노테이퍼로 들어가는 신호를 공급해야만 한다는 것이다. 이러한 커플링 배열은 절단(cleaving)과 연마의 측면에서(산란 손실을 줄이기 위해) 측벽 표면의 세심한 준비를 필요로 하고, 이어서 반사방지(AR:anti-reflective) 막이 도포된다. 이들 준비 활동은 비용이 많이 들어가며 시간 소모적이다. "단부 발사" 커플링과 관련된 보다 큰 문제점은, 오직 기판의 가장자리만이 커플링을 위해 사용될 수 있으며, 웨이퍼 표면의 잔부(remainder)는 종래의 나노테이퍼 커플러에 사용될 수 없다는 것이다.
추가적으로, 보다 큰 보조 도파관 구역은 수 미크론 두께(섬유에 대한 저손실 계면을 확립하기 위해)의 재료의 사용을 필요로 하는데, 이러한 치수는 종래의 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 처리 기술에는 적합하지 않다.
따라서, 보다 강하고, 커플링 장치로서 기판에 걸쳐서 실질적으로 어느 위치에서도 사용가능한 실리콘 나노테이퍼 커플러를 개발하는 것은, 본 기술 분야의 과제로 남아 있다.
본 기술 분야의 현존하는 과제는 본 발명에 의하여 극복되는데, 본 발명은 실리콘 기반의 나노테이퍼 커플러, 보다 상세하게는 극박의 단일 모드 실리콘 도파관으로 출입하는 신호의 커플링을 용이하게 하기 위해 자유 공간 광 커플러와 협력하여 사용될 수 있는 나노테이퍼 커플러에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, "나노테이퍼 커플러"는, 관련 피복(cladding) 재료의 굴절률보다는 크지만 실리콘의 굴절률보단 작은 중심부 굴절률을 구비한 얇은 유전체 커플링 도파관과 조합된 실리콘 나노테이퍼를 포함하는 커플링 장치에 관한 것이다. 전술한 바와 같이, 실리콘 나노테이퍼는 유전체 도파관(보조 도파관으로서의 역할을 수행하는)과 중첩되는 방식으로 배치되는데, 이는 모드 변환과 전파 신호를 관련 극박의 실리콘 도파관으로 커플링하기 위함이다. 프리즘 커플러 또는 격자 구조체와 같은 자유 공간 커플링 장치는, 자유 공간 광신호를 도파관 표면을 통하여 얇은 유전체 커플링 도파관으로 연결하기 위하여 본 발명에 따라 사용된다. 따라서, 종래 기술에서 요구되는 "단부 발사" 커플링 장치에 대한 수요가 없어진다.
또한, 종래 기술의 나노테이퍼 커플러에서 유전체 도파관을 포함하는 재료의 두께 및 굴절률에 대한 제약은, 자유 공간 커플링 장치(예를 들어, 프리즘 커플러 또는 격자)를 사용함으로써 상당히 완화된다. 자유 공간 커플링 장치는, 광선을 재료의 얇은 층으로 효과적으로 연결하고 굴절률 값의 범위를 수용할 수 있다. 따라서, 적절히 높은 굴절률 재료가 유전체 도파관 중심부를 포함하는 것이 가능하다면, 유전체 도파관의 치수는 반도체 가공에 적합한 수치로 감소될 수 있을 것이다. 실리콘 질화물(n≒2)은 본 발명을 수행하는 데 사용될 수 있는 하나의 예시적인 유전체이다.
실리콘보다 낮은 중심부 굴절률을 구비한 얇은 유전체 커플링 도파관을 사용하는 것은, 자유 공간 커플링 장치에서의 다양한 조정을 가능하게 하고 향상된 효율을 제공함으로 바람직하다. 예를 들어, 유전체 층의 두께는 커플링에 필요한 최적 두께(선택된 소정의 유전체 재료로서 기능하는)를 제공하는 종래의 CMOS 제조 공정에 의하여 제어될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 포커싱 광학 기기는 광 빔이 실리콘 나노테이퍼의 입구에 접근함에 따라 연결된 광 빔의 측면 치수를 줄이기 위하여 유전체 커플링 도파관 내부에 포함된다. 유전체 커플링 도파관 자체는, 나노테이퍼와의 계면에서 반사를 줄이기 위하여 측면 치수에서 테이퍼진 프로파일을 포함할 수 있다.
유전체 커플링 도파관의 재료로 실리콘 이외의 다른 재료를 사용하는 것은, 실리콘 이외의 다른 재료가 관련 자유 공간 광 커플러를 형성하도록 사용되게 하는데, 표면 도파관 층을 출입하는 광선 빔을 연결하는데 필요한 발사 조건의 지형에 소정의 완화부를 공급한다.
실리콘 나노테이퍼와 결합한 유전체 커플링 도파관이, 광전자 구조체 상의 소정의 위치에서 극박의 실리콘 도파관을 출입하는 커플링을 제공하도록 사용될 수 있다(이에 제한되지 않으며, 즉 입력/출력 커플러로 사용한다)는 것은 본 발명의 다른 태양이다. 이 경우에, 유전체 커플링 도파관은 극박의 도파관 특성(예를 들어, 확산하는 손실 문제)에 적합하지 않은 다양한 광학 장치(수동적인 장치)를 형성하도록 사용될 수 있으며, 극박의 도파관을 사용하는 것은 고성능 활성 광학 장치를 위해 남겨둔다.
본 발명의 또 다른 실시예 및 태양은 첨부된 도면과 다음 기재를 참고로 하여 명백하게 된다.
도 1 및 도 2는 예시적인 종래 기술의 나노테이퍼 커플링 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 형성된 SOI 기반의 예시적인 하이브리드 커플러의 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따라 형성된 SOI 기반의 예시적인 하이브리드 커플러의 평면도이다.
도 5는 예시적인 프리즘 커플러 내부의 빔 각, θSi와 관련된 파장을 도시한 선도이다.
도 6은 예시적인 프리즘 커플러로의 빔 입사각, θair와 관련된 파장을 도시한 선도이다.
도 7은 포커싱 광학 기기가 본 발명의 장치에 포함된 하나의 예시적인 장치의 평면도이다.
도 8은 수동 광학 기기가 유전체 도파관 층으로 통합되는 본 발명의 다른 실시예의 평면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 장치의 측면도이다.
도 10은 본 발명의 장치 내에서 수동 광학 기기를 포함하는 선택적인 장치의 평면도이다.
도 11은 사다리꼴 프리즘 커플러의 경우에 본 발명에 따라 형성된 입력 커플러 및 출력 커플러 모두를 포함하는 장치를 도시한 도면이다.
도 12는 도 11의 구조체에서 사용하기 위한 예시적인 출력 커플링 장치의 평면도이다.
도 13은 자유 공간 광 커플링 장치로서의 격자를 사용한 본 발명의 선택적인 실시예를 도시한 도면이다.
도 14는 도 13의 실시예의 평면도이다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기반의 나노테이퍼 커플러와 자유 공간 광 커플러를 포함하는 하이브리드 커플링 장치를 사용하는 것은, 종래 기술의 단부 발사 커플러와 관련된 수많은 문제점을 제기하고, 웨이퍼 규격 제조 및 자유 공간 광 커플링에 대한 추가적인 유연성을 제공한다. 도 3은 본 발명에 따라 형성된 SOI 기반의 예시적인 하이브리드 커플러의 측면도이고, 도 4는 그 평면도이다. 대부분의 경우에 있어서, 본 발명에 따라 형성된 장치는 실리콘 기판(10), 실리콘 이산화물 절연 층(12) 및 상부 실리콘 장치 층(이하"SOI 층"이라고 언급됨)(14)을 포함하는 SOI 구조체를 포함하며, SOI 층(14)은 일반적으로 1 미크론보다 작은 두께를 갖는다.
실리콘 나노테이퍼(16)(도 4에 최적으로 도시)는 SOI 층(14)의 영역 내에서 형성되고, 전술한 바와 같이 역시 SOI 층(14) 내부에 형성된 극박의 실리콘 스트립 도파관(18)으로의 효과적인 커플링을 제공하도록 사용된다. 본 발명에 따르면, 종래 기술의 단부 발사 나노테이퍼 커플링 장치와 관련된 수많은 제약들은, SOI 기반 의 구조체를 구비한 자유 공간 광 커플링 부재를 포함함으로써 극복될 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 프리즘 커플러(20)와 관련 미세 커플링 층(22)은, 유전체 도파관(24) 내의 전파 광선이 실리콘 나노테이퍼(16)에 도달할 때까지 자유 공간 광 빔을 유전체 도파관 커플링 층으로 연결하도록 사용되고, 이어서 광선은 극박의 실리콘 도파관(18)으로 전송된다. 선택적으로, 아래에 도시되는 바와 같이, 격자 구조체는 전파 광신호를 유전체 도파관 커플링 층(24)으로 안내하는 자유 공간 광 커플러로 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상대적으로 얇은 유전체 커플링 층(24)은 본 발명의 장치에 포함되어 프리즘 커플러(20)로부터의 입사 광선(I)을 실리콘 나노테이퍼(16)로 연결하는데 사용되며, 여기서 커플링 층(24)의 굴절률은 미세 커플링 층(22) 및 절연 층(12)의 굴절률보다는 크고 실리콘의 굴절률보다는 작게 선택된다. 일 실시예에 있어서, 실리콘 이산화물(n=1.45)은 미세 커플링 층(22)(뿐만 아니라 절연 층(12))을 형성하도록 사용될 수 있다. 이 경우에 있어서, 실리콘 질화물(대략 n은 2)은 유전체 커플링 층(24)을 형성하도록 사용될 수 있는데, 여기서 실리콘 질화물은 상보형 금속 산화막 반도체 공정에서 사용되는 일반적인 재료이며 소망한 치수로 나타나도록 증착되고, 형태화되며 식각될 수 있다.
소망한 광선 커플링을 나노테이퍼(16)로 제공하기 위하여, 유전체 커플링 층(24)의 단부는 모드 필드 크기 변환 구역(26) 내의 나노테이퍼(16)의 소정의 말단 영역이 중첩되도록 배치된다. 유전체 커플링 층(24)은, 실리콘 스트립 도파관(도 3에 도시)의 상부 피복층(25)과 유전체 커플링 층(24) 사이의 계면에서의 반사 손실을 줄이기 위하여, 유전체 커플링 층이 나노테이퍼(16)(도4에서 참조번호 28로 도시)에 가까워짐에 따라 측방향으로 테이퍼진 프로파일을 포함하도록 형상되는 것이 바람직하다. 이하에서 자세하게 기재되는 바와 같이, 포커싱 부재(30)가 유전체 커플링 층(24) 내에서 형성되고 입사 빔을 나노테이퍼(16)에 적합한 스폿(spot) 크기로 포커싱하는 것을 용이하게 하도록 사용된다. 포커싱 부재(30)는 모드 보존 커플러를 형성하는 렌즈, 거울 또는 단열 커플링 장치의 형태를 취할 수 있다.
작동 중에는, 입사 자유 공간 광신호(I)가 프리즘 커플러(20)의 입력 패싯(39)에 충돌하고, 이어서 유전체 커플링 층(24)의 슬래브 모드로 연결되는 미세 커플링 층(22)을 통과한다. 전파 광 빔(B)의 윤곽이 도 4에 도시된다. 바람직하게는, 이러한 커플링 장치의 사용은, 프리즘 커플러(또는 다른 자유 공간 광 커플링 장치)와 미세 커플링 영역이 존재하는 한, 빔이 사실상 소망한 위치에서 웨이퍼 표면으로 들어가는 것을 허용한다. 게다가, 유전체 커플링 층(24)(실리콘 질화물과 같은)의 사용은 커플링 부재로서 실리콘 재료(특히, SOI 층(14))를 사용하는 것과 관련된 과거의 제약을 완화한다. 또한, 이러한 유전체 커플링 층을 위한 선택 재료의 사용은 프리즘 커플러(20)를 위한 다른 재료의 선택 가능성을 열어준다.
입력 커플링 영역에서 SOI 층(14)을 대신하여 별개의 유전체 커플링 층(24)을 사용하는 장점은, 이러한 입력 커플링 영역의 굴절률이 필요한 대로 변경될 수 있다는 것이다. 대부분의 종래 기술에 있어서, SOI 층(14)은, SOI 구조체를 연결하기 위하여, 그리고 광전자 시스템 내의 다른 성분을 형성하기 위하여 사용된다. SOI 층의 이들 부가적인 요구는 광과 전기를 고려하는 경우 SOI 층(14)의 도핑 및 두께를 모두 제어하므로, SOI 층(14)의 변수가 커플링 성능의 최적화를 위해 변경되는 것을 허용하지 않는다. 이러한 제약은 입력(뿐만 아니라 출력) 빔을 위한 발사 조건의 형상에 중대한 제약을 차례로 부가한다.
따라서, SOI 층(14)을 가공함으로써 층의 부분을 제거할 수 있고 실리콘 질화물과 같은 유전체 도파관 커플링 재료로 교체할 수 있으며, 증착된 실리콘 질화물 층의 두께는 최종 유전체 영역이 효과적인 광 커플링에 필요한 정확한 치수를 나타내도록 하기 위하여 제어(표준 상보형 금속 산화막 반도체 공정을 사용하여)될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 유전체 커플링 층(24)의 두께는 절연층이 1.0㎛ 정도의 두께인 경우에 0.5㎛보다 작을 수 있다.
종래의 장치에 있어서, 실리콘 도파관 영역(일반적으로, SOI 층)은 자유 공간 빔을 필요한 경우 실리콘으로부터 관련 프리즘 커플러가 역시 형성되는 SOI 구조체로 연결하는데 이용된다. 최근에는, 도파관 커플링 영역(실리콘보다 낮은 굴절률을 지닌)을 위한 다른 유전체 재료를 이용함으로써, 수많은 다른 재료 및/또는 장치가 프리즘 커플러를 형성하는 데 사용될 수 있다. 다른 재료를 선택하는 능력은, 입력 빔 커플링 각(입력 패싯(32)에 대한)과 미세 커플링 층(22)의 두께/특성 등에 대한 절박한 요구들을 약간 완화하는 것도 고려되어야 한다.
커플링 도파관으로서 실리콘 대신에 실리콘 질화물을 사용함으로써 얻는 부가적인 장점이 발견된다. 실리콘 질화물을 사용할 때에 광선 발사 조건은 파장에 덜 민감한 것으로 알려졌으며, 이로 인해 본 발명의 커플링 장치가 보다 넓은 파장 범위에서 사용된다. 도 5 및 도 6은 θSi(프리즘(20) 내부의 빔 각, 도 3 참조)와 θair(프리즘(20)으로의 빔 발사각, 도 3 참조)도에 대한 본 발명의 이러한 측면을 도시하는 선도를 각각 포함한다. 도 5에 따르면, 종래 기술의 실리콘 커플링 층과 실리콘 질화물 도파관 커플링 층을 사용한 것의 비교가 도시되어 있다. 결과로부터 명백한 바와 같이, 효율적인 커플링 복수 파장을 허용하는 단일 장치(특히, 파장 분할 다중 방식(WDM) 적용에서 유용한)를 허용하는 실리콘 질화물 커플링 도파관을 사용하는 경우 입력 파장이 1.3 내지 1.65 ㎛의 범위에서 변화함에 따라 θSi에 대한 최적값이 약간 변화한다. 이와는 반대로, 종래 기술의 장치는 이러한 동일 파장 범위에 걸쳐서 5°이상이 변화함을 나타낸다. 유사한 결과가 도 6의 그래프에 도시되는데, 여기서 θair에 있어서의 종래 기술의 변화는 주시되는 파장 범위에 걸쳐서 20°미만으로부터 최대 40°까지 변화함을 나타낸다. 본 발명에 따른 실리콘 질화물 커플링 도파관을 사용하는 때에는, 이 각은 동일한 파장 범위에서 5°를 넘지 않는 값으로 감소한다.
유전체 커플링 층(24)으로부터 밑에 놓인 유전체 층(12) 및 기판(10)으로 들어가는 누설 광선에 의하여 광신호 손실을 방지하기 위하여, 유전체 커플링 층(24) 내부의 광신호의 제약이 요구된다. 따라서, 유전체 커플링 층(24)의 굴절률은 표준 피복 재료(예를 들어, n=1.45를 갖는 실리콘 이산화물)의 굴절률보다 상당히 초과해야 한다. 전술한 바와 같이, 대략 2의 굴절률을 갖는 실리콘 질화물은 이러한 목적으로 사용될 수 있는 상당히 높은 굴절률 재료이다. 첨가된 실리콘 이산화물, 실 리콘 질산화물 및 실리콘 탄화물과 같은 다른 재료도 역시 사용될 수 있다.
유전체 커플링 층(24)의 효율적인 두께는 일반적으로 1 미크론보다 작은 반면에, 빔 직경(광 모드 프로파일(O)에 의해 도시된 바와 같이)은 10 미크론 정도일 수 있다. 빔을 극박의 실리콘 도파관으로 효율적인 커플링을 제공하기 위하여, 빔의 측면 치수가 도파관의 치수로 감소되는 것이 필요하다. 소망한 커플링 파워를 제공하기 위하여 종래 기술의 나노테이퍼 장치를 사용하는 것은, SOI 기반의 광전자 장치를 사용하기에 부적절한 길이를 갖는 나노테이퍼를 필요로 하므로, 공간이 귀하게 된다. 따라서, 부가적인 포커싱 광학 기기(30)는 빔이 유전체 커플링 층(24)과 나노테이퍼(16)의 중첩에 의해 한정된 모드 변환 구역(26)에 들어오기 전에 광모드(O)의 측면 치수를 줄이기 위하여 유전체 커플링 층(24)을 따라 배치된 본 발명의 장치에 사용된다. 소망한 측면 제약을 제공하기 위하여 여러 가지의 다른 장치들이 사용될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 광밴드갭(PBG : photonic bandgap) 구조체가 유전체 커플링 층(24)을 따라 형성될 수도 있으며 모드 변환 영역(26)과의 계면에서 소망한 제약을 제공한다.
다양한 유형의 포커싱 장치는, 모드 변환 영역에서 소망한 빔 형상을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 도 7은 실시예 장치의 평면도를 나타내는데, 여기서 포커싱 광학 기기(30)는 유전체 커플링 층(24) 내부의 빔 경로를 따라 배치된 것으로 도시된 방향전환 거울(32)과 포커싱 거울(34)을 포함한다. 바람직하게는, 이들 도파관 거울은 종래의 상보형 금속 산화막 반도체 제조 기술을 사용하여 유전체 커플링 층(24)에서 용이하게 형성될 수 있다. 유전체 커플링 층(24)이 실리콘 질화물 층을 포함하는 경우에, 방향전환 거울(32)과 포커싱 거울(34)은 실리콘 이산화물을 포함할 수 있다. 이들 두 재료 사이의 굴절률 차로 인하여, 충돌하는 광 빔 모두는 접촉한 표면에서 실질적으로 반사된다. 따라서, 전파 광신호가 먼저 방향전환 거울(32)의 표면(36)에서 반사되어 포커싱 거울(34)의 표면(38)으로 향한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 포커싱 거울(34)에 의한 집중으로 인해 빔이 모드 변환 영역(26)으로 들어감에 따라 측면 치수가 감소하고 최종적으로 나노테이퍼(16)로 들어간다.
또 다른 실시예(비도시)에 있어서, 도파관 볼록 렌즈가 유전체 커플링 층(24) 내에서 제조될 수 있다. 이 경우에, 유전체 커플링 슬래브 층(24)은 실리콘 질화물을 포함하는 반면에, 렌즈 부재는 산화물 재료로 형성된다.
좁고 극박의 실리콘 도파관("실리콘 와이어"라고도 불림)은 0.2㎛ x 0.5㎛정도의 작은 치수를 가지며 이들의 유전체 대응 부품보다 약간 더 손실되는 경향이 있다. 증가한 광손실은 높은 대비 지수, 측벽 거칠기, 첨가 요구 등과 같은 요소에 기여할 수 있다. 장치 민감도(예를 들어 센서와 같이)를 증가시키는 매우 낮은 손실 적용 또는 매우 긴 광 경로 거리를 요구하는 적용의 경우에 있어서, 실리콘 와이어 도파관과 관련된 손실이 매우 높다. 따라서, 본 발명의 가르침에 따르면, 유전체 커플링 층(24)과 실리콘 나노테이퍼(16)의 조합은 여러 가지의 광학 장치를 유전체 커플링 층(24) 또는 실리콘 와이어(18) 내에 의도적으로 위치시키도록 사용될 수 있다. 여러 수동 광학 장치(예를 들어, 렌즈, 거울, 필터, 격자 등과 같은)는 유전체 커플링 층(24) 내에서 형성될 수 있는데, 이는 층(24)이 상대적으로 긴 도파관 경로 길이가 사용되도록 허용하는 보다 큰 치수를 갖기 때문이다. 따라서, 실리콘 와이어(18)는 중요한 활성 광학 장치에만 사용되도록 저장될 수 있다.
도 8은 여러 수동 광 장치(40)를 유전체 커플링 층(24)으로 통합하기 위한 실시예 장치의 평면도이고, 도 9는 부분적인 측면도(관련된 커플링 광학 기기가 없는)이다. 소극 광학 장치의 소정의 수나 유형은 도 8 및 도 9에 도시되지 않는다. 선택적인 실시예가 도 10에 도시되는데, 방향전환 거울(32)과 포커싱 거울(34)은 여러 광학 장치(40)의 출력부에 배치되므로, 포커싱 거울(34)에서 나오는 출력을 모드 변환 영역(26)으로 직접 집중시킨다.
본 발명의 이러한 태양은 SOI 구조체 내의 여러 위치에서 이행될 수 있으며 SOI 층을 출입하는 광을 커플링하는 작용이 필요 없다. 다시 말하면, 유전체 커플링 층(24)과 나노테이퍼(16)의 조합은 소극 및 활성 광 구조체가 요구되는 여러 위치에서 현명하게 사용될 수 있는데, 소극 장치는 유전체 커플링 층(24)에서 형성되고 나노테이퍼(16)는 소극 구성품으로부터의 광선을 실리콘 와이어(18)에 형성된 하나 또는 그 이상의 활성 장치와 효율적으로 연결하도록 사용된다. 이어서 유사한 테이퍼가 사용될 수 있고, 실리콘 와이어로부터의 광 에너지를 다른 유전체 도파관으로 전송한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 자유 공간/나노테이퍼 커플링 장치는 커플러를 통하여 극박의 실리콘 도파관 영역으로부터의 출력 커플링을 향상하도록 동일하게 적용될 수 있다. 도 11은 입력 커플러와 출력 커플러 모두를 포함하는 장치를 도시하는데, 이 경우에 있어서는 사다리꼴 프리즘 커플러(50)이다. 도 11에 따르면, 사다리꼴 프리즘 커플러(50)가 입력 패싯(52)과 출력 패싯(54)을 포함하는 것으로 도시된다(입력 빔(I)은 입력 패싯(52)과 충돌하고, 출력 빔(O)은 출력 패싯(54)과 충돌하는 것으로 도시).
전술한 바와 같이, 입력 빔(I)은 프리즘 커플러(50)를 따라 전파하고, 이어서 미세 커플링 층(22)으로 진입한다(여기서, 미세 커플링 층(22)은 일반적으로 실리콘 이산화물을 포함). 그 후, 광 빔은 유전체 커플링 층(24)에서 연결되고, 이어 신호는 적어도 포커싱 광학 기기(30)와 가능하다면 여러 소극 광학 장치(40)를 포함하는 소극 광학 장치(40)와 만난다. 모든 변환 영역(26)은 유전체 커플링 층(24)과 나노테이퍼(16) 사이의 중첩을 형성한다. 도시된 바와 같이, 광신호는 모드 변환 영역을 통하여 진행하고, 나노테이퍼(16)를 따라 전파하며 최종적으로 극박의("실리콘 와이어") 도파관(18)으로 연결된다. 도 11의 실시예에 명확하게 도시된 것은 극박의 도파관(18)에 대한 상부 피복층(25)(일반적으로 실리콘 이산화물을 포함)의 위치이고, 유전체 층과 하부 피복층(12)의 조합으로 극박의 도파관(18) 내의 전파 광신호를 제약한다.
출구 나노테이퍼로도 불리는 제2 실리콘 나노테이퍼(56)는, 극박의 도파관(18)의 말단에 배치된 것으로서 도 11에 도시된다. 이 경우에 있어서, 출구 나노테이퍼(56)의 측면 치수는 출력 커플링 패싯(54)에 가까워짐에 따라 좁아지는 것으로 도시된다. 이와 같은 양상은 도 12에 최적으로 도시된다. 유전체 커플링 도파관(58)은 도 11 및 도 12에서 출력 나노테이퍼의 말단 부분이 모드 변환 영역(57)을 형성하여 전파 신호가 유전체 커플링 도파관(58)으로 팽창하는 것으로 배치된 다. 소극 광학 장치(60)는 유전체 커플링 도파관(58) 내에서 형성되는 것으로 도시되는데, 도파관은 전파 신호를 출력 미세 커플링 층(62)으로 적절하게 향하고 커플링 프리즘(50)을 통과하여 출력 패싯(54)을 통해 나오도록 하기 위하여 적어도 조준 거울(collimating mirror)을 포함한다.
본 발명의 커플링 양상의 전술한 실시예가 자유 공간 광신호를 SOI 층으로 가져오기 위하여 프리즘 커플러를 사용하는 반면에, 여러 가지 다양한 자유 공간 커플링 장치가 본 발명의 유전체 도파관/나노테이퍼 장치와 공동으로 사용될 수 있다. 도 13 및 도 14는 프리즘 커플러(20 또는 50)를 대신하여 격자 구조체(70)를 사용하는 소정의 일 실시예를 도시한다. 도 13은 이러한 실시예의 측면도이고 도 14는 평면도이다. 도시된 바와 같이, 격자(70)는 자유 공간 광신호(I)를 유전체 커플링 층(24)에 연결하기 위하여 미세 커플링 층(22)(및/또는 유전체 층(24))에서 형성된다. 이러한 경우에 있어서, 격자(70)의 간극(도 13 및 14에 "A"로 표시된)은 유전체 커플링 도파관(24)의 특성과 협력하여 가장 효율적인 커플링 장치를 제공하도록 결정된다. 유전체 커플링 도파관(24)의 특성은 이러한 격자가 충분한 양의 커플링을 제공할 수 있도록 제조 중에 조정될 수 있는 것이 바람직하다. 비록, 도 13 및 도 14에 특정하게 도시되지는 않았으나, 도 11 및 도 12와 관련하여 기재된 바와 같이 출력 커플러로서 유사한 장치가 사용될 수 있다는 것이 명확하다.
따라서, 기재된 본 발명에 따르면, 본 발명의 실시예가 여러 다양한 방식으로 변경될 수 있음을 명백히 알 수 있다. 이러한 변화는 본 발명의 정신과 사상으로부터 벗어나지 않으며, 이러함 모든 개조는 본 기술 분야의 당업자에게 명확하고 아래에 기재된 특허청구범위에 의해 한정된 본 발명의 사상 내에 포함된다.

Claims (14)

  1. 자유 공간 전파 광신호와, 실리콘 기판과 유전체 절연층을 포함하는 절연층 상의 실리콘(SOI : silicon-on-insulator) 구조체의 상부 실리콘 층에 형성된 극박의 실리콘 도파관 사이의 광 커플링을 제공하는 장치에 있어서,
    좁은 제1 단부면과, 제1 단부면과의 사이에서 테이퍼진 구조체를 측방향으로 연장하고 광 커플링을 제공하기 위하여 극박의 실리콘 도파관과 연결되는 보다 넓은 제2 단부면을 구비하고, 절연층 상의 실리콘 구조체의 상부 실리콘 층(SOI 층)에서 형성된 실리콘 나노테이퍼 구조체와,
    유전체 절연층의 굴절률보다 크지만, 실리콘의 굴절률보다는 작은 굴절률을 가지며 SOI 층의 관련 부분 영역에서의 유전체 절연층의 부분이 과도하게 제거되고 SOI 층의 잔부 부분으로의 광 커플링이 바람직하며, 유전체 도파관 커플링 층의 단부 부분이 장 공간 전파 광신호와 극박의 실리콘 도파관 사이의 모드 변환 영역을 형성하기 위하여 좁은 제1 단면을 포함한 실리콘 나노테이퍼의 단부 구역과 중첩되는 주 상단 표면(top major surface)을 구비한 유전체 도파관 커플링 층과,
    자유 공간과 유전체 도파관 커플링 층 사이의 전파 광신호를 연결하여 극박의 실리콘 도파관으로 연결하기 위하여 유전체 도파관 커플링 층의 주 상단 표면에 배치된 자유 공간 광 커플링 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자유 공간 광 커플링 장치는 상기 유전체 도파관 커플링 층의 적어도 일부에 걸쳐 배치되는 미세 커플링 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자유 공간 광 커플링 장치는 아래의 유전체 도파관 커플링 층을 출입하는 자유 공간 신호를 연결하기 위하여 상기 미세 커플링 층 상에 배치된 광 프리즘 커플러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광 프리즘 커플러가 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광 프리즘 커플러는 유전체 도파관 커플링 층의 굴절률과 적어도 동일한 굴절률을 지닌 유전체 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 커플러 층은, 전파 광신호가 모드 변환 영역에 진입함에 따라 전파 광신호의 측면 경계를 더욱 좁게 제한하는 포커싱 광학 기기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광학 기기는, 실리콘 이산화물의 적절한 형태(pattern)의 영역을 유전체 도파관 커플링 층에 배치함으로써 형성된 적어도 하나의 도파관 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 커플링 층은, 모드 변환 영역과 떨어진 위치에 배치된 적어도 하나의 수동 광학 부품을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자유 공간 광 커플링 장치는 절연층 상의 실리콘 구조체의 표면에 배치된 커플링 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 장치는 유전체 도파관 커플링 층의 일부에 걸쳐 형성된 미세 커플링 층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 커플링 층은, 첨가된 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 및 실리콘 질산화물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료의 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 도파관 커플링 층은, 모드 변환 영역을 향하여 안으로 테이퍼지고 광 반사가 줄어들기 위하여 테이퍼진 측방향 프로파일을 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 절연층 상의 실리콘(SOI) 구조체의 상부 실리콘 층 내에서 형성된 극박의 실리콘 도파관 구역을 출입하는 커플링을 위한 웨이퍼 상의 장치에 있어서,
    절연층 상의 실리콘(SOI) 구조체의 상부 실리콘 층(SOI 층)에 형성된 채널 내에 배치된 다수의 유전체 도파관과;
    절연층 상의 실리콘 층의 선택된 부분 내에서 형성된 다수의 극박의 실리콘 도파관과;
    다수의 유전체 도파관 중에서 선택된 하나의 도파관과, 다수의 극박의 실리콘 도파관 중에서 선택된 하나의 도파관 사이의 광 커플링을 제공하기 위하여, 이들 사이에 배치된 다수의 실리콘 나노테이퍼를 포함하고, 각각의 나노테이퍼는 서로 간의 모드 변환을 제공하기 위하여 유전체 도파관의 관련 단부 구역에 의해 중첩된 좁은 제1 단부 부분과, 서로 간의 광 커플링을 제공하기 위하여 관련 극박의 실리콘 도파관에 연결된 보다 넓은 제2 단부 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 상의 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 다수의 유전체 도파관은 실리콘 질화물 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 상의 장치.
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