KR20130050985A - 이광자 흡수 기반의 실리콘 도파관 광 전력 모니터 - Google Patents
이광자 흡수 기반의 실리콘 도파관 광 전력 모니터 Download PDFInfo
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Abstract
도파관으로부터 나오는 광 전력을 모니터링하는 대신에, 디바이스 또는 시스템 성능에는 영향을 주지 않고서 도파관 내부의 광 전력을 모니터링하는 직접적인 방법이 제공된다. 도파관은 TPA 발생 전류를 유도하며, 다이오드를 역방향 바이어스하여 증강될 수 있는 p-i-n 구조를 포함한다. TPA 전류는 도파관의 상단 표면에 제공된 금속 컨택트들을 프로빙함으로써 직접 측정될 수 있고, 웨이퍼 레벨 테스트를 가능하게 할 수 있다. p-i-n 구조들은 집적된 네트워크 전반의 원하는 지점들에서 구현될 수 있고, 따라서 인-사이추 전력 모니터 및 고장 분석을 위한 상이한 디바이스들의 프로빙을 허용한다.
Description
본 발명의 실시예들은 광 전력 모니터링에 관한 것이고, 더 구체적으로는 실리콘 도파관 내에서의 인-사이추 광 전력 모니터링(in-situ optical power monitoring)에 관한 것이다.
인터넷 데이터 트래픽이 수년 간 기하급수적으로 계속하여 성장하고 전자 상호접속부들이 그러한 성장을 지속하기에는 한계에 도달해감에 따라, 전력 효율적이고 신뢰가능한 고대역폭의 광 링크들은 소비자 전자장치 및 서버 마켓을 변화시킬 가능성을 갖고 있다. 집적된 광전자 기술(integrated optoelectronic technology)은 개인용 컴퓨팅 디바이스들이 전례없는 속도로 데이터를 송신 및 수신할 수 있게 해 줄 중대한 조력자의 역할을 할 수 있다. 최근, 실리콘 포토닉 분야의 광 컴포넌트 연구에서의 많은 성공으로 인해, SOI(silicon-on-insulator)는 차세대의 집적된 광전자 시스템을 위해 선택될 가장 유망한 재료 플랫폼이 되었다. 전형적인 집적된 광전자 시스템은 레이저, 변조기, 다중화기/역다중화기, 광 검출기, 및 필터 및 커플러와 같은 다른 수동 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
레이저는 유도 방출(stimulated emission)을 통해 광을 방출하고, 적외선으로부터 자외선까지의 범위의 주파수 스펙트럼을 갖는 코히어런트 광 빔을 생성하는 잘 알려진 디바이스이며, 광범위한 응용들에서 이용될 수 있다. 집적된 포토닉 링크에서, 데이터는 레이저 소스로부터 변조기를 통해 인코딩되고, 도파관을 통해 전파된다. 많은 응용에서, 광 데이터는 동일 칩 상의 수 개의 능동 및 수동 컴포넌트를 통과하여 이동하고, 시스템의 다양한 스테이지들에서 광 전력을 모니터링하는 것이 바람직할 수 있다.
현재, 도파관 내부의 광 전력을 모니터링하는 하나의 표준적인 방법은 광 섬유 또는 자유공간 대물렌즈(objective)로 도파관을 빠져나가는 광을 수집하는 것이다. 광 전력은 외부 전력계(power-meter)로 측정될 수 있다. 실제 전력은 입력/전력 커플링 손실 및 도파관 전파 손실과 같은 몇몇의 미리 특징화된(pre-characterized) 손실을 가정함으로써 결정될 수 있다.
이러한 손실 특징화들 전부는 미리 세심하게 측정되고 보정된다. 예를 들어, 전파 손실은 통상적으로 온-칩 컷백 방법(on-chip cutback method)을 통해 측정되는데, 이를 위해서는 동일 칩 상에 다양한 길이의 수 개의 굴곡 도파관(bend waveguide)을 만들 필요가 있다. 각각의 굴곡 도파관으로부터의 광 전력이 측정되고, 통계적 피팅(statistical fit)을 통해 전파 손실이 결정된다.
위에서 설명된 방법은 귀중한 웨이퍼 영역들을 점유할 것이고, 컴포넌트 레벨에서 단순한 도파관 구조에서만 작용할 수 있다. 다수의 광 컴포넌트들이 동일 기판 상에 함께 링크되어 있는 집적된 포토닉 네트워크 세팅에서, 위에서 언급된 방법은 제대로 기능하지 않을 수 있다. 예를 들어, 네트워크 고장의 경우에서는, 집적된 네트워크 내의 고장 컴포넌트를 찾는 것이 중요하다. 위의 방법은 네트워크가 고장났는지 여부만을 결정하고, 네트워크의 어디가 고장났는지는 결정하지 않으므로, 대안적인 전력 모니터 방식이 요구된다.
앞의 내용과 본 발명의 더 나은 이해는 구성 및 예시적인 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명 및 청구항들을 첨부 도면들과 함께 읽으면 분명해질 수 있으며, 첨부 도면들 전부는 본 발명의 명세서의 일부를 형성한다. 상기 및 이하에서 기재되고 도시되는 개시내용은 본 발명의 구성 및 예시적인 실시예들을 개시하는 데에 초점이 맞춰지지만, 그것은 오직 설명 및 예시를 위한 것이며 본 발명은 그에 한정되지 않음을 분명히 이해해야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 p-i-n 도파관 단면의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 2a는 도 1에 도시된 것과 같은 p-i-n 도파관의 상면도를 포함하는 블록도이다.
도 2b는 도 2a의 선 A-A'를 따른 p-i-n 도파관의 단면도이다.
도 3은 도파관 내부의 광 전력 대 측정된 이광자 흡수(TPA) 발생 전류를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도파관 p-i-n 다이오드에 인가되는 역방향 바이어스된 전압 대 측정된 TPA 발생 전류를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도파관 내의 임의의 지점에서 인-사이추로 광 전력을 결정하기 위해 프로빙될 수 있는 집적된 포토닉 네트워크를 도시하는 블록도이다.
도 1은 일 실시예에 따른 p-i-n 도파관 단면의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 2a는 도 1에 도시된 것과 같은 p-i-n 도파관의 상면도를 포함하는 블록도이다.
도 2b는 도 2a의 선 A-A'를 따른 p-i-n 도파관의 단면도이다.
도 3은 도파관 내부의 광 전력 대 측정된 이광자 흡수(TPA) 발생 전류를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도파관 p-i-n 다이오드에 인가되는 역방향 바이어스된 전압 대 측정된 TPA 발생 전류를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도파관 내의 임의의 지점에서 인-사이추로 광 전력을 결정하기 위해 프로빙될 수 있는 집적된 포토닉 네트워크를 도시하는 블록도이다.
인-사이추 광 전력 모니터링을 위한 방법 및 장치가 설명된다. 최근, 레이저, 변조기, 광 검출기, 파장 변환기 및 파장 다중화기/역다중화기와 같은 실리콘 포토닉 컴포넌트들이 개발되어왔다. 이러한 개별 컴포넌트들 전부를 단일의 실리콘 기반 플랫폼에 집적할 때에는 집적된 시스템의 광 전력을 칩 레벨에서 모니터링할 수 있는 것이 바람직하다. 즉, 칩 상의 임의의 원하는 지점에서 광 전력을 모니터링하는 능력이 필요하다. 따라서, 인-사이추 전력 모니터는 시스템의 성능에 영향을 주지 않고서 시스템 내의 결함있는 컴포넌트를 식별하고 고립시키는 데에 유용할 것이다.
본 명세서 전반에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 그 실시예에 관하여 설명되는 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반의 다양한 장소에서 문구 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"가 나타난다고 해서, 그것이 반드시 모두 동일한 실시예를 나타내는 것은 아니다. 더욱이, 특정한 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
도 1을 참조하면, p-i-n 도파관 단면의 주사 전자 현미경 이미지가 도시되어 있다. 본 발명의 실시예들은 도파관 내부에서의 광 전력의 직접적인 프로빙을 허용하기 위해, 실리콘 도파관 내의 비선형 광학 효과, 즉 이광자 흡수(TPA: Two-Photon-Absorption)를 이용한다. 나타나 있는 바와 같이, 실리콘 기판(100) 상에는 매립된 산화물 층(BOX : buried oxide layer)(102) 및 립 도파관(rib waveguide)(104)이 형성되어 있을 수 있다. p-도핑 영역(106) 및 n-도핑 영역(108)은 립 도파관(104)의 양 측에 위치될 수 있다. 산화물 층(110)은 패시베이션 층으로서 구조물 위에 형성될 수 있다. 오믹 컨택트들(112 및 114)은 각각 비아들(116 및 118)을 통해 p-도핑 영역(106) 및 n-도핑 영역(108)과의 전기적 접촉을 이루도록 산화물 층(110) 상에 형성될 수 있다. 삽입 상자(120)는 립 도파관(104)의 확대도를 보여준다.
도 2a 및 도 2b를 동시에 참조하면, 도 1에 도시된 것과 같은 p-i-n 도파관을 더 설명하는 블록도가 도시되어 있다. 도 2a는 본 발명의 교시에 따른 광 도파관(211)의 상면도를 보여주고, 도 2b는 도 2a의 단면선 A-A'를 따른 광 도파관(211)의 단면도의 일 실시예를 보여준다. 도파관(211)은 실리콘 기판(200) 및 매립된 산화물(BOX: buried oxide) 층(202)을 포함하는 SOI(silicon on insulator) 플랫폼 상에 형성될 수 있다. 광 빔(217)은 도파관(211)의 제1 섹션을 통해 이동할 수 있고, 광 빔(219)은 도파관(211)의 제2 부분을 통해 진행할 수 있다.
도파관(211)은 립 영역(239) 및 슬랩 영역(slab region)(241)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 도파관(211)의 반도체 재료는 도파관(211)을 통해 광 경로 또는 광 모드(218) 외부의 슬랩 영역(241)의 반대되는 측면 측에 배치된 p+ 도핑 영역(243) 및 n+ 도핑 영역(245)을 구비하는 진성 실리콘을 포함한다. 일 실시예에서, p+ 도핑 영역(243)은 그라운드에 연결되고, n+ 도핑 영역(245)은 VD에 연결되어, 결과적인 P-I-N 다이오드 구조는 본 발명의 교시에 따라 역방향 바이어스되도록 구성되게 된다. 일 실시예에서, 도펀트 농도는 1017 내지 1018 1/㎤ 정도일 수 있고, p형 도펀트로서 붕소를 갖고 n형 도펀트로서 인을 갖는다. 물론, 도펀트의 유형 및 농도는 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에서, 도파관(211)의 립 영역(239)은 폭 W=0.6um를 갖고, 도파관(211)은 높이 H=0.5um와 에치 깊이 0.22um를 갖는다. 도시된 실시예에 보여진 바와 같이, p+ 도핑 영역(243) 및 n+ 도핑 영역(245) 사이에는 2.4um의 간격이 있다. 일 실시예에서, 2.4um의 간격을 갖는 p+ 도핑 영역(243) 및 n+ 도핑 영역(245)은 본 발명의 교시에 따라 추가의 광 손실을 거의 제공하지 않는다. 복수의 오믹 컨택트(250)가 도파관(211)의 상단 표면 위에 형성될 수 있고, 이것은 비아들(251)로 p-도핑 영역(243)에 접속된다. 마찬가지로, 복수의 오믹 컨택트(252)가 도파관(211)의 상단 표면 위에 형성될 수 있고, 이것은 비아들(253)로 N-도핑 영역(245)에 접속된다. 오믹 컨택트(250 및 252)는 도파관(211)의 길이를 따른 임의의 원하는 지점에 형성되어 프로빙 지점들을 생성하여, p-i-n 구조를 역방향 바이어스하고 TPA-유도 전류를 측정함으로써 그 지점에서의 도파관(211) 내를 이동하는 광 전력의 인-사이추 결정을 가능하게 할 수 있다.
광자들이 도파관(211) 내부에서 전파할 때, 흡수되는 2개의 양자마다 전자-정공 쌍이 생성되고, 전류가 발생될 수 있다. 수동 방식에서, TPA-유도 전류는 도파관 표면에서 재결합할 것이다. 본 발명의 p-i-n 도파관 방식에서, 고유 전기장(intrinsic electric field)은 도파관(211)에 걸쳐 TPA-유도 전류를 스위핑하고, 따라서 전류계 프로브(260)로 검출될 수 있다. 프로세스 동안, 일부 TPA-유도 전류는 여전히 도파관 표면에서 p-i-n 다이오드의 고유 전기장과 재결합할 것이다. 역방향 바이어스를 다이오드에 더 인가함으로써, 훨씬 더 강한 전기장을 생성하여 더 많은 TPA-유도 전류를 수집하고, 그 결과 효과를 증대시킬 수 있다. 전류는 다이오드를 역방향 바이어스하는 것에 의해서가 아니라 광자들에 의해 발생되므로, 도파관의 본래의 광 응답을 변경하지 않고서 광 전력을 모니터링하는 것이 가능하다.
TPA는 비선형 프로세스인 것으로 이해되며, 이는 프리-캐리어 밀도(free-carrier density) N(z)가 입력 피크 전력 P(z)와 아래의 관계를 가짐을 의미한다:
여기에서, β는 TPA 흡수 계수이고, λp는 광파의 파장이고, Teff는 유효 프리-캐리어 수명이고, hc는 광자 에너지이고, Aeff는 도파관의 유효 면적이다. 공동 양도된 미국 특허 제7,266,258호는 본 발명을 구현하는 데에 적합할 수 있는 TPA 및 가능한 도파관 구조에 대한 더 상세한 설명을 제공하며, 참조에 의해 여기에 포함된다.
이제 도 3을 보면, 도파관 내부의 광 전력 대 측정된 이광자 흡수(TPA) 발생 전류를 도시하는 그래프가 나타나 있으며, 광 전력과 TPA 전류 간의 2차 관계(quadratic relationship)를 보여준다. 나타나 있는 바와 같이, 상이한 곡선들은 p-i-n 다이오드의 다양한 역방향 바이어스 조건들에 대응한다. 이 실험에서, 곡선들은 0V, 7V 및 15V에 대한 역방향 바이어스 전압들을 나타낸다. 측정된 데이터에 대한 2차 피팅은 광 전력과 측정된 전기 전류 간에 2 제곱 의존도가 존재함을 나타내는데, 이것은 TPA의 특징(signature)이다. 주어진 광 전력에 대하여, 15V의 역방향 바이어스 전압을 인가함으로써 전력 모니터의 감응도가 6배 증가하는 것이 관찰된다.
이제 도 4를 참조하면, 도파관 p-i-n 다이오드에 인가되는 역방향 바이어스 전압 대 측정된 TPA 발생 전류를 도시하는 그래프가 나타나 있다. 상이한 곡선들은 도파관 내부의 다양한 입력 광 전력에 대응한다. 이 그래프에는, 0.209㎽, 0.177㎽, 0.116㎽ 및 0.052㎽의 광 전력이 나타나 있다. 역방향 바이어스 전압을 증가시킴으로써, p-i-n 전력 모니터의 감응도가 15V에서 약 6배 개선되는 것이 나타나 있다. 따라서, 0.05㎽(-13dBm) 정도로 작은 광 전력을 측정하는 것이 가능하며, 이는 전형적인 온-칩 광 상호접속부에 대해 충분히 민감한 것이다.
도 5는 일 실시예에 따라 도파관 내의 임의의 지점에서 인-사이추 광 전력을 결정하기 위해 프로빙될 수 있는 집적된 포토닉 네트워크를 도시한 블록도이다. 네트워크는 SOI 기판(500) 상에 형성될 수 있고, 임의의 개수 및 유형의 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 네트워크는 본 발명의 실시예들에 따라, 하나 이상의 레이저(502), 종래의 전력 모니터들(504), 변조기들(506), WDM 다중화기들(MUX)(508), 접속된 광섬유들, 및 다양한 p-i-n 도파관들(211)의 네트워크를 포함할 수 있다.
(도 2a 및 2b를 참조하여 논의된 오믹 컨택트(250 및 252)에 대응할 수 있는) 프로브 지점들(520)은 p-i-n 도파관들(211)을 따라 어디에든 복수의 위치에 배치될 수 있다. 이러한 프로브 지점들(520)은 역방향 바이어스될 수 있고, 전류계를 포함하는 프로브 디바이스(530)는 그 지점에서의 TPA-유도 전류를 검출하고, 그에 의해 그 지점에서의 도파관 내부의 광 전력을 결정하기 위해 이용될 수 있다. 이것은 다른 이유들 중에서도 특히, 네트워크 내의 근처의 컴포넌트들의 건강 또는 고장을 결정하는 데에 유용할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 실시예들은 도파관의 일 측의 선택된 영역들을 p형 도펀트로 주입하고, 다른 측의 선택된 영역들은 n형 도펀트로 주입하는 것을 포함한다. 도펀트들을 활성화하고 금속 컨택트들을 배치하면, p-i-n 구조가 형성된다. 실시예들은 도파관 내에 p-i-n 구조를 포함하는데, 이것은 현재의 수동 도파관 디바이스들에는 존재하지 않는 것이다. 이것은 p-i-n 컨택트들이 있는 곳이라면 어디에서든 TPA 발생 전류를 프로브하는 것을 허용한다. 이 방법은 종래의 전력 모니터링 솔루션보다 유리한데, 왜냐하면 p-i-n 구조가 도파관을 따라 어디에든 배치될 수 있고, 단부 패싯(facet)으로부터의 광 출력을 모니터링하는 대신에, 샘플의 상단 표면으로부터 도파관의 다수의 부분을 따라 광 전력이 프로브되고 모니터링될 수 있기 때문이다.
요약서에 기재된 것을 포함하여, 본 발명의 예시된 실시예들에 관한 상기 설명은 본 발명을 철저하게 설명하거나, 개시된 정확한 형태로 한정하도록 의도된 것이 아니다. 본 발명의 구체적인 실시예들 및 그것의 사례들은 여기에서 설명을 목적으로 기술되었으며, 관련 기술분야의 숙련된 자들이 알고 있듯이, 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가의 수정이 가능하다.
상기의 상세한 설명을 고려하여, 이러한 수정들이 본 발명에 대해 이루어질 수 있다. 이하의 청구항들에서 이용되는 용어들은 본 발명을 명세서 및 청구항들에 개시된 구체적인 실시예들로 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 본 발명의 범위는 전적으로, 청구항 해석에 관한 확립된 원칙에 따라 해석되어야 하는 이하의 청구항들에 의해 결정되어야 한다.
Claims (17)
- SOI(silicon-on-insulator) 기판 상에 형성된 도파관(waveguide);
상기 도파관의 제1 측 상의 p-도핑 영역; 및
상기 도파관의 반대 측 상의 n-도핑 영역
을 포함하고, 상기 p-도핑 영역 및 상기 n-도핑 영역이 역방향 바이어스될 때, 이광자 흡수 발생 전류(TPA(two-photon absorption) generated current)를 측정함으로써 상기 도파관 내의 광 전력(optical power)이 모니터링되는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 도파관의 상단 표면 상의 전기 컨택트들은 상기 p-도핑 영역 및 상기 n-도핑 영역에 전기 접속되는 장치. - 제2항에 있어서,
상기 전기 컨택트들은 전류계로 프로빙되는 장치. - 제2항에 있어서,
상기 전기 컨택트들은 상기 도파관을 따른 복수의 위치에 제공되는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 도파관은 립 도파관(rib waveguide)을 포함하는 장치. - 제1항에 있어서,
도펀트 농도는 1017 내지 1018 1/㎤ 정도이고, p형 도펀트로서 붕소를 갖고 n형 도펀트로서 인을 갖는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 SOI 기판은 복수의 능동 및 수동 컴포넌트를 포함하는 장치. - SOI(silicon-on-insulator) 기판 상에 도파관을 형성하는 단계;
상기 도파관의 제1 측 상에 p-도핑 영역을 형성하는 단계;
상기 도파관의 반대 측 상에 n-도핑 영역을 형성하는 단계;
상기 p-도핑 영역 및 상기 n-도핑 영역에 역방향 바이어스 전압을 인가하는 단계;
상기 역방향 바이어스 전압이 인가될 때 생성되는 TPA(two-photon absorption) 발생 전류를 측정하는 단계; 및
상기 TPA 발생 전류에 기초하여 상기 도파관 내의 광 전력을 결정하는 단계
를 포함하는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 p-도핑 영역 및 상기 n-도핑 영역을 역방향 바이어스하기 위해 상기 도파관의 길이를 따른 복수의 위치에 복수의 전기 컨택트를 형성하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 복수의 위치 중 임의의 위치에서 전류계로 프로빙하여 그 위치에서의 상기 도파관 내의 광 전력을 모니터링하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 역방향 바이어스 전압은 0V 내지 15V의 범위인 방법. - 제8항에 있어서,
도펀트 농도는 1017 내지 1018 1/㎤ 정도이고, p형 도펀트로서 붕소를 갖고 n형 도펀트로서 인을 갖는 방법. - 복수의 능동 및 수동 디바이스를 포함하는 집적된 포토닉 네트워크(integrated photonic network);
상기 복수의 능동 및 수동 디바이스를 광학적으로 접속하는 복수의 도파관;
상기 도파관들의 제1 면 상의 p-도핑 영역들;
상기 도파관들의 반대 면 상의 n-도핑 영역들;
상기 p-도핑 영역들 및 n-도핑 영역들을 역방향 바이어스하기 위해 상기 복수의 도파관을 따르는 지점들에 있는 복수의 전기 컨택트; 및
상기 지점들 중 임의의 지점에서 생성된 TPA(two-photon absorption) 발생 전류를 측정하기 위한 수단
을 포함하는 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 집적된 포토닉 네트워크는 SOI 기판 상에 집적되는 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 집적된 포토닉 네트워크는 상기 복수의 도파관에 의해 접속된 레이저들 및 검출기들 및 변조기들 및 다중화기들 중 임의의 것을 포함하는 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 측정하기 위한 수단은 전류를 측정하기 위한 프로브를 포함하는 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 프로브는 전류계를 포함하는 시스템.
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