KR20130069143A - 실리콘 및 실리콘 질화막 도파로를 갖는 링공진기 구조 - Google Patents

실리콘 및 실리콘 질화막 도파로를 갖는 링공진기 구조 Download PDF

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Abstract

링공진기의 구조가 제공된다. 링공진기는 기판 상에 상호 이격되어 배치된 제1 및 제2 도파로들, 제1 및 제2 도파로들 사이에 일렬로 배치된 적어도 하나의 링 도파로를 포함하는 적어도 하나의 채널부를 포함하되, 제1 및 제2 도파로들 및 링 도파로는 실리콘(Si)이며, 링 도파로의 폭은 0.7 내지 1.5㎛, 높이는 150 내지 300nm, 제1 및 제2 도파로들과 제1 및 제2 도파로들에 가장 인접한 링 도파로와의 간격은 250nm 내지 1mm이다.

Description

실리콘 및 실리콘 질화막 도파로를 갖는 링공진기 구조 {Si and SiN waveguide ring resonator structure}
본 발명은 링공진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 링 도파로를 포함하는 Si 도파로 TM 모드 와 SiN 도파로 TE 모드 링공진기의 구조에 관한 것이다.
전자 기기의 소형화 및 고속화 경향에 따라 전자 기기를 구성하는 구성요소들의 집적도를 높이기 위한 연구가 지속되고 있다. 전자 기기의 소형화 및 고속화를 위해 전자 기기의 구성 요소들 사이의 빠른 신호 전달이 요구된다. 구성 요소들 사이의 빠른 신호 전달을 위한 일 수단으로, 전자 기기에의 광통신 기술의 적용이 시도되고 있다. 광 통신 기술을 전자 기기 내에 적용하는 경우, 보다 빠른 속도로 신호 전달이 수행됨은 물론, 기존 신호 전달 방식의 단점인 고저항, 고열 발생 및 기생 커패시턴스 현상 등이 완화될 수 있다.
광통신 기술의 필수적인 광소자는 광원과 광 검출기 외에 광스위치, 광변조기, MUX/DEMUX 필터 등이 있다. 실리카 광소자는 광섬유 통신에 사용되는 광분배기 및 파장 분할 소자등에 주요 소자로 사용되고 있으며, 폴리머 광소자 역시 상기 실리카 광소자와 함께 화합물 반도체의 광원 및 광센서에 주요 소자로 사용되고 있다. 상기 광스위치, 광변조기, MUX/DEMUX 필터와 같은 광소자는 그 기능과 역할이 다르지만, 공통적으로 빛의 특정한 파장에서만 정상적으로 동작하는 파장 의존성을 갖고 있다.
링공진기(Optical Resonator)는 파장 의존성을 갖는 광 도파로들을 통해 광스위치, 광변조기, MUX/DEMUX 필터 등의 기능을 하는 광소자로 응용될 수 있다. 그러나 링공진기는, 제조 과정에서 발생하는 공진파장의 통계적 오류를 최소화하여야 하며, 다수의 링 도파로들 사이의 공진파장을 일치시킬 수 있어야 하고, 링 도파로와 버스(bus) 라인 또는 링 도파로와 링 도파로 사이의 최소 간극을 포토리소그래피(photolithography) 공정과 같은 간단한 공정으로 제작할 수 있어야 하는 해결 과제들이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 최적화된 링공진기의 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 링공진기는 기판 상에 상호 이격되어 배치된 제1 및 제2 도파로들, 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 일렬로 배치된 적어도 하나의 링 도파로를 포함하는 적어도 하나의 채널부를 포함하되, 상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로는 실리콘(Si)이며, 상기 링 도파로의 폭은 0.7 내지 1.5㎛, 높이는 150 내지 300nm, 상기 제1 및 제2 도파로들과 상기 제1 및 제2 도파로들에 가장 인접한 상기 링 도파로와의 간격은 250nm 내지 1mm일 수 있다.
상기 채널부는 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 복수개로 이격 배치된 링 도파로들을 포함하되, 상기 링 도파로들 사이의 간격은 250nm 내지 1mm일 수 있다. 상기 채널부는 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 복수개로 이격 배치될 수 있다. 상기 링 도파로의 반지름은 5 내지 30㎛일 수 있다. 상기 제1 도파로는 입력 포트(input port) 및 쓰루 포트(through port)를 포함하고, 상기 제2 도파로는 애드 포트(add port) 및 드롭 포트(drop port)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로를 덮는 유전체층을 더 포함하되, 상기 유전체층은 산화막(SiO2), 산화질화막(SiON) 또는 폴리머일 수 있다. 상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로와 상기 유전체층 사이에 개재된 보조 유전체층을 더 포함하되, 상기 보조 유전체층은 실리콘 산질화막(SiON)일 수 있다. 상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로를 통해 도파되는 광은 TM 모드(Transverse Magnetic mode) 광일 수 있다.
본 발명에 다른 실시예에 따른 링공진기는 기판 상에 상호 이격되어 배치된 제1 및 제2 광 도파로들, 상기 제1 및 제2 광 도파로들 사이에 일렬로 배치된 적어도 하나의 링 도파로를 포함하는 적어도 하나의 채널부를 포함하되, 상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로는 실리콘 질화물(SiN)이며, 상기 링 도파로의 폭은 1.0 내지 1.8㎛, 높이는 300 내지 500nm, 상기 제1 및 제2 도파로들과 상기 제1 및 제2 도파로들에 가장 인접한 상기 링 도파로와의 간격은 200nm 내지 1mm일 수 있다.
상기 채널부는 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 복수개로 이격 배치된 링 도파로들을 포함하되, 상기 링 도파로들 사이의 간격은 200nm 내지 1mm일 수 있다. 상기 채널부는 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 복수개로 이격 배치될 수 있다. 상기 링 도파로의 반지름은 8 내지 50㎛일 수 있다. 상기 제1 도파로는 입력 포트(input port) 및 쓰루 포트(through port)를 포함하고, 상기 제2 도파로는 애드 포트(add port) 및 드롭 포트(drop port)를 포함할 수 있다.상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로를 덮는 유전체층을 더 포함하되, 상기 유전체층은 산화막(SiO2) 또는 폴리머일 수 있다. 상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로와 상기 유전체층 사이에 개재된 보조 유전체층을 더 포함하되, 상기 보조 유전체층은 실리콘 산질화막(SiON)일 수 있다. 상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로를 통해 도파되는 광은 TE 모드(Transverse Electric mode) 광일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 링공진기는 직선 도파로들과 링 도파로와의 간격 및 상기 링 도파로들 간의 간격이 대략 300nm 이상으로 제공된다. 이로써 특정 파장의 광 투과율을 향상시킬 수 있으며, 파장오차를 개선하여 고신뢰성의 상기 링공진기를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 링공진기는 직선 도파로들과 링 도파로와의 간격 및 상기 링 도파로들 간의 간격이 대략 300nm 이상으로 제공됨으로써, 간단한 리소그래피 공정을 이용하여 형성될 수 있어 제조 공정을 단순화할 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 링공진기의 구조를 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ′라인을 따라 취해진 단면의 SEM 사진이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 링공진기의 링 도파로의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 링공진기의 구동 원리를 개념적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라 형성된 16채널 3차 링공진기의 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명자들이 행한 연구와 실험에서 최초로 다음과 같은 중요한 현상을 발견을 하였고 링공진기의 통계적 파장오차 및 포토리소그래피 문제를 풀 수 있는 중요한 열쇠가 될 수 있을 것으로 판단된다.
Si 링공진기 도파로 설계에서 가장 낮은 차수의 TM(Transverse magnetic) 모드를 이용할 경우 공진 파장의 통계적 오류를 2배 이상 작게 할 수 있고. 또한, 링 도파로와 버스(Bus) 라인 또는 링 도파로와 링 도파로 사이의 최소 간극을 400nm 이상으로 할 수 있어 포토리소그래피 (photolithography) 공정으로 링 공진기 제작이 훨씬 용이하다는 사실을 실험적으로 확인하였다. 이를 이하에서 구체적으로 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 링공진기의 구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ′라인을 따라 취해진 단면의 SEM 사진이다.
도 1a 및 1b를 참조하면, 링공진기(100)는 제 1 도파로(110), 제 2 도파로(120), 및 상기 제 1 도파로(110)와 상기 제 2 도파로(120) 사이에 배치된 적어도 하나의 링 도파로(150)를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)는 실리콘(Si), 실리콘 질화막(Si3N4), 를 포함할 수 있다.
도시하지 않았지만, 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)는 그 주위를 덮는 유전체층을 포함할 수 있다. 상기 유전체층은 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)보다 굴절률이 작은 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화막(SiO2) 또는 이미드, 아크릴레이트와 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)은 광이 지나가는 통로의 기능을 할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)은 직선 형태로 배치될 수 있다. 일례로, 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)은 평행하게 배치되되, 그 사이에 상기 링 도파로(150)가 배치되어 이격될 수 있다. 상기 링 도파로(150)는 링(ring) 형상으로 배치될 수 있으며, 상기 제 1 도파로(110)와 상기 제 2 도파로(120) 사이에 한 개 또는 복수개가 배치될 수 있다. 상기 링 도파로(150)와 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)은 각각 이격되어 배치될 수 있으며, 상기 링 도파로(150)가 복수개로 배치된 경우, 상기 링 도파로들(150) 각각은 이격되어 배치될 수 있다.
상기 링 도파로(150)는 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 사이에 한 개 또는 복수개로 일렬로 배치되어 채널부를 형성할 수 있다. 도 1a는 한 개의 채널부를 도시하였지만, 상기 채널부는 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 사이에 복수개로 이격 배치될 수 있다. 일례로, 상기 링공진기(100)는 하나의 링 도파로(150)가 하나의 채널부를 형성하고, 상기 채널부가 병렬적으로 이격되어 16개 또는 32개로 배치된 16채널 1차 링공진기 또는 32채널 1차 링공진기로 구성될 수 있다. 다른 예로, 상기 링공진기(100)는 3개의 링 도파로들(150)이 하나의 채널부를 형성하고, 상기 채널부가 병렬적으로 이격되어 16개 또는 32개로 배치된 16채널 3차 링공진기 또는 32채널 3차 링공진기로 구성될 수 있다. 복수개의 상기 채널부들 각각은 다른 파장대의 광이 도파되도록 구성되어, 상기 링공진기(100)는 광스위치, 광변조기, MUX/DEMUX 필터 등의 기능을 할 수 있다.
본 발명에 따른 링공진기(100)의 구조는 특정 파장의 광 투과율을 향상시킬 수 있는 최적의 구조를 제공한다. 일례로, 상기 제1 및 제2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)가 실리콘(Si)으로 형성되는 경우, 상기 링 도파로(150)의 폭(W)은 대략 0.7~1.5㎛, 높이(H)는 대략 150nm~300nm일 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)과 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)에 가장 인접한 상기 링 도파로(150)와의 간격(G1)은 대략 250nm ~1mm, 상기 링 도파로들(150) 간의 간격(G2)는 대략 250nm ~1mm일 수 있다. 상기 링 도파로(150)의 반지름(R)은 대략 5㎛이상 일 수 있다.
실험적으로 최적의 투과 스펙트럼을 갖는 상기 링공진기(100)의 구조는, 상기 제1 및 제2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)가 실리콘(Si)으로 형성되는 경우, 상기 링 도파로(150)의 폭(W)은 대략 1mm, 높이(H)는 대략 190nm, 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)과 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)에 가장 인접한 상기 링 도파로(150)와의 간격(G1)은 대략 400nm, 상기 링 도파로들(150) 간의 간격(G2)는 대략 500nm, 상기 링 도파로(150)의 반지름(R)은 대략 9mm이다. 링공진기를 통과하는 도파 모드는 TM 모드이고 TE모드의 경우 상기 도파로 간의 간격에 대해 결합손실(coupling loss)이 커서 링도파로를 통과하지 못한다.
다른 예로, 상기 제1 및 제2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)가 실리콘 질화막(SiN)으로 형성되는 경우, 상기 링 도파로(150)의 폭(W)은 대략 1.0~1.8㎛, 높이(H)는 대략 300nm~500nm일 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)과 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)에 가장 인접한 상기 링 도파로(150)와의 간격(G1)은 대략 200nm~1mm, 상기 링 도파로들(150) 간의 간격(G2)는 대략 200nm~1mm일 수 있다. 상기 링 도파로(150)의 반지름(R)은 대략 8~50㎛일 수 있다.
실험적으로 최적의 투과 스펙트럼을 갖는 상기 링공진기(100)의 구조는, 상기 제1 및 제2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)가 실리콘 질화막(SiN)으로 형성되는 경우, 상기 링 도파로(150)의 폭(W)은 대략 1.2mm, 높이(H)는 대략 400nm, 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)과 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)에 가장 인접한 상기 링 도파로(150)와의 간격(G1)은 대략 300nm, 상기 링 도파로들(150) 간의 간격(G2)는 대략 400nm, 상기 링 도파로(150)의 반지름(R)은 대략 13㎛이다. 링공진기를 통과하는 도파 모드는 TE 모드이고 TM모드의 경우 상기 링반지름에 대해 Bending loss 가 커서 소실된다.
상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 및 상기 링 도파로(150)를 지나가는 광은 TE 모드(Transverse Electric mode) 광 및 TM 모드(Transverse Magnetic mode) 광을 포함할 수 있다. 상기 TE 모드 광은 그 진행방향에 자계 성분은 있으나 전계 성분이 없는 전기적 횡파를 말하며, 상기 TM 모드 광은 전계 성분은 있으나 자계 성분이 없는 자기적 횡파를 말한다.
Si 도파로의 경우 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)과 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)에 가장 인접한 상기 링 도파로(150)와의 간격(G1) 및 상기 링 도파로들(150) 간의 간격(G2)이 대략 300nm 이상인 경우, 상기 TM 모드 광은 도파될 수 있으나, 상기 TE 모드 광은 도파될 수 없다. 한편, 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)과 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)에 가장 인접한 상기 링 도파로(150)와의 간격(G1) 및 상기 링 도파로들(150) 간의 간격(G2)이 대략 300nm 이상인 경우, Hg-I line 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 상기 링공진기를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 링공진기(100)는 Si 도파로의 경우 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)과 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)에 가장 인접한 상기 링 도파로(150)와의 간격(G1) 및 상기 링 도파로들(150) 간의 간격(G2)이 대략 300nm 이상으로 배치된다. 이로써 상기 링공진기(100)는 상기 TM 모드 광을 이용하도록 제공되어 특정 파장의 광 투과율을 향상시킬 수 있으며, 간단한 리소그래피 공정을 이용하여 형성될 수 있어 제조 공정을 단순화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상기 링공진기(100)의 구조는 파장오차를 개선하여 고신뢰성의 상기 링공진기(100)를 제공할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 링공진기의 링 도파로의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 2a 내지 도 2d는 도 1a의 링 도파로를 I-I' 면으로 자른 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 기판(1) 상에 하부 유전체층(3)을 형성할 수 있다. 상기 기판(1)은 실리콘(Si) 기판 또는 글래스(glass) 기판일 수 있다. 상기 하부 유전체층(3)은 실리콘 산화막(SiO2) 일 수 있다.
상기 하부 유전체층(3)의 두께에는 제한이 없으며, 이용하는 광소자의 특성에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 일례로, 상기 하부 유전체층(3)은 외부로부터 유입되는 불순물을 차단하고, 대략 100nm 이상의 두께로 형성되는 링 도파로에 영향을 주지 않기 위하여, 대략 5000nm (5um) 이하로 형성될 수 있다.
상기 하부 유전체층(3) 상에 코어층(5a)을 형성할 수 있다. 상기 코어층(5a)은 상기 하부 유전체층(3)보다 굴절률이 큰 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 코어층(5a)은 실리콘(Si), 실리콘 질화막(Si3N4), 를 포함할 수 있다. 상기 하부 유전체층(3) 및 상기 코어층(5a)은 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 일례로, 상기 하부 유전체층(3) 및 상기 코어층(5a)은 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition) 방법 또는 LPCVD(Low Pressure CVD) 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 기판(1)은 상기 하부 유전체층(3) 및 상기 코어층(5a)을 포함하는 SOI(Silicon on Insulator) 기판일 수 있다. 이 경우, 상기 하부 유전체층(3)은 실리콘 산화막일 수 있으며, 상기 코어층(5a)은 실리콘일 수 있다.
상기 코어층(5a)에 열처리 공정이 더 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 대략 900℃ 내지 1000℃의 온도에서, 대략 30분 이상 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정을 수행함으로써 상기 코어층(5a) 내의 수소 및 수산화기(OH-)를 제거할 수 있으며, 상기 코어층(5a)을 치밀화할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 코어층(5a)을 식각하여 코어 패턴(5)을 형성할 수 있다. 상기 코어 패턴(5)을 형성하는 것은 포토리소그래피 공정을 이용할 수 있다. 일례로, 상기 코어 패턴(5)을 형성하는 것은 포토레지스트를 노광 및 현상하여 상기 코어 패턴(5)을 형성할 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 식각 공정을 수행하고, 상기 포토레지스트 패턴을 제거함으로써 상기 코어 패턴(5)을 형성할 수 있다. 일례로, 상기 코어 패턴(5)의 폭은 대략 0.7~1.5㎛, 높이는 대략 150nm~220nm로 형성될 수 있다. 상기 코어 패턴(5)은 광소자의 광이 지나가는 광 도파로로 이용될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 코어 패턴(5)이 형성된 상기 기판(1) 상에 보조 유전체층(7)을 더 형성할 수 있다. 상기 보조 유전체층(7)은 실리콘 산질화막(SiON)일 수 있다. 상기 보조 유전체층(7)은 증착 공정, 예를 들어 PECVD 방법 또는 LPCVD 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 일례로, 상기 보조 유전체층(7)은 상기 하부 유전체층(3)의 두께와 동일한 두께로 형성될 수 있다.
상기 보조 유전체층(7)은 상기 코어 패턴(5)을 덮도록 형성되어, 상기 코어 패턴(5)을 보호하는 기능을 할 수 있다. 상기 보조 유전체층(7)은 상기 코어 패턴(5)과 함께 광도파로로 이용될 수 있다. 다른 예에서, 상기 보조 유전체층(7)은 생략될 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 보조 유전체층(7) 상에 상부 유전체층(9)을 형성할 수 있다. 상기 상부 유전체층(9)은 굴절률의 분포가 일정하고, 상기 코어 패턴(5)보다 굴절률이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 상기 상부 유전체층(9)은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 이미드, 아크릴레이트와 같은 폴리머일 수 있다.
상기 상부 유전체층(9)은 증착 공정, 예를 들어 PECVD 방법, LPCVD 방법, 또는 APCVD(Atmospheric pressure CVD) 방법으로 형성될 수 있으며, 상기 증착 공정 후에 고온 처리를 함으로써 상기 상부 유전체층(9)이 일정한 굴절률 분포를 갖도록 형성할 수 있다. 상기 하부 및 상부 클래드층(3, 9)은 동일한 굴절률을 갖도록 동일한 물질로 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 링 도파로의 형성 방법을 설명하였으나, 도 1a 및 도 1b에 기재된 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)도 동일한 형성 방법을 통해 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 링공진기의 구동 원리를 개념적으로 설명하기 위한 도면들이다. 도 3a 및 도 3c는, 링 도파로가 3개로 구성된 3차 링공진기의 개념도이고, 도 3b 및 도 3d는 링 도파로가 1개로 구성된 1차 링공진기의 개념도이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 링공진기(100)는 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 도파로(110)는 입력 포트(input port) 및 쓰루 포트(through port)를 포함할 수 있고, 상기 제 2 도파로(120)는 드롭 포트(drop port) 및 애드 포트(add port)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 사이에 배치된 한 개 또는 복수개의 링 도파로(150)는 하나의 채널부를 형성할 수 있다. 도 3a 내지 도 3d는 하나의 채널부를 도시하였으나, 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120) 사이에 배치된 또 다른 링 도파로들(150)이 배치되어 복수개의 채널부들을 구성할 수 있다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 상기 링공진기는 다중 채널 필터(multi-channel filter)의 디멀티플렉서(역다중화; demultiplexer; DEMUX) 기능을 할 수 있다.
일례로, 상기 제 1 도파로(110)의 상기 입력 포트에 채널 신호들이 입력될 수 있다. 상기 채널 신호들은 서로 다른 파장을 갖는 제1 내지 제3 신호들(λ1, λ2, λ3)일 수 있다. 상기 제1 신호(λ1)의 파장이 링 도파로(150)의 공진 파장과 일치하고, 상기 제2 및 제3 신호들(λ2, λ3)의 파장이 상기 링 도파로(150)의 공진파장과 일치하지 않을 경우, 상기 제1 신호(λ1)는 상기 링 도파로(150)를 통해 상기 제 2 도파로(120)의 상기 드롭 포트로 진행될 수 있으며, 상기 제2 및 제3 신호들(λ2, λ3)은 상기 링 도파로(150)를 통하지 않고, 상기 쓰루 포트로 진행할 수 있다. 상기 제 2 및 제 3 신호들(λ2, λ3)은 다른 채널부에 배치된 링 도파로(150)에서 순차적으로 상기 드롭 포트로 빠져나갈 수 있다. 이로써, 상기 링공진기(100)는 상기 디멀티플렉서 기능, 즉 여러 개의 출력 중에서 하나를 선택하여 입력을 연결시키는 분배기의 기능을 할 수 있다.
다른 예로, 상기 링공진기는 애드-드롭 스위치(add-drop swich) 기능을 할 수 있다. 즉, 상기 링 도파로(150)가 상기 제1 신호(λ1)의 파장과 일치되도록 구성된 경우, 상기 링 도파로(150)의 공진파장을 변화시키면, 상기 제1 신호(λ1)는 상기 입력 포트에서 상기 드롭 포트로 진행되지 않고, 상기 쓰루 포트로 진행될 수 있다. 상기 링 도파로(150)의 공진 파장을 다시 상기 제 1 신호(λ1)의 파장과 일치시키면, 상기 제1 신호(λ1)가 상기 입력 포트에서 상기 드롭 포트로 진행될 수 있다.
도 3a와 같이 상기 링 도파로들(150)이 복수개로 배치된 경우, 상기 링 도파로들(150)들 중 적어도 하나의 공진파장을 변화시킴으로써, 상기 애드-드롭 스위치 기능을 할 수 있다. 이에 더하여, 상기 링 도파로들(150)의 공진파장을 시간적으로 변조할 경우, 변조기(modulator)의 기능을 할 수 있다. 상기 링공진기(100)가 변조기의 기능을 하는 경우, 대략 10GHz 이상의 변조 속도를 가질 수 있다.
도 3c 및 도 3d를 참조하면, 상기 링공진기(100)는 멀티 채널 필터의 멀티플렉서(다중화; multiflexer; MUX) 기능을 할 수 있다. 일례로, 상기 제 2 도파로(120)의 상기 애드 포트에 상기 제 1 신호(λ1)를 입사시키고 상기 제 1 도파로(110)의 쓰루 포트에 상기 제2 및 제3 신호들(λ2, λ3)을 입사시킬 경우, 상기 제 1 신호(λ1)는 상기 링 도파로(150)를 통해 상기 입력 포트로 진행되고, 상기 제2 및 제3 신호들(λ2, λ3)은 상기 쓰루 포트에서 상기 입력 포트로 진행되어, 상기 제1 내지 제3 신호들(λ1, λ2, λ3)은 상기 입력 포트로 진행될 수 있다. 이로써, 상기 링공진기(100)는 멀티플렉서의 기능, 즉 여러 개의 입력선 중에서 하나를 선택하여 단일 출력선으로 연결하는　조합 회로의 기능을 할 수 있다.
도 3b 및 도 3d에 도시된 상기 1차 링공진기는 도 3a 및 도 3c에 도시된 상기 3차 링공진기와 동일한 기능을 가질 수 있다. 상기 3차 링공진기는 인접 채널과의 크로스 토크(cross talk) 및 평편한 위면 모양 (flat-top spectral shape)으로 인해, 상기 1차 링공진기보다 우수한 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 그러나 직렬로 연결된 각각의 상기 링 도파로들(150)의 공진파장이 일치해야 하므로 차수가 높아질수록 제조 공정이 복잡해질 수 있다.
본 발명에 따른 상기 링공진기(100)는 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)과 상기 제 1 및 제 2 도파로들(110, 120)에 가장 인접한 상기 링 도파로(150)와의 간격(G1) 및 상기 링 도파로들(150) 간의 간격(G2)이 대략 300nm 이상으로 배치됨으로써, 상기 3차 링공진기를 간단한 리소그래피 공정을 이용하여 형성될 수 있는 구조를 제공하여, 제조 공정을 단순화할 수 있다. 또한 상기 링공진기(100)는 실리콘 도파로의 경우 상기 TM 모드 광을 이용하도록 제공되어 특정 파장의 광 투과율을 향상시킬 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따라 형성된 16채널 3차 링공진기의 광 도파로를 실리콘(Si)으로 형성한 경우의 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 도 4b는 본 발명에 따라 형성된 16개 채널의 3차 링공진기의 광 도파로를 실리콘 질화막(SiN)으로 형성한 경우의 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 각 채널별로 서로 다른 파장대를 갖는 링공진기의 광 투과 정도를 알 수 있다. 본 발명에 따른 링공진기는 서로 다른 파장대를 갖는 링 도파로들에 의해 각 채널부들은 특정한 파장대의 광을 투과할 수 있으며, 이로써 상기 링공진기는 고신뢰성을 갖는 광스위치, 광변조기, MUX/DEMUX 필터 등의 기능을 수행할 수 있다.

Claims (16)

  1. 기판 상에 상호 이격되어 배치된 제1 및 제2 도파로들;
    상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 일렬로 배치된 적어도 하나의 링 도파로를 포함하는 적어도 하나의 채널부를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로는 실리콘(Si)이며, 상기 링 도파로의 폭은 0.7 내지 1.5㎛, 높이는 150 내지 300nm, 상기 제1 및 제2 도파로들과 상기 제1 및 제2 도파로들에 가장 인접한 상기 링 도파로와의 간격은 250nm 내지 1mm인 링공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널부는 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 복수개로 이격 배치된 링 도파로들을 포함하되, 상기 링 도파로들 사이의 간격은 250nm 내지 1mm인 링공진기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널부는 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 복수개로 이격 배치된 링공진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 도파로의 반지름은 5 내지 15㎛인 링공진기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도파로는 입력 포트(input port) 및 쓰루 포트(through port)를 포함하고, 상기 제2 도파로는 애드 포트(add port) 및 드롭 포트(drop port)를 포함하는 링공진기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로를 덮는 유전체층을 더 포함하되,
    상기 유전체층은 산화막(SiO2) 또는 폴리머인 링공진기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로와 상기 유전체층 사이에 개재된 보조 유전체층을 더 포함하되,
    상기 보조 유전체층은 실리콘 산질화막(SiON)인 링공진기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로를 통해 도파되는 광은 TM 모드(Transverse Magnetic mode) 광인 링공진기.
  9. 기판 상에 상호 이격되어 배치된 제1 및 제2 광 도파로들;
    상기 제1 및 제2 광 도파로들 사이에 일렬로 배치된 적어도 하나의 링 도파로를 포함하는 적어도 하나의 채널부를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로는 실리콘 질화물(SiN)이며, 상기 링 도파로의 폭은 1.0 내지 1.8㎛, 높이는 300 내지 500nm, 상기 제1 및 제2 도파로들과 상기 제1 및 제2 도파로들에 가장 인접한 상기 링 도파로와의 간격은 200nm 내지 1mm인 링공진기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 채널부는 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 복수개로 이격 배치된 링 도파로들을 포함하되, 상기 링 도파로들 사이의 간격은 200nm 내지 1mm인 링공진기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 채널부는 상기 제1 및 제2 도파로들 사이에 복수개로 이격 배치된 링공진기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 링 도파로의 반지름은 8 내지 50㎛인 링공진기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 도파로는 입력 포트(input port) 및 쓰루 포트(through port)를 포함하고, 상기 제2 도파로는 애드 포트(add port) 및 드롭 포트(drop port)를 포함하는 링공진기.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로를 덮는 유전체층을 더 포함하되,
    상기 유전체층은 산화막(SiO2) 또는 폴리머인 링공진기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로와 상기 유전체층 사이에 개재된 보조 유전체층을 더 포함하되,
    상기 보조 유전체층은 실리콘 산질화막(SiON)인 링공진기.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도파로들 및 상기 링 도파로를 통해 도파되는 광은 TM 모드(Transverse Magnetic mode) 광인 링공진기.
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