KR20170101831A - 3차원 마이크로 링 공진기 - Google Patents

3차원 마이크로 링 공진기 Download PDF

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KR20170101831A
KR20170101831A KR1020170026547A KR20170026547A KR20170101831A KR 20170101831 A KR20170101831 A KR 20170101831A KR 1020170026547 A KR1020170026547 A KR 1020170026547A KR 20170026547 A KR20170026547 A KR 20170026547A KR 20170101831 A KR20170101831 A KR 20170101831A
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waveguides
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ring
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홍상진
유현성
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명지대학교 산학협력단
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G02B6/29338—Loop resonators
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Abstract

3차원 마이크로 링 공진기가 개시된다. 3차원 마이크로 링 공진기는 광로를 가지는 하부 도파관; 및 상기 하부 도파관과 수직적으로 일정 거리 이격되어 배치되며, 수직적으로 상기 하부 도파관과 커플링되는 상부 도파관을 포함한다.

Description

3차원 마이크로 링 공진기{3D micro-ring-resonator}
본 발명은 사물인터넷 센서를 위한 수직 결합된 3차원 마이크로 링 공진기에 관한 것이다.
광학 센서는 검출된 광 감도의 측정치를 전기 신호로 변환한다. 광학 센서는 다른 센싱 기술과 비교하면, 높은 민감도, 전기적이며 화학적으로 수동적이고, 전자기 간섭으로부터 영향을 받지 않으며, 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 이점이 있다.
이로 인해 광학 센서는 간섭계, 광학 현미경 등과 같은 다양한 어플리케이션에 사용되고 있다. 광학 센서는 자외선을 적외선으로 감지할 수 있기 때문에, 디바이스상에서 전기적 신호를 측정하는데 이용될 수 있다.
적외선 센서, MOS 이미지 센서, LDWS, LiDAr, FGB, AWG와 같이 우리 생활에 다양한 곳에서 센서들이 이용되고 있으나, 전자기기의 소형화 고속화에 따라 이들 센서들도 소형화되고 있으나 감도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 수직 결합 구조를 통해 커플링 영역을 최대로 하여 감도를 높일 수 있는 3차원 마이크로 링 공진기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 마이크로 링 공진기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광로를 가지는 하부 도파관; 및 상기 하부 도파관과 수직적으로 일정 거리 이격되어 배치되며, 수직적으로 상기 하부 도파관과 커플링되는 상부 도파관을 포함하는 3차원 마이크로 링 공진기가 제공될 수 있다.
상기 하부 도파관은 복수의 버스 도파관으로 구성되며, 상기 복수의 버스 도파관은 일정 간격 이격되어 평행하게 배치될 수 있다.
상기 상부 도파관은 링 형상으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 버스 도파관 중 어느 하나는 입력 포트(input port)와 쓰루 포트(through port)를 가지며, 복수의 버스 도파관 중 다른 하나는 출력 포트(output port)를 포함한다.
상기 하부 도파관과 상기 상부 도파관 사이에 형성되는 클래드층을 더 포함할 수 있다.
상기 클래드층은 1.5
Figure pat00001
이하의 두께로 형성될 수 있다.
상기 클래드층은 실리콘 산화물이며,
상기 하부 도파관과 상기 상부 도파관은 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.
상기 상부 도파관은 상기 하부 도파관과 0.12
Figure pat00002
이하의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광로를 가지는 제1 및 제2 도파관; 상기 제1 및 제2 도파관 위에 형성된 클래드층; 및 상기 제1 및 제2 도파관과 각각 소정의 영역이 중첩되도록 상기 클래드층 위에 위치하는 링 도파관을 포함하되, 상기 제1 및 제2 도파관과 상기 링 도파관은 실리콘 질화물로 형성되며, 상기 클래드층은 실리콘 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기를 제공함으로써, 수직 결합 구조를 통해 커플링 영역을 최대로 하여 감도를 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기이 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기의 설계 파라미터를 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 6은 도파관의 전력 플럭스를 나타낸 그래프.
도 7은 다양한 링 반지름에 따라 계산된 드랍 포트(출력 포트)에서의 정규화된 출력 전력을 나타낸 그래프.
도 8은 다양한 링 지름 변경에 따른 드랍 포트에서의 정규화된 출력 전력을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 강도 감지 위치를 나타낸 도면.
도 10 내지 도 12는 도 9의 감지 위치에서 FDTD에 대한 감지 결과를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기의 제조 공정을 나타낸 순서도.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기이 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기(100)는 한 쌍의 하부 도파관(110) 및 상부 도파관(120)을 포함하여 구성된다.
하부 도파관(110)은 광을 입사한 후 광을 출력하기 위한 수단이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하부 도파관(110)은 광로를 가지는 복수의 버스 도파관(제1 버스 도파관(110A), 제2 버스 도파관(110B))를 포함하여 구성된다. 제1 버스 도파관(110A)과 제2 버스 도파관(110B)는 동일 평면상에 위치되나, 상호 일정 간격 이격되어 배치되며 서로 평행하게 위치될 수 있다.
제1 버스 도파관(110A)과 제2 버스 도파관(110B)의 폭, 넓이, 길이는 각각 모두 동일할 수 있다.
이와 같이, 하부 도파관(110)이 두개의 버스 도파관(110A, 110B)로 구성됨으로써, 하부 도파관(110)은 4개의 포트를 가지게 된다. 제1 버스 도파관(110A) 및 제2 버스 도파관(110B) 중 어느 하나는 광이 입력되기 위한 수단이고, 제1 버스 도파관(110A) 및 제2 버스 도파관(110B) 중 다른 하나는 광이 출력되기 위한 수단이다.
다만, 하부 도파관(110)의 광로 길이는 제한이 없다. 따라서, 하부 도파관(110)은 길이 방향으로의 크기가 제한 없이 적용될 수 있다.
상부 도파관(120)은 하부 도파관(110)과 수직적으로 커플링되며, 광 경로를 변경하기 위한 수단이다.
하부 도파관(110)이 복수의 버스 도파관으로 구성되며, 서로 일정 거리 이격되어 있으므로, 상부 도파관(120)은 결과적으로 하부 도파관(110)과 복수의 영역에서 커플링될 수 있다.
상부 도파관(120)은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 링 형태로 형성될 수 있다.
다만, 상부 도파관(120)은 하부 도파관(110)과 직접 맞닿는 구조로 형성되지 않으며, 일정 간격 이격되어 배치된다. 따라서, 상부 도파관(120)은 하부 도파관(110)과 다른 평면에 위치될 수 있다.
또한, 상부 도파관(120)은 하부 도파관(110)과 수직적으로 커플링되므로, 이격 거리는 수나노미터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상부 도파관(120)는 하부 도파관(110)과의 수직으로 커플링되도록 하기 위해 하부 도파관(110)과의 이격 거리가 1.5
Figure pat00003
이하로 형성되는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에서는 상부 도파관(120)이 하부 도파관(110)으로부터 공중에 떠 있는 것으로 도시되어 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 도파관(120)과 하부 도파관(110) 사이에 클래드층(130)이 형성될 수 있다.
즉, 상부 도파관(120)은 절연층(130)에 의해 하부 도파관(110)과 일정 거리 이격되어 위치될 수 있다.
상부 도파관(120)이 하부 도파관(110)과 복수의 영역에서 커플링될 수 있도록, 하부 도파관(110) 내의 제1 버스 도파관(110A)와 제2 버스 도파관(110B)의 이격 거리는 상부 도파관(120)의 링의 지름(또는 반지름)에 따라 달라질 수 있다.
또한, 하부 도파관(110)과 상부 도파관(120)은 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 바람직하게 하부 도파관(110) 및 상부 도파관(120)은 Si3N4일 수 있다.
도 3의 3D 마이크로 링 공진기(100)의 단면도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 마이크로 링 공진기(100)는 기판(130)위에 형성될 수 있다. 여기서, 기판(130)은 실리콘 기판일 수 있다.
또한, 하부 도파관(110)과 기판 사이에는 제1 클래드층(135)이 형성되고, 하부 도파관(110)과 상부 도파관(120) 사이에는 제2 클래드층(140)이 각각 형성될 수 있다.
여기서, 제1 클래드층(135) 및 제2 클래드층(140)은 실리콘 산화물로 형성되며, 바람직하게는 SiO2로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상부 도파관(120)이 제1 버스 도파관(110A)와 제2 버스 도파관(110B)에 수직적으로 각각 커플링됨에 따라 상부 도파관(120)은 하부 도파관(110)을 통해 입사된 광의 경로를 변경하여 입사 방향과 동일하거나 또는 상이한 방향으로 출력되도록 할 수 있다.
예를 들어, 제1 버스 도파관(110A)의 일단을 통해 광이 입사되는 경우, 상부 도파관(120)이 제1 버스 도파관(110A)와 커플링된 영역(제1 커플링 영역이라 칭하기로 함)을 통해 광이 상부 도파관(120)의 광로를 통해 이동된다. 이어, 상부 도파관(120)이 제2 버스 도파관(110B)와 커플링된 영역(제2 커플링 영역이라 칭하기로 함)을 통해 제2 버스 도파관(110B)으로 광이 이동되게 된다. 이에 따라 제1 버스 도파관(110A)를 통해 광이 입사되더라도 상부 도파관(120)을 통해 광로가 변경되어 제2 버스 도파관(110B)의 일단을 통해 출력될 수 있다.
지금까지 3차원 마이크로 링 공진기(100)의 구조에 대해 설명하였다. 이하에서는 광학 전파에 대해 설명하기로 한다.
광학 전파의 모드 분석을 위해 유한 차분 시간 영역(FDTD) 및 결합 모드 이론(CMT)와 같은 두 가지 유형의 수학적 접근법이 사용될 수 있다. FDTD는 맥스웰 방정식을 사용하여 광학 전파를 위한 경계 조건을 해결함으로써 더욱 정확한 것으로 알려져 있다. 그러나, FDTD는 많은 계산 비용과 하드웨어 요구 사항을 필요로 한다. CMT는 비교란 도파관에 대응하는 정상 모드의 합계로서, 교란된 광 필드를 표현한다. 그러므로, CMT는 MRR을 위해 광 전파 분석에 직접적으로 사용되고 더 단순하다. CMT는 필수적 특징과 광 전파 현상을 포함한다. 도파관이 다른 도파관에 충분히 가까울 때, 전송 도파관은 작은 굴절률 변경을 유도한다. 광학 모드는 원래 모드의 전자기 필드 분산에 아주 조금 영향을 미치도록 결합되거나 접속된다.
맥스웰 방정식에서 전기장과 자기장은 수학식 1 및 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
는 회전 연산자를 나타내고,
Figure pat00006
는 전기장을 나타내며,
Figure pat00007
는 자기장을 나타내고,
Figure pat00008
는 진공의 투자율을 나타낸다.
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 진공의 유전율을 나타낸다.
전자기장
Figure pat00011
와
Figure pat00012
는 수학식 3 및 4와 같이 왕 전파 형태로 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
수학식 1에서 수학식 4는 수학식 5에서 수학식 10과 같이 재작성될 수 있다.
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Marcatili는 3차원 광학 직사각형 도파관을 소개했다.
Figure pat00021
에 대해 수학식 5 내지 수학식 10의 각 방정식은 수학식 11 내지 수학식 16과 같이 대체될 수 있다.
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
도파관은 다른 도파관들과 상화작용이 가능하도록 근접됨으로써, 상호간 커플링이 형성될 수 있다.
Figure pat00028
Figure pat00029
수학식 17 및 수학식 18에서, 유도된 모드(guided mode)는 동일한 +z 방향내에서 결합된 도파관을 따라 전파되는 것을 가정한다.
Figure pat00030
는 실수이고, 양의 크기를 가진다. 여기서,
Figure pat00031
는 커플링 계수이고,
Figure pat00032
에 의해 정의된다.
미분 방정식 17 및 18을 풀면, 수학식 19 및 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00033
Figure pat00034
새로운 변수
Figure pat00035
는 수학식 21과 같이 정의된다.
Figure pat00036
Figure pat00037
는 수학식 22와 같이 정의된다.
Figure pat00038
z 방향이 양일 때, 수학식 20은 수학식 18을 대체한다. z=0에서, 각 진폭은
Figure pat00039
에 의해 획득된다. 수학식 19 및 수학식 23에서 초기값을 대체하면, 수학식 24 및 수학식 25와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00040
Figure pat00041
Figure pat00042
Figure pat00043
이 작을 때, 공식은 수학식 26과 같이 파생될 수 있다.
Figure pat00044
전력 플럭스 도파관 1 및 2는 수학식 27 및 수학식 28과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00045
Figure pat00046
여기서, F는 수학식 29와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00047
도 2는 광학 전송 펑션(function)을 보여준다.
도 2의
Figure pat00048
, ,
Figure pat00050
는 수학식 30 내지 32와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00051
Figure pat00053
여기서,
Figure pat00054
는 링 손실을 나타낸다.
Figure pat00055
의 값이 1이라고 가정기로 한다. L은 레이스 트랙(race track)의 길이를 나타낸다.
Figure pat00056
수학식 32를 수학식 30에 적용하면, 수학식 34와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00057
수학식 32를 수학식 31에 적용하면, 수학식 35와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00058
Figure pat00059
에 의해 수학식 35를 재구성하면, 수학식 36과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00060
도 2에서,
Figure pat00061
는 수학식 37과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00062
새로운 파라미터
Figure pat00063
는 38과 같이 나타낼 수 있으며, 이는 레이스 트랙의 반경에 대한 수학식 33과 비교될 수 있다.
Figure pat00064
따라서, 드롭 포트(drop port)에서 전력은 수학식 39와 같이 주어진다.
Figure pat00065
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기의 설계 파라미터를 나타내고, 도 5는 도 4에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 6은 도파관의 전력 플럭스를 나타낸 그래프이며, 도 7은 다양한 링 반지름에 따라 계산된 드랍 포트(출력 포트)에서의 정규화된 출력 전력을 나타낸 그래프이고, 도 8은 다양한 링 지름 변경에 따른 드랍 포트에서의 정규화된 출력 전력을 나타낸 그래프이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 강도 감지 위치를 나타낸 도면이고, 도 10 내지 도 12는 도 9의 감지 위치에서 FDTD에 대한 감지 결과를 나타낸 도면이다.
도 7에서 보여지는 바와 같이, 1.5
Figure pat00066
파장에서 A(z)와 B(z)간의 전력 플럭스는 60%, 40%로 나뉜다. 또한, 출력 포트와 통과 포트 사이의 전력 비율은 65%, 35%를 보이는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 마이크로 링 공진기의 제조 공정을 나타낸 순서도이다.
단계 1310에서 제1 공정은 실리콘 기판위에 제1 클래드층을 형성한다. 예를 들어, 실리콘 기판위에 실리콘 산화물(SiO2)층을 증착시킴으로써 제1 클래드층을 형성할 수 있다. 이때, 실리콘 산화물층은 PECVD 공정을 통해 증착될 수 있다. PECVD 공정은 당업자에게는 자명한 사항이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
단계 1315에서 제2 공정으로 제1 클래드층 위에 하부 도파관을 형성한다.
이를 보다 상세히 설명하면, 제1 클래드층 위에 실리콘 질화물을 증착시킨 후, 제1 패턴에 따라 건식 식각 공정을 통해 하부 도파관을 형성할 수 있다.
단계 1320에서 제3 공정으로 하부 도파관 위에 제2 클래드 층을 형성한다.
보다 상세하게 설명하면, 하부 도파관 위에 실리콘 산화물 증착 공정을 수행한 후 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 수행한다.
이어, 단계1325에서 제4 공정으로 실리콘 산화물 증착 공정을 재수행한 후 증착된 실리콘 산화물층 위에 실리콘 질화물을 증착시키고, 제2 패턴에 따라 건식 식각 공정을 통해 상부 도파관을 형성한다. 마지막으로 단계 1330에서 제5 공정으로 상부 도파관 위로 실리콘 산화물 증착 공정을 다시 수행함으로써 최종적으로 3차원 마이크로 링 공진기를 제조할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 3차원 마이크로 링 공진기
110: 하부 도파관
120: 상부 도파관
130: 기판
135, 140: 제1 클래드층, 제2 클래드층

Claims (10)

  1. 광로를 가지는 하부 도파관; 및
    상기 하부 도파관과 수직적으로 일정 거리 이격되어 배치되며, 수직적으로 상기 하부 도파관과 커플링되는 상부 도파관을 포함하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 도파관은 복수의 버스 도파관으로 구성되며,
    상기 복수의 버스 도파관은 일정 간격 이격되어 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 상부 도파관은 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 버스 도파관 중 어느 하나는 입력 포트(input port)와 쓰루 포트(through port)를 가지며,
    복수의 버스 도파관 중 다른 하나는 출력 포트(output port)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 도파관과 상기 상부 도파관 사이에 형성되는 클래드층을 더 포함하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 클래드층은 1.5
    Figure pat00067
    이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 클래드층은 실리콘 산화물인 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 도파관과 상기 상부 도파관은 실리콘 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 도파관은 상기 하부 도파관과 0.12
    Figure pat00068
    이하의 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기.
  10. 광로를 가지는 제1 및 제2 도파관;
    상기 제1 및 제2 도파관 위에 형성된 클래드층; 및
    상기 제1 및 제2 도파관과 각각 소정의 영역이 중첩되도록 상기 클래드층 위에 위치하는 링 도파관을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 도파관과 상기 링 도파관은 실리콘 질화물로 형성되며, 상기 클래드층은 실리콘 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 링 공진기.

KR1020170026547A 2016-02-29 2017-02-28 3차원 마이크로 링 공진기 KR20170101831A (ko)

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KR20090071432A (ko) * 2007-12-27 2009-07-01 인텔 코포레이션 광 링 공진기 변조기, 광 강도 최대화 방법 및 광 변조 시스템

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