KR20180053286A

KR20180053286A - Active optical device

Info

Publication number: KR20180053286A
Application number: KR1020180052710A
Authority: KR
Inventors: 안동환; 배윤영
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2018-05-21
Also published as: KR102062858B1

Abstract

The present invention provides an active optical device which includes: a bulk substrate made of a material with a first refractive index, not an SOI substrate; and an active layer formed on the bulk substrate, wherein the active layer is made of a material with a second refractive index greater than the first refractive index and a waveguide structure to capture an optical signal can be implemented in the active layer. The active optical device is designed based on an optical mode to perform the waveguide structure. Accordingly, the present invention can provide an optical interconnect device and an optical device integrated apparatus based on a low-cost bulk silicon substrate.

Description

Active optical device < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 광소자에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 능동형 광소자에 관한 것이다. The present invention relates to an optical element, and more particularly, to an active optical element.

지금까지 광소자는 대부분 별도로 제작되어 광섬유케이블을 통한 별도의 연결구성에 의해 시스템을 구성하여 왔다.이러한 방식은 마치 집적회로 발명 이전의 전기소자와 마찬가지로 대량생산에 의한 가격절감의 혜택을 누리는데 불리하였다. 따라서 최근에는 전기 집적회로 장치와 비슷한 광소자 집적 장치를 구현하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 광소자 집적 장치는 전기 집적회로 장치와 마찬가지로 다양한 기능의 광소자와 전기소자를 단일 기판에 집적하여 소형화한 장치이다.Until now, most of the optical devices have been manufactured separately and have been configured by a separate connection configuration through a fiber optic cable, which is disadvantageous for enjoying the price reduction by mass production like an electric device before the invention of an integrated circuit . Therefore, in recent years, efforts have been actively made to implement an optical device integrated device similar to an electric integrated circuit device. An optical element integrated device is an apparatus in which optical elements and electric elements of various functions are integrated on a single substrate and miniaturized like an electric integrated circuit device.

광소자 집적 장치를 이루는 광소자들은 크게 능동 광소자와 제 2 소자층으로 구분할 수 있다. 능동 광소자는 전력이 공급되는 소자로서 광원, 변조기, 수신기 등이 있으며, 제 2 소자층은 전력이 공급되지 않는 소자로서 도파로, 커플러, 필터, 다중화기 등이 있다. Optical devices constituting an optical device integrated device can be roughly divided into an active optical device and a second device layer. An active optical device is a device to which electric power is supplied, such as a light source, a modulator, a receiver, and the second device layer is a device that is not supplied with electric power, and includes a waveguide, a coupler, a filter and a multiplexer.

예를 들어, 변조기는 간섭계형과 공진형으로 구분된다. 간섭계형 변조기는 고속 동작이 가능하고, 동작 스펙트럼 대역이 넓으며, 온도 변화에 둔감한 장점을 가지나 수 밀리미터의 길이로 인하여 소형화가 어려운 단점이 있다. 공진형 변조기는 수 십 마이크로미터의 짧은 길이가 가능하다는 것이 장점이나 동작 스펙트럼 대역이 협소하고, 온도 변화에 민감한 단점을 가지고 있다.For example, a modulator is divided into an interferometer type and a resonance type. The interferometer type modulator is capable of high-speed operation, has a wide operating spectrum band and is insensitive to temperature change, but has a drawback in that it is difficult to downsize due to the length of several millimeters. The resonant modulator has the advantage of being able to have a short length of several tens of micrometers, but has a disadvantage in that it is narrow in the operating spectrum band and sensitive to temperature variations.

또한, 실리콘 호환 기판구조에서 변조기 및 수신기등을 제작하는 기존의 주요 기술들은 주로 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 사용된다. 광소자의 기본 구조인 도파로는 보통 굴절률이 큰 코어(core) 부분과 코어를 둘러싸 주는 굴절률이 낮은 클레딩(cladding) 물질 부분으로 구성되어야 하는데, SOI 기판을 사용하여 실리콘 코어 도파로를 제작할 경우 기판 내부의 매립 산화물 (Buried Oxide)이 하부 클래딩의 역할을 해주므로 공정이 간단해 지는 장점과 함께, SOI 기판의 상부 실리콘 층인 단결정 실리콘의 특성으로부터 낮은 광손실을 기대할 수 있다. 그러나 SOI 기판은 벌크 실리콘(Bulk-Si) 기판에 비해 약 10배 가격이 높아 원가 절감에 크게 불리하다는 문제가 있다. 따라서 저가의 벌크 실리콘 기판 기반의 광소자의 개발이 매우 유리하다고 할 수 있다.In addition, in the conventional technology for manufacturing a modulator and a receiver in a silicon compatible substrate structure, an SOI (Silicon On Insulator) substrate is mainly used. The waveguide, which is the basic structure of an optical device, should be composed of a core portion having a large refractive index and a cladding material portion having a low refractive index surrounding the core. When a silicon core waveguide is fabricated using an SOI substrate, Buried oxide serves as a lower cladding, which simplifies the process, and low optical loss can be expected from the characteristics of single crystal silicon, which is the upper silicon layer of the SOI substrate. However, there is a problem that the SOI substrate is disadvantageous in terms of cost reduction because it is about 10 times more expensive than the bulk silicon (Bulk-Si) substrate. Therefore, it is very advantageous to develop an optical device based on a low cost bulk silicon substrate.

본 발명은 벌크 실리콘 기판을 기반으로 한 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to provide an optical interconnect device and an optical device integrating device based on a bulk silicon substrate. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 관점에 의한 광 인터커넥트 장치를 제공한다. 상기 광 인터커넥트 장치는 기판; 상기 기판 상의 활성층에 형성된 제 1 소자층; 상기 제 1 소자층 상에 배치되되 광신호가 전송되는 제 2 소자층; 및 상기 제 1 소자층과 상기 제 2 소자층 간의 유효 굴절률 차이를 해소하고 모드 프로파일을 매칭시키기 위하여 상기 제 1 소자층과 상기 제 2 소자층 사이에 개재된 모드 컨버터;를 포함하고, 상기 활성층에 형성된 제 1 소자층, 상기 모드 컨버터 및 상기 제 2 소자층은 상기 기판 상의 서로 다른 이격된 평면에 각각 순차적으로 배치되되, 상기 모드 컨버터의 일단은 상기 제 2 소자층의 일부와 오버랩(overlap)되도록 배치되며, 상기 모드 컨버터의 타단은 상기 제 1 소자층의 일부와 오버랩되도록 배치된다. An optical interconnect device according to one aspect of the present invention is provided. The optical interconnect device comprising: a substrate; A first element layer formed on the active layer on the substrate; A second element layer disposed on the first element layer and to which an optical signal is transmitted; And a mode converter interposed between the first element layer and the second element layer for eliminating an effective refractive index difference between the first element layer and the second element layer and matching the mode profile, The mode converter and the second device layer are sequentially disposed on different spaced apart planes on the substrate such that one end of the mode converter overlaps a portion of the second device layer, And the other end of the mode converter is arranged to overlap with a part of the first element layer.

상기 광 인터커넥트 장치에서, 상기 기판은 제 1 굴절률을 가지는 물질로 이루어지는 벌크 기판이며, 상기 활성층에 형성된 제 1 소자층(제 1 소자층)은 제 2 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 특히 본 특허에서는 보통 매립산화물이 하부클래딩의 역할을 해주는 SOI 기판 대신 벌크실리콘기판을 사용하므로, 상기 활성층에 형성된 제 1 소자층의 제 2 굴절률은 제 1 굴절률보다 크도록 하여 제 1 굴절률의 벌크 기판 물질이 클래딩 역할을 해줄 수 있도록 한다. 상기 모드 컨버터는 제 3 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 상기 제 2 소자층은 제 4 굴절률을 가지는 물질로 이루어지되, 상기 활성층에 형성된 제 1 소자층의 도파관 모드의 제 1 유효 굴절률은 상기 모드 컨버터 타단의 도파관 모드의 유효 굴절률과 대략 동일하며, 상기 제 2 소자층의 도파관 모드의 제 2 유효굴절률은 상기 모드 컨버터 일단의 도파관 모드의 유효 굴절률과 대략 동일하며, 상기 제 1 유효 굴절률은 상기 제 1 굴절률보다 크고 상기 제 2 굴절률보다 작으며, 상기 제 2 유효 굴절률은 상기 제 3 굴절률 및 상기 제 4 굴절률 보다 작을 수 있다. In the optical interconnect device, the substrate is a bulk substrate made of a material having a first refractive index, and the first element layer (first element layer) formed on the active layer is made of a material having a second refractive index. Since the bulk silicon substrate is used instead of the SOI substrate in which the buried oxide serves as the lower cladding, the second refractive index of the first element layer formed on the active layer is larger than the first refractive index so that the bulk substrate material of the first refractive index acts as a cladding To be able to do. Wherein the mode converter is made of a material having a third refractive index, the second element layer is made of a material having a fourth refractive index, and the first effective refractive index of the waveguide mode of the first element layer formed in the active layer, And the second effective refractive index of the waveguide mode of the second device layer is substantially equal to the effective refractive index of the waveguide mode of the mode converter, and the first effective refractive index is substantially equal to the effective refractive index of the first waveguide mode, And the second effective refractive index may be smaller than the third refractive index and the fourth refractive index.

상기 광 인터커넥트 장치에서, 상기 제 1 굴절률을 가지는 물질은 실리콘이며, 상기 제 2 굴절률을 가지는 물질은 게르마늄 또는 실리콘 게르마늄이며, 상기 제 3 굴절률을 가지는 물질은 게르마늄 또는 실리콘게르마늄이며, 상기 제 4 굴절률을 가지는 물질은 실리콘 또는 실리콘질화물 또는 실리콘산화질화물 이며, 상기 기판은 SOI 기판이 아닌 벌크 실리콘 기판일 수 있다. In the optical interconnect device, the material having the first refractive index is silicon, the material having the second refractive index is germanium or silicon germanium, the material having the third refractive index is germanium or silicon germanium, The material to be implanted may be silicon or silicon nitride or silicon oxynitride, and the substrate may be a bulk silicon substrate other than an SOI substrate.

상기 광 인터커넥트 장치에서, 상기 모드 컨버터는 폭이 서로 다른 상기 일단 및 타단을 포함하되, 상기 일단 및 타단 사이를 연결하는 테이퍼(taper) 영역을 더 포함할 수 있다. In the optical interconnect device, the mode converter may further include a taper region including the one end and the other end having different widths, and connecting the one end and the other end.

상기 광 인터커넥트 장치에서, 상기 활성층에 형성된 제 1 소자층의 일부와 오버랩되는 상기 모드 컨버터의 타단의 폭은 상기 제 2 소자층의 일부와 오버랩되는 상기 모드 컨버터의 일단의 폭보다 더 클 수 있다. In the optical interconnect device, the width of the other end of the mode converter overlapping with a part of the first element layer formed in the active layer may be larger than the width of one end of the mode converter overlapping with a part of the second element layer.

상기 광 인터커넥트 장치에서, 상기 기판, 상기 활성층에 형성된 제 1 소자층, 상기 제 2 소자층 및 상기 모드 컨버터 사이의 이격 공간을 충전하는 절연층을 더 포함할 수 있다. The optical interconnect device may further include an insulating layer filling a space between the substrate, the first element layer formed on the active layer, the second element layer, and the mode converter.

본 발명의 다른 관점에 의한 광소자 집적 장치를 제공한다. 상기 광소자 집적 장치는 벌크 실리콘 기판; 상기 벌크 실리콘 기판 상에 형성된 능동 광소자; 상기 능동 광소자 상에 배치되되 광신호가 전송되는 제 2 소자층; 및 상기 능동 광소자의 활성층에 형성된 제 1 소자층과 상기 제 2 소자층 간의 유효 굴절률 차이를 해소하고 모드 프로파일을 매칭시키기 위하여 상기 능동 광소자와 상기 제 2 소자층 사이에 개재된 모드 컨버터;를 포함하고, 상기 능동 광소자, 상기 모드 컨버터 및 상기 제 2 소자층은 상기 기판 상의 서로 다른 이격된 평면에 각각 순차적으로 배치되되, 상기 모드 컨버터의 일단은 상기 제 2 소자층의 일부와 오버랩(overlap)되도록 배치되며, 상기 모드 컨버터의 타단은 상기 능동 광소자의 활성층에 형성된 제 1 소자층 일부와 오버랩되도록 배치될 수 있다. An optical element integrating apparatus according to another aspect of the present invention is provided. The optical element integrated device includes a bulk silicon substrate; An active optical element formed on the bulk silicon substrate; A second element layer disposed on the active optical element, wherein the second element layer transmits an optical signal; And a mode converter interposed between the active optical element and the second element layer for eliminating an effective refractive index difference between the first element layer and the second element layer formed in the active layer of the active optical device and matching the mode profile Wherein the active optical element, the mode converter, and the second element layer are sequentially disposed on different spaced planes on the substrate, wherein one end of the mode converter overlaps a portion of the second element layer, And the other end of the mode converter may be arranged to overlap a part of the first element layer formed in the active layer of the active optical element.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 저가의 벌크 실리콘 기판을 기반으로 하는 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치를 제공할 수 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the embodiments of the present invention described above, it is possible to provide an optical interconnect device and an optical device integrated device based on a low-cost bulk silicon substrate. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치의 일부를 개요적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에서 광이 도파되는 경로를 개요적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에서 모드 컨버터의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에서 다양한 구성요소에 대한 모드 프로파일을 나타낸 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에서 실시한 전자기파 시뮬레이션 결과이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치의 빛의 전파 결과를 나타내는 도면이다.1 is a perspective view schematically showing an optical interconnect device and a part of an optical device integrating device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a path through which light is guided in an optical interconnect device and an optical device integrating device according to an embodiment of the present invention.
3 is a plan view of a mode converter in an optical interconnect device and an optical device integrated device according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating a mode profile of various components in an optical interconnect device and an optical device integrated device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows the results of electromagnetic wave simulation performed in the optical interconnect device and the optical device integrating device according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating the propagation of light in an optical interconnect device and an optical device integrated device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 명세서 전체에 걸쳐서, 층 또는 영역과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, at least some of the components may be exaggerated or reduced in size for convenience of explanation. Like numbers refer to like elements throughout the drawings. It is to be understood that throughout the specification, when an element such as a layer or a region is referred to as being "on" another element, the element may be directly "on" It will be understood that there may be other intervening components.

도파관 내부를 관통하는 모드의 유효 굴절률(effective index, n_eff)에 대해서는 다음과 같다. 유효 굴절률이 도파관을 이루는 코어(core)물질의 굴절률 보다 작다는 사실 그리고 상기 유효 굴절률이 피복(cladding) 물질의 굴절률 보다 크다는 사실이 적용된다. 다른 말로 표현하자면, 도파관 내부를 관통하는 모드에 대한 유효 굴절률은 피복(cladding)물질의 굴절률과 도파관 코어(core)물질의 굴절률 사이에 놓여있다. 상기 조건이 충족되지 않으면, 상기 모드는 통상적인 경우에 도파관 내부를 관통하지 않거나 또는 상기 모드가 관통할 때에 광학적인 손실이 발생하게 된다.The effective index (n _eff ) of the mode passing through the inside of the waveguide is as follows. The fact that the effective refractive index is smaller than the refractive index of the core material constituting the waveguide and that the effective refractive index is larger than the refractive index of the cladding material is applied. In other words, the effective refractive index for the mode through the interior of the waveguide lies between the refractive index of the cladding material and the refractive index of the waveguide core material. If the above condition is not satisfied, the mode will not penetrate the inside of the waveguide in a normal case, or an optical loss will occur when the mode is penetrated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치의 일부를 개요적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에서 광이 도파되는 경로를 개요적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에서 모드 컨버터의 평면도이다. FIG. 1 is a perspective view schematically showing an optical interconnect device and a part of an optical device integrating apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of an optical interconnect device and an optical device integrating device according to an embodiment of the present invention. Fig. 3 is a diagram schematically showing a path to be guided. 3 is a plan view of a mode converter in an optical interconnect device and an optical device integrated device according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치는 광 커플러(optical coupler)로 이해할 수 있으며, 기판(10); 기판(10) 상에 형성된 활성층에 형성된 제 1 소자층(20); 활성층에 형성된 제 1 소자층(20) 상에 배치되되 광신호가 전송되는 제 2 소자층(40); 및 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)과 제 2 소자층(40) 간의 유효 굴절률 차이를 해소하고 모드 프로파일을 매칭시키기 위하여 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)과 제 2 소자층(40) 사이에 개재된 모드 컨버터(30);를 포함한다. 1 to 3, an optical interconnect device according to an embodiment of the present invention can be understood as an optical coupler and includes a substrate 10; A first element layer (20) formed on an active layer formed on a substrate (10); A second element layer (40) disposed on the first element layer (20) formed on the active layer and to which an optical signal is transmitted; And a first element layer 20 and a second element layer 40 formed on the active layer in order to eliminate the difference in effective refractive index between the first and second element layers 20 and 40 formed in the active layer, And a mode converter 30 interposed therebetween.

활성층에 형성된 제 1 소자층(20)은 능동 또는 수동 광소자층을 포함할 수 있으며, 제 2 소자층(40)은 수동 광소자층을 포함할 수 있다. The first element layer 20 formed on the active layer may include an active or passive optical element layer and the second element layer 40 may include a passive optical element layer.

활성층에 형성된 제 1 소자층(20), 모드 컨버터(30), 및 제 2 소자층(40)는 기판(10) 상의 서로 다른 이격된 평면에 각각 순차적으로 배치된다. 기판(10), 활성층에 형성된 제 1 소자층(20), 제 2 소자층(40) 및 모드 컨버터(30) 사이의 이격 공간은 절연층으로 충전(充塡)될 수 있으며, 나아가, 활성층에 형성된 제 1 소자층(20), 제 2 소자층(40) 및 모드 컨버터(30)는 상기 절연층 내에 매립된 것으로 이해할 수도 있다. 이 때, 활성층에 형성된 제 1 소자층과 수동광소자 층의 가장 큰 차이는, 활성층에 형성된 제 1 소자층의 아래부분은 실리콘과 같은 기판물질이 바로 접하고 있어 기판 물질이 언더클래딩 역할을 수행하는 반면, 수동광소자 층은 상기 절연층내에 상하좌우 매립된 형태를 띤다는 것이 주요 차이점이라 할 수 있다. The first element layer 20, the mode converter 30, and the second element layer 40 formed on the active layer are sequentially disposed on different spaced planes on the substrate 10, respectively. The spacing space between the substrate 10, the first element layer 20 formed on the active layer, the second element layer 40, and the mode converter 30 can be filled with an insulating layer, The formed first element layer 20, the second element layer 40 and the mode converter 30 may be understood to be embedded in the insulating layer. At this time, the greatest difference between the first element layer and the passive element layer formed in the active layer is that the lower portion of the first element layer formed in the active layer directly contacts a substrate material such as silicon, and the substrate material functions as an undercladding On the other hand, the main difference is that the passive element layer is embedded in the insulating layer in upper, lower, left, and right sides.

모드 컨버터(30)의 일단(30a)은 제 2 소자층(40)의 일부와 소정의 구간(W1, 예를 들어, 17㎛)에서 오버랩(overlap)되도록 배치되며, 모드 컨버터(30)의 타단(30c)은 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)의 일부와 소정의 구간(W2, 예를 들어, 8㎛)에서 오버랩되도록 배치된다. 여기에서, 오버랩되도록 배치된다는 것은 직접 접촉하지는 않지만 수직 투영 시 겹치는 영역이 있도록 배치된다는 것을 의미한다. One end 30a of the mode converter 30 is arranged to overlap with a part of the second element layer 40 in a predetermined section W1 (for example, 17 占 퐉) The first active layer 30c is arranged to overlap with a part of the first element layer 20 formed in the active layer in a predetermined section W2 (for example, 8 mu m). Here, to be disposed to overlap means to not be in direct contact but to be arranged so as to overlap in the vertical projection.

모드 컨버터(30)는 폭이 서로 다른 일단(30a) 및 타단(30c)을 포함하되, 일단(30a) 및 타단(30c) 사이를 연결하는 테이퍼(taper) 영역(30b)을 더 포함한다. 테이퍼 영역(30b)이라 함은 길이(L3) 방향으로 신장함에 따라 폭이 점점 변화하는 영역을 의미할 수 있다. 한편, 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)의 일부와 오버랩되는 모드 컨버터(30)의 타단(30c)의 폭(L2)은 제 2 소자층(40)의 일부와 오버랩되는 모드 컨버터(30)의 일단(30a)의 폭(L1)보다 더 클 수 있다. 이러한 모드 컨버터내에서 일단과 타단사이의 폭의 변화는, 직선적으로 일정한 변화률을 가질 수도 있으며(도 3a 참조), 또는 곡선적인 폭변화율의 점증적인 변화로 인해 곡선적인 모양을 가질 수도 있다(도 3b 참조). The mode converter 30 further includes a taper region 30b including one end 30a and the other end 30c having different widths and connecting one end 30a and the other end 30c. The tapered area 30b may mean a region whose width gradually changes as it extends in the direction of length L3. The width L2 of the other end 30c of the mode converter 30 overlapping with a part of the first element layer 20 formed on the active layer is larger than the width L2 of the mode converter 30 overlapping with a part of the second element layer 40. [ (L1) of the one end 30a of the protrusion 30a. The change in width between one end and the other end in this mode converter may have a linear change rate (see FIG. 3A), or it may have a curved shape due to an incremental change in the curve width change rate 3b).

기판(10)은 제 1 굴절률을 가지는 물질로 이루어지는 벌크 기판이며, 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)은 제 2 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 모드 컨버터(30)는 제 3 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 제 2 소자층(40)는 제 4 굴절률을 가지는 물질로 이루어지되, 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)의 도파관 모드의 제 1 유효 굴절률은 모드 컨버터(30)의 타단(30c)에서 도파관 모드의 유효 굴절률과 대략 동일하며, 제 2 소자층(40)의 도파관 모드의 제 2 유효굴절률은 모드 컨버터(30)의 일단(30a)에서 도파관 모드의 유효 굴절률과 대략 동일할 수 있다. The substrate 10 is a bulk substrate made of a material having a first refractive index. The first element layer 20 formed on the active layer is made of a material having a second refractive index. The mode converter 30 is made of a material having a third refractive index And the first effective refractive index of the waveguide mode of the first element layer 20 formed on the active layer is equal to the refractive index of the other end 30c of the mode converter 30 And the second effective refractive index of the waveguide mode of the second element layer 40 may be approximately equal to the effective refractive index of the waveguide mode at one end 30a of the mode converter 30 .

여기에서, 상기 제 1 유효 굴절률은 상기 제 1 굴절률보다 크고 상기 제 2 굴절률보다 작으며, 상기 제 2 유효 굴절률은 상기 제 3 굴절률 및 상기 제 4 굴절률 보다 작을 수 있다. Here, the first effective refractive index may be larger than the first refractive index and smaller than the second refractive index, and the second effective refractive index may be smaller than the third refractive index and the fourth refractive index.

이 중에서 특별한 예로서, 상기 제 1 굴절률과 상기 제 4 굴절률은 동일하며, 상기 제 2 굴절률과 상기 제 3 굴절률을 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 굴절률을 가지는 물질은 실리콘이며, 상기 제 2 굴절률을 가지는 물질은 게르마늄이며, 상기 제 3 굴절률을 가지는 물질은 게르마늄이며, 상기 제 4 굴절률을 가지는 물질은 실리콘이며, 기판(10)은 SOI 기판이 아닌 벌크 실리콘 기판일 수 있다. As a specific example, the first refractive index and the fourth refractive index may be the same, and the second refractive index and the third refractive index may be the same. For example, the material having the first refractive index is silicon, the material having the second refractive index is germanium, the material having the third refractive index is germanium, the material having the fourth refractive index is silicon, 10 may be a bulk silicon substrate rather than an SOI substrate.

디렉셔널 커플링(directional coupling)이 일어나기 위해서는 양 광도파로 간의 유효 굴절률이 같아야 한다. 한편, 멀티 모드(multi mode)로 전파될 경우 신호에 오류가 날 수 있으므로 펀더멘털 싱글 모드(fundamental single mode)로 전파되어야 하므로 펀더멘탈 모드를 유지하면서 빛을 전파하기 위하여 모드 컨버터(30)가 필요하다. 게르마늄 활성층에 형성된 제 1 소자층(20) 영역의 유효 굴절률은 3.54이고 광 신호가 오는 버스 광도파로는 유효 굴절률이 2.57 정도이기 때문에 유효 굴절류의 차이를 극복하기 위하여 테이퍼 영역(30b)을 구비하는 모드 컨버터(30) 구조가 사용된다. In order for directional coupling to occur, the effective refractive index between the two optical waveguides must be the same. On the other hand, in case of propagation in a multi mode, a signal may be distorted, so that it must be propagated in a fundamental single mode. Therefore, a mode converter 30 is required to propagate light while maintaining a fundamental mode. Since the effective refractive index of the first element layer 20 region formed in the germanium active layer is 3.54 and the effective refractive index of the bus optical waveguide in which the optical signal comes is about 2.57, in order to overcome the difference in effective refractive index, A mode converter 30 structure is used.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치는 광 커플러(optical coupler)로 이해할 수 있는 바, 이러한 수직 모드 커플링 구조는 서로 다른 층에 존재하는 수동 광소자 및/또는 능동 광소자를 서로 연결하여 집적하는 광소자 네트워크 집적구조인 광소자 집적 장치로 확장할 수 있다.The optical interconnect device according to an embodiment of the present invention can be understood as an optical coupler. The vertical mode coupling structure may be formed by connecting passive optical elements and / or active optical elements existing in different layers to each other To an optical device integrated device which is an integrated optical device network structure.

이에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자 집적 장치는 벌크 실리콘 기판(10); 벌크 실리콘 기판(10) 상에 형성된 능동 광소자; 상기 능동 광소자 상에 배치되되 광신호가 전송되는 제 2 소자층(40); 및 상기 능동 광소자의 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)과 제 2 소자층(40) 간의 유효 굴절률 차이를 해소하고 모드 프로파일을 매칭시키기 위하여 상기 능동 광소자와 제 2 소자층(40) 사이에 개재된 모드 컨버터(30);를 포함하고, 상기 능동 광소자, 모드 컨버터(30) 및 제 2 소자층(40)는 기판(10) 상의 서로 다른 이격된 평면에 각각 순차적으로 배치되되, 모드 컨버터(30)의 일단(30a)은 제 2 소자층(40)의 일부와 오버랩(overlap)되도록 배치되며, 모드 컨버터(30)의 타단(30c)은 능동 광소자의 활성층에 형성된 제 1 소자층(20) 일부와 오버랩되도록 배치될 수 있다. According to the present invention, an optical element integrating apparatus according to an embodiment of the present invention includes a bulk silicon substrate 10; An active optical element formed on the bulk silicon substrate 10; A second device layer (40) disposed on the active optical device and adapted to transmit an optical signal; And between the active optical element and the second element layer (40) in order to resolve the difference in effective refractive index between the first element layer (20) and the second element layer (40) formed in the active layer of the active optical device and to match the mode profile Wherein the active optical element, the mode converter (30), and the second element layer (40) are sequentially disposed on different spaced planes on the substrate (10), wherein the mode converter One end 30a of the active layer 30 overlaps with a part of the second element layer 40 and the other end 30c of the mode converter 30 is arranged to overlap the first element layer 20 Of FIG.

본 발명의 확장된 실시예들은 상기 기판(10)이 제 1 굴절률을 가지는 물질로 이루어지되 SOI 기판이 아닌 벌크 기판이며, 상기 제 1 소자층(20)가 제 1 굴절률보다 큰 제 2 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며 이를 기반으로 상기 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)의 광신호를 가두는 도파로 구조를 통하여 실현한 수동형 광소자 및, 이러한 도파로 구조를 진행하는 광모드를 바탕으로 설계하는 수동형 과변조기, 광검출기, 발광소자등의 능동형 광소자들로 확장할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the substrate 10 is a bulk substrate that is made of a material having a first refractive index but not an SOI substrate, and the first element layer 20 has a second refractive index Passive optical device realized by using a waveguide structure in which an optical signal of the first device layer 20 formed on the active layer is formed, and a passive optical device which is designed based on an optical mode in which the waveguide structure proceeds. A light modulator, a photodetector, and a light emitting device.

즉, 본 발명의 확장된 실시예에 따르면, 제 1 굴절률을 가지는 물질로 이루어지되, SOI 기판이 아닌, 벌크 기판(10); 및 벌크 기판(10) 상에 형성된 활성층(20)으로서, 상기 제 1 굴절률 보다 큰 제 2 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 광신호를 가두는 도파로 구조가 구현될 수 있는, 상기 활성층(20);을 포함하되, 상기 도파로 구조를 진행하는 광모드를 기반으로 설계된, 능동형 광소자를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 능동형 광소자는 광변조기, 광검출기 또는 발광소자를 포함할 수 있다. That is, according to the extended embodiment of the present invention, a bulk substrate 10 made of a material having a first refractive index, not a SOI substrate; And an active layer (20) formed on the bulk substrate (10), the active layer (20) being made of a material having a second refractive index larger than the first refractive index and capable of embodying a waveguide structure for blocking an optical signal; And an active optical device, which is designed based on an optical mode in which the waveguide structure proceeds, can be provided. For example, the active optical device may include an optical modulator, a photodetector, or a light emitting device.

이하에서는, 본 발명의 이해를 위하여, 상술한 본 발명의 광소자 집적 장치의 구체적인 일 예로서, 게르마늄 변조기 장치를 설명한다. Hereinafter, for the sake of understanding of the present invention, a germanium modulator device will be described as a concrete example of the above-described optical element integrating apparatus of the present invention.

게르마늄(Ge)은 밴드갭이 0.67 eV로 광 인터커넥트에 필요한 근적외선 영역에서의 광소자를 제작함에 있어서 유용하다. 예를 들면, 게르마늄 전계 흡수 광 변조기는 전기장을 이용하여 게르마늄 광도파로 내부의 빛을 스위칭 하여 신호전달을 할 수 있도록 한다. 상술한 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에서 활성층에 형성된 제 1 소자층(20) 및 모드 컨버터(30)는 게르마늄(굴절률 : 4.275)으로 이루어지며, 이 경우, 기판(10) 및 제 2 소자층(40)는 실리콘(굴절률 : 3.475)으로 이루어진다. Germanium (Ge) has a bandgap of 0.67 eV and is useful for fabricating optical devices in the near-infrared region required for optical interconnects. For example, a germanium electric field absorbing optical modulator switches the light inside a germanium optical waveguide by using an electric field, thereby enabling signal transmission. The first element layer 20 and the mode converter 30 formed in the active layer in the optical interconnect device and the optical element integrating device described above are made of germanium (refractive index: 4.275). In this case, the substrate 10 and the second element layer (Refractive index: 3.475).

구체적으로, 도 4의 (a)는 비정질 실리콘으로 이루어진 버스 도파로(Bus waveguide)인 제 2 소자층(40)의 펀더멘털 모드 프로파일이며, 도 4의 (b)는 그와 커플링(direct coupling) 되는 모드 컨버터(30)의 일단(30a)에서의 모드 프로파일을 나타내고 있고 각각 가로(폭) 세로(높이) 의 크기를 가지면서 유효굴절률(n_eff)의 값은 2.57을 가진다. 4 (a) is a fundamental mode profile of the second device layer 40, which is a bus waveguide made of amorphous silicon, and FIG. 4 (b) Mode profile at one end 30a of the mode converter 30 and has a value of effective refractive index _neff of 2.57 while having the size of width (width) length (height).

도 4의 (c)는 게르마늄 활성층에 형성된 제 1 소자층(20) 영역과 커플링(direct coupling)되기 위한 모드 컨버터(30)의 타단(30c)의 모드 프로파일을 나타내는 바, 가로(폭) 1.7㎛, 세로(높이) 0.2㎛의 크기를 가지면서 유효 굴절률(n_eff)의 값은 3.54를 가진다.4C shows the mode profile of the other end 30c of the mode converter 30 to be coupled directly to the region of the first element layer 20 formed in the germanium active layer. And a value of effective refractive index (n _eff ) of 3.54, while having a size of 0.2 mu m in height (height).

도 4의 (d)는 모드 컨버터(30)의 타단(30c)의 빛이 커플링(direct coupling)되어 게르마늄 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)으로 전파되어 온 펀더멜털 모드 프로파일을 나타낸다. 게르마늄 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)의 도파로의 크기는 가로(폭) 세로(높이) 의 크기를 가지면서 유효 굴절률(n_eff)의 값은 3.54을 가진다. 4D shows a fundamental mode profile in which the light of the other end 30c of the mode converter 30 is coupled to the first element layer 20 formed on the germanium active layer. The size of the waveguide of the first element layer 20 formed in the germanium active layer has a width (width) length (height) and a value of effective refractive index n _eff of 3.54.

이를 이용한 본 발명의 기술적 사상의 핵심은 SOI 기판이 아닌 벌크 실리콘 기판(10) 위에 게르마늄 광도파로를 형성하였다는 점에 있다. 기존의 대부분의 Ge-on-Si 광소자들은 SOI 기판의 상부 실리콘층 상에 에피택시 성장된 게르마늄 박막 물질을 이용하여 제작하는 것이 대부분이며, 이때 SOI 기판을 쓰는 주된 이유 중 하나는, 전파되는 광모드의 프로파일이 게르마늄에 쉽게 가두어지도록 구속시키는데 SOI의 매립 산화물(buried oxide)층이 쉽게 일조하기 때문이다. 본 발명의 핵심적 기술적 사상은, 도 5에 나타낸 바와 같이 SOI 웨이퍼의 사용을 지양하고 실리콘 보통 웨이퍼를 이용하며, 게르마늄과 실리콘의 굴절율 차이를 이용하여 광모드가 게르마늄에 가두어지도록(도 5의 등고선 형태로 나타낸 프로파일을 가지는 모드) 게르마늄 광소자를 설계하는 데에 있다. The key point of the technical idea of the present invention is that a germanium optical waveguide is formed on the bulk silicon substrate 10 instead of the SOI substrate. Most of the existing Ge-on-Si optical devices are fabricated by using epitaxially grown germanium thin film material on the upper silicon layer of the SOI substrate. One of the main reasons for using the SOI substrate is that the propagated light This is because the buried oxide layer of the SOI facilitates the confinement of the mode profile so that it is easily confined to germanium. The key technical idea of the present invention is to prevent the use of SOI wafers as shown in FIG. 5 and to use a silicon normal wafer, to confine the optical mode to germanium by using the difference in refractive index between germanium and silicon Mode) germanium optical devices.

이 기술 발명의 또 하나의 다른 기술적 사상의 핵심은 도 1에서 나타낸 도파로(waveguide) 간의 evanescent wave tail 의 간섭을 활용한 directional coupler를 이용하는데 있다. SOI기판을 활용한, 기존의 많은 Ge on Si 광소자들은 유효굴절률이 서로 다른 수동도파로소자와 능동소자를 연결할 때 Butt coupler 등을 사용하여 수동소자와 능동소자를 연결하였다. 그러나 Butt coupler의 사용은 공정상의 제한 조건이 많거나 허용 공차가 매우 한정될 수 있으며, 수동소자와 능동소자의 연결 계면에서 후방 반사(back reflection)등이 클 수 있다는 단점이 있을 수 있다. 본 발명의 핵심적 기술적 사상은 펀더멘털 모드로 입력되는 신호를 모드의 변화를 최소화 하면서 펀더멘털 모드로의 신호 전달을 성공적으로 활성층에 형성된 제 1 소자층에 하고 공정상의 공차를 줄일 수 있도록 간단한 디자인의 소자 형태를 취하고 집적 회로의 소형화를 위하여 신호 전달을 표층이 아닌 다중 층을 사용할 수 있도록 설계하는 데에 있다.Another key technical idea of this technical invention is the use of a directional coupler utilizing the interference of the evanescent wave tail between the waveguides shown in FIG. Many conventional Ge on Si optical devices using SOI substrate have passive and active devices connected with passive waveguide devices with different effective refractive index by using a butt coupler. However, the use of a butt coupler may have a disadvantage in that there are many process limitations and the tolerance may be very limited, and that back reflection at the connection interface between the passive element and the active element may be large. The key technical idea of the present invention is to provide a simple device element shape in which signal input to the fundamental mode is minimized in the mode change and the signal element to the fundamental mode is successfully transferred to the first element layer formed in the active layer, And to design the signal transmission to use multilayer instead of surface layer for miniaturization of integrated circuit.

도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치의 빛의 전파 결과를 나타내어 주고 있다. 도 4의 (a)에서 전달된 펀더멘털 모드의 신호가 활성층에 형성된 제 1 소자층을 지나 다시 모드 컨버터를 거쳐 최상층 제2 소자층까지 전달되는 시뮬레이션 결과이다. 도 6를 통하여 소자 전체의 구간에서 빛의 손실은 최소화되면서 안정적으로 빛이 광도파로에 가두어져(confined) 여러 소자층을 통해 전파되는 것을 확인 할 수 있다.6 shows the results of light propagation in an optical interconnect device and an optical device integrating device according to an embodiment of the present invention. 4A is a simulation result in which the fundamental mode signal transmitted in FIG. 4A passes through the first element layer formed in the active layer and then transferred to the uppermost second element layer via the mode converter. 6, it can be confirmed that the light is stably confined in the optical waveguide while the loss of light is minimized in the entire device section, and propagates through the various device layers.

도 1 내지 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에서는, 수직 모드 커플러(vertical mode coupler)를 설계하여, 입력 버스 광도파로(input bus waveguide)의 광모드로부터 벌크 실리콘 기판 위의 게르마늄 광도파로(Ge waveguide)에 구속된 광모드로 커플링 가능하도록 유효 굴절률을 변화시킬 수 있도록 하였다. Referring to FIGS. 1 and 2 together, in an optical interconnect device and an optical device integrated device according to an embodiment of the present invention, a vertical mode coupler is designed so that an input bus waveguide The effective refractive index can be changed from the optical mode to the optical mode confined to the germanium optical waveguide on the bulk silicon substrate.

즉, 입력 버스 광도파로와 활성층에 형성된 제 1 소자층 간의 유효 굴절률 차이를 극복하고 모드 프로파일(mode profile)을 매칭시키기 위하여 모드 컨버터(30)를 디자인하여 사용하였다. 유효 굴절률이 2.4인 버스 광도파로에서 들어온 빛은 모드 컨버터(30)의 가느다란 부분인 일단(30a)으로 커플링 된다. 그 후 빛이 커플링(coupling)된 컨버터의 유효 굴절률은 테이퍼 영역(30b)을 지나며 타단(30c)에서 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)의 유효 굴절률과 매칭이 되게 하며 빛이 전달되게 된다. That is, the mode converter 30 is designed and used to overcome the difference in effective refractive index between the input bus optical waveguide and the first element layer formed in the active layer and to match the mode profile. Light from a bus optical waveguide having an effective refractive index of 2.4 is coupled to one end (30a) which is a narrow portion of the mode converter (30). Then, the effective refractive index of the converter coupled with the light passes through the tapered region 30b and is matched with the effective refractive index of the first element layer 20 formed on the active layer at the other end 30c, and light is transmitted .

이러한 수직 모드 커플링 구조와 광커플링 방법은, 서로 다른 층에 존재하는 광도파로 제 2 소자층과 게르마늄 능동광소자를 서로 연결하여 집적하는 광소자네트워크 집적구조를 설계하는데 도움이 된다. 버스 광도파로로부터 들어온 빛(L)은 모드 컨버터(30)를 통하여 버스 광도파로와 활성층에 형성된 제 1 소자층 간의 유효 굴절률 차이를 해소를 통하여 순조롭게 전파 되게 된다. 그 후 모드 컨버터(30)의 빛은 활성층에 형성된 제 1 소자층(20)에 들어가게 되고 활성층에 형성된 제 1 소자층에 설계된 광소자 등이 역할을 수행하게 된다 (예를 들면, 활성층에 형성된 제 1 소자층에 생성된 변조기(modulator)의 온/오프 스위치 기능).The vertical mode coupling structure and the optical coupling method are useful for designing an optical element network integrated structure in which optical waveguide second element layers and germanium active optical elements existing in different layers are connected to each other and integrated. The light L received from the bus optical waveguide is smoothly propagated through the mode converter 30 by eliminating the effective refractive index difference between the bus optical waveguide and the first element layer formed in the active layer. Then, the light of the mode converter 30 enters the first element layer 20 formed in the active layer, and the optical element or the like designed in the first element layer formed in the active layer plays a role (for example, On / off switch function of a modulator generated in one element layer).

광 인터커넥트를 구현하기 위한 대표적인 기술인 실리콘 포토닉스(Si photonics)는 기존의 반도체 칩에 사용이 되는 공정을 그대로 사용하여 상업적으로 접근하기에 편하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 현재 대부분의 실리콘 포토닉스 기술들은 Silicon On insulator(SOI) 웨이퍼 기반의 기술들로 이는 실제의 보편적인 CMOS 칩에 직접적으로 이식하기에 어려움이 있다. 또한 현재의 반도체 칩 기술은 초고밀도의 집적회로로 작은 면적이 요구되는 바, 기존의 SOI 웨이퍼 기반의 수동광소자와 능동광소자를 같은 표면층 높이레벨에 구성하는 집적구조들은, 그 소자들이 차지하는 면적이 상당히 커져 높은 집적도를 가지는 현재의 반도체 소자의 추세에 반하게 되기도 한다.Si photonics, a typical technology for implementing optical interconnects, has the advantage that it is easy to approach commercially using the process used for existing semiconductor chips. Currently, however, most silicon photonics technologies are silicon-on-insulator (SOI) wafer-based technologies that are difficult to implant directly into a practical, universal CMOS chip. In addition, current semiconductor chip technology requires a small area with a very high density integrated circuit. In the case of integrated structures that constitute a conventional SOI wafer-based passive light element and active optical element at the same height level of a surface layer, It may be contrary to the trend of present semiconductor devices having considerably high integration.

본 발명은 이를 개선하기 위하여 개발되어 기존의 SOI 웨이퍼 기반이 아닌 벌크 실리콘 웨이퍼에 직접적으로 공정이 가능하며 고밀도 집적을 위한 수직형 커플러(vertical coupler)로 디자인하여 포토닉스 소자의 실리콘 전자회로와의 집적호환성을 향상시키며 소자 집적도도 높일 수 있다. 또한 소자의 단순화를 통하여 공정에서 복잡함을 최소한으로 줄이게 되어 제작비용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다. The present invention has been developed in order to improve this, and it can be directly processed on a bulk silicon wafer not based on a conventional SOI wafer, and designed as a vertical coupler for high density integration, so that integration compatibility of a photonics device with a silicon electronic circuit And the device integration degree can be increased. In addition, it is expected that the simplification of the device will reduce the complexity in the process to a minimum and reduce the manufacturing cost.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10 : 벌크 실리콘 기판
20 : 활성층에 형성된 제 1 소자층
30 : 모드 컨버터
40 : 제 2 소자층10: bulk silicon substrate
20: First element layer formed on the active layer
30: Mode converter
40: second element layer

Claims

A bulk substrate made of a material having a first refractive index but not an SOI substrate; And an active layer formed on the bulk substrate, wherein the active layer is made of a material having a second refractive index greater than the first refractive index, and can embody a waveguide structure for blocking an optical signal, Active optical device designed based on ongoing optical mode.

The method according to claim 1,
Wherein the active optical device comprises an optical modulator, a photodetector, or a light emitting device.