[논문]광 집적회로용 실리콘 기반 궤도 각운동량 부호 변환기

이인준; 김상인

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.4.659

초록
AI-Helper

본 논문에서는 실리콘 기반의 광 집적회로에서 외부 전압 조절을 통해 |l|=1 궤도 각운동량 모드의 궤도 각양자수를 변조할 수 있는 전기 광학 변조기를 설계하였다. 설계된 전기 광학 변조기는 위치별로 서로 다른 도핑농도를 가지는 실리콘 코어와 실리콘 산화막으로 구성되어 있으며, 도핑농도의 분포를 통해 궤도 각운동량 모드를 구성하는 두 고유 모드의 전파 손실과 유효굴절률 변화량을 조절할 수 있도록 설계되었다. 변조기는 역전압을 기준으로 -0.33V에서는 궤도 각운동량 모드의 부호가 유지되는 광도파로로, 10V에서는 궤도 각양자수 부호 변환기로서 동작한다. 고유 모드 확장법으로 계산한 신호변조 후의 전기장 분포를 통해 얻은 궤도 각양자수는 두 동작모드에서 모두 |l|>0.92 으로 매우 높은 궤도 각운동량 모드 순도를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a silicon-based electro-optic (EO) modulator which can modulate a sign of a topological charge number l of |l|=1 orbital angular momentum (OAM) mode. The proposed EO modulator consists of position-dependent doped Si waveguide core and undoped SiO2, cladding, w...

In this paper, we propose a silicon-based electro-optic (EO) modulator which can modulate a sign of a topological charge number l of |l|=1 orbital angular momentum (OAM) mode. The proposed EO modulator consists of position-dependent doped Si waveguide core and undoped SiO2, cladding, which enables control of the effective index and propagation loss of two OAM constitutive eigenmodes. The modulator functions as OAM mode maintaining waveguide at -0.33V and as topological charge sign inverter at 10V. The output OAM mode purity is calculated through electric field distribution, showing high purity of |l|>0.92 in both cases.

주제어

표/그림 (5)

그림 그림 1. OAM 모드 변환기의 구조 Fig. 1 Designed structure of OAM mode modulator
그림 그림 2. 유한요소법 기반 전하 분포 시뮬레이션 (a) 인가전압에 따른 HG01 모드와 HG10 모드 간 유효굴절률 차이. Fig. 2 FEM charge distribution simulation (a) mode index difference between HG01 mode and HG10 mode with the applied voltage.
그림 그림 3. -0.33V전압에서의 유한차분법 시뮬레이션 (a) HG01 모드의 |Ex| 분포 (b) HG10 모드의 |Ex| 분포 (c) 합성된 OAM 모드의 |Ex|² 분포 (d) OAM 모드의 x성분 위상분포 Fig. 3 FDM simulation results at -0.33V applied voltage.
그림 그림 4. 10V전압에서의 유한차분법 시뮬레이션 (a) HG01 모드의 |Ex| 분포 (b) HG10 모드의 |Ex| 분포 (c) 합성된 OAM 모드의 |Ex|² 분포 (d) OAM 모드의 x성분 위상분포 Fig. 4 FDM simulation results at 10V applied voltage.
그림 그림 5. (a) OAM 변환기의 시뮬레이션 개략도 (b) -0.33V에서의 출력 신호와 위상분포 (c) 10V에서의 출력 신호와 위상분포 Fig. 5 (a) Schematic diagram of OAM modulator simulation (b) output signal and x-component phase distribution at -0.33V voltage (c) output signal and x-component phase distribution at 10V voltage

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 궤도 각양자수 |l|=1을 가지는 1차OAM 모드의 궤도 각양자수를 변조할 수 있는 OAM모드 변환기를 설계하였고 이를 검증하였다. 도파로코어의 도핑농도 조절을 통하여 전압에 따른 모드간 유효굴절률 변화를 서로 다르게 해줌으로서 기존에는 실현이 어려웠던 모드간의 위상차를 줄 수 있었고, 기존의 보고된 변환기와 비교하여 7배 이상 짧은 길이로 궤도 각양자수를 바꾸어 줄 수 있었다.
본 논문에서는 이러한 기존의 소자의 단점을 보완하고, 집적형 광소자에 널리 쓰이는 도핑된 Si 광도파로를 기반으로, 집적화에 더욱 적합한 OAM 모드 부호 변환기를 설계하고자 한다.

제안 방법

10V에서 동작 시 궤도 각양자수 l의 부호를 뒤바꾸는 역할을 수행하도록 설계해야 하므로, 수식 (1)을 통하여 π만큼의 위상차가생기는 변환기의 길이 L을 계산하였다.
앞서 설계한 도핑 분포 및 모드 계산을 바탕으로 하여 OAM 모드 변환기를 설계하였다. HG₀₁, HG₁₀모드간의 유효굴절률 차이가 클수록 회로에서 변환기가차지하는 길이가 줄어들게 되므로 변환기는 -0.33V와10V에서 동작하게 설계하였다. 10V에서 동작 시 궤도 각양자수 l의 부호를 뒤바꾸는 역할을 수행하도록 설계해야 하므로, 수식 (1)을 통하여 π만큼의 위상차가생기는 변환기의 길이 L을 계산하였다.
앞서 설계한 도핑 분포 및 모드 계산을 바탕으로 하여 OAM 모드 변환기를 설계하였다. HG₀₁, HG₁₀모드간의 유효굴절률 차이가 클수록 회로에서 변환기가차지하는 길이가 줄어들게 되므로 변환기는 -0.
이러한 기존 방식의 문제점을 개선하기 위해 그림1과 같이 변환기의 광도파로 코어층의 도핑농도를 p와 p⁺, n과 n⁺ 로 각각 두 구간으로 나누어서 설계하였다. 설계된 광도파로는 LN을 사용한 소자보다 집적도와 공정측면에서 용이한 Si 코어와 SiO₂ 클래드로 구성되어 있으며, 코어층의 높이 H=1.
25㎛를 가진다. 코어의 양 옆에는 전압을 인가시켜주기 위해 고농도로 도핑된 Si층 및 Al전극이 존재하며, 코어의 도파 모드에 주는 영향을 최소화하기 위해 코어로부터의 거리는 2.375㎛, 두께는 90㎚로 설계하였다. 도핑농도의 경우, 중앙의 p⁺와 n⁺구간은 각각100㎚씩이며 5×10¹⁷(cm^-3)의 도핑농도를 가지며 n 타입과 p타입 Si의 유효굴절율 및 전파 손실 차이를 최소화하기 위해 n, p 구간은 너비는 900㎚로 같으나, 도핑 농도는 각각 3×10^₁₇(cm-³), 1×10¹⁷(cm^-3)로 서로 다르게 설계하였다.

대상 데이터

로 각각 두 구간으로 나누어서 설계하였다. 설계된 광도파로는 LN을 사용한 소자보다 집적도와 공정측면에서 용이한 Si 코어와 SiO₂ 클래드로 구성되어 있으며, 코어층의 높이 H=1.123㎛, 너비W=1.25㎛를 가진다. 코어의 양 옆에는 전압을 인가시켜주기 위해 고농도로 도핑된 Si층 및 Al전극이 존재하며, 코어의 도파 모드에 주는 영향을 최소화하기 위해 코어로부터의 거리는 2.

이론/모형

또한 전하 분포 시뮬레이션과 더불어, 각 전압에서OAM모드가 잘 생성됨을 확인하기 위하여 유한차분법 (Finite difference eigenmode: FDE)을 사용한 시뮬레이션을 수행하고, [13]의 계산방법을 참고하여 광궤도각 양자수를 추출하였다. 각각 그림 3에 -0.
그림 5의 (a)에 설계된 OAM 변환기의 검증을 위한 시뮬레이션 개략도를 나타내었다. 변환기의 길이가 파장과 비교하여 매우 길기 때문에 고유모드 확장(Eigenmode expansion: EME)기법을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 변환기의 입력으로 궤도 각양자수 l=-0.
설계된 구조의 전압에 따른 유효굴절률 변화를 확인하기 위해 유한요소법(Finite element method:FEM) 기반의 전하 분포 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 그림 2의 (a)에 인가된 전압에 따른 전하 분포변화로 생기는 1550㎚ 파장에서 HG₀₁, HG₁₀모드간의 유효굴절률 차이를 나타내었다.

성능/효과

본 논문에서는 궤도 각양자수 |l|=1을 가지는 1차OAM 모드의 궤도 각양자수를 변조할 수 있는 OAM모드 변환기를 설계하였고 이를 검증하였다. 도파로코어의 도핑농도 조절을 통하여 전압에 따른 모드간 유효굴절률 변화를 서로 다르게 해줌으로서 기존에는 실현이 어려웠던 모드간의 위상차를 줄 수 있었고, 기존의 보고된 변환기와 비교하여 7배 이상 짧은 길이로 궤도 각양자수를 바꾸어 줄 수 있었다. 변조된 신호의 모드 순도 또한 신호 변조시와 미변조 시 둘 다|l|>0.
33V,그림 4에 10V에서 각 모드의 |Ex| 분포를 (a), (b)에 나타내었고, π/2 위상차로 합성하여 만들어준 OAM모드의 전기장 세기 (c) 및 x 성분 위상분포(d)를 나타내었다. 두 인가전압 모두에서 HG₀₁ 모드 및 HG₁₀모드가 잘 생성되고, 광 궤도 각양자수의 계산결과-0.33V에서 l=-0.9327, 10V에서 l=-0.9323으로 0.9 이상의 매우 높은 모드 순도를 보임을 확인하였다.
9315로, 10V에서 궤도 각양자수 l의 부호가 뒤바뀌는 것을 계산상으로도 확인할 수 있었다. 또한 입력신호의궤도 각양자수 l=-0.9327와 절대값 차이가 거의 없는 것 으로 보아 OAM신호의 정보가 왜곡 없이 잘 유지되고 있다고 판단할 수 있다.
도파로코어의 도핑농도 조절을 통하여 전압에 따른 모드간 유효굴절률 변화를 서로 다르게 해줌으로서 기존에는 실현이 어려웠던 모드간의 위상차를 줄 수 있었고, 기존의 보고된 변환기와 비교하여 7배 이상 짧은 길이로 궤도 각양자수를 바꾸어 줄 수 있었다. 변조된 신호의 모드 순도 또한 신호 변조시와 미변조 시 둘 다|l|>0.92 으로 기존 신호를 거의 훼손하지 않음을 볼 수 있었다.
각각의 신호는 변환기를 통과하면서 모드 유효굴절률 변조를 위하여 가해준 도핑에 의해 전파손실을 겪게 된다. 입력 신호세기 대비 출력 신호세기를 계산한 결과, -0.33V와 10V의 두 동작모드에서 각각 -3.59dB와 -2.35dB만큼의 손실을 겪는 것을 확인할 수 있었다. 이는 기존의 Si기반 전기 광학 변환기들과 비슷한 값으로[14-15], 변환기 동작에는 큰 무리가 없을 것으로 보인다.

후속연구

다른 OAM 관련 광소자들의 연구가 많이 진행되었던 것에 비하여 변환기의 경우 그 사례가 많이 없으며 특히 Si 기반의 1550nm 파장에서 동작하는 변환기라는 점에서 본 연구는 광 집적회로 분야에서 특히 많은 응용이 가능할 것이라 생각된다.
2㎜정도의 변조구간이 필요함을 알 수 있다. 이는 이전 보고된 사례인 LN을 사용한 850㎚파장 변환기보다 7배 이상 짧은 길이로서, 회로의 집적화와 광통신 파장을 사용한 소자 개발에 많은 도움이 될 것이라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변조기란 무엇인가?	설계된 전기 광학 변조기는 위치별로 서로 다른 도핑농도를 가지는 실리콘 코어와 실리콘 산화막으로 구성되어 있으며, 도핑농도의 분포를 통해 궤도 각운동량 모드를 구성하는 두 고유 모드의 전파 손실과 유효굴절률 변화량을 조절할 수 있도록 설계되었다. 변조기는 역전압을 기준으로 -0.33V에서는 궤도 각운동량 모드의 부호가 유지되는 광도파로로, 10V에서는 궤도 각양자수 부호 변환기로서 동작한다. 고유 모드 확장법으로 계산한 신호변조 후의 전기장 분포를 통해 얻은 궤도 각양자수는 두 동작모드에서 모두 \|l\|>0.
	고유모드 확장 기법을 사용해 시뮬레이션을 수행한 이유는 무엇인가?	그림 5의 (a)에 설계된 OAM 변환기의 검증을 위한 시뮬레이션 개략도를 나타내었다. 변환기의 길이가 파장과 비교하여 매우 길기 때문에 고유모드 확장(Eigenmode expansion: EME)기법을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 변환기의 입력으로 궤도 각양자수 l=-0.
	도핑된 Si 광도파로를 기반으로 OAM 부호변환기를 설계하려는 이유는?	진행방향의 횡단면의 위상이라는 기존의 신호들과 달리 외부에서 접근하기 힘든 정보저장 방식을 가지고 있다 보니, OAM 신호의 부호 변환기에 관한 연구는 다른 OAM 광소자들에 비하여 그 성과가 더딘 편이다. 현재까지 유일하게 보고된 연구 사례는 Si을 대신하여 큰 전기 광학 상수를 가지는 니오브산리튬(Lithium Niobate: LN)을 사용한 소자밖에 없으며[11], 변조에 필요한 소자의 길이가 39㎜로 매우 길고파장 또한 850㎜에서 동작하는 등 Si 기반의 집적회로에는 적합하지 않은 부분들이 있다.

참고문헌 (15)

M. Mirhosseini, O. S. Magana-Loaiza, M. N. O'Sullivan, B. Rodenburg, M. Malik, M. P. Lavery, M. J. Padgett, D. J. Gauthier, and R. W. Boyd, "High-dimensional quantum cryptography with twisted light," New J. of Physics, vol. 17, no. 3, 2015, p. 033033.
A. E. Willner, H. Huang, Y. Yan, Y. Ren, N. Ahmed, G. Xie, C. Bao, L. Li, Y. Cao, and Z. Zhao, "Optical communications using orbital angular momentum beams," Advances in Optics and Photonics, vol. 7, no. 1, 2015, pp. 66-106.

상세보기
D. Y. Park, "A Study on the Information Reversibility of Quantum Logic Circuits," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 1, 2017, pp. 189-194.
M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. Van der Veen, and J. Woerdman, "Astigmatic laser mode converters and transfer of orbital angular momentum," Opt. Commun., vol. 96, no. 1-3, 1993, pp. 123-132.
I. Kimel and L. R. Elias, "Relations between hermite and laguerre gaussian modes," IEEE J. Quant. Electron., vol. 29, no. 9, 1993, pp. 2562-2567.
D. Zhang, X. Feng, K. Cui, F. Liu, and Y. Huang, "Generating in-plane optical orbital angular momentum beams with silicon waveguides," IEEE Photonics J., vol. 5, no. 2, 2013, pp. 2201206-2201206.

상세보기
W. Liu, X. Hu, L. Jin, X. Fu, and Q. Chen, "Generation of in-plane light beam with orbital angular momentum with an asymmetrical plasmonic waveguide," Plasmonics, vol. 11, no. 5, 2016, pp. 1323-1329.

상세보기
G. Rui, B. Gu, Y. Cui, and Q. Zhan, "Detection of orbital angular momentum using a photonic integrated circuit," Scientific reports, vol. 6, no. 1, 2016, p. 28262.

상세보기
I. J. Lee and S. Kim, "On-Chip Guiding of Higher-Order Orbital Angular Momentum Modes," Photonics, vol. 6, no. 2 Multidisciplinary Digital Publishing Institute 2019, p. 72.
S. Zheng and J. Wang, "On-chip orbital angular momentum modes generator and (de) multiplexer based on trench silicon waveguides," Optics express, vol. 25, no. 15, 2017, pp. 18492-18501.

상세보기
S. F. Mousavi, R. Nouroozi, G. Vallone, and P. Villoresi, "Integrated optical modulator manipulating the polarization and rotation handedness of Orbital Angular Momentum states," Scientific reports, vol. 7, no. 1, 2017, p. 3835.

상세보기
M. Nedeljkovic, R. Soref, and G. Z. Mashanovich, "Free-Carrier Electrorefraction and Electroabsorption Modulation Predictions for Silicon Over the 1-14- ${\mu}m$ Infrared Wavelength Range," IEEE Photonics J., vol. 3, no. 6, 2011, pp. 1171-1180.
I. Lee and S. Kim, "A Three-layered Optical Waveguide of Second-order Orbital Angular Momentum Mode Guiding for Photonic Integrated Circuit," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 4, 2019, pp. 645-650.
K. Ogawa, K. Goi, A. Oka, Y. Mashiko, T. Liow, X. Tu, G. Lo, D. Kwong, S. T. Lim, and M. J. Sun, "Design and characterisation of high-speed monolithic silicon modulators for digital coherent communication," in Silicon Photonics X, vol. 9367, 2015, p. 93670C.
A. Abraham, T. Anfray, O. Dubray, D. Fowler, S. Olivier, D. Marris-Morini, and B. Charbonnier, "Optimization of Silicon MZM Fabrication Parameters for High Speed Short Reach Interconnects at 1310 nm," Applied Sciences, vol. 6, no. 12, 2016, p. 395.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

광 집적회로용 실리콘 기반 궤도 각운동량 부호 변환기
Silicon Electro-optic Orbital Angular Momentum Sign Modulator for Photonic Integrated Circuit 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (5)

표/그림 (5)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

광 집적회로용 실리콘 기반 궤도 각운동량 부호 변환기 Silicon Electro-optic Orbital Angular Momentum Sign Modulator for Photonic Integrated Circuit 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (5) 모든 표/그림 보기

표/그림 (5) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김상인 (16)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

광 집적회로용 실리콘 기반 궤도 각운동량 부호 변환기
Silicon Electro-optic Orbital Angular Momentum Sign Modulator for Photonic Integrated Circuit 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (5)

표/그림 (5)

AI 본문요약
AI-Helper