[논문]실리콘 도파로와 광섬유 사이의 효율적인 광 결합을 위한 아디아바틱 광섬유 테이퍼

손경호; 최지원; 정영재; 유경식

doi:10.3807/kjop.2020.31.5.213

실리콘 도파로와 광섬유 사이의 효율적인 광 결합을 위한 아디아바틱 광섬유 테이퍼
Adiabatic Optical-fiber Tapers for Efficient Light Coupling between Silicon Waveguides and Optical Fibers 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.31 no.5, 2020년, pp.213 - 217

손경호 (한국과학기술원 전기및전자공학부) , 최지원 (한국과학기술원 전기및전자공학부) , 정영재 (한국과학기술원 전기및전자공학부) , 유경식 (한국과학기술원 전기및전자공학부)

초록
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본 논문에서는 아디아바틱(adiabatic) 광섬유 테이퍼의 습식 식각 기반 제조 방법에 대해 보고하고 1550 nm 파장에서의 아디아바틱 성질 및 테이퍼드 광섬유에서 HE₁₁ 모드의 전개에 대해 설명하고자 한다. 제조한 결과물은 아디아바틱 성질을 잘 만족하며 far field 패턴 측정 결과로부터 테이퍼 전체에 걸쳐 고차 모드 커플링 없이 기본 HE₁₁ 모드가 유지되는 것을 보여준다. 측정한 far field 패턴의 경우에 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것을 검증하였고, 테이퍼드 광섬유는 다수의 광자 응용에 적용할 수 있으며 특히 광섬유-칩 패기지에 적용할 수 있다. 시뮬레이션을 통해서 제작한 아디아바틱 광섬유 테이퍼를 모델링한 후 역방향 테이퍼드 실리콘 도파관 사이의 광 전송률 시뮬레이션을 살펴보았을 때, 1 dB 초과 손실(실리콘 도파관 각도 1°)이 약 ~60 ㎛ 길이라는 여유있는 공간 치수 공차를 보이며, 0.4 dB 미만의 삽입 손실(실리콘 도파관 각도 4°)을 보인다. 또한, 본 연구자들이 제시하는 아디아바틱 커플러가 O 밴드 및 C 밴드 대역을 넘어, 초 광대역 결합 효율 가능성을 보이는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study we report a wet-etching-based fabrication method for adiabatic optical-fiber tapers (OFTs), and describe their adiabaticity and HE11 mode evolution at a wavelength of 1550 nm. The profile of the fabricated system satisfies the adiabaticity properties well, and the far-field pattern from the etched OFT shows that the fundamental HE11 mode is maintained without a higher-order mode coupling throughout the tapers. In addition, the measured far-field pattern agrees well with the simulated result. The proposed adiabatic OFTs can be applied to a number of photonic applications, especially fiber-chip packages. Based on the fabricated adiabatic OFT structures, the optical transmission to the inversely tapered silicon waveguide shows large spatial-dimensional tolerances for 1 dB excess loss of ~60 ㎛ (silicon waveguide angle of 1°) and insertion loss of less than 0.4 dB (silicon waveguide angle of 4°), from the numerical simulation. The proposed adiabatic coupler shows the ultrabroadband coupling efficiency over the O- and C-bands.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. (a-d) OFT fabrication procedures. (b'-d') Microscope images of fabricated OFTs with different etching conditions and its corresponding schematic diagram.
그림 Fig. 2. Fiber taper half-angle (Ω) as a function of the local OTF's radius ρ along the OFTs. The black dashed line indicates the adiabaticity criterion z_t > z_b at a wavelength of 1550 nm, and red symbols and lines represent the measurement results from typical fabricated OFTs.
그림 Fig. 3. (a) Simulated far-field patterns with a wavelength of 1550 nm from a typical adiabatic OFT. (b) A measured far-field pattern shows a Gaussian profile using 1550 nm light. (c) Simulated far-field patterns with a wavelength of 1550 nm from a nonadiabatic OFT. (d) A measured far-field pattern from a typical nonadiabatic OFT.
그림 Fig. 4. (a) Schematic of OFT-silicon waveguide coupler. (b) Simulated transmission between an OFT and a silicon waveguide. (c) Simulated result of a broadband wavelength range of the evanescent field based adiabatic OFT-silicon waveguide coupler.

AI 본문요약
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문제 정의

제작한 OFT의 아디아바틱한 성질을 확인한 후 이를 시뮬레이션 구조물에 대입하여 집적 광소자에 매우 활발하게 이용하는 실리콘 광 도파관과의 광 전달률을 확인한다. 본 논문에서는 실험적인 결과를 보이진 않지만, 제작한 OFT의 집적 도파관에 고효율 광 전달의 가능성을 확인하고자 한다.
본 논문에서는 이러한 한계점을 극복하고자 매우 첨예하면서 동시에 대량생산이 가능한 화학적 식각을 이용한 새로운 OFT 제작법을 제시하고자 한다. 화학적 식각법은 기존의 가열 및 풀링 방법에 비해 많이 성숙한 방법은 아니지만, 제작이 매우 간단하다는 장점이 있다.

제안 방법

광대역 파장 특성을 확인하기 위하여 O-밴드와 C-밴드를 넘어, 1300 nm부터 1800 nm까지 광 효율을 확인해 보았다. 이 역시 OFT의 HE₁₁ 모드 및 실리콘 도파관의 TE₀₀모드를 이용하였으며 EME solver의 산란계수를 활용하여 시뮬레이션을 진행했다.
가장 범용적으로 쓰이는 silicon-on-insulator (SOI) 웨이퍼 두께인 220 nm를 이용했으며, [bottom view]에서 보는 바와 같이 실리콘 도파관의 폭 또한 500 nm로 모사하였다. 두 유전체 도파관인 OFT와 실리콘 도파관 사이에서 겹치는 길이(overlap)에 따라 분석하고자 하며, 이때 실리콘 도파관의 공정 오차를 고려하여 각도(angle)에 대한 분석 또한 동시에 진행한다.
. 먼저, 아디아바틱 성질을 보이는 OFT를 3차원 유한차분시간영역법(finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 그림 2에서 보는 바와 같이 테이퍼링 각도 Ω가 2.
본 논문에서 제시한 OFT 제작 방법 결과물의 아디아바틱 성질을 검증하기 위하여 영상 처리(image processing) 이미지 분석을 통한 통상적인 세 가닥(a, b, c)의 OFT 결과물 분석을 하였다. 각 영역별로 반경-테이퍼링 각도를 분석하여 그림 2와 같이 붉은색 그래프로 표시하였다.
본 논문에서는, 화학적 식각을 이용한 새로운 방법의 OFT 제작법을 설명하였고 그 결과물의 아디아바틱 성질 및 특성을 파악하기 위해 이론적 분석뿐 아니라 결과물의 영상 처리, 시뮬레이션 및 측정을 통한 far field 검증을 하였다. 그 결과 제작한 OFT는 아디아바틱 성질이 우수할 뿐 아니라, 동시에 복수의 다발을 제작하여도 모두 아디아바틱 조건에 부합하기에 대량 생산에 큰 장점을 보인다고 할 수 있다.
식각 과정은 크린룸에서 진행되었으며 식각 환경은 온도 ~23°C 및 습도 50%에서 진행되었다.
앞서 아디아바틱 OFT 제작 및 성질 검증을 한 후, 이를 이용하여 그림 4와 같이 실리콘 도파관에 광 커플링을 시도한다. 그림 4(a)의 [side view]에서 보는 것처럼 전각(2Ω)이 약 1°인 OFT를 모사하고 높이 220 nm의 실리콘 도파관을 준비한다.
광대역 파장 특성을 확인하기 위하여 O-밴드와 C-밴드를 넘어, 1300 nm부터 1800 nm까지 광 효율을 확인해 보았다. 이 역시 OFT의 HE₁₁ 모드 및 실리콘 도파관의 TE₀₀모드를 이용하였으며 EME solver의 산란계수를 활용하여 시뮬레이션을 진행했다. 시뮬레이션 조건은 실리콘 전각이 약 2°이고 overlap 길이가 약 33 µm로 설정하였고 그 결과는 그림 4(c)와 같이 O-밴드는 물론 C-밴드에서 모두 고효율을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 매우 광대역인 것을 알 수 있다.
본 연구자들이 자체적으로 고안한 OFT 제작 방법^[16]을 설명한 후 아디아바틱한 성질 검증을 위해 far field를 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교해 보았다. 제작한 OFT의 아디아바틱한 성질을 확인한 후 이를 시뮬레이션 구조물에 대입하여 집적 광소자에 매우 활발하게 이용하는 실리콘 광 도파관과의 광 전달률을 확인한다. 본 논문에서는 실험적인 결과를 보이진 않지만, 제작한 OFT의 집적 도파관에 고효율 광 전달의 가능성을 확인하고자 한다.

대상 데이터

그림 4(a)의 [side view]에서 보는 것처럼 전각(2Ω)이 약 1°인 OFT를 모사하고 높이 220 nm의 실리콘 도파관을 준비한다. 가장 범용적으로 쓰이는 silicon-on-insulator (SOI) 웨이퍼 두께인 220 nm를 이용했으며, [bottom view]에서 보는 바와 같이 실리콘 도파관의 폭 또한 500 nm로 모사하였다. 두 유전체 도파관인 OFT와 실리콘 도파관 사이에서 겹치는 길이(overlap)에 따라 분석하고자 하며, 이때 실리콘 도파관의 공정 오차를 고려하여 각도(angle)에 대한 분석 또한 동시에 진행한다.
광통신 C-밴드에서 일반적으로 사용하는 SMF-28 등과 같은 상용화된 광섬유를 준비한다. 이때 광섬유는 코어와 클래딩의 반경이 각각 약 4.

데이터처리

또한, 재현성이 매우 좋아서 대량생산에 매우 적합하다고 할 수 있다. 본 연구자들이 자체적으로 고안한 OFT 제작 방법^[16]을 설명한 후 아디아바틱한 성질 검증을 위해 far field를 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교해 보았다. 제작한 OFT의 아디아바틱한 성질을 확인한 후 이를 시뮬레이션 구조물에 대입하여 집적 광소자에 매우 활발하게 이용하는 실리콘 광 도파관과의 광 전달률을 확인한다.
커플링 길이는 가장 기본 모드인 HE₁₁모드와 이와 동일한 방위각 번호를 갖는 그다음 고차 모드인 HE₁₂ 모드와의 유효 굴절률 차이로 발생하는 길이이고, 위 기준이 만족될 경우 해당 OFT는 아디아바틱한 성질을 보유한다고 할 수 있다. 이러한 아디아바틱 성질의 기준은 그림 2에 검은 점선으로 표시하였으며 SMF-28이 지원하는 파장 영역 중에서 관심 있는 C-밴드 영역 중 하나인 1550 nm 파장에 대해 계산하였다. 그래프의 x축은 국소 지점의 반경이며 y축은 국소 지점의 각도이다.

이론/모형

그림 4(b)에서 보는 바와 같이 overlap 길이가 약 20 µm 미만에서 실리콘 angle에 상관없이 광 효율이 급격하게 떨어지며 약 60 µm의 overlap 길이보다 길 경우, 역시 광 전달률이 떨어지는 것을 알 수 있다. 본 시뮬레이션은 Lumerical사의 MODE - mode expansion (EME solver)을 통해 진행했고 OFT 의 가장 기본 모드인 HE₁₁모드와 실리콘 도파관의 가장 기본 모드인 TE₀₀모드 사이에서 발생하는 산란계수(S-parameter)값을 이용하였다. 실리콘 도파관의 전각이 1°인 경우, 1 dB 초과 손실(excess loss) 영역이 overlap 길이 약 60 µm 정도로 기존에 다양한 커플러 방식(end-fire coupler 및 grating coupler 등)에 비해 높은 허용 오차를 보인다[13].

성능/효과

본 논문에서는, 화학적 식각을 이용한 새로운 방법의 OFT 제작법을 설명하였고 그 결과물의 아디아바틱 성질 및 특성을 파악하기 위해 이론적 분석뿐 아니라 결과물의 영상 처리, 시뮬레이션 및 측정을 통한 far field 검증을 하였다. 그 결과 제작한 OFT는 아디아바틱 성질이 우수할 뿐 아니라, 동시에 복수의 다발을 제작하여도 모두 아디아바틱 조건에 부합하기에 대량 생산에 큰 장점을 보인다고 할 수 있다.
시뮬레이션 조건은 실리콘 전각이 약 2°이고 overlap 길이가 약 33 µm로 설정하였고 그 결과는 그림 4(c)와 같이 O-밴드는 물론 C-밴드에서 모두 고효율을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 매우 광대역인 것을 알 수 있다.
식각 과정은 크린룸에서 진행되었으며 식각 환경은 온도 ~23°C 및 습도 50%에서 진행되었다. 식각 시간이 환경에 따라 매우 민감하게 변화할 수 있으나, 본 실험 조건에서는 약 70에서 75분 사이에서 아디아바틱 성질을 잘 보이는 OFT가 형성되었다. 제작 시간이 그림 1(b)와 같이 부족한 경우, 불충분한 광섬유 클래딩 및 코어 영역 제거로 인하여 원기둥 형태를 보이며 그 결과는 그림 1(b’)과 같다.
실리콘 도파관의 전각이 더 첨예할수록 1 dB 초과 손실에 대한 허용 오차 길이는 더욱 클 것으로 예상하며, 전각이 4°일 경우에도 손실은 0.4 dB 미만으로 매우 높은 효율을 보인다고 할 수 있다.
마찬가지로 제작 결과물 중 아디아바틱하지 않은 OFT를 생성하여 far field를 분석할 경우 그림 3(d)와 같이 실험 결과에서 또한 고차 모드가 생성된 것을 검증할 수 있다. 이러한 far field 분석을 바탕으로, 본 논문에서 제시하는 OFT 제작법이 유효한 것을 알 수 있으며, 아디아바틱한 성질을 유지하는데 큰 기여를 한다고 할 수 있다.
99 이상인 것으로 보아 대부분의 far field 에너지가 HE₁₁모드에 분포한 것으로 확인할 수 있다. 즉, 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 실험 결과에서도 제작한 OFT 결과물이 아디아바틱한 것을 알 수 있다.
이때 1550 nm 파장에서 세 가닥 a, b, c의 OFT가 모두 아디아바틱한 성질을 보인다. 즉, 해당 파장에서 기본 모드인 HE₁₁ 모드가 해당 OFT에 인가될 경우 OFT 단부까지 진행하면서 다른 고차 모드와의 커플링 없이 진행할 수 있으며 그 결과 기본 모드의 손실이 없으며, 매우 효과적으로 HE₁₁모드를 단부에 전달할 수 있고, 소산장 생성을 통하여 집적 광회로 도파관에 빛을 효과적으로 전달할 수 있는 기회를 획득하였다.
모드가 매우 효과적으로 OFT의 단부까지 잘 전달되고 소산파의 발생이 잘 되는 성질을 이용하여 광 센싱, 바이오 조작, 집적광학 패키징 등 다양한 응용에 큰 기여할 수 있는 발판이 되었다고 볼 수 있다. 특히, 제시한 OFT 의 광학적 성질을 검증한 이후 응용의 한 예로 HE₁₁모드의 실리콘 도파관의 TE₀₀ 모드로의 결합이 매우 효과적으로 잘 이루어지는 것을 공간적 허용 오차가 큰 것을 확인함과 동시에 추후 광통신의 핵심인 파장 분할 다중화에 기여할 수 있는 광대역 커플링의 가능성을 보여주었고 제시하는 OFT와 실리콘 도파관 사이의 커플링 방식이 제작비 절감 가능성 및 기능적으로의 우수한 가능성을 모두 보여주었다고 할 수 있다. 이를 바탕으로 OFT는 집적 광학 분야에서의 새로운 빌딩블록(building block)이 될 가능성이 높다고 저자들은 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학적 식각법의 장점은?	본 논문에서는 이러한 한계점을 극복하고자 매우 첨예하면서 동시에 대량생산이 가능한 화학적 식각을 이용한 새로운 OFT 제작법을 제시하고자 한다. 화학적 식각법은 기존의 가열 및 풀링 방법에 비해 많이 성숙한 방법은 아니지만, 제작이 매우 간단하다는 장점이 있다. 또한, 재현성이 매우 좋아서 대량생산에 매우 적합하다고 할 수 있다. 본 연구자들이 자체적으로 고안한 OFT 제작 방법[16]을 설명한 후 아디아바틱한 성질 검증을 위해 far field를 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교해 보았다.
	광섬유 테이퍼에서 생성하는 소산장은 어디에 활용되는가?	이러한 소산장을 이용한 광 커플링(coupling)은 파장 크기 혹은 그 이하의 크기를 갖는 도파관에서 대부분의 광 에너지가 도파관 외부에 분포하는 것을 이용하는 것이며, 특히 광섬유의 가장 기본 모드인 HE11 모드와 직사각형 단면 유전체 도파관의 TE00 모드를 결합하기 위해서는 이러한 테이퍼드 광섬유의 소산장이 매우 핵심적인 역할을 한다[1]. 이 외에도 OFT에서 생성하는 소산장은 광 센싱[2-5], 광 유전학[6,7], 원자 측정[8-10], 비선형 광학[11,12] 등 매우 다양한 곳에 활용할 수 있다.
	OFT 및 소산장에 기반한 에너지 전달의 특징은?	광섬유 테이퍼(optical fiber taper, OFT) 및 소산장(evanescent field)에 기반한 에너지 전달은 굴절률 및 모드 사이즈 차이가 매우 큰 다른 두 도파관 사이에서 효율적인 광 전달을 위해 매우 필수적인 요소이다[1]. 이러한 소산장을 이용한 광 커플링(coupling)은 파장 크기 혹은 그 이하의 크기를 갖는 도파관에서 대부분의 광 에너지가 도파관 외부에 분포하는 것을 이용하는 것이며, 특히 광섬유의 가장 기본 모드인 HE11 모드와 직사각형 단면 유전체 도파관의 TE00 모드를 결합하기 위해서는 이러한 테이퍼드 광섬유의 소산장이 매우 핵심적인 역할을 한다[1].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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