KR101930369B1 - 실리콘 벌크 기판을 활용한 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 벌크 실리콘 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 포함하는 광 인터커넥트 장치를 제공하되, 상기 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.
Description
본 발명은 광 인터커넥트 장치 및 광소자 집적 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 벌크 실리콘 기판상에 실리콘보다 굴절률이 높은 Ge 또는 SiGe 물질들을 이용하여 제작된 광소자의 집적장치 및 광인터커넥트 장치에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도파관 내부를 관통하는 모드의 유효 굴절률(effective index, neff)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.
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.
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.
활성층에 형성된 제 1 소자층(20)은 능동 또는 수동 광소자층을 포함할 수 있으며, 제 2 소자층(40)은 수동 광소자층을 포함할 수 있다.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하에서는, 본 발명의 이해를 위하여, 상술한 본 발명의 광소자 집적 장치의 구체적인 일 예로서, 게르마늄 변조기 장치를 설명한다.
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.
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(neff)의 값은 2.57을 가진다.
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(neff)의 값은 3.54를 가진다.
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(neff)의 값은 3.54을 가진다.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
10 : 벌크 실리콘 기판
20 : 활성층에 형성된 제 1 소자층
30 : 모드 컨버터
40 : 제 2 소자층
20 : 활성층에 형성된 제 1 소자층
30 : 모드 컨버터
40 : 제 2 소자층
Claims (9)
- 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 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 배치되며,
상기 모드 컨버터는 폭이 서로 다른 상기 일단 및 타단을 포함하되, 상기 일단 및 타단 사이를 연결하는 테이퍼(taper) 영역을 더 포함하는,
광 인터커넥트 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 제 1 굴절률을 가지는 물질로 이루어지는 벌크 기판이며, 상기 제 1 소자층은 제 2 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 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 굴절률과 상기 모드 컨버터 타단의 도파관 모드의 유효 굴절률은 상기 제 1 소자층과 상기 모드 컨버터 타단에서 디렉셔널 커플링(directional coupling)이 일어날 수 있도록 결정되며,
상기 제 2 소자층의 도파관 모드의 제 2 유효 굴절률과 상기 모드 컨버터 일단의 도파관 모드의 유효 굴절률은 상기 제 2 소자층과 상기 모드 컨버터 일단에서 디렉셔널 커플링(directional coupling)이 일어날 수 있도록 결정되며,
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 작은,
광 인터커넥트 장치. - 제 2 항에 있어서,
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 실리콘, 실리콘질화물 또는 실리콘산화질화물 이며, 상기 기판은 SOI 기판이 아닌 벌크 실리콘 기판인, 광 인터커넥트 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
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 큰, 광 인터커넥트 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판, 상기 활성층에 형성된 제 1 소자층, 상기 제 2 소자층 및 상기 모드 컨버터 사이의 이격 공간을 충전하는 절연체층을 더 포함하는, 광 인터커넥트 장치. - 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 배치되며,
상기 모드 컨버터는 폭이 서로 다른 상기 일단 및 타단을 포함하되, 상기 일단 및 타단 사이를 연결하는 테이퍼(taper) 영역을 더 포함하는,
광소자 집적 장치. - 삭제
- 삭제
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