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굴절률란?

진공 중의 빛의 속도를 물질 속의 빛의 속도로 나눈 값. 파장 1.55 µm에서 실리콘은 약 3.48, 산화막(SiO2)은 약 1.45이며, 이 차이가 클수록 빛을 작은 도파로에 강하게 가둘 수 있다.

일본어 명칭: 屈折率

굴절률은(는) 실리콘 포토닉스, 에피택셜 성장, 포토리소그래피 등 5개 분야의 연습 문제 18개에 나와요.

실리콘 도파로의 단면(스트립과 리브) SiO₂(굴절률 약 1.45) Si(굴절률 약 3.5) 빛의 분포 SiO₂ 클래드 매립 산화막(BOX) Si 기판 폭 약 500 nm 두께 220 nm SiO₂ 클래드 매립 산화막(BOX) Si 기판 폭 약 500 nm 슬래브 스트립 도파로 리브 도파로 가둠이 강해 급격히 구부릴 수 있음 슬래브를 통해 전극과 연결
실리콘 도파로의 단면(스트립과 리브) · 도해에서 보기

분야: 실리콘 포토닉스

도전해 보기: 굴절률 관련 문제

실리콘 도파로(굴절률 약 3.5)를 산화막(SiO2, 굴절률 약 1.45)으로 둘러싼 구조의 특징으로 올바른 것은?

  1. A굴절률 차이가 크기 때문에 빛이 밖으로 새기 쉽고, 광섬유보다 큰 반경으로만 도파로를 구부릴 수 있어 집적에 적합하지 않다
  2. B굴절률 차이가 커서 빛을 강하게 가두므로, 수 µm의 작은 반경으로 구부릴 수 있어 소자를 고밀도로 배치할 수 있다
  3. C굴절률 차이가 클수록 측벽 요철의 영향을 덜 받아, 전파 손실이 광섬유와 비슷한 수준으로 작아진다
정답과 해설 보기

정답: B. 굴절률 차이가 커서 빛을 강하게 가두므로, 수 µm의 작은 반경으로 구부릴 수 있어 소자를 고밀도로 배치할 수 있다

빛은 굴절률이 높은 심(코어)과 낮은 주위(클래딩)의 경계에서 전반사되어 갇히며, 굴절률 차이가 클수록 강하게 갇힙니다. 실리콘과 산화막의 차이는 약 2로, 광섬유의 코어와 클래딩의 차이(1% 미만)보다 자릿수가 다를 만큼 크기 때문에, 단면이 약 0.5 µm × 0.22 µm인 가는 도파로를 만들 수 있고 굽힘 반경도 수 µm까지 작게 할 수 있습니다. 한편 굴절률 차이가 클수록 측벽의 요철에 의해 빛이 산란되기 쉬워, 전파 손실은 조건에 따라 다르지만 대표적인 스트립 도파로에서 1~3 dB/cm 정도(리브 도파로나 저손실 공정에서는 그 이하)로 광섬유(약 0.2 dB/km)보다 훨씬 커집니다.

굴절률 3.48인 실리콘에서 굴절률 1.45인 산화막으로 빛이 진행할 때, 전반사가 일어나는 임계각(경계면의 법선으로부터 잰 각도)에 가장 가까운 것은?

  1. A약 65°
  2. B약 25°
  3. C약 45°
정답과 해설 보기

정답: B. 약 25°

임계각 θc는 sinθc = n2 / n1 로 구할 수 있으며, 1.45 ÷ 3.48 ≈ 0.417 에서 θc ≈ 24.6°, 즉 약 25°가 됩니다. 법선으로부터 재어 25°보다 큰 각도로 경계에 닿는 빛은 산화막 쪽으로 나가지 않고 모두 반사됩니다. 전반사는 굴절률이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 진행할 때만 일어나며, 반대 방향에서는 일어나지 않습니다. 굴절률 차이가 작은 광섬유에서는 임계각이 80° 이상으로 커서, 경계에 얕은 각도로 닿는 빛만 가둘 수 있습니다. 약 65°는 경계면으로부터 잰 각도와 혼동한 값입니다.

해설 속 굴절률

굴절률이(가) 나오는 문제 (18)

  1. 실리콘 도파로(굴절률 약 3.5)를 산화막(SiO2, 굴절률 약 1.45)으로 둘러싼 구조의 특징으로 올바른 것은?
  2. 굴절률 3.48인 실리콘에서 굴절률 1.45인 산화막으로 빛이 진행할 때, 전반사가 일어나는 임계각(경계면의 법선으로부터 잰 각도)에 가장 가까운 것은?
  3. 실리콘 광변조기에서 전기 신호로 굴절률을 바꾸는 방법으로 캐리어 분산 효과(플라즈마 분산 효과)가 사용되는 이유는?
  4. 실리콘 포토닉스에서 사용되는 SOI 웨이퍼의 매립 산화막(BOX층)의 주된 역할은?
  5. 양쪽에 얇은 실리콘 판(슬래브)을 남기고 얕게 식각한 리브 도파로가 실리콘 광변조기에 자주 사용되는 주된 이유는?
  6. 엣지 커플러에서 칩 끝을 향해 실리콘 도파로의 폭을 점점 가늘게 하는 역테이퍼 구조가 사용되는 이유는?
  7. 표준 단일 모드 광섬유에서 오는 빛을 실리콘 광회로에서 받을 때, 편광이 문제가 되는 이유로 올바른 것은?
  8. 마하-젠더 변조기가 빛의 위상 변화를 빛의 세기 변화로 바꾸는 원리로 올바른 것은?
  9. 고속 실리콘 변조기에서 위상 시프터의 pn 접합에 역바이어스를 걸어 공핍층의 폭을 바꾸는 방식(공핍형)이 많이 사용되는 이유는?
  10. 실리콘 링 공진기가 특정 파장의 빛에만 강하게 반응하는 이유로 올바른 것은?
  11. 링 공진기를 사용한 광회로에서 링 근처에 히터를 두어 온도를 제어하는 경우가 많은 이유는?
  12. 링 공진기의 둘레를 짧게 했을 때의 변화로 올바른 것은?
  13. 실리콘 포토닉스에서 실리콘 도파로와 함께 질화실리콘(SiN) 도파로를 조합하는 경우가 있다. SiN 도파로의 특징으로 올바른 것은?
  14. 실리콘 도파로의 전파 손실(dB/cm)의 주된 원인 중 하나로 꼽히는 것은?
  15. 고농도 기판 위의 저농도 에피층의 두께를 적외선의 간섭을 이용해 측정하는 방법은?

관련 용어

도파로 링 공진기 밴드갭(Bandgap) 전파 손실 캐리어 분산 효과(플라스마 분산 효과) 플라즈마(plasma) 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 단일 모드 광섬유 간접 천이형 SOI 웨이퍼

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