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도파로란?

굴절률이 높은 코어를 굴절률이 낮은 클래드로 둘러싸 빛을 가두어 안내하는 구조. 실리콘 포토닉스에서는 단면 약 0.5 µm × 0.22 µm의 실리콘을 산화막으로 둘러싼 도파로가 자주 쓰이며, 굽힘 반경을 수 µm까지 작게 할 수 있다.

일본어 명칭: 導波路

도파로은(는) 실리콘 포토닉스, 화합물 반도체 등 2개 분야의 연습 문제 22개에 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: 도파로 관련 문제

파장 1.55 µm인 빛의 광자 에너지와 실리콘 도파로 속에서의 거동의 조합으로 올바른 것은? (E [eV] ≈ 1.24 / λ [µm])

  1. A약 1.9 eV. 실리콘의 밴드갭보다 크기 때문에 강하게 흡수되어 전류로 바뀐다
  2. B약 0.8 eV. 실리콘의 밴드갭보다 작기 때문에 전자를 전도대로 여기시켜 강하게 흡수된다
  3. C약 0.8 eV. 실리콘의 밴드갭보다 작기 때문에 거의 흡수되지 않고 전달된다
정답과 해설 보기

정답: C. 약 0.8 eV. 실리콘의 밴드갭보다 작기 때문에 거의 흡수되지 않고 전달된다

1.24 ÷ 1.55 ≈ 0.80 eV로, 실리콘의 밴드갭 약 1.12 eV보다 작기 때문에 가전자대의 전자를 전도대로 끌어올릴 수 없어 밴드 간 흡수가 일어나지 않습니다. 따라서 실리콘은 통신 파장에서 거의 투명하여 빛을 전달하는 도파로의 재료로 사용할 수 있습니다. 반대로 말하면, 실리콘만으로는 이 파장의 광검출기를 만들 수 없습니다. 실리콘이 흡수하는 것은 파장 약 1.1 µm보다 짧은(1.12 eV보다 큰 에너지의) 빛입니다. 약 1.9 eV는 1.24와 1.55를 곱해 버린 값으로, 파장 약 650 nm인 붉은 빛의 에너지에 해당합니다.

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.

해설 속 도파로

도파로이(가) 나오는 문제 (22)

  1. 파장 1.55 µm인 빛의 광자 에너지와 실리콘 도파로 속에서의 거동의 조합으로 올바른 것은? (E [eV] ≈ 1.24 / λ [µm])
  2. 실리콘 도파로(굴절률 약 3.5)를 산화막(SiO2, 굴절률 약 1.45)으로 둘러싼 구조의 특징으로 올바른 것은?
  3. 전파 손실이 2 dB/cm인 실리콘 도파로를 빛이 5 mm 진행했을 때, 출구에 남는 빛의 파워 비율에 가장 가까운 것은?
  4. 출력 +3 dBm의 레이저광이 합계 10 dB의 손실(광섬유와의 결합, 도파로, 변조기 등)을 거쳐 광검출기에 도달했다. 수신 광 파워에 가장 가까운 것은?
  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. 실리콘 포토닉스에서 실리콘 도파로와 함께 질화실리콘(SiN) 도파로를 조합하는 경우가 있다. SiN 도파로의 특징으로 올바른 것은?
  8. 실리콘 도파로의 전파 손실(dB/cm)의 주된 원인 중 하나로 꼽히는 것은?
  9. 실리콘 도파로의 전파 손실을 측정하는 컷백법의 설명으로 올바른 것은?
  10. 실리콘 포토닉스에서 레이저 광원에 화합물 반도체를 조합하는 이유로 올바른 것은?
  11. 실리콘 포토닉스에서 사용되는 SOI 웨이퍼의 매립 산화막(BOX층)의 주된 역할은?
  12. 광섬유와 실리콘 광회로를 연결하는 그레이팅 커플러의 장점으로 올바른 것은?
  13. 칩 단면에서 광섬유와 결합하는 엣지 커플러의, 그레이팅 커플러와 비교한 특징으로 올바른 것은?
  14. 표준 단일 모드 광섬유에서 오는 빛을 실리콘 광회로에서 받을 때, 편광이 문제가 되는 이유로 올바른 것은?
  15. 실리콘 링 공진기가 특정 파장의 빛에만 강하게 반응하는 이유로 올바른 것은?

관련 용어

굴절률 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 그레이팅 커플러(Grating Coupler) 밴드갭(Bandgap) 전파 손실 링 공진기 CMOS InP(인화인듐) SOI 웨이퍼 단일 모드 광섬유

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