d 제정일 : 2012 년 10 월 09 일 T T A S t a n d a r 실리콘광도파로특성평가방법 -제2부: 모드크기변환기 Characterization Method of Silicon photonics Waveguide -Part 2: Mode Size Converter
제정일 : 2012 년 10 월 09 일 실리콘광도파로특성평가방법 - 제 2 부 : 모드크기변환기 Characterization Method of Silicon Photonics Waveguide -Part 2: Mode Size Converter 본문서에대한저작권은 TTA 에있으며, TTA 와사전협의없이이문서의전체또는일부를상업적목적으로복제또는배포해서는안됩니다. Copyrightc Telecommunications Technology Association 2012. All Rights Reserved.
서 문 1. 표준의목적 본표준의목적은실리콘광도파로모드크기변환기 (silicon photonics waveguide mode size converter) 의특성평가방법에대한기술적내용을제시하고측정표준을제정하기위함이다. 2. 주요내용요약 실리콘광도파로모드크기변환기는실리콘포토닉스소자와광섬유간의수평방향광접속 (edge coupling) 에필수적으로사용되는소자이다. 실리콘광도파로와단일모드광섬유는서로매우다른크기의광모드와굴절률특성을가지며이차이로인해접속시필연적으로큰광손실이발생하게된다. 따라서, 실리콘광도파로와단일모드광섬유간의광결합효율을높이는기술은매우중요한요소기술이다. 이에실리콘광도파로모드크기변환기의특성평가방법의표준을제정하고자한다. 3. 표준적용산업분야및산업에미치는영향 통신및컴퓨팅시스템의성능을향상시키면서저가격화를이루는기술로실리콘광소자를실리콘집적회로에집적하는실리콘포토닉스기술이세계적으로유망기술로큰주목을받고있다. 이러한기술을활용하여제작된다양한실리콘포토닉스소자의특성평가및외부시스템과의접목에필수적으로활용되는소자인실리콘광도파로모드크기변환기의특성평가방법표준을확립하는일은매우중요하다. 이러한기술이확립되어연구개발및상용화에적용이된다면그파급효과는매우클것으로예상된다. 대용량데이터처리를위한슈퍼컴퓨터및개인용컴퓨터와시스템간고속대용량데이터가연결되어야하는지능형로봇등다양한분야에큰영향을미칠것으로기대된다. 4. 참조표준 ( 권고 ) 4.1. 국외표준 ( 권고 ) - 해당사항없음 4.2. 국내표준 - 해당사항없음 i
5. 참조표준 ( 권고 ) 과의비교 5.1. 참조표준 ( 권고 ) 과의관련성 - 해당사항없음 5.2. 참조한표준 ( 권고 ) 과본표준의비교표 - 해당사항없음 6. 지적재산권관련사항 본표준의 ' 지적재산권확약서 제출현황은 TTA 웹사이트에서확인할수있다. 본표준을이용하는자는이용함에있어지적재산권이포함되어있을수있으므로, 확인후이용한다. 본표준과관련하여접수된확약서이외에도지적재산권이존재할수있다. 7. 시험인증관련사항 7.1. 시험인증대상여부 - 해당사항없음 7.2. 시험표준제정현황 - 해당사항없음 8. 표준의이력정보 8.1. 표준의이력 판수제정 개정일제정 개정내역 제 1 판 2012.10.09 제정 8.2. 주요개정사항 - 해당사항없음 ii
Preface 1. Purpose of Standard The purpose of this standard is to describe the characterization method of silicon photonics waveguide mode size converter and specify measurement standard. 2. Summary of Contents Silicon photonics waveguide mode size converter is an essential element to use in optical coupling between optical fiber and silicon photonics devices. The large difference of optical mode size and refractive index between silicon photonics waveguide and single mode optical fiber will cause large optical loss. Therefore, efficient optical coupling technology between silicon photonic waveguide and single mode optical fiber is the key technology. This standard establishes characterization method of silicon photonics waveguide mode size converter. 3. Applicable Fields of Industry and Its Effect For optical packaging, the optical coupling of between the optical single mode fiber and the silicon photonics waveguide is one of the most essential parts of the device and determines a large fraction of the cost of the packaged devices. This standard of characterization method of silicon waveguide mode size converter will be applied to the silicon photonics technologies. This standard will contribute to the research and development of the silicon photonics technology and can be used for large data communication and high speed computing technologies and to resolve current microelectronic bottlenecks. 4. Reference Standards (Recommendations) 4.1. International Standards (Recommendations) - None 4.2. Domestic Standards - None iii
5. Relationship to Reference Standards (Recommendations) 5.1. Relationship of Reference Standards - None 5.2. Differences between Reference Standard (Recommendation) and this Standard - None 6. Statement of Intellectual Property Rights IPRs related to the present document may have been declared to TTA. The information pertaining to these IPRs, if any, is available on the TTA Website. No guarantee can be given as to the existence of other IPRs not referenced on the TTA website. And, please make sure to check before applying the standard. 7. Statement of Testing and Certification 7.1. Object of Testing and Certification - none 7.2. Standards of Testing and Certification - none 8. The History of Standard 8.1. The Change History Edition Issued date Outline The 1st edition 2012.10.09 Established 8.2. The Revisions - None iv
목 차 1. 개요 1 2. 표준의구성및범위 1 3. 용어정의 1 4. 실리콘광도파로모드크기변환기의특성 2 5. 실리콘광도파로모드크기변환기특성평가방법 3 5.1. 광파워측정을이용한실리콘광도파로모드크기 변환기의결합효율및광특성측정 4 5.2. 실리콘광도파로모드크기변환기의결합효율및광특성측정을위한시스템구성및측정과정 7 v
Contents 1. Introduction 1 2. Constitution And Scope 1 3. Terms And Definitions 1 4. Characteristics Of Silicon Photonics Waveguide Mode Size Converter 2 5. Characterization Method Of Silicon Photonics Waveguide Mode Size Converter 4 5.1 The Coupling Efficiency And Optical Characteristics Measurement Of Silicon Photonics Waveguide Mode Size Converter 4 5.2 The Coupling Efficiency And Optical Characteristics Measurement System Of Silicon Photonics Waveguide Mode Size Converter And Measurement Process 7 vi
실리콘광도파로특성평가방법 -제2부: 모드크기변환기 (Characterization Method of Silicon Photonics Waveguide -Part 2: Mode Size Converter) 1. 개요 실리콘광도파로모드크기변환기 (silicon waveguide mode size converter) 는외부광원의광을전송하는광섬유와실리콘광도파로및소자에수평방향으로광을접속 (edge coupling) 하는데필수적으로사용되는소자이다. 실리콘광도파로모드크기변환기는다양한구조가제안되고있으며, 이소자를활용할경우측면 (edge) 의정밀한연마 (polishing) 공정이필요하다. 실리콘광도파로모드크기변환기는상대적으로접속손실, 파장의존성및편광의존성이낮으며정렬허용오차가큰특성을보여준다. 이러한장점때문에실리콘광도파로모드크기변환기를이용한수평광결합기술이큰관심을받고있다. 실리콘광도파로와단일모드광섬유 (single-mode optical fiber) 간의모드크기 (mode size diameter) 의큰불일치와높은굴절률차이로인해필연적으로광손실이발생하게된다. 따라서, 실리콘광도파로와단일모드광섬유간의효율적인광결합 (optical coupling) 기술은핵심적인요소기술로서활발한연구개발이진행되고있다. 이에실리콘도파로모드크기변환기의특성평가방법의표준을제정한다. 본표준은실리콘도파로모드크기변환기와특성평가방법에대한개요를제시하며, 향후관련기술을개발하고세부규격을정의하는데효율적이고원활한활동이이루어지도록도움을줄것이다. 2. 표준의구성및범위 본표준의목적은실리콘광도파로모드크기변환기와특성평가방법에대한기술적내용을제시하고측정표준을확립하기위함이다. 본표준의구성은크게두개의장으로구성되어있다. 첫번째로실리콘광도파로모드크기변환기의일반적인구조및물리적특성등을기술한다. 두번째로실리콘광도파로모드크기변환기의광특성및결합효율등을측정하는평가방법에대한구성요소들의기술적인사항을설명한다. -1-
3. 용어정의 3.1. 광도파로 (optical waveguide) : 전기회로에전자가흐르듯이기판상에형성한광회로의굴절률차이로인해광신호가전파될수있도록하는구조 3.2. 실리콘광도파로모드크기변환기 (silicon photonics waveguide mode size converter) : 실리콘도파로위에식각 (etching) 이나증착 (deposition) 기술을활용하여테이퍼 (taper) 구조및 2차코어를형성한소자로모드크기를순차적으로변화시켜이종광도파로간의저손실광접속이이루어지도록하는소자이다. 실리콘도파로및소자의측단면 (edge) 광입출력소자로사용된다. 3.3. 모드필드직경 (mode field diameter) : 단일모드광섬유에서광에너지의직경. 일반적으로모드필드직경은실제광섬유코어지름보다 1 μm 정도큼. 모드필드직경은광섬유접속에편리한매개변수로서모드필드직경이같은광섬유의상호접속은손실이적게된다. 4. 실리콘광도파로모드크기변환기의특성 실리콘광도파로모드크기변환기는도파로에식각 (etching) 이나증착 (deposition) 을통해테이퍼 (taper or inverted taper) 및 2차코어구조를형성한소자이다. ( 그림 4-1) 단일모드광섬유와실리콘광도파로의모드크기변화모식도 단일모드광섬유의모드필드경 (mode field diameter) 이약 10.4 μm 이고단일모드광섬유로제작된렌즈광섬유 (lensed fiber) 의모드크기는약 3 μm 이다. 실리콘광도파로모드크기변환기의모드크기는대략 3~10 μm 정도의크기로제작된다. 실리콘광도파로모드크기변환기에광이입사할경우테이퍼구조와 2차구조물에의해전파광모드의크기가순차적으로변화하여효율적인광접속이이루어진다 ( 그림 4-1 참조 ). 테이퍼구조에의해일차적으로측면방향으로모드크기를변환하고 2차코어 (core) 및구조체를형성을통해유효굴절률을변조하여 2차원모드형태가형성되도록 -2-
한다. 테이퍼구조형성이기술적으로중요한이슈이며소자특성을결정하는중요한요소이다. 2차코어 (core) 및구조체의굴절률은바깥쪽클래딩 (cladding) 물질보다작아야도파로의역할을할수있으며적당한굴절률특성을갖는물질및구조에대한연구도활발이진행되고있다. 제안된실리콘도파로모드크기변환기의한예를 ( 그림 4-2) 에제시하였다. ( 그림 4-2) 실리콘광도파로모드크기변환기구조와모드전파모의실험결과의예 ( 그림 4-2) 는역테이퍼형태의소자로 2차코어를형성하고최적화된구조를구현하여실리콘광도파로와광섬유간의효율적인광모드변환이이루어지고있음을보여주고있다. 테이퍼길이, 테이퍼끝 (tip) 크기, 2차코어굴절률등이중요설계변수이다. 5. 실리콘광도파로모드크기변환기의특성평가 5.1. 광파워측정을이용한실리콘광도파로모드크기변환기의결합손실및광특성측정 5.1.1. 결합효율 (coupling efficiency) 측정 -3-
( 그림 5-1) 실리콘광도파로모드크기변환기의특성평가를위한시스템개요도 실리콘광도파로모드크기변환기의결합손실을측정하기위해기본적으로 ( 그림 5-1) 과같은측정시스템을구축하여야한다. 실리콘광도파로모드크기변환기는측단면이가로세로약 3~10 μm 크기의소자이므로고배율현미경과 CCD 카메라를이용한영상장비를활용하여위치와상태를모니터링해야한다 ( 그림 5-1 참조 ). 한쪽의단일모드광섬유에레이저광을입사하고편광조절기를통해입사광의편광을 TE/TM 모드로변환하여실리콘도파로모드변환기에입력한다. 입력광의편광을조절하기위해편광조절기와편광기 (polarizer) 가필수적으로필요하다. 실리콘도파로모드크기변환기에입사한광은실리콘도파로를진행한후반대쪽실리콘도파로모드크기변환기에서출력되며이출력된광을단일모드광섬유로수광하여광검출기를통해광파워를측정한다. 입사한광파워에대한출력광파워의비율로결합손실을결정한다. 컷백법 (Cut back method) 를이용하여도파로의전파손실과소자의접속손실을명확히구별하여야한다. 입출력단의단일모드광섬유의위치를결합효율이최대가되는위치로정렬한다. 이러한정렬을위해서는정밀한 xyz-3축스테이지가필요하며광섬유를안정적으로고정하기위한홀더 (holder) 가필수적이다 ( 그림 5-1 참조 ). 5.1.2. x/y 축정렬허용오차측정 정밀한 xyz-3축스테이지를사용하여입출력단의단일모드광섬유의위치를결합효율이최대가되는위치로정렬한다. 그후에입력단의광섬유를 x-축방향 ( 광이진행하는방향을 z-축으로, 수직한방향을 y-축으로정의한다 ) 으로이동시키면서결합효율의변화를측정한다. 측정결과의예를 ( 그림 5-2) 에제시하였다. 이측정결과는실리콘포토닉스칩을광섬유와패키징 (packaging) 할때매우중요한매개변수로활용된다. -4-
( 그림 5-2) 실리콘광도파로모드크기변환기의 x/y- 축허용오차측정결과예시 5.1.3. 파장의존특성측정 정밀한 xyz-3축스테이지입출력단의단일모드광섬유의위치를결합효율이최대가되는위치로정렬한다. 외부파장가변형반도체레이저의출력파장을가변시키면서파장변화에대해수광되는광파워를측정기록한다. 파장가변레이저의파장변화에따른출력파워의변화특성과광검출기의파장의존응답도등을고려하여측정값을보정하여야한다. 파장의존특성측정결과의예를 ( 그림 5-3) 에제시하였다. ( 그림 5-3) 실리콘광도파로모드크기변환기의파장의존성측정결과예시 -5-
< 표 5-1> 실리콘광도파로모드크기변환기의특성평가결과예시 평가항목 측정결과 결합손실 (Max) (db) TE 1 db TM 1.5 db 실리콘광도파로모드크기 X 축허용오차범위 (±um) 1 db TE 2 변환기 TM 2 3 db TE 3 TM 3 Y 축허용오차범위 (±um) 1 db TE 2 TM 2 3 db TE 3 TM 3 중심파장 1550 nm 1 db (nm) TE 100 파장의존특성 (nm) TM 80 3 db(nm) TE 120 TM 100 5.2. 실리콘광도파로모드크기변환기의결합손실및광특성측정을위한시스템구성및측정과정 실리콘광도파로모드크기변환기의특성평가를위한기본적인구성요소를 < 표 5-2> 에요약하였다. < 표 5-2> 실리콘광도파로모드크기변환기의특성평가를위한기본적인구성요소구성요소규격용도 - 1520 nm~1620 nm 범위가변 특성평가를위한광원 파장가변형레이저 - 최대출력광파워 : ~10 dbm - 파장가변정밀도 : <1nm 편광조절기 -동작파장: 1520-1620 nm 입사광의편광을 TE/TM-like 모 -6-
구성요소규격용도 - 삽입손실 : ~ 0.5 db 드로조절 - 편광소멸비 :~ 20 db - 후방반사 : ~-60 db 광섬유편광기 - 편광소멸비 : ~20 db 입사광을 선편광 (linear (In-line polarizer) 편광분석기 (Polarization analyzer) - 삽입손실 : ~1dB - 편광소멸비측정 : >20 db -360 회전 polarization) 으로변환 편광상태를분석 편광유지광섬유단일모드광섬유를진행하는광의선편광 상태가유지되도록함 3 축미세위치조절기 - 비공진압전마이크로스테핑모터 광섬유의위치미세제어 단일모드광섬유홀더 -동작길이: ~12 mm -속도: 0.2mm/s -축하중용량 : ~50 N -동작민감도 : ~30 nm -비공진압전마이크로스테핑모터 -동작길이: ~12 mm -속도: 0.2mm/s -축하중용량 : ~50 N -동작민감도 : ~30 nm -각도조절범위: ~20 광섬유를수평방향으로실리콘 도파로모드크기변환기에정렬 함. 소자진공홀더및펌프 - 도달진공도 (kpa); ~-53 - 토출공기량 (l/m): ~2.5 실리콘포토닉스칩을진공펌프 를이용하여고정함 현미경및전하결합소자 (CCD) 광파워미터 -배율-> from 30x to 200x -2D 측정및검사 - InGaAs 광검출기 -최대허용광파워 : ~10dBm 미세패턴의실리콘도파로모드크기변환기위치파악및광섬유정렬을위한영상획득실리콘도파로격자결합기에서출력되는광을광섬유로수광하 -초저허용광파워 :~-80dBm 여광파워측정위에기술한구성요소를활용하여실리콘광도파로모드크기변환기의특성평가를위해서는다음과같은과정을수행해야한다. 5.2.1. 결합효율측정 1) 단일모드광섬유케이블을파장가변형레이저에체결한후출력광파워와파장을설정한다 ( 예 : 광파워 ~10 dbm, 파장 ~1550 nm). 광섬유케이블은항상광섬유페룰 (ferrule) 단면을세척한후체결을수행한다. 2) 레이저에체결된광섬유케이블을레이저광의편광을 TE/TM-like 모드로조절하기위한편광조절기에체결한다. 편광조절기는자체광손실특성이있으므로편광조 -7-
절기를통과한광파워를측정한다. 그후광섬유편광기에연결한다. 광섬유케이블의커넥터연결시항상광파워를측정하여발생하는손실을최소화하도록한다. 3) 편광유지광섬유의단면을광섬유절단기로절단하고 ( 렌즈광섬유 (lensed fiber) 를사용할경우불필요 ) 절단면상태를확인한후광섬유편광기에체결한다. 그후편광조절기를조절하여광섬유편광기를지나편광유지광섬유에서나오는광파워를측정하여최대값이나오도록한다. 편광분석기로편광상태를확인한다. TE/TM 편광상태로입력단실리콘도파로모드크기변환기에입사하기전광파워를기록한다. 이때광섬유홀더에 TE/TM 편광위치에맞도록광섬유를장착하여야한다. 4) 실리콘도파로모드크기변환기소자를진공홀더에위치시키고진공펌프를동작시켜소자가홀더의일정위치에고정되도록한다. 5) 단일모드광섬유의단면을광섬유절단기로절단하고절단면상태를확인한후광파워미터에광섬유를체결한다. 절단된광섬유를출력단수평광섬유홀더에부착한다. 6) 현미경과전하결합소자 (CCD) 모니터로실리콘도파로모드크기변환기소자의영상이나타나도록한다. 현미경의배율과초점거리등을조절하여입력단소자를확대하도록한다. 7) 확대된입력단실리콘도파로모드크기변환기의위치에 3축위치조절기를조절하여입력단편광유지광섬유끝을위치시킨다. 소자와광섬유가강하게접촉하여손상을입지않도록주의를기울인다. 8) 현미경의위치를출력단실리콘도파로모드크기변환기로이동시키고위의과정을반복한다. 9) 출력단과입력단의광섬유위치를미세조정하여출력되는광파워가최대값이되는위치를찾는다. 5.2.2. x/y 축정렬허용오차측정 1) 최대결합효율이측정되는위치를찾은후입력단의광섬유를 x축과 y축의위치를순차적으로변화시키며출력단의광파워를측정한다. 2) 최대결합효율과측정되는결합효율을비교하여정렬허용오차를측정기록한다. 3) TE/TM 편광상태와컷백법 (Cut back method) 측정을위해위의과정을반복수행 -8-
한다. 5.2.3. 파장의존특성측정 1) 결합효율이최대인위치에서파장가변형레이저의파장을변화시키면서출력단의광파워를측정한다. 2) 각파장변화에따른결합손실을측정하여파장의존특성을평가한다. 3) TE/TM 편광상태와컷백법 (Cut back method) 측정을위해위의과정을반복수행한다. -9-
표준작성공헌자 표준번호 : 이표준의제 개정및발간을위해아래와같이여러분들이공헌하였습니다. 구분 성명 위원회및직위 연락처 소속사 과제제안 강승범 - sbkang71@etri.re.kr ETRI 강승범 - sbkang71@etri.re.kr ETRI 김경옥 - gokim@etri.re.kr ETRI 김인규 - kig547@etri.re.kr ETRI 표준초안작성 표준초안검토 표준안심의 김상훈 - krotc@etri.re.kr ETRI 박상기 - sahnggi@etri.re.kr ETRI 김태용 - otherwise@etri.re.kr ETRI 박재규 - findsome@etri.re.kr ETRI 여순일 SoC 프로젝트그룹의장 siyeo@etri.re.kr ETRI 외프로젝트그룹위원 ETRI 이헌중 IT 응용기술위원회의장 hjlee@nia.or.kr NIA 외기술위원회위원 사무국담당 박정식 - 박애란 - 031-724-0080 jspark@tta.or.kr 031-724-0073 arpark@tta.or.kr TTA TTA -10-
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