고립된 PN 접합 기반 실리콘 광 변조기를 위한 효율적인 공핍 영역 제어

Abstract

데이터 사용량의 증가와 고속 처리에 대한 요구가 증가하고 있는 상황에서 실리콘 포토닉스가 연구되고 있다. 이러한 실리콘 포토닉스에서 핵심이 되는 광 변조기에 대한 연구가 필수적이다. 기존 광 변조기에 대한 개발이 계속되어 많은 물리적 효과를 이용한 광 변조기가 구현되었다. 하지만 실리콘 포토닉스에서는 실리콘에서 동작이 가능하며 고속으로 동작이 가능한 방법이 필요하다.

이러한 상황에서 plasma dispersion 효과를 캐리어 공핍 모드를 이용한 광 변조기가 위와 같은 조건을 만족하는 것으로 확인되어, 이 방법을 이용한 논문들이 최근 많이 발표되고 있다. 먼저, 단순 PN 접합을 이용한 캐리어 공핍 모드 광 변조기가 연구되었고, 이를 더욱 효율적으로 동작하도록 개선된 interleaved PN 접합을 이용한 광 변조기가 발표되었다. 하지만 여전히 효율이 낮고, 많은 전력을 소비하고 있어 성능의 개선이 필요한 상황이다.

이에 본 논문에서 광 변조기에 들어가는 위상천이기에 새로운 구조인 고립된(island) PN 접합 구조를 적용하여 보다 효율적이고 전력을 적게 소비하는 소자의 제작을 목표로 연구를 진행했다. 이처럼 새로운 구조를 이용해 효율을 개선하면서도, 추가적인 설비가 필요한 복잡한 공정을 피한, 기존 CMOS 공정을 이용해 제작할 수 있도록 설계함으로써 공정에서 발생할 수 있는 추가적인 비용이나 변수를 최소화해 제작 과정의 효율성을 높였다.

고립된(island) PN 접합 구조의 광 변조기를 시뮬레이션을 통해 기존 발표된 광 변조기에 비해 효율이 개선된 것을 확인했다. 또한, 실제 제작된 광 변조기의 측정에서도 과 같은 광 변조기에서 핵심이 되는 효율 관련 특성이 개선된 것을 확인했다. 또한 실리콘 포토닉스에서 중요한 소비전력도 기존 발표된 광 변조기들에 비해 개선되었다.

최종적으로 제안된 광 변조기의 성능을 다른 소자들과 비교하고, 후속 연구에서 발전된 광 변조기의 제작을 위해 각 구성 요소별 특성 분석을 했다. 또한 제안된 구조가 위상천이기에 들어가는 고립된(island) PN 접합 구조이므로 본 논문에서 사용했던 Mach-Zehnder 변조기 외에 링(ring) 형 변조기나 광 결정(photonic crystal) 구조에도 적용할 수 있어 넓은 가능성을 가진다.