실리콘 포토닉스 / Grating Coupler의 높은 coupling efficiency 향상 방안은? (feat. Grating coupler 위-아래 빛이 산란되면 최대 효율은 50%가 아닐까?)

 

 

 

 

 

Grating Coupler의 Coupling efficiency는 최대 50%가 아닐까?

• Grating Coupler (GC)는 광 경로를 수직 방향으로 만들어주는 Silicon photonics Passive 소자
• 기본적으로 GC는 빛의 회절을 이용하는 것이라서 위-아래 양방향으로 광 경로가 발생할 수 밖에 없다.
• 그렇다면, 절반은 광 신호 손실이 될 수 밖에 없는 것 같은데, 이런 Grating coupler가 50%보다 훨씬 높은 100% 가까운 효율을 보일 수 있는 이유는 무엇일까?

 

 

 

Grating Coupler의 기본 원리

Grating coupler는 칩 위의 회절 격자(grating) 구조를 통해 빛을 수직 방향(또는 기울어진 방향)으로 입사하거나 방출하게 해주는 소자

• 빛이 입사되면 위쪽과 아래쪽 방향으로 동시에 산란
• 가장 기본적인 형태에서는 대체로 절반은 위로, 절반은 아래로 나가서 50% 손실이 생김

 

 

그런데 어떻게 “close-to-unity coupling efficiency”가 가능하냐?

• 하지만 Grating coupler는 일반적으로 "close-to-unity coupling efficiency" 가 가능하다고 알려짐
• 즉 100% 가까운 효율을 가질 수 있다는 것

 

고효율을 위한 기법들

1. Backside mirror 사용

• 칩의 뒷면(기판 아래)에 반사층(metal mirror)을 깔아서 아래로 빠지는 빛을 다시 위로 반사시킴
• 결과적으로 위 방향으로 나가는 빛의 비율이 대폭 향상 → 효율 최대 90% 이상 가능.

 

빛이 Photonic IC 기판으로 들어갈 때 G/C의 반사판 역할 (출처: Son, Gyeongho, Han, Seungjun, Park, Jongwoo, Kwon, Kyungmok and Yu, Kyoungsik. "High-efficiency broadband light coupling between optical fibers and photonic integrated circuits"  Nanophotonics , vol. 7, no. 12, 2018, pp. 1845-1864.  https://doi.org/10.1515/nanoph-2018-0075 )

 

 

빛이 Photonic IC 기판에서 빠져나갈 때 G/C의 반사판 역할 (출처: Bottom-Reflector Enhanced Grating Couplers Micro-Transfer Printed on Silicon Nitride Photonic Integrated Circuits, 2024, Zuyang Liu et. al)

 

 

2. Apodization 기법

• Grating의 치수(높이, 폭, 간격 등)를 위치에 따라 다르게 설계해서 산란 방향을 위쪽으로 유도
• Back reflection도 줄이고, 위쪽 방향으로의 방향성 향상
• 아래 그림은 방향성에 향상을 위한 Apodization은 아니지만, Beam mode profile을 Fiber와 G/C간에 잘 매칭시키기 위해서 (효율 향상에 중요) Apodization을 활용

 

출처: Son, Gyeongho, Han, Seungjun, Park, Jongwoo, Kwon, Kyungmok and Yu, Kyoungsik. "High-efficiency broadband light coupling between optical fibers and photonic integrated circuits"  Nanophotonics , vol. 7, no. 12, 2018, pp. 1845-1864.  https://doi.org/10.1515/nanoph-2018-0075

 

 

요약하면 기본 grating coupler는 50% 정도 효율밖에 안 나오지만, 특수 구조 (Backside mirror, Apodization, etc.) 쓰면 매우 높은 효율도 가능

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Remark

• 아무래도 빛의 파장에 따라 동일한 Grating 구조라도 빛의 굴절이나 반사가 달라지기 때문에, 이러한 기술은 “특정 파장(single wavelength)”에 대해서만 작동한다는 것이 한계
• 즉, G/C는 다른 파장에 대해서는 효율이 떨어질 수 있다는 스펙트럼 민감성이 존재

 

정리

기본 Grating Coupler	빛이 양방향으로 퍼져서 최대 50% 정도 효율
고효율 설계 (backside mirror 등)	단방향으로 유도해서 90% 이상 효율도 가능
"Single" wavelength 효율	특정 파장에서는 최적화 가능, 하지만 대역폭은 좁음