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KR20160145277A - Optical signal coupling appratus and method using grating-to-grating coupler having bandwidth performance enhancement - Google Patents

Optical signal coupling appratus and method using grating-to-grating coupler having bandwidth performance enhancement Download PDF

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KR20160145277A
KR20160145277A KR1020150081615A KR20150081615A KR20160145277A KR 20160145277 A KR20160145277 A KR 20160145277A KR 1020150081615 A KR1020150081615 A KR 1020150081615A KR 20150081615 A KR20150081615 A KR 20150081615A KR 20160145277 A KR20160145277 A KR 20160145277A
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South Korea
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optical signal
coupler
reflector
grating
optical
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성혁기
홍유승
조준형
이환
Original Assignee
홍익대학교 산학협력단
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Abstract

An optical signal coupling apparatus is disclosed. An embodiment of the present invention includes an input optical element which includes a first coupler and a first reflector for reflecting a part of an optical signal separated by the first coupler, and an output optical element which has a second coupler which is positioned corresponding to the first coupler and a second reflector reflecting a part of the optical signal separated by the second coupler, outputs an output optical signal having a resonant frequency by using an optical signal that is reciprocated between the first coupler and the second coupler based on the reflection of the first reflector and the reflection of the second reflector. So, the coupling efficiency of the optical signal can be improved.

Description

주파수 대역폭이 향상된 그레이팅-투-그레이팅 커플러를 이용한 광 신호 커플링 장치 및 광 신호 커플링 방법{OPTICAL SIGNAL COUPLING APPRATUS AND METHOD USING GRATING-TO-GRATING COUPLER HAVING BANDWIDTH PERFORMANCE ENHANCEMENT}[0001] The present invention relates to an optical signal coupling device and a method of coupling optical signals using a grating-to-grating coupler having improved frequency bandwidth, and a method of coupling optical signals using the grating coupler,

아래 실시예들은 그레이팅-투-그레이팅 커플러를 이용하여 광 신호 커플링 장치 및 광 신호 커플링 방법에 관한 것이다.The following embodiments relate to an optical signal coupling device and a method of optical signal coupling using a grating-to-grating coupler.

금속 도파로 대역폭의 한계를 극복하기 위해서 optical interconnect에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. 특히, 실리콘 기반의 optical interconnect는 많은 주목을 받고 있다. 실리콘 기반의 optical interconnects를 구현하기 위해 마이크로 혹은 밀리미터 간격의 극소 거리에서 광 신호가 전송되어야 한다. 다양한 커플러 구조를 통해 광 신호 커플링이 가능하지만 높은 커플링 효율과 넓은 주파수 대역폭 확보가 어렵다.In order to overcome the limitation of metal waveguide bandwidth, researches on optical interconnect have been actively carried out. In particular, silicon-based optical interconnects have received much attention. In order to realize silicon-based optical interconnects, optical signals should be transmitted at very small distances in micro or millimeter intervals. Various coupler structures enable optical signal coupling, but it is difficult to achieve high coupling efficiency and wide frequency bandwidth.

일 측에 따른 광 신호 커플링 장치는 제1 커플러 및 상기 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제1 리플렉터(reflector)를 포함하는 입력 광 소자; 및 상기 제1 커플러에 대응되게 위치하는 제2 커플러 및 상기 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제2 리플렉터를 포함하고, 상기 제1 리플렉터의 반사 및 상기 제2 리플렉터의 반사를 기초로 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이에서 왕복하는 광 신호를 이용하여 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 출력 광 소자를 포함한다.An optical signal coupling device according to one side includes an input optical device including a first coupler and a first reflector that reflects a part of the optical signal separated by the first coupler; And a second coupler positioned corresponding to the first coupler and a second reflector reflecting a part of the optical signal separated by the second coupler, wherein the reflection of the first reflector and the reflection of the second reflector And an output optical element for outputting an output optical signal having a resonant frequency using an optical signal that is reciprocated between the first coupler and the second coupler as a basis.

상기 출력 광 신호의 상기 공진 주파수는, 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정될 수 있다.The resonant frequency of the output optical signal may be determined based on a distance between the first coupler and the second coupler.

또한, 상기 제1 커플러는, 상기 입력 광 소자로 입력된 입력 광 신호를 상기 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리할 수 있다.The first coupler may separate the input optical signal input to the input optical element into an optical signal directed to the second coupler and an optical signal directed to the first reflector.

또한, 상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터를 기초로 상기 광 신호 커플링 장치 내에 공진 캐비티가 형성될 수 있다.In addition, a resonance cavity may be formed in the optical signal coupling device based on the first reflector and the second reflector.

또한, 상기 제2 커플러는, 상기 제2 리플렉터에 의해 반사된 광 신호를 상기 제1 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 출력 광 소자의 도파로로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다.The second coupler may separate the optical signal reflected by the second reflector into an optical signal directed to the first coupler and an optical signal directed to a waveguide of the output optical element.

또한, 상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는, 그레이팅 커플러(grating coupler)일 수 있다.The first coupler and the second coupler may be a grating coupler.

또한, 상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는, 서로 수직 대향으로 위치할 수 있다.In addition, the first coupler and the second coupler may be vertically opposed to each other.

또한, 상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터 각각은, 상기 입력 광 소자의 클래딩 및 상기 출력 광 소자의 클래딩에 삽입될 수 있다.Further, each of the first reflector and the second reflector may be inserted into the cladding of the input optical element and the cladding of the output optical element.

일 실시예에 따른 광 신호 커플링 방법은 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제1 리플렉터(reflector)를 이용하여 반사하는 단계; 상기 제1 커플러와 대응되게 위치하는 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제2 리플렉터를 이용하여 반사하는 단계; 및 상기 제1 리플렉터의 반사 및 상기 제2 리플렉터의 반사를 기초로 왕복하는 광 신호를 이용하여 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 단계를 포함한다.A method of coupling an optical signal according to an exemplary embodiment includes: reflecting a part of an optical signal separated by a first coupler using a first reflector; Reflecting a part of the optical signals separated by the second coupler corresponding to the first coupler using a second reflector; And outputting an output optical signal having a resonant frequency using an optical signal that is based on the reflection of the first reflector and the reflection of the second reflector.

상기 출력 광 신호의 공진 주파수는, 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정될 수 있다.The resonant frequency of the output optical signal may be determined based on a distance between the first coupler and the second coupler.

상기 제1 커플러는, 상기 제1 커플러로 입력되는 입력 광 신호를 상기 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리할 수 있다.The first coupler may separate an input optical signal input to the first coupler into an optical signal directed to the second coupler and an optical signal directed to the first reflector.

상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터를 기초로 공진 캐비티가 형성될 수 있다.A resonance cavity may be formed based on the first reflector and the second reflector.

상기 제2 커플러는, 상기 제2 리플렉터에 의해 반사된 광 신호를 상기 제1 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 출력 광 소자의 도파로로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다.The second coupler may separate an optical signal reflected by the second reflector into an optical signal directed to the first coupler and an optical signal directed to a waveguide of the output optical element.

상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는, 그레이팅 커플러(grating coupler)일 수 있다.The first coupler and the second coupler may be a grating coupler.

상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는, 서로 수직 대향으로 위치할 수 있다.The first coupler and the second coupler may be located vertically opposite to each other.

일 실시예에 따르면, optical interconnects에서 광 신호의 결합 효율이 증가할 수 있고, 광 신호의 넓은 주파수 대역폭이 확보될 수 있다. 효율 및 성능이 증가한 실리콘 3D 광 집적회로 및 LSI(Large-Scale Integration) chip의 구현이 가능하다.According to one embodiment, the coupling efficiency of optical signals in optical interconnects can be increased and a wide frequency bandwidth of the optical signal can be secured. It is possible to implement a silicon 3D optical integrated circuit and an LSI (Large-Scale Integration) chip with increased efficiency and performance.

도 1은 브릿지 칩(bridge chip)을 이용하여 서로 떨어져 있는 캐리어 칩(carrier chip)의 광 신호 커플링을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 Inter-layer 에서 서로 분리된 도파로 사이의 광 신호 커플링을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 Bragg Condition을 만족하는 회절 차수에 따른 빛의 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 Bragg reflector를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 fiber-to-grating coupler 및 grating-to-grating coupler의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 grating coupler와 grating coupler 사이의 광 신호의 공진을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 광 신호 결합 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 광 신호 결합에 의한 주파수 대역폭과 커플링 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 광 신호 결합 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
FIG. 1 is a view for explaining optical signal coupling of a carrier chip separated from each other by using a bridge chip.
2 is a view for explaining optical signal coupling between waveguides separated from each other in an inter-layer.
FIG. 3 is a view for explaining the direction of light according to diffraction orders satisfying Bragg Condition. FIG.
4 is a view for explaining a Bragg reflector.
5 is a view illustrating a structure of a fiber-to-grating coupler and a grating-to-grating coupler.
6 is a view for explaining resonance of an optical signal between a grating coupler and a grating coupler.
7 is a view for explaining an optical signal combining apparatus according to an embodiment.
8 is a view for explaining a frequency bandwidth and a coupling efficiency by optical signal coupling according to an embodiment.
9 is a flowchart illustrating an optical signal combining method according to an embodiment.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various modifications may be made to the embodiments described below. It is to be understood that the embodiments described below are not intended to limit the embodiments, but include all modifications, equivalents, and alternatives to them.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used only to illustrate specific embodiments and are not intended to limit the embodiments. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as ideal or overly formal in the sense of the art unless explicitly defined herein Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. In the following description of the embodiments, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the embodiments may be unnecessarily blurred.

도 1은 브릿지 칩(bridge chip)을 이용하여 서로 떨어져 있는 캐리어 칩(carrier chip)의 광 신호 커플링을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a view for explaining optical signal coupling of a carrier chip separated from each other by using a bridge chip.

도 1을 참조하면, 광 신호는 브릿지 칩(120)을 통해 캐리어 칩(110)에서 캐리어 칩(130)으로 전송될 수 있다. 레이어(layer)가 서로 떨어져 있는 구조에서, 광 신호의 전송은 브릿지 칩(120)을 통해 수행될 수 있다. 캐리어 칩(110)이 속한 레이어와 캐리어 칩(130)이 속한 레이어는 서로 떨어질 수 있다. 캐리어 칩(110)으로 입력된 광 신호는 캐리어 칩(110)의 커플러에 의해 브릿지 칩(120)의 커플러로 전송될 수 있고, 브릿지 칩(120)의 커플러에 의해 캐리어 칩(130)의 커플러로 전송될 수 있다.
Referring to FIG. 1, an optical signal may be transmitted from the carrier chip 110 to the carrier chip 130 through the bridge chip 120. In the structure in which the layers are separated from each other, the transmission of the optical signal can be performed through the bridge chip 120. The layer to which the carrier chip 110 belongs and the layer to which the carrier chip 130 belongs may be separated from each other. The optical signal inputted to the carrier chip 110 can be transmitted to the coupler of the bridge chip 120 by the coupler of the carrier chip 110 and can be transmitted to the coupler of the carrier chip 130 by the coupler of the bridge chip 120 Lt; / RTI >

도 2는 Inter-layer에서 서로 분리된 도파로 사이의 광 신호 커플링을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining optical signal coupling between waveguides separated from each other in an inter-layer.

도 2를 참조하면, 서로 다른 도파로(waveguide)가 하나의 레이어 안에서 분리된다. 도파로(210)과 도파로(220) 사이에는 레이어의 물질로 채워질 수 있다. 도 1에 도시된 브릿지 칩을 이용한 광 신호 커플링과 도 2에 도시된 레이어 내부의 도파로 사이의 광 신호 커플링은 서로 분리되고 평행한 광 도파로 사이의 광 신호를 커플링할 때 이용될 수 있다.
Referring to FIG. 2, different waveguides are separated in one layer. Between the waveguide 210 and the waveguide 220, a material of the layer can be filled. The optical signal coupling using the bridge chip shown in FIG. 1 and the optical signal coupling between the waveguide inside the layer shown in FIG. 2 can be used when coupling optical signals between optical waveguides separated from each other and parallel .

도 3은 Bragg Condition을 만족하는 회절 차수에 따른 빛의 방향을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a view for explaining the direction of light according to diffraction orders satisfying Bragg Condition. FIG.

그레이팅 커플러(Grating coupler)는 굴절률이 주기적으로 이루어진 그레이팅을 커플러로 이용한 것이다. 그레이팅 커플러는 광 도파로에서 다른 광 도파로로 빛의 회절 현상을 이용하여 광 신호를 결합시키는 것이다. 균일한 그레이팅 커플러는 실리콘 광 도파로가 주기적으로 식각되어 획득될 수 있다. 이에 따라, 균일한 그레이팅 커플러에서 주기적인 유효 굴절률이 나타날 수 있다. 광 신호가 주기적인 구조물과 만난 경우, 전자파(Electromagnetic wave)의 특성 중 하나인 회절 현상이 발생할 수 있다. 광 도파로를 따라 진행하는 광 신호가 그레이팅 커플러에 입사하는 경우, 광 신호는 그레이텅 커플러에 입사되기 전의 진행 방향과 다른 방향으로 진행한다. 보다 구체적으로, Bragg condition이 만족되는 경우, 그레이팅 커플러에 입사된 빛은 다른 방향으로 진행 할 수 있다. Bragg condition은 수학식 1과 같이 나타낸다.A grating coupler uses a grating with a periodic refractive index as a coupler. A grating coupler combines an optical signal using a diffraction phenomenon of light from an optical waveguide to another optical waveguide. A uniform grating coupler can be obtained by periodically etching the silicon optical waveguide. Thus, a periodic effective refractive index can be exhibited in a uniform grating coupler. When an optical signal meets a periodic structure, a diffraction phenomenon, which is one of the characteristics of an electromagnetic wave, may occur. When an optical signal traveling along the optical waveguide enters the grating coupler, the optical signal travels in a direction different from the traveling direction before entering the gray-tapped coupler. More specifically, when the Bragg condition is satisfied, the light incident on the grating coupler can travel in the other direction. The Bragg condition is expressed by Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

수학식 1에서,

Figure pat00002
는 그레이팅 커플러의 유효 굴절률,
Figure pat00003
는 회절에 의해 광 신호가 진행하는 방향의 물질의 굴절률,
Figure pat00004
는 수직면을 기준으로 광 신호가 회절되는 각도, m은 정수,
Figure pat00005
는 그레이팅 커플러에 입사하는 광 신호의 파장, 및
Figure pat00006
는 그레이팅의 주기를 나타낸다.In Equation (1)
Figure pat00002
The effective refractive index of the grating coupler,
Figure pat00003
The refractive index of the material in the direction in which the optical signal propagates due to the diffraction,
Figure pat00004
Is an angle at which the optical signal is diffracted with respect to the vertical plane, m is an integer,
Figure pat00005
The wavelength of the optical signal incident on the grating coupler, and
Figure pat00006
Represents the period of the grating.

도 3을 참조하면, 파장이 일정한 광 신호가 그레이팅 커플러에 입사되는 경우,

Figure pat00007
와 m(차수)에 따른 K 값이 결정될 수 있다.Referring to FIG. 3, when an optical signal having a constant wavelength is incident on the grating coupler,
Figure pat00007
And the K value according to m (degree) can be determined.

m은 1, 듀티 비(duty ratio)는 0.5, 유효 굴절률에 영향을 미치는 그레이팅의 주기는 680 nm, 및 식각 두께는 100 nm인 그레이팅 커플러를 이용한 경우(그레이팅의 주기 및 식각 두께는 타임 도메인 유한 요소 해석 방법에 기초한 최적값), 그레이팅 커플러에 입사한 광 신호는 두 방향으로 분리된다. 여기서, 듀티 비는 격자의 폭/격자의 주기를 나타낼 수 있다. 분리된 광 신호 중 하나는 위 방향이고, 다른 하나는 기판(substrate)으로 향하는 아래 방향이다. 이론적으로는 유효 굴절률의 주기적인 차이로 생기는 회절 특성에 의해 그레이팅 커플러의 위 방향과 아래 방향으로 진행하는 광 신호의 양은 동일하다. 식각에 의해 그레이팅의 모서리에서 발생하는 edge scattering 및 그레이팅 커플러를 감싸고 있는 위, 아래의 물질의 굴절률에 의해 위 방향과 아래 방향으로 진행하는 광 신호의 양은 약간의 차이가 있다. 아래 방향으로 진행하는 광 신호는 광 손실의 주요 원인이 될 수 있다.
m is 1, the duty ratio is 0.5, the grating period that affects the effective refractive index is 680 nm, and the etch thickness is 100 nm (the grating period and etching thickness are time domain finite element Optimum values based on the analysis method), the optical signal incident on the grating coupler is split in two directions. Here, the duty ratio can represent the width of the lattice / the period of the lattice. One of the separated optical signals is in the upward direction and the other is in the downward direction toward the substrate. Theoretically, the amount of the optical signal traveling in the upward and downward directions of the grating coupler is the same due to the diffraction characteristic caused by the periodic difference of the effective refractive index. The amount of optical signal traveling in the upward and downward directions is slightly different due to the edge scattering generated at the edge of the grating by the etching and the refractive index of the material above and below the grating coupler. An optical signal traveling in a downward direction may be a major cause of optical loss.

도 4는 Bragg reflector를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a Bragg reflector.

Bragg reflector는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질을 주기적으로 배치를 하여 주기적인 반사(reflection)의 보강 간섭과 상쇄 간섭을 이용한 반사체로, 반사율(reflectivity)이 다른 reflector에 비해 높을 수 있다. Bragg reflector의 일 종류에는 DBR(Distribute Bragg Reflector)이 있다.A Bragg reflector is a reflector that periodically arranges materials with different refractive indices and uses periodic reflection interference and destructive interference. The reflectivity of the Bragg reflector may be higher than that of other reflectors. One type of Bragg reflector is the DBR (Distribute Bragg Reflector).

DBR을 만들기 위해 주로 이용되는 물질은 GaAs-AlAs이다. 상대적으로 낮은 굴절률 차이를 보이는 GaAs-AlAs를 이용한 DBR의 경우, 주파수 스펙트럼의 Stopband가 넓으나 높은 반사율이 획득되기 위해서 GaAs-AlAs의 주기적인 층이 10개 정도 필요하다. 반면에 상대적으로 높은 굴절률 차이를 갖는 Si-SiO2를 이용한 DBR의 경우, 주파수 스펙트럼의 Stopband가 넓지 않으나, 2개의 주기적인 실리콘 층을 이용하여 90% 이상의 반사율이 획득될 수 가 있다.The main material used to make DBRs is GaAs-AlAs. In DBR using GaAs-AlAs with a relatively low refractive index difference, the stopband of the frequency spectrum is wide, but about 10 periodic layers of GaAs-AlAs are required to obtain a high reflectance. On the other hand, DBR using Si-SiO 2 with a relatively high refractive index difference does not have a wide stopband of the frequency spectrum, but a reflectance of 90% or more can be obtained by using two periodic silicon layers.

도 4를 참조하면, 그레이팅 커플러 아래에 Si와 SiO2로 이용한 Bragg reflector의 구조가 도시된다. Bragg reflector의 Si layer와 Si layer는 일정 거리(420)만큼 떨어져 있다. 그레이팅 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 기판으로 향하는 광 신호는 Bragg reflector에 의해 반사되고, 그레이팅 커플러로 진행한다. 그레이팅 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 다른 방향으로 진행하는 광 신호와 Bragg reflector에 의해 반사된 광 신호가 그레이팅 커플러에 의해 커플링될 때 보강 간섭이 되도록 서로의 위상이 맞아야 한다. 위상이 맞기 위해서 그레이팅 커플러와 Bragg reflector 사이의 거리(410)가 적절해야 한다.
Referring to FIG. 4, the structure of a Bragg reflector used as Si and SiO 2 under a grating coupler is shown. The Si layer and the Si layer of the Bragg reflector are separated by a certain distance (420). Of the optical signals separated by the grating coupler, the optical signal to the substrate is reflected by the Bragg reflector and proceeds to the grating coupler. The phase of the optical signal separated by the grating coupler must be in phase with each other so that the optical signal traveling in the other direction and the optical signal reflected by the Bragg reflector are coupled by the grating coupler to become constructive interference. The distance (410) between the grating coupler and the Bragg reflector should be appropriate for proper phase alignment.

도 5는 fiber-to-grating coupler 및 grating-to-grating coupler의 구조를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view illustrating a structure of a fiber-to-grating coupler and a grating-to-grating coupler.

도 5의 (a)를 참조하면, fiber-to-grating coupler가 도시되고, 도 5의 (b)를 참조하면, grating-to-grating coupler가 도시된다. fiber-to-grating coupler와 grating-to-grating coupler 사이에는 구조적인 차이점이 있다. 도 5에 도시된 것과 같이, fiber-to-grating coupler는 1개의 grating coupler를 포함하고, grating-to-grating coupler는 2개의grating coupler를 포함한다.Referring to FIG. 5 (a), a fiber-to-grating coupler is shown and a grating-to-grating coupler is shown in FIG. 5 (b). There are structural differences between fiber-to-grating couplers and grating-to-grating couplers. As shown in FIG. 5, the fiber-to-grating coupler includes one grating coupler, and the grating-to-grating coupler includes two grating couplers.

fiber-to-grating coupler의 경우, fiber(510)에서 나온 광 신호는 광 소자(520)의 grating coupler를 통해 실리콘 광 도파로와 결합한다.In the case of a fiber-to-grating coupler, the optical signal from the fiber 510 is coupled to the silicon optical waveguide through the grating coupler of the optical device 520.

grating-to-grating coupler의 경우, 광 소자(530)의 실리콘 광 도파로와 광 소자(540)의 실리콘 광 도파로가 평행하게 분리되어 있고, 각각의 광 도파로에 위치한 그레이팅 커플러를 통해 광 신호가 결합된다. 광 소자(530)의 실리콘 광 도파로로 입사된 광 신호는 그레이팅 커플러에 의해 진행 방향과 수직되게 진행하고, 광 소자(540)의 그레이팅 커플러로 입사되며, 처음 진행 방향과 동일한 방향으로 진행한다.In the case of the grating-to-grating coupler, the silicon optical waveguide of the optical element 530 and the silicon optical waveguide of the optical element 540 are separated in parallel, and the optical signal is coupled through the grating coupler located in each optical waveguide . The optical signal incident on the silicon optical waveguide of the optical element 530 proceeds perpendicularly to the traveling direction by the grating coupler, enters the grating coupler of the optical element 540, and travels in the same direction as the initial traveling direction.

또한, fiber-to-grating coupler와 grating-to-grating coupler는 모드 미스매치(mode mismatch)에서 차이점이 있다. fiber-to-grating coupler의 경우, 광 신호는 rectangular 도파로와 circular 도파로에서 진행하기 때문에 모드 미스매치의 영향이 클 수 있고, 이에 따라 광 손실이 크다. 보다 구체적으로, fiber에서 출력된 광 신호는 코어 중심에서 세기(intensity)가 최대가 되어 가우시안 빔을 따르고, 그레이팅 커플러에서 출력된 광 신호는 가우시안 빔이 아닌 그레이팅 커플러의 시작점에서 세기가 최대가 되는 exponential한 형태의 빔의 모양을 따른다. 이에 따라, fiber-to-grating coupler의 경우, 모드 미스매치가 크다. grating-to-grating coupler의 경우, rectangular 도파로를 통해 진행한 광 신호가 그레이팅 커플러를 통해 다시 rectangular 도파로로 진행하므로, fiber-to-grating coupler보다 상대적으로 모드 미스매치의 영향이 작아 광 손실이 작다.
Also, fiber-to-grating couplers and grating-to-grating couplers differ in mode mismatch. In the case of a fiber-to-grating coupler, the optical signal propagates in a rectangular waveguide and a circular waveguide, so that the influence of a mode mismatch can be large, thereby causing a large optical loss. More specifically, the optical signal output from the fiber follows the Gaussian beam with the maximum intensity at the center of the core, and the optical signal output from the grating coupler is not an Gaussian beam but an exponential It follows the shape of one form of beam. Accordingly, in the case of the fiber-to-grating coupler, a mode mismatch is large. In the case of a grating-to-grating coupler, the optical signal propagated through the rectangular waveguide passes through the grating coupler again to the rectangular waveguide, so that the optical loss is small due to a relatively small influence of the mode mismatch over the fiber-to-grating coupler.

도 6은 grating coupler와 grating coupler 사이의 광 신호의 공진을 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining resonance of an optical signal between a grating coupler and a grating coupler.

패브리-페롯 캐비티(Fabry-Perot cavity) 내의 광 신호는 양 끝 단에 있는 미러나 다른 물질의 굴절률 차이에 의해 왕복하고, 왕복하는 광 신호는 상쇄 간섭 또는 보강 간섭되며, 상쇄 간섭 또는 보강 간섭에 의해 공진(resonance) 현상이 발생한다. 평행한 도파로 사이의 광 신호의 왕복은 패브리-페롯 캐비티 내의 광 신호와 유사하다.Optical signals in the Fabry-Perot cavity are reciprocated by the refractive index difference of the mirrors or other materials at both ends, and optical signals that are reciprocating are canceled or canceled by destructive or constructive interference A resonance phenomenon occurs. The reciprocation of the optical signal between the parallel waveguides is similar to the optical signal in the Fabry-Perot cavity.

광 소자(610)의 도파로(612)에 입사된 광 신호는 그레이팅 커플러에 입사되고, 그레이팅 커플러에 입사된 광 신호는 Bragg condition에 의해 위 방향과 아래 방향으로 분리된다. 아래 방향으로 진행하는 빛은 Bragg reflector(611)에 의해 다시 그레이팅 커플러로 진행한다. Bragg reflector(611)에 의해 반사된 광 신호와 Bragg condition에 의해 위 방향으로 진행하는 광 신호는 물리적으로 떨어진 광 소자(620)의 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사된다. 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사된 광 신호 중에서 미량의 광 신호는 반사되고, 나머지 광 신호는 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러에 의해 분리된다. 보다 구체적으로, Bragg condition에 의해 도파로(622)로 진행하는 광 신호와 광 소자(620)의 기판으로 진행하는 광 신호로 분리된다. 광 소자(620)의 기판으로 진행하는 광 신호는 Bragg reflector(621)에 의해 반사되고, 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러로 진행한다. 여기서, Bragg reflector(621)에 의해 반사된 광 신호는 도파로(622)와 결합하는 광 신호 및 도파로(622)와 결합하지 못하고 도파로(612)에 위치한 그레이팅 커플러로 진행하는 광 신호로 분리된다. 반사 및 분리의 과정이 반복되어 도파로(612)의 그레이팅 커플러와 도파로(622)의 그레이팅 커플러 사이에 광 신호가 왕복하고, 광 신호가 왕복하면서 공진이 발생한다. 공진 발생 조건은 수학식 2와 같다.The optical signal incident on the waveguide 612 of the optical element 610 is incident on the grating coupler, and the optical signal incident on the grating coupler is separated in the upward and downward directions by the Bragg condition. The light traveling in the downward direction is guided back to the grating coupler by the Bragg reflector 611. The optical signal reflected by the Bragg reflector 611 and the optical signal traveling in the upward direction by the Bragg condition are incident on the grating coupler located in the waveguide 622 of the physically separated optical element 620. [ Of the optical signals incident on the grating coupler located in the waveguide 622, a small amount of optical signals are reflected, and the remaining optical signals are separated by a grating coupler located in the waveguide 622. More specifically, the optical signal traveling to the waveguide 622 and the optical signal traveling to the substrate of the optical element 620 are separated by the Bragg condition. The optical signal traveling to the substrate of optical element 620 is reflected by Bragg reflector 621 and proceeds to a grating coupler located in waveguide 622. Here, the optical signal reflected by the Bragg reflector 621 is separated into an optical signal that couples to the waveguide 622 and an optical signal that does not combine with the waveguide 622 but proceeds to the grating coupler located in the waveguide 612. The optical signal is reciprocated between the grating coupler of the waveguide 612 and the grating coupler of the waveguide 622, and the optical signal is reciprocated to generate resonance. The resonance occurrence condition is expressed by Equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00008

Figure pat00008

d는 도파로(612)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(622)에 위치한 그레이팅 커플러 사이의 거리이고, d0는 그레이팅 인터페이스(grating interface)에서 발생하는 위상 변화에 대한 등가 거리(constant due to the phase shift at the grating interface)를 나타낸다. 또한, m은 양의 정수이고, m에 의해서 공진은 주기적인 거리에 따라 최대가 될 수 있다. 또한,

Figure pat00009
는 초기에 그레이팅 커플러에 입사하는 광 신호의 파장을 나타낸다.
Figure pat00010
를 갖는 광 신호는 수학식 2에 의해 획득된 d를 갖는 구조에서 공진할 수 있다. 수학식 2에서, d는 grating-to-grating coupler의 성능을 결정짓는 중요한 요소가 될 수 있다. d가 조정됨으로써
Figure pat00011
를 갖는 광 신호의 공진 현상이 발생할 수 있다.
d is the distance between the grating coupler located at the waveguide 612 and the grating coupler located at the waveguide 622 and d 0 is the equivalent distance to the phase change occurring at the grating interface the grating interface. Further, m is a positive integer, and the resonance by m can be maximized according to the periodic distance. Also,
Figure pat00009
Represents the wavelength of the optical signal initially incident on the grating coupler.
Figure pat00010
Can resonate in a structure having d obtained by Equation (2). In Equation (2), d may be an important factor determining the performance of the grating-to-grating coupler. d is adjusted
Figure pat00011
The resonance phenomenon of the optical signal having the wavelength?

도 7은 일 실시예에 따른 광 신호 결합을 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for explaining optical signal combining according to an embodiment.

도 7을 참조하면, 입력 광 소자(710) 및 출력 광 소자(720)가 도시된다.Referring to FIG. 7, an input optical element 710 and an output optical element 720 are shown.

광 신호를 커플링하기 위해 Bragg reflector가 입력 광 소자(710) 및 출력 광 소자(720) 각각의 클래딩(712 및 722) 내에 삽입된다. 도파로(711 및/또는 721)의 경우, 단일 모드의 광 도파로일 수 있고, 두께가 220nm일 수 있다. 클래딩(712 및/또는 722)은 두께가 2μm일 수 있고, SiO2(실리카)로 구성될 수 있다. 그레이팅 커플러는 편광 상태에 영향을 많이 받으므로, 기본 TE 모드(2.83)인 그레이팅 커플러일 수 있다.A Bragg reflector is inserted into the cladding 712 and 722 of the input optical element 710 and the output optical element 720, respectively, to couple the optical signal. In the case of waveguides 711 and / or 721, it may be a single mode optical waveguide and may be 220 nm thick. A cladding (712 and / or 722) may be a thickness of 2μm, it can be composed of SiO 2 (silica). The grating coupler may be a grating coupler that is in the basic TE mode (2.83) because it is highly affected by the polarization state.

도파로(711)에 입력 광 신호가 입력되고, 도파로(711)를 통해 진행하는 입력 광 신호는 그레이팅 커플러에 의해 분리된다. 그레이팅 커플러는 입력 광 신호를 출력 광 소자(720)로 진행하는 광 신호와 기판(713)으로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다. 기판(710)으로 진행하는 광 신호는 클래딩(712) 내부에 삽입된 Bragg reflector에 의해 반사되고, 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러로 진행한다.An input optical signal is input to the waveguide 711, and the input optical signal traveling through the waveguide 711 is separated by a grating coupler. The grating coupler can separate the input optical signal into an optical signal traveling to the output optical element 720 and an optical signal traveling to the substrate 713. The optical signal traveling to the substrate 710 is reflected by the Bragg reflector inserted in the cladding 712 and proceeds to a grating coupler located in the waveguide 711.

도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러는 Bragg reflector에 의해 반사된 광 신호 및 출력 광 소자(720)로 진행하는 광 신호를 커플링할 수 있다. 커플링 시 보강 간섭이 발생할 수 있다. Bragg reflector에 의해 반사된 광 신호 및 출력 광 소자(720)로 진행하는 광 신호는 출력 광 소자(720)의 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사될 수 있다. 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 입사된 광 신호를 출력 광 소자(720)의 기판(723)으로 진행하는 광 신호 및 도파로(721)와 결합하는 광 신호로 분리할 수 있다.The grating coupler located in the waveguide 711 can couple the optical signal reflected by the Bragg reflector and the optical signal traveling to the output optical element 720. Constructive interference may occur during coupling. The optical signal reflected by the Bragg reflector and the optical signal traveling to the output optical element 720 may be incident on the grating coupler located in the waveguide 721 of the output optical element 720. The grating coupler located in the waveguide 721 can separate the incident optical signal into an optical signal traveling to the substrate 723 of the output optical element 720 and an optical signal coupling with the waveguide 721.

기판(723)으로 진행하는 광 신호는 클래딩(722) 내부의 Bragg reflector에 의해 반사되고, 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러로 진행한다. 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 서로 대응되게 위치할 수 있다. 예를 들어, 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 서로 마주보고 평행하게 위치할 수 있다. 또한, 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 lateral shift될 수 있다.The optical signal traveling to the substrate 723 is reflected by the Bragg reflector inside the cladding 722 and proceeds to a grating coupler located in waveguide 721. The grating coupler located in the waveguide 711 and the grating coupler located in the waveguide 721 may be positioned to correspond to each other. For example, the grating coupler located in the waveguide 711 and the grating coupler located in the waveguide 721 may be positioned parallel to each other. Also, the grating coupler located in waveguide 721 can be laterally shifted.

도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러는 반사된 광 신호를 도파로(721)와 결합하는 광 신호 및 입력 광 소자(710)로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다. 입력 광 소자(710)로 진행하는 광 신호는 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사될 수 있다. 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러에 입사된 광 신호는 분리되고, 분리된 광 신호 중 일부는 Bragg reflector에 의해 반사될 수 있다.The grating coupler located in the waveguide 721 can separate the reflected optical signal into an optical signal coupling the waveguide 721 and an optical signal traveling to the input optical element 710. An optical signal traveling to the input optical element 710 may be incident on a grating coupler located in the waveguide 711. The optical signal incident on the grating coupler located in the waveguide 711 may be separated and some of the separated optical signals may be reflected by the Bragg reflector.

광 신호의 분리 및 반사에 의해 입력 광 소자(710) 및 출력 광 소자(720) 사이에서 광 신호가 왕복할 수 있다. 즉, 광 신호의 분리 및 반사에 의해 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러 사이에 광 신호가 왕복할 수 있다. 광 신호의 왕복에 의해 공진이 발생할 수 있고, 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호가 생성될 수 있다. 여기서, 공진 주파수는 입력 광 소자(710)와 출력 광 소자(720) 사이의 거리, 즉, 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러 사이의 거리에 의해 결정될 수 있다.The optical signal can be reciprocated between the input optical element 710 and the output optical element 720 by separation and reflection of the optical signal. That is, the optical signal can be reciprocated between the grating coupler located at the waveguide 711 and the grating coupler located at the waveguide 721 by separation and reflection of the optical signal. Resonance can be caused by reciprocation of the optical signal, and an output optical signal having a resonance frequency can be generated. Here, the resonant frequency can be determined by the distance between the input optical element 710 and the output optical element 720, that is, the distance between the grating coupler located at the waveguide 711 and the grating coupler located at the waveguide 721.

출력 광 소자(720)는 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력한다. 출력 광 신호의 주파수 특성을 살펴보면, 그레이팅 커플러의 특성에 의한 주파수 대역폭과 발생하는 공진에 의한 공진 주파수가 오버랩핑(overlapping)된다. 도파로(711)에 위치한 그레이팅 커플러와 도파로(721)에 위치한 그레이팅 커플러 중 적어도 하나에 의해 출력 광 신호의 주파수 대역폭이 획득될 수 있고, 획득된 주파수 대역폭에 공진 주파수가 오버랩핑될 수 있다. 이로 인해, 출력 광 신호는 단일 공진 주파수를 가지지 않을 수 있고, 오버랩핑에 의해 넓은 대역폭을 가질 수 있다.
The output optical element 720 outputs an output optical signal having a resonant frequency. In the frequency characteristics of the output optical signal, the frequency bandwidth due to the characteristic of the grating coupler and the resonance frequency due to the generated resonance overlap each other. The frequency bandwidth of the output optical signal can be obtained by at least one of the grating coupler located in the waveguide 711 and the grating coupler located in the waveguide 721 and the resonant frequency can be overlapped in the obtained frequency bandwidth. For this reason, the output optical signal may not have a single resonant frequency, and may have a wide bandwidth by overlapping.

도 8은 일 실시예에 따른 광 신호 결합에 의한 주파수 대역폭과 커플링 효율을 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining a frequency bandwidth and a coupling efficiency by optical signal coupling according to an embodiment.

도 8을 참조하면, Bragg reflector를 이용한 경우(810)와 Bragg reflector를 이용하지 않은 경우(820) 각각의 커플링 효율 및 출력 광 신호의 주파수 대역폭을 확인할 수 있다. 여기서, 커플링 효율은 입력 광 신호의 세기 대비 출력 광 신호의 세기를 기초로 결정될 수 있다.Referring to FIG. 8, the coupling efficiency and the frequency bandwidth of the output optical signal can be confirmed when the Bragg reflector is used (810) and when the Bragg reflector is not used (820). Here, the coupling efficiency can be determined based on the intensity of the output optical signal with respect to the intensity of the input optical signal.

Bragg reflector를 이용한 경우(810), 공진 주파수를 기준으로 상대적으로 넓은 주파수 대역폭이 획득될 수 있다. 또한, 공진 주파수에서 높은 커플링 효율이 나타난다. 반면에, Bragg reflector를 이용하지 않은 경우(820), 출력 광 신호의 대역폭은 상대적으로 좁고, 커플링 효율 역시 상대적으로 낮다. 커플링 효율과 출력 광 신호의 주파수 대역폭은 공진 향상(resonance enhancement)을 이용하여 최대가 될 수 있다.
If a Bragg reflector is used (810), a relatively wide frequency bandwidth can be obtained based on the resonant frequency. Also, high coupling efficiency at the resonant frequency appears. On the other hand, if the Bragg reflector is not used (820), the bandwidth of the output optical signal is relatively narrow and the coupling efficiency is also relatively low. The coupling efficiency and the frequency bandwidth of the output optical signal can be maximized using resonance enhancement.

도 9는 일 실시예에 따른 광 신호 커플링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.9 is a flowchart illustrating an optical signal coupling method according to an embodiment.

일 실시예에 따른 광 신호 커플링 방법은 광 신호 커플링 장치에 의해 수행될 수 있다. 도 9를 참조하면, 광 신호 커플링 장치는 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제1 리플렉터를 이용하여 반사한다(910). 광 신호 커플링 장치는 도파로를 따라 진행하는 입력 광 신호를 제1 커플러를 이용하여 분리할 수 있다. 이 때, 제1 커플러는 입력 광 신호를 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리할 수 있다. 제1 리플렉터는 제1 커플러에 대응되게 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 리플렉터는 제1 커플러와 평행하게 위치할 수 있다.An optical signal coupling method according to an embodiment can be performed by an optical signal coupling device. Referring to FIG. 9, the optical signal coupling apparatus reflects a part of the optical signals separated by the first coupler using a first reflector (910). The optical signal coupling device can separate the input optical signal traveling along the waveguide using a first coupler. At this time, the first coupler can separate the input optical signal into an optical signal directed to the second coupler and an optical signal directed to the first reflector. The first reflector may be positioned corresponding to the first coupler. For example, the first reflector may be positioned parallel to the first coupler.

광 신호 커플링 장치는 제1 커플러와 대응되게 위치하는 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제2 리플렉터를 이용하여 반사시킨다(920). 제2 커플러는 제1 커플러와 평행하게 위치할 수 있다. 즉, 제1 커플러와 제2 커플러는 서로 마주보고 위치할 수 있다. 여기서, 제2 커플러는 lateral shift될 수 있다. 제1 리플렉터에 의해 반사된 광 신호 및 제2 커플러로 진행하는 광 신호는 제2 커플러에 입사된다. 제2 커플러는 입사된 광 신호를 분리한다. 보다 구체적으로, 제2 커플러는 제2 커플러가 위치한 도파로와 결합하는 광 신호 및 제2 리플렉터로 진행하는 광 신호로 분리할 수 있다. 여기서, 제2 리플렉터로 진행하는 광 신호는 반사되어 제2 커플러로 되돌아올 수 있다. 제2 리플렉터는 제2 커플러에 대응되게 위치할 수 있다. 예를 들어, 제2 리플렉터는 제2 커플러와 평행하게 위치할 수 있다. 제2 커플러는 반사된 광 신호를 도파로와 결합하는 광 신호 및 제1 커플러로 향하는 광 신호로 분리할 수 있다.The optical signal coupling device reflects (920) some of the optical signals separated by the second coupler located corresponding to the first coupler using the second reflector. The second coupler may be positioned parallel to the first coupler. That is, the first coupler and the second coupler can be positioned facing each other. Here, the second coupler can be laterally shifted. The optical signal reflected by the first reflector and the optical signal traveling to the second coupler are incident on the second coupler. The second coupler separates the incident optical signal. More specifically, the second coupler may be separated into an optical signal coupled to the waveguide in which the second coupler is located and an optical signal propagating to the second reflector. Here, the optical signal traveling to the second reflector may be reflected back to the second coupler. The second reflector may be positioned corresponding to the second coupler. For example, the second reflector may be positioned parallel to the second coupler. The second coupler can separate the reflected optical signal into an optical signal coupling the optical waveguide with the waveguide and an optical signal directed to the first coupler.

광 신호 커플링 장치는 제1 커플러 및 제2 커플러의 광 신호 분리와 제1 리플렉터 및 제2 리플렉터의 광 신호 반사를 통해 제1 커플러 및 제2 커플러 사이에서 광 신호를 왕복시킬 수 있다. 광 신호의 왕복에 의해 공진이 발생할 수 있고, 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호가 생성될 수 있다. 여기서, 출력 광 신호의 공진 주파수는 제1 커플러 및 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정될 수 있다.The optical signal coupling device can reciprocate the optical signal between the first coupler and the second coupler through the optical signal separation of the first coupler and the second coupler and the optical signal reflection of the first reflector and the second reflector. Resonance can be caused by reciprocation of the optical signal, and an output optical signal having a resonance frequency can be generated. Here, the resonant frequency of the output optical signal can be determined based on the distance between the first coupler and the second coupler.

일 실시예에 따른 광 신호 커플링 장치는 기판으로 진행하는 광 신호의 손실을 최대한 줄이고 그레이팅 커플러 사이에 광 신호를 더 주입할 수 있다. 이로 인해, 그레이팅 커플러의 주파수 대역폭과 그레이팅 커플러 사이의 광 신호의 왕복으로 인한 공진 현상에 따른 공진 주파수가 오버랩핑되고, 오버랩핑에 의해 출력 광 신호의 커플링 효율과 주파수 대역폭이 향상될 수 있다.
The optical signal coupling apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention can minimize the loss of the optical signal traveling to the substrate and further inject optical signals between the grating couplers. As a result, the resonance frequency due to the resonance phenomenon due to the reciprocation of the optical signal between the grating coupler and the grating coupler is overlapped, and the coupling efficiency and frequency bandwidth of the output optical signal can be improved by overlapping.

Optical interconnects는 최근 급증하는 데이터 레이트(data rate)를 처리하는데 사용될 수 있다. Optical interconnects를 구현하기 위해 광 신호의 저 손실 및 대역폭 확보가 중요하다. 광 집적회로 안에서 광 신호의 저 손실 및 대역폭이 확보되는 경우, 대용량 데이터를 처리하는 데이터 센터와 높은 성능을 가지는 슈퍼컴퓨터 제작이 가능하다.Optical interconnects can be used to handle the ever-increasing data rates. To realize optical interconnects, it is important to secure low bandwidth and low loss of optical signals. In the optical integrated circuit, if the low loss and bandwidth of the optical signal are secured, it is possible to manufacture a data center for processing large data and a supercomputer having high performance.

다양한 커플러를 통해 광 도파로 커플링의 구현이 가능하지만, 높은 커플링 효율과 대역폭 확보를 위한 소형화 및 칩 배치의 용이성은 쉽지 않다. 또한, 수직적으로 분리된 광 도파로의 광 신호 커플링은 쉽지 않다. 그레이팅 커플러를 통해 칩 위의 배치가 용이할 뿐 아니라, 소형화가 가능하고, 수직적으로 분리된 광 도파로의 광 신호결합에 대한 고 밀도 광 집적회로를 구현할 수 있다.Although optical coupler coupling can be realized through various couplers, miniaturization and easy chip placement are not easy for high coupling efficiency and bandwidth. Further, optical signal coupling of vertically separated optical waveguides is not easy. Density optical integrated circuit for optical signal coupling of vertically separated optical waveguides, which can be easily miniaturized, as well as being easily arranged on a chip via a grating coupler.

그레이팅 커플러의 경우, 회절 현상을 이용하기 때문에 커플링 효율 및 주파수 대역폭이 낮다. 일 실시예에 따르면, 높은 커플링 효율과 주파수 대역폭 확보를 위하여 그레이팅 커플러 하단에 Bragg reflector가 추가된다. 또한, 일 실시예에 따르면, 광 도파로 사이의 반복적인 광 신호 왕복으로 인해 공진 현상이 발생하고, 기존의 주파수 대역폭보다 넓은 주파수 대역폭을 확보 할 수 있다.In the case of a grating coupler, coupling efficiency and frequency bandwidth are low because of the use of diffraction phenomenon. According to one embodiment, a Bragg reflector is added at the bottom of the grating coupler for high coupling efficiency and frequency bandwidth. Also, according to one embodiment, a resonance phenomenon occurs due to repeated optical signal reciprocation between optical waveguides, and a frequency bandwidth wider than the existing frequency bandwidth can be ensured.

일 실시예에 따르면, CMOS 공정을 통해 실리콘 기반의 광 도파로가 식각되어 생성된 그레이팅 커플러가 이용되고, 그레이팅 커플러를 추가로 이용함으로써grating-to-grating coupler를 형성하며, grating-to-grating coupler를 통해 광 도파로 사이의 광 신호의 커플링이 가능하다. 또한, 그레이팅 커플러 아래에 Bragg reflector를 추가하여 기존의 그레이팅 커플러에 비해 커플링 효율 및 주파수 대역폭이 증가한다.
According to one embodiment, a grating coupler produced by etching a silicon-based optical waveguide through a CMOS process is used, a grating-to-grating coupler is formed by further using a grating coupler, and a grating-to- Coupling of the optical signal between the optical waveguides is possible. In addition, the addition of a Bragg reflector under the grating coupler increases coupling efficiency and frequency bandwidth compared to conventional grating couplers.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the apparatus and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA) , A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing unit may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, and may be configured to configure the processing device to operate as desired or to process it collectively or collectively Device can be commanded. The software and / or data may be in the form of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage media, or device , Or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave. The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (17)

제1 커플러 및 상기 제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제1 리플렉터(reflector)를 포함하는 입력 광 소자; 및
상기 제1 커플러에 대응되게 위치하는 제2 커플러 및 상기 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 반사하는 제2 리플렉터를 포함하고, 상기 제1 리플렉터의 반사 및 상기 제2 리플렉터의 반사를 기초로 상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이에서 왕복하는 광 신호를 이용하여 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 출력 광 소자
를 포함하는,
광 신호 커플링 장치.
An input optical element including a first coupler and a first reflector that reflects a part of the optical signal separated by the first coupler; And
A second coupler positioned corresponding to the first coupler, and a second reflector reflecting a part of the optical signal separated by the second coupler, wherein the reflection of the first reflector and the reflection of the second reflector are based on An output optical element for outputting an output optical signal having a resonant frequency using an optical signal that is reciprocated between the first coupler and the second coupler,
/ RTI >
Optical signal coupling device.
제1항에 있어서,
상기 출력 광 신호의 상기 공진 주파수는,
상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정되는,
광 신호 커플링 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the resonant frequency of the output optical signal,
And a second coupler coupled to the second coupler,
Optical signal coupling device.
제1항에 있어서,
상기 출력 광 신호는,
상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러 중 적어도 하나를 기초로 획득된 주파수 대역폭과 상기 공진 주파수가 오버랩되는,
광 신호 커플링 장치.
The method according to claim 1,
The output optical signal includes:
Wherein the frequency bandwidth obtained based on at least one of the first coupler and the second coupler overlaps with the resonant frequency,
Optical signal coupling device.
제1항에 있어서,
상기 제1 커플러는,
상기 입력 광 소자로 입력된 입력 광 신호를 상기 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리하는,
광 신호 커플링 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the first coupler includes:
An input optical signal input to the input optical element is divided into an optical signal directed to the second coupler and an optical signal directed to the first reflector.
Optical signal coupling device.
제1항에 있어서,
상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터를 기초로 상기 광 신호 커플링 장치 내에 공진 캐비티가 형성되는,
광 신호 커플링 장치.
The method according to claim 1,
Wherein a resonance cavity is formed in the optical signal coupling device based on the first reflector and the second reflector,
Optical signal coupling device.
제1항에 있어서,
상기 제2 커플러는,
상기 제2 리플렉터에 의해 반사된 광 신호를 상기 제1 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 출력 광 소자의 도파로로 진행하는 광 신호로 분리하는,
광 신호 커플링 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the second coupler comprises:
And separating the optical signal reflected by the second reflector into an optical signal directed to the first coupler and an optical signal directed to a waveguide of the output optical element,
Optical signal coupling device.
제1항에 있어서,
상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는,
그레이팅 커플러(grating coupler)인,
광 신호 커플링 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the first coupler and the second coupler,
A grating coupler,
Optical signal coupling device.
제1항에 있어서,
상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는,
서로 수직 대향으로 위치하는,
광 신호 커플링 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the first coupler and the second coupler,
Which are vertically opposed to each other,
Optical signal coupling device.
제1항에 있어서,
상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터 각각은,
상기 입력 광 소자의 클래딩 및 상기 출력 광 소자의 클래딩에 삽입되는,
광 신호 커플링 장치.
The method according to claim 1,
Wherein each of the first reflector and the second reflector includes:
A cladding of the input optical element and a cladding of the output optical element,
Optical signal coupling device.
제1 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제1 리플렉터(reflector)를 이용하여 반사하는 단계;
상기 제1 커플러와 대응되게 위치하는 제2 커플러에 의해 분리된 광 신호 중 일부를 제2 리플렉터를 이용하여 반사하는 단계; 및
상기 제1 리플렉터의 반사 및 상기 제2 리플렉터의 반사를 기초로 왕복하는 광 신호를 이용하여 공진 주파수를 갖는 출력 광 신호를 출력하는 단계
를 포함하는,
광 신호 커플링 방법.
Reflecting a part of the optical signals separated by the first coupler using a first reflector;
Reflecting a part of the optical signals separated by the second coupler corresponding to the first coupler using a second reflector; And
Outputting an output optical signal having a resonant frequency using an optical signal that is based on the reflection of the first reflector and the reflection of the second reflector;
/ RTI >
Optical signal coupling method.
제10항에 있어서,
상기 출력 광 신호의 상기 공진 주파수는,
상기 제1 커플러와 상기 제2 커플러 사이의 거리를 기초로 결정되는,
광 신호 커플링 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the resonant frequency of the output optical signal,
And a second coupler coupled to the second coupler,
Optical signal coupling method.
제10항에 있어서,
상기 출력 광 신호는,
상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러 중 적어도 하나를 기초로 획득된 주파수 대역폭과 상기 공진 주파수가 오버랩되는,
광 신호 커플링 방법.
11. The method of claim 10,
The output optical signal includes:
Wherein the frequency bandwidth obtained based on at least one of the first coupler and the second coupler overlaps with the resonant frequency,
Optical signal coupling method.
제10항에 있어서,
상기 제1 커플러는,
상기 제1 커플러로 입력되는 입력 광 신호를 상기 제2 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 제1 리플렉터로 향하는 광 신호로 분리하는,
광 신호 커플링 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the first coupler includes:
And a second coupler for separating the input optical signal input to the first coupler into an optical signal directed to the second coupler and an optical signal directed to the first reflector.
Optical signal coupling method.
제10항에 있어서,
상기 제1 리플렉터 및 상기 제2 리플렉터를 기초로 공진 캐비티가 형성되는,
광 신호 커플링 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein a resonance cavity is formed based on the first reflector and the second reflector,
Optical signal coupling method.
제10항에 있어서,
상기 제2 커플러는,
상기 제2 리플렉터에 의해 반사된 광 신호를 상기 제1 커플러로 향하는 광 신호 및 상기 출력 광 소자의 도파로로 진행하는 광 신호로 분리하는,
광 신호 커플링 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the second coupler comprises:
And separating the optical signal reflected by the second reflector into an optical signal directed to the first coupler and an optical signal directed to a waveguide of the output optical element,
Optical signal coupling method.
제10항에 있어서,
상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는,
그레이팅 커플러(grating coupler)인,
광 신호 커플링 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the first coupler and the second coupler,
A grating coupler,
Optical signal coupling method.
제10항에 있어서,
상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는,
서로 수직 대향으로 위치하는,
광 신호 커플링 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the first coupler and the second coupler,
Which are vertically opposed to each other,
Optical signal coupling method.
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