도파폭 공정오차에 따른 광도파 특성변화와 소자성능 저하 = AWG device characteristic dependence on the fabrication error limit

국문 초록 (Abstract)

광소자의 소형화와 집적화 노력에 따라 광도파로의 도파폭과 곡률 반경이 작아지면서, 그 경계조건을 만족하는 도파모드와 전파상수의 변화가 심하게 되었다. 특히, 도파폭의 좁아지면서 제작 공정상의 폭조절 오차한계 내의 작은 변화에도 전파상수가 크게 변화하게 되어, 배열도파로(Arrayed Waveguide Grating, AWG)소자에서는 각 도파로 진행광의 위상이 설계와 심하게 달라지고 소자의 성능에 영향이 커지게 되었다. 광소자의 소형화에 따라 심각해지는 이러한 근사설계 오차에 의한 영향을 정량적으로 분석하고 대처하기 위해, 여기서는 유효굴절률법(Effective Index Method)과 해석적 함수해(Analytic Solution Method)를 이요하여 여러 도파로 구조를 해석하여 전파특성 변수를 얻어내었다. 또한, 이를 적용하여 자체 제작한 고기능 전산시늉기를 통해 각종 InP-, Silica-AWG 소자의 성능을 모사하였다. 모사 결과는 실제 제작된 전형적인 소자와 비교하여 매우 유사한 경향을 나타내었으며, Ridge-type Inp-AWG 소자의 경우, 도파폭의 허용공차가 0.02$\mu\textrm{m}$ 이내로 개선될 때, AWG 소자의 신호대잡음비(SNR)가 약 -25dB 이상 가능하게 되며 Rib-type Silica-AWG 소자의 경우는 도파폭 허용공차가 0.1$\mu\textrm{m}$ 정도이기만 해도 약 -30dB 이상 가능한 것으로 모사되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the waveguide width and the radius of curvature get smaller for the effort of monolithic fabrication of integrated photonic devices, the waveguide characteristics change significantly according to the change of the waveguide width or the radius of curvature. Especially, variation of the waveguide width due to fabrication process errors induces a phase error for each waveguide from the change of the propagation constant. Therefore, it is important to quantify these variation effects on the device characteristics for the design and fabrication of highly integrated photonic devices. Here, we analyze four different types of waveguides to get general characteristics in propagation constant change by utilizing the effective index method and the analytic solution method. Futhermore, the output characteristics of two AWG(Arrayed Waveguide Grating) devices are simulated by a highly-functional computer code. The simulated results have been found to be similar to the realistic device characteristics. The required fabrication error limit for the ridge-type InP-AWG device should be smaller than 0.02 ${\mu}{\textrm}{m}$ to get better channel crosstalk than-25 dB, while the required fabrication error limit for rib-type silica-AWG devices may be allowed up to 0.1 ${\mu}{\textrm}{m}$ to obtain better crosstalk than -30 dB.