재구성 가능한 섬유

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7252(2022) 이 기사 인용

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실리콘 포토닉스에서 격자 보조 광섬유-도파관 커플러는 웨이퍼 수준 테스트를 용이하게 하기 위해 면외 결합을 제공합니다. 그러나 제한된 대역폭과 효율성으로 인해 광대역 애플리케이션에서의 사용이 제한됩니다. 또는 엔드파이어 커플러는 이러한 제약을 극복하지만 사용하기 전에 다이싱 프로세스가 필요하므로 웨이퍼 수준 테스트에 적합하지 않습니다. 이러한 절충안을 해결하기 위해 재구성 가능한 광섬유-도파관 결합 모듈이 제안되었으며 동일한 광자 회로에서 격자 보조 결합과 최종 화재 결합을 모두 허용하도록 설계되었습니다. 제안된 모듈은 상변화 재료의 얇은 층을 통합한 전환 가능한 방향성 커플러를 배치합니다. 이 재료의 상태는 초기에 비정질이어서 커플러를 활성화하여 웨이퍼 레벨 테스트를 위한 격자 보조 결합을 용이하게 합니다. 방향성 결합기를 비활성화하기 위한 저온 어닐링 공정을 통해 상태를 결정질로 변경하여 엔드파이어 결합기를 통한 광대역 칩 수준 결합을 촉진할 수 있습니다. 결합된 전환 가능한 방향성 커플러와 격자 및 엔드 파이어 커플러를 포함하는 모든 구성 요소는 엄격한 시뮬레이션을 통해 개별적으로 설계되었습니다. 이후 그들은 선택적 결합 작동을 검증하기 위해 시뮬레이션 및 분석된 제안된 재구성 가능한 결합 모듈을 구축하기 위해 조립되었습니다. 제안된 모듈은 격자 보조 또는 최종 화재 입력 하에서 작동할 때 C 대역 전체에 걸쳐 1.2dB 미만의 낮은 초과 손실과 13dB 이상의 높은 소광비를 발생시킵니다. 제안된 재구성 가능한 커플링 모듈은 웨이퍼 규모의 집적 광 회로 검사를 유연하고 신속하게 처리하기 위한 실용적인 솔루션이 될 것으로 기대됩니다.

양자 컴퓨팅, 빔 조종, 광통신 및 기타 여러 응용 분야를 위한 광자 집적 회로(PIC)는 최근 10년 동안 광범위하게 연구 및 개발되었습니다1,2,3,4,5,6. 광자 회로의 실제 검사 및 작동 관점에서 GAC(Gating-Assisted Coupler) 및 SSC(Spot Size Converter) 기반 엔드파이어 커플러는 주로 광섬유-도파관에 널리 권장되는 방식으로 간주됩니다. 가벼운 커플 링7,8,9,10,11,12. GAC는 주로 평면 외부 결합에 맞춰져 있는 반면, SSC는 평면 내 최종 결합에 적합합니다7,8. GAC의 도움으로만 가능한 웨이퍼 수준 테스트는 제조 중 최고의 PIC 수율을 보장하는 데 필수적입니다. 그러나 GAC의 경우 제한된 대역폭, 낮은 결합 효율 및 편광에 대한 높은 감도로 인해 덜 바람직합니다7,9. 반면, SSC는 뛰어난 결합 효율, 더 넓은 대역폭 및 더 나은 편광 허용 오차를 제공하지만 필연적으로 칩을 다이싱/연마하는 추가 프로세스가 수반됩니다. 따라서 웨이퍼 수준 테스트에 적합하지 않습니다. 고집적 포토닉 칩에 대한 수요가 급증하고 포토닉 웨이퍼의 크기가 급격히 증가함에 따라 웨이퍼 수준 테스트는 칩 개발 프로세스를 가속화하는 데 없어서는 안 될 요소가 되었습니다. 이러한 맥락에서 GAC와 SSC 간의 선택은 제조 품질과 PIC 유용성 간의 균형을 유발합니다. 따라서 두 커플러를 동일한 회로에 통합하는 방법은 더 나은 제조 품질과 더 넓은 적용 가능성을 달성하는 데 매우 유리할 것입니다.

지난 수십 년 동안 엔드 파이어 및 그레이팅 커플러에 대한 여러 연구가 별도로 수행되었습니다. 그러나 우리가 아는 한, 엔드파이어 커플러를 사용하는 평면 내 결합과 동일한 회로에서 GAC를 활용하는 평면 외부 결합을 모두 충족할 수 있는 통합 커플러에 대해 논의한 연구는 보고된 바 없습니다. GAC와 SSC를 동일한 회로에 동시에 통합하려면 입력과 출력을 전환하는 메커니즘이 필요합니다. 열광학 및 전기광학 효과에 의존하는 일반적으로 사용 가능한 광 스위치를 사용하는 것은 해당 스위치의 작동에 지속적인 전력 공급이 수반되기 때문에 실행 불가능합니다3. 광학 상변화 물질(PCM)의 출현으로 지속적인 전원 공급 없이 비휘발성 스위칭을 실행할 수 있습니다. PCM을 채택하면 GAC와 SSC를 단일 회로에 동시에 통합할 수 있어 웨이퍼 레벨과 칩 레벨의 빛 결합이 모두 가능해집니다. Y. Zhang 그룹이 보고한 연구에서는 웨이퍼 레벨 테스트에 적용할 수 있도록 PCM의 상태를 조정하여 비활성화할 수 있는 도파관에서 빛의 작은 부분을 태핑할 수 있는 과도 탭 커플러를 시연했습니다19. 그러나 이는 빛의 작은 부분만 태핑하는 것으로 제한되며 회로의 전체 크기 웨이퍼 레벨 테스트를 용이하게 하지 않습니다. 입력/출력 전력의 작은 부분이 아닌 전체 규모 특성화는 웨이퍼 수준 테스트를 최대한 활용하는 데 필수적입니다. 이러한 맥락에서, 생산 중인 PIC에 대한 빠르고 유연한 검사를 실행하기 위해 전체 규모 웨이퍼 수준 및 칩 규모 테스트를 모두 제공하는 재구성 가능한 결합 방식이 절대적으로 추구됩니다.