Dispersion-Engineered SOI Ridge Waveguides for Broadband Nonlinear Photonics and Polarization-Insensitive Transport

실리콘 칩을 통과하는 빛은 대개 어려운 선택에 직면합니다. 빛이 물질과 강하게 상호작용할 수 있도록 빛을 단단히 뭉쳐두기 위해 엔지니어들은 채널을 극도로 좁게 만듭니다. 하지만 이 좁은 압착은 문제점을 야기합니다. 서로 다른 색상의 빛이 매우 다른 속도로 이동하여 신호가 번지고 형태를 잃게 되는 것입니다. 분산(dispersion)이라고 알려진 이 효과는 실리콘 칩을 사용하여 새로운 빛의 색을 생성하거나 왜곡 없이 복잡한 데이터를 전달하는 데 있어 주요한 장애물입니다. 수년 동안 연구자들은 실리콘의 모양을 변경함으로써 이를 해결하려 노력해 왔지만, 그 해결책들은 종종 빛이 방향에 따라 다르게 행동하게 만들거나 채널의 거친 가장자리에서 너무 많은 빛이 산란되는 것과 같은 새로운 문제들을 만들어냈습니다.

이제 한 연구자가 실리콘 도파로의 모양을 정교하게 재설계함으로써 이러한 상충하는 요구 사항들을 해결하는 방법을 찾아냈습니다. 완전히 식각된 얇은 실리콘 스트립 대신, 연구자는 작은 미식각 기판을 가진 리지(ridge)를 깎아 만들어, 와이어와 더 넓은 채널 사이의 하이브리드처럼 작동하는 구조를 만들었습니다. 상단 리지의 너비와 하단 기판의 두께를 조절함으로써, 그들은 서로 다른 문제를 해결하는 두 가지 뚜렷한 설계를 발견했습니다. 한 설계는 색상 간의 속도 차이를 평탄하게 만들어 광범위한 빛이 번짐 없이 함께 이동할 수 있게 합니다. 다른 설계는 채널을 빛의 방향에 대해 보이지 않게 만들어, 편광에 관계없이 신호가 동일한 타이밍에 도착하도록 보장합니다.

연구자는 유리 층 위에 얇은 실리콘 층이 놓여 있는 실리콘 온 인슐레이터(silicon-on-insulator)라는 물질에 집중했습니다. 표준 설계에서는 빛이 아주 작은 단면에 갇히는데, 이는 빛이 실리콘과 상호작용하게 만드는 데는 탁월하지만, 빛의 색상들을 동기화하는 데는 최악입니다. 연구자는 메인 리지 아래에 얇은 실리콘 슬래브를 남겨둠으로써 빛이 약간 퍼질 수 있게 할 수 있다는 점을 깨달았습니다. 이 작은 변화는 색상을 분리하려는 실리콘의 자연스러운 경향을 상쇄합니다. 연구자는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 너비와 두께의 수천 가지 변형을 테스트하며, 넓은 파장 범위에 걸쳐 빛이 동일한 속도로 이동하게 만드는 특정 치수를 찾아냈습니다.

새로운 색의 빛을 생성하기 위한 목적의 첫 번째 성공적인 설계는 폭이 480나노미터이고 기판 두께가 65나노미터인 리지를 사용합니다. 이 구성에서 연구자는 색상 간의 속도 차이가 1400에서 1700나노미터 범위를 포함하는 300나노미터 구간 전체에 걸쳐 거의 평탄해진다는 것을 발견했습니다. 이 평탄함은 4파 혼합(four-wave mixing) 과정이 이전보다 훨씬 넓은 범위에서 효율적으로 작동할 수 있게 하므로 매우 중요합니다. 시뮬레이션 결과, 이 설계는 단일 광 펄스가 1150에서 2200나노미터에 이르는 넓은 스펙트럼의 새로운 색들을 생성할 수 있게 했으며, 이는 스펙트럼의 거의 한 옥타브에 달합니다. 또한 연구자는 이 빛이 아주 작은 고리 모양의 공동(cavity) 내부에서 어떻게 행동할지 시뮬레이션했는데, 그 결과 빛이 지속적으로 순환하는 안정적인 단일 펄스를 형성하여 79개의 뚜렷한 주파수를 가진 정밀한 "콤(comb)"을 만들어낼 수 있음을 발견했습니다. 이는 이 설계가 매우 정확한 광 시계(optical clocks)를 만들거나 칩 위에서 복잡한 계산을 수행하는 데 사용될 수 있음을 시사합니다.

두 번째 설계는 다른 문제, 즉 편광 문제를 다룹니다. 표준 실리콘 채널에서는 한 방향으로 이동하는 빛이 수직 방향으로 이동하는 빛과 다른 속도로 움직입니다. 이러한 차이는 신호를 왜곡시키며, 이는 더 많은 데이터를 운반하기 위해 두 방향을 모두 사용하는 현대 통신 시스템에 큰 문제가 됩니다. 연구자는 리지의 폭을 570나노미터로 넓히고 기판 두께를 127나노미터로 두껍게 함으로써, 두 방향의 빛이 거의 정확히 같은 속도로 이동하게 만들 수 있음을 발견했습니다. 시뮬레이션에서 두 방향의 속도 차이는 너무나 작아서, 펄스가 1센티미터를 이동하는 동안 발생하는 시간 편차는 0.5 펨토초(femtosecond) 미만이었습니다. 이 정도의 정밀도는 채널이 타이밍 오류를 수정하기 위한 복잡한 전자 장치 없이도 데이터를 운반할 수 있음을 의미합니다.

광학적 특성 외에도 연구자는 빛이 채널을 통과할 때 얼마나 많이 손실되는지도 살펴보았습니다. 빛이 제조 과정에서 생긴 거친 가장데 부딪히면 산란되어 사라집니다. 새로운 리지 설계는 빛이 채널의 거친 측벽에 덜 부딪히고 중심부에 더 머물게 하므로, 연구자는 산란 손실이 크게 감소한다고 계산했습니다. 첫 번째 설계의 경우, 표준 얇은 와이어와 비교했을 때 손실이 약 58% 감소했습니다. 두 번째 설계의 경우 손실은 이보다 더 낮았습니다. 연구자는 또한 점진적인 테이퍼(taper)를 사용하여 빛이 표준 얇은 와이어에서 새로운 리지 형태로 어떻게 이동하는지 시뮬레이션했습니다. 그 결과 전이가 매끄럽고 반사되는 빛이 거의 없으며 손실도 매우 적어, 새로운 설계가 기존 칩 레이아웃에 쉽게 통합될 수 있음을 확인했습니다.

이 연구는 특정 치수들이 제조 과정에서 불가피하게 발생하는 작은 오차들에 대해서도 견고하다는 것을 입증합니다. 리지의 폭이 10나노미터 변하거나 기판 두께가 5나노미터 변하더라도 빛은 의도한 대로 작동합니다. 이러한 허용 오차는 이론적인 설계를 실제 대량 생산 가능한 장치로 바꾸는 데 필수적입니다. 기하학적 조정과 빛 펄스의 시간적 진화를 다루는 상세한 컴퓨터 모델을 결합함으로써, 연구자는 실리콘 포토닉스의 명확한 앞길을 제시했습니다. 연구자의 작업은 실리콘의 모양을 단순히 바꾸는 것만으로도 실리콘 포토닉스의 성능을 제한해 온 오랜 트레이드오프(trade-offs)를 극복할 수 있음을 보여주며, 더 강력하고 효율적인 통신 및 센싱 장치를 위한 문을 열어줍니다.