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Optimization and Performance Analysis of 1×2 and 1×4 MMI Splitters on a Polymer Platform for Board-Level Optical Interconnects

본 논문은 보드 레벨 광 상호 연결을 위한 폴리머 플랫폼 기반의 소형 1×2 및 1×4 다중 모드 간섭 스플리터를 설계, 시뮬레이션 및 최적화하여 1550 nm에서 낮은 과잉 손실, 높은 균일성 및 최소한의 편광 의존 손실을 달성하는 것을 제시한다.

원저자: Zarin Tasnim Nijhum, Nazmus Shakib Lalin, Preangka Roy, Shirazum Monira, Md. Sohel Sikder, Md. Omar Faruk Rasel

게시일 2026-09-23

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CC BY 4.0

원저자: Zarin Tasnim Nijhum, Nazmus Shakib Lalin, Preangka Roy, Shirazum Monira, Md. Sohel Sikder, Md. Omar Faruk Rasel

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

현대 전자 공학의 세계에서, 회로 기판 위의 부품들을 연결하는 전선들은 점차 그 한계에 다다르고 있습니다. 컴퓨터와 통신 기기가 더 빠른 데이터 속도를 요구함에 따라, 이러한 전통적인 전기적 경로는 종종 너무 많은 열을 발생시키거나 짧은 거리에서 신호 품질을 손실시키며 속도를 따라가는 데 어려움을 겪고 있습니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 빛으로 눈을 돌리고 있습니다. 구리 전선을 빛의 줄기를 안내하는 미세한 채널인 광학 인터커넥트(optical interconnects)로 교체함으로써, 장치들은 정보를 훨씬 더 빠르고 효율적으로 이동할 수 있습니다. 그러나 이러한 빛 기반 네트워크를 대규모로 제작하는 것은 어렵고 비용이 많이 드는데, 특히 단일 빛 줄기를 여러 경로로 나누어 컴퓨터의 서로 다른 부분에 공급하려고 할 때 더욱 그렇습니다. 바로 이 지점에서 폴리머(polymer)라고 불리는 특정 유형의 재료가 등장합니다. 딱딱한 실리콘과 달리, 이 유연한 플라스틱은 넓은 영역에 걸쳐 쉽고 저렴하게 패턴을 형성할 수 있어 차세대 고속 연결을 위한 매력적인 후보가 됩니다.

방글라데시와 미국의 대학 연구진은 이러한 빛 기반 네트워크의 핵심 구성 요소, 즉 하나의 빛 줄기를 두 개 또는 네 개의 별도 줄기로 나누는 장치를 완성하는 데 집중했습니다. 그들은 이를 분할기(splitter)라고 부릅니다. 구체적으로, 그들은 멀티모드 간섭 분할기(multimode interference splitter)라고 알려진 구조를 설계하고 테스트했습니다. 한 사람이 넓은 복도 중앙으로 걸어 들어간다고 상상해 보십시오. 그 사람이 앞으로 나아감에 따라, 그 경로가 자연스럽게 퍼졌다가 다시 바닥에 뚜렷한 패턴으로 형성되는 것과 같습니다. 이와 마찬가지로, 빛이 폴리머 도파로(waveguide)의 넓은 섹션으로 들어오면, 빛은 퍼지고 스스로 간섭하여 빛을 포착해 서로 다른 목적지로 보낼 수 있는 여러 개의 밝은 지점을 만들어냅니다. 연구진은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 분할기들을 설계했으며, 플라스틱 채널을 통해 빛이 어떻게 이동하는지 테스트했습니다. 그들의 목표는 작고 저렴하며, 빛의 전력을 낭비 없이 균등하게 나눌 수 있는 장치를 만드는 것이었습니다.

연구팀은 도파로의 핵심 역할을 하는 특정 유형의 유기-무기 하이브리드 폴리머를 사용했으며, 그 주변은 빛을 내부에 가두는 약간 다른 폴리머로 둘러싸여 있습니다. 그들은 두 가지 버전의 장치를 시뮬레이션했습니다. 하나는 빛을 두 경로로 나누는 것이고, 다른 하나는 네 경로로 나누는 것입니다. 빛의 파동이 재료를 통해 어떻게 이동하는지를 추적하는 방법을 사용하여, 연구진은 넓은 중앙 섹션의 너비와 길이, 그리고 입구와 출구의 모양을 조정하여 최적의 치수를 찾아냈습니다. 그들은 2방향 분할기의 경우 특정 길이와 너비가 최상의 결과를 낸다는 것을 발견했습니다. 더 복잡한 4방향 분할기의 경우, 빛이 네 개의 출력단에 균등하게 나누어지도록 하기 위해 더 넓은 섹션과 특정 길이가 필요했습니다.

시뮬레이션 결과는 매우 고무적이었습니다. 2방향 분할기는 에너지 손실 거의 없이 빛의 전력을 정확히 절반으로 나누었습니다. 4방향 분할기 또한 성능이 매우 뛰어났으며, 네 개의 출력 각각이 전체 전력의 거의 4분의 1을 받을 수 있도록 빛을 분배했습니다. 연구진은 이 장치들이 매우 안정적이라는 것을 발견했는데, 이는 빛의 파동 방향(편광, polarization)에 관계없이 거의 동일하게 작동함을 의미합니다. 2방형 장치의 총 길이는 길었고, 4방향 장치 역시 길었으며, 이는 표준 회로 기판에 쉽게 장착될 수 있을 만큼 콤팩트하다는 것을 의미합니다. 이 장치들의 에너지 손실은 극도로 낮았는데, 4방향 분할기의 경우 전력이 약 0.34 데시벨(dB)만 손실되었으며, 이는 높은 효율성을 나타내는 수치입니다.

가장 중요한 발견 중 하나는 장치의 물리적 크기가 설계 예측의 정확도에 미치는 영향이었습니다. 더 단순한 2방향 분할기의 경우, 이상적인 길이를 예측하는 데 사용된 수학 공식은 컴퓨터 시뮬레이션과 1% 미만의 차이를 보이며 거의 완벽하게 정확했습니다. 그러나 4방향 분할기의 경우, 표준 공식은 시뮬레이션에서 실제로 필요하다고 보여준 것보다 약 20% 더 긴 길이를 예측했습니다. 연구진은 이것이 4방향 장치에 빛을 공급하기 위해 사용된 넓은 입구가 좁은 입구와는 다른 방식으로 필요한 내부 빛 패턴들을 모두 자극하지 못했기 때문이라고 판단했습니다. 이 발견은 단순한 규칙이 기초적인 장치에는 잘 작동하지만, 더 복잡한 장치에는 빛이 실제로 시스템에 어떻게 들어오는지 고려한 정밀한 조정이 필요하다는 것을 보여준다는 점에서 중요합니다.

이 시뮬레이션된 장치들은 컴퓨터와 데이터 센터를 위한 실용적이고 저비용인 광학 네트워크를 향한 유망한 단계입니다. 이 폴리머 분할기들이 작고 효율적이며 균일하게 설계될 수 있음을 입증함으로써, 본 연구는 제조업체들이 비싸거나 복잡한 제조 공정 없이도 보드 레벨의 광학 인터커넥트를 위한 신뢰할 수 있는 부품을 곧 생산할 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 플라스틱 기반의 빛 가이드가 신호 분배 작업을 효과적으로 수행할 수 있음을 확인시켜 주며, 더 빠른 데이터 전송 수요에 대한 확장 가능한 솔루션을 제공합니다. 현재의 결과는 컴퓨터 모델에 기반하고 있으며 아직 물리적인 실험실에서 실제로 제작되어 테스트되지는 않았지만, 시뮬레이션은 이러한 부품을 만들기 위한 명확한 로드맵을 제공하며, 저렴한 고속 광학 연결로 가는 길이 점점 더 분명해지고 있음을 시사합니다.

기술 요약: 폴리머 플랫폼 상의 1×2 및 1×4 MMI 분기기의 최적화 및 성능 분석

문제 정의
전기적 인터커넥트가 데이터 전송률 증가에 따라 집적 대역폭, 에너지 효율성 및 신호 무결성 측면에서 근본적인 한계에 직면하고 있다. 실리콘 포토닉스가 칩 규모의 요구 사항을 해결하고 있다면, 보드 레벨의 광 인터커넥트는 넓은 영역에 도파로를 패턴화할 수 있는 비용 효율적인 솔루션이 필요하다. 폴리머 플랫폼은 직접 UV 리소그래피 공정과의 호환성 및 낮은 전파 손실 덕분에 유망한 대안을 제공한다. 그러나 이러한 링크를 위한 핵심 구성 요소는 단일 광원을 여러 수신기로 분배할 수 있는 소형 저손실 수동 팬아웃(fan-out) 소자이다. 다중 모드 간섭(MMI) 소자는 온칩 네트워크에서 표준적으로 사용되지만, 기존의 폴리머 플랫폼 연구는 주로 포트 불균형 문제를 겪는 2방향 분기 또는 3차원 기하 구조에 집중되어 왔다. 따라서 넓은 다중 모드 섹션에 적용될 때 발생하는 해석적 크기 결정 도구의 한계를 구체적으로 다루면서, 계단형 굴절률(step-index) 폴리머 코어 상의 고차(1×4) 수동 팬아웃 소자에 대한 정량적 설계 및 최적화가 필요하다.

방법론
저자들은 1550 nm 파장에서 SUNCONNECT 유기-무기 하이브리드 폴리머(코어: NP001L2, $n=1.573$ ; 클래딩: NP216, $n=1.560$ )를 사용하여 1×2 및 1×4 MMI 분기기를 설계하고 최적화하였다. 이 소자들은 안정적인 위상 진화와 높은 충실도의 자기 이미지(self-imaging)를 보장하기 위해 계단형 굴절률 프로파일을 활용한다.

설계 과정은 다음과 같은 3단계 워크플로우를 따랐다:

해석적 시딩(Analytical Seeding): 초기 기하학적 파라미터( $W_{MMI}$ 및 $L_{MMI}$ )는 Soldano와 Pennings가 확립한 폐쇄형 대칭 간섭 관계식을 사용하여 도출되었다. 슬래브 지수를 근사하기 위해 유효 지수법이 사용되었으며, 유효 폭 계산 시 Goos–Hänchen 이동이 고려되었다.
파라메트릭 최적화: RSoft BeamPROP에 구현된 유한 차분 빔 전파법(BPM)을 사용하여 파라메트릭 스윕을 수행하였다. 주요 변수로는 $W_{MMI}$ , $L_{MMI}$ , 테이퍼 치수 및 출력 포트 간격이 포함되었다. 최적화의 목표는 물리적으로 자기 이미지 로브(self-image lobes)를 해상하고, 과잉 손실을 최소화하며, 출력 전력 균일성을 극대화하는 것이었다.
성능 평가: TE 및 TM 편광을 평가하기 위해 풀 벡터 모드(full vector mode)에서 최종 시뮬레이션을 수행하였다. 평가지표에는 전력 분할비(PSR), 과잉 손실(EL), 삽입 손실(IL) 및 편광 의존 손실(PDL)이 포함되었다.

주요 기여

1×4 팬아웃으로의 확장: 본 연구는 단계형 폴리즘 플랫폼을 2방향에서 4방향 팬아웃으로 확장하여 1.5 mm 미만의 풋프린트 내에 구현하였으며, 이는 주로 1×2 또는 3D 기하 구조에 집중했던 기존 문헌의 공백을 메운다.
해석 모델의 정량적 검증: 본 연구는 폐쇄형 대칭 간섭 관계식의 적용 가능성을 비판적으로 평가한다. 연구 결과, 이러한 관계식이 1×2 소자에는 정량적으로 예측 가능하지만(편차 < 0.6%), 1×4 소자의 경우 이미지 길이를 크게 과대평가함(편차 ~20.7%)을 입증하였다.
불일치의 메커니즘: 저자들은 1×4 소자의 불일치 원인을 외곽 이미지 로브를 조사하기 위해 필요한 "넓은 입력 테이퍼" 때문이라고 설명한다. 이 넓은 런칭은 저차 모드를 더 강하게 여기하지만, 최고차 대칭 모드를 완전히 여기하지 못해, 이상적인 모델에 비해 유효 비트 길이를 단축시키고 횡방향 이미지 간격을 수축시킨다.
포괄적인 편광 분석: 논문은 단일 재료 스택 상에서 두 구성에 대한 TE/TM 성능 세트(포트당 삽입 손실 및 PDL 포함)를 제공한다.

결과
최적화된 소자는 $\lambda = 1550$ nm에서 다음과 같은 성능 지표를 달축하였다:

1×2 분기기:
- 치수: $W_{MMI} = 18$ $\mu$ m, $L_{MMI} = 210$ $\mu$ m, 총 길이 = 670 $\mu$ m.
- 분할: 50%/50% 분할, 불균일도 0%.
- 손실: 과잉 손실 0.137 dB (TE) 및 0.139 dB (TM).
- PDL: 0.002 dB.
1×4 분기기:
- 치수: $W_{MMI} = 47$ $\mu$ m, $L_{MMI} = 490$ $\mu$ m, 총 길이 = 1430 $\mu$ m.
- 분할: 거의 균일한 분포 (25.07%, 24.93%, 24.93%, 25.07%)와 0.07 퍼센트 포인트의 불균일도.
- 손실: 과잉 손실 0.333 dB (TE) 및 0.344 dB (TM).
- PDL: 0.011 dB.
- 출력 불균형: 포트 간 0.03 dB 미만.

1×4 소자의 출력 포트 간격은 거울 대칭이지만 등간격은 아닌 것으로 나타났다 (내부 간격: 10.45 $\mu$ m; 외부 간격: 30.32 $\mu$ m). 이는 특정 여기 조건 하에서 형성되는 실제 이미지 극대값에 맞추기 위한 필수적인 조정이다.

의의 및 주장
본 논문은 소형 폴리머 MMI 분기기가 보드 레벨 광 라우팅을 위한 저비용, 저손실 및 확장 가능한 수동 팬아웃을 제공할 수 있다고 주장한다. 결과에 따르면, 이 소자들은 과잉 손실 0.35 dB 미만, PDL 0.02 dB 미만을 제공하여 단거리 인터커넥트에 적합하다.

저자들은 본 연구가 이상적인 조건 하의 BPM 시뮬레이션에 기반하고 있음을 명시적으로 밝힌다. 이들은 본 연구에서 제작 가변성, 열적 안정성 또는 파장 의존성을 평가하거나 실험적 검증을 수행하지 않는다. 대신, 이 연구를 설계 및 최적화의 기초로 위치시키며, 향후 연구에서 제작, 실험적 검증 및 실제 작동 마진의 정량화를 다룰 것임을 언급한다. 본 연구는 대칭 간섭 이미징이 이론적으로 가장 넓은 광 대역폭과 가장 느슨한 제작 공차를 제공하지만, 이러한 마진은 제시된 특정 기하 구조에 대해 아직 정량화되어야 함을 강조한다.

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