플루쿠엔지니어링을 활용한 초고대역 실리콘 편광 빔 스플리터

초록

플루쿠엔지니어링을 적용한 20 µm 길이의 실리콘 방향성 결합기 구조를 통해 TE 모드의 결합을 억제하고 TM 모드의 결합을 강화한다. 실험적으로 1483 nm–1620 nm 구간에서 20 dB 이상의 편광 소멸비(PER)를 달성했으며, 1550 nm에서 TE와 TM 각각 0.15 dB와 1.2 dB의 삽입 손실을 기록하였다.

상세 분석

본 논문은 실리콘 포토닉스 플랫폼에서 편광 분할기(PBS)의 대역폭 제한 문제를 해결하기 위해 플루쿠 엔지니어링(Floquet engineering) 개념을 도입한 점이 가장 큰 혁신이다. 전통적인 방향성 결합기(DC) 기반 PBS는 파장 의존적인 결합 계수 때문에 작동 대역폭이 제한되지만, 저자들은 파동 가이드 폭을 정현파 형태로 주기적으로 변조함으로써 인공적인 시간(공간) 주기를 부여하였다. 이때 파동 가이드 폭 변조는 TE와 TM 모드에 서로 다른 유효 굴절률 변화를 일으키며, 결과적으로 TE 모드에 대해서는 1차 베셀 함수 J₀(ξ)=0 조건을 만족하도록 설계해 결합 계수를 거의 0에 가깝게 만든다(이론적 ‘제로 커플링’ 조건). 반면 TM 모드에 대해서는 동일한 변조 파라미터가 결합을 강화하도록 설계되어, 두 파동 가이드 사이의 전력 교환이 효율적으로 일어난다.

수치 시뮬레이션에서는 변조 진폭 50 nm, 주기 1.2 µm, 파동 가이드 간격 215 nm를 최적 파라미터로 선정하였다. 이 조합은 TE 모드에 대해 35 nm 정도의 좁은 대역폭에서 거의 전력 전송이 차단되는 동시에, TM 모드에 대해서는 35 nm 대역에서 높은 전력 전송을 보였다. 대역폭을 확대하기 위해 두 개의 동일한 DC를 직렬로 연결한 ‘캐스케이드 구조’를 도입했으며, 이를 통해 TM 모드의 잔류 전력이 추가적으로 억제되어 전체 대역폭이 1480 nm–1635 nm, 즉 약 155 nm에 달하는 초고대역 성능을 구현하였다.

제조 공정 측면에서는 220 nm 두께의 실리콘 디바이스 레이어와 3 µm SiO₂ 버리드 옥사이드를 갖는 SOI 웨이퍼 위에 전자빔 리소그래피와 ICP 건식식각을 이용해 정밀하게 파형 변조 구조를 구현하였다. 폭 및 높이 변동 ±20 nm까지도 PER >20 dB를 유지하는 강인한 공정 내성을 보였으며, 이는 실리콘 포토닉스 양산에 적합함을 의미한다.

실험 결과는 1483 nm–1620 nm 구간에서 TE와 TM 모두 20 dB 이상의 편광 소멸비를 달성했으며, 1550 nm에서 TE 삽입 손실 0.15 dB, TM 삽입 손실 1.2 dB를 기록하였다. 특히 TE 모드의 삽입 손실이 0.1 dB 이하로 매우 낮은 반면, TM 모드의 손실이 다소 높지만 2 dB 이하로 제한된 점은 향후 최적화 여지를 남긴다. 전체 장치 길이가 20 µm에 불과해 기존 MMI 기반 PBS에 비해 10배 이상 소형화된 점도 주목할 만하다.

결론적으로, 플루쿠 엔지니어링을 통한 파동 가이드 폭 변조는 실리콘 PBS의 파장 의존성을 근본적으로 해소하고, 초소형·초고대역·공정 친화적이라는 세 가지 핵심 요구사항을 동시에 만족시키는 새로운 설계 패러다임을 제시한다. 향후 인공 게이지 필드와 결합한 다중 파장·다중 모드 디바이스에도 확장 가능성이 크다.