특허 개요
본 특허는 칩의 도파로와 광섬유 사이에서 빛을 연결하는 이중 인버스 아포디제이션 격자 결합기입니다. SiNx 도파로 및 요부 트렌치로 구성된 하부 격자층 위에 비정질 실리콘(a-Si) 패턴의 상부 격자층을 적층하고, 금속 하부 반사기로 하방 진행 광을 되돌려 보강 간섭시키는 구조입니다. 하부·상부 격자의 인버스 아포디제이션과 SWG 메타물질 기반 굴절률 제어를 결합해 방사광 분포를 광섬유 모드에 가깝게 정합합니다.
- 핵심 기능
도파로로 전달된 광은 하부 SiNx 요부 격자와 상부 a-Si 패턴 격자에서 회절되며, 금속 반사층은 기판 방향으로 진행하는 광을 상부 광학층으로 반사합니다. 도파로에서 멀어지는 방향으로 변화하는 격자 단면적과 파장보다 작은 상부 패턴 주기가 회절 강도, 위상 및 유효 굴절률을 조절해 광섬유 모드와의 중첩을 높입니다.
- 차별 강점
기존 유리 기판 기반 격자 결합기는 낮은 결합 효율과 좁은 광대역폭이 과제로 제시되었고, SOI 기반 패키징은 기판 휨과 제조비 증가, 고밀도 집적 한계가 문제로 언급됩니다. 본 특허는 단일 SiN 격자 대신 하부 반사기, SiNx 하부 격자 및 SWG 기반 a-Si 상부 격자를 결합하여 광 재결합과 모드 정합을 함께 설계한 점에서 차별화됩니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 실리콘 포토닉스, 광집적회로, 격자 결합기 설계, 광섬유 모드 정합 및 SWG 메타물질 기반 광소자 분야에 활용 가능하며, 고대역폭 광 I/O 구조 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 고대역폭 CPO 광통신 패키지, 데이터센터 광 인터커넥트, 글래스 인터포저 기반 광 연결 탑재 반도체 패키지로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
유리 기판 기반 이중 아포다이즈드 a-Si/SiN 격자 결합기를 대상으로 FDTD 시뮬레이션을 수행해 파장별 광 결합 효율과 방사 모드·광섬유 모드 오버랩을 평가했습니다. 실제 제작 소자에서의 공정 재현성, 장기 신뢰성 및 패키지 환경 성능은 구체적으로 제시되지 않았습니다.
- 검증 소자: 유리 기판 기반 이중 아포다이즈드 a-Si/SiN 격자 결합기
- 비교 구조: 반사층 유무에 따른 SiN 단일 격자 결합기
- 평가 조건: FDTD 시뮬레이션으로 파장별 결합 효율 및 방사 모드·광섬유 모드 오버랩 평가
현재 성과
FDTD 시뮬레이션 기반 설계에서 최대 결합 효율과 광대역폭이 제시되었습니다. 하부 반사층의 광 재결합과 이중 인버스 아포디제이션 구조를 통해 방사 모드와 광섬유 모드의 중첩을 높이는 방식입니다.
딥 UV 리소그래피와의 호환성을 고려하고 제작 허용 오차를 유지하도록 설계되었습니다. 성능 비교는 유리 기판 기반 이중 격자 결합기와 반사층 유무에 따른 SiN 단일 격자 결합기를 대상으로 FDTD 시뮬레이션으로 수행되었습니다.
단일 SiN 격자 구조와 달리, SiNx 요부 격자와 SWG 메타물질 기반 a-Si 패턴 격자를 적층하고 금속 하부 반사기를 결합합니다. 하방 진행 광의 재활용, 위상·임피던스 정합 및 유효 굴절률 제어를 하나의 결합기 구조에서 수행하는 점이 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 제작 소자 기반의 광 결합 효율 및 광대역폭 실증
대면적 제조 공정에서의 패턴 형성 재현성 및 제작 허용 오차 검증
장기 신뢰성·수명과 광통신 패키지 환경에서의 광 결합 성능 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
광 결합용 격자 결합기 및 이의 제조 방법
GRATING COUPLER FOR OPTICAL COUPLING AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME
10-2025-0069820 (2025.01.01)
미등록 (심사 중)
김영현, 정희윤
한양대학교 에리카산학협력단