본 논문에서는 두꺼운 상단 실리콘 기판을 가진 SOI (silicon-on-insulator) 기판 상의 집적형 광 아이솔레이터에 대한 연구와 비가역적 편광 회전기에 사용될 수 있는 자기광학 소재인 비스무트(bismuth) 첨가된 가넷(garnet) 소재의 자기광학 특성을 연구한 결과를 보고한다.
집적형 광 아이솔레이터 소자 중 실리콘 광 도파로 상에 수직 빔 입력을 위해 SOI 웨이퍼에 형성된 선형 격자 결합기(LGC)와 집속 격자 결합기(FGC)의 광 입력 빔 결합 성능에 대한 비교 연구를 하였다. 계산된 결과에서는 최대 결합 효율은 LGC 보다 1310 nm 파장 범위에서 충전 계수가 0.5, 격자 주기가 488 nm 로 일정한 경우의 FGC가 좋으며, 이 때 약 -3.3 dB 값이 확인되었다. 회절 격자 결합기 표면으로부터 20 ㎛ 의 거리에서 개구수가 0.08 인 단일 모드 광섬유를 10 도로 입출력한 경우에 대해 광 스펙트럼 분석기로 측정하여 결합 효율 성능을 비교 분석하였다.
다음으로 광 아이솔레이터 소자 중 3개의 평면 도파관이 있는 다리형 방향성 결합기(bridged directional coupler, DC)로 구성된 편광 빔 분파기(PBS)에 대한 연구하였다. 400 nm 높이의 실리콘 코어 층을 기반으로 하는 두꺼운 PBS는 기본 TM0 모드의 유효 굴절률이 기본 TE0 모드의 굴절률보다 크기 때문에 TE 모드의 교차 결합 효과를 활용한다. 도파로의 단일 모드 조건 하에 두꺼운 PBS의 주 입력 및 출력 도파관 너비, 브리지 도파관 너비, 도파관 간격 및 결합 길이가 각각 190 nm, 270 nm, 560 nm 및 32.6 ㎛ 일 때 1,550 nm 파장에서의 피크 편광 소광비(PER)는 TM 및 TE 모드에 대해 각각 33.81 dB 및 41.09 dB, 이때 삽입 손실(IL)은 1.58 dB 및 0.08 dB로 계산되었다.
한 쌍의 PBS와 45도 가역적 편광회전기와 45도 비가역적인 편광회전기로 구성된 실리콘 코어 두께가 약 383 nm 높이의 집적형 광 아이솔레이터의 제작 및 공정오차 분석 연구도 수행하였다.
집적형 광 아이솔레이터의 일부분인 비가역적 편광 회전기에 사용될 수 있는 자기광학 소재인 비스무트(bismuth) 첨가된 가넷(garnet) 소재의 자기광학 박막을 스핀 코팅과 금속 유기 분해법(Metal Organic Deposition; MOD)으로 유리나 실리콘 기판 상에 형성된 자기광학 박막의 자기광학 특성을 낮은 자기장 영역에서 포화 자화되지 않은 선형적인 구간에서의 베르데(Verdet) 상수를 측정한 결과를 보고한다. 유리 기판 위의 비스무트치환 네오디뮴 철 갈륨 가넷(Bi₁Nd₂Fe₄ Ga₁O₁₂, Bi1:NIGG) 박막의 광학적 특성은 분광 광도계 측정으로 측정하여 Bi1:NIGG 박막 굴절률은 1310 nm 및 1550 nm 파장에서 각각 약 1.835 및 1.837이었고, 흡수 계수(α)는 각각 약 55.8 cm-1 및 29.8 cm-1 이었다. 불포화 선형 자화 영역에서 유리 기판 상의 1055 nm 두께 Bi1:NIGG 박막 Verdet 상수는 약 각각 856,586 degree/(T·m) 및 459,288 degree/(T·m)로 확인되었으며 자기광학 성능 지수 (FoM=V/α)는 각 파장에서 153.5 deg/T 및 153.9 deg/T로 측정되었다. 실리콘 위에 형성된 자기광학 박막의 베르데 상수는 실리콘 기판 자체의 자기광학 특성을 빼주는 방법으로 측정되었으며 Bi1:YIG (Bi1Y2Fe5O12), Bi2:YIG (Bi2Y1Fe5O12), Bi1:NIGG (Bi₁Nd₂Ga₁Fe₄O₁₂) 박막의 베르데 상수는 1310 nm 파장에서 각각 1,485,500, 1,048,500, 808,333 degree/(T·m), 1550 nm 파장에서 각각 807,500, 411,500, 623,000 degree/(T·m)로 확인하였다.