KR0162754B1 - 후기 광표백법을 이용한 폴리머 광도파로 소자 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 후기 광 표백법을 이용한 광 도파로 소자 제조방법에 관한 것으로서, 이 때, 상기 후기 광표백법이란 폴리머 광 도파로 소자를 제조한 뒤 소자의 출력특성을 측정하면서 자외선을 소자의 전면에 조사하여 광도파로의 유효 굴절률을 미세하고 정확하게 변화시킬 수 있으며, 이를 이용하여 소자의 출력특성이 최적화 되도록 만드는 방법을 말한다. 이러한 후기 광표백법을 이용하여 광도파로 소자를 제조하면, 매우 짧은 길이의 이중 모드 간섭형 소자나 방향성 결합기형 광 스위치의 동작특성을 최적화시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

후기 광표백법을 이용한 폴리머 광도파로 소자 제조방법

제1도(a)∼(e)는 광표백법(photo bleaching method)을 이용하여 채널 광도파로 제작하는 공정 흐름도.

제2도의 (a)는 공정상의 초기 광표백법(initial photo bleaching)에 의한 광도파로의 단면도.

제2도의 (b)는 소자 제작후 후기 광표백법에 의해 변환된 광도파로의 단면도.

제3도는 후기 광표백법에 의한 광도파로의 유효 굴절률의 변화를 유효 굴절률법(effective index method)을 이용하여 계산한 결과를 나타내는 그래프.

제4도는 두개의 모드가 존재할 수 있는 광도파로에서 후기 광표백에 의해 두 모드간의 맥놀이 길이(beating length)가 변화하는 것을 계산한 결과를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 실리콘 기판 8 : 광표백된 영역

4 : 클래딩 층(cladding layer) 10 : 후기 광표백된 영역

6 : 코아 층

본 발명은 폴리머 광도파로(polymer waveguide device)에 관한 것이며, 특히 폴리머를 이용한 광도파로 집적소자의 동작특성을 소자의 제작공정 후에 최적화시키는 후기 광표백법(post photo-bleaching)에 관한 것이다.

폴리머 광도파로는 광변조기, 광스위치 그리고 광연결소자 등에서 많은 응용가능성을 가지고 있다. 그런데 방향성 결합기(directional coupler)나 이중 모드 간섭소자(two mode interference device)와 같은 것에 응용된 경우에는 소자의 동작특성을 향상시키기 위해서 실제 제작후 만들어지는 광도파로의 구조와 이에 따른 광도파로의 유효 굴절률을 정확하게 알아야 한다. 그러나 제조공정상에서 광도파로의 굴절률 분포를 정확하게 조절하여 유효 굴절률을 설계한 값에 일치시키는 데에는 많은 어려움이 있다. 한편, 폴리머 광도파로에서는 소자의 제작 후 출력을 측정해 나가면서 광도파로 부분에 광표백을 할 수 있다면 이를 이용하여 광도파로의 유효 굴절률을 정밀하게 조절할 수 있을 것이다.

폴리머 광도파로를 만드는 한가지 방법으로서 광표백 방법(photo bleaching method)이 공지되어 있다. 이것은 폴리머에 자외선을 조사하면 굴절률이 감소하는 현상을 이용한 것이다.

제1도는 이러한 광표백방법을 이용하여 폴리머 광도파로를 만드는 제작공정을 간략하게 보여주고 있다. 제1도를 참조하면, 광표백법을 이용한 폴리머 광 도파로 제작공정은 먼저, 실리콘 기판(2)을 형성(a)하고, 그 실리콘 기판(2) 위에 클래딩층(cladding layer ; 4)을 코팅(b)하고, 그 위에 이 클래딩층(4) 보다 굴절률이 높은 코아층(core layer ; 6)을 코팅(c)한다. 이렇게 하면 공기-코아-클래딩 층에 의해 기본적인 평면 광도파로가 형성되며, 그 다음에 채널 광도파로(channel waveguide)를 형성하기 위해 마스크(photo-bleaching mask)를 사용하여 광도파로가 형성될 부분만을 가린채 자외선(UV radiation)을 조사(d)한다. 그러면, (e)와 같이 마스크에 의해 가려진 부분을 제외한 다른 부분(8)은 광표백되어 굴절률이 낮아지게 되고, 광표백되지 않은 부분에 광파가 국한되어 진행하는 채널 광도파로가 완성(e)된다. 이때 광도파로의 유효 굴절률을 정확하게 만들기 위해서 박막의 두께나 광표백 정도 등을 조절하게 되는데 이와 같은 종래의 방법으로는 유효 굴절률을 10^-4정도까지 정확하게 공정상에서 조절하기는 불가능하다.

[발명의 요약]

따라서, 본 발명에서는 광표백 공정을 이용하여 제작되는 폴리머 광도파로의 유효 굴절률을 정확하게 조절할 수 있도록 하기 위해, 후기 광 표백법을 이용한 광도파로 소자 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서 제안하는 후기 광표백법은 폴리머 광도파로 소자를 제작한 뒤 소자의 출력특성을 조사해 가면서 자외선을 소자의 전면에 조사하여 광도파로의 유효 굴절률을 미세하고 정확하게 변화시키는 방법으로서, 이로 인해 소자의 출력특성을 최적화시킬 수 있다.

제2도의 (a)는 채널 광도파로의 단면도로서, 제작공정 중에 두께 t_ipb(initial photo-bleaching thickness)만큼 광표백을 시켜서 너비가 w이고 두께가 t_c인 광도파로를 형성한 것을 보여준다. 이와 같은 광 도파로는 종래의 방법과 같이, 먼저, 클래딩층(4) 위에 코아층(6)을 형성한 다음 마스크를 사용하여 특정 영역에만 자외선을 조사하여 형성하며, 이로인해 광표백된 영역(8)이 형성된다.

제2도의 (b)는 본 발명에 의해 생성된 폴리머 광 도파로에 대한 단면도로서, 제2도의 (a)에서 제작된 광도파로의 출력을 측정해 가면서 다시한번 t_ppb(post photo-bleaching thickness)만큼 후기 광표백을 수행한 경우의 광도파로의 단면을 나타낸다. 즉, 제2도의 (a)에서 형성된 광표백된 영역(8)과 그 사이에 드러나 있는 코아층 전면에 자외선을 조사한 것으로서, 후기 광표백된 영역(10)을 형성한다. 이와 같이, 후기 광표백의 경우에는 특정한 마스크 없이 광도파로의 주변을 포함한 소자의 전면에 자외선을 조사하여도 되고, 후기 광표백된 두께, t_ppb는 후기 광표백 시간이나 광원의 세기를 변화시킴으로써 매우 손쉽고 미세하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.

이러한, 후기 광표백에 의한 유효굴절률(N_eff) 변화를 유효 굴절률법(effective index method)을 이용하여 계산한 결과를 도면 제3도에 나타내었다. 계산에 이용된 각층의 굴절률은 광표백된 곳이 1.569, 코아부분이 1.623, 그리고 클래딩 부분이 1.609이다. t_c= 3㎛, W = 6㎛, 그리고 t_ppb= 0.25, 0.5, 0.75, 1.0㎛ 인 각각의 경우에 t_ppb의 두께에 따른 유효굴절률(N_eff)의 변화를 보여주고 있으며, t_ppb가 0에서 1㎛까지 변할 때 유효 굴절률은 약 1.616∼1.6152에서 1.613∼1.6122 까지 약 0.003 정도 변화시킬 수 있음을 보여준다.

이러한 현상을 이중 모드간섭(two mode interference) 소자에 응용하게 되면 광도파로의 너비가 두배인 두개의 모드가 존재할 수 있는 부분에서의 첫째 모드와 둘째 모드간의 맥놀이 거리(beating length)를 조절할 수 있다.

제4도에서는 W = 12㎛ 인 광도파로에서 t_ppb를 조절함으로써 이중 모드간의 맥놀이 거리가 매우 크게 변화하게 됨을 볼 수 있다. 예를 들어 광도파로의 길이가 500㎛이고, W = 12㎛일때, 공정상에서 t_ppb를 0.75㎛ 정도로 광표백하게 되면 맥놀이 거리가 1.0mm 보다 크므로 50:50의 출력 분할비를 얻을 수가 없다. 이때 소자의 출력을 측정하면서 동시에 소자의 전면에 후기 광표백을 하게되면, t_ppb= 0.4㎛가 될 때, 맥놀이 거리가 1.0mm가 되어서 정확한 50:50 광분할비를 얻게 된다. 이러한 현상을 이용하면 훌륭한 출력 특성을 갖는 매우 짧은 길이의 이중 모드 간섭형 소자를 완성할 수 있다.

또한 후기 광표백 효과를 방향성 결합기형 광스위치(directional coupler optical switch)에 이용하게 되면 초기 천이 상태를 정확하게 조율할 수 있다. 그러므로 결합상수를 매우 크게 만들어서 소자길이를 짧게 하면서도 낮은 누화(cross talk)를 갖는 이상적인 소자를 제작할 수 있게 된다.

이상과 같은 본 발명의 상세한 설명에 의하면, 폴리머 광도파로에서 후기 광표백법을 사용함으로써 제작 공정 도중에는 조절하기 어려웠던 광도파로의 유효 굴절률을 매우 미세하고 정밀하게 조절할수 있으며 소자의 출력특성을 최적화시킬수 있다.

또한, 본 발명은 제작공정상에서 생겨난 작은 오차에 의해 나빠진 출력특성을 수정할 수 있기 때문에 다양한 폴리머 광도파로 소자의 출력특성 향상을 위해 응용될 수 있으며 고성능 소자제작의 성공율을 높이는 효과도 가져올 수 있다.

Claims (4)

1. 폴리머 광 도파로 소자를 제조하는 방법으로서, 실리콘 기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘 기판위에 클래딩 층을 코팅하는 단계; 상기 클래딩층 위에 이 클래딩층 보다 굴절률이 더 낮은 코아층을 코팅하는 단계; 마스크를 사용하여 상기 코아층의 소정부분에만 자외선을 조사하는 광표백 단계로 이루어진 폴리머 광 도파로 소자 제조방법에 있어서, 상기 자외선을 조사하는 단계 이후에, 광 도파로 소자 상부 표면에 자외선을 조사하여 후기 광표백 영역을 형성함으로써, 상기 광도파로 소자의 전체 또는 일부의 유효 굴절률을 조절하는 후기 광표백 단계가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 폴리머 광도파로 소자 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 후기 광표백 영역의 두께는 후기 광표백 시간이나 상기 자외선의 세기에 따라 결정되며, 상기 후기 광표백 시간이나 상기 자외선의 세기는 광도파로 소자의 출력특성의 측정값에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 폴리머 광도파로 소자 제조방법.
3. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 광 도파로 소자는 이중 모드 간섭형 소자(two mode interference device)이며, 상기 후기 광 표백 단계는 상기 이중모드 간섭형 소자의 제1모드와 제2모드간의 맥놀이 거리를 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는 폴리머 광도파로 소자 제조방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 광 도파로 소자는 방향성 결합기(directional coupler)이며, 상기 후기 광 표백 단계는 상기 방향성 결합기의 초기 천이 상태를 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는 폴리머 광 도파로 소자 제조방법.