KR100230453B1 - 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기 및 그 제조방법 - Google Patents

광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기광학 폴리머에서 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 광도파로 편광기는 실리콘 기판; 실리콘기판 상에 위치하며, 소정의 굴절율을 갖는 폴리머로 형성된 하부클래딩; 하부클래딩 상에 위치하며, 굴절율이 하부클래딩의 굴절율보다 높은 전기광학 폴리머로 이루어지고, 광도파로를 구비하는 코아; 코아 상의 일부분을 차지하고 있으며, 광도파로를 통해 광이 진행하는 방향으로 소정의 길이 만큼 광도파로 양 옆에 위치하며, 자외선 조사에 의해 표백되어 TE모드 광에 대해서는 굴절율이 감소하지만 TM모드 광에 대해서는 굴절율 변화가 거의 없거나 약간 증가하는 표백영역; 및 코아 및 표백영역부 위에 위치하며, 코아의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 폴리머로 이루어지는 상부클래딩을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 폴링과 같은 고온 및 고전압 공정이 필요하지 않기 때문에 다른 광정보처리 소자나 전기회로와의 집적에 유리하며, 복잡한 폴링용 전극 대신에 간단한 광표백 마스크 패턴만이 필요하다. 또한 광표백 도파로의 도파 모드 분포를 소자 제작 이후에 광표백 시간을 이용하여 능동적으로 조절할 수 있기 때문에 추가 손실을 줄이는 것이 용이하다.

Description

광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기 및 그 제조방법
본 발명은 편광기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 전기광학 폴리머에서 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 광도파로(optical waveguide) 편광기(polarizer)는 입사광의 편광 중에서 TE 모드 광 또는 TM 모드 광 중에서 특정한 광 만을 통과시키는 편광 소자로서, 광섬유 자이로스코프(fiber-optic gyroscope)와 일부 스위치 배열(switch array) 등의 단일 편광만으로 동작하는 소자를 구현하기 위해서 필수적이다.
지금까지 광도파로 편광기는 주로 리튬나이오베이트(LiNbO3)등의 강유전체를 이용하여 제작되어 왔다. 상기 리튬나이오베이트(LiNbO3) 기판 위에 광도파로 편광기를 제작하는 방법은 크게 두 가지가 있다. 첫째는 양자교환(proton exchange)으로 인해 유기되는 굴절율 차로 인한 복굴절(birefringence)을 이용하는 방법이고, 둘째는 금속 클래딩(cladding)으로 인한 TE, TM 편광성분의 도파손실 차를 이용하는 방법이다.
그런데 LiNbO3등의 강유전체를 이용하여 광도파로 편광기를 제작하게 되면, 기판의 제약 때문에 다른 광 정보처리 소자나 전기회로와의 대규모 집적에 불리하다. 따라서 이러한 문제를 극복하기 위해서 전기광학 폴리머를 이용한 집적광학 소자가 활발히 연구되고 있다. 최근에는 전기광학 폴리머에서 폴링으로 인해 유기되는 복굴절을 이용한 전기광학 폴리머 광도파로 편광기가 제작되어 발표되었다. 그러나 상기 폴링공정은 고온 및 고전압 공정이므로 다른 광정보처리 소자나 전기회로 등과 같은 기판위에 집적할 때 주위 소자의 특성을 저해시킬 수 있다. 특히 TE 통과 편광기를 제작할 때는 공기 중에서의 절연파괴 현상으로 인해 고전압 폴링을 하기 힘들기 때문에 성능이 저하된다. 그리고 일반적으로 폴링을 하면 전기광학 폴리머의 도파손실이 커지게 된다는 문제점이 있다.
한편, 전기광학 폴리머에 강한 자외선을 쬐면 전기광학 폴리머와 결합하고 있는 색소분자가 변형되면서 굴절률이 낮아지게 되는데, 이러한 현상을 광표백(photobleaching)이라 한다. 상기 광표백 현상은 전기광학 폴리머의 굴절율을 정밀하게 변화시킬 수 있으므로 저손실 광도파로 제작에 많이 이용되어 왔다.
일반적으로 전기광학 폴리머의 광표백 효율은 도파광의 편광에 의존한다. 특히 전기광학 폴리머의 일종인 PMMA-DR 1을 상온에서 광표백을 하면 TE모드와 TM모드에 대한 광표백 효율의 차이 때문에 TE모드에 대해서는 굴절률이 감소하지만 TM모드에 대해서는 굴절률이 거의 변하지 않고 오히려 약간 증가한다. 이러한 복굴절 현상의 원인은, 상온에서 전기광학 폴리머에 자외선을 쬐어 주면 폴리머 박막과 나란하게 배열된 색소분자에 대한 광표백 효율이 폴리머 박막과 수직하게 배열된 색소분자에 대한 광표백 효율보다 보다 더 크기 때문이다. 따라서, 상온에서 광표백에 의해 형성된 도파로는 이러한 굴절율의 차이로 인해 TE모드만을 도파시키는 특성을 가지므로 TE통과 편광기로 응용할 수 있다.
그런데 기존의 광표백 도파로는 전기광학 폴리머로 이루어진 코아층(core layer)을 광표백한 후에 상부 클래딩(upper cladding layer)과 전극을 형성할 때 폴리머의 유리천이온도(glass transtion temperature) 이상의 고온 공정을 거치게 된다. 이로 인하여 전기광학 폴리머의 색소분자들이 불규칙하게 다시 배열되면서 각 편광 성분에 대한 광표백된 색소분자의 비율이 점차 동일해지므로 광도파로의 편광 의존성은 사라지고 TE와 TM 두 모드를 모두 도파시키게 된다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 폴링과 같은 고온 및 고전압 공정이 필요하지 않고, 복잡한 폴링용 전극 대신에 간단한 광표백 마스크 패턴만이 필요하며, 전기광학 폴리머(electro-optic polymer)에서 상온에서 광표백(photobleaching)할 때 유기되는 강한 복굴절(birefringence)을 이용한 광도파로 편광기 및 그 제조방법 방법을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 의한 TE통과 편광기의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 상기 광도파로 편광기의 평면도를 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 6b 는 상기 광도파로 편광기의 제조과정을 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
상기의 기술적과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 전기광학폴리머에서 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기는, 실리콘 기판; 상기 실리콘기판 상에 위치하며, 소정의 굴절율을 갖는 전기광학 폴리머로 이루어지는 하부클래딩; 상기 하부클래딩 상에 위치하며, 굴절율이 상기 하부클래딩의 굴절율보다 높은 전기광학 폴리머로 이루어지고, 광이 도파하는 광도파로를 구비하는 코아; 상기 코아 상의 일부분을 차지하고 있으며, 상기 광도파로를 통해 광이 진행하는 방향으로 소정의 길이 만큼 상기 광도파로 양 옆에 위치하며, 자외선 조사에 의해 표백되어 TE모드 광에 대해서는 굴절율이 감소하지만 TM모드 광에 대해서는 굴절율 변화가 거의 없거나 약간 증가하는 표백영역; 및 상기 코아 및 표백영역부 상에 위치하며, 상기 코아의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 전기광학 폴리머로 이루어지는 상부클래딩을 포함함이 바람직하다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 전기광학폴리머에서 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기 제조방법은, 실리콘 기판 상에 하부클래딩층을 형성하는 단계; 상기 하부클래딩 상에 굴절율이 상기 하부클래딩의 굴절율보다 높은 전기광학 폴리머로 코아층을 형성하는 단계; 상기 코아층 상에 반응성 이온식각 공정으로 TE모드 및 TM모드 광을 도파시키는 광도파로를 형성하는 단계; 상기 광도파로를 포함하는 상기 코아층 상에 상기 코아층의 굴절율보다 낮은 폴리머로 이루어진 상부클래딩층을 형성하는 단계; 편광영역의 광표백 도파로를 위한 금속마스크를 제작하기 위해, 상기 상부클래딩층 위에 금속을 증착하는 단계; 상기 광도파로를 통해 광이 진행하는 방향으로 소정의 길이만큼 상기 광도파로 양 옆에 위치하도록, 상기 증착된 금속 위에 포토레지스트로 광표백 광도파로를 위한 패턴을 형성하여 에칭하는 단계; 및 상기 에칭된 패턴 위에 자외선을 쬐어 표백시켜 TE모드 광에 대해서는 굴절율이 감소하지만 TM모드 광에 대해서는 굴절율 변화가 거의 없거나 약간 증가하는 광표백 도파로를 형성하는 단계를 포함함이 바람직하다.
그리고 추가손실을 줄이기 위해, 상기 광도파로 편광기 제작 이후에 연속적인 광표백을 통하여 광표백 도파로의 모드 분포를 조절하는 단계를 더 구비함이 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 의한 TE통과 편광기의 구조를 도시한 것으로서, 실리콘 기판(100), 하부클래딩(110), 코아(120), 상부클래딩(130), 애칭된 립(rib) 또는 채널 광도파로(140), 편광 광도파로(150) 및 표백영역(160)으로 이루어진다. 그리고 도 2는 상기 광도파로 편광기의 평면도를 도시한 것이다.
상기 하부클래딩(lower cladding, 110)은 상기 실리콘기판(Si substrate, 100) 상에 위치하며, 소정의 굴절율을 갖는 폴리머로 이루어져 있다. 상기 코아(core, 120)는 상기 하부클래딩(110) 상에 위치하며, 굴절율이 상기 하부클래딩(110)의 굴절율보다 높은 전기광학 폴리머로 이루어져 있으며, 애칭된 립 또는 채널 광도파로(140) 및 편광 광도파로(150)을 구비하고 있다.
상기 표백영역(phtobleached region)은 상기 코아(120) 상의 일부분을 차지하고 있으며, 상기 광도파로(140, 150)를 통해 광이 진행하는 방향으로 소정의 길이(170) 만큼 상기 광도파로(150) 양 옆에 위치하며, 자외선 조사에 의해 표백되어 TE모드 광에 대해서는 굴절율이 감소하지만 TM모드 광에 대해서는 굴절율 변화가 거의 없거나 약간 증가한다. 상기 상부클래딩(130)은 상기 코아(120) 및 표백영역(150) 위에 위치하며, 상기 코아(120)의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 폴리머로 이루어져 있다.
상기의 구성에 의거하여 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다. 상기 TE 통과편광기는 기본적으로 TE와 TM 두 모드를 모두 도파시키는 입출력 영역(input and output section)과 TE 모드만을 도파시키는 여과 영역(filtering section)으로 나눌 수 있다. 도 1에서 입출력 단의 도파로는 TE와 TM모드를 모두 도파시킬수 있도록 반응성 이온식각 공정(reactive ion etching)을 이용하여 형성한 립(rib)도파로 또는 채널(channel) 도파로로 이루어져 있다. 상기 립 도파로의 TE와 TM 두 도파모드는 특성이 거의 동일하다. 상기 여과영역(filtering section)은 전기광학 폴리머를 상온에서 광표백하여 형성한 도파로로 이루어져 있다. 이 영역에서는 TE모드만이 도파되고 TM 모드는 도파되지 못하고 복사되어 사라진다.
도 2에서 립 도파로와 광 표백에 의한 도파로의 선폭(stripe width)은 동일하게 W이다. 상기 선폭 W는 주어진 광표백시간과 식각 깊이에 대해 각 도파로의 도파 특성을 결정하는 중용한 파라미터이다. 또한, Lf는 편광 여과 효율과 밀접한 관련이 있는 여과영역의 길이를 나타낸다. 실제 실험상에서 W는 수 ㎛ 이고, Lf는 수 mm 이다.
한편, 본 발명에 의한 광도파로 편광기의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 도 3a 내지 도 6b 는 상기 광도파로 편광기의 제조과정을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a는 광이 진행하는 방향에서 본 단면도를 나타내며, 도 3b, 도 4b, 도 5b 및 도 6b는 평면도를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 실리콘 등의 기판(Si substrate , 100) 위에 적당한 폴리머를 스핀 코팅(spin coating)하여 하부 클래딩층(lower cladding layer, 110)을 형성한다. 그 다음에 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 하부클래딩층(110) 상에 굴절율이 상기 하부클래딩의 굴절율 보다 높은 전기광학 폴리머의 일종인 PMMA-DR 1 으로 코아층(120)을 만든다.
그리고 나서 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 반응이온식각 공정을 수행하여 입출력 단의 립(rib) 도파로 또는 채널(channel) 도파로(130)를 형성한다. 다음으로 도 6a 에 도시된 바와 같이, 상기 도파로(130)를 포함하여 상기 코아층(120) 상에 상기 코아층(120) 보다 굴절율이 낮은 폴리머로 이루어진 상부 클래딩층(140)을 형성한 후, 그 위에 금속을증착한다.(150) 그리고 나서 도 6b에 도시된 바와 같이, 이를 패터닝(patterning)하여 광표백용 금속 마스크를 만든다.
이후, TE모드 광에 대해서는 굴절율이 감소하지만 TM모드 광에 대해서는 굴절율 변화가 거의 없거나 약간 증가하는 광표백 도파로(160)를 형성하기 위해, 자외선광(UV광)을 쬐어 광표백을 적절하게 연속적으로 수행한다. 더욱이 광표백 도파로의 도파 모드 분포를 소자 제작 이후에 광표백 시간을 이용하여 능동적으로 조절하여 추가 손실을 줄인다. 또한 각각의 편광기 주변에 반응이온식각 공정에 의한 도파로와 광표백에 의한 도파로를 부가적으로 만들어 출력 도파모드를 관찰한다.
제작된 편광기의 편광여과 능력을 나타내는 편광 소멸비(polarization exticntion ratio)와 추가손실(excess loss)를 측정하여 제작된 소자의 성능을 평가한다. 이 추가 손실은 광표백에 의한 도파로와 반응이온식각 공정에 의한 도파로의 도파모드 분포간의 차이에 의해 결정된다.
본 발명에 의하면, 상기 광도파로 편광기는 기존의 소자에 비해 다음과 같은 장점을 갖는다. 첫째로, 폴링과 같은 고온 및 고전압 공정이 필요하지 않기 때문에 다른 광정보처리 소자나 전기회로와의 집적에 유리하다. 둘째, 복잡한 폴링용 전극 대신에 간단한 광표백 마스크 패턴만이 필요하다. 셋째, 광표백 도파로의 도파 모드 분포를 소자 제작 이후에 광표백 시간을 이용하여 능동적으로 조절할 수 있기 때문에 추가 손실을 줄이는 것이 용이하다.
그리고 본 발명에 의한 향후 기대효과는 다음과 같다. 폴리머를 이용한 소자가 활발히 진행됨에 따라 편광기에 대한 수요도 크게 증가할 것이다. 편광기를 제작할 때 결합될 기존의 소자에 영향을 끼치지 않고 제작공정도 간단해야 한다. 본 발명에서 제안한 폴리머 편광기는 고온, 고전압 공정이 필요없고 구조도 간단하기 때문에 제작이 용이하여 대량생산에 유리할 것이다.

Claims (5)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하며, 소정의 굴절율을 갖는 폴리머로 이루어지는 하부클래딩;
    상기 하부클래딩 상에 위치하며, 굴절율이 상기 하부클래딩의 굴절율보다 높은 전기광학 폴리머로 이루어지고, 광이 도파하는 광도파로를 구비하는 코아;
    상기 코아 상의 일부분을 차지하고 있으며, 상기 광도파로를 통해 광이 진행하는 방향으로 소정의 길이 만큼 상기 광도파로 양 옆에 위치하며, 자외선 조사에 의해 표백되어 TE모드 광에 대해서는 굴절율이 감소하지만 TM모드 광에 대해서는 굴절율 변화가 거의 없거나 약간 증가하는 표백영역; 및
    상기 코아 및 표백영역부 상에 위치하며, 상기 코아의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 폴리머로 이루어지는 상부클래딩을 포함함을 특징으로 하는, 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코아의 광도파로는
    채널형태 또는 립 형태 임을 특징으로 하는 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코아의 전기광학 폴리머는
    광표백특성을 가짐을 특징으로 하는 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기.
  4. 실리콘 기판 상에 하부클래딩층을 형성하는 단계;
    상기 하부클래딩 상에 굴절율이 상기 하부클래딩의 굴절율보다 높은 전기광학 폴리머로 코아층을 형성하는 단계;
    상기 코아층 상에 반응성 이온식각 공정으로 TE모드 및 TM모드 광을 도파시키는 광도파로를 형성하는 단계;
    상기 광도파로를 포함하는 상기 코아층 상에 상기 코아층의 굴절율보다 낮은 폴리머로 이루어진 상부클래딩층을 형성하는 단계;
    편광영역의 광표백 도파로를 위한 금속마스크를 제작하기 위해, 상기 상부클래딩층 위에 금속을 증착하는 단계;
    상기 광도파로를 통해 광이 진행하는 방향으로 소정의 길이만큼 상기 광도파로 양 옆에 위치하도록, 상기 증착된 금속 위에 포토레지스트로 광표백 광도파로를 위한 패턴을 형성하여 에칭하는 단계; 및
    상기 에칭된 패턴 위에 자외선을 쬐어 표백시켜 TE모드 광에 대해서는 굴절율이 감소하지만 TM모드 광에 대해서는 굴절율 변화가 거의 없거나 약간 증가하는 광표백 도파로를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    추가손실을 줄이기 위해, 상기 광도파로 편광기 제작 이후에 연속적인 광표백을 통하여 광표백 도파로의 모드 분포를 조절하는 단계를 더 구비함을 특징으로 하는 광표백에 의해 유기되는 복굴절을 이용한 광도파로 편광기 제조방법.
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