KR100248055B1 - 하이브리드 광도파로 및 그 제작 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 광도파로 및 그 제작 공정에 관한 것으로서, 광신호가 통과하는 직선구간 및 곡선구간으로 된 광도파로는, 평면 기판층; 평면 기판층위에 놓이며, 소정의 파장에 대해 광투명성을 가진 물질로 된 하부 클래드층; 하부 클래드층위에 놓이며, 하부 클래드층의 굴절률보다 큰 굴절율을 가진 제1광학 폴리머로된 직선구간 및 제1광학 폴리머보다 큰 굴절율을 가진 제2광학 폴리머로된 곡선구간으로 이뤄진 광도파로가 형성된 코아층; 및 하부 클래드층위에 놓이며, 제1광학 폴리머의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어 코아층의 광도파로를 감싸는 상부 클래드층을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 직선구간와 곡선구간을 가진 광도파로에서 광신호 진행손실 및 결합손실을 줄이고 도파로 단면의 크기를 최소화할 수 있다.

Description

하이브리드 광도파로 및 그 제작 공정
본 발명은 광도파로 및 그 제작 공정에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직선구간와 곡선구간의 도파로 구성 물질을 서로 다르게 하여 광 진행손실 및 도파로 크기를 줄인 하이브리드 광도파로 및 그 제작 공정에 관한 것이다.
일반적으로 광도파로를 구성할 때, 코어(core)와 클래드(cladd)의 굴절률차 또는 비굴절률차, 도파로 단면의 크기 및 곡률등의 값은 서로 영향을 끼치는 변수로서 작용하게 된다. 광도파로에서 곡률이 포함된 곡선구간은, 비교적 굴절율이 큰 광물질로 되어야 그 곡선구간을 지나는 광신호의 진행 손실이 크지 않게 된다. 곡선구간에서의 손실을 감안하여 비교적 굴절율이 큰 물질로 광도파로를 제작하면 곡률이 없는 직선구간에서는 그 굴절율에 알맞는 도파로 단면의 크기가 작아져 광케이블과의 접속시 접속 손실이 커지게 된다. 그와는 반대로 직선구간에 알맞는 비교적 굴절율이 작은 물질로 광도파로를 제작하면 곡선구간에서 광신호의 진행 손실이 커지게 된다.
도 1은 종래의 광도파로의 일실시예를 도시한 것으로서, 광도파로는 평면 기판(100), 하부 클래드(110), 상부 클래드(120) 및 Δ n인 비굴절률차가 0.3%인 광학 폴리머로 구성된 도파로(130)로 구성된다. 비굴절률차 Δ n에 따라 도파로의 단면은 8x8 μ m이 되어야 광신호의 진행 손실이 최소가 될 수 있다. 그러나 도파로가 곡선인 부분(140), 즉 곡률을 포함하는 부분에서는 광신호의 진행 손실이 매우 높아지기 때문에 곡률 반경을 크게해야 하며, 여기서는 25mm로 한다.
도 2는 종래의 광도파로의 다른 실시예로서, 광도파로는 평면 기판(200), 하부 클래드(210), 상부 클래드(220) 및 Δ n인 비굴절률차가 0.75%인 광학 폴리머로 구성된 도파로(230)로 구성된다. 비굴절률차 Δ n에 따라 도파로의 단면은 6x6 μ m가 된다. Δ n이 크기 때문에 곡선부분(240)의 곡률 반경이 작아도 그 부분의 광신호 진행 손실이 줄어드는데 반해, 직선 부분(250)에서의 진행 손실이 증가하고 도파로 단면의 크기가 작아야 하기 때문에 광케이블과의 결합손실이 증가할 수 있다.
종래와 같이 곡선의 진행 부분을 가지는 광도파로가 일률적인 비굴절률차 Δ n을 사용한 폴리머로서 형성될 때 광신호의 손실면과 도파로의 크기면에서 서로 상충되는 문제가 있다. 그 문제는 광도파로를 포함하는 소자가 집적화되고 도파로의 곡률 사용의 필요성이 증대 되면서 그 해결에 대한 필요성이 증대되어 왔다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 광도파로의 직선구간과 곡선구간에 대해 굴절률이 다른 광학 폴리머를 사용한 하이브리드 광도파로 및 그 제작 공정을 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 광도파로 구성의 일실시예이다.
도 2는 종래의 광도파로 구성의 다른 일실시예이다.
도 3은 본 발명의 하이브리드 광도파로 구성도이다.
도 4a 내지 도 4j는 본 발명의 하이브리드 광도파로 제작 공정도이다.
상기 과제를 해결하기 위한, 광신호가 통과하는 직선구간 및 곡선구간으로 된 광도파로는, 평면 기판층; 상기 평면 기판층위에 놓이며, 소정의 파장에 대해 광투명성을 가진 물질로 된 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층위에 놓이며, 상기 하부 클래드층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가진 제1광학 폴리머로된 직선구간 및 상기 제1광학 폴리머보다 큰 굴절률을 가진 제2광학 폴리머로된 곡선구간으로 이뤄진 광도파로가 형성된 코아층; 및 상기 하부 클래드층위에 놓이며, 상기 제1광학 폴리머의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어 상기 코아층의 광도파로를 감싸는 상부 클래드층을 포함함을 특징으로 한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한, 소정 파장의 광신호가 통과하는 직선구간과 곡선구간으로 된 광도파로의 제작 방법은, 평면 기판 위에 상기 소정 파장의 광신호에 대해 광투명성을 가진 물질을 사용하여 하부 클래드층을 형성하는 단계; 상기 하부 클래드층위에 상기 하부 클래드층을 형성하는 물질보다 굴절률이 큰 제1광학 폴리머를 코어층으로 형성하는 단계; 상기 코어층에서 광도파로의 곡선구간이 놓여야 할 부분을 제외한 나머지 코어층 표면에 코어 마스킹(masking) 패턴을 형성하는 단계; 상기 코어 마스킹 패턴이 형성되지 않은 부분의 제1광학 폴리머를 식각하는 단계; 상기 결과물 위에 상기 제1광학 폴리머보다 굴절률이 큰 제2광학 폴리머를 증착하는 단계; 상기 제1광학 폴리머가 식각된 코어층에만 상기 제2광학 폴리머가 채워져 있도록 상기 증착된 나머지 제2광학 폴리머를 식각하는 단계; 상기 코어 마스킹 패턴을 제거하는 단계; 상기 제1광학 폴리머로 된 코어층에 직선구간 도파로가 위치하고 상기 제2광학 폴리머로된 코어층에 곡선구간 도파로가 위치할 수 있도록, 상기 코어층위에 도파로 마스킹 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스킹 패턴이 없는 부분의 제1광학 폴리머 및 제2광학 폴리머를 모두 식각하여 하이브리드 광도파로를 생성하는 단계; 및 상기 하이브리드 광도파로를 둘러싸도록 상기 코어층에 상기 제1광학 폴리머보다 굴절률이 낮은 상부 클래드를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 하이브리드 광도파로의 일실시예로서, 하이브리드 광도파로는 기판층(300), 하부 클래드층(310), 코어층(320, 420) 및 상부 클래드층(330)으로 구성된다. 기판층(300)은 규소(Si)나 유리(glass) 재질로 된, 표면의 평탄성이 좋은 평면 웨이퍼이다. 기판층(300) 표면위에 놓이는 하부 클래드층(310)은 사용되는 광 파장에 대해 손실없이 통과가 잘 되도록 한, 즉 광투명성을 가진 물질로 된다. 코어층(320, 420)은 하부 클래드층(310)위에 광도파로가 형성된 층이다. 광도파로의 직선구간(320)은 하부 클래드층(310)으로 사용된 물질보다 굴절율이 높은 도파로용 저손실 제1광학 폴리머로 형성되며 광도파로의 곡선구간(420)는 제1광학 폴리머 보다 굴절율이 더 높고 도파로 단면의 크기가 직선구간(320)보다 작은 제2광학 폴리머로 형성된다. 이것은 광 신호가 통과하는 곡선 부위, 즉 곡률이 포함된 도파로 부분을 형성하는 물질의 굴절율이 높을 때 그 광신호의 진행 손실이 감소되기 때문이다. 도파로는 굴절율에 따라 그 단면의 크기가 정해지므로 제1광학 폴리머가 사용된 직선구간(320)의 도파로 단면보다, 보다 높은 굴절율의 제2광학 폴리머로 된 곡선구간(420)의 도파로 단면의 크기가 작게 된다. 상부 클래드층(330)은 하부 클래드층(310)위에, 제1광학 폴리머와 제2광학 폴리머로 된 도파로의 주변을 감싼 형태로 형성된다. 상부 클래드층(330)을 이루는 물질은 제1광학 폴리머보다 굴절률이 낮은 물질로 되며, 보통은 하부 클래드층(310)을 이루는 물질과 동일하다. 도 3은 제1광학 폴리머의 비굴절율차 Δ n이 0.3%이고, 제2광학 폴리머의 Δ n이 0.75%인 하이브리드 광도파로이다.
도 4a ~ 도 4j는 본 발명의 하이브리드 광도파로 제작 공정도로서, 먼저 평면 기판층(300)위에, 소정의 사용 광파장에 대한 광투명성이 좋은 물질로 된 하부 클래드층(310)을 형성한다(도 4a). 하부 클래드층(320)위에 제1광학 폴리머로서 코어층을 형성한다(도 4b). 코어층은 먼저, 스핀 코팅(spin coating)하여 제1광학 폴리머를 도포하고, 그 후 열처리(baking)하여 제1광학 폴리머의 표면의 재질이 균등하도록(uniform)함으로써 형성된다. 코어층(320)에서 광도파로의 곡선구간이 위치해야 할 일부분을 제외한 코어층(320)의 표면에 마스킹 패턴(400)을 형성한다(도 4c). 마스킹 패턴의 형성은 건/습식 식각 방법 또는 리프트 오프(lift-off) 방법에 따라 형성된다. 걸/습식 식각 방법은, 먼저 코어층 물질 보다 건식식각 내성이 강한 폴리머, 금속 또는 실리카 박막을 마스킹 박막으로서 코어층(320)위에 형성한다. 포토 레지스트(photo resist)라는 감광 물질을 스핀 코팅하여 마스킹 박막위에 도포한다. 광도파로의 곡선구간이 포함된 부분을 제외한 형태의 포토마스크(photomask)를 포토 레지스트위에 놓고 자외선을 조사한다. 그리고나서 디벨롭(develop)과 열처리 과정을 거친후 건식 식각 또는 습식 식각으로 포토 레지스트 패턴을 따라 마스킹 패턴을 형성한다. 리프트 오프(lift-off) 방식에 의한 마스킹 패턴 형성은, 먼저 코어층(320)위에 스핀 코팅 방법을 사용하여 포토 레지스트를 도포한 후 패턴이 그려진 포토마스크를 기판에 정렬한 후 포토 레지스트에 선택적으로 자외선 광선을 조사한다. 이 공정이 끝나면 디벨롭 및 열처리 과정을 거쳐 스푸터링(sputtering), E-빔(E-beam) 또는 열 증착(thermal evaporation) 방법을 사용하여 마스킹 박막을 1차 폴리머층위에 증착한다. 증착후 포토 레지스트를 리프트 오프함으로써 1차 마스킹 패턴을 형성한다. 상술한 리프트 오프 또는 건식, 습식 식각 방식에 의해 마스킹 패턴을 형성한 후, 마스킹이 되어있지 않은 부분(410)을 식각한다(도 4d). 식각의 예로 진공 상태에서 식각할 부분의 상부에 산소 플라즈마를 가하면 마스킹 패턴이 있는 부분은 식각되지 않고 마스킹 패턴이 없는 부분만 식각된다. 식각시에, 후에 곡선구간를 형성할 제2광학 폴리머의 굴절률에 따른 곡선구간의 단면을 고려하여 식각 깊이를 조절한다. 식각된 부위에 제2광학 폴리머를 채우기 위해 코어층(320)위에 제1광학 폴리머보다 굴절율이 큰 제2광학 폴리머를 스핀 코팅 방법으로 증착한다(도 4e). 제2광학 폴리머는 도 4d의 식각된 부분(410)에 채워지고 제1광학 폴리머에 덧씌워진다. 코어층 표면에 놓인 마스킹 패턴의 면 위치를 기준으로 그 위에 있는 제2광학 폴리머를 식각한다(도 4f). 이렇게 되면 코어층에서 마스킹 패턴(400)이 있는 부분은 제1광학 폴리머로 되고 마스킹 패턴이 없는 부분은 제2광학 폴리머로 형성(420)된다. 마스킹 패턴(400)은 도 4f에서 수행된 제2광학 폴리머 식각시에 제1광학 폴리머층을 보호하는 역할을 하게된다. 마스킹 패턴(400)을 제거한(도 4g) 후 코어층 상부 표면에 광도파로 폭과 일치하는 폭을 가진 도파로 마스킹 패턴(430)을 형성한다(도 4h). 도파로 마스킹 패턴(430)의 형성은 상술한 건/습식 식각 방식 또는 리프트 오프 방식에 따라 형성될 수 있다. 도파로 마스킹 패턴(430)에서 도파로의 직선구간은 제1광학 폴리머상에 오도록 하고, 도파로의 곡선구간은 제2광학 폴리머상에 오도록 한다. 코어층을 이루는 제1광학 폴리머 및 제2광학 폴리머에서 도파로 마스킹 패턴(430)이 형성되지 않은 부위를 모두 식각하고 도파로 마스킹 패턴(430)을 제거하여 완성된 하이브리드 광도파로를 형성한다(도 4i). 상술한 하이브리드 광도파로 제작 공정에서는 제1광학 폴리머의 직선구간과 제2광학 폴리머의 곡선구간 결합을 위한 정밀한 결합 공정을 필요로 하지 않는다. 완성된 하이브리드 광도파로가 생성된 코어층(320)에 하부 클래드층(310)과 동일한 물질로 된 상부 클래드층(330)을 형성한다(도 4j).
직선구간과 곡선구간을 갖는 광도파로에서 광신호의 진행 손실을 줄이고 직선구간에서의 도파로 크기를 그 직선구간의 굴절율에 맞게 최소화하기 위해, 곡선구간과 직선구간에 대해 서로 다른 굴절율을 가진 물질로 된 하이브리드 광도파로를 형성하였다. 도 1에서와 같이 Δ n이 0.3%인 폴리머로 된 도파로에서는 곡선구간의 곡률 반경 25mm 이상이 필요하게 된다. 이는 도파로가 포함된 도파로 소자의 크기를 증가시키는 요인이 된다. 도 3와 같은 Δ n이 0.75%인 폴리머로 된 도파로에서는 곡률 반경이 감소하는 대신 직선구간에서 광진행 손실 및 결합 손실이 증가할 수 있다. 따라서 상술한 바와 같이 간단한 제작 공정으로 제작되는 하이브리드 광도파로는 종래의 일률적인 Δ n으로 된 도파로에서와는 다르게 비굴절율차와 도파로 단면의 크기 관계가 서로 상충되지 않도록 직선구간와 곡선구간를 이루는 물질을 별도로 구성한다.
본 발명에 따라 직선구간와 곡선구간을 가진 광도파로에서 광신호 진행손실 및 결합손실을 줄이고 도파로 단면의 크기를 최소화할 수 있다.

Claims (8)

  1. 광신호가 통과하는 직선구간 및 곡선구간으로 된 광도파로에 있어서,
    평면 기판층;
    상기 평면 기판층위에 놓이며, 소정의 파장에 대해 광투명성을 가진 물질로 된 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층위에 놓이며, 상기 하부 클래드층의 굴절률보다 큰 굴절율을 가진 제1광학 폴리머로된 직선구간 및 상기 제1광학 폴리머보다 큰 굴절률을 가진 제2광학 폴리머로된 곡선구간으로 이뤄진 광도파로가 형성된 코아층; 및
    상기 하부 클래드층위에 놓이며, 상기 제1광학 폴리머의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어 상기 코아층의 광도파로를 감싸는 상부 클래드층을 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 광도파로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평면 기판층은,
    평탄성이 좋은 규소(Si) 또는 유리(glass) 재질의 웨이퍼임을 특징으로 하는 하이브리드 광도파로.
  3. 소정 파장의 광신호가 통과하는 직선구간와 곡선구간으로 된 광도파로의 제작 방법에 있어서,
    평면 기판 위에 상기 소정 파장의 광신호에 대해 광투명성을 가진 물질을 사용하여 하부 클래드층을 형성하는 단계;
    상기 하부 클래드층위에 상기 하부 클래드층을 형성하는 물질보다 굴절률이 큰 제1광학 폴리머를 코어층으로 형성하는 단계;
    상기 코어층에서 광도파로의 곡선구간이 놓여야 할 부분을 제외한 나머지 코어층 표면에 코어 마스킹(masking) 패턴을 형성하는 단계;
    상기 코어 마스킹 패턴이 형성되지 않은 부분의 제1광학 폴리머를 식각하는 단계;
    상기 결과물 위에 상기 제1광학 폴리머보다 굴절률이 큰 제2광학 폴리머를 증착하는 단계;
    상기 제1광학 폴리머가 식각된 코어층에만 상기 제2광학 폴리머가 채워져 있도록 상기 증착된 나머지 제2광학 폴리머를 식각하는 단계;
    상기 코어 마스킹 패턴을 제거하는 단계;
    상기 제1광학 폴리머로 된 코어층에 직선구간 도파로가 위치하고 상기 제2광학 폴리머로된 코어층에 곡선구간 도파로가 위치할 수 있도록, 상기 코어층위에 도파로 마스킹 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스킹 패턴이 없는 부분의 제1광학 폴리머 및 제2광학 폴리머를 모두 식각하여 하이브리드 광도파로를 생성하는 단계; 및
    상기 하이브리드 광도파로를 둘러싸도록 상기 코어층에 상기 제1광학 폴리머보다 굴절률이 낮은 상부 클래드를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 광도파로 제작 공정.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1광학 폴리머를 코어층으로 형성하는 단계는,
    상기 제1광학 폴리머를 상기 하부 클래드층위에 스핀 코팅(spin coating)방식으로 도포하는 단계;
    상기 결과물을 열처리하는 단계; 및
    열처리된 제1광학 폴리머의 표면을 매끄럽게 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 광도파로 제작 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 코어 마스킹 패턴 형성 및 도파로 마스킹 패턴 형성은,
    건/습식 식각 및 리프트-오프 방식중 어느 하나의 방식으로 형성함을 특징으로 하는 하이브리드 광도파로 제작 공정.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제2광학 폴리머를 증착하는 단계는,
    상기 제2광학 폴리머를 스핀 코팅하여 증착하는 단계임을 특징으로 하는 하이브리드 광도파로 제작 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 도파로 마스킹 패턴은,
    상기 제1광학 폴리머의 굴절율 및 상기 제2광학 폴리머의 굴절율에 따라 서로 다른 크기의 폭을 가짐을 특징으로 하는 하이브리드 광도파로 제작 공정.
  8. 제2항에 있어서, 상기 도파로 패턴에 따른 식각은,
    상기 제2광학 폴리머의 굴절율을 고려한 단면 크기에 맞게 식각 깊이를 조절하여 식각함을 특징으로 하는 하이브리드 광도파로 제작 공정.
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