KR100248428B1 - 전기 광학 폴리머를 이용한 편광 조절기 제조방법 - Google Patents

전기 광학 폴리머를 이용한 편광 조절기 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학적 복굴절성이 큰 전기 광학 폴리머를 이용한 편광 조절기 제조방법에 관한 것으로서, 실리콘(Si) 기판 위에 금을 열증착하여 하부 전극을 형성하는 제 1 공정과, 상기 하부 전극 위에 코아층 폴리머보다 굴절률이 낮고 복굴절성이 없는 폴리머를 코팅하여 하부 클래딩을 형성하는 제 2 공정과, 상기 하부 클래딩층 위에 복굴절성이 큰 전기광학 폴리머를 코팅하고 열건조한 후, 활성 이온 식각법과 리쏘그라피로 원하는 패턴을 형성하여 광도파로를 형성하는 제 3 공정과, 상기 광도파로 위에 코아층 폴리머보다 굴절률이 낮고 복굴절성이 없는 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩을 형성하는 제 4 공정과, 상기 상부 클래딩층 위에 폴링과 상부 전극을 위해서, 금을 열증착하여 상부 전극용 금을 형성하는 제 5 공정과, 상기 형성된 상부 전극용 금과 하부 전극을 이용하여 유리전이 온도에서 전계를 가하여 폴링하며 상부에 증착된 금을 리쏘그라피로 원하는 패턴을 형성하는 제 6 공정과, 실리콘(Si) 절단면을 이용한 단면 절개법이나 단면 연마 방법을 이용하여 광파의 입출력을 위한 단면을 형성한 후 양 단면에 광섬유를 부착하는 제 7 공정으로 구성되어, 제작 공정이 손쉬우며, 고성능, 저가의 제품을 만들기에 유리하다.

Description

전기 광학 폴리머를 이용한 편광 조절기 제조방법
본 발명은 광학적 복굴절성이 큰 전기 광학 폴리머를 이용한 편광 조절기 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 큰 광학적 복굴절성을 가지는 폴리머와 폴링에 따른 굴절률의 변화 및 이에 수반되는 전기 광학 계수를 이용하여, 쉽게 TE/TM 단일 모드를 도파할 수 있는 마하-젠더 (Mach-Zehnder) 변조기 형태의 폴리머 광도파로 편광 선택기(selector)와 편광의 상태를 자유롭게 조절할 수 있는 편광 조절기(controller)의 제조방법에 관한 것이다.
도파광의 편광을 선택하거나 조절하기 위한 소자는 다양한 형태의 광정보처리(optical information processing), 자기-광학(magneto-optical)픽업, 광스위칭(optical switching) 및 광섬유 증폭기 뿐만아니라, 광측정에서도 필요하다.
이러한, 광도파로 편광 선택기 및 조절기는 리튬나이오베이트(LiNbO3), 홀로그래픽 편광 선택기(Holograpic Polarization Selector), 석영 결정(Quartz) 등을 이용하여 많이 연구되어져 왔는데, 최근에 들어서는 가공이 용이하고 저렴한 가격으로 소자를 제작할 수 있는 장점을 지닌 폴리머를 이용한 광도파로 편광 변조기, 분리기(Splitter), 변환기(Converter)도 개발되었다.
그러나, 상기 리튬나이오베이트를 이용한 편광 선택기 및 조절기의 경우에는 리튬나이오베이트의 전기광학계수의 텐서 중 r22와 r12를 이용하여 제작하였고, 홀로그래픽 편광 선택기의 경우에는 단결정 입방체 (cube)를 이용하여 제작하였으나, 리튬나이오베이트 등의 단결정은 상당히 고가이다.
또한, 기존의 폴리머 광도파로 편광 조절기는, 대부분 모드 진화(Mode evolution)를 이용한 원리 자체가 다를 뿐만아니라 공정시 선택적 폴링이나 TE/TM 단일 모드 도파를 위해 새도우 마스크 (Shadow Mask)등을 사용하여 2 단계 활성 이온 식각을 해야 하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 단점을 보완하기 위해 고가의 단결정 대신에 값싼 전기 광학 폴리머를 사용해서 제작하며, 비선형 전기 광학 폴리머를 이용한 광도파로 편광 조절기에서 사용한 폴리머 보다, 높은 폴링 전계에서 TE 모드와 TM 모드의 굴절률이 같아 지는 폴리머를 이용함으로써 TE/TM 단일 모드 도파를 위한 설계 뿐 만아니라, 공정도 쉽게 할 수 있는 전기 광학 폴리머를 이용한 편광 조절기 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명에서 제공하는 편광 조절기 제조 방법은 실리콘(Si) 기판 위에 금을 열증착하여 하부 전극을 형성하는 제 1 공정과, 상기 하부 전극 위에 코아층 폴리머보다 굴절률이 낮고 복굴절성이 없는 폴리머를 코팅하여 하부 클래딩을 형성하는 제 2 공정과, 상기 하부 클래딩층 위에 복굴절성이 큰 전기광학 폴리머를 코팅하고 열건조한 후, 활성 이온 식각법과 리쏘그라피로 원하는 패턴을 형성하여 광도파로를 형성하는 제 3 공정과, 상기 광도파로 위에 코아층 폴리머보다 굴절률이 낮고 복굴절성이 없는 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩을 형성하는 제 4 공정과, 상기 상부 클래딩층 위에 폴링과 상부 전극을 위해서, 금을 열증착하여 상부 전극용 금을 형성하는 제 5 공정과, 상기 형성된 상부 전극용 금과 하부 전극을 이용하여 유리전이 온도에서 전계를 가하여 폴링하며 상부에 증착된 금을 리쏘그라피로 원하는 패턴을 형성하는 제 6 공정과, 실리콘(Si) 절단면을 이용한 단면 절개법이나 단면 연마 방법을 이용하여 광파의 입출력을 위한 단면을 형성한 후 양 단면에 광섬유를 부착하는 제 7 공정으로 구성된다.
도 1은 폴리이미드계 전기 광학 폴리머의 폴링 전계에 의한 TE(Transverse Electric) 및 TM(Transverse Magnetic) 모드의 굴절률(nTE, nTM)에 대한 그래프,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 편광 조절기의 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 광도파로의 폭 (width) 2 : 상부 전극 (Gold)
3 : 상부 클래딩 (UC303)
4 : 전기 광학 폴리머 (PI-DR1)광 도파로층
5 : 하부 클래딩 (UC303) 6 : 하부 전극 (Gold)
7 : Si 기판 8 : 활성 이온 식각 깊이
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다.
도 1은 폴리이미드계 전기 광학 폴리머의 폴링 전계에 의한 TE 및 TM 모드의 굴절률(nTE, nTM)에 대한 그래프이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 편광 조절기의 단면도이다.
도 1은 비선형 전기광학 폴리머의 폴링 전계에 따른 TE 모드의 굴절률(○: nTE)과 TM 모드의 굴절률(●: nTM) 변화를 나타내는 것으로서, 폴링 전에는 기본적으로 큰 복굴절 폴리머로 이루어져 있으며, TE 모드의 굴절률이 TM 모드의 굴절률보다 크다.
도 1을 참조하면, 폴링 전계가 증가함에 따라, TM 모드의 굴절률은 증가하고, TE 모드의 굴절률은 감소한다. 일반적으로 TM 모드가 n 만큼 증가하면 TE 모드는 n/2 만큼 감소하게 되는데, 폴링전계 100 V/μm 근처에서는 TM 모드와 TE 모드의 굴절률이 같아 진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 편광 조절기의 단면도로서, 활성 이온 식각법(RIE:Reactive Ion Etching)을 이용하여 에칭 깊이를 조절하면 더 높은 폴링 전계에서도 단일 TE/TM모드를 도파할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 편광 조절기의 단면은 기판으로 실리콘(Si)(7)이 사용되었고, 준비된 기판(7)위에 하부 전극(6)으로써 금이 열증착되었으며, 그 위에 폴리머 하부 클래딩(5)과, 전기 광학 폴리머 광도파로 층(4)과, 폴리머 광도파로 상부 클래딩(3) 및 상부 전극(2)이 형성되어 있다.
상기와 같은 편광 조절기를 형성하는 과정은 먼저, 실리콘(Si) 기판(7) 위에 금을 열증착하여 하부 전극(6)을 형성하는 공정과, 상기 하부 전극(6) 위에 코아층 폴리머보다 굴절률이 낮고 복굴절성이 없는 폴리머를 코팅하여 하부 클래딩(5)을 형성하는 공정과, 상기 하부 클래딩층(5) 위에 복굴절성이 큰 전기광학 폴리머를 코팅하고 열건조한 후, 활성 이온 식각법(RIE)과 리쏘그라피(Lithography)로 원하는 패턴을 형성하여 광도파로(4)를 형성하는 공정과, 상기 광도파로(4) 위에 코아층 폴리머보다 굴절률이 낮고 복굴절성이 없는 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩(3)을 형성하는 공정과, 상기 상부 클래딩층(3) 위에 금을 열증착하여 상부 전극용 금(2)을 형성하는 공정과, 상기 형성된 상부 전극용 금(2)과 하부 전극(6)을 이용하여 유리전이 온도에서 전계를 가하여 폴링하며 상부에 증착된 금을 리쏘그라피(Lithography)로 원하는 패턴을 형성하는 공정과, 실리콘(Si) 절단면을 이용한 단면 절개법(Cleaving)이나 단면 연마 방법(Polishing)을 이용하여 광파의 입출력을 위한 단면을 형성한 후 양 단면에 광섬유를 부착하는 공정으로 구성된다.
이 때, 상기 광도파로의 폭(1)은 4μ이고, 활성 이온 식각(RIE:Reactive Ion Etching)의 깊이(Depth)(8)의 조절에 의해 더 높은 폴링 전계에서도 단일 TE/TM 모드를 도파할 수 있다.
또한, 상기 상, 하부 클래딩층(3, 5)을 구성하기 위한 소재로 자외선 경화성 폴리머(UC303)가 사용되었으며, 상기 자외선 경화성 폴리머(UC303)의 굴절률(n)은 1.5122로서, 그 두께는 1.5μm이고, 광학 폴리머 광도파로 하부 클래딩(4)은 폴리이미드계 전기 광학 폴리머(PI-DR1:Polymide-DR1)가 사용되었으며, 그 굴절률(n)은 1.6308이고, 가장 두꺼운 부분의 두께가 3.5μm이다.
상기와 같은 편광 조절기 소자는 비선형 광학 폴리머의 폴링에 의해 TE 모드의 굴절률이 감소하고, TM 모드의 굴절률이 증가하는 원리를 이용하여TE 및 TM 모드의 굴절률의 겹침과 전기광학계수(Electro-optic coefficient), r33와 r13를 이용하여 제작된 것으로서, 상기와 같은 공정으로 제작된 비선형 편광 광학 폴리머에서, TE 모드의 광은 nTE 3r13Va에 비례하여 변조되며, TM 모드의 광은 nTM 3r33Va에 비례하여 변조된다. 그러므로, 제작된 소자에서 TE, TM 편광 성분을 가지는 광 또는 45°로 편광된 광이 입력될때, r33에 의존하는 반파장 구동 전압(Vof TM)을 인가하면, 변조된 TM 모드의 광이 출력되며, r13에 의존하는 반파장 구동 전압(Vof TE)을 인가하면, 변조된 TE 모드의 광이 출력되게 된다.
예를 들어, 본 발명의 방법으로 제작된 소자에서는 nTM≒nTE이므로 반파장 구동 전압의 비(Vof TM(=11 Vp-p)/ Vof TE(=44 Vp-p))는 r33/r13(≒4)에 역비례하게 된다. 따라서, 11 V의 바이어스 전압을 가한 상태에서 TM 모드가 변조 전파되며 44 V를 가했을 때 TE 모드만이 변조 전파되고, 직선 광도파로 편광 조절기 소자의 경우에는, 가한 전압(Va)의 상태에 따라 선형, 타원형 등의 다양한 형태의 편광 상태를 출력광에서 얻을 수 있다.
비선형 광학 폴리머 변조기 소자에서, TE 모드의 광의 경우에는 nTE 3r13Va에 비례하여 변조되며, TM 모드의 광의 경우에는 nTM 3r33Va에 비례하여 변조된다. 따라서 단일 모드의TE, TM 편광 성분이 도파할 수 있는 도파로 구조를 적절히 디자인하여 마하-젠더 (Mach-Zehnder) 광 변조기 및 직선 광도파로 (straight waveguide) 소자를 제작한다.
따라서, 상기와 같은 공정에 의해 편광 조절기를 생성하면, 그 편광 조절기는 TE, TM 편광 성분을 가지는 광이 입력될때, r33에 의존하는 반파장 구동 전압을 인가하면, 변조된 TM 모드의 광이 출력되고, r13에 의존하는 반파장 구동 전압을 인가하면, 변조된 TE 모드의 광이 출력된다. 또한, 제안된 직선 광도파로 소자의 경우 가한 전압(Va)의 상태에 따라 다양한 형태의 편광 상태를 얻을 수 있다. 따라서, 제안된 폴리머 도파로형 편광 조절기는 제작 공정이 손쉬우며, 고성능, 저가의 제품을 만들기에 유리하다.

Claims (2)

  1. 실리콘(Si) 기판 위에 금을 열증착하여 하부 전극을 형성하는 제 1 공정과,
    상기 하부 전극 위에 코아층 폴리머보다 굴절률이 낮고 복굴절성이 없는 전기광학 폴리머를 코팅하여 하부 클래딩을 형성하는 제 2 공정과,
    상기 하부 클래딩층 위에 복굴절성이 큰 전기광학 폴리머를 코팅하고 열건조한 후, 활성 이온 식각법과 리쏘그라피로 원하는 패턴을 형성하여 광도파로를 형성하는 제 3 공정과,
    상기 광도파로 위에 코아층 폴리머보다 굴절률이 낮고 복굴절성이 없는 전기광학 폴리머를 코팅하여 상부 클래딩을 형성하는 제 4 공정과,
    상기 상부 클래딩층 위에 폴링과 금을 열증착하여 상부 전극용 금을 형성하는 제 5 공정과,
    상기 형성된 상부 전극용 금과 하부 전극을 이용하여 유리전이 온도에서 전계를 가하여 폴링하며 상부에 증착된 금을 리쏘그라피로 원하는 패턴을 형성하는 제 6 공정과,
    실리콘(Si) 절단면을 이용한 단면 절개법이나 단면 연마 방법을 이용하여 광파의 입출력을 위한 단면을 형성한 후 양 단면에 광섬유를 부착하는 제 7 공정으로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 광학 폴리머를 이용한 편광 조절기 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 공정에 의해 형성된 복굴절성이 큰 광도파로층에서 상기 제 6 공정에 의해 형성된 폴링으로 인하여, TE(Transverse Electric) 및 TM(Transverse Magnetic)모드의 굴절률이 같아져서 단일 모드 TE/TM 동작이 되는 것을 특징으로 하는 전기 광학 폴리머를 이용한 편광 조절기 제조 방법.
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