KR100315419B1 - 초고속 폴리머 마하-젠더 광변조기를 위한 진행파형코플라나 전극의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

코플라나 진행파형 전극구조를 사용하여 저손실, 넓은 대역폭을 구현하고 광변조기의 광삽입 손실, 동작전압 및 직류드리프트를 줄이는데 적합한 초고속 폴리머 광변조기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명의 초고속폴리머 광변조기의 제조 방법은 마하-젠더 간섭계 구조의 채널광도파로와 진행파형 코플라나전극을 포함하고, 폴리머다층박막을 식각하여 채널광도파로를 형성하는 제 1 단계, 상기 채널광도파로와 진행파형 코플라나전극이 교차하는 경계면에 상기 코플라나전극이 광도파로 상부를 지나도록 경사면을 형성하는 제 2 단계, 상기 채널광도파로 좌우를 반응성이온식각법으로 식각하고 내부에 전기도금으로 상기 진행파형 코플라나전극을 형성하는 제 3 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

초고속 폴리머 마하-젠더 광변조기를 위한 진행파형 코플라나 전극의 제조 방법{FABRICATION METHOD OF TRAVELING WAVE TYPE COPLANAR ELECTRODE FOR HIGH SPEED POLYMERIC MACH-ZEHNDER OPTICAL MODULATOR}

본 발명은 광변조기에 관한 것으로, 코플라나 진행파형 전극구조를 사용하여 저손실, 넓은 대역폭을 구현하고 광변조기의 광삽입 손실, 동작전압, 그리고 직류드리프트(dc-drift)를 줄이는데 적합한 초고속 광변조기의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고속 폴리머 광소자에 사용되고 있는 진행파형 전극은 소자의 동작영역에는 폴리머 적층구조의 상하 방향으로 전압을 인가하는 마이크로스트립구조 (Microstrip)를 이용하고, 마이크로파를 입사시키는 입력단과 출력단에서는 코플라나(Coplanar) 전극구조를 사용하며 마이크로스트립 구조에서 코플라나 구조로 서서히 변화하는 전이영역으로 구성되어 있다.

종래의 전극 구조를 사용할 경우 전기광학 폴리머의 폴링공정이 비교적 용이하고 전기장과 도파모드의 중첩상수가 크다는 장점을 가지는 반면, 광소자의 동작전압을 줄이기 위해 전극사이의 간격을 줄여야 하는데 이 때 도파로의 두께도 함께 줄어들어 도파모드의 형태가 광섬유의 모드 형태에서 크게 벗어나게 되며 이로 인해 광삽입손실이 커지게 된다. 또한 폴리머 적층 방향으로 바이어스 전압을 인가할 경우 두개의 클래딩층과 한 개의 코아층의 전기전도도 차이로 인한 직류드리프트 (dc-drift)현상이 발생한다. 이를 방지하기 위해서 적당한 전기전도도를 갖는 클래딩물질을 선택해야 하나, 클래딩으로 사용할 수 있는 폴리머 물질이 제한되어 있어 선택이 용이하지 않다. 또한 피드백 회로를 이용하여 외부적으로 바이어스점을 조절하는 방법은 부가적인 전기적, 광학적 요소가 추가됨으로 인해 소자의 생산가격을 높이는 단점이 있다. 마지막으로 마이크로스트립 구조에서 코플라나 구조로 바뀌는 이중적 전극구조를 채용함으로써 전극의 설계가 복잡해지고 전이영역에서 마이크로파의 손실이 커질 가능성이 높다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 코플라나 진행파형 전극구조를 사용하여 저손실, 넓은 대역폭을 구현하고 광변조기의 광삽입 손실, 동작전압 및 직류드리프트를 줄이는데 적합한 초고속 폴리머 광변조기를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 진행파형 코플라나전극 구조를 가진 초고속 폴리머 광변조기의 평면도,

도 2 는 도 1 의 A-A'선에 따른 동작영역에서의 단면도,

도 3 은 도 1 의 경사면을 나타낸 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 단일모드 채널광도파로 2 : 경사면

3 : 동작영역의 코플라나전극 4 : 접지용전극

5 : 바이어스전압인가용전극 6 : 마이크로파입력단전극

7 : 전이영역 8 : 동작영역의 채널광도파로

9 : 마이크로파출력단전극

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고속 폴리머 광변조기는 채널광도파로, 전기장과 도파모드의 중첩상수를 증가시키기 위해 상기 채널광도파로 좌우를 식각하여 형성된 진행파형 코플라나 전극, 상기 코플라나전극과 채널광도파로가 교차하는 영역에서 상기 코플라나전극이 상기 채널광도파로 상부로 지나가도록 하기 위해 형성된 경사면, 코플라나 구조의 커플러를 통해 마이크로파를 입출력하기 위한 입출력단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하고, 그의 제조 방법은 폴리머다층박막을 식각하여 채널광도파로를 형성하는 제 1 단계, 상기 채널광도파로와 진행파형 코플라나전극이 교차하는 경계면에 상기 코플라나전극이 광도파로 상부를 지나도록 경사면을 형성하는 제 2 단계, 상기 채널광도파로 좌우를 반응성이온식각법으로 식각하고 내부에 전기도금으로 상기 진행파형 코플라나전극을 형성하는 제 3 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 초고속 폴리머 광변조기에서 마하-젠더 간섭계 형태의 광도파로 구조와 코플라나 형태의 진행파형 전극 구조를 나타낸 평면도이다.

즉 본 발명의 실시예에서는 입력단과 출력단에서 마이크로파 커플러와 전극 사이의 커플링이 효율적으로 이루어지도록 하고 마이크로파의 입출력단전극(6,9)과 동작영역의 채널광도파로(8)가 만나는 부분에 경사면(2)을 형성하고, 상기 입출력단전극(6,9)이 경사면(2)을 따라 동작영역의 채널광도파로(8) 위로 지나도록 코플라나 전극(3,4,5,6,9)을 형성한다. 이 때 상기 코플라나전극은 마이크로파의 입출력단전극(6,9) 및 접지용전극(4), 바이어스전압인가용전극(5) 및 동작영역의 코플라나전극(3)을 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 스핀코팅(Spin coating)으로 폴리머다층박막을 형성하고, 상기 폴리머다층박막을 반응성이온식각으로 식각하여 마하-젠더 형태의 단일모드 채널광도파로(1)를 형성하고, 상기 단일모드 채널광도파로(1)에서 Y-분기된 동작영역의 채널광도파로(8)의 좌우를 식각하여 폴리머다층박막 내부에 형성되는동작영역의 코플라나전극(3), 커플러를 통해 마이크로파를 입출력하기 위한 입출력단의 코플라나전극(6,9), 상기 입출력단의 코플라나전극(6,9)과 동작영역의 채널광도파로(8)의 교차를 방지하기 위한 경사면(2)으로 이루어지며, 임피던스 정합과 마이크로파 입출력이 효율적으로 이루어지도록 구성된다. 여기서 상기 단일모드 채널광도파로(1)는 광입출력단에서 모드가 광파이버와 일치하도록 형성되며(모드 직경 8㎛), 도파로의 가로폭을 서서히 감소시켜 동작영역에서는 단일모드 채널광도파로 (1)를 유지하는 한도 내에서 도파로의 가로폭이 최소가 되도록 형성된다. 이와 같이 동작영역에서 전극과 전극 사이의 간격을 줄일 수 있으므로 광변조기의 동작전압을 낮출 수 있다. 그리고 상기 마이크로파의 입출력단전극(6,9)과 동작영역의 채널광도파로(8)가 만나는 경계부분은 그레이포토마스크를 이용한 포토리소그래피와 반응성이온식각을 사용하여 경사면(2)을 형성하며, 상기 경사면(2)을 따라 전극이 상기 동작영역의 채널광도파로(8) 상부로 지나도록 형성한다. 여기서 도면부호 5 는 바이어스전압인가용전극으로서, 코플라나 구조를 갖는다.

이와 같은 본 발명의 초고속 폴리머 광변조기는 광도파모드는 광입력단에서 시작하여 Y-분기에서 나눠진 후 동작영역을 지나 다시 합쳐지고 광출력단에서 나오게 된다. 반면에 마이크로파는 마이크로파의 입력단전극(6)에서 시작되어 경사면 (2)을 지난 후 동작영역의 코플라나전극(3)을 거쳐 다시 경사면(2)을 지나 마이크로파의 출력단전극(9)으로 나오게된다. 즉 마이크로파는 동작영역에서 전압을 인가하여 도파모드의 진행속도를 변화시키는 역할을 한다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 A-A'선에 따른 동작영역에서의 단면도를나타낸 도면으로서, 기판(10) 상에 하부클래딩(11) 및 상부클래딩층(12)이 형성되고 상기 상부 및 하부클래딩층(12,11) 사이에 채널광도파로(1)가 형성된다. 이 때 상기 상,하부클래딩층(12,11)은 폴리머다층박막구조로 이루어진다.

그리고 상기 동작영역의 채널광도파로(8)의 양쪽을 반응성이온식각(RIE)으로 식각하고 시드(Seed)가 되는 금속층을 얇게 입힌 후 전기도금법으로 수㎛ 두께의 접지용전극(4,5)및 동작영역의 코플라나전극(3)을 형성한다. 여기서 상기 전극들 (3,4,5)은 코플라나 구조로 접지용전극(4,5)과 마이크로파가 진행하는 동작영역의 코플라나전극(3)이 한 평면 위에 일정간격 이격되어 있다. 이 때, 동작영역에서는 전극사이의 간격과 전극의 폭 그리고 전극의 두께가 수㎛ 크기를 가지나, 입출력단에서는 마이크로파 입력단자와의 효과적인 커플링을 위해 전극의 폭과 간격이 점점 넓어지게 된다.

이와 같이 전극들이 동작영역의 채널광도파로(8)의 좌우에 위치한 구조는 전극이 폴리머 적층구조 상부에 놓여 있는 코플라나 전극구조에 비해 전기장과 도파모드의 중첩상수를 크게 해서 동작전압을 낮출 수 있다.

또한 상기 전극들은 전기광학 폴리머를 극성배향시키는 폴링용전극과 소자를 동작시키는 전극 양쪽에 모두 사용된다.

전극의 특성 임피던스(Z_o)는,

,

마이크로파의 위상속도(ν_ph)는,

으로 나타낸다.

상기 식에서 c는 진공중에서의 빛의 속도, C_a는 전극 주위가 공기라고 가정할 때의 유전상수, 그리고 C는 전극 주위가 폴리머물질일 때의 유전상수를 의미한다. 여기서 C와 C_a는 전극사이의 간격(S), 전극의 폭(W), 전극의 두께(h) 그리고 주위 물질의 유전율(ε)의 함수로 주어진다. 이들 변수를 적절히 설정함으로써 50Ω의 특성임피던스를 가지고 마이크로파의 진행속도가 도파모드의 속도와 일치하며, 입출력단과 동작영역에서의 요구조건을 만족시키는 전극구조를 형성할 수 있다.

그리고 동작영역에서의 전기장(13)의 분포는 폴리머층과 나란하게 형성된다. 통상의 마이크로스트립 전극구조에서는 적층구조의 상하방향으로 전압을 인가하며, 이 때 각층의 전기전도도 차이로 인해 동작영역에 가해지는 전압이 시간에 따라 달라지는 직류드리프트(DC-drift) 현상이 일어나게 되는 반면, 본 발명에서는 전기장 (13)이 한 쪽 전극에서 다른 쪽 전극에 이를 때까지 물질 사이의 경계면을 통과하지 않고 한 물질 속으로만 진행하게 된다. 이 때문에 직류드리프트(DC-drift)가 거의 발생되지 않아 전기적으로 안정된 소자를 제조할 수 있다.

도 3 은 도 1 의 경사면을 나타낸 단면도로서, 도 1에서 중앙부의 접지용전극(4)을 입력단 혹은 출력단으로 연결시키고자 할 때 동작영역의 채널광도파로(8)와 교차하게 된다. 상기 접지용전극(4)과 동작영역의 채널광도파로(8)가 직접 만나는 것을 막기 위해, 경사면(2)을 만들어 마이크파의 입력단전극(6)이 동작영역의

채널광도파로(8) 상부로 지나도록 한다.

상기 경사면(2)은 그레이포토마스크(Gray photomask)와 반응성이온식각(RIE)법을 사용하며 형성하며 깊이는 1mm 거리에 걸쳐서 6∼7㎛ 정도의 범위로 서서히 변하게 된다.

그리고 동작영역의 채널광도파로(8)의 모드가 광입력단과 광출력단에서는 광파이버의 모드와 일치하도록 도파로구조를 설계하고, 전이영역에서 서서히 폭을 줄여 전압이 인가되는 동작영역에서는 도파로의 폭이 최소가 되도록 한다. 여기서 도면부호 14은 코아층을 나타낸다.

이와 같은 방법으로 전극과 전극 사이의 간격을 줄여 소자의 동작전압을 낮출 수 있으며 동시에 광삽입손실을 크게 줄일 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명은 초고속 폴리머 광변조기에서 진행파형 전극 구조를 단순화시켜 전극설계를 용이하게 하고, 광삽입손실과 직류드리프트 현상을 줄여주며, 동시에 소자의 동작전압을 크게 감소시켜 초고속 폴리머 광변조기의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 진행파형 코플라나전극을 포함하고 있는 초고속 폴리머 광변조기에 있어서,

   채널광도파로;

   전기장과 도파모드의 중첩상수를 증가시키기 위해 상기 채널광도파로 좌우를 식각하여 형성된 진행파형 코플라나 전극;

   상기 코플라나전극과 채널광도파로가 교차하는 영역에서 상기 코플라나전극이 상기 채널광도파로 상부로 지나가도록 하기 위해 형성된 경사면; 및

   코플라나 구조의 커플러를 통해 마이크로파를 입출력하기 위한 입출력단

   을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초고속 폴리머 광변조기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 진행파형 코플라나 전극은 접지용전극과 마이크로파가 진행하는 동작영역의 코플라나전극으로 이루어지며, 상기 접지용전극과 동작영역의 코플라나전극이 한 평면에 형성됨을 특징으로 하는 초고속 폴리머 광변조기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광도파로는 마하-젠더 간섭계 구조로 형성되며, 상기 광도파로의 모드가 광입출력단에서 광파이버의 모드와 일치하며, 상기 동작영역에서는 그 폭이 최소가 되는 것을 특징으로 하는 초고속 폴리머 광변조기.
4. 마하-젠더 간섭계 구조의 채널광도파로와 진행파형 코플라나전극을 포함하는 초고속 폴리머 광변조기의 제조 방법에 있어서,

   폴리머다층박막을 식각하여 채널광도파로를 형성하는 제 1 단계;

   상기 채널광도파로와 진행파형 코플라나전극이 교차하는 경계면에 상기 코플라나전극이 광도파로 상부를 지나도록 경사면을 형성하는 제 2 단계; 및

   상기 채널광도파로 좌우를 반응성이온식각법으로 식각하고 내부에 전기도금으로 상기 진행파형 코플라나전극을 형성하는 제 3 단계;

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초고속 폴리머 광변조기의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 단계는,

   광이 입력되는 광입출력단에서의 광파이버모드와 일치하는 제1광도파로를 형성하는 단계; 및

   상기 코플라나전극의 사이의 간격을 줄이도록 상기 제1광도파로의 폭을 서서히 줄여 동작영역에서 폭이 최소가 되는 제2광도파로를 형성하는 단계

   를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초고속 폴리머 광변조기의 제조 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 2 단계에서,

   상기 진행파형 코플라나전극은 마이크로파 입력단의 코플라나 전극, 마이크로파 출력단의 코플라나전극 및 접지용전극을 포함함을 특징으로 하는 초고속 폴리머 광변조기의 제조 방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 3 단계에서,

   상기 경사면은 그레이포토마스크와 반응성이온식각법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 초고속 폴리머 광변조기의 제조 방법.