KR100416999B1 - 평면 도파로 소자형 광증폭기 - Google Patents

평면 도파로 소자형 광증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 평면 도파로 소자형 광증폭기는 반도체 기판과; 상기 반도체 기판 상에 적층되며 광신호의 진행 경로가 되는 코어층과; 상기 코어층을 둘러싸는 클래드층과; 상기 코어층의 일 측면으로부터 이격된 채로 상기 반도체 기판 상에 적층되며, 상기 코어층으로부터 그 내부로 커플링된 광신호가 증폭될 수 있도록 고리형 광경로를 형성하는 광증폭성 재질의 증폭층을 포함한다.

Description

평면 도파로 소자형 광증폭기{PLANAR WAVEGUIDE CIRCUIT TYPE OPTICAL AMPLIFIER}
본 발명은 광증폭기에 관한 것으로서, 특히 평면 도파로 소자형 광증폭기에 관한 것이다.
광통신 시스템에서 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium doped optical amplifier)를 이용한 광신호의 증폭은 광통신 시스템의 구성 비용을 혁신적으로 절감하여 광통신의 효용성을 높이는데 크게 기여하고 있다. 그리고, 이러한 어븀 첨가 광섬유 증폭기를 평면 도파로 소자에 적용한 어븀 첨가 도파로 증폭기는 향후 광증폭 기술의 진화 방향이라고 할 수 있으며, 복합화 및 집적화가 가능한 구조이므로 그 실용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 이러한 어븀과 같은 희토류 금속 이온 또는 전이 금속 이온이 첨가된 평면 도파로 소자형 광증폭기는 단위 길이당 증폭비가 작아서 원하는 증폭비와 고집적화를 동시에 실현하기가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 높은 증폭비 및 고집적화를 실현할 수 있는 평면 도파로 소자형 광증폭기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 평면 도파로 소자형 광증폭기는 반도체 기판과; 상기 반도체 기판 상에 적층되며 광신호의 진행 경로가 되는 코어층과; 상기 코어층을 둘러싸는 클래드층과; 상기 코어층의 일 측면으로부터 이격된 채로 상기 반도체 기판 상에 적층되며, 상기 코어층으로부터 그 내부로 커플링된 광신호가 증폭될 수 있도록 고리형 광경로를 형성하는 광증폭성 재질의 증폭층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면 도파로 소자형 광증폭기의 구성을 개략적으로 나타낸 정면도,
도 2는 도 1에 도시된 평면 도파로 소자형 광증폭기를 B-B'를 따라 나타낸 측단면도,
도 3은 도 1에 도시된 평면 도파로 소자형 광증폭기의 A 부분을 확대하여 나타낸 정면도,
도 4 내지 도 12는 도 2에 도시된 평면 도파로 소자형 광증폭기의 제조 과정을 설명하기 위한 도면.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 모듈 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면 도파로 소자형 광증폭기의 구성을 개략적으로 나타낸 정면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)를 B-B'를 따라 나타낸 측단면도이다. 상기 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)는 반도체 기판(110), 상기 반도체 기판(110) 상에 차례로 적층되는 하부 클래드층(120), 코어층(160), 증폭층(140) 및 상부 클래드층(170)으로 구성된다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)의 구성에 대하여 기술하고자 한다.
상기 코어층(160)은 실리카 재질이며, 상기 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)의 일단을 통해 입력된 광신호의 진행 경로가 된다.
상기 증폭층(140)은 어븀이 첨가된 실리카 재질이며, 상기 코어층(160)을 진행하는 광신호가 그 내부로 커플링(coupling)되고 그 내부로 진행하는 광신호가 상기 코어층(160)으로 커플링될 수 있도록 상기 코어층(160)에 인접하게 배치된다. 상기 증폭층(140)은 고리 구조 및 단위 길이당 이득 계수 g를 가지며, 커플링 영역에서 그 내부로 커플링되어 진행하는 광신호를 증폭시킨다. 상기 증폭층(140)은 고리 구조를 가지기 때문에 증폭된 광신호는 다시 커플링 영역을 지나게 되며 이 중 일부가 다시 상기 코어층(160)으로 커플링된다.
상기 하부 및 상부 클래드층(120 및 170)은 실리카 재질이며, 상기 코어층(160) 및 증폭층(140)을 둘러싸서 광신호를 상기 코어층(160) 및 증폭층(140)에 각각 가두어두는 기능을 수행한다. 이러한 광신호 격리 기능에 의하여, 상기 광신호는 커플링 영역에서만 상기 코어층(160) 및 증폭층(140) 사이로 상호 커플링될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)의 A 부분을 확대하여 나타낸 정면도이다. 이하, 도 2를 참조하여 상기 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)의 기능을 설명하고자 한다.
상기 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)의 일단을 통해 입력된 광신호(310)는 코어층(160) 내로 진행하게 되며, 상기 광신호(310)는 커플링 영역(C)을 지나면서 그 일부가 증폭층(140)으로 커플링된다. 이 때, 상기 광신호(310)에 대한 커플링 계수 t는 상기 코어층(160)과 증폭층(140) 사이의 간격(W)과, 상기 커플링 영역(C)(코어층(160), 증폭층(140) 및 하부 클래드층(120)의 해당 영역)의 굴절률 분포와, 상기 커플링 영역(C)의 길이 등에 의해 정해진다.
상기 커플링된 광신호(310)는 상기 고리 구조의 증폭층(140)을 일주하면서증폭된 후 다시 상기 커플링 영역(C)으로 입력되고, 그 일부가 다시 상기 코어층(160)으로 커플링되며 그 나머지는 다시 상기 증폭층(140)을 일주하게 된다. 이 때, 상기 증폭층(140) 내에서 상기 광신호(310)가 일주하는 거리, 즉 상기 증폭층(140)의 길이 L는 (2π×R)로 정의된다.
이러한 반복적인 증폭 과정을 거치면서 상기 코어층(160)에서 출력되는 광신호(310)의 세기 I는 하기 <수학식 1>로 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 1>에서 t는 상기 코어층(160)과 증폭층(140) 사이의 커플링 계수, I0는 상기 코어층(160)에 입력되는 광신호(310)의 세기, G(=exp(gL)=exp(2π×g×R)는 상기 증폭층(140)을 일주한 광신호(310)에 대한 이득율을 나타낸다.
또한, 상기 코어층(160)과 증폭층(140) 사이의 커플링 계수 t를 1에 근접하도록 설정하면, 상기 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)의 유효 증폭비 Geff는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 2>에서 r(=1-t)은 비커플링 계수를 나타낸다. 상기 <수학식 2>에서 알 수 있다시피, 주어진 이득율 G에 대하여 r 값을 적절히 조절함으로써 G보다 큰 유효 증폭비 Geff를 얻을 수 있다.
도 4 내지 도 12는 도 2에 도시된 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 2와 도 4 내지 도 12를 참조하여 상기 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)의 제조 과정을 설명하고자 한다.
도 4를 참조하면, 반도체 기판(110) 상에 하부 클래드층(120) 및 포토레지스트층(photoresist layer, 130)을 차례로 적층되어 있으며, 상기 하부 클래드층(120)은 화염 가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 공정 및 소결 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이 때, 상기 반도체 기판(110) 및 하부 클래드층(120)은 모두 실리카 재질이며, 상기 반도체 기판(110) 위에 하부 클래드층(120)을 형성하는 공정으로는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 화염 가수분해 증착 등이 있고, 이러한 화학 기상 증착은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 저압력 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) 등으로 분류할 수가 있다. 이러한 여러 가지 공정들 중에서 화염 가수분해 증착 공정이 통상적으로 사용되는 공정이다.
또한, 상기 하부 클래드층(120) 상에 액체 상태의 포토레지스트를 떨어뜨린 후 상기 반도체 기판(110)을 고속으로 회전시켜서 상기 하부 클래드층(120) 상에 일정 두께의 포토레지스트층(130)을 형성할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 진폭 마스크(amplitude mask, 210)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 포토레지스트층(130) 상에 고리 형태를 갖는 제1 슬릿(slit, 216) 및 직선 도파로 형태를 갖는 제2 슬릿(218)을 갖는 진폭 마스크(210)가 위치되며, 상기 진폭 마스크(210)에 자외선을 조사한다. 이 때, 상기 제2 슬릿(218)으로 입사하는 자외선은 제1 스크린(220)에 의해 차단된다. 상기 진폭 마스크(210)는 상기 제1 슬릿(216)으로 입사되는 자외선은 그대로 통과시키며, 상기 제1 슬릿(216) 이외의 부분(214)으로 입사되는 자외선은 차단한다. 상기 제1 슬릿(216)을 통과한 자외선으로 상기 포토레지스트층(130)을 조사한 후 에칭 과정을 거치면 도 6에 도시된 바와 같은 포토레지스트층(130)을 얻을 수 있다.
도 6을 참조하면, 포토레지스트층(130)에 도 5에 도시된 제1 슬릿(216)과 유사한 형태의 홈이 형성된다. 또한, 상기 홈에 의해 상기 하부 클래드층(120)의 상면이 외부 대기에 일부 노출된다.
도 7을 참조하면, 상기 포토레지스트층(130)을 이용하여 상기 하부 클래드층(120)을 소정 깊이로 에칭하여 홈을 형성하고, 화염 가수분해 증착 공정 및 소결 공정을 통하여 상기 홈에 어븀이 첨가된 실리카 재질의 증폭층(140)을 형성한다. 이 때, 상기 하부 클래드층(120)을 에칭하는 방법으로 반응 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE) 공정을 이용할 수 있다.
도 8을 참조하면, 포토레지스트 제거액을 이용하여 상기 포토레지스트층(130)을 에칭하는 과정에서, 상기 포토레지스트층(130)의 상면에 적층된 증폭층(140)도 함께 제거된다.
도 9를 참조하면, 상기 증폭층(140) 및 하부 클래드층(120)의 노출된 상면에 포토레지스트층(150)을 적층하고, 상기 포토레지스트층(150) 상에 도 5에 도시된 마스크(210)를 위치시킨다. 이 때, 상기 제1 슬릿(216)으로 입사하는 자외선은 제2 스크린(230)에 의해 차단된다.
상기 진폭 마스크(210)는 상기 제2 슬릿(218)으로 입사되는 자외선은 그대로 통과시키며, 상기 제2 슬릿(218) 이외의 부분(214)으로 입사되는 자외선은 차단한다. 상기 제2 슬릿(218)을 통과한 자외선으로 상기 포토레지스트층(150)을 조사한 후 에칭 과정을 거치면 도 10에 도시된 바와 같은 포토레지스트층(150)을 얻을 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 포토레지스트층(150)에 도 5에 도시된 제2 슬릿(218)과 유사한 형태의 홈이 형성된다. 또한, 상기 홈에 의해 상기 하부 클래드층(120)의 상면 일부가 외부 대기에 일부 노출된다.
도 11을 참조하면, 상기 포토레지스트층(150)을 이용하여 상기 하부 클래드층(120)을 상기 증폭층(140)의 깊이만큼 에칭하여 홈을 형성하고, 화염 가수분해 증착 공정 및 소결 공정을 통하여 상기 홈에 실리카 재질의 코어층(160)을 형성한다. 이 때, 상기 하부 클래드층(120)을 에칭하는 방법으로 반응 이온 에칭 공정을 이용할 수 있다.
도 12를 참조하면, 포토레지스트 제거액을 이용하여 상기 포토레지스트층(150)을 에칭하는 과정에서, 상기 포토레지스트층(150)의 상면에 적층된 코어층(160)도 함께 제거된다.
이후, 상기 증폭층(140), 코어층(160) 및 하부 클래드층(120)의 노출된 상면들에 상기 하부 클래드층(120)의 것과 동일한 재질의 상부 클래드층(170)을 적층하면 도 2에 도시된 바와 같은 평면 도파로 소자형 광증폭기(100)를 얻게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 평면 도파로 소자형 광증폭기는 고리 구조의 증폭층을 이용하여 코어층으로부터 커플링된 광신호를 증폭하고 이를 다시 상기 코어층에 커플링시키는 과정을 반복함으로써, 높은 증폭비 및 고집적화를 실현할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 적층되며 광신호의 진행 경로가 되는 코어층과, 상기 코어층을 둘러싸는 클래드층을 구비한 평면 광도파로 소자에 있어서,
    상기 코어층의 일 측면으로부터 이격된 채로 상기 반도체 기판 상에 적층되며, 상기 코어층으로부터 그 내부로 커플링된 광신호가 증폭될 수 있도록 고리형 광경로를 형성하는 광증폭성 재질의 증폭층을 포함함을 특징으로 하는 평면 도파로 소자형 광증폭기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증폭층은 어븀 첨가된 실리카 재질이며, 소정 반지름을 갖는 원형 고리 구조를 가짐을 특징으로 하는 평면 도파로 소자형 광증폭기.
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