KR100443154B1 - 회절격자형성을위한고리형간섭계구조 - Google Patents

Abstract

감광성 물질(40)에 회절 격자와 같은 구조를 형성하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 그 방법 및 장치는 적어도 두 개의 간섭성 광 빔(33,38)을 형성하고, 간섭성 빔들이 구조 스테이징 영역(45)에서 간섭하도록 실질적으로 동등한 경로를 따라 일련의 반사 소자(35,37) 주위에 역 전파 방법으로 그 빔들을 반사시킨다. 구조 스테이징 영역은 그리고 나서 개선된 질을 갖는 회절 구조 등을 형성하는 데에 이용될 수 있다.

Description

회절 격자 형성을 위한 고리형 간섭계 구조{INTERFEROMETER CONFIGURATION FOR WRITING GRATINGS}

도 1은 광 섬유를 포함할 수 있는 광 도파관(3) 상에 회절 격자를 형성하기 위한 최초로 알려진 설비(1)를 도시한다. 이 설비(1)는 UV 빔(5)을 발생시키는 자외선 레이저(4)를 구비하며, 이 UV 빔(5)은 빔 스플리터(6)에 의해 두 개의 간섭성 빔(7,8)으로 스플릿된다. 빔 스플리터(6)는 반투명 거울 혹은 위상 마스크를 포함 할 수 있다. UV 빔(7,8)은 간섭성 빔(12,13)을 반사시키는 거울(10,11)에 의해 반사된다. 두 개의 빔(12,13)은 서로 간섭하여, 감광성 광 섬유(3) 상에 투영된 간섭 무늬를 형성하고, 또한 회절 격자(2)를 형성한다.

감광성 광 섬유(3)는 단지 간섭 무늬의 밝은 줄무늬(fringe)에 의해서만 영향을 받으므로, 이 무늬는 영구 굴절율 회절 격자로 변환된다. 섬유(3)는 UV 광의 작용으로 그 섬유의 물리적 성질이 영구적으로 변화된다는 점에서 감광성이다. 광섬유의 경우에 변화되는 것은 굴절율이지만 본 발명은 그것에 제한되지 않고 흡광도, 밀도, 화학적 조성 혹은 부피와 같은 다른 성질들까지 확장된다.

도 1의 장치에서, 빔(7,8)의 경로 중 하나의 경로에 거울을 한 개 더 추가하여, 빔들 중 하나의 프로필을 반전시키도록 한다는 것이 또 알려져 있다. 두 개의 접거울(10,11)만이 사용될 때 한 빔이 다른 한 빔에 대해 반전되지 않고, 두 개의 빔 프로필(12,13)은 교차점(2)에서 동일할 것이다. 빔 스플리터(6)와 접거울(10,11)에 의해 정한 개구 전체를 따라서 좁은 빔을 주사하기 위한 3개 거울 장치를 이용하여, 확장된 회절 격자를 만들어내도록 하는 것이 또한 알려져 있다.

도 2는 (21)과 같은 광 섬유 상에 회절 격자를 형성하기 위한 두 번째로 알려진 장치(20)를 도시한다. 이 장치에서, 광 섬유(21)는 위상 혹은 진폭 마스크(22) 바로 뒤에 위치한다. UV 빔(23)은 위상 마스크(22)에 의해 회절되어, (24,25)와 같은 회절 오다(order)를 만들어 낸다. 회절 오다(24,25)는 서로 간섭하여, 감광성 광 섬유(21)가 위치한 위상 마스크(22) 바로 뒤에 간섭 무늬(26)를 생성한다. 이 구조(20)에서, 회절 격자 주기는 위상 마스크(22)의 주기에 의해 결정될 것이다. 광 섬유(21)에서의 회절 격자의 브랙(Bragg) 파장은, 단지 예를 들어 회절 격자가 형성되는 동안 회절 격자를 잡아늘임(stretching)으로써 변화될 수 있다.

상기와 같이, 오다(24,25)를 포함한 다수의 회절 오다를 제공하는 빔 스플리터로서 위상 마스크(22)를 사용하는 것이 가능하다. 그러므로 위상 마스크(22)는 도 1의 장치에서도 빔 스플리터(6)와 UV 레이저 광원(4)의 배향(orientation)을 변경함으로써 빔 스플리터(6)로 이용될 수 있다.

알려진 또 다른 장치에서는, Kashyap에 의하여, 도 1의 두 개의 거울(10,11)을 고체 실리카 블록으로 대치하여 UV 빔 전체가 블록의 사이드에서 내부로 반사되도록 한다. 이 구조를 이용할 때, 간섭 무늬에 이용하고자 하는 두 개 이외의 모든 회절 오다는 차단될 수 있다. 이 구조는 또한 기계적으로 더욱 안정하지만, 간섭 빔들 사이의 각을 쉽게 조절할 수는 없다.

상기한 모든 간섭 구조에서, 빔을 스플릿 하는 데에 빔 스플리터가 이용되든 위상 마스크가 이용되든 간에, 결과적인 두 개의 빔(7,8)은, 교차하여 회절 격자(2)를 형성하기 전에 다른 물리적 경로를 따른다. 그러므로 도 1의 장치가 갖는 일반적인 문제점은, 거울(10,11)에서의 약간의 기계적 흔들림이 회절격자(2)를 발생시키는 노광 동안 간섭 무늬의 위상을 바꾸어서 결과적으로 콘트라스트의 손실 및/혹은 간섭 무늬의 전체적인 "씻김(washing out)"을 야기한다는 점이다. 따라서 공기의 흐름이나 이동 등으로부터 초래되는 것과 같은 어떠한 진동으로부터 장치(1)를 안정시키는데에는 대단한 주의가 필요하다는 것이 밝혀졌고, 그러한 안정화 요구는 도 1의 장치의 이용을 엄격하게 제한한다.

본 발명은, 적어도 두 개의 광 빔 바람직하게는 자외선 광 빔의 교차에 의해 생기는 간섭 무늬 내에 광 섬유 같은 도파관과 같은 감광성 광학 물질을 놓아둠으로써 그 물질들 상에 무늬를 형성하는 것에 관한 것이다. 회절 격자의 주기 혹은 간섭 무늬는 사잇각 및 교차하는 빔의 성질에 의해 결정된다.

본 발명의 범위 내에는 어떠한 다른 형태들이 있을 수 있지만, 본 발명의 바람직한 형태를 단지 실시예로써 첨부 도면을 참조하여 기술 할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따라 회절 격자를 형성하기 위한 최초의 방법을 도시한 것이고;

도 2는 종래 기술에 따라 회절 격자를 형성하기 위한 두 번째의 방법을 도시한 것이고;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 장치의 개략도이고;

도 4는 도 3의 장치의 사시도이다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 감광성 광 도파관 상에 회절 격자와 같은 구조를 형성하기 위한 개선된 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 면에서는, 광섬유와 같은 감광성 광학 물질에 회절 격자와 같은 구조를 형성하는 방법을 제공하고 있다. 그 방법은 다음의 단계를 포함한다: (1)바람직하게는 한 개의 간섭성 빔을 회절 격자를 통해 통과시키는 방법에 의해 만들어지는 처음으로 두 개의 간섭성 광빔을 만드는 단계, (2)두 개의 빔이 소정의 위치에서 간섭하도록, 복수의 반사 소자를 포함하는 광 회로 주위로 두 빔을 역전파시키는 단계, (3)광 도파관에 원하는 구조를 생성하도록 소정의 위치에 감광성 광도파관을 위치시키는 단계.

본 발명은 다수의 상이한 유형의 구조를 형성하는 데 유용하지만, 회절 격자 구조를 만드는데 가장 유용하다.

간섭성 빔들은 위상 마스크, 회절 격자 혹은 부분적으로 투명한 거울을 이용하여 만들어질 수 있다. 광학 물질에는 광 도파관 혹은 광 섬유가 포함될 수 있다. 간섭성 빔은 감광성 광학 물질에 확장된 구조를 형성하기 위해 위상 마스크를 따라 스위프(sweep)될 수 있다. 부가적으로, 굴절 소자는 쳐프(chirp)된 회절 격자 혹은 아포다이즈(apodize)된 회절 격자와 같은 상이한 구조를 생성하기 위해 이동시키거나 회전시킬 수 있다. 광학 물질은 다양한 각으로 위치하여 블레이즈(blaze) 된 회절 격자 등을 생성할 수 있다.

택일적인 다른 실시예에서는, 확장된 회절 격자 구조, 쳐프된 회절 격자 혹은 아포다이즈된 회절 격자 등을 만드는 방법 등을 설명할 것이다. 광학 물질은 다양한 각으로 위치하여 아포다이즈된 회절 격자와 같은 다른 효과들을 내도록 할 수 있다.

본 발명의 두 번째 면에서는, 감광성 물질에 구조를 만들기 위한 장치를 제공하고 있는데 이 장치는 다음을 포함한다: (1)적어도 두 개의 간섭성 광 빔을 생성하는 간섭성광 생성 수단; (2)상기 간섭성 빔이 구조 스테이징 영역에서 간섭하도록, 역으로 전파하는 실질적으로 동일한 경로를 따라 상기 간섭성 빔을 반사시키는 복수의 반사 소자; 및 (3)상기 구조 스테이징 영역에 상기 감광성 물질을 설치하는 구조 스테이징 수단을 포함한다.

바람직하게는, 간섭성광 생성 수단은 더 나아가 간섭성광을 상기 간섭성광 생성 수단에 입력하기 위한 간섭성광 입력 수단을 포함하며, 이 경우 상기 간섭성광 입력 수단은 상기 간섭성광 생성 수단을 따라 주사되어서 상기 감광성 물질에 확장된 해당 구조를 생성할 수 있다.

도 3은, 바람직한 실시예의 장치(30)를 도시한 것이다. 이 장치에서, 자외선 레이저 빔(31)은 위상 혹은 진폭 마스크(32) 위에 부딪치는데, 이것은 회절 소자로서 행동하여 빔(31)에 의해 정해지는 축 주위로 대칭인 방향을 갖는 예를 들어 (33,38)과 같은 다수의 회절 오다를 만들어 낸다. 도 3에서는, 단지 1차 회절 오다 (+1, -1)가 도시되어 있다. 생성될 지도 모르는 더 이상의 회절 오다는 차단 될 수 있고 설비(30)의 그 이상의 부분을 형성하지 않는다. 1차 회절 오다 빔(33)은 거울(35)에 의해 먼저 반사(34)된 후 거울(37)에 의해 다시 반사(36)된다. 반사된 빔(36)은 그리고 나서 감광성 광 도파관(40) 위에 부딪친다. 도 4에서 더욱 잘 도시되어 있고 이하에서 기술하는 바와 같이, 광 도파관(40)은 UV 빔(31)이 위상 마스크(32)에 부딪치는 지점(41)으로부터 (33,34,36)선의 수평면에 관하여 수직인 방향으로 변위되어진다.

두 번째의 1차 회절 빔(38)은, 먼저 거울(37)에 의해 반사(42)되고 그 다음으로 거울(35)에 의해 반사(43)된다는 점에서 반대의 경로를 통과한다. 두 거울(35,37)은 두 빔(36,43)이 광 섬유 도파관(40)의 같은 지점 위에 부딪치도록 조정될 수 있으며, 그로 인해 간섭 효과로써 회절 격자(45)를 생성한다. 택일적으로, 광 섬유 도파관이 간섭하는 빔들의 중첩 위치로 이동될 수 있다. 섬유(40)의 올바른 배치와 거울(35,37)의 각은 우선 가시광 광원을 이용함으로써 그리고 기구들을 정렬시킴으로써 결정되지만, 가시광 광원은 UV 광 광원과는 다른 각으로 회절될 것이라는 사실이 고려되어져야 한다.

반대로 진행하는 두 빔들은 실질적으로 동일한 광로를 지나가지만 반대 방향으로 이동하므로, 거울(35,37) 중 하나의 어떠한 이동이나 진동 혹은 광로의 흔들림은 실질적으로 동일한 모양으로 양쪽 빔에 영향을 줄 것이며, 결과적으로 간섭하는 두 빔들의 상대적 위상이 유지된다. 따라서, 간섭 무늬는 실질적으로 안정되게 유지되며, 그렇지 않은 경우 생기는 회절 격자의 "씻김"의 효과들은 일어나지 않는다.

도 4는 도 3의 장치의 사시도를 도시하고 있다. UV 빔(31)은 위상 마스크(32)에 부딪쳐서 회절된 빔(33,38)을 생성한다. 단지 회절된 빔(33)의 연속적인 경로만을 도시하고 있다. 이 빔은 거울(35)과 거울(37)에 의해 반사되어서, 섬유(40)상에 UV 빔(31)의 경로의 수직으로 위인 지점에서 부딪치는 빔(36)을 형성한다. 빔(38)의 경로는 대칭으로 유사하다.

바람직한 장치(30)에 부가적으로 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들어, 반사 회절 격자를 위상 마스크(32) 대신에 사용할 수 있다. 다른 빔 오다들을 반사에 이용할 수 있다. 수직 방향의 작은 경사도를 변화시킬 수 있다. 바람직하게는, 광섬유(40)를 UV 빔(31)의 수직의 위치에 가능한 한 가까운 수직 위치에 위치시킨다.

도파관(40)은 또한 회절 소자(32)의 앞쪽 혹은 그 뒤쪽의 일정한 거리에 배치할 수 있으며, 반사 거울(35,37)의 각은 그에 따라 조절하여 도파관(40) 상에서 교차하는 빔들의 중첩을 최대로 할 수 있다. 이는 조율가능한 격자 주기를 제공하는 효과를 가지며, 이것은 교차하는 빔들(36,43)의 각에 의해 달라질 것이다.

더 나아가, 택일적인 장치에서, 만약 두 개의 빔이 반대의 방향으로 실질적으로 동일한 경로를 따라 진행한다면 두 개의 거울(35,37)보다 더 많은 거울이 이용될 수 있을 것이다. 바람직하게는, 회절 격자가 이용되지 않는 경우 거울의 수는 짝수인데 이는 이 경우 두 빔 프로필들의 공간적인 상호관계가 허용될 것이기 때문이다.

바람직한 실시예의 장치가 수많은 상당한 이점을 갖는다는 것은 명백하다. 이점에는 다음의 것들이 포함된다:

(1) 거울(35,37)내의 어떠한 움직임도 양쪽의 빔에 영향을 줄 것이므로, 장치(30)는 고유의 안정성을 보장하며, 결과적으로 간섭 무늬의 줄무늬 이동이 최소화될 것이다. 따라서 장치(30)의 기계적인 안정성을 확보하기 위하여 특별한 주의는 필요하지 않다.

(2) 만약 원하지 않는 어떠한 회절 빔들이 차단될 수 있다면, 그리고 이용되는 회절 빔들이 동등한 강도를 갖는다면, 광 도파관(40) 상에서 간섭하는 빔들 또한 동일한 거울에 의해 반사되어져 동등한 강도를 가질 것이다. 따라서 교차하는 빔(36,43)의 최대 중첩 영역 내에 도파관이 위치할 때 회절 격자는 높은 콘트라스트를 가질 것이다.

(3) 격자 주기는 반사 거울(35,37)의 각을 조정함으로써 그리고 그로인해 빔(36,43)의 교차점을 조정함으로써 조절될 수 있다. 거울(35,37)의 각을 변화시킬 때, 교차하는 빔(36,43)의 최대 중첩 영역은 위상 마스크(32)를 향하여 혹은 그로부터 멀어지게 이동할 수 있다. 그러므로, 도파관(40)의 위치는 최대 줄무늬 콘트라스트를 얻기 위해 그에 따라 조정되어야 한다. 미미한 각 변화에 대해서는, 간섭 무늬의 고유의 무감지성이 유지된다는 사실이 밝혀졌다. 수학적인 분석을 통해, 하나의 거울의 이동에 대한 감지성은 단지 2차 오류 교정 기간을 도입하기 위한 것으로만 나타남을 알 수 있다.

(4) 바람직한 실시예의 한가지 이점은 두 개의 교차하는 빔은 서로에 대하여 공간적으로 반전되지 않는다는 점이다. 따라서, 빔의 고도의 공간 간섭성은 요구되지 않는데, 이는 빔의 동일한 부분들이 그 부분들 자체와 간섭하며, 종래 기술의 방법이 이용되는 경우처럼 빔의 대칭적으로 반대 편인 다른 부분과 간섭하지 않기 때문이다. 결과적으로, 세부적인 바람직한 실시예에서, 좁은 빔을 위상 마스크(32)를 따라서 주사함으로써 긴 회절 격자를 형성하는 데에 이용할 수 있다. 일시적인 간섭성의 정도는 그러나 더 긴 회절 격자에 요구되며, 여기서 이것은 빔들 사이의 경로차이다.

(5) 택일적인 실시예에서, 회절 격자 주기는 좁은 빔을 주사하는 동안 거울(35,37)의 각을 변화시킴으로써 역학적으로 변화될 수 있다. 이것은 회절 격자에 "쳐프", 즉 그것의 길이에 따른 주기의 변화를 제공하기 위해 이용될 수 있다. 작은 쳐프에 대하여는, 줄무늬 콘트라스트에 미치는 영향이 최소이다. 한편 줄무늬 콘트라스트는 광섬유(40) 상에서 빔들(36,43)의 중첩에 따라 달라지고, 이 중첩은 거울(35,37)의 각을 조정함으로써 달라지므로, 이것은 주기와 줄무늬 콘트라스트 양쪽을 동시에 조절함으로써 아포다이즈된 회절 격자 반사 스펙트럼을 획득하는 데에 유리하게 이용될 수 있다.

(6)간섭 무늬에 대한 각으로 광 도파관을 위치시킴으로써, 회절 격자 줄무늬가 도파관에 가로인 면에 대한 각을 가지면서 만들어질 수 있다는 점에서 결과적인 회절 격자는 "블레이즈(blazw)"될 수 있다.

넓게 기재된 본 발명의 정신과 범위에서 벗어남이 없이 특정 실시예에 나타난 것처럼 본 발명에 수 많은 변화 및/혹은 개량이 이루어질 수 있다는 것이 당해 기술분야의 기술자들에 의해 생각되어질 것이다. 본 발명의 실시예들은 그러므로 모든 면에서 예시이며, 제한적이 아니라고 생각되어져야 한다.

Claims (31)

1. 감광성 물질에 구조를 형성하는 방법에 있어서, (a) 적어도 하나의 레이저를 이용하여 두 개의 간섭성 광 빔을 형성하는 단계; (b) 상기 두 개의 간섭성 광 빔이 소정의 위치에서 간섭하도록, 복수의 반사 소자에 의해 반사되어지게 하기 위해 복수의 반사 소자 주위로 상기 두 개의 광 빔을 역전파시키는 단계; (c) 상기 구조가 상기 감광성 물질의 소정의 위치에 만들어지도록, 상기 감광성 물질을 상기 소정의 위치에 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 물질에 구조를 형성하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구조가 회절 격자 구조인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 두 개의 간섭성 광 빔을 형성하는 상기 단계가, 두 개의 회절된 간섭성 광 빔을 생성하기 위해 위상 마스크를 통해 한 개의 간섭성 광 빔을 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 두 개의 간섭성 광 빔을 형성하는 상기 단계가 회절 격자 내의 한 개의 간섭성 빔의 반사를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 반사 소자들의 개수가 2의 배수인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 감광성 물질이 감광성 광 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 광 도파관이 광 섬유인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 3항에 있어서, 상기 감광성 물질에 확장된 구조를 생성하기 위해, 상기 한 개의 간섭성 광 빔을 상기 위상 마스크를 따라서 주사하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 한 개의 간섭성 빔과 소정의 공간적 관계를 유지하기 위해, 소정의 위치의 상기 간섭을 이동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
10. (삭제)
11. (삭제)
12. 제 4항에 있어서, 상기 감광성 물질에 확장된 구조를 생성하기 위해, 상기한 개의 간섭성 광 빔을 상기 회절 격자를 따라 주사하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 1항 또는 제 9항에 있어서, 상기 반사 소자들 중 적어도 한 개가 상기 구조의 생성에서 회전 혹은 공간 이동을 겪는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 13항에 있어서, 상기 구조가 쳐프된 회절격자인 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14항에 있어서, 구조를 상기 간섭 빔의 이등분선에 실질적으로 수직으로 간섭 빔들의 평면에 위치시키는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 14항에 있어서, 구조를 상기 간섭 빔의 이등분선에 수직이 아닌 각으로 상기 간섭 빔의 평면에 위치시키는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 1항 또는 제 14항에 있어서, 감광성 물질이 실질적으로 두 간섭 빔의 평면과 실질적으로 일렬이고 상기 빔들의 이등분선에 수직이 아닌 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 17항에 있어서, 상기 회절 격자가 블레이즈 된 회절 격자인 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 1항 또는 제 14항에 있어서, 감광성 물질이 두 개의 간섭 빔의 평면에 대하여 회전되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 1항 또는 제 19항에 있어서, 상기 구조가 아포다이즈된 회절 격자인 것을 특징으로 하는 방법.
21. 감광성 물질에 구조를 형성하는 장치에 있어서, (a) 적어도 두 개의 간섭성 광 빔을 생성하기 위한 적어도 하나의 레이저; (b)상기 간섭성 광들이 구조 스테이징 영역에서 간섭하도록, 역으로 전파하는 실질적으로 동등한 경로를 따라 상기 간섭성 광을 반사시키는 복수의 반사 소자; 및 (c)상기 감광성 물질을 상기 구조 스테이징 영역에 설치하는 구조 스테이징 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 물질에 구조를 형성하는 장치.
22. 제 21항에 있어서, 상기 구조가 회절 격자 구조인 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제 21항에 있어서, 반사 소자들의 개수가 짝수인 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제 21항에 있어서, 상기 구조가 감광성 도파관인 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제 21항에 있어서, 상기 간섭성 광 생성 수단이 더 나아가 간섭성 광을 상기 간섭성 광 생성 수단으로 입력하는 간섭성 광 입력 수단을 포함하는 것과, 상기 감광성 물질에 해당하는 확장된 구조를 생성하기 위해, 상기 간섭성 광 입력 수단을 상기 간섭성 광 생성 수단을 따라 주사할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제 25항에 있어서, 간섭성 광 입력 수단과 상기 구조 스테이징 영역 사이의 공간적인 관계가 유지되도록 하기 위하여, 상기 구조 스테이징 영역에서의 상기 간섭이 상기 간섭성 광 입력 수단의 상기 주사와 병진되는 것을 특징으로 하는 장치.
27. (삭제)
28. (삭제)
29. 제 3항에 있어서, 반사 소자들의 개수가 2의 배수인 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제 4항에 있어서, 반사 소자들의 개수가 2의 배수인 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제 12항에 있어서, 상기 반사 소자들 중 적어도 한 개가 상기 구조의 생성에서 회전 혹은 공간 이동을 겪는 것을 특징으로 하는 방법.