KR100651560B1 - 평면광파회로 및 그 제작 방법 - Google Patents

평면광파회로 및 그 제작 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100651560B1
KR100651560B1 KR1020040093724A KR20040093724A KR100651560B1 KR 100651560 B1 KR100651560 B1 KR 100651560B1 KR 1020040093724 A KR1020040093724 A KR 1020040093724A KR 20040093724 A KR20040093724 A KR 20040093724A KR 100651560 B1 KR100651560 B1 KR 100651560B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical waveguide
initial
height
width
substrate
Prior art date
Application number
KR1020040093724A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20060054881A (ko
Inventor
조재걸
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020040093724A priority Critical patent/KR100651560B1/ko
Priority to US11/250,234 priority patent/US7336881B2/en
Priority to JP2005327268A priority patent/JP2006146212A/ja
Publication of KR20060054881A publication Critical patent/KR20060054881A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100651560B1 publication Critical patent/KR100651560B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12002—Three-dimensional structures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12038—Glass (SiO2 based materials)

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 광의 전송 매체가 되는 광도파로를 갖는 평면광파회로의 제작 방법은, (b) 기판 위에 광의 전송 매체가 되는 기설정된 패턴의 초기 광도파로를 형성하는 과정과; (c) 상기 광도파로에 열을 가하여 리플로우시키는 과정을 포함한다.
광 모드 변환기, 리플로우, 평면광파회로, 3차원 테이퍼

Description

평면광파회로 및 그 제작 방법{PLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT AND FABRICATION METHOD THEREOF}
도 1은 종래에 따른 열 확장된 코어를 갖는 평면광파회로를 형성하기 위한 장치를 나타내는 도면,
도 2 내지 도 4는 종래에 따른 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로의 제작 방법을 설명하기 위한 도면들,
도 5는 종래에 따른 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로의 예를 사진 촬영하여 나타낸 도면,
도 6 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면광파회로의 제작 방법을 설명하기 위한 도면들,
도 9 및 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로의 제작 방법을 설명하기 위한 도면들,
도 11은 변형된 광도파로의 예들을 나타내는 도면,
도 12는 변형된 광도파로의 하단 폭의 변화에 대한 단면적의 변화를 나타내는 그래프.
본 발명은 광도파로 소자(optical waveguide device)의 제작 방법에 관한 것으로, 특히 광 통신 시스템(optical communication system)에 사용되는 광 집적회로(Integrated Optical Circuit) 또는 평면광파회로(Planar Lightwave Circuit: PLC)에 구비되는 광도파로의 형성 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 광 집적회로는 빛을 한 곳에서 다른 곳으로 전파시켜 주거나 빛의 파장 특성을 조절하여 필터(filter) 역할을 수행하도록 설계된 직선 또는 곡선 형태의 광도파로, 미러(mirror), 렌즈(lens) 등을 포함하며, 굴절률을 조절하기 위한 GeO2, P2O5, B2O3 등의 첨가물(dopant)이 실리카(SiO 2)에 첨가된 형태의 광도파로가 광 집적회로의 제작에 널리 사용되고 있다.
광통신 시스템의 효율을 높이고 시스템 비용을 감소시키기 위해서는 광 집적회로 내의 광도파로와 레이저(laser), 그리고 광도파로와 광섬유(optical fiber)의 접속 손실(coupling loss)을 감소시키는 것이 매우 중요하며 이러한 접속 손실을 줄이기 위한 여러 방법이 시도되어 왔다. 특히 일반적인 단일 모드 광섬유(single mode optical fiber)의 경우에, 코어(core)와 클래딩(cladding)의 굴절률 차는 0.3%로 고정되어 있기 때문에, 광 집적회로의 크기를 감소시키기 위해 광도파로 제작에 굴절률이 높은 재료를 사용하는 경우 광섬유와 광도파로의 모드 크기 불일치 에 의해 접속 손실이 크게 증가하게 된다. 따라서, 고집적형 광소자의 제작에 있어서 접속 손실을 개선하는 것이 매우 중요한 과제라고 할 수 있다.
또한, 최근에 연구되고 있는 하이브리드 집적(Planar Hybrid Integration) 소자의 경우 광원으로 사용되는 레이저 다이오드(laser diode), 수광 소자인 포토다이오드(photodiode), 박막 필터(thin film filter) 등이 동일 기판(substrate)에 집적되므로 하이브리드 집적 소자와 광섬유의 접속뿐만 아니라 하이브리드 집적 소자 내에서 각 단위 소자와 광도파로 사이의 접속 손실을 최소화 하는 것이 매우 중요하다.
현재까지 알려진 방법 중에서 광소자와 광섬유의 접속 손실을 감소시킬 수 있는 가장 효율적이고 일반적인 방법은 광 모드 변환기(mode converter)를 이용하는 방법으로 이는 광도파로의 단면 크기를 광 집적회로의 기판(substrate)에 수평한 방향 또는 수평과 수직 방향 모두 변화시켜 광도파로의 모드 크기를 광섬유의 모드 크기와 유사하게 하는 방법이다. 기판에 수평한 방향으로의 광도파로의 단면 크기의 변화, 즉 광도파로의 선폭 변화(lateral taper)는 광도파로 제조 공정에서 일반적으로 사용되는 식각 공정용 마스크(mask)에서 슬릿(slit)의 선폭을 조절함으로써 손쉽게 얻어질 수 있으나, 기판에 수직한 방향으로의 단면 크기의 변화, 즉 광도파로의 높이 변화(vertical taper)는 좀 더 복잡한 공정이 필요하다.
도 1은 종래에 따른 열 확장된 코어(thermally expanded core)를 갖는 평면광파회로를 형성하기 위한 장치를 나타내는 것으로, 상기 장치는 히터(heater, 120) 및 홀더(holder, 130)를 포함한다.
상기 평면광파회로(110)는 코어(112)와 클래딩(clad, 114)를 포함하며, 상기 코어(112) 및 클래딩(114)은 실리카 및 첨가물(dopant)로 이루어진다. 상기 평면광파회로(110)의 제1 단부는 상기 홀더(130)에 고정되고, 제2 단부는 열 확산(thermal diffusion)을 위하여 상기 히터(120) 내에 삽입된다. 상기 첨가물은 상기 히터(120)에서 제공되는 열에 의해 상기 코어(112)에서 상기 클래딩(114)로 확산됨으로써, 상기 코어(112)의 가열된 부분의 단면 크기가 실질적으로 확장되는 효과가 있다.
상기 히터(120)는 상기 평면광파회로(110)의 제2 단부를 가열함으로써 상기 코어(112) 내 첨가물의 확산을 유도한다.
상기 홀더(130)는 상기 평면광파회로(110)의 제1 단부를 클램핑(clamping)함으로써 상기 평면광파회로(110)를 고정하는 역할을 한다.
즉, 상기 히터(120)에서 가해지는 열에 의해 상기 첨가물이 상기 코어(112)에서 상기 클래딩(114)로 확산되고, 그 결과 상기 코어(112)의 가열된 부분의 단면 크기가 증가되어 상기 코어(112)의 모드를 외부 광섬유의 모드와 일치시키는 것이다.
상술한 열 확산을 이용한 평면광파회로(110)의 제작 방법은 제작된 평면광파회로(110)의 일부분을 가열하는 공정 특성으로 인해 웨이퍼(wafer) 단위의 공정이 아닌 칩(chip) 단위 공정이라는 점이다. 따라서, 제작 공정에 많은 시간과 노력이 필요하며 열 확산에 의한 온도 구배(temperature gradient) 때문에 모드 변환기의 길이가 약 4 mm 정도로 매우 크므로, 상술한 제작 방법은 실제적으로 사용하기가 매우 곤란하다는 문제점이 있다.
도 2 내지 도 4는 종래에 따른 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로의 제작 방법을 설명하기 위한 도면들이며, 상기 제작 방법은 현재 일반적으로 사용되는 그레이 스케일 리소그라피(gray scale lithography) 방법을 나타낸다. 도 5는 상기 제작 방법에 따라 형성된 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로의 예를 사진 촬영하여 나타낸 도면이다. 상기 제작 방법은 하기하는 (a)~(c) 과정들을 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 (a) 과정은, 기판(21) 위에 실리카막(22) 및 포토레지스트막(photoresist layer, 23)을 차례로 적층하고, 그 위에 그레이 스케일 마스크(gray scale mask, 24)를 배치시키는 과정이다.
상기 기판(21) 위에 상기 실리카막(22)을 형성하기 위해 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정, 화염 가수분해 증착 공정(Flame Hydrolysis Deposition: FHD) 등을 사용할 수 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. 상기 포토레지스트막(23)은 상기 실리카막(22)의 위에 액체 상태의 포토레지스트를 떨어뜨린 후 상기 기판을 고속으로 회전시켜서 상기 실리카막(22)의 위에 일정 두께로 형성될 수 있다.
상기 그레이 스케일 마스크(gray scale mask, 24)는 상기 포토레지스트막(23) 위에 배치되며 수평 방향으로 자외선 투과도가 다르게 제작되는 마스크로서 유리 재질일 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 (b) 과정은 상기 그레이 스케일 마스크(24)를 이용하여 상기 포토레지스트막(23)을 사진식각하여 포토레지스트 마스크(33)를 형성하는 과정이다. 즉, 상기 포토레지스트 마스크(33)는 자외선 광을 이용한 노광 및 현상 과정을 거쳐서 형성된다. 상기 그레이 스케일 마스크(24)를 이용하여 상기 포토레지스트막(23)에 조사되는 자외선의 강도를 수평 방향을 따라 변화시킴으로써 상기 노광 및 현상 과정을 통해 남게 되는 상기 포토레지스트 마스크(33)의 높이를 수평 방향을 따라 변화시킨다.
도 4를 참조하면, 상기 (c) 과정은 상기 포토레지스트 마스크(33)를 이용하여 상기 실리카막(22)을 식각함으로써 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로(42)를 형성하는 과정이다. 높이 변화를 갖는 상기 포토레지스트 마스크(33)를 이용하여 상기 실리카막(22)을 식각하면, 상기 포토레지스트 마스크(33)의 수평 방향에 따른 수직 프로파일(vertical profile)이 상기 실리카막(22)에 전사(transfer)되어 상기 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로(42)가 형성된다. 그레이 스케일 리소그래피 방법은 3차원 테이퍼 형상을 갖는 코어 뿐만 아니라 마이크로 렌즈(micro lens) 등의 제작에도 널리 사용된다.
도 5는 상술한 방법에 따라 제작된 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로의 예를 사진촬영하여 나타낸 도면이다.
그러나, 상기 그레이 스케일 리소그라피 방법의 가장 큰 문제점은 공정 제어가 용이하지 않다는 점이다. 상기 그레이 스케일 마스크(24)를 이용한 자외선 노광 및 현상 공정에서의 실험 데이터에 의하면 그레이 스케일 리소그래피 방법은 포토 레지스트의 균일도, 대기 온도 및 습도, 현상액의 온도, 노광 공정에서의 자외선의 강도 및 시간 등에 매우 민감하므로 공정의 제어가 용이하지 않을 뿐만 아니라 재연성(reproducibility)이 낮은 단점을 가지고 있다. 또한, 상기 그레이 스케일 마스크(24)가 일반적인 식각용 마스크에 비해 고가이므로 추가적인 비용이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 목적은 종래에 비하여 공정이 단순하고 제어가 용이하며, 낮은 손실과 높은 재연성을 특징으로 하는 평면광파회로를 제작하는 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광의 전송 매체가 되는 광도파로를 갖는 평면광파회로의 제작 방법은, (b) 기판 위에 광의 전송 매체가 되는 기설정된 패턴의 초기 광도파로를 형성하는 과정과; (c) 상기 광도파로에 열을 가하여 리플로우시키는 과정을 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평면광파회로의 제작 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 상기 제작 방법은 하기하는 (a)~(d) 과정들을 포함한다.
도 6을 참조하면, 상기 (a) 과정은 기판(610) 위에 하부 클래딩(620)을 적층하는 과정이다. 상기 기판(610)은 실리콘(silicon)으로 이루어지며, 상기 하부 클래딩(620)은 실리카(SiO2)로 이루어진다. 상기 하부 클래딩(620)은 굴절률 조절을 위한 GeO2, P2O5, B2O3 등과 같은 첨가물을 함유할 수 있으며, 화염 가수분해 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 (b) 과정은 상기 하부 클래딩(620) 위에 광의 전송 매체가 되는 기설정된 패턴(pattern)의 초기 광도파로(630)를 적층하는 과정이다. 상기 초기 광도파로(630)는 화염 가수분해 증착 공정 및 사진 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 광을 상기 초기 광도파로(630) 내에 가두기 위해, 상기 하부 클래딩(620)은 상기 초기 광도파로(630)의 것보다 낮은 굴절률을 갖는다. 상기 기판(610)이 석영으로 이루어진 경우와 같이 상기 기판(610) 자체가 상기 하부 클래딩(620)의 역할을 수행할 수 있는 경우에는, 상기 하부 클래딩(620)을 형성하기 위한 (a) 과정을 생략할 수 있다.상기 (b) 과정을 상세히 설명하면, 상기 초기 광도파로(630)는 상기 하부 클래딩(620) 위에 코어막을 형성하고, 기설정된 패턴의 슬릿을 갖는 마스크 및 포토레지스트를 이용하여 상기 코어막을 사진 식각함으로써 기설정된 패턴을 갖는 상기 초기 광도파로(630)를 형성한다. 본 실시예에서 상기 초기 광도파로(630)의 단면은 사각형이며, 그 길이 방향(x축 방향)에 따라 폭(y축 방향)과 높이(z축 방향)는 일 정하거나 그 길이 방향에 따라 높이는 일정하고 폭은 연속적으로 변화할 수 있다. 열에 의한 리플로우(reflow) 과정인 상기 (c) 과정을 거치기 전에 상기 초기 광도파로(630)는 길이 방향에 따른 하단 폭 d(x)와 높이 Tc를 가진다. 여기서 x축 방향은 상기 초기 광도파로(630)의 길이 방향을 나타내는 것으로 도 6에서는 지면에 수직한 방향을 의미한다. 상기 초기 광도파로(630)는 첨가물(dopant)로 도핑된 실리카(SiO2)로 이루어지며, 상기 첨가물은 GeO2, P2O5, B2 O3, TiO2, Al2O3 로 이루어진 군 중에서 선택되거나 이들 다수의 조합일 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 (c) 과정은 상기 초기 광도파로(630)에 열을 가하여 리플로우시키는 과정이다. 상기 초기 광도파로(630)에 고온의 열을 가하면 고체에서 액체로 상기 초기 광도파로(630)의 상이 변화하면서 점성 유동(viscous flow)이 발생한다. 유체의 유동성에 의해 상기 초기 광도파로(630)는 리플로우되고 표면 장력(surface tension)에 의해 그 단면이 전체적으로 볼록한 형상, 즉 상기 하부 클래딩(620)의 표면으로부터 볼록하게(또는 둥글게) 돌출된 형상으로 변형된다. 이를 기하학적으로 표현하자면, 원에서 소정의 호 부분이 잘려나간 형상(즉, 활꼴)으로 변형된다. 상기 단면의 모양은 완전한 원은 아니며, 상기 하부 클래딩(620) 표면 위에 유체가 리플로우된 것으로 하나의 현(도 7에서는 그 길이는 d(x)가 됨)에 의해 원의 일부가 잘려나간 형상을 가진다. 이 때, 상기 현의 길이 d(x)는 상기 변형된 광도파로(730) 단면의 직경 2R(x)보다 작게 되도록 상기 초기 광도파로의 높이 Tc와 하단폭 d(x)를 조절한다. 일반적으로, 상기 초기 광도파로(630)에 도핑된 첨가 물의 함유량이 높을수록 리플로우가 일어나는 온도가 낮으며, 상기 하부 클래딩(620)의 것보다 상기 초기 광도파로(630)의 첨가물 함유량이 높거나 상기 초기 광도파로(630)만 첨가물을 함유하기 때문에 적정한 온도의 열을 사용하는 경우에 리플로우 현상은 상기 초기 광도파로(630)에만 국한된다.
상기 변형된 광도파로(730)는 길이 방향에 따른 반경 R(x) 및 상기 하부 클래딩(620)의 표면으로부터 곡률 중심까지의 높이 h(x)를 가진다. 상기 변형된 광도파로(730)의 높이 H(x)는 상기 초기 광도파로(630)의 높이 TC에서 리플로우에 의해 변화된 것이다. 또한, 상기 변형된 광도파로(730)의 하단 폭 d(x)는 상기 초기 광도파로(630)의 것과 동일하다. 즉, 리플로우 과정 전후에 있어서 하단 폭 d(x)는 변화하지 않는다.
상기 초기 광도파로(630)의 단면이 길이 방향을 따라 하단 폭 d(x)와 높이 Tc가 일정한 경우에 열에 의한 리플로우에 의해 변형된 광도파로(730)의 단면은 길이 방향을 따라 동일한 반경 R(x) 및 높이 H(x)를 가진다. 반면에 상기 초기 광도파로의 높이 Tc가 일정하고, 하단 폭 d(x)가 변화하는 경우 상기 변형된 광도파로(730)는 반경 R(x) 및 높이 h(x)가 길이 방향을 따라 모두 변하게 된다. 만일 상기 초기 광도파로(630) 단면의 하단 폭 d(x)가 길이 방향을 따라 연속적으로 변한다면 상기변형된 광도파로(730)의 반경 R(x) 및 높이 H(x)는 길이 방향을 따라 연속적으로 변화하게 되며 결국 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로(three-dimensionally tapered optical waveguide)를 제작할 수 있다. 상기 변형된 광도파로(730)의 단면 의 변화는 아래와 같이 해석할 수 있다. 우선 상기 변형된 광도파로(730)의 반경 R(x), 곡률 중심 높이 h(x) 및 하단 폭 d(x) 사이에는 기하학적인 조건에 의해 하기 <수학식1>과 같은 관계가 성립한다. 여기서 변수 x는 상기 변형된 광도파로(730)의 길이 방향 좌표이다.
Figure 112004053223205-pat00001
또한, 일반적으로 광도파로의 길이는 단면 크기에 비해 크므로, 광도파로 단면이 불연속적으로 단절되어 있어서 상기 광도파로 끝부분에서 또 다른 리플로우가 발생하는 경우를 제외하면 리플로우 과정 전후의 광도파로의 단면적이 동일하다는 가정을 도입할 수 있다. 즉, 이러한 가정은 광도파로의 폭 및 높이가 길이에 비하여 무시할 정도로 작다는 전제로부터 도출된다. 주어진 위치 x에서 상기 초기 광도파로(630)의 단면적과 리플로우 과정 이후의 변형된 광도파로(730)의 단면적이 동일하다는 가정은, 상기 초기 광도파로(730)의 미소 부피, 즉 단면적*(dx)를 제어 부피(control volume)라고 할 때, 상기 제어 부피에서 x축 방향의 질량 유입과 유출의 합, 즉 총 질량 이동(net mass transfer)이 0이라고 가정하는 것이다. 만일 초기 광도파로의 단면적이 급격하게 변화하는 경우, 즉 상기 초기 광도파로의 단면이 계속 이어지지 않고 단절되어 있는 경우를 가정하면, 상기 초기 광도파로의 끝단면에서도 표면 장력에 의해 또 다른 리플로우 패턴이 형성될 것이다. 다시 말하 면, 변형된 광도파로의 끝단면이 평면이 아닌 구형이 된다는 것이다. 이는, 상기 제어 부피에서 x축 방향으로의 총 질량 이동이 0이 아닌 경우를 의미하므로, 이러한 경우에는 질량 보존의 법칙이 성립하지 않는다. 예를 들어, 모드 변환기를 제작하는 경우에 크기의 정도(order of magnitude)를 생각해 보면 광도파로의 길이는 수백 mm인 반면에 상기 광도파로의 폭 및 높이는 수 mm인 경우가 일반적이다. 또한, 모드 변환기의 테이퍼 각(taper angle)이 매우 작기 때문에(이는 광손실 때문에 테이퍼 각을 크게 할 수 없는 것에 기인함), 상기 모드 변환기의 각 끝단면의 면적은 매우 작아서 리플로우에 의한 변화 정도 또한 무시할 정도로 매우 작다. 이에 따라서, 상기 각 끝단면에서 x축 방향으로의 총 질량 이동을 0으로 가정할 수 있다. 상기 모드 변환기의 양 끝단면들에서 총 질량 이동을 0이라고 가정하면, 마찬가지로 상기 모드 변환기 내의 제어 부피에서도 총 질량 이동을 0으로 가정할 수 있다.
따라서, 상기 초기 광도파로(630)와 상기 변형된 광도파로(730)의 단면적 사이에 질량 보존의 법칙(mass conservation law)이 성립한다고 가정하면, 하기 <수학식2>를 구할 수 있다.
Figure 112004053223205-pat00002
상기에서 d(x)TC는 상기 초기 도파로(630)의 단면적을 나타내고, πR(x)2은 반경이 R(x)인 원의 넓이를, 상기 0.5R(x)2cos-1(h(x)/R(x))는 반경이 R(x)이고 중심각이 cos-1(h(x)/R(x))인 부채꼴의 넓이를, 상기 0.5d(x)h(x)는 밑변이 d(x)이고 높이가 h(x)인 삼각형의 넓이를 나타낸다. 즉, 리플로우 과정을 거치기 전 상기 초기 광도파로(630)의 단면적 d(x)TC는 반경이 R(x)인 원의 넓이 πR(x)2에서 길이 d(x)의 현으로 잘려진 작은 원꼴의 넓이 {0.5R(x)2cos-1(h(x)/R(x))-0.5d(x)h(x)}를 뺀 상기 변형된 광도파로(730) 단면적과 같다. 이 때, 작은 원꼴이란 원을 현으로 자를 때 생기는 두 원꼴들 중 상대적으로 크기가 작은 원꼴을 말한다.
상기 <수학식1> 및 <수학식2>를 연립하여 풀면 변수 R(x)와 h(x)를 구할 수 있다. 즉, 상기 <수학식1>을 <수학식2>에 대입하여 R(x)로만 나타낸 <수학식3>으로 정리할 수 있다.
Figure 112004053223205-pat00003
상기 <수학식3>에 바이섹션법(Bi-Section Method) 등의 반복 계산에 의한 수 치 해석법을 적용하면 주어진 d(x) 및 TC에 대하여 R(x)를 구할 수 있고, 구해진 R(x)를 상기 <수학식1>에 대입함으로써 h(x)를 구할 수 있다.
높이와 하단 폭이 모두 변하는 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로가 형성되려면 동일한 열처리 조건에서 광도파로의 하단 폭 d(x)가 변화할 때 각 하단 폭 d(x)에 대해서 동일한 형태의 리플로우가 발생해야 하며, 이러한 것은 상기 <수학식1> 내지 <수학식3>이 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로의 제작에 필요한 하단 폭d(x)의 범위 내에서 모두 적용 가능해야 함을 의미한다.
도 8을 참조하면, 상기 (d) 과정은 상기 변형된 광도파로(730)위에 상부 클래딩(840)을 형성하는 과정이다. 상기 상부 클래딩(840)은 상기 하부 클래딩(620)의 것과 동일한 굴절률을 가지며, 화염 가수분해 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 상부 클래딩(840)은 상기 변형된 광도파로(730)를 감싸며, 상기 하부 클래딩(620)과 함께 상기 변형된 광도파로(730)를 완전히 감싸서 광을 상기 변형된 광도파로(730) 내에 가두는 기능을 한다. 도 9 및 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로의 제작 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 9를 참조하면, 기판(910) 및 하부 클래딩(920) 위에 사각형의 단면을 가지고, 길이 방향(즉, x축 방향)을 따라 높이 TC는 일정하며, 하단 폭 d(x)는 연속적으로 변화하는 초기 광도파로(930)를 형성한다. 상기 그 전단 위치(즉, x=0)에서 상기 초기 광도파로(930)는 최소 하단 폭 d(0)를 가지며 x값이 증가함에 따라(즉, 그 전단에서 그 후단으로 갈수록) 하단 폭 d(x)는 연속적으로 증가한다. 상기 하단 폭 d(x)는 상기 초기 광도파로(930)를 사진 식각 공정을 통해 형성하는 과정에서 식각용 마스크의 슬릿의 선폭을 조절함으로써 조절될 수 있으며, 상기 슬릿의 형상에 따라 다양한 형상의 초기 광도파로를 형성할 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 초기 광도파로(930)에 열을 가하여 리플로우시킨다. 리플로우에 의한 변형된 광도파로(1030)의 단면의 변화는 상기 도 7에 도시된 바와 같은 변형된 광도파로(730)의 단면 변화 과정과 동일하다. 즉, 상기 초기 광도파로(930)의 하단 폭 d(x)의 변화로 인해 곡률중심의 높이 h(x) 및 반경 R(x)는 상기 <수학식1> 내지 <수학식3>과 같은 관계를 가지고, 열에 의한 리플로우 과정을 거치면서 상기 초기 광도파로(930)는 그 단면이 전체적으로 볼록한 형상, 즉 상기 하부 클래딩(920)의 표면으로부터 볼록하게(또는 둥글게) 돌출된 형상으로 변형된다. 이를 기하학적으로 표현하자면, 원에서 소정의 호 부분이 잘려나간 형상(즉, 활꼴)으로 변형된다. 상기 초기 광도파로(930)의 높이 TC가 일정하더라도 하단 폭 d(x)의 변화에 의해 상기 변형된 광도파로(1030)는 높이 H(x) 및 직경 D(x)이 길이 방향으로 연속적으로 변형되는 3차원 테이퍼 형상을 갖게 된다.
도 11은 변형된 광도파로의 예들을 나타내는 도면이다. 도 11은 하단 폭의 변화에 대한 변형된 광도파로의 단면 변화를 나타내며, 각 변형된 광도파로의 단면이 사진 촬영되어 있다. (a)는 초기 광도파로의 하단 폭이 5㎛인 경우를 나타내고, (b)는 초기 광도파로의 하단 폭이 10㎛인 경우를 나타내며, (c)는 초기 광도파로의 하단 폭이 15㎛인 경우를 나타내고, (d)는 초기 광도파로의 하단 폭이 20㎛인 경우 를 나타내며, (e)는 초기 광도파로의 하단 폭이 25㎛인 경우를 나타낸다. 상기한 각 경우에 있어서, 상기 초기 광도파로는 사각 단면을 갖는 직선형이며 높이는 25㎛로 일정하다. 상기 초기 광도파로는 900℃에서 10시간 동안 열에 의한 리플로우 과정을 통해 그 단면이 변화되며, 변형된 광도파로의 단면은 주사 전자 현미경(scanning electron microscope)을 이용하여 사진 촬영된 것이다. 도시된 바와 같이, 리플로우 과정 전의 초기 광도파로의 높이가 일정할지라도 그 하단 폭이 다르면 변형된 광도파로의 높이가 달라지는 것을 알 수 있다. 즉, 초기 광도파로의 하단 폭을 변화시켜서 변형된 광도파로의 높이를 조절할 수 있다.
도 12는 변형된 광도파로의 하단 폭의 변화에 대한 단면적의 변화를 나타내며, 상기 <수학식3>을 계산한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 리플로우 과정 전의 초기 광도파로의 높이 TC는 12㎛로 일정하고, 상기 초기 광도파로의 하단 폭 d(x)가 1에서 10㎛ 까지 선형적으로 변화할 때 리플로우 과정을 거친 변형된 광도파로의 높이 H(x) 및 직경 D(x)를 나타내고 있다. 그래프에서 알 수 있듯이, 높이 12㎛ 및 하단 폭 1㎛의 직선형 초기 광도파로의 사각 단면은 높이 H(x)=3.85㎛ 및 직경 R(x)=3.92㎛의 활꼴로 변화하며, 높이 12㎛, 하단 폭 10㎛의 직선형 초기 광도파로의 사각 단면은 높이 H(x)=10.86㎛ 및 직경 R(x)=13.16㎛의 활꼴로 변화함을 알 수 있다. 상술한 바와 같이 초기 광도파로의 일반적인 식각 과정에서 상기 초기 광도파로 하단 폭 d(x) 설계의 변화만으로도 원하는 단면의 크기를 갖는 테이퍼 형상의 도파로 제작이 가능하며 또한 최소한의 길이를 갖는 광 모드 변환기의 설계가 가능 하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광도파로의 리플로우를 이용한 평면광파회로 및 그 제작 방법은 아래와 같은 이점들이 있다. 이하, 2차원은 광도파로의 폭만을 변화시키는 것을 의미하며, 3차원은 광도파로의 폭 및 높이를 변화시키는 것을 의미한다.
첫 째, 본 발명은 통상적인 광도파로 제작을 위한 2차원 식각 공정을 통하여 광도파로 단면의 높이와 폭이 동시에 변화하는 3차원 테이퍼 형상을 갖는 광도파로, 또는 이를 적용한 모드 변환기의 제작이 가능하다는 이점이 있다.
둘 째, 칩 단위 공정인 기존의 열 확장된 코어를 갖는 평면광파회로의 제작 방법과는 달리 본 발명은 웨이퍼 단위의 공정이므로 간단하고 재연성이 높다. 또한, 기존의 그레이 스케일 리소그라피 방법에 비해서도 본 발명은 공정이 단순하고, 재연성이 높으며, 그레이 스케일 마스크가 필요 없으므로 추가 비용이 들지 않는다는 이점이 있다.
셋 째, 본 발명은 제작 공정의 해석이 단순하고 예측 가능하고, 2차원 마스크의 슬릿 폭 설계를 통해 광손실이 없는 조건, 즉 광의 단열조건(adiabatic condition)을 만족하도록 하는 모드 변환기의 제작이 가능하다. 따라서, 기존에는 광손실을 최소화하기 위해 모드 변환기의 길이를 불필요하게 크게 하였으나, 본 발명은 종래에 비하여 모드 변환기의 길이를 보다 최소화할 수 있다는 이점이 있다.
넷 째, 모드 변환기를 필요로 하는 대부분의 고굴절률(High refractive Index) 광도파로의 경우, 식각 공정에서의 옆면 거칠기(sidewall roughness)가 광 손실의 주요한 원인으로 알려져 있다. 본 발명의 경우 광도파로와 모드 변환기의 표면 거칠기는 열처리 공정에서 제거되므로, 고굴절률 광도파로에서의 광손실을 감소시킬 수 있다는 이점이 있다.

Claims (12)

  1. 광의 전송 매체가 되는 광도파로를 갖는 평면광파회로의 제작 방법에 있어서,
    (b) 기판 위에 광의 전송 매체가 되는 기설정된 패턴의 초기 광도파로를 형성하는 과정과;
    (c) 상기 초기 광도파로에 열을 가하여 리플로우시키는 과정을 포함하고,
    상기 (c) 과정을 거친 변형된 광도파로가 그 길이 방향을 따라 변화하는 높이를 가질 수 있도록, 상기 초기 광도파로는 그 길이 방향을 따라 변화하는 하단 폭을 가짐을 특징으로 하는 평면광파회로의 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (a) 상기 기판 위에 하부 클래딩을 형성하는 과정을 더 포함하며,
    상기 (b) 과정에서 상기 초기 광도파로는 상기 하부 클래딩 위에 형성됨을 특징을 하는 평면광파회로의 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    (d) 상기 (c) 과정을 거친 변형된 광도파로 위에 상부 클래딩을 형성하는 과정을 더 포함함을 특징을 하는 평면광파회로의 제작 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 초기 광도파로의 단면은 사각형이며, 길이 방향에 따라 높이는 일정하고 폭은 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 평면광파회로의 제작 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (b) 과정의 초기 광도파로는 길이 방향에 따른 폭 d(x)와 높이 Tc를 가지며, 상기 (c) 과정을 거친 변형된 광도파로는 길이 방향에 따른 반경 R(x)을 가지며, 상기 광도파로들은 하기 <수학식 4>와 같은 관계를 가짐을 특징으로 하는 평면광파회로의 제작 방법.
    Figure 112004053223205-pat00004
  7. 제1항에 있어서, 상기 광도파로는 첨가물로 도핑된 실리카 재질인 것을 특징으로 하는 평면광파회로의 제작 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 첨가물은 GeO2, P2O5, B2O3, TiO2, Al2O3 로 이루어진 군 중에서 선택되거나 이들 다수의 조합인 것을 특징으로 하는 평면광파회로의 제작 방법.
  9. 광의 전송 매체가 되는 광도파로를 갖는 평면광파회로에 있어서,
    기판과;
    상기 기판 위에 형성되며 광의 전송 매체가 되는 기설정된 패턴의 광도파로를 포함하며,
    상기 광도파로는 열에 의해 리플로우되어 볼록하게 돌출된 형상을 가지며,
    상기 광도파로는 그 길이 방향을 따라 변화하는 높이 및 하단 폭을 가짐을 특징으로 하는 평면광파회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판 및 광도파로 사이에 형성된 하부 클래딩과;
    상기 광도파로 위에 형성된 상부 클래딩을 더 포함함을 특징으로 하는 평면광파회로.
  11. 제9항에 있어서, 리플로우되기 이전의 초기 광도파로는 길이 방향에 따른 폭 d(x)와 높이 Tc를 가지며, 상기 초기 광도파로를 리플로우시켜서 얻어진 상기 기설정된 패턴의 광도파로는 길이 방향에 따른 반경 R(x)을 가지며, 상기 광도파로들은 하기 <수학식 5>와 같은 관계를 가짐을 특징으로 하는 평면광파회로.
    Figure 112004053223205-pat00005
  12. 제9항에 있어서, 상기 광도파로는 첨가물로 도핑된 실리카 재질인 것을 특징으로 하는 평면광파회로.
KR1020040093724A 2004-11-16 2004-11-16 평면광파회로 및 그 제작 방법 KR100651560B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040093724A KR100651560B1 (ko) 2004-11-16 2004-11-16 평면광파회로 및 그 제작 방법
US11/250,234 US7336881B2 (en) 2004-11-16 2005-10-14 Planar lightwave circuit and fabrication method thereof
JP2005327268A JP2006146212A (ja) 2004-11-16 2005-11-11 平面光波回路及びその製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040093724A KR100651560B1 (ko) 2004-11-16 2004-11-16 평면광파회로 및 그 제작 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060054881A KR20060054881A (ko) 2006-05-23
KR100651560B1 true KR100651560B1 (ko) 2006-11-29

Family

ID=36386378

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040093724A KR100651560B1 (ko) 2004-11-16 2004-11-16 평면광파회로 및 그 제작 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7336881B2 (ko)
JP (1) JP2006146212A (ko)
KR (1) KR100651560B1 (ko)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006171078A (ja) * 2004-12-13 2006-06-29 Hitachi Cable Ltd ３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法
TW201316383A (zh) * 2011-10-12 2013-04-16 Univ Nat Taiwan 於非soi基板上製作矽波導之方法
CN107346048B (zh) * 2016-05-04 2020-02-18 苏州旭创科技有限公司 平面光波导器件及其制作方法
US10578719B2 (en) 2016-05-18 2020-03-03 James Thomas O'Keeffe Vehicle-integrated LIDAR system
US11340338B2 (en) 2016-08-10 2022-05-24 James Thomas O'Keeffe Distributed lidar with fiber optics and a field of view combiner
WO2018128655A2 (en) 2016-09-25 2018-07-12 Okeeffe James Distributed laser range finder with fiber optics and micromirrors
GB2570791B (en) 2016-05-18 2021-10-27 James Okeeffe A dynamically steered lidar adapted to vehicle shape
WO2018031830A1 (en) 2016-08-10 2018-02-15 Okeeffe James Laser range finding with enhanced utilization of a remotely located mirror
WO2018044958A1 (en) 2016-08-29 2018-03-08 Okeeffe James Laser range finder with smart safety-conscious laser intensity
WO2018126248A1 (en) 2017-01-02 2018-07-05 Okeeffe James Micromirror array for feedback-based image resolution enhancement
US10408940B2 (en) * 2016-09-25 2019-09-10 James Thomas O'Keeffe Remote lidar with coherent fiber optic image bundle
CN112394446B (zh) * 2019-08-13 2023-04-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5064266A (en) * 1990-07-05 1991-11-12 Photonic Integration Research, Inc. Circular channel waveguides and lenses formed from rectangular channel waveguides
US5310623A (en) * 1992-11-27 1994-05-10 Lockheed Missiles & Space Company, Inc. Method for fabricating microlenses
US5258012A (en) * 1992-06-30 1993-11-02 Ethicon, Inc. Surgical fasteners
JP2637891B2 (ja) * 1993-03-26 1997-08-06 日本電気株式会社 光導波路の製造方法
US5439782A (en) * 1993-12-13 1995-08-08 At&T Corp. Methods for making microstructures
US5546480A (en) * 1995-04-28 1996-08-13 Texas Instruments Incorporated Hybrid all optical silica waveguide modulator using non-linear electro-optic components
US5846694A (en) * 1996-02-13 1998-12-08 The Regents Of The University Of California Microminiature optical waveguide structure and method for fabrication
JP3976514B2 (ja) * 2001-04-05 2007-09-19 日本電気株式会社 光導波路の製造方法
EP1434068A3 (en) * 2002-12-02 2004-07-28 Shipley Company, L.L.C. Methods of forming waveguides that are rounded in cross section and waveguides formed therefrom

Also Published As

Publication number Publication date
US7336881B2 (en) 2008-02-26
US20060104585A1 (en) 2006-05-18
KR20060054881A (ko) 2006-05-23
JP2006146212A (ja) 2006-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7336881B2 (en) Planar lightwave circuit and fabrication method thereof
US7317853B2 (en) Integrated optics spot size converter and manufacturing method
US7218809B2 (en) Integrated planar composite coupling structures for bi-directional light beam transformation between a small mode size waveguide and a large mode size waveguide
US9658411B2 (en) Alignment of single-mode polymer waveguide (PWG) array and silicon waveguide (SiWG) array of providing adiabatic coupling
AU2004283319B2 (en) Planar waveguide with patterned cladding and method for producing same
EP3296783B1 (en) Integrated photonics waveguide grating coupler
US20160306117A1 (en) Tapered polymer waveguide
JP3976514B2 (ja) 光導波路の製造方法
US6870992B2 (en) Alignment apparatus and methods for transverse optical coupling
US20030077060A1 (en) Planar lightwave circuit optical waveguide having a circular cross section
JP2005025200A (ja) マイクロレンズ及びその製造方法、マイクロレンズが集積された光モジュール及びその製造方法
Ohno et al. Reduction in sidelobe level in ultracompact arrayed waveguide grating demultiplexer based on Si wire waveguide
WO2020105473A1 (ja) 光接続構造
JPH01134309A (ja) 光導波路の製造方法
KR100717421B1 (ko) 대형 코어 폴리머 광도파로를 이용한 가변 광 감쇠기
Zhu et al. Low Loss 1× 16/40 Flat Type Beam Splitters on Thin Film Lithium Niobate Using Photolithography Assisted Chemo‐Mechanical Etching
JP2809267B2 (ja) 光導波路デバイスとその製造方法
US7496262B2 (en) Method and apparatus for transforming optical wave modes
CN111624702B (zh) 一种正交双轴非球面光纤微透镜
JPH0720336A (ja) 光導波路の構造とその製造方法
WO2023238322A1 (ja) 光素子、光集積素子および光素子の製造方法
Lin et al. Ultracompact AWG using air-trench bends with perfluorocyclobutyl polymer waveguides
JP2007178643A (ja) 光導波路デバイス
JP2000304952A (ja) 屈折率分布型導波路デバイス及びその製造方法
JP2004233982A (ja) 光導波路部品およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121030

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131030

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee