KR100906659B1 - Two Dimensional Planar Photonic Crystal Superprism Device And Method Manufacturing Thereof - Google Patents

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KR100906659B1 KR1020070054852A KR20070054852A KR100906659B1 KR 100906659 B1 KR100906659 B1 KR 100906659B1 KR 1020070054852 A KR1020070054852 A KR 1020070054852A KR 20070054852 A KR20070054852 A KR 20070054852A KR 100906659 B1 KR100906659 B1 KR 100906659B1
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한영탁
김진태
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Abstract

본 발명은 나노 임프린트 리소그래피 기술을 이용하여 제작 공정을 단순화함으로써, 저가격화 및 대량 생산을 용이하게 하는 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 본 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼프리즘 소자는 테이퍼 구조의 직선 도파로와 곡면 도파로를 포함하는 단일모드 입력 도파로; 상기 단일 모드 입력 도파로의 출력단 측에 형성되며, 광자 결정 슈퍼 프리즘을 포함하는 슈퍼 프리즘; 및 테이퍼 구조의 직선 도파로와 곡면 도파로를 포함하며, 상기 광자 결정 슈퍼 프리즘에 인접하게 설치되는 단일모드 출력 도파로를 포함한다. 전술한 2차원 평면형 광자결정 슈퍼 프리즘 소자를 제작함에 있어, 나노 광집적회로(Nano-Photonic Integrated Circuits), 광자결정 집적회로(Photonic Crystal Integrated Circuits) 및 나노광시스템(Nano-Photonic Systems)를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 기존의 유리 프리즘에 비해 수백 배에 이르는 분산을 갖는 광자결정의 강한 분산을 이용한 파장 선택형 광자결정 슈퍼프리즘 소자를 나노 성형 기술인 열(thermal 또는 hot) 및 자외선(Ultra-Violet) 나노 임프린트 리소그래피 기술을 사용하여, 제작할 수 있다.The present invention relates to a two-dimensional planar photonic crystal superprism device and a method of fabricating the same by simplifying the fabrication process using nanoimprint lithography technology, thereby facilitating cost reduction and mass production. The two-dimensional planar photonic crystal superprism device includes a single mode input waveguide including a tapered linear waveguide and a curved waveguide; A super prism formed at an output end side of the single mode input waveguide and including a photonic crystal super prism; And a single-waveguide waveguide including a tapered linear waveguide and a curved waveguide, and installed adjacent to the photonic crystal super prism. In fabricating the above-described two-dimensional planar photonic crystal super prism device, nano-photonic integrated circuits, photonic crystal integrated circuits and nano-photonic systems are easily manufactured. Can be formed. In addition, the wavelength-selective photonic crystal superprism device using the strong dispersion of the photonic crystal having a dispersion of several hundred times compared with the conventional glass prism is used for thermal or hot-ultraviolet nanoimprint lithography technology. Can be produced.

평면형 광자 결정, 슈퍼프리즘, 각 분산(angular dispersion), 나노광시스템, 나노광집적회로, 고분자, 열 및 자외선 임프린트, 리소그래피 Planar photonic crystal, superprism, angular dispersion, nanophotosystem, nanophotonic integrated circuit, polymer, thermal and ultraviolet imprint, lithography

Description

2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자 및 그 제작 방법{Two Dimensional Planar Photonic Crystal Superprism Device And Method Manufacturing Thereof}Two-Dimensional Planar Photonic Crystal Superprism Device And Method Manufacturing Thereof}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 입출력 도파로를 포함한 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 전체 구조를 나타낸 개략적인 평면도이다. 1 is a schematic plan view showing the overall structure of a two-dimensional planar photonic crystal superprism device including an input-output waveguide according to an embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 개시된 슈퍼 프리즘의 구조 및 작동 상태를 확대한 평면도이다.2A and 2B are enlarged plan views of a structure and an operating state of the super prism disclosed in FIG. 1.

도 3은 본 발명에 따른 나노 임프린트 리소그래피를 이용한 고분자 기반형 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘의 제작 방법을 나타내는 공정 순서도이다. 3 is a process flow chart illustrating a method of fabricating a polymer-based two-dimensional planar photonic crystal superprism using nanoimprint lithography according to the present invention.

도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 고분자 기반형 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 4 is a schematic view showing a polymer-based two-dimensional planar photonic crystal superprism structure according to a first embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 나노 임프린트 리소그래피를 이용한 SOI(silicon on insulator) 기반형 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 제작 방법을 나타내는 공정 순서도이다.FIG. 5 is a process flowchart illustrating a method of fabricating a silicon on insulator (SOI) based two-dimensional planar photonic crystal superprism device using nanoimprint lithography according to the present invention.

도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 SOI기반형 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘을 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 6 schematically illustrates an SOI-based two-dimensional planar photonic crystal superprism according to a second embodiment of the present invention.

도 7은 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 광자 결정 구조를 나노 임 프린트 리소그래피에 의해 제작할 때, 나노 패턴을 용이하게 복제하기 위해 고려되어야 할 공기홀의 직경과 공기홀 간의 간격을 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing the diameter of the air holes and the distance between the air holes to be considered in order to easily duplicate the nanopattern when fabricating the photonic crystal structure of the two-dimensional planar photonic crystal superprism device by nanoimprint lithography.

도 8은 본 발명에 따른 제3 실시 예의 고분자 광자결정 슈퍼프리즘 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.8 is a view schematically showing a polymer photonic crystal superprism structure of a third embodiment according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 제4 실시 예의 고분자 광자결정 슈퍼프리즘의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.9 is a view schematically showing the structure of the polymer photonic crystal superprism of the fourth embodiment according to the present invention.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing a photonic band structure of the polymer photonic crystal superprism device according to the embodiment of the present invention.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **

10: 단일모드 입력도파로 12: 곡면 도파로10: single mode input waveguide 12: curved waveguide

11: 테이퍼 구조의 직선 입력도파로 11: tapered linear input waveguide

20: 슈퍼 프리즘 21: 슬랩20: Super Prism 21: Slap

22: 광자 결정 슈퍼 프리즘 23: 공기홀22: photonic crystal super prism 23: air hole

30: 단일모드 출력도파로 32: 곡면 도파로30: single mode output waveguide 32: curved waveguide

31: 테이퍼 구조의 직선 입력도파로 31: tapered linear input waveguide

301: 실리콘층 303: 고굴절률 고분자층(코어층)301: silicon layer 303: high refractive index polymer layer (core layer)

302: 저굴절률 고분자층(하부 클래드층)302: low refractive index polymer layer (lower cladding layer)

304: 금속 마스크 305: 임프린트용 고분자층304: metal mask 305: polymer layer for imprint

306: 스탬프 308: 공기층(상부 클래드층)306: stamp 308: air layer (upper clad layer)

401: SOI 웨이퍼 402: 하부 실리콘층401: SOI wafer 402: lower silicon layer

403: 산화 실리콘층(하부 클래드층) 404: 상부 실리콘층(코어층)403: silicon oxide layer (lower cladding layer) 404: upper silicon layer (core layer)

405: 금속 마스크 406: 임프린트층405: Metal Mask 406: Imprint Layer

407: 스탬프407: stamp

본 발명은 2차원 광자 결정 슈퍼프리즘 소자 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 나노 성형 기술인 열 및 자외선 임프린트 리소그래피 기술을 사용하는 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 다시 말해, 본 발명은 평면형 2차원 광자결정 소자를 고분자 및 SOI 소재를 이용하여 광을 전달하는 매체로 사용하는 소자를 제작하는 방법에 관한 것으로, 막대 구조나 홀(구멍) 구조를 주기적으로 패터닝하여 형성되는 2차원 평면형 광자결정 소자, 특히 슈퍼프리즘 소자 및 그 제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal superprism device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a two-dimensional planar photonic crystal superprism device using a thermal and ultraviolet imprint lithography technology, which is a nano-molding technology, and a manufacturing method thereof. . In other words, the present invention relates to a method for manufacturing a device using a planar two-dimensional photonic crystal device as a medium for transmitting light using a polymer and an SOI material, by periodically patterning a rod structure or a hole (hole) structure It relates to a two-dimensional planar photonic crystal device, in particular a super-prism device and a manufacturing method thereof.

일반적으로, 광자 결정(Photonic Crystal)은 광 파장에 해당하는 주기를 가지고 굴절률이 공간적으로 변하는 인공적인 구조물을 지칭한다. 광자 결정의 대표적인 특징으로는 광자띠 간격, 강한 비선형성 및 분산특성이 있다. 상기 광자 결정의 특징인 광자띠 간격은 주기적인 굴절률의 변화에 의해 광이 다중반사를 일으 킴에 따라 광자 결정 내부로 광이 전파되지 않고, 모두 반사되어 버리는 주파수 영역을 말한다. 광자띠 간격 주위에서는 분산이 강하게 왜곡되어 기존의 균일한 매질에서는 일어나지 않는 특이한 현상, 예를 들면, 슈퍼프리즘 현상 및 광 진행이 느려지는 현상 등이 일어난다. 광자결정 소자란 광자띠 간격, 광의 국소화, 비선형성 및 강한 분산특성을 보이는 광자결정을 이용한 나노 광소자이다.In general, photonic crystal refers to an artificial structure whose refractive index varies spatially with a period corresponding to the wavelength of light. Representative characteristics of photonic crystals include photon band spacing, strong nonlinearity and dispersion characteristics. The photon band spacing, which is characteristic of the photonic crystal, refers to a frequency region in which light is not propagated into the photonic crystal and all are reflected as the light is multi-reflected due to the change of the periodic refractive index. Dispersion is strongly distorted around the photon band spacing, resulting in unusual phenomena that do not occur in existing uniform media, such as superprisms and slow light propagation. Photonic crystal devices are nano-optical devices using photonic crystals that exhibit photonic band spacing, light localization, nonlinearity, and strong dispersion characteristics.

상기 광자 결정의 특징 중 광자띠 간격을 이용하면 광결정 다이오드와 전방향 거울 등을 제작할 수 있으며, 광의 국소화를 이용하면 광결정 레이저, 도파로, 필터, 광자결정 섬유 등을, 슈퍼프리즘(superprism) 현상을 이용하면 WDM(wavelength division multiplex) 분산기 등을, 비선형성을 이용하면 초소형 편광기 등을 제작할 수 있다. 상기 광자 결정 소자의 특성은 광자 결정의 주기가 다루는 파장보다 짧으며, 7 ~ 8주기로서 광자결정의 효과를 충분히 얻을 수 있으므로 기존의 광소자에 비해 그 효율이 매우 높고, 크기가 수 ~ 수십 마이크론 크기로 매우 작아, 개별 광자 결정 소자들의 유기적인 결합 및 집적화가 용이하여, 새로운 광자결정 집적회로 및 나노광 시스템을 구성하는데 매우 유리하다.Among the characteristics of the photonic crystal, a photonic band spacing can be used to fabricate a photonic crystal diode and an omnidirectional mirror, and by using localization of light, a superprism phenomenon is used for photonic crystal lasers, waveguides, filters, and photonic crystal fibers. When using a WDM (wavelength division multiplex) disperser, non-linearity can be used to produce a micro polarizer. The characteristics of the photonic crystal device are shorter than the wavelength of the photonic crystal cycle, and the effects of photonic crystals can be sufficiently obtained in the period of 7 to 8 cycles, and thus the efficiency is very high, and the size is several to several tens of microns. Very small in size, the organic coupling and integration of individual photonic crystal elements is facilitated, which is very advantageous for constructing new photonic crystal integrated circuits and nanophotonic systems.

그러나, 광자 결정 소자를 제작하는 기술은 SOI, GaAs, InP 등과 같은 고유전율의 물질을 반도체 소자 제작에 사용되는 딥(Deep) UV 리소그래피 또는 E-빔(beam) 리소그래피 등의 나노 리소그래피 기술, 전기 화학적 방법인 양극 산화법(anodization) 및 자기조립(self-assembly) 물질을 이용한 화학적 방법, 건식식각(dry etching) 등을 사용하여 제작하였으며, 이러한 방법은 공정이 복잡하고, 공정 단계가 복잡하고, 많아져서, 광자 결정 소자를 제작하는데 시간이 많이 소요되 는 비효율적인 문제가 있으며, 집적화 및 대면적으로 제작하는데 한계가 있어 대량생산이 용이하지 않다는 단점을 가지고 있다. However, photolithographic devices can be fabricated by nanolithography techniques such as deep UV lithography or E-beam lithography, which are used to fabricate high-k materials such as SOI, GaAs, InP, etc. The method was manufactured using chemical methods using anodic oxidation and self-assembly materials, dry etching, and the like. However, there is an inefficient problem in that it takes a long time to manufacture a photonic crystal device, and there is a limitation in the integration and large-area manufacturing, which makes it difficult to mass-produce.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목적은 기존의 반도체 기술에서 사용되는 패턴 제작기술로 도달하기 어려운 공정을 단순화하여, 시간을 절약하여 대량 생산을 가능하게 함으로써 저가격화를 가능하게 하는 2차원 평면형 광자결정 슈퍼 프리즘 소자 및 그 제작 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 나노 성형 기술인 열 및 자외선 임프린트 리소그래피 기술을 사용하여, 대량생산을 통한 저가격화가 가능한 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자 및 그 제작 방법을 제공하는 것이다. The present invention is an invention designed to solve the above-mentioned problems, the object of the present invention is to simplify the process difficult to reach the pattern manufacturing technology used in the conventional semiconductor technology, save time and enable mass production to reduce the cost To provide a two-dimensional planar photonic crystal super-prism device and a method of manufacturing the same. It is also an object of the present invention to provide a two-dimensional planar photonic crystal superprism device capable of low cost through mass production using thermal and ultraviolet imprint lithography technology, which is a nano molding technology, and a manufacturing method thereof.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자는 테이퍼 구조의 직선 도파로와 곡면 도파로를 포함하는 단일모드 입력 도파로; 상기 단일 모드 입력 도파로의 출력단 측에 형성되며, 슬랩과 광자 결정 슈퍼 프리즘을 포함하는 슈퍼 프리즘; 및 테이퍼 구조의 직선 도파로와 곡면 도파로를 포함하며, 상기 광자 결정 슈퍼 프리즘에 인접하게 설치되는 단일모드 출력 도파로를 포함한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, the two-dimensional planar photonic crystal super-prism device comprises a single mode input waveguide including a tapered linear waveguide and a curved waveguide; A super prism formed at an output end side of the single mode input waveguide and including a slab and a photonic crystal super prism; And a single-waveguide waveguide including a tapered linear waveguide and a curved waveguide, and installed adjacent to the photonic crystal super prism.

바람직하게, 상기 슈퍼 프리즘은 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형 성되며 고분자 물질로 이루어진 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층보다 굴절률이 높은 고굴절률 고분자 물질로 상기 하부 클래드층 상에 형성되며 다수의 공기홀을 포함하는 광자띠 간격 격자 구조를 가지는 코어층; 및 상기 코어층 상에 형성되며 공기층 또는 상기 코어층보다 굴절율이 낮은 저굴절률 고분자 물질로 이루어진 상부 클래드층을 포함한다.Preferably, the super prism is a silicon substrate; A lower clad layer formed on the silicon substrate and made of a polymer material; A core layer formed of a high refractive index polymer material having a higher refractive index than the lower clad layer and formed on the lower clad layer and having a photon band gap lattice structure including a plurality of air holes; And an upper clad layer formed on the core layer and made of an air layer or a low refractive index polymer material having a lower refractive index than the core layer.

상기 하부 클래드층은 공기홀 구조의 고분자층 또는 슬랩형 구조의 저굴절률 고분자층이며, 상기 하부 클래드층을 이루는 고분자 물질의 굴절률은 상기 상부 클래드층을 이루는 상기 저굴절률 고분자 물질과 같은 굴절률 또는 다른 굴절률을 갖는다. 상기 고굴절률의 고분자 물질은 굴절률이 1.4 ~ 1.8인 고분자 물질을 이용하며, 상기 저굴절률의 고분자 물질은 굴절률이 1.0 ~ 1.5인 고분자 물질을 이용한다.The lower clad layer may be a polymer layer having an air hole structure or a low refractive index polymer layer having a slab structure, and the refractive index of the polymer material constituting the lower clad layer may have the same refractive index or another refractive index as that of the low refractive index polymer material constituting the upper clad layer. Has The high refractive index polymer material uses a polymer material having a refractive index of 1.4 to 1.8, and the low refractive polymer material uses a polymer material having a refractive index of 1.0 to 1.5.

상기 광자 띠 간격 구조는 육각형 격자 배열이며, 상기 공기홀은 공기층 또는 상기 저굴절률의 고분자 물질로 채워진다. 상기 공기홀은 나노 임프린트 리소그래피 공정으로 형성된다. The photon band spacing structure is a hexagonal lattice arrangement, and the air holes are filled with an air layer or the low refractive index polymer material. The air holes are formed by a nano imprint lithography process.

한편, 상기 하부 클래드층은 산화 실리콘으로 이루어지며, 상기 코어층은 상기 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 갖는 실리콘으로 이루어진다.Meanwhile, the lower clad layer is made of silicon oxide, and the core layer is made of silicon having a higher refractive index than the lower clad layer.

본 발명의 다른 일측면에 예에 따르면, 실리콘 기판 상에 고분자 물질로 이루어진 하부 클래드층을 형성하는 단계; 상기 하부 클래드층 상에 상기 고분자 물질보다 굴절률이 높은 고굴절률 고분자 물질로 이루어진 코어층을 형성하는 단계; 상기 코어층 상에 금속 마스크와 임프린트용 고분자층을 형성하는 단계; 상기 임프린트용 고분자층을 스탬프 또는 몰드로 패터닝하여 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 이용하여 금속 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 코어층 및 상기 하부 클래드층 중 적어도 하나의 층을 패터닝하여 다수의 공기홀을 포함하는 광자 결정 격자 구조 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, forming a lower clad layer made of a polymer material on a silicon substrate; Forming a core layer made of a high refractive index polymer material having a higher refractive index than the polymer material on the lower clad layer; Forming a metal mask and an imprint polymer layer on the core layer; Patterning the imprint polymer layer with a stamp or a mold to form a mask pattern; Forming a metal mask pattern using the mask pattern; And patterning at least one layer of the core layer and the lower clad layer to form a photonic crystal lattice structure pattern including a plurality of air holes.

상기 코어층 및 상부 클래드층에 광자 결정 격자 구조 패턴을 형성하는 단계는, 상기 금속 마스크 패턴을 이용하여 상기 코어층 및 상기 상부 클래드층을 식각하여 형성하거나, 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 상기 코어층 및 상기 상부 클래드층을 직접 임프린팅한다. 상기 광자 결정 격자 구조 패턴을 형성하는 단계는 상기 공기홀의 직경과 상기 공기홀 중심 간의 간격의 비를 55%이하로 조절한다. 상기 광자 결정 격자 구조의 전체 패턴의 크기, 패턴의 밀도 및 상기 스탬프 또는 몰드의 크기에 따라 상기 공기홀의 직경과 상기 공기홀 중심 간의 간격의 비를 조절한다. 상기 스탬프 또는 몰드는 금속, 실리콘, 쿼츠, 및 고분자 물질 중 어느 하나로 제작된다.Forming a photonic crystal lattice structure pattern on the core layer and the upper cladding layer may be formed by etching the core layer and the upper cladding layer by using the metal mask pattern or by using a nanoimprint lithography process. And directly imprinting the upper clad layer. Forming the photonic crystal lattice structure pattern adjusts the ratio of the gap between the diameter of the air hole and the center of the air hole to 55% or less. The ratio of the gap between the diameter of the air hole and the center of the air hole is adjusted according to the size of the entire pattern of the photonic crystal lattice structure, the density of the pattern, and the size of the stamp or mold. The stamp or mold is made of any one of metal, silicon, quartz, and polymeric material.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 구조를 용이하게 제작할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that the present invention may be easily manufactured in detail to those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 입출력 도파로를 포함한 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 전체 구조를 나타낸 개략적인 평면도이다. 도 1을 참조 하면, 본 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자(1)는 단일 모드 입력 도파로(10), 슈퍼 프리즘(20) 및 단일 모드 출력 도파로(30)를 포함한다. 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리 소자는 수평방향으로는 2차원 광자띠간격(PBG) 구조에 의해서, 수직방향으로는 전반사조건에 의해서 광파가 코어층 내부로 집속되어 진행한다.1 is a schematic plan view showing the overall structure of a two-dimensional planar photonic crystal superprism device including an input-output waveguide according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the two-dimensional planar photonic crystal super prism device 1 includes a single mode input waveguide 10, a super prism 20, and a single mode output waveguide 30. In the two-dimensional planar photonic crystal superfree device, light waves are focused into the core layer by a two-dimensional photon band gap (PBG) structure in the horizontal direction and by total reflection conditions in the vertical direction.

단일 모드 입력 도파로(10)는 테이퍼 구조의 직선 입력도파로(11; Fiber-in taper structure) 및 곡면도파로(12; bending structure)를 포함하는 구성으로, 직선 입력도파로(11) 사이에 곡면도파로(12)가 마련되어 있는 형태이다. 단일 모드 출력도파로(30) 역시 테이퍼구조의 직선 출력도파로(31) 및 곡면도파로(32)를 포함하는 구조로, 한 쌍의 직선 출력도파로(31) 사이에 곡면도파로(32)가 설치되어 있는 형태이다. 한편, 본 발명의 가장 특징적인 구성요소인 슈퍼 프리즘(20)은 단일 모드 입력 도파로(10)의 출력단 측에 슬랩(21)과 광자 결정 슈퍼프리즘(22; photonic crystal super prism)으로 구성된다. The single mode input waveguide 10 includes a tapered linear input waveguide 11 and a curved waveguide 12, and a curved waveguide 12 between the linear input waveguides 11. ) Is provided. The single mode output waveguide 30 also includes a tapered linear output waveguide 31 and a curved waveguide 32, in which a curved waveguide 32 is provided between a pair of linear output waveguides 31. to be. On the other hand, the most characteristic component of the present invention, the super prism 20 is composed of a slab 21 and a photonic crystal super prism 22 on the output end side of the single mode input waveguide 10.

도 1에 개시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 모드 입력도파로(10)의 입력 방향과 단일모드 출력 도파로(30)의 출력방향이 서로 수직을 이루는 것은, 광 특성을 측정할 때 단일모드 입력도파로(10)를 통해 입력된 광이 슈퍼 프리즘(20)에서 분산되어 단일모드 출력도파로(30)를 통해 나오는 광을 명확하게 측정하기 위한 것이다. 또한, 입력 및 출력 도파로(10, 30)가 같은 선상에 있을 때 입력 도파로 및 출력 도파로(10, 30)와 슈퍼프리즘(20)을 통해 분산되어 나오는 광과 공기를 통해 전달되는 광이 같이 측정되는 것을 방지하기 위한 것이다.As illustrated in FIG. 1, the input direction of the single mode input waveguide 10 and the output direction of the single mode output waveguide 30 are perpendicular to each other when the optical characteristic is measured. The light input through 10 is dispersed in the super prism 20 so as to clearly measure the light emitted through the single mode output waveguide 30. In addition, when the input and output waveguides 10 and 30 are on the same line, light emitted through the input waveguide and output waveguides 10 and 30 and the superprism 20 and light transmitted through the air are measured together. It is to prevent that.

전술한 구조를 갖는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자(1)를 고분자 기반으로 형성하는 경우에는, 단일모드 입력도파로(10) 및 출력 도파로(30)를 구성하는 직선 입력도파로(11) 및 직선 출력도파로(31)의 각각의 폭(width)은 1.6㎛이다. 단일 모드 입력도파로(10) 및 단일모드 출력도파로(30)의 높이, 즉, 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자(1)의 형성 높이는 0.93㎛(1.5a, a는 격자 상수) 정도이다. 여기서, 격자 상수(a)는 광자 결정 슈퍼 프리즘(22) 내부에 포함된 공기홀 간 간격을 나타낸다. 단일모드 입력 및 출력 도파로(10,30)는 전파의 진행 방향에 전계성분이 존재하는 유사 TE 모드(Quasi TE-like mode)로 입사되며, 1496 ~ 1586㎚ 파장대역에서 단일 모드 조건(single mode condition)을 만족하며, 소자 외부에 마련된 파이버에서 단일모드 입력 도파로(10)로의 입력은 모드 변환기(mode converter)를 적용한다. 입력도파로(10)와 파이버 사이의 접속손실(coupling loss)은 1.64 ~ 1.73dB 정도이다. 또한, 테이퍼 구조의 입력 도파로(11)에 입력되는 광 모드(mode) 크기는 1496 ~ 1586㎚ 파장대역에서 약 12.5㎛이고, 테이퍼구조의 출력도파로(31) 역시 약 12.5㎛의 광 모드 크기를 갖는 광을 수광할 수 있는 크기이다. 입력 및 출력도파로(10, 30)를 구성하는 곡면 도파로(12, 32)의 곡면(bending) 반경(radius)은 입력되는 파의 비팅(beating)이 없도록 충분히 큰 크기를 갖는 것이 바람직하며, 본 실시 예에서는 250㎛이다.When the two-dimensional planar photonic crystal super-prism element 1 having the above-described structure is formed on a polymer basis, the linear input waveguide 11 and the linear output which constitute the single mode input waveguide 10 and the output waveguide 30 are formed. Each width of the waveguide 31 is 1.6 mu m. The height of the single mode input waveguide 10 and the single mode output waveguide 30, that is, the formation height of the photonic crystal super prism element 1 is about 0.93 mu m (1.5a, where a is a lattice constant). Here, the lattice constant (a) represents the distance between air holes included in the photonic crystal super prism 22. The single mode input and output waveguides 10 and 30 are incident in a quasi TE-like mode in which a field component exists in the propagation direction of the radio wave, and is in a single mode condition in the wavelength range of 1496 to 1586 nm. The input to the single mode input waveguide 10 from a fiber provided outside the device applies a mode converter. Coupling loss between the input waveguide 10 and the fiber is about 1.64 ~ 1.73dB. In addition, the optical mode size input to the tapered structure of the input waveguide 11 is about 12.5 μm in the wavelength band 1496 to 1586 nm, and the tapered output waveguide 31 also has an optical mode size of about 12.5 μm. It is the size that can receive light. It is preferable that the curved radii of the curved waveguides 12 and 32 constituting the input and output waveguides 10 and 30 have a sufficiently large size so that there is no beat of the input wave. In the example, it is 250 micrometers.

전술한 구조를 갖는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자를 화합물 반 도체인 SOI 기반으로 형성하는 경우에는, 단일모드 입력도파로(10) 및 단일모드 출력 도파로(30)를 구성하는 직선 입력도파로(11) 및 직선 출력도파로(31)의 각각의 폭(width)은 0.5㎛이다. 입력도파로(10) 및 출력도파로(30)의 높이, 즉, 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자(1)의 형성 높이는 0.26㎛(0.8a, a는 격자 상수) 정도이다. 여기서, 격자 상수(a)는 광자 결정 슈퍼 프리즘(22) 내부에 포함된 공기홀 간 간격을 나타낸다. 입력 및 출력 도파로(10, 30)는 유사 TE 모드(Quasi TE-like mode)로 입사되며, 1547 ~ 1556㎚ 파장대역에서 단일 모드 조건을 만족하며, 소자 외부에 마련된 파이버에서 입력도파로(10)로의 입력은 모드 변환기(mode converter)를 적용한다. 테이퍼 구조의 직선 입력도파로(11)에 입력되는 광 모드(mode) 크기는 1547 ~ 1556㎚ 파장대역에서 약 3.5㎛이다. 테이퍼구조의 직선 출력도파로(31)도 약 3.5㎛의 모드 크기를 갖는 광을 수광하기 위한 크기를 갖는다. 곡면도파로(12, 32)의 곡면(bending) 반경은 파의 비팅(beating)이 없도록 충분히 큰 크기를 갖는 것이 바람직하며, 약 200㎛이다.When the two-dimensional planar photonic crystal super-prism element having the above-described structure is formed on the basis of SOI, which is a compound semiconductor, the linear input waveguide 11 constituting the single mode input waveguide 10 and the single mode output waveguide 30. And the width of each of the linear output waveguides 31 is 0.5 탆. The height of the input waveguide 10 and the output waveguide 30, that is, the formation height of the photonic crystal super prism element 1 is about 0.26 탆 (0.8a, where a is a lattice constant). Here, the lattice constant (a) represents the distance between air holes included in the photonic crystal super prism 22. The input and output waveguides 10 and 30 are incident in quasi TE-like mode, satisfy single mode conditions in the wavelength range of 1547-1556 nm, and are provided from the fiber provided outside the device to the input waveguide 10. The input applies a mode converter. The optical mode size input to the linear input waveguide 11 of the tapered structure is about 3.5 μm in the wavelength band of 1547-1556 nm. The tapered linear output waveguide 31 also has a size for receiving light having a mode size of about 3.5 mu m. The bending radius of the curved waveguides 12 and 32 is preferably large enough so that there is no beat of the wave, and is about 200 mu m.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 개시된 슈퍼 프리즘의 구조 및 작동 상태를 확대한 평면도이다. 구체적으로, 도 2a는 도 1에 개시된 광자결정 슈퍼 프리즘의 구조 및 파의 진행 방향을 나타내는 도면이다. 도 1에 따르면, 슈퍼 프리즘(20)은 슬랩 구조를 갖는 것으로, 슬랩 영역(21)과 광자 결정 슈퍼 프리즘(22)을 포함한다. 도 2a를 참조하면, 광자 결정 슈퍼 프리즘(22)은 다수의 공기홀(23)을 포함하며, 상기 공기홀(23) 들은 육각형 격자 어레이 패턴 구조(Ⅰ)로 반복적으로 형성되어 있다. 상기 격자 어레이 패턴 구조는 파의 진행방향을 표시한 최소 브릴루앙 영역(irreducible brillouin zone)을 나타내는 것으로, 육각 영역에 개시된 Γ, M, K는 파의 진행 방향을 표시한다. 구체적으로, Γ, M, K는 삼각 격자의 역 격자 공간에서의 대칭점을 표시한 것으로 격자를 기준으로 한 파의 진행 방향을 나타낸다. 2A and 2B are enlarged plan views of a structure and an operating state of the super prism disclosed in FIG. 1. Specifically, FIG. 2A is a diagram showing the structure of the photonic crystal super prism disclosed in FIG. 1 and the traveling direction of the wave. According to FIG. 1, the super prism 20 has a slab structure, and includes a slab region 21 and a photonic crystal super prism 22. Referring to FIG. 2A, the photonic crystal super prism 22 includes a plurality of air holes 23, and the air holes 23 are repeatedly formed in a hexagonal lattice array pattern structure (I). The lattice array pattern structure represents a minimum irreducible brillouin zone representing the wave traveling direction, and Γ, M and K disclosed in the hexagonal area indicate the traveling direction of the wave. Specifically, Γ, M, and K represent symmetry points in the inverse lattice space of the triangular grating, and indicate the direction of wave propagation with respect to the grating.

도 2b는 도 2a의 Ⅰ영역(공기홀 육각형 격자 어레이 패턴)을 확대한 확대 평면도이다. 도 2b에 개시된 바와 같이, 광자 결정 슈퍼 프리즘(22)을 구성하는 육각형 격자 어레이 패턴 구조는 중앙에 하나의 공기홀(23)을 포함하며, 그 둘레에 육각형 형태로 둘러싸인 공기홀(23)을 포함한다. 각 공기홀(23)의 반경은 r이고, 인접한 공기홀(23)의 중심간 거리는 a(격자 상수), 즉, 공기홀(23)의 주기이고, 육각형 격자 어레이 패턴 중 가장 멀리 떨어진 두 개의 공기홀(23) 간 거리(d, 선결함 폭)는 a*sqrt(3)이다. 상기 공기홀(23)은 후 공정에서 개시된 바와 같이, 열 및 자외선 임프린트 리소 그래피 기술로 형성한다. FIG. 2B is an enlarged plan view enlarging the region I (air hole hexagonal lattice array pattern) of FIG. 2A. As shown in FIG. 2B, the hexagonal lattice array pattern structure constituting the photonic crystal super prism 22 includes one air hole 23 in the center and an air hole 23 enclosed in a hexagonal shape around the hexagonal lattice array pattern structure. do. The radius of each air hole 23 is r, and the distance between the centers of adjacent air holes 23 is a (lattice constant), that is, the period of the air holes 23, and the two farthest air in the hexagonal grid array pattern. The distance d (predecessor width) between the holes 23 is a * sqrt (3). The air holes 23 are formed by thermal and ultraviolet imprint lithography techniques, as disclosed in later processes.

상기와 같은 육각형 격자 어레이 패턴(Ⅰ)을 갖는 광자 결정 슈퍼 프리즘(22)으로 입사파가 입사되면, 광자 결정 슈퍼 프리즘(22)에서 분산되는 분산파 및 광자 결정 슈퍼 프리즘(22)의 단부에서 반사되는 반사파가 생성된다. 광자 결정 슈퍼 프리즘(22)에서 분산된 분산파는 출력 도파로(30)를 통해 출력된다. When an incident wave enters the photonic crystal super prism 22 having the hexagonal lattice array pattern I as described above, it is reflected at the end of the scattered wave and the photonic crystal super prism 22 dispersed in the photonic crystal super prism 22. The reflected wave is generated. The dispersion wave dispersed in the photonic crystal super prism 22 is output through the output waveguide 30.

도 3은 본 발명에 따른 나노 임프린트 리소그래피를 이용한 고분자 기반형 2 차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘의 제작 방법을 나타내는 공정 순서도이다. 일반적으로, 고분자 기반형 광자 결정 슈퍼 프리즘(22)은 실리콘층, 하부 클래드층, 코어층, 및 상부 클래드층으로 이루어진다. 도 3에 개시된 바왁 바와 같이 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자(1)를 고분자 기반으로 제조하는 경우에는, 저 굴절률의 차이를 이용한 굴절률 분포를 갖는 광자결정(low index contrast photonic crystal)으로서, 낮은 굴절률 차이를 가져도 광자띠간격(PBG)이 형성되도록 설계하며, 고분자 소재만을 기반으로 하여 코어층이 이루어지는 슬랩 구조를 갖는 완전 고분자 2차원 광자결정소자를 나타낸다. 특히, 나노 임프린트(리소그라피) 기술을 이용하여 제작되는 고분자 광자결정 슈퍼프리즘을 제안한다. 3 is a process flow chart showing a method of fabricating a polymer-based two-dimensional planar photonic crystal superprism using nanoimprint lithography according to the present invention. Generally, the polymer-based photonic crystal super prism 22 is composed of a silicon layer, a lower clad layer, a core layer, and an upper clad layer. As shown in FIG. 3, when the two-dimensional planar photonic crystal super-prism device 1 is manufactured on a polymer basis, it is a low index contrast photonic crystal having a refractive index distribution using a low refractive index difference. It is designed to form a photon band gap (PBG) even if there is a difference, and represents a fully polymer two-dimensional photonic crystal device having a slab structure in which a core layer is formed based on only a polymer material. In particular, we propose a polymer photonic crystal superprism fabricated using nanoimprint (lithography) technology.

도 3의 (a)를 참조하면, 고분자 기반형 2차원 광자 결정 슈퍼프리즘을 제작하기 위해서는, 우선 실리콘 기판(301) 상에 저굴절률 고분자를 코팅하여 하부 클래드층으로 이용될 저굴절률 고분자층(302)을 형성한다. 저굴절률 고분자 물질은 굴절률이 1.0 ~ 1.5인 열가소성 고분자(thermoplastic polymer), 열경화성 고분자 (thermosetting polymer) 및 UV 경화 고분자 (UV curable polymer) 중 적어도 하나를 이용한다. Referring to FIG. 3A, in order to fabricate a polymer-based two-dimensional photonic crystal superprism, first, a low refractive index polymer layer 302 to be used as a lower clad layer by coating a low refractive index polymer on a silicon substrate 301. ). The low refractive index polymer material uses at least one of a thermoplastic polymer, a thermosetting polymer and a UV curable polymer having a refractive index of 1.0 to 1.5.

저굴절률 고분자층(302) 상에는 고굴절률 고분자를 코팅하여 광자결정 슈퍼 프리즘의 코어층으로 사용될 고굴절률 고분자층(303)을 형성한다. 고굴절률 고분자 물질은 굴절률이 1.4~ 1.8인 열가소성 고분자(thermoplastic polymer), 열경화성 고분자 (thermosetting polymer) 및 UV 경화 고분자 (UV curable polymer) 중 적어도 하나를 이용한다. 예를 들면, 고굴절률 고분자층(303)의 굴절률이 1.4일 때, 저굴절률 고분자층(302)은 1.0 ~ 1.39 범위의 굴절률을 가질 수 있으며, 고굴절률 고분자층(303)의 굴절률이 1.8일 때, 저굴절률 고분자층(302)은 1.0 ~ 1.5 범위의 굴절률을 가질 수 있는 것이다, 즉, 특성이 가장 좋으려면 고굴절률 층과 저굴절률 층의 굴절률 차이가 가장 큰 경우일 것이다. The high refractive index polymer is coated on the low refractive index polymer layer 302 to form a high refractive index polymer layer 303 to be used as a core layer of the photonic crystal super prism. The high refractive index polymer material uses at least one of a thermoplastic polymer having a refractive index of 1.4 to 1.8, a thermosetting polymer, and a UV curable polymer. For example, when the refractive index of the high refractive index polymer layer 303 is 1.4, the low refractive index polymer layer 302 may have a refractive index in the range of 1.0 to 1.39, when the refractive index of the high refractive index polymer layer 303 is 1.8. The low refractive index polymer layer 302 may have a refractive index in the range of 1.0 to 1.5. That is, the best refractive index may be the case where the refractive index difference between the high refractive index layer and the low refractive index layer is the largest.

고굴절률 고분자층(303) 상에는 고굴절률 고분자층(303)을 식각하기 위해 사용될 금속 마스크(304)를 증착한다. 금속 마스크(304) 상에는 임프린트용 고분자층(305)이 형성된다. 상기 고분자층(302, 303, 305) 들은 각 고분자층의 두께에 따라 시간을 달리하여 스핀코팅되어 형성된다.On the high refractive index polymer layer 303 is deposited a metal mask 304 to be used to etch the high refractive index polymer layer 303. An imprint polymer layer 305 is formed on the metal mask 304. The polymer layers 302, 303, and 305 are formed by spin coating at different times depending on the thickness of each polymer layer.

한편, 다수의 고분자층들 사이에 형성되는 금속 마스크(304)는 스퍼터링 방법을 이용하여 증착하는 것이 바람직하며, 상기 금속 마스크(304)의 증착 두께는 임프린트용 고분자층(305)과 후공정에 사용될 임프린트용 스탬프(307)의 광자 결정 패턴 높이와 직접 연관된다. 또한, 금속 마스크(304)의 증착 두께는 고굴절률 고분자층(303) 및 저굴절률 고분자층(303)의 코팅 두께와 식각비 등을 고려하여 결정하는 것으로, 바람직하게는 코팅된 고분자층들의 두께 보다 얇게 형성한다. 즉, 고분자층들에 비해 상대적으로 식각 속도가 느린 금속 마스크(304)의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하다. Meanwhile, the metal mask 304 formed between the plurality of polymer layers is preferably deposited using a sputtering method, and the deposition thickness of the metal mask 304 may be used for the post-process of the polymer layer 305 for imprint. It is directly associated with the photonic crystal pattern height of the imprint stamp 307. In addition, the deposition thickness of the metal mask 304 is determined in consideration of the coating thickness and the etching ratio of the high refractive index polymer layer 303 and the low refractive index polymer layer 303, and preferably the thickness of the coated polymer layers Form thinly. That is, it is preferable to form a thin thickness of the metal mask 304 having a relatively slow etching speed compared to the polymer layers.

도 3의 (b)를 참조하면, (a)에서 순차적으로 적층된 고분자층들의 상부, 즉, 임프린트용 고분자층(305) 상에 열 또는 자외선 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프(몰드)를 배치한다. 이때, 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프(306)는 최상부에 위치한 임프린트용 고분자층(305) 상에 접촉되게 또는 접촉되지 않게 배치한다. 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프(306)는 실리카, 고분자, 금속 및 유리(glass) 등으로 제작한다.Referring to (b) of FIG. 3, a stamp (mold) for thermal or ultraviolet nanoimprint lithography is disposed on the polymer layers sequentially stacked in (a), that is, on the imprint polymer layer 305. At this time, the nanoimprint lithography stamp 306 is disposed on or in contact with the imprint polymer layer 305 located at the top. The stamp 306 for nanoimprint lithography is made of silica, polymer, metal, glass, or the like.

다음 공정에서는, 도 3의 (c)를 참조하면, 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프(306)를 이용하여 임프린트용 고분자층(305)을 경화하여 패터닝한다. 이때, 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프(306) 중 열 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프인 경우에는, 고굴절률 고분자의 유리 전이 온도(glass transition temperature)보다 약 60 ~ 100℃ 높은 온도에서 10 ~ 60 bar로 고굴절률 고분자층(303)을 가압한다. 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프 중 자외선 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프인 경우에는, 자외선의 조사에 의해 고분자가 경화되므로, UV 경화 고분자의 경화 특성을 고려하여 나노 임프린트를 수행한다. 상기 자외선 조사에 사용되는 자외선은 일반적으로 사용되는 고분자 소재에 따라 파장이 280 ~ 320㎚ 또는 330 ~ 390㎚인 UV-광원(light source)이 사용되며, 스핀 코팅된 각 고분자층의 두께에 따라 시간을 달리하여 3㎽/㎠ 에서 100㎽/㎠의 파워를 사용하여 2분　~ 60분 동안 조사되며, 이때 압력은 1 bar이하로 적용된다.In the next step, referring to FIG. 3C, the imprint polymer layer 305 is cured and patterned using the stamp 306 for nanoimprint lithography. At this time, in the case of the stamp for thermal nanoimprint lithography among the nanoimprint lithography stamp 306, the high refractive index polymer is 10 to 60 bar at a temperature of about 60 to 100 ° C. higher than the glass transition temperature of the high refractive index polymer. Pressurize layer 303. In the case of a stamp for ultraviolet nanoimprint lithography among the stamps for nanoimprint lithography, since the polymer is cured by irradiation of ultraviolet rays, the nanoimprint is performed in consideration of the curing characteristics of the UV curable polymer. Ultraviolet rays used in the ultraviolet irradiation are generally UV-light sources having a wavelength of 280 to 320 nm or 330 to 390 nm, depending on the polymer material used, and depending on the thickness of each spin-coated polymer layer. By using a different power from 3㎽ / ㎠ to 100㎽ / ㎠ for 2 minutes ~ 60 minutes, the pressure is applied below 1 bar.

도 3의 (d)를 참조하면, 도 3의 (c)에 개시된 바와 같이, 열 또는 UV 자외선 조사에 의해 고분자층이 경화되고, 임프린트 리소그래피 공정에 의해 임프린트용 고분자층상에 고분자 광자 결정 패턴(305a)이 형성된 다음에는, 임프린트 리소그래 피용 스탬프(몰드, 306)를 임프린트용 고분자층(306)에서 제거한다. Referring to FIG. 3D, as disclosed in FIG. 3C, the polymer layer is cured by heat or UV ultraviolet irradiation, and the polymer photonic crystal pattern 305a is formed on the polymer layer for imprint by an imprint lithography process. ) Is formed, the imprint lithography stamp (mold) 306 is removed from the imprint polymer layer 306.

스탬프(306)가 제거된 다음, 고분자 광자 결정 패턴(305a)이 형성된 내부에는 금속 마스크(305)와의 경계면 상에 임프린트용 고분자층의 잔류층(305b)이 남게 된다. 임프린트용 고분자층의 잔류층(305b)이 남게 되면, O2 플라즈마 에싱(plasma ashing) 공정을 이용하여 광자결정 패턴 내부에 잔류하는 임프린트용 고분자막 잔류층(305b)을 제거한다. 이때, 임프린트용 고분자층(305) 재료의 점도 등을 낮추면, 광자 결정 패턴(305a) 내부에 고분자층의 잔류층을 남지 않게 할 수 있다. After the stamp 306 is removed, the remaining layer 305b of the imprint polymer layer remains on the interface with the metal mask 305 inside the polymer photonic crystal pattern 305a. When the remaining layer 305b of the imprint polymer layer remains, the imprint polymer layer remaining layer 305b remaining in the photonic crystal pattern is removed by using an O 2 plasma ashing process. In this case, when the viscosity of the material of the imprint polymer layer 305 is lowered, the residual layer of the polymer layer may not be left inside the photonic crystal pattern 305a.

다음 단계에서는, 도 3의 (e)를 참조하면, 광자 결정 패턴(305a)을 마스크로 이용하여, 금속 마스크(304)를 식각한다. 금속 마스크(304)는 건식/습식 식각을 모두 이용할 수 있다. 광자 결정 패턴(305a)을 이용하여 금속 마스크(304)를 식각할 때, 금속 마스크(304)와 임프린트용 고분자층(305)의 식각 선택비에 따라 임프린트용 고분자층(305)의 일부가 금속 마스크(304)와 함께 식각된다. In the next step, referring to FIG. 3E, the metal mask 304 is etched using the photonic crystal pattern 305a as a mask. The metal mask 304 may use both dry and wet etching. When the metal mask 304 is etched using the photonic crystal pattern 305a, a part of the imprint polymer layer 305 may be partially masked according to the etching selectivity of the metal mask 304 and the imprint polymer layer 305. Etched with 304.

도 3의 (f)를 참조하면, 식각된 금속 마스크 패턴을 이용하여, 고굴절률 고분자층(303)과 저굴절률 고분자층(302)을 식각함으로써, 하부 클래드층과 코어층이 형성된다. 마지막 단계에서는 고굴절률 고분자층(303) 상에 남아 있는 금속 마스크(304) 패턴을 제거한다. 전술한 공정 순서에 따르면, 2차원 평면형 고분자 광자결정 슈퍼프리즘이 완성된다.Referring to FIG. 3F, the lower clad layer and the core layer are formed by etching the high refractive index polymer layer 303 and the low refractive index polymer layer 302 using the etched metal mask pattern. In the last step, the metal mask 304 pattern remaining on the high refractive index polymer layer 303 is removed. According to the above-described process sequence, the two-dimensional planar polymer photonic crystal superprism is completed.

도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 고분자 기반형 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 고분자 기반 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘은 실리콘(silicon) 기판(301), 실리콘 기판(301) 상에 굴절률(n)이 1.3 이하인 저굴절률 고분자를 스핀 코팅하여 형성된 저굴절률 고분자층(302)인 하부 클래드층, 저굴절률 고분자층(302) 상에 굴절률이 1.59이상인 고굴절률 고분자를 스핀코팅하여 형성된 고굴절률 고분자층(303)인 코어층을 포함한다. 코어층인 고굴절률 고분자층(303) 상에는 고굴절률 고분자층(303) 보다 굴절률이 작은 공기층으로 이루어진 상부 클래드층(308)이 형성된다. 저굴절률 고분자층(302)은 저굴절률 고분자 물질인 테프론(teflon)이 사용된다. 본 광자 결정 슈퍼 프리즘 구조는 저굴절률 고분자층(302) 및 고굴절률 고분자층(303)을 포함하는 2층(layer) 고분자층 구조를 형성한 후, 열 또는 자외선 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 패터닝함으로써 형성한다. 다시 말해, 도 4는 도 3의 제작 공정을 이용하여, 공기층인 상부 클래드층(308), 공기홀을 포함하는 고굴절률 고분자층인 코어층(303), 공기홀을 포함하는 저굴절률 고분자층인 하부 클래드층(302)을 포함하는 2차원 평면형 고분자 광자결정 슈퍼프리즘을 나타내고 있다.4 is a schematic view showing a polymer-based two-dimensional planar photonic crystal superprism structure according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the polymer-based two-dimensional planar photonic crystal super prism is a low refractive index polymer formed by spin coating a low refractive index polymer having a refractive index n of 1.3 or less on a silicon substrate 301 and a silicon substrate 301. A core layer, which is a high refractive index polymer layer 303, formed by spin coating a high refractive index polymer having a refractive index of 1.59 or more on the lower clad layer, which is a layer 302, and the low refractive index polymer layer 302. On the high refractive index polymer layer 303 which is a core layer, an upper cladding layer 308 made of an air layer having a smaller refractive index than the high refractive index polymer layer 303 is formed. The low refractive index polymer layer 302 is made of teflon, which is a low refractive index polymer material. The photonic crystal super prism structure is formed by forming a two-layer polymer layer structure including a low refractive index polymer layer 302 and a high refractive index polymer layer 303, and then patterning the same using a thermal or ultraviolet nanoimprint lithography process. Form. In other words, FIG. 4 is an upper clad layer 308 which is an air layer, a core layer 303 which is a high refractive index polymer layer including air holes, and a low refractive index polymer layer including air holes, using the fabrication process of FIG. A two-dimensional planar polymer photonic crystal superprism including a lower clad layer 302 is shown.

도 5는 본 발명에 따른 나노 임프린트 리소그래피를 이용한 SOI(silicon on insulator) 기반형 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 제작 방법을 나타내 는 공정 순서도이다. SOI 기반형 광자결정 슈퍼프리즘의 경우는, 고굴절률의 차이를 이용한 굴절률 분포를 갖는 광자결정(high index contrast photonic crystal)으로서, 전자빔 리소그래피와 건식식각 공정을 사용하지 않고, 대량생산 및 저가격화를 목적으로 한 단순 제작공정인 나노 임프린트 리소그래피를 사용하여 제작된다. 도 5를 참조하면, 도 3과 다르게 반도체 재료를 사용하여 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 구조를 제작하는 공정 순서를 나타내는 것으로, SOI 기반형 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 구조는 SOI 뿐만 아니라 GaAs, InP 등의 화합물 반도체 재료를 이용한다.FIG. 5 is a process flowchart illustrating a method of fabricating a silicon on insulator (SOI) -based two-dimensional planar photonic crystal superprism device using nanoimprint lithography according to the present invention. The SOI-based photonic crystal superprism is a high index contrast photonic crystal having a refractive index distribution using a high refractive index difference, and aims at mass production and low cost without using electron beam lithography and dry etching processes. Nano imprint lithography, a simple fabrication process. Referring to FIG. 5, unlike FIG. 3, a process sequence for fabricating a two-dimensional planar photonic crystal super-prism structure using a semiconductor material is illustrated. The SOI-based two-dimensional planar photonic crystal super-prism structure includes not only SOI but also GaAs, InP. Compound semiconductor materials, such as these, are used.

도 5의 (a)를 참조하면, 본 실시 예에 따른 광자 결정 슈퍼 프리즘 구조는 SOI 웨이퍼(401)를 사용한다. 준비된 SOI 웨이퍼(401)는 하부 실리콘층(402), 산화 실리콘층(SiO2, 403) 및 상부 실리콘층(404)을 포함한다.Referring to FIG. 5A, the photonic crystal super prism structure according to the present embodiment uses the SOI wafer 401. The prepared SOI wafer 401 includes a lower silicon layer 402, a silicon oxide layer (SiO 2 , 403), and an upper silicon layer 404.

도 5의 (b)를 참조하면, SOI 웨이퍼(401) 상에는 금속 마스크(405)가 증착된다. 금속 마스크(405) 상에는 임프린트층(임프린트 레지스트;406)이 형성된다. 임프린트층(406) 상에는 열 또는 자외선 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프(407, 몰드)가 배치된다. 이때, 나노 임프린트 리소그래피용 스탬프(407)는 최상부에 위치한 임프린트층(406) 상에 접촉되게 또는 접촉되지 않게 배치한다. 금속 마스크(405)는 크롬을 이용하여 스퍼터링 방법으로 증착되고, 금속 마스크(405)의 증착 두께는 임프린트 리소그래피용 스탬프(407)의 광자결정 패턴 높이와 임프린트층(406)의 두께와 직접 연관되며, 금속 마스크(405)의 두께는 SOI 웨이퍼(401)의 상부 실리콘층(404) 및 산화실리콘층(403)의 두께와 식각비 등을 고려하여 결정된다. Referring to FIG. 5B, a metal mask 405 is deposited on the SOI wafer 401. An imprint layer (imprint resist) 406 is formed on the metal mask 405. On the imprint layer 406 a stamp 407 (mold) for thermal or ultraviolet nanoimprint lithography is disposed. At this time, the nanoimprint lithography stamp 407 is disposed on or in contact with the imprint layer 406 located at the top. The metal mask 405 is deposited by a sputtering method using chromium, and the deposition thickness of the metal mask 405 is directly related to the photonic crystal pattern height of the stamp 407 for imprint lithography and the thickness of the imprint layer 406, The thickness of the metal mask 405 is determined in consideration of the thickness and etching ratio of the upper silicon layer 404 and the silicon oxide layer 403 of the SOI wafer 401.

도 5의 (b), (c), (d)에 개시된 공정은 도 3의 (b), (c), (d)에 개시된 공정 순서와 동일한 순서로 진행되므로, 설명의 편의상 상세한 설명은 생략하고, 도 3의 (b, c, d) 단계를 참조한다. Since the processes disclosed in (b), (c) and (d) of FIG. 5 proceed in the same order as the process sequences disclosed in (b), (c) and (d) of FIG. 3, detailed descriptions are omitted for convenience of description. And step (b, c, d) of FIG. 3.

도 5의 (e)를 참조하면, 임프린트층(406)으로 형성된 광자 결정 패턴을 식각 마스크로 사용하여, 금속 마스크(405)를 식각한다. 이때, 금속 마스크(405)는 건/습식 식각방법을 사용한다. 광자 결정 패턴을 이용하여 금속 마스크(405)를 식각할 때, 금속 마스크(405)와 임프린트층(406)의 식각 선택비에 따라 임프린트층(406)의 일부가 금속 마스크(405)와 함께 식각된다.Referring to FIG. 5E, the metal mask 405 is etched using the photonic crystal pattern formed by the imprint layer 406 as an etching mask. In this case, the metal mask 405 uses a dry / wet etching method. When etching the metal mask 405 using the photonic crystal pattern, a portion of the imprint layer 406 is etched together with the metal mask 405 according to the etching selectivity of the metal mask 405 and the imprint layer 406. .

다음 단계에서는, 도 5의 (f)를 참조하면, 식각된 금속 마스크 패턴을 사용하여, 상부 실리콘층(404) 및 산화 실리콘층(403)을 식각한다. 마지막으로 상부 실리콘층(404) 상에 있는 금속 마스크 패턴을 모두 제거함으로써, 2차원 평면형 SOI 기반의 광자 결정 슈퍼프리즘이 제작된다.In the next step, referring to FIG. 5F, the upper silicon layer 404 and the silicon oxide layer 403 are etched using the etched metal mask pattern. Finally, by removing all of the metal mask pattern on the upper silicon layer 404, a two-dimensional planar SOI-based photonic crystal superprism is fabricated.

도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 SOI기반형 2차원 평면형 광자결정 슈 퍼프리즘을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 6은 도 5의 제작 공정을 이용하여 공기층인 상부 클래드층(408), 공기홀을 포함하는 굴절률이 3.45인 상부 실리콘층(404)인 코어층, 공기홀을 포함하는 굴절률이 1.44인 산화 실리콘층(403)인 하부 클래드층을 포함하는 2차원 평면형 SOI 기반 광자결정 슈퍼프리즘 소자를 개시하고 있다.FIG. 6 schematically illustrates an SOI-based two-dimensional planar photonic crystal superprism according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 illustrates an upper cladding layer 408 as an air layer, a core layer as an upper silicon layer 404 having a refractive index of 3.45 including air holes, and a silicon oxide having a refractive index of 1.44 using air holes, using the fabrication process of FIG. 5. A two-dimensional planar SOI-based photonic crystal superprism device including a lower clad layer as layer 403 is disclosed.

도 7은 2차원 평면형 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 광자 결정 구조를 나노 임프린트 리소그래피에 의해 제작할 때, 나노 패턴을 용이하게 복제하기 위해 고려되어야 할 공기홀의 직경과 공기홀 간의 간격을 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 인접한 공기홀(23)의 중심 사이의 간격을 주기(a)로 하고, 주기(a)를 기준으로, r은 공기홀의 반경이며, G는 인접합 공기홀 간의 간격이다. 공기홀(23)은 저굴절률 고분자 소재로 대체될 수도 있다. 공기홀(23)이 매우 밀집된 나노 패턴 구조를 임프린팅에 의해 제작하는데 공기홀(23)의 직경(2r)과 공기홀(23) 간의 간격(G)의 비(2r/G)는 55%이하 이어야 한다. FIG. 7 is a diagram showing the diameter of the air holes and the distance between the air holes to be considered in order to easily duplicate the nanopattern when fabricating the photonic crystal structure of the two-dimensional planar photonic crystal superprism device by nanoimprint lithography. Referring to FIG. 7, the interval between the centers of the adjacent air holes 23 is a period a, based on the period a, r is a radius of the air hole, and G is a distance between adjacent air holes. The air hole 23 may be replaced with a low refractive index polymer material. The nano pattern structure in which the air holes 23 are very dense is manufactured by imprinting, and the ratio (2r / G) of the diameter G between the air holes 23 and the air holes 23 is less than 55%. Should be

공기홀(23)의 직경(2r)과 공기홀(23) 간의 간격(g)의 비가 55% 이상일 경우, 임프린트용 스탬프를 이용하여 임프린팅 고분자층을 패터닝할 때, 패턴의 손상 없이 임프린팅 고분자층으로부터 스탬프를 이형하는 것이 광자결정과 같이 매우 패턴 밀도가 높은 구조의 경우에는 용이하지 않다. 또한 패턴의 밀도뿐만 아니라, 전체 패턴의 크기와 임프린트용 스탬프의 크기에 따라 공기홀(23)의 반경(직경)과 공기홀 간의 간격의 비는 변할 수 있다. 그리고, 슬랩(21)의 높이와 공기홀(23)의 깊 이와 연관되는 고 종횡비(high aspect ratio)는 나노 임프린트 리소그래피를 적용하기 위해 1 ~ 3이 되는 것이 바람직하지만, 광자결정 슬랩의 제작 공정의 용이성을 확보하기 위해 3을 초과할 수도 있다.When the ratio of the diameter g between the air hole 23 and the space g between the air holes 23 is 55% or more, when the imprinting polymer layer is patterned using an imprint stamp, the imprinting polymer is not damaged. Release of the stamp from the layer is not easy for very high pattern density structures such as photonic crystals. In addition to the density of the pattern, the ratio of the radius (diameter) of the air hole 23 and the distance between the air holes may vary depending on the size of the entire pattern and the size of the imprint stamp. And, the high aspect ratio associated with the height of the slab 21 and the depth of the air hole 23 is preferably 1 to 3 in order to apply nanoimprint lithography. It may exceed 3 to ensure ease.

도 8은 본 발명에 따른 제3 실시 예의 고분자 광자결정 슈퍼프리즘 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 제3 실시 예의 고분자 광자 결정 슈퍼 프리즘은 실리콘(silicon)기판(801) 상에 저굴절률 고분자를 스핀코팅하여 형성된 하부 클래드층이 될 저굴절률 고분자층(802)과, 그 상부에 광자 결정 슈퍼프리즘의 코어(core)층이 될 고굴절률 고분자를 스핀코팅(spin-coating)하여 형성한 고굴절률 고분자층(803)을 포함하는 구조이다. 상기와 같이 각 층이 적층된 다음에는 열 또는 자외선 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 고굴절률 고분자층(803)에 광자 결정 구조를 성형하여 형성하고, 이때 잔류층이 거의 남아있지 않도록, 나노 임프린트 리소그래피의 공정 조건을 최적화하여야 한다. 이렇게 제작된 광자 결정 슈퍼 프리즘 구조는 광자 결정 구조의 공기홀과 코어층(803)의 상부에 존재하는 공기층을 이용하여 형성된 상부 클래드층(808)을 포함하는 3층 구조이다. 8 is a view schematically showing a polymer photonic crystal superprism structure of a third embodiment according to the present invention. Referring to FIG. 8, the polymer photonic crystal super prism of the third embodiment includes a low refractive index polymer layer 802 to be a lower clad layer formed by spin coating a low refractive index polymer on a silicon substrate 801, and an upper portion thereof. And a high refractive index polymer layer 803 formed by spin-coating a high refractive index polymer to be a core layer of a photonic crystal superprism. After each layer is laminated as described above, a photonic crystal structure is formed on the high refractive index polymer layer 803 by using a thermal or ultraviolet nanoimprint lithography process, and at this time, so that the remaining layer is hardly left, nanoimprint lithography Process conditions should be optimized. The photonic crystal super prism structure manufactured as described above is a three-layer structure including an upper cladding layer 808 formed by using an air hole existing on the core layer 803 and an air hole of the photonic crystal structure.

도 9는 본 발명에 따른 제4 실시 예의 고분자 광자결정 슈퍼프리즘의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 제4 실시 예의 고분자 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자는 실리콘(silicon) 기판(901) 상에 저굴절률 고분자를 스핀코팅 하여 형성된 하부 클래드층인 저굴절률 고분자층(902)과, 그 위에 광자결정 슈퍼프리즘의 코어(core)층이 될 고굴절률 고분자를 스핀코팅(spin-coating)하여 형성된 고굴절률 고분자층(903)을 포함하는 구조로, 열 또는 자외선 나노 임프린트 리소그래피 공정으로 고굴절률 고분자에 광자결정 구조를 성형하여 형성한다. 광자 결정 구조가 형성된 다음에는 저굴절률 고분자를 스핀 코팅하여 고굴절률 고분자층(903)에 형성된 공기홀을 저굴절률 고분자로 채우며, 동시에 고굴절률 고분자층(903) 상에 상부 클래드층이 될 저굴절률 고분자층(904)을 형성한다. 따라서, 제 4 실시 예에 따른 2차원 평면형 고분자 광자 결정 슈퍼 프리즘은 상부 클래드층인 저굴절률 고분자층(904), 코어층인 저굴절률 고분자가 채워진 고굴절률 고분자층(903), 하부 클래드층인 저굴절률 고분자층(902)으로 이루어진다.9 is a view schematically showing the structure of the polymer photonic crystal superprism of the fourth embodiment according to the present invention. Referring to FIG. 9, the polymer photonic crystal super prism device according to the fourth embodiment includes a low refractive index polymer layer 902, which is a lower clad layer formed by spin coating a low refractive index polymer on a silicon substrate 901, and thereon. The structure includes a high refractive index polymer layer 903 formed by spin-coating a high refractive index polymer to be a core layer of a photonic crystal superprism, and is applied to a high refractive index polymer by thermal or ultraviolet nanoimprint lithography. The photonic crystal structure is formed by molding. After the photonic crystal structure is formed, the low refractive index polymer is spin-coated to fill the air holes formed in the high refractive index polymer layer 903 with the low refractive index polymer, and at the same time, the low refractive index polymer to be the upper cladding layer on the high refractive index polymer layer 903. Form layer 904. Accordingly, the two-dimensional planar polymer photonic crystal super prism according to the fourth embodiment has a low refractive index polymer layer 904 as an upper cladding layer, a high refractive index polymer layer 903 filled with a low refractive index polymer as a core layer, and a low cladding layer The refractive index polymer layer 902 is formed.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 포토닉 밴드 구조를 나타내는 그래프로, 보다 상세하게는, 나노 임프린트 리소그래피 기술에 의해 제작되는 공기홀의 반경과 공기홀 간의 간격의 비가 적용된 고분자 2차원 광자결정 슈퍼프리즘 소자 구조의 일례를 보여주는 평면파 확장 방법(plane wave expansion method)에 의해 계산된 TE 라이크 모드(TE-like mode)의 포토닉 밴드 구조 다이어그램이다. 가로축은 파의 진행 방향(Γ,Μ,Κ)을 평면상의 그래프에 나타낸 것이며, 세로축은 주파수를 나타낸다. 10 is a graph showing a photonic band structure of a polymer photonic crystal superprism device according to an embodiment of the present invention. A photonic band structure diagram of a TE-like mode calculated by the plane wave expansion method showing an example of a polymer two-dimensional photonic crystal superprism device structure. The abscissa shows wave propagation directions (Γ, Μ, Κ) on a planar graph, and the ordinate indicates frequency.

상기 포토닉 밴드 그래프에 사용된 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자는 버퍼/슬랩공기(buffer/slab/air)인 비대칭 슬랩(asymmetric slab) 구조이다. 또한 공기 다 리(Air-bridge) 구조나 채널 구조인 대칭(symmetric) 구조로 제작이 용이하다. 여기에 적용된 고분자 소재는 저굴절률 고분자인 굴절률(n)이 1.3인 테프론(teflon)과, 고굴절률 고분자인 굴절률(n)이 1.59인 폴리스틸렌(polystyrene)이며, 광자결정 구조는 공기홀 구조를 갖는 육각형 격자 어레이(hexagonal lattice array)의 광자결정 구조이다. The photonic crystal super prism device used in the photonic band graph has an asymmetric slab structure which is a buffer / slab / air. In addition, it is easy to manufacture with a symmetric structure, which is an air-bridge structure or a channel structure. The polymer material applied here is a teflon having a refractive index (n) of 1.3 as a low refractive index polymer and a polystyrene having a refractive index (n) of 1.59 as a high refractive index polymer. The photonic crystal structure is a hexagon having an air hole structure. It is a photonic crystal structure of a hexagonal lattice array.

도 10의 경우에는, 슬랩 높이(slab height; t1)는 1.5a(975 nm), t2는 2m이며(코어로 광이 충분히 집광되도록), 공기홀 반경(r)은 0.3a(195 nm)(여기서 a는 격자 상수)로 설계하고 계산한 결과이다. 격자 상수는 1447㎚파장에서 650㎚이며, 공기홀 지름(Air hole diameter)은 390㎚(0.6a)이며, 파장(Wavelength) 범위는 1496 ~ 1586㎚이다. 최대 분산각은 3°/㎚이며, 입사각은 도 10의 경우는 18도이며, 5도 ~ 20도 변화할 수 있다. 또한 분산각(Angular dispersion)은 0.2°/nm에서 1.2°/nm로 변화할 수 있다. 상기에 열거된 실시 예들을 제작하기 위해서는 도 10의 경우를 포함하여, 슬랩 높이(slab height)는 1.0a ~ 2.0a까지 변화할 수 있으며, 공기홀 반경(hole radius;r)은 0.2a에서 0.4a로 변화할 수 있으며, 격자 상수(lattice constant,a)도 600㎚에서 800㎚로 변화할 수 있다. 상기 변수는 상호 유기적인 관계에 의해 조합하여 적용될 수 있다.In the case of FIG. 10, the slab height t 1 is 1.5a (975 nm), t 2 is 2m (so that the light is sufficiently focused into the core), and the air hole radius r is 0.3a (195 nm). ), Where a is the lattice constant and is the result of the calculation. The lattice constant is 650 nm at a wavelength of 1447 nm, the air hole diameter is 390 nm (0.6a), and the wavelength range is 1496 to 1586 nm. The maximum dispersion angle is 3 ° / nm, the incident angle is 18 degrees in FIG. 10, and may vary from 5 degrees to 20 degrees. Angular dispersion can also vary from 0.2 ° / nm to 1.2 ° / nm. In order to manufacture the above-listed embodiments, including the case of FIG. 10, the slab height may vary from 1.0a to 2.0a, and the hole radius (r) is 0.2a to 0.4. It may be changed to a, and the lattice constant (a) may also vary from 600 nm to 800 nm. The variables can be applied in combination by mutual organic relationships.

고분자 광자결정 슈퍼프리즘 소자의 포토닉 밴드 구조를 계산하는 것과 같은 방법으로, SOI 기반의 광자 결정 슈퍼프리즘 소자의 포토닉 밴드 구조를 계산할 수 있다. 슬랩 높이(t1)는 0.8a(256㎚)이고, t2는 1㎛ 이상이며, 공기홀 반경(r)은 0.2a(64㎚) (여기서 a는 격자 상수)로 설계 및 계산한 결과이다. 격자 상수는 320㎚이며, 공기홀 지름은 128㎚(0.4a)이며, 파장 범위는 1523 ~ 1542 ㎚이다. 적정 입사각은 17°이며, 분산각은 1.26°/nm이다. 상기의 계산에 의해 SOI 소자의 실리콘의 두께는 256㎚로 결정된다.The photonic band structure of the SOI-based photonic crystal superprism device may be calculated in the same manner as the photonic band structure of the polymer photonic crystal superprism device. The slab height t 1 is 0.8a (256 nm), t 2 is 1 µm or more, and the air hole radius r is the result of design and calculation to 0.2a (64 nm), where a is the lattice constant. . The lattice constant is 320 nm, the air hole diameter is 128 nm (0.4a), and the wavelength range is 1523-1542 nm. The proper incidence angle is 17 degrees and the dispersion angle is 1.26 degrees / nm. By the above calculation, the silicon thickness of the SOI element is determined to be 256 nm.

이상, 전술한 다양한 실시 예들을 통해, 다양한 특성을 갖는 도파로(waveguide), 슈퍼프리즘(super-prism), 컨버터(converter), 필터(filter), 스위치(switch), 분배기(splitter), 결합기(coupler), 캐비티(cavity), 레이저(laser), 발광소자(LED) 등의 능동 및 수동 광자 결정 소자를 집적화한 고밀도의 광자 결정 나노집적회로 및 나노광 시스템을 구현할 수 있다. 이 밖에도 전술한 바와 같이, 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자를 제작하는 경우에는, 가시광선, 적외선, 밀리미터파, 마이크로파, 전파를 포함하는 넓은 주파수 영역의 전자기파에 적용될 수 있으며, 특히 적외선, 밀리미터파, 마이크로파 영역에서 실용화될 가능성이 매우 크며, 또한, 반도체 레이저, 발광 다이오드, 차세대 디스플레이, 태양 전지, 안테나, 필터, 스위치, 반사 거울, 공진기, 열관리 소자 등의 개발 및 성능 향상과 새로운 형태의 나노집적회로 개발에 필수적으로 적용될 수 있다.Through the above-described various embodiments, a waveguide, a super-prism, a converter, a filter, a switch, a splitter, a coupler having various characteristics can be obtained. ), High-density photonic crystal nano-integrated circuits and nano-optic systems integrating active and passive photonic crystal devices such as cavities, cavities, lasers, and light emitting devices (LEDs) can be implemented. In addition, as described above, when fabricating a photonic crystal super prism device, it can be applied to electromagnetic waves in a wide frequency region including visible light, infrared rays, millimeter waves, microwaves, and radio waves. In particular, infrared, millimeter wave, and microwave regions It is very likely to be practically used in the development of semiconductor lasers, light emitting diodes, next-generation displays, solar cells, antennas, filters, switches, reflecting mirrors, resonators, and thermal management devices. Essentially applicable.

이상, 본 발명은 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나, 개량이 가능함이 명백하다.As mentioned above, the present invention has been described in detail through specific embodiments, but the present invention is not limited thereto, and it is apparent that modifications and improvements can be made by those skilled in the art within the technical idea of the present invention. .

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 고분자 및 화합물 반도체를 기반으로 하는 2차원 평면형 광자결정 소자를 제작함에 있어, 나노 성형 기술인 열(thermal 또는 hot) 및 자외선(Ultra-Violet) 임프린트 리소그래피 기술을 사용하여, 저가격 및 대량생산을 용이하게 할 수 있다.As described above, according to the present invention, in the fabrication of a two-dimensional planar photonic crystal device based on a polymer and a compound semiconductor, thermal or hot and ultra-violet imprint lithography techniques, which are nanoforming technologies, are used. Low cost and mass production can be facilitated.

상기의 열거된 실시 예들을 통하여, 다양한 특성을 갖는 도파로(waveguide), 슈퍼프리즘(super-prism), 컨버터(converter), 필터(filter), 스위치(switch), 분배기(splitter), 결합기(coupler), 캐비티(cavity), 레이저(laser), 발광소자(LED) 등의 능동 및 수동 광자 결정 소자를 제작하는 것이 가능하며, 상기 단일 소자를 집적화 또는 모듈화하여, 광자결정 나노시스템 및 광자 결정회로, 나노 광집적회로를 제작하는 것이 가능하다. 집적화한 고밀도의 광자 결정 나노집적회로 및 나노광 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 광자 결정 구조를 기반으로하는 다양한 기능과 형태의 생화학 센서, 바이오 센서, 자연 발광소자를 이용한 디스플레이, 빛의 흡수/반사를 이용한 열관리 소자 등의 제작이 가능하다.Through the above-listed embodiments, waveguides, super-prisms, converters, filters, switches, splitters, and couplers having various characteristics can be obtained. It is possible to fabricate active and passive photonic crystal elements such as cavities, lasers, and light emitting devices (LEDs), and by integrating or modularizing the single element, photonic crystal nanosystems and photonic crystal circuits, nano It is possible to fabricate an optical integrated circuit. Integrated high-density photonic crystal nano-integrated circuits and nano-optical systems can be implemented. In addition, it is possible to manufacture biochemical sensors, biosensors, displays using natural light emitting devices, and thermal management devices using light absorption / reflection of light based on photonic crystal structure.

Claims (13)

테이퍼 구조의 직선 도파로와 곡면 도파로를 포함하는 단일모드 입력 도파로;A single mode input waveguide including a tapered linear waveguide and a curved waveguide; 상기 단일 모드 입력 도파로의 출력단 측에 형성되며, 슬랩과 광자 결정 슈퍼 프리즘을 포함하는 슈퍼 프리즘; 및A super prism formed at an output end side of the single mode input waveguide and including a slab and a photonic crystal super prism; And 테이퍼 구조의 직선 도파로와 곡면 도파로를 포함하며, 상기 광자 결정 슈퍼 프리즘에 인접하게 설치되는 단일모드 출력 도파로를 포함하되,A linear waveguide and a curved waveguide having a tapered structure include a single mode output waveguide disposed adjacent to the photonic crystal super prism, 상기 슈퍼 프리즘은, The super prism, 실리콘 기판; Silicon substrates; 상기 실리콘 기판 상에 형성되며 고분자 물질로 이루어진 하부 클래드층;A lower clad layer formed on the silicon substrate and made of a polymer material; 상기 하부 클래드층보다 굴절률이 높은 고굴절률 고분자 물질로 상기 하부 클래드층 상에 형성되며 다수의 공기홀을 포함하는 광자띠 간격 격자 구조를 가지는 코어층; 및A core layer formed of a high refractive index polymer material having a higher refractive index than the lower clad layer and formed on the lower clad layer and having a photon band gap lattice structure including a plurality of air holes; And 상기 코어층 상에 형성되며 공기층 또는 상기 코어층보다 굴절율이 낮은 저굴절률 고분자 물질로 이루어진 상부 클래드층An upper clad layer formed on the core layer and made of an air layer or a low refractive index polymer material having a lower refractive index than the core layer. 을 포함하는 2차원 평면형 광자결정 슈퍼 프리즘 소자.Two-dimensional planar photonic crystal super prism device comprising a. 삭제delete 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 하부 클래드층은 공기홀 구조의 고분자층 또는 슬랩형 구조의 저굴절률 고분자층인 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자. The lower clad layer is a two-dimensional planar photonic crystal super prism device which is a polymer layer having an air hole structure or a low refractive index polymer layer having a slab structure. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하부 클래드층을 이루는 고분자 물질의 굴절률은 상기 상부 클래드층을 이루는 상기 저굴절률 고분자 물질과 같은 굴절률 또는 다른 굴절률을 갖는 2차원 평면형 광자 결정 수퍼 프리즘 소자.And a refractive index of the high molecular material forming the lower clad layer has the same refractive index or a different refractive index as that of the low refractive index polymer material forming the upper clad layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고굴절률의 고분자 물질은 굴절률이 1.4 ~ 1.8인 고분자 물질을 이용하며, 상기 저굴절률의 고분자 물질은 굴절률이 1.0 ~ 1.5인 고분자 물질을 이용하는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자. The high refractive index polymer material uses a polymer material having a refractive index of 1.4 to 1.8, and the low refractive polymer material uses a polymer material having a refractive index of 1.0 to 1.5. 제1항에 있어서, 상기 광자 띠 간격 구조는 육각형 격자 배열이며, 상기 공기홀은 공기층 또는 상기 저굴절률의 고분자 물질로 채워지는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자.The two-dimensional planar photonic crystal super-prism device according to claim 1, wherein the photon band spacing structure is a hexagonal lattice array, and the air holes are filled with an air layer or the polymer of low refractive index. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 공기홀은 나노 임프린트 리소그래피 공정으로 형성되는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자.The air hole is a two-dimensional planar photonic crystal super prism device formed by a nanoimprint lithography process. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 하부 클래드층은 산화 실리콘으로 이루어지며, The lower clad layer is made of silicon oxide, 상기 코어층은 상기 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 갖는 실리콘으로 이루어지는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자.The core layer is a two-dimensional planar photonic crystal super prism device made of silicon having a higher refractive index than the lower clad layer. 실리콘 기판 상에 고분자 물질로 이루어진 하부 클래드층을 형성하는 단계;Forming a lower clad layer made of a polymer material on the silicon substrate; 상기 하부 클래드층 상에 상기 고분자 물질보다 굴절률이 높은 고굴절률 고분자 물질로 이루어진 코어층을 형성하는 단계; Forming a core layer made of a high refractive index polymer material having a higher refractive index than the polymer material on the lower clad layer; 상기 코어층 상에 금속 마스크와 임프린트용 고분자층을 형성하는 단계;Forming a metal mask and an imprint polymer layer on the core layer; 상기 임프린트용 고분자층을 스탬프 또는 몰드로 패터닝하여 마스크 패턴을 형성하는 단계;Patterning the imprint polymer layer with a stamp or a mold to form a mask pattern; 상기 마스크 패턴을 이용하여 금속 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및Forming a metal mask pattern using the mask pattern; And 상기 코어층 및 상기 하부 클래드층 중 적어도 하나의 층을 패터닝하여 다수의 공기홀을 포함하는 광자 결정 격자 구조 패턴을 형성하는 단계Patterning at least one layer of the core layer and the lower clad layer to form a photonic crystal lattice structure pattern including a plurality of air holes 를 포함하는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자의 제조방법.Method of manufacturing a two-dimensional planar photonic crystal super prism device comprising a. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 코어층 및 상부 클래드층에 광자 결정 격자 구조 패턴을 형성하는 단계는, 상기 금속 마스크 패턴을 이용하여 상기 코어층 및 상기 상부 클래드층을 식각하여 형성하거나, 나노 임프린트 리소그래피 공정을 이용하여 상기 코어층 및 상기 상부 클래드층을 직접 임프린팅하는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자의 제조방법. Forming a photonic crystal lattice structure pattern on the core layer and the upper cladding layer may be formed by etching the core layer and the upper cladding layer by using the metal mask pattern or by using a nanoimprint lithography process. And a method of manufacturing a two-dimensional planar photonic crystal super prism device which directly imprints the upper clad layer. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 광자 결정 격자 구조 패턴을 형성하는 단계는 상기 공기홀의 직경과 상기 공기홀 중심 간의 간격의 비를 55%이하로 조절하는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자의 제조방법.The forming of the photonic crystal lattice structure pattern may include adjusting the ratio of the gap between the diameter of the air hole and the center of the air hole to 55% or less. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 광자 결정 격자 구조의 전체 패턴의 크기, 패턴의 밀도 및 상기 스탬프 또는 몰드의 크기에 따라 상기 공기홀의 직경과 상기 공기홀 중심 간의 간격의 비를 조절하는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자의 제조방법.Method of manufacturing a two-dimensional planar photonic crystal super-prism device for adjusting the ratio of the gap between the diameter of the air hole and the center of the air hole according to the size of the entire pattern of the photonic crystal lattice structure, the density of the pattern and the size of the stamp or mold . 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 스탬프 또는 몰드는 금속, 실리콘, 쿼츠, 및 고분자 물질 중 어느 하나로 제작되는 2차원 평면형 광자 결정 슈퍼 프리즘 소자의 제조방법.The stamp or mold is a method of manufacturing a two-dimensional planar photonic crystal super prism device made of any one of metal, silicon, quartz, and a polymer material.
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