KR19980050572A - 회절격자 커플러 제조방법 - Google Patents

회절격자 커플러 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회절격자 커플러(grating coupler)를 제조하는 방법에 관한 것으로, 기판보다 격자상수가 큰 물질로 빗살 무늬 표면을 갖는 에피층을 형성시켜, 이빗살 무늬를 광도파가 가능한 회절격자의 역할을 하도록 하는 회절격자 커플러의 제조방법에 관하여 기술된다.

Description

회절격자 커플러 제조방법
본 발명은 회절격자 커플러(grating coupler)를 제조하는 방법에 관한 것으로, 기판보다 격자상수가 큰 물질을 에피성장법의 성장시켜 빗살 무늬 표면을 갖는 에피층을 형성하므로, 이 빗살 무늬를 광도파가 가능한 회절격자의 역할을 하도록하는 회절격자 커플러의 제조방법에 관하여 기술된다.
일반적으로, 회절격자 커플러는 반도체나 유전체의 광 도파로(waveguide)로 사용되는 재료에 인위적으로 회절격자를 형성하여 표면에서 입사된 빛을 도파로 내부에서 진행하도록 만든 커플러이다. 회절격자(grating)를 형성하는 방법은 도파로로 사용될 재료물 기판 위에 박막 성장시킨 우 마스킹(making) 및 식각(etching)방법으로 회절격자를 형성하나, 회절격자의 간격이 매우 작을 경우에는 특별히 노광간섭 공정(optical interference exposure process)을 이용하여 제작하여 왔다.
도 1은 통상적으로 사용되는 회절격자 커플러의 단면을 도시한 도면이다.
회절격자(3)는 기판(1) 위에 광 도파로층(2)을 형성시킨 후에 마스킹(masking)이나 식각(etching)공정으로 형성되며 도파로 층(2)은 기판(1)보다 굴절율이 큰 재료를 선택한다. 광도파가 가능하기 위해서는 회절격자간의 간격 △와 입사광의 각도 θm 값을 적절히 계산하여야 한다.
이와같이 마스크(masking) 한 부 노광(photo lithography)이나 에칭(etching)방법으로 회절격자(3)를 제조할 경우, 제작공정이 까다롭고 많은 시간이 소요된다. 특히 광 집적소자를 제작할 경우 한 개의 작은 칩 내부에 회절격자 커플러를 사용하기 위해서는 회절격자의 크기가 매우 작아지며, 따라서 훨씬 미세한 회절격자의 형상이 요구되기 때문에 기존의 에칭이나 노광방법으로는 어려운 점이 많이 있다.
도파로 층이 평평한 표면을 갖는 경우 이론적으로 외부에서 입사된 빛은 도파로 내부에서 전파되는 것이 불가능하기 때문에 커플러로 사용할 수 없다. 이에 대한 해결책으로 현재 제시되그 있는 방법 중의 하나가 회절격자를 이용한 커플러이다. 이때 커플러라 함은 특정 매질에서 전파되는 광을 다른 매질로 전파시키는 역할을 하는 매개체이다. 매개체를 통해 광이 전파가 되기 위해서는 특정 매질 내부에서의 전파상수(propagation constant)와 이동하고자 하는 매질 내부에서의 전파상수가 일치하여야만 한다.
도 1 에서 처럼 외부에서 입사된 입사광이 도파로 층의 표면에 형성된 회절격자에서 일부 반사된 후 일부는 부과되어 도파로 층이 전파상수와 같고, 임계각도 θm 일정한 각 이하일때 내부로 진입된 입사광은 도파로 층 내부에서만 이동한다.
이를 수식적으로 나타내면 다음과 갈다.
β = β0+ ν2π/ Δ
여기서 β는 회절격자층 하부쪽 광 도파로층 내부에서의 광원의 전파상수이며, β0 0는회절격자층이 없을 경우의 순수한 광 도파로 층에서의 전파상수를 나타내며, ν정수이며, Δ는 회절격자의 간격을 의미한다. 입사된 빔의 n3의 굴절률을 갖는 매질에서의 전파상수률 βm 이라고 하면,
βm = kn3sinθm
과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 k 는 진공에서의 전파상수를 나타내며 2π/ λ0와 같고, λ0는 진공에서의 광원의 파창이다. θm는 광도파가 가능한 최대 입사각을 의미한다. 이때 β와 βm이 일치할 때 입사된 광은 도파로 내부에서만 진행하게 된다. 이와 같은 원리를 실현시키기 위해서 회절격자(3)의 역할이 중요하다.
따라서, 본 발명은 커플러의 일종인 회절격자 커플러에서 회절격자의 역할을 수행하는 형상을 에피성장법에 의해 광 도파로층을 성장하는 동시에 회절격자도 실시간으로 즉시 성장하여 종래 회절격자의 형태를 제작하기 위한 중간 공정을 생략함으로써 기술적 간소화를 실현할 수 있는 회절격자 커플러 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 회절격자 커플러를 제조방법에 있어서, 기판위에 에피성장법으로 회절격자의 역할을 수행할 수 있는 연속적인 빗살 무늬 표면을 갖는 광 도파로층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 회절격자 커플러의 단면을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 회절격자 커플러의 단면을 도시한 도면.
도 3은 도 2의 에피층의 표면 사진.
* 도면의 주요부분에 대한 기호설명 *
1,11 : 기판 2,12 : 광 도파로층(InGaAs 에피층)
3 : 회절격자
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 회절격자 커플러의 단면을 도시한 도면으로, 기판(11) 위에 광 도파로층(12)으로 에피성장법에 의해 빗살 무늬 표면을 갖는 에피층이 형성된다. 광 도파로층(12)은 기판(11)보다 굴절율이 큰 재료를 선택한다. 기판(11)이 GaAs로 형성된다면, 광 도파로층(12)은 InGaAs 로 형성된다.
본 발명에서 성장된 InGaAs 에피층(12)은 유기금속 화학증착법에 의해 형성된다. 이 외에 분자선 증착방법(molecular beam epitaxy)이 있는데 유기금속 화학증착법과 동일한 목적으로 사용되며, 본 발명을 위한 목적으로도 사용할 수 있는 방법이므로 빗살무늬롤 형성시키는 것은 특별한 기술이 필요치 않은 상업화 된 장비를 사용하여 성장이 가능하다. 다만 본 발명의 목적을 달성하기 위해 InGaAs 에피층(12)의 표면이 빗살무늬의 형상으로 되게하는 제조방법이 중요하다. 본 발명에서는 광 전송 분야에서 필요로 하는 회절격자 커플러를 제작하기 위한 방법으로 에피성장법을 적용하였으며 종래의 회절격자 형성을 위한 모든 공정을 생략하여 간단하게 도파로 층(12)의 성장과 동시에 도파로서의 역할을 수행할 수 있게 한다.
종래기술에서 전슬한 바와같이 매개체를 통해 광이 전파가 되기 위해서는 특정 매질 내부에서의 전파상수와 이동하고자 하는 매질내부에서의 전파상수가 일치하여야 하며, 이를 수식적으로 설명하였다. 이와같은 원리를 실현시키기 위해서 회절격자의 역할이 중요하게 되며, 본 발명에서는 회절격자를 형성하기 위하여 에피성장법을 선택하였다. 도 3은 도 2의 InGaAs 에피층(12)의 표면 사진이다. 도 3의 사진은 에피성장법의 일종인 유기금슥 화학증착(metalorganic chemical vapor depositiion, 이하 MOCVD) 법에 의해 GaAs 층(12A)위에 에피 성장된 In 조성이 12%인 InGaAs 에피층(12)을 전자현미경으로 촬영한 표면 사진이다. 표면에 나타나 빗살무늬(cross-hatch pattern)는 InGaAs 에피층(12)의 격자상수가 GaAs 기판 (11)의 격자상수 보다 크기 때문에 나타난 형성이다. 사진 내부의 좌상단에 위치한 숫자는 기판 표면의 방위(orientation)을 의미한다. 여기서, InGaAs 에피층(12)의 빗살무늬는 도 1의 회절격자(3)와 같은 역할을 하는 광 도파로 층(12)이다.
도 3의 사진을 참조하여 다시한번 설명하면, 유기금슥 화학증착법이란 에피성장법을 사용하여 GaAs 기판(11)위에 In 조성이 12%인 In0.12Ga0.88As 에피층(12)을 2.5㎛의 두께로 성장한 후 전자형미경으로 촬영한 사진이다. 사진에서 표면에 나타낸 일직선 무늬는 빗살무늬(cross-hatch pattern)라고 하며 성장조건을 적절히 선택하여 얻을 수 있다. 먼저 이러한 형상을 얻기 위한 재료로 InGaAs를 선택한 이유는 InGaAs에피층(12)의 굴절율이 GaAs 기판(11) 및 대기보다도 높기 때문에 광도파로층(12)으로 사용할 수 있기 때문이다. 빗살무늬를 형성하기 위해서는 GaAs 기판(11)보다 InGaAs 에피층(12)의 격자상수(lattice constant)가 커야한다. 따라서 InGaAs는 GaAs 기판(11)위에 광 도파로층(12)으로서 적당한 재료이다. 사용한 GaAs 기판(11)의 방위는 일반적으로(100)면 방향에서 2°정도 빗나간 기판{이것을 오프(off) 기판이라 칭함}을 사용하는 것이 관례이나 본 발명에서는 이러한 오프기판을 사용한 결과 빗살무늬가 연속적으로 생기지 않고 마디마디가 끊어진 형태로 성장되어 회절격자의 역할을 수행하지 못하였다.
그러나 (100)면에 정확히 일치하는 기판{이것을 온(on) 기판이라 칭함}을 사용한 결과 도 3와 같은 균일한 빗살무늬를 얻을 수 있었다. 그리그 빗살무늬의 간격은 대략 0.3㎛였으며 이 간격은 가시광 영역에서 광도파가 가능한 합리적인 값으로 측정되었다. 빗살무늬의 간격은 InGaAs 에피층(12)의 성장온도에 따라 변할수 있다. 즉 도파하고자 하는 광의 파장에 따라 회절격자의 간격을 조절해야 하는데 본 발명에서는 이를 성장온도의 조절로 빗살무늬의 간격을 제어할 수 있었다.
상술한 바와같이 본 발명은 종래에 사용하던 회절격자 형상 제작법이 생략되고 광 도파로층으로 사용될 에피층 성장과 동시에 에파층의 표면에 빗살무늬를 형성하여 원하는 회절격자의 규격을 제어할 수 있으므로 공정의 생략에 따른 시간적 경제적 절감 효과를 거둘 수 있다.

Claims (6)

  1. 회절격자 커플러를 제조방법에 있어서, 기판위에 에피성장법으로 회절격자의 역할을 수행할 수 있는 연속적인 빗살무늬 표면을 갖는 광 도파로층을 형성하는 것을 특징으로 하는 회절격자 커플러 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 도파로층은 상기 기판 및 대기보다 굴절율이 크고 격자상수가 큰 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 회절격자 커플러 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 도파로층의 표면이 빗살 무늬로 형성되게 하기 위하여, 상기 기판이 GaAs로 형성될 경우 상기 광 도파로층은 상기 기판보다 굴절을 및 격자상수가 큰 InGaAs로 형성하는 것을 특징으로 하는 회절격자 커플리 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 연속적인 빗살 무늬 표면을 갖는 상기 광 도파로층을 형성하기 위하여, 상기 기판의 방위가 (100)면에 정확히 일치하는 기판인 온 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 회절격자 커플러 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에피성장법은 유기금속 화학증착법 및 분자선 증착방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 회절격자 커플러 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 빗살 무늬의 회절격자 간격을 제어하기 위하여, 상기 광 도파로층의 성장온도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 회절격자 커플러 제조방법.
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