KR19980069112A - 희토류 이온이 첨가된 광도파로 제조방법 - Google Patents

희토류 이온이 첨가된 광도파로 제조방법 Download PDF

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Abstract

희토류 이온 농도를 원하는 바대로 자유로이 조절할 수 있고, 희토류 이온이 균일한 분포를 가지게 하며, 희토류 이온을 코어의 어느 위치든지 부분적으로 첨가할 수 있고, 쉽게 재현할 수 있는 희토류 첨가 광도파로 제조 방법이 제공된다. 화염가수분해에 의해 단결정 기판위에 하부클래딩과 제1 코어층을 증착한 후, 형성된 코어층위에 화염가수분해를 통해 증착시키고 수냉에 의해 냉각시켜 다공질층을 형성한다. 상기 다공질층이 형성된 기판을 희토류 이온이 포함된 용액에 담가두어 희토류 이온이 다공질층에 첨가되도록 한 후 건조시키고, 그 위에 화염가수분해에 의해 제2 코어층을 형성한다. 그리고 기판을 전기로에서 가열하여 경화시킨다. 경화된 기판에 대해 활성 이온 에칭에 의하여 상기 제2 코어층과 다공질층 및 제1 코어층을 선택적으로 국부 에칭함으로써 도파로 코어를 형성한 후, 상기 도파로 코어를 매장하기 위해 상부 클래딩층을 형성하게 된다.

Description

희토류 이온이 첨가된 광도파로 제조방법
본 발명은 희토류 이온이 첨가된 광도파로 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 수냉에 의해 다공질층을 형성하고 용액첨가 방식에 의해 상기 다공질층에 희토류 이온을 첨가시킴으로써, 희토류 이온 농도가 원하는 바대로 자유로이 조절될 수 있고 희토류 이온이 균일한 분포를 가지며 코어의 어느 위치든지 부분적으로 첨가가 가능하고 쉽게 재현될 수 있는 희토류 첨가 광도파로 제조 방법에 관한 것이다.
광도파로는 광 집적회로를 구성하는 여러 광학소자 가운데 가장 기본적인 전송소자로서, 광에 실린 신호의 내용을 그대로 보존한 채 광신호를 한 곳에서 다른 것으로 보내는데 사용되는 것이다. 광도파로의 구조를 부분적으로 수정하게 되면, 통과하는 광신호를 여러 방향으로 분할하거나 반대로 여러 방향에서 오는 광신호를 하나로 모을 수도 있고, 그밖에 변조, 복조, 스위칭이나 다중화 등의 기능을 수행하는 소자를 제작할 수도 있다.
현재 기판상에 제작된 광도파로에 대한 연구가 많이 진행되고 있는데, 이는 광도파로를 기판상에 제작할 경우 광손실 등이 광섬유에 비해 매우 크다는 단점을 가짐에도 불구하고 여러 가지 우수한 특성을 가지게 되기 때문이다. 즉, 기판상의 광회로는 광섬유에 비해 일반적으로 구조적으로 안전하고 소형으로 제작될 수 있다. 아울러 광회로가 기판상에 제작되면, 다양하고 복잡한 광 회로 요소 및 발광소자나 수광소자 또는 신호처리용 전자소자 등을 함께 집적하는 것이 비교적 용이하다. 따라서 도파로의 구조에 다양성을 줄 수 있으며, 대량생산이 가능하게 된다.
실리콘 또는 실리콘 단결정을 기판으로 하는 광도파로에 대한 지금까지의 주요한 연구의 예로는 일본전신전화주식회사(NTT) 등에 행해진 화염가수분해증착(Flame Hydrolysis Deposition: FHD)에 의한 TiO2/GeO2-SiO2광도파로의 연구와 ATT 등에 의해 행해진 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)에 의한 P2O5-SiO2및 Si3N4광도파로의 연구를 들 수 있다. 이들 방식에 의해 제작된 광도파로는 0.1 dB/cm 정도의 낮은 광손실 특성을 보여준다.
아울러 어븀(Er) 도핑 실리카 광증폭기의 상용화에 힘입어 상기 도파로에 희토류 원소가 첨가된 능동 실리카 도파로의 제조에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 이 도파로는 집적화된 도파로 레이저와 증폭기에 대한 응용에 주로 촛점이 맞추어져 있다.
광섬유에 희토류 원소를 첨가하는 기술은 지금까지 여러 가지가 개발되어 있는데, 이 기술들은 평면형(Planar) 고-실리카 도파로에도 응용될 수 있다. 최근까지 공개된 희토류 원소 첨가 평면형 실리카 도파로 제조 방법은 다음과 같다.
첫째 방법은 증착된 수트(Soot)를 부분적으로 소결(Sintering)시키고 용액 첨가 기술(Solution Doping Technique)을 사용하면서 희토류 이온을 다공 구조에 부여함으로써 제조하는 방법이다. Townsend 등에 의한 기술논문 Electronics Letter, 23, (7), 1987년 329-331면에 이 방법이 서술되어 있다. 그러나 이 기술은 희토류 이온을 고농도로 첨가시키기 어렵고 희토류 이온이 균일한 분포를 갖지 못한다는 단점을 가진다.
둘째 방법은 증착시키는 동안 희토류 킬레이트의 증기상 전달을 사용하여 희토류 이온을 도입함으로써 제조하는 것이다. Tumminelli 등에 의한 기술논문 Optics Letter, 16, (14), 1991년 1098-1100면에 이 방법이 서술되어 있다. 그런데, 이 방법에 의하면 희토류 킬레이트가 낮은 증기압 상태이므로 증기상으로 전송시키기 위해서는 출발 단계에서부터 일정 온도를 유지시키기 위해 다소 복잡한 전달 시스템을 구비해야 한다는 문제점이 있게 된다.
셋째 방법은 VAD 또는 OVD 방식에 의한 다성분 유리섬유 제조기술과 MCVD 방식에 의한 희토류 첨가 실리카 섬유 제조기술에서 비롯된 에어로졸 첨가 기술이다. Kitagawa 등에 의한 기술논문 Electronics Letter, 27, (4), 1991년 334-335면에 이 방법이 서술되어 있다. 이 방법은 희토류 원소 특히 Nd이나 Er 이온을 고농도로 첨가할 수 있고 평면 형태에서 성공적으로 행해질 수 있다. 증착시키는 동안 단순 제조 단계에서 유리내에 희토류 원소를 참여시키는 상기 첫 번째 방법보다 많은 장점을 가지는 이 에어로졸 첨가 기술은 희토류 이온의 몰입 이후에 부분적 소결과 건조 (Drying) 정도를 충분히 조절할 수 있고, 첨가 정도를 미세 단위 수준에서 수행할 수 있으며, 산란 손실을 증가시키는 클러스터링(Clustering)을 감소시키면서 희토류 이온 분포의 균일성을 증대시킨다. 결국 비교적 값싼 반응 화합물을 사용하게 되고, 낮은 증기압 상태에서의 희토류 킬레이트를 증기상으로 전송시키는 방식과 비교해서 덜 복잡한 전달체계를 갖는다. 그러나 이 방법은 제조 공정에 세심한 주의를 기울여야 하고 재현성이 부족한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 희토류 이온 농도를 원하는 바대로 자유로이 조절할 수 있고, 희토류 이온이 균일한 분포를 가지게 하며, 희토류 이온을 코어의 어느 위치든지 부분적으로 첨가할 수 있고, 쉽게 재현할 수 있는 희토류 첨가 광도파로 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 희토류 첨가 매장형 도파로의 제조공정을 도시한 것,
도 2는 완성된 희토류 첨가 매장형 도파로의 단면도,
도 3은 완성된 희토류 첨가 매장형 도파로의 코어 융기부위의 단면도,
도 4는 본 발명에 의한 희토류 첨가 융기부위형 도파로의 제조공정을 도시한 것,
도 5는 완성된 희토류 첨가 융기부위형 도파로의 단면도,
도 6은 완성된 희토류 첨가 융기부위형 도파로의 코어 융기부위의 단면도,
도 7은 본 발명의 광도파로 제조공정 중에 사용되는 화염가수분해 증착 장치의 사시도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 기판110,150 : 코어층
120, 160 : 하부클래딩130 : 다공질층
140 : 희토류 이온이 첨가된 다공질층
170 : 코어 융기부위180, 190 : 상부 클래딩
200 : 수냉장치210 : 회전 테이블
220 : 단결정 기판230 : 토치
240, 250 : 전송관
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법은 (가) 화염가수분해에 의해 단결정 기판위에 하부클래딩과 제1 코어층을 증착하는 단계; (나) 형성된 코어층위에 화염가수분해를 통해 증착시키고 수냉에 의해 냉각시켜 다공질층을 형성하는 단계; (다) 상기 다공질층이 형성된 기판을 희토류 이온이 포함된 용액에 담가두어 희토류 이온이 다공질층에 첨가되도록 한 후, 건조시키는 단계; (라) 희토류 이온이 첨가된 다공질층위에 화염가수분해에 의해 제2 코어층을 형성하는 단계; (마) 기판을 전기로에서 가열하여 경화시키는 단계; (바) 경화된 기판에 대해 활성 이온 에칭에 의하여 상기 제2 코어층과 다공질층 및 제1 코어층을 선택적으로 국부 에칭함으로써 도파로 코어를 형성하는 단계; 및 (사) 상기 도파로 코어를 매장하기 위해 상부 클래딩층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 희토류 첨가 도파로의 제조공정을 도시한 것으로서, 희토류 첨가 매장형 도파로를 제조하기 위한 것이다.
상기 제조 공정은 유리막 증착과 에칭 절차를 조합한 것이다. 화염가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition)과 활성 이온 에칭(Reactive Ion Etching)의 조합하면 광섬유에 가장 잘 정합되는 저손실 채널 도파로를 제작할 수 있게 된다.
도 1을 참조하면, 첫째 단계로써, 화염가수분해에 의해 실리콘 또는 실리카 단결정 기판(100)위에 완충층(즉, 하부 클래딩: 110)과 코어층(120)의 두 유리 입자층을 증착한다. 여기에서, 증착된 완충층(110)은 SiO2입자층이며, 코어층(120)은 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2입자층이다.
상기 증착 공정은 도 7에 도시된 화염가수분해 증착 장치를 사용하여 행해지는데, 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
하나의 전송관(240)을 통해 SiCl4-TiCl4또는 SiCl4-GeCl4의 혼합물이 토치(230)에 유입되고, 다른 전송관(250)을 통해 산소와 수소의 연소가스가 상기 토치(230)에 유입된다. 화염가수분해에 의해 합성된 미세 유리 입자, 즉 SiO2입자 및 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2입자가 A 방향으로 회전하는 회전 테이블(210) 위에 놓여진 실리콘 또는 실리카 단결정 기판(220)위에 차례로 증착된다. 증착되는 동안 토치(230)는 테이블(210)의 반지름 방향으로 반복적으로 가로지른다. 이와 같이 반복적으로 가로지르는 횟수에 의해 증착층의 두께가 조절된다. 한편 적은 양의 BCl3과 PCl3이 상기 합성된 유리 입자의 용융점 아래의 온도에서 전송관(240)을 통해 추가된다. 이와 같이 형성된 증착층에서 완충층(110)과 코어층(120)의 굴절률은 TiCl4또는 GeCl4의 유량비에 의해 조절된다.
이와 같이 유리 입자층을 증착한 후에는, 두 번째 단계로써, 형성된 코어층(120)위에 수냉(Water Cooling)에 의해 다공질층(130)을 형성한다. 이를 위해, 전송관(240)을 통해 SiCl4-TiCl4또는 SiCl4-GeCl4의 혼합물을 토치(230)에 유입시키는 한편, 상기 증착단계에서와는 달리 회전 테이블(210)의 방향을 B 방향으로 회전시키면서 도 7에 도시된 수냉장치(200)를 사용하여 물을 분사시켜서 합성된 유리 입자들이 코어층(120) 표면에 증착되도록 강제 냉각시킨다. 이렇게 형성된 다공질층(130)은 코어층(120)과 접착이 잘 되어 있지 않으므로, 다공질층 형성 후에 회전테이블(210)을 다시 A 방향으로 회전시키면서 혼합물의 유입없이 토치(230)를 이용하여 증착층을 가열시킴으로써 접착이 잘 이루어지도록 한다. 이때 토치(230)의 온도를 조절하여 다공질층의 두께를 조절하는데, 토치의 온도가 높을수록 다공질층의 두께는 작아진다.
세 번째 단계에서는, 이와 같이 다공질층(130)이 형성된 기판을 희토류 이온이 포함된 용액에 담가두어 희토류 이온이 다공질층(130)에 첨가되도록 한 후, 기판을 용액에서 꺼내어 히터(Heater)를 이용하여 건조시킨다. 이 과정에 의해 상기 다공질층(130)은 희토류 이온이 첨가된 다공질층(140)으로 변환된다.
네 번째 단계에서는, 희토류 이온이 첨가된 다공질층(140)위에 다시 화염가수분해 장치를 사용하여, 상기 첫 번째 단계에서 설명한 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2입자층인 코어층(120)을 형성한다.
다섯 번째로, 기판을 전기로에서 1200-1300℃까지 가열하여 경화시킨다. 경화후의 상부 및 하부의 코어층(120)과 희토류 이온이 첨가된 다공질층(140)은 경화에 따른 형질 변화를 반영하기 위해 참조번호를 각각 160, 140으로 변경하여 도시하였다.
여섯 번째로, 경화단계를 거친 상기 기판을 활성 이온 에칭(Reactive Ion Etching: RIE)을 행한다. C2F6-C2H4의 혼합가스와 a-Si 마스크를 사용하여 활성 이온 에칭을 통해 코어 융기부위(170)와 완충층(150)이 노출될 때까지 에칭을 행하게 된다. SiO2/Si의 에칭 비율은 10에서 15의 범위에 있다. SiO2의 에칭 속도는 단일모드 코어 융기부위를 형성하는 경우 시간당 5에서 10㎛의 범위에서 선택된다. 한편 상기 코어 융기부위(170)는 상부 및 하부의 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2코어층(160)과 희토류 이온이 첨가된 다공질층(140)을 포함하는데, 이에 대해서는 후술한다.
일곱 번째로, 코어 융기부위(170)를 매장하기 위해 두꺼운 SiO2클래딩층(즉, 상부 클래딩층: 180)을 형성한다. 상기 상부 클래딩층(180)은 첫째 단계의 완충층(150)을 제조하기 위해 사용한 것과 같은 화염가수분해 증착 공정과 경화 공정에 의해 형성된다.
도 2는 완성된 희토류 첨가 매장형 도파로를 보여준다. 상기 희토류 첨가 매장형 도파로는 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2입자층인 코어층(150)과, 다공질층으로 이루어진 코어 융기부위(170)와, 화염가수분해(FHD)에 의해 합성된 SiO2입자가 경화되어 만들어진 상부클래딩인 SiO2클래딩(180)을 포함한다.
도 3은 완성된 희토류 첨가 매장형 도파로의 코어 융기부위(170)를 보다 구체적으로 보여준다. 상기 코어 융기부위(170)는 상부 및 하부의 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2코어층(160)과, 희토류 이온이 첨가된 다공질층(140)을 포함한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 희토류 첨가 도파로의 제조공정을 도시한 것으로서, 희토류 첨가 융기부위형 도파로를 제조하기 위한 것이다.
도 4에 도시된 희토류 첨가 융기부위형 도파로의 제조공정은 도 1에 도시된 희토류 첨가 매장형 도파로의 제조공정과 유사하며, 일곱 번째 단계에 있어서만 상이하다. 따라서 동일한 부위에는 동일한 참조번호를 부여하였으며, 이에 관한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 화염가수분해 증착과 활성 이온 에칭에 의해 코어 융기부위(170)를 형성한 후, 마지막으로 화학기상증착(CVD)에 의해 상대적으로 얇은 SiO2클래딩(즉, 상부 클래딩: 190)을 형성하여 코어 융기부위(170)를 덮게 된다.
도 5는 완성된 희토류 첨가 융기부위형 도파로를 보여준다. 상기 희토류 첨가 융기부위형 도파로는 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2입자층인 코어층(150)과, 다공질층으로 이루어진 코어 융기부위(170)와, 화학기상증착에 의해 형성된 상부클래딩인 SiO2클래딩(190)을 포함한다.
도 6은 완성된 희토류 첨가 융기부위형 도파로의 코어 융기부위(170)를 보다 구체적으로 보여준다. 상기 코어 융기부위(170)는 상부와 하부의 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2코어층(160)과, 희토류 이온이 첨가된 다공질층(140)을 포함한다.
상기 실시예는 본 발명을 단순히 예시하는 것으로서, 본 발명의 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 상기 다공질층 및 상부 코어를 복수번 증착시킴으로써, 코어 융기부위(170)내에 복수의 SiO2-TiO2또는 SiO2-GeO2코어층(160)에 의해 분리되어 있는 복수개의 다공질층(140)이 존재하게 할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 희토류 이온이 첨가된 광도파로는 종래의 방법과는 달리 수냉에 의해 다공질층을 형성하고 용액 첨가 방식에 의해 상기 다공질층 위에 희토류이온을 첨가하기 때문에, 희토류 이온 농도가 원하는 바대로 자유로이 조절될 수 있다. 또한 코어의 어느 위치든지 부분적으로 희토류 이온의 첨가가 가능하고, 희토류 이온이 균일한 분포를 가지게 된다. 아울러 제조공정의 재현성이 높다는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. (가) 화염가수분해에 의해 단결정 기판위에 하부클래딩과 제1 코어층을 증착하는 단계;
    (나) 형성된 코어층위에 화염가수분해를 통해 증착시키고 수냉에 의해 냉각시켜 다공질층을 형성하는 단계;
    (다) 상기 다공질층이 형성된 기판을 희토류 이온이 포함된 용액에 담가두어 희토류 이온이 다공질층에 첨가되도록 한 후, 건조시키는 단계;
    (라) 희토류 이온이 첨가된 다공질층위에 화염가수분해에 의해 제2 코어층을 형성하는 단계;
    (마) 기판을 전기로에서 가열하여 경화시키는 단계;
    (바) 경화된 기판에 대해 활성 이온 에칭에 의하여 상기 제2 코어층과 다공질층 및 제1 코어층을 선택적으로 국부 에칭함으로써 도파로 코어를 형성하는 단계; 및
    (사) 상기 도파로 코어를 매장하기 위해 상부 클래딩층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단결정 기판은 실리콘으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단결정 기판은 실리카로 되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, (가) 단계는
    SiO2를 화염가수분해에 의해 증착한 후 경화시켜서 하부 클래딩을 형성하는 단계; 및
    화염가수분해에 의해 SiO2-TiO2입자층을 합성함으로써 제1 코어층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, (가) 단계는
    SiO2를 화염가수분해에 의해 증착한 후 경화시켜서 하부 클래딩을 형성하는 단계; 및
    화염가수분해에 의해 SiO2-GeO2입자층을 합성함으로써 제1 코어층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2 코어층은 SiO2-TiO2로 되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2 코어층은 SiO2-GeO2로 되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (나) 단계 내지 (라) 단계는 복수번 행해짐으로써, 복수의 제2 코어층사이에 삽입된 복수의 다공질층을 형성하는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 (사) 단계는 SiO2를 화염가수분해에 의해 증착한 후 경화시켜서 이루어지는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
  10. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 (사) 단계는 SiO2를 화학기상증착법에 의해 증착시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 희토류 이온 첨가 광도파로 제조방법.
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