KR20000024446A - 고효율 및 저손실을 갖는 분기형 광 도파로 개발 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광집적회로를 제작하기 위한 평판형 광집적회로 소자에서 분기형 광 도파로 소자에 관련되며 효율적인 광 분배를 위해 분기점에서의 모양 변화의 영향을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 완전한 상부 덮개 층 제작이 용이하기 때문에 분기점에서 광을 손실 없이 분기하는 것과 반사 손실을 최소화시킬 수 있는 광 분배기를 공급하는데 그 특징이 있다.

상기의 목적을 이루기 위하여 본 발명에 따른 Y 분기 광 도파로(도 2)는 한개의 입사 면 도파로(21)와 두 개의 출사 면 도파로(22와 23), 그리고 입사 면 도파로(21)와 출사 면 도파로(22와 23) 사이에 모드 확장형 도파로(24) 및 출사 모드 점진 축소형 분기 도파로(25와 26)가 놓이도록 구성되어 있다. 이는 모드 확장 후 확장된 광을 점진적으로 도파 모드에 맞추기 위하여 출사 모드 점진 축소형 도파로 및 두 개의 출사 면 도파로는 출사 모드 분기점으로부터 거리 증가에 따라 점진적으로 좁아지는 모양을 갖는다. 이와 같은 점진적 축소형 광 도파로는 도파로의 폭을 점진적으로 좁아지게 함으로서 모드 정합을 유도하였다. 이때 분기점에서의 광 손실은 모드 정합형 도파로를 지나면서 출사 도파로와 모드 정합을 통하여 최소화되도록 도파 모드 결합이론 및 빔전송방법이론으로부터 계산하여 결정하였다.

또한 실리카계 Y 분기 광 도파로의 구성은 하부 덮개 층, 코어 층 및 상부 덮개 층 등으로 되어 있으며 이때 대부분의 광은 코어 층을 통하여 전파된다. 도파로 제작 공정은 화학기상증착방법 이나 화염가수분해방법을 이용하여 실리콘 또는 석영 기판 위에 하부 덮개 층과 코어 층을 증착한 다음 도파로 패턴 및 식각 작업을 하여 만들게 된다. 화염가수분해증착법의 경우 증착된 하부 덮개층과 코어층은 투명한 유리막으로 변환시키기 위해 1200℃ 이상의 고온에서 고밀화 열처리를 하여 유리막으로 변환시킨다. 이때 코어 층은 굴절률을 하부 덮개 층 보다 0.25-0.3% 정도 높게 제작하기 위하여 게르마늄이나 인을 부가적으로 첨가한다. 하부 덮개 층과 코어 층을 갖는 실리카 막을 Cr을 마스크로 사용하여 건식 식각하여 도파로를 형성한 다음 상부 덮개 층을 증착하여 광 도파로를 완성한다.

광 도파로 제작 공정에서 미세한 광 감광제 패턴 공정, 정밀한 깊은 식각 및 불완전한 상부 덮개 층 증착 등의 문제점으로 인하여 분기점에서 계면의 접합이 부분적으로 불량해지며 부분적으로 기공이 형성된다든지 또는 다소 무딘 영역이 형성되어 설계와 크게 차이가 생겨 분기점에서 반사로 인하여 손실이 발생하게 된다. 이와 같은 도파로 제작 공정에서 설계와의 차이로 인해 높은 차수 모드를 형성할 수 있어, 심지어 입사 광이 단일 모드일지라도 다중 모드 거동을 하는 경향이 있을 뿐만 아니라 광 파워의 일부가 도파로의 바깥쪽으로 방사(Radiation)하는 단점이 있어 손실이 커진다.

본 발명에서 제안한 분기 도파로 구조는 분기점에서 점진적으로 좁아지는 축소형으로서 모드 변화 손실은 2 미크론 폭 이하의 날카로운 영역을 갖는 미세한 코어 패턴을 형성하지 않아도 빔전송방법을 이용한 시뮬레이션 결과 곡률 부분의 손실을 포함하여 손실은 약 0.08dB 정도로 매우 낮다. 또한 분기 도파로 공간이 약 100 미크론 정도로 허용 범위를 넓게 하여도 설계 상 문제가 없기 때문에 상부 덮개 층을 제작하는 공정에서 분기 영역에서 정확한 코어를 쉽게 만들 수 있어 코어 모양 변화에 따른 손실은 낮출 수 있어 생산 수율을 큰 폭으로 개선시킬 수 있다.

Description

고효율 및 저손실을 갖는 분기형 광 도파로 개발{Development of Branching Optical Waveguide for High Efficiency and Low Loss}

본 발명은 광 통신망, 광 신호처리 등에 응용되고 있는 평판형 광 도파로 소자에 관련한 입사 광을 분기하기 위한 분배기로서 도파로 제작 공정에서 발생되는 도파로 선폭 감소에 따른 설계와의 오차를 감소시키고 분기점에서 광을 손실 없이 분배할 뿐만 아니라 반사 손실을 최소화한 고품위 실리카계 광 도파로 제작이 가능하도록 모드 확장형 도파로와 함께 모드 정합 유도를 위한 점진적 축소형 도파로를 이용한 설계와 제작에 관한 것이다.

광 도파로는 초고속 광 통신망에서 집적광학 소자를 이루는 필수적인 소자로서 광 분배기, 광 결합기, 모듈레이터, 스위치 간섭계형 형태의 소자 및 반도체 배열 레이저, 평판형 파장 다중화 소자(wavelength division multiplexing) 등에서 폭넓게 이용되고 있으며 상기와 같은 다양한 응용 분야에 맞추어 저손실, 파장 무의존성 및 편광손실의 최소화가 요구된다.

도 1은 종래에 사용되어온 확장형 Y 분기 광 도파로 구조의 기판(10) 위에 제작된 한 개의 입사 면 도파로(11)와 2개의 출사 면(분기) 도파로(12 및 13)로 분기되는 모양을 나타내고 있다. 입사 면 도파로 (11)에 입사된 광은 2개의 분기 출사 면 도파로(12 및 13)로 이동된다. 이때 입사 면 도파로(11)의 입사 광 모드가 출사 면 도파로(12와 13)로 광의 파워가 균등하게 분배하여야 한다. 이를 위한 방법으로 여러 가지 형태의 분기형 도파로가 제안되었으며 기본적으로 Y 모양의 분기 구조가 주류를 이루고 있다. 이러한 광 분배기는 낮은 삽입 손실을 갖어야 하며 파장의 변화에 따라 독립적인 광 분배 특성을 갖을 뿐만 아니라 적은 편광 의존성을 갖어야만 한다. 이상에서 설명한 Y 분기 광 도파로가 직렬로 여러개 연결되면 1 × n(n=4,8,16,32,‥‥) 광분배기라고 하며 이와 같이 여러개를 만들어 다중 광 분배기로 사용되고 있으며, 상기의 1 × n(n=4,8,16,32,‥‥) 광 분배기는 광을 각각의 분기로 균일하게 분배하여야 하기 때문에 분배할 때의 손실을 최소화하는 방향으로 개발이 진행되어 왔다.

도 1에서 설명한 종래의 Y 분기형 광 도파로의 경우에는 단일 모드 입사 광(11)을 모드의 변화 없이 분기된 출사 면(12와 13)으로 전파시키기 위해서는 도파로 제작 공정에서 이론적인 설계대로 제작되어야만 한다. 도 1의 Y 분기 광 도파로에서, Y 모양으로 나누어진 영역 (14 ;이하 분기점이라함)은 기판(10) 위의 한개의 입사 면 도파로(11)와 두 개의 출사 면 도파로(12와 13) 사이에 놓여 있으며 상당히 쉽게 설계할 수 있다. 그러나 Y 분기 광 도파로는 분기점(14)에서 설계 상으로 0.1 미크론 이하의 미세 선폭이 요구되나 도파로를 제작하는 공정인 광 감광제 (PR;photoresist) 마스크 패턴을 형성한다든지 또는 채널형 도파로 제작을 위하여 8 미크론 이상의 깊이를 식각 할 때는 도파로 선폭을 원래 설계대로 유지하기가 매우 어려워 도파로 폭 증가로 인한 높은 차수 모드가 형성될 수 있고, 심지어 입사된 광이 단일 모드일지라도 다중 모드 거동을 하는 경향도 있다. 따라서 Y 분기 광 도파로는 광 파워의 일부가 도파로의 바깥쪽으로 방사하는 단점이 있어 손실이 커진다. 또한, 설계 상으로는 우수한 광 분배 특성을 갖으나 실리카계 광 도파로의 제작 공정 시 분기점(14)의 끝이 0.1 미크론 이하의 아주 날카로운 패턴을 구현하였을지라도 덮개 층 공정에서 계면의 접합이 부분적으로 불량해져서 부분적으로 기공이 형성된다든지 또는 다소 무딘 영역(15) 형성의 직접적인 원인이 된다. 따라서 도파로 폭이 늘어나게 되어 영역(16)은 설계보다 커지게 되어 몇몇 경우에 있어 도파 모드 변화 손실을 증가시켜 도파로 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 심한 경우에는 제작된 소자를 폐기시켜야 하는 등의 생산수율 면에서 큰 손실을 가져온다.

상기와 같은 분기형 광 도파로의 최소 선폭을 구현하는 문제점을 해결하기 위한 방법으로 광 분배기의 분기 도파로 사이의 공간을 광 감광제에 의한 패턴 및 건식 식각 공정에서 구현 가능한 선폭(약 2미크론) 만큼 중간을 넓게 하여 분기 모양을 만드는 방법을 이용하여 어느 정도 성공하였으나 이 경우에도 분기점에서 두 도파로 넓이가 급격하게 좁아지기 때문에 도 2에 나타낸 것과 같이 모드의 급격한 변화와 이에 따른 삽입 손실이 발생하는 단점을 내포하고 있어 아주 효과적인 설계 방법이라고는 할 수 없다.

상기에서 언급한 바와 같이 본 발명의 목적은 광 통신망, 광 신호처리 등에 사용되는 평판형 실리카계 광 분기 도파로 제작 공정에서 발생되는 도파로 선폭 감소 및 상부 덮개 층 문제를 저감하여 분기점에서 광을 손실 없이 분배할 수 있게 하기 위하여 입사 면 도파로의 모드는 확장을 시키고 출사 면에서는 모드 정합을 유도하여 광이 잘 투과될 수 있도록 점진적으로 축소하는 도파로(변화 도파로)를 삽입함으로서 삽입 손실을 최소화하고 균일한 광 분배가 이루어 질 수 있도록 하였으며 출사 면 도파로 간격(27)을 4 미크론 이상 증가시켜 제작 공정오차를 최소화 하였다.

분기형 광 도파로는 도 3에 나타낸 것과 같이 실리콘(30) 또는 석영 기판(30) 위에 하부 덮개 층(31), 코어 층(32) 및 상부 덮개 층(33) 등 3개의 층으로 구성되어 있다. 이때 광의 전파 특성은 코어 층(32)을 통하여 대부분을 진행한다. Y 형태의 광 분배기의 경우, 도 1에서 이미 언급한 바와 같이 한 개의 광이 입사(11)하여 분기점(14)에서 두 개의 광(12와 13)으로 나누어진다. 이러한 광 분기형 도파로는 제작 공정에서 하부 덮개 층(31)과 코어 층(32)을 증착한 다음 도파로 패턴 작업을 하여 만들게 된다. 이 경우 광 감광제의 선폭을 0.1미크론까지 정확하게 구현하여야 할 뿐만 아니라 8 미크론 이상의 코아 층(32)의 깊은 식각 및 안전한 상부 덮개 층(32)을 증착하는데 어려움이 있다. 선폭을 너무 작게 하여 상부 덮개 층(32)을 증착하면 분기점에서 도파 모드의 급격한 변화에 따른 삽입손실이 발생하는 단점을 내포하고 있어 분기점에서 광의 분배 손실 및 반사 손실이 증가하는 직접적인 원인이다. 상기 광 분배 및 반사 손실을 감소시키기 위하여 본 발명에서는 평판형 실리카계 광 도파로 제작 공정에서 나타나는 마스크 패턴, 식각 및 도파로 선폭 감소 등의 문제점들, 즉 분기 형태의 도파로 제작 시 나타나는 공정 오차를 최소화 할 수 있는 효율적인 설계인 모드 확장형 도파로와 함께 모드 정합 유도를 위한 점진적 축소형 도파로를 이용하여 설계함으로서 분기점에서 광을 손실 없이 분배할 수 있을 뿐만 아니라 반사손실을 최소화할 수 있는 고품위 Y 분기형 광 도파로가 제작 가능한 설계 기술을 개발하는 것이다.

도 1은 종래의 확장형 Y 분기 광 도파로의 기본 구조를 보이는 개략도.

도 2는 본 발명에서 제안한 점진적 축소형 Y 분기 광 도파로 및 도파 모드의 개략도

도 3은 평판형 실리카 분기형 광 도파로의 단면도로서 (a)는 화염가수분해증착법, (b)는 화학기상증착 방법을 이용하여 제작하였다.

Y 분기형 광 도파로는 집적광학형 소자에 있어서 필수적인 소자로서 고효율·저 손실의 광 분배가 매우 중요하다.

도 2는 상기에서 설명한 반사 및 산란으로 인한 손실을 최소화하기 위한 방안으로 본 발명에서 제안한 Y 분기형 광 도파로 소자의 평면도이다. Y 분기형 광 도파로(도 2)는 한 개의 입사 면 도파로(21)와 두 개의 출사 면 도파로(22와 23), 그리고 한 개의 입사 면 도파로(21)와 두 개의 출사 면 도파로(22와 23) 사이에 확장형 도파로(24), 출사 모드 점진 축소형 분기 도파로(25와 26)가 놓이도록 구성되어 있다. 이는 한 개의 입사 광을 두 개의 출사 도파로로 균등 분배하기 위하여 모드 확장 후 확장된 광을 두 개의 출사 도파로와 모드 정합을 위하여 모드 정합 유도를 위한 출사 모드 점진 축소형 도파로(25)와 (26)을 사용하여 출사 면 도파로(22) 와 (23)쪽으로 모드가 모드 점진 축소형 도파로(25)와 (26)으로부터 거리에 따라 점진적으로 좁아지는 모양을 갖는다. 이와 같은 모드 정합 유도를 위한 모드 점진적 축소형 도파로(도 2)는 도파로의 폭을 점진적으로 좁아지게 함으로서 종래에 사용되어온 모드 확장형 도파로(도 1)의 불연속적인 도파로의 배치로 인한 손실 발생을 제거하였다. 또한 곡률 부분의 시작점에서 거리(27)를 4 미크론 이상 간격을 유지함으로서 도파로 제작 공정 상의 오차를 최소화하였을 뿐만 아니라 분기점에서의 광 손실은 모드 정합형 도파로를 지나면서 출사 면 도파로(22과 23)와 모드 정합을 통하여 최소화하였다. 설계 시 각각의 도파로가 분기되는 영역의 폭과 길이는 도파모드 결합이론(Coupled Mode Theory) 및 빔전송방법(Beam Propagation Method) 등의 수학적 방법으로부터 입사 광이 가장 적은 손실로 이송될 수 있도록 계산하여 결정하였으며 이때 계산된 손실은 곡률 영역에서의 손실을 포함하여 0.08dB 이하이었다. 또한 모드 정합 유도를 위한 점진적 축소형 도파로의 경우 두 도파로 사이의 분기점의 간격이 0.7미크론까지 선폭 구현이 되지 않아도 0.01㏈의 손실 증가에 그쳤다. 이러한 결과는 종래의 Y 분기형 광 도파로에 비해 매우 우수한 특성을 보이며 제작 공정에서도 매우 유리하다.

도 3에서 이미 검토한 바와 같이 현재 실리카계 분기형 광 도파로의 경우, 하부 덮개 층(31), 코어 층(32)과 상부 덮개 층(33) 등 3개의 층으로 구성되어 있으며 이때 대부분의 광은 코어 층(32)을 통하여 투과한다. 이러한 소자의 제작 공정을 살펴보면 화학기상증착(CVD;chemical vapour deposition) 또는 화염가수분해 (FHD;flame hydrolysis deposition) 방법을 이용 실리콘(30) 또는 석영 기판(30) 위에 먼저 하부 덮개 층(31)과 코어 층(32)을 증착한 다음 도파로 패턴 및 식각 작업을 하여 만들게 된다. 화염가수분해증착 방법의 경우 하부 덮개 층(31)과 코어 층(32)을 투명한 유리막으로 변환시키는 고밀화 열처리 공정을 하는데 이때 고밀화 열처리 공정은 하부 덮개 층(31) 증착 후 또는 코어 층(32) 증착 후 각각 두 번에 걸쳐서 할 수도 있다. 코어 층 실리카 미립자 증착에서는 게르마늄이나 인을 부가적으로 첨가하는데 이는 코어 실리카 층(32)의 굴절률이 하부 덮개 층(31)이나 상부 덮개 층(43)의 굴절률보다 약 0.25-0.3% 정도 높게 하여 광이 코어 층을 따라 도파될 수 있게 해주기 위함이다. 하부 덮개 층(31) 및 코어 층(32)의 제작에 이어 코어 층 위에 Cr 물질과 같은 마스크(etch mask) 층을 2500Å 정도의 두께를 증착(도시하지 않음)하고 광 감광막(도시하지 않음)을 도포한 다음, 광 도파로의 2차원 평면 형상을 노광 마스크를 이용하여 감광막과 건식 마스크 층에 사진 현상법과 습식 식각(wet-etch) 방법으로 이를 전사(transfer)한다. 다음에는 이온 결합 플라즈마(ICP; Ion Coupled Plasma) 식각 또는 반응성 이온 에칭(RIE;reactive ion etching) 등 건식 식각방법을 이용하여 크롬 막 패턴으로 덮이지 않은 영역의 코어 층을 사각형 모양의 채널 광 도파로 모양을 식각한 후 하부 덮개 층(31)의 제작 공정과 유사하게 상부 덮개 층(33)을 증착하여 광 도파로를 완성한다.

앞에서 이미 언급한 것과 같이 도파로 제작 공정에서 광 감광제의 선폭 구현문제, 코어 층(32)의 깊은 식각 문제 및 상부 덮개 층(33) 증착 문제를 해결하는데 어려움이 있으며 선폭을 아주 작게 하여 상부 덮개 층(33)을 증착할 경우 분기점에서 설계와 크게 달라지게 되어 이러한 분기점에서 반사로 인하여 손실이 발생하게 된다. 본 발명에 의하면 상부 덮개 층 제작 시 종래의 Y 분기 광 도파로(도 1)에서 Y 분기 도파로는 분기점(14)의 도파로 제작 공정인 마스크 패턴 및 식각에서 도파로 선폭을 원래 설계대로 유지하기 매우 어렵기 때문에 상부 덮개 층 공정에서 계면의 접합이 부분적으로 불량해지며 부분적으로 기공이 형성된다든지 또는 다소 무딘 영역(15) 형성의 직접적인 원인이 된다. 따라서 높은 차수 모드를 형성할 수 있어, 심지어 입사 광이 단일 모드일지라도 다중 모드 거동을 하는 경향이 있을 뿐만 아니라 광 파워의 일부가 도파로의 바깥쪽으로 방사하는 단점이 있어 손실이 커진다.

도 2에서 설명한 본 발명에서 제안한 분기형 광 도파로인 분기점에서 모드 정합 유도를 위한 점진적으로 좁아지는 축소형(taper) 도파로를 이용하는 경우 빔전송방법을 이용한 시뮬레이션 결과 분기 손실은 분기 도파로 공간이 약 100 미크론 떨어진 곳까지 두 도파로 사이의 간격이 0.7 미크론까지 도파로의 선폭이 구현되지 않아도 손실의 증가가 약 0.01dB 정도로 매우 낮다. 이는 종래의 확장형 Y 분기 광 도파로의 경우 비록 분기점 근방의 분기 도파로 공간을 충분히 날카롭게 유지한다 할지라도 약 0.1dB 또는 그 이상이다. 또한 분기 도파로 공간이 약 100 미크론 정도가 되어도 설계 상 문제가 없기 때문에 상부 덮개 층을 제작 시 분기점 근방에서 정확한 코어를 쉽게 만들 수 있어 코어 모양 변화에 따른 손실은 낮출 수 있어 생산 수율을 큰 폭으로 개선시킬 수 있다.

상기에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도 2에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.

평판형 실리카계 분기형 광 도파로 소자를 제작하는데 있어 공정 상 나타나는 마스크 패턴, 식각, 도파로 선폭 감소 및 상부 덮개 층의 불균일성 등의 문제들을 분기점에서 모드 정합 유도를 위한 점진적으로 좁아지는 축소형(taper) 도파로를 이용하여 입력광을 두 개의 출력 도파로에 모드를 정합하는 새로운 방법으로 설계함으로서 공정 오차를 최소화 할 수 있고 분기점에서 광을 손실 없이 분배할 뿐만 아니라 반사 손실을 최소화할 수 있다. 이는 종래의 방법으로 설계되어 제작된 광 분기형 도파로 소자에 비해 보다 용이하게 소자를 제작할 수 있고, 종래의 방법에서 나타나는 마스크 패턴, 식각문제, 도파로 선폭 감소 및 상부 덮개 층의 불균일성 등의 문제들을 해결할 수 있기 때문에 소자 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 생산 수율을 증가시킴으로서 경제성 있는 실리카계 광 도파로 소자를 제작하는 것이 가능하다.

Claims (4)

1. 실리카계 광 분기형 구조를 갖는 도파로 소자에서 광 입사 도파로 및 출사 도파로를 구비하는 광 도파로
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분기형 도파로에서 주 도파로와 분기 도파로 사이에 변화 도파로가 놓여 있으며 분기 도파로는 변화 도파로의 끝단으로부터 점진적으로 좁아지는 구조로 되어 있는 도파로.
3. 제 1항에 있어서, 상기 하부 덮개 층, 코어 층 및 상부 덮개 층으로 구성되어 있는 Y 분기 광 도파로.
4. 제 3 항에 있어서, 상기의 하부 덮개 층, 코어 층 및 상부 덮개 층 등 도파로 층의 제조 방법은 화염가수분해방법, 화학기상증착방법, 스퍼터링, 졸겔 또는 회전도포 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 제조 방법.