KR20000025626A - Erbium doped planar amplifier and method for manufacturing optical devices using amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 평면형 광증폭기의 광증폭 특성, 전송손실 및 광섬유와의 접속손실 등을 개선시킬 수 있는 어븀-도우프트 평면형 광증폭기 및 그를 이용한 광소자 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of optical device manufacturing, and more particularly, to an erbium-doped planar optical amplifier capable of improving optical amplification characteristics, transmission loss, and connection loss with optical fibers, and an optical device manufacturing method using the same. will be.
광통신 기술의 발전에 따라 결합기(coupler), 증폭기(amplifier) 등의 집적형 광부품을 제조하기 위한 평면 도파로 기술이 연구 개발되어 왔다. 종래의 무손실 분배기는 EDFA(erbium doped fiber amplifier)와 섬유형 광분배기로 이루어졌다. 근래에는 EDFA를 대신하여 다수의 채널을 수용할 수 있고 다양한 기능의 소자를 응용 제조할 수 있는 장점을 가진 평면형 광증폭기(EDPA, erbium doped planar amplifier)가 연구되고 있다.Background Art With the development of optical communication technology, planar waveguide technology has been researched and developed for manufacturing integrated optical components such as couplers and amplifiers. Conventional lossless distributors consist of an EDB (erbium doped fiber amplifier) and a fiber type optical splitter. In recent years, erbium doped planar amplifiers (EDPAs), which have the advantage of accepting a large number of channels and manufacturing various functional devices in place of EDFA, have been studied.
종래의 평면형 광증폭기는 실리콘 기판 또는 실리카(석영, 유리) 기판 위에 FHD(flame hydrolysis deposition), 에어로졸(aerosol), PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition), 전자 빔 증착법(E-beam deposition) 등의 방법으로 어븀 함유 실리카를 형성하고 노광 및 건식식각으로 채널을 정의하는 일련의 과정으로 형성되었다. 평면형 광증폭기의 일반적인 형태는 입력단, 광증폭영역 및 출력단이 모두 어븀-도우프트 코아층으로 이루어져 전송손실이 1.2 ㏈/㎝ 보다 높고 증폭 임계전력이 27 mW 내지 260 mW로 높으며, 이득(Gain)이 적은 문제점이 있다. 특히 어븀-원소는 1550 ㎚ 광신호의 흡수손실(absorption loss)이 1.2 ㏈/㎝ 보다 크고, 코아층의 굴절률 차이(Δn)가 1.2% 정도로 높아 광섬유와의 접속손실이 크고 100% 단일 모드의 출력이 어렵다. 따라서, 평면형 광증폭기를 이용한 무손실 광분배기(lossless optical splitter), WDM용 광증폭기 등의 기능성 소자(functional devices) 제조가 어려운 문제점이 있다.Conventional planar optical amplifiers have methods such as flame hydrolysis deposition (FHD), aerosol, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and electron beam deposition (E-beam deposition) on silicon or silica (quartz, glass) substrates. It was formed by a series of processes to form erbium-containing silica and to define channels by exposure and dry etching. The general form of the planar optical amplifier consists of an erbium-doped core layer in which the input stage, the optical amplification region and the output stage all have a transmission loss higher than 1.2 mW / cm, amplification threshold power of 27 mW to 260 mW, and a gain. There are few problems. In particular, the erbium element has an absorption loss of 1550 nm optical signal greater than 1.2 dB / cm and a refractive index difference (Δn) of the core layer is about 1.2%, resulting in large connection loss with the optical fiber and 100% single mode output. This is difficult. Therefore, it is difficult to manufacture functional devices such as a lossless optical splitter using a planar optical amplifier and an optical amplifier for WDM.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 평면형 광증폭기의 입력단과 출력단의 전송손실 및 증폭 임계전력을 낮추어 고이득 특성을 얻을 수 있는 평면형 광증폭기 및 그를 이용한 광소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention devised to solve the above problems provides a planar optical amplifier and an optical device manufacturing method using the same, which can obtain high gain characteristics by reducing the transmission loss and amplification threshold power of the input and output terminals of the planar optical amplifier. There is a purpose.
도1a는 본 발명의 일실시예에 따른 평면 도파로형 무손실 광분배기의 평면도,Figure 1a is a plan view of a planar waveguide type lossless optical splitter according to an embodiment of the present invention,
도1b 및 도1c는 각각 도1a의 A, A' 부분의 확대도,1B and 1C are enlarged views of portions A and A ′ of FIG. 1A, respectively;
도2a 내지 도2e, 도3a 및 도3b는 본 발명의 일실시예에 따른 평면 도파로형 무손실 광분배기 제조 공정 단면도 및 평면도.Figures 2a to 2e, 3a and 3b is a cross-sectional view and a plan view of a planar waveguide type lossless optical splitter manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명* Explanation of reference numerals for the main parts of the drawings
ED: 어븀-도우프트 코아층 UD: 어븀-언도우프트 코아층ED: Erbium-doped core layer UD: Erbium-undoped core layer
1: 입력단 2: WDM 결합기1: input stage 2: WDM combiner
3: 광증폭영역의 광도파로 4 : 파장 분리기3: optical waveguide of optical amplification area 4: wavelength separator
5 : 무반사 경사 도파로 6 : 출력단5: anti-reflective waveguide 6: output stage
7: 광분배기 A, A' : 경사 접속부7: optical splitter A, A ': inclined connection
10 : 하부클래드층 12: 상부클래드층10: lower clad layer 12: upper clad layer
M: 마스크 AM: 정렬 마크M: Mask AM: Align Mark
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하부클래드층 상의 광증폭영역에 형성된 어븀-도우프트 코아층(Er-doped core); 상기 광증폭영역을 제외한 영역의 상기 하부클래드층 상에 형성된 어븀-언도우프트 코아층(Er-undoped core); 상기 어븀-언도우프트 코아층에 형성된 입력단; 상기 입력단과 연결되며 상기 광증폭영역의 상기 어븀-도우프트 코아층에 형성된 광도파로; 및 상기 광도파로에 연결되며 상기 어븀-언도우프트 코아층에 형성된 출력단을 포함하는 평면형 광증폭기를 제공한다.The present invention for achieving the above object is an erbium-doped core layer (Er-doped core) formed in the optical amplification region on the lower clad layer; An erbium-undoped core layer formed on the lower clad layer except in the optical amplification region; An input terminal formed on the erbium-undoped core layer; An optical waveguide connected to the input terminal and formed in the erbium-doped core layer of the optical amplification region; And an output terminal connected to the optical waveguide and formed at the erbium-undoped core layer.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하부클래드층 상에 어븀-언도우프트 코아층(Er-undoped core)을 형성하는 제1 단계; 상기 어븀-언도우프트 코아층을 선택적으로 식각하여 광증폭영역을 정의하는 제2 단계; 상기 광증폭영역에 어븀-도우프트 코아층(Er-doped core)을 형성하는 제3 단계; 상기 어븀-언도우프트 코아층 및 상기 어븀-도우프트 코아층을 선택적으로 식각하여, 그 각각의 일단이 상기 광증폭영역에 연결되는 입력단 및 출력단을 상기 어븀-언도우프트 코아층에 형성하고, 상기 입력단과 상기 출력단 사이의 상기 광증폭영역에 광도파로를 형성하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계가 완료된 전체 구조 상에 상부클래드층을 형성하는 제5 단계를 포함하는 광소자 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object is a first step of forming an erbium-undoped core layer (Er-undoped core) on the lower clad layer; Selectively etching the erbium-undoped core layer to define an optical amplification region; A third step of forming an erbium-doped core layer in the optical amplification region; Selectively etching the erbium-undoped core layer and the erbium-doped core layer to form an input terminal and an output terminal, each end of which is connected to the optical amplification region, in the erbium-undoped core layer, A fourth step of forming an optical waveguide in the optical amplifier region between the input terminal and the output terminal; And a fifth step of forming an upper cladding layer on the entire structure in which the fourth step is completed.
본 발명은 단일 기판 상에 어븀-언도우프트 코아층 및 어븀-도우프트 코아층을 형성하고 건식식각으로 평면 도파로를 정의하여 광증폭영역을 제외한 입력단과 출력단의 도파로를 어븀-언도우프트 코아층으로 형성함으로써 전송손실을 0.05 ㏈/㎝ 이하로 낮추어 신호광과 펌핑광의 신호 감쇄를 억제할 수 있는 평면형 광증폭기 및 그를 이용한 광소자 제조 방법을 제공하는데 그 특징이 있다.According to the present invention, an erbium-undoped core layer and an erbium-doped core layer are formed on a single substrate, and the planar waveguide is defined by dry etching so that the waveguides of the input and output terminals except the optical amplification region are erbium-undoped core layers. The present invention provides a planar optical amplifier capable of suppressing signal attenuation of signal light and pumped light by reducing transmission loss to 0.05 dB / cm or less, and an optical device manufacturing method using the same.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention.
도1a는 본 발명에 따른 평면형 광증폭기 및 그를 이용한 16 분기 다채널 무손실 광분배기 평면도이고, 도1b 및 도1c는 각각 도1a의 A, A' 부분의 확대 단면도이다.1A is a plan view of a planar optical amplifier and a 16-branch multichannel lossless optical splitter using the same according to the present invention, and FIGS. 1B and 1C are enlarged cross-sectional views of portions A and A 'of FIG. 1A, respectively.
도1a에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 광증폭기 구조는 하부클래드층 또는 실리카 기판 상의 어븀-언도우프트 코아층(UD)에 형성된 입력단(1)과 WDM 결합기(2)에 연결되며 어븀-도우프트 코아층(ED) 광증폭영역의 광도파로(3), 광증폭영역의 광도파로(3)에 연결되며 어븀-언도우프트 코아층(UD)에 형성된 출력단(6)으로 이루어진다.As shown in FIG. 1A, a planar optical amplifier structure according to an exemplary embodiment of the present invention has an input terminal 1 and a WDM coupler 2 formed in an erbium-undoped core layer UD on a lower clad layer or a silica substrate. Connected to an optical waveguide (3) in the erbium-doped core layer (ED) and an optical waveguide (3) in the optical amplification region and to an output end (6) formed in the erbium-undoped core layer (UD). Is done.
상기 WDM 결합기(2)는 입력단(1)의 신호광(1550 ㎚ 파장)과 펌핑광(980 ㎚, 1480 ㎚ 파장)을 결합시킨다.The WDM combiner 2 couples the signal light (1550 nm wavelength) and the pumping light (980 nm, 1480 nm wavelength) of the input terminal 1.
도1a는 어븀-언도우프트 코아층(UD)에 형성되며 출력단(6)과 광증폭영역의 도파로(3) 사이에 위치하는 980 ㎚, 1480 ㎚/1550 ㎚ 파장분리기(Wavelength separator)(4) 및 1×16 평면 도파로형 광분배기(7)가 추가적으로 구성된 무손실 분배기를 보이고 있다.FIG. 1A is a 980 nm, 1480 nm / 1550 nm Wavelength separator 4 formed in the erbium-undoped core layer UD and located between the output end 6 and the waveguide 3 in the optical amplification region. And a 1x16 planar waveguide type optical splitter 7 is additionally configured.
도1a 내지 도1c, 도2a 내지 도2e, 도3a 및 도3b를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 광증폭기 및 그를 포함하는 무손실 분배기의 제조 방법을 설명한다.1A to 1C, 2A to 2E, 3A, and 3B, a planar optical amplifier and a method of manufacturing a lossless distributor including the same according to an embodiment of the present invention will be described.
도2a 및 도3a는 각각 3 내지 6 인치 실리콘 웨이퍼(도시하지 않음) 상에 산수소화염과 염화물 원료를 사용한 FHD법으로 PSG(phosphorous silicate glass) 하부클래드층(9) 및 GPSG(germano-phosphorous silicate glass) 어븀-언도우프트 코아층(UD)을 형성한 것을 보이는 단면도 및 평면도이다.2A and 3A show a PSG (phosphorous silicate glass) lower cladding layer 9 and GPSG (germano-phosphorous silicate glass) by FHD using oxyhydrogen flame and chloride raw materials on a 3 to 6 inch silicon wafer (not shown), respectively. ) A cross-sectional view and a plan view showing formation of an erbium-undoped core layer UD.
FHD법에 의한 하부클래드층(9)의 제조는 산수소화염에 SiCl4, BCl3, POCl3를 원료로 반응시켜 실리카 미립자를 실리콘 기판 위에 증착하고, 1300 ℃내지 1350 ℃의 고온 전기로에서 열처리하여 투명한 실리카막을 형성한 후, 900 ℃ 내지 1000 ℃에서 12 시간 내지 72 시간 어닐링(annealing)시킨다. 이와 같은 방법으로 1550 ㎚ 파장의 빛에서 굴절률이 1.4460 내지 1.4480인 하부클래드층(10)을 형성하며, 그 두께를 19 ㎛ 내지 23㎛로 제어하여 실리콘 기판과의 상호결합에 의한 손실을 방지한다.The production of the lower clad layer 9 by the FHD method was performed by reacting SiCl 4 , BCl 3 , POCl 3 with oxyhydrogen salt as a raw material, depositing silica fine particles on a silicon substrate, and heat-treating in a high temperature electric furnace at 1300 ° C. to 1350 ° C. After the silica film is formed, it is annealed at 900 ° C to 1000 ° C for 12 hours to 72 hours. In this manner, the lower clad layer 10 having a refractive index of 1.4460 to 1.4480 in light of 1550 nm wavelength is formed, and the thickness thereof is controlled to 19 μm to 23 μm to prevent loss due to mutual coupling with the silicon substrate.
상기 어븀-언도우프트 코아층(UD)은 SiCl4, BCl3, POCl3를 주원료로 형성하며, 굴절률 조절을 위하여 GeCl4를 사용하고, 증착후 고밀화 온도 1250 ℃ 내지 1300 ℃에서 열처리한다. 이후, 어븀-언도우프트 코아층(UD) 형성시 열처리상에서 발생된 응력을 제거하기 위하여 850 ℃ 내지 950 ℃에서 12시간 내지 72시간 어닐링(annealing)시킨다. 어븀-언도우프트 코아층(1,6)의 굴절률은 1.4600 내지 1.4628로 굴절률 차이(Δn)을 0.8∼1%로 제어하고 두께는 5.9 ㎛ 내지 6.1 ㎛로 형성한다.The erbium-undoped core layer (UD) is formed of SiCl 4 , BCl 3 , POCl 3 as the main raw material, using GeCl 4 to control the refractive index, and heat-treated at a high density temperature of 1250 ℃ to 1300 ℃ after deposition. Thereafter, annealing is performed at 850 ° C. to 950 ° C. for 12 hours to 72 hours to remove stress generated in the heat treatment phase when forming the erbium-undoped core layer (UD). The refractive index of the erbium-undoped core layers 1 and 6 is 1.4600 to 1.4628 to control the refractive index difference Δn to 0.8 to 1% and the thickness is formed to be 5.9 μm to 6.1 μm.
전술한 설명에서는 상기 하부클래드층(10) 및 어븀-언도우프트 코아층(UD)이 실리콘 기판 상에 형성되는 것을 예로서 설명하였다. 실리카 기판을 사용하는 경우에는 기판 자체가 하부클래드층(10)을 이루므로, 실리콘 기판 위에 하부클래드층(10)이 형성되면 이후 공정은 실리카(석영) 기판을 사용한 제조 공정과 동일하게 진행된다.In the above description, the lower clad layer 10 and the erbium-undoped core layer UD are formed on the silicon substrate as an example. In the case of using the silica substrate, since the substrate itself forms the lower cladding layer 10, when the lower cladding layer 10 is formed on the silicon substrate, the subsequent process proceeds in the same manner as in the manufacturing process using the silica (quartz) substrate.
도2b는 각각 어븀-도우프트 코아층의 형성 영역을 정의하기 위해 어븀-언도우프트 코아층(UD)상에 마스크(M)를 형성하고, 노출된 어븀-언도우프트 코아층(UD)을 식각하여 제거한 것을 보이는 단면도이다.2B shows a mask M on the erbium-undoped core layer UD to define the formation region of the erbium-doped core layer, respectively, and the exposed erbium-undoped core layer UD. It is sectional drawing which shows what was removed by etching.
상기 마스크(M) 형성은 다음과 같은 과정으로 이루어진다. 먼저, 어븀-언도우프트 코아층(UD) 상에 스퍼터링(sputtering)으로 2500 Å 내지 4000 Å 두께의 알루미늄막을 증착하고, 알루미늄막 상에 감광막 패턴(도시하지 않음)을 형성하고 감광막 패턴을 식각마스크로 이용하여 Cl2, BCl3가스를 이용한 RIE(reactive ion etching) 식각으로 알루미늄막을 패터닝한 후 감광막 패턴을 제거하여 마스크(M)를 형성한다. 이와 같이 형성된 마스크(M)는 도1a의 광증폭영역 즉 어븀-도우프트 코아층(ED)의 형상으로 어븀-언도우프트 코아층(UD)을 노출시킨다.The mask M is formed by the following process. First, an aluminum film having a thickness of 2500 m to 4000 m is deposited on the erbium-undoped core layer UD by sputtering, a photoresist pattern (not shown) is formed on the aluminum layer, and the photoresist pattern is etched. The aluminum film is patterned by RIE (reactive ion etching) etching using Cl 2 , BCl 3 gas, and then a photoresist pattern is removed to form a mask (M). The mask M formed as described above exposes the erbium-undoped core layer UD in the shape of the light amplification region of FIG. 1A, that is, the erbium-doped core layer ED.
또한, 어븀-언도우프트 코아층(UD)의 식각은 ICP(inductive coupled plasma etching) 건식식각으로 CF4, CHF3가스를 사용하여 2500Å/분 내지 5000Å/분의 식각율로 식각한다.In addition, the etching of the erbium-undoped core layer (UD) is performed using an inductive coupled plasma etching (ICP) dry etching at an etching rate of 2500 Pa / min to 5000 Pa / min using CF 4 and CHF 3 gas.
상기 과정에서 어븀-언도우프트 코아층(UD)을 식각할 때 어븀-언도우프트 코아층과 이후에 형성될 어븀-도우프트 코아층간의 무반사 접속을 위하여, 도1a 내지 도1c에 도시한 바와 같이 도파로 부분에 경사접속부(angled butt coupling)(A, A')를 형성하며, 경사접속부의 각도(θ)는 8 °내지 15。가 되도록 한다.When the erbium-undoped core layer UD is etched in the above process, for the non-reflective connection between the erbium-undoped core layer and the erbium-doped core layer to be formed later, as shown in FIGS. 1A to 1C. Similarly, an angled butt coupling (A, A ') is formed in the waveguide part, and the angle (θ) of the inclined connection is 8 ° to 15 °.
도2c 및 도3b는 각각 어븀-언도우프트 코아층(UD)을 식각한 후 알루미늄 마스크(M)를 습식식각으로 제거하고, 어븀-언도우프트 코아층(UD)의 식각 측면의 평활도를 유지하기 위하여 1180 ℃ 내지 1230 ℃의 전기로에서 1시간 재용융(reflow)시킨 상태를 보이는 단면도 및 평면도이다. 도3b의 평면도의 도면 부호(AM)는 정렬 마크(align mark)를 나타내며, 정렬 마크(AM)는 어븀-언도우프트 코아층이 제거된 영역에 2, 3차 패터닝을 위한 것이다.2C and 3B show that after etching the erbium-undoped core layer UD, the aluminum mask M is removed by wet etching, and the smoothness of the etching side of the erbium-undoped core layer UD is maintained. The cross-sectional view and plan view showing a state in which reflow was carried out for 1 hour in an electric furnace at 1180 ° C to 1230 ° C. Reference numeral AM in the plan view of FIG. 3B denotes an alignment mark, and the alignment mark AM is for secondary and tertiary patterning in the region where the erbium-undoped core layer has been removed.
도2d는 어븀-언도우프트 코아층이 제거된 영역에 SiCl4, BCl3, POCl3와 어븀-킬레이트(chelate)를 화염에 반응시켜 미립자를 형성하고, 1220 ℃ 내지 1280 ℃의 온도에서 고밀화시킨 후 900℃ 내지 1000℃에서 12시간 내지 72시간 어닐링하여 어븀-도우프트 코아층(ED)을 형성한 다음, 광증폭영역에 형성된 어븀-도우프트 코아층(ED)의 표면상에 식각마스크(도시하지 않음)를 형성한 후, 어븀-언도우프트 코아층(UD)상에 증착된 어븀-도우프트 코아층을 식각하고 식각마스크를 제거한 다음, 1150 ℃ 내지 1200 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 열처리하여 재용융(Reflow)시켜 광증폭영역에 형성된 어븀-도우프트 코아층(ED)을 평탄화시킨 것을 보이는 단면도이다.FIG. 2D shows that SiCl 4 , BCl 3 , POCl 3 and erbium-chelate are reacted with a flame in a region where an erbium-undoped core layer is removed to form fine particles, and densified at a temperature of 1220 ° C. to 1280 ° C. After annealing at 900 ° C. to 1000 ° C. for 12 to 72 hours to form an erbium-doped core layer (ED), an etch mask (not shown) is formed on the surface of the erbium-doped core layer (ED) formed in the optical amplification region. (Or not), the erbium-doped core layer deposited on the erbium-undoped core layer (UD) is etched and the etching mask is removed, followed by heat treatment at 1150 to 1200 ° C for 1 to 2 hours. To reflow to make the erbium-doped core layer ED formed in the optical amplification region planarized.
이때, 어븀-도우프트 코아층(ED)의 형성은 상기 언급한 에어로졸법과 PECVD법 이외에 어븀 수용액을 이용한 FHD 솔루션 도핑(solution doping) 등의 방법으로 형성할 수도 있다. 어븀 원소의 농도는 0.4 Wt% 내지 1 Wt%로 조절하고 굴절률 차이(Δn)는 1% 내지 1.2%가 되도록 하고, 두께는 어븀-언도우프트 코아층(UD)과 동일한 5.9 ㎛ 내지 6.1 ㎛로 증착한다. 특히 도파로의 두께와 굴절률은 어븀-도우프트 코아층과 어븀-언도우프트 코아층간의 신호광과 펌핑광의 결합요소인 모드 필드 직경(mode field diameter)의 정합을 고려하여 결정한다.In this case, the erbium-doped core layer ED may be formed by a method such as FHD solution doping using an erbium aqueous solution in addition to the above-mentioned aerosol method and PECVD method. The concentration of the erbium element is adjusted to 0.4 Wt% to 1 Wt% and the refractive index difference (Δn) is 1% to 1.2%, and the thickness is 5.9 μm to 6.1 μm which is the same as the erbium-undoped core layer (UD). To deposit. In particular, the thickness and refractive index of the waveguide are determined in consideration of the matching of the mode field diameter, which is a coupling element between the signal light and the pumping light between the erbium-doped core layer and the erbium-undoped core layer.
이어서, 어븀-언도우프트 코아층(UD)과 어븀-도우프트 코아층(ED)상에 도1a 의 도파로 형상과 동일한 식각마스크 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 식각 마스크 패턴을 통하여 어븀-언도우프트 코아층(UD)과 어븀-도우프트 코아층(ED)을 식각하여 도1a에 도시한 바와 같이 도파로의 입력단(1)에 WDM 결합기(2)를 형성하고, 출력단(6)의 광분배기(7) 전단에 파장분리기(4)를 구성하여 어븀-언도우프트 코아층(UD)과 어븀-도우프트 코아층(ED)에 무손실 광분배기 구조를 형성한다. 이때, 어븀-언도우프트 코아층(UD)과 어븀-도우프트 코아층(ED)은 동일한 조건에서 ICP로 식각되며, 어븀-언도우프트 코아층(UD)을 기준으로 0.5 ㎛ 내지 1㎛를 과도식각(over etching) 한다.Subsequently, an etch mask pattern (not shown) similar to the waveguide shape of FIG. 1A is formed on the erbium-undoped core layer UD and the erbium-doped core layer ED. The undoped core layer UD and the erbium-doped core layer ED are etched to form a WDM coupler 2 at the input terminal 1 of the waveguide as shown in FIG. The wavelength separator 4 is formed in front of the distributor 7 to form a lossless optical splitter structure in the erbium-undoped core layer UD and the erbium-doped core layer ED. In this case, the erbium-undoped core layer (UD) and the erbium-doped core layer (ED) are etched with ICP under the same conditions, and the thickness of 0.5 μm to 1 μm based on the erbium-undoped core layer (UD). Over etching.
상기 파장분리기(4)는 펌핑광(980/1480㎚)을 증폭된 신호광에서 분리시키는 기능을 가지며, 후단에서 발생되는 반사손실을 막기 위하여 곡률반경 2 ㎜ 이하로 수렴(Converge)된다. 또한, 파장분리기(4)와 이웃하여 종단면의 30도 경사진 무반사 경사 도파로(antireflective angled waveguide)(5)를 형성한다.The wavelength separator 4 has a function of separating the pumped light (980 / 1480nm) from the amplified signal light, and converged to a radius of curvature of 2 mm or less in order to prevent the reflection loss generated at the rear end. In addition, adjacent to the wavelength separator 4, an antireflective angled waveguide 5 inclined at 30 degrees in longitudinal section is formed.
본 발명의 일실시예를 보이는 도1a는 광분배기(7)의 구성에서 1×16 무손실 분배기를 예시한 것으로 최고 128 채널까지 확장성을 가지며, 채널수 확장에 따라 증폭영역의 설계 및 분배기 구조를 변경할 수 있다. 상기한 구조로 형성된 광분배기(7)는 어븀-도우프트 코아층(3)의 총증폭 이득을 16 ㏈ 내지 20 ㏈로 설계 제작하면 분배 손실을 완전히 보상할 수 있다. 동일한 방법으로 1×32, 1×64 등의 다채널 무손실 광분배기의 제조가 가능하다.Figure 1a showing an embodiment of the present invention illustrates the 1x16 lossless splitter in the configuration of the optical splitter 7 and has expandability up to 128 channels. You can change it. The optical splitter 7 formed in the above-described structure can be completely compensated for the distribution loss by designing and manufacturing the total amplification gain of the erbium-doped core layer 3 to 16 kW to 20 kW. In the same manner, multichannel lossless optical splitters such as 1x32 and 1x64 can be manufactured.
또한, WDM 결합기(2)와 출력단(6)을 도1a와 같이 형성하되 어븀-도우프트 코아층(ED)과 어븀-언도우프트 코아층(UD)간 경사 결합부(A, A')에 경사를 생략하고 반사 구조로 거울(Mirror)을 구성하여 EDPL(erbium doped planar laser)을 제조할 수도 있다.In addition, the WDM coupler 2 and the output terminal 6 are formed as shown in FIG. An Erbium doped planar laser (EDPL) may be manufactured by constructing a mirror with a reflective structure without omitting an inclination.
도2e는 도파로가 형성된 기판의 전면에 25 ㎛ 내지 33 ㎛ 두께의 BPSG(boron-phosphorous silicate glass) 상부클래드층(11)을 FHD법으로 증착하고, 1150 ℃ 내지 1180 ℃ 온도로 열처리한 후, 열처리로 발생된 응력을 제거하기 위하여 850 ℃ 내지 950 ℃ 온도에서 72시간 어닐링한 상태를 보이는 단면도이다.FIG. 2E is a BPSG (boron-phosphorous silicate glass) upper cladding layer 11 having a thickness of 25 μm to 33 μm deposited on the entire surface of the substrate on which the waveguide is formed by FHD, heat treatment at 1150 ° C. to 1180 ° C., and then heat treatment. This is a cross-sectional view showing an annealing state for 72 hours at a temperature of 850 ℃ to 950 ℃ in order to remove the stress generated.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 광증폭기의 입력단(광신호 포트, 펌핑광 포트)(1)과 WDM 결합기(2) 부분의 도파로를 어븀이 도핑되지 않은 코아층(1)으로 형성하며, 어븀-도우프트 코아층(ED)으로 광증폭영역의 광도파로(3)를 형성함으로써 단일 기판 상에 이종의 물질층으로 도파로가 형성된다. 입력단(1)과 더불어 출력단(6)도 어븀이 도핑되지 않은 코아층으로 형성하고, 다채널 무손실 PLC 광분배기를 구성하고 채널 확장시 출력단의 분배기 구조는 광증폭영역의 총이득을 고려하여 변경 구성한다.The present invention made as described above forms the waveguide of the input stage (optical signal port, pumping optical port) 1 of the optical amplifier 1 and the WDM coupler 2 as an erbium-doped core layer 1, By forming the optical waveguide 3 in the optical amplification region with the loft core layer ED, the waveguide is formed of a heterogeneous material layer on a single substrate. In addition to the input stage 1, the output stage 6 is also formed of a core layer erbium-doped, and constitutes a multi-channel lossless PLC optical splitter, and the splitter structure of the output stage during channel expansion is modified in consideration of the total gain of the optical amplification region. do.
언도우프트 코아층으로 구성된 출력단의 파장분리기는 펌핑광(980,1480nm) 파장을 1550 ㎚ 대역의 증폭된 광신호에 분리하여 여파기의 기능을 갖는다. 무손실 1×16(1×32, 1×64, 1×128) 광분배기의 삽입손실이 12 ㏈ 내지 21 ㏈일 때, 어븀-도우프트 코아층(ED)의 총증폭 이득을 16 ㏈ 내지 25 ㏈로 설계함으로써 분배 손실을 0 ㏈에 가깝게 할 수 있다.The wavelength splitter of the output stage composed of an undoped core layer separates the pumped light (980, 1480 nm) wavelength into an amplified optical signal in the 1550 nm band and has a function of a filter. When the insertion loss of a lossless 1x16 (1x32, 1x64, 1x128) optical splitter is 12 kW to 21 kW, the total amplification gain of the erbium-doped core layer (ED) is 16 kW to 25 kW. By designing this, the dissipation loss can be close to 0 Hz.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따라, 입력단의 신호광과 펌핑광 입력은 어븀-언도우프트 코아층으로 구성된 WDM 결합기에서 결합되어 전송손실이 0.01 ㏈/㎝ 내지 0.05 ㏈/㎝ 정도로 낮아진다. 따라서, 신호광과 펌핑광의 신호가 감쇄되는 것을 방지할 수 있고, 펌핑광의 임계증폭전력을 20mW 이하로 낮추고 이득특성이 0.7 ㏈/㎝ 내지 1 ㏈/㎝ 정도로 향상된 고이득 특성을 갖는 평면형 광증폭기를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 평면형 광증폭기로부터 이득특성과 저 전송손실을 얻을 수 있어 평면형 광증폭기를 이용하는 WDM, 레이저, 공진기 등의 다양한 집적형 광소자에 응용할 수 있다.According to the present invention made as described above, the signal light and the pumping light input of the input stage is coupled in the WDM coupler composed of the erbium-undoped core layer, the transmission loss is lowered to 0.01 0.01 / cm to 0.05 ㏈ / cm. Therefore, it is possible to prevent attenuation of signals of the signal light and the pumping light, and to realize a planar optical amplifier having a high gain characteristic of lowering the critical amplification power of the pumping light to 20 mW or less and improving the gain characteristics of about 0.7 kW / cm to 1 kW / cm. Can be. Therefore, gain characteristics and low transmission loss can be obtained from the planar optical amplifier according to the present invention, and thus it can be applied to various integrated optical devices such as WDM, laser, resonator, etc. using the planar optical amplifier.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
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