KR20010041707A - 광 비선형 박막 도파로의 제조방법 및 광 비선형 박막도파로 - Google Patents

Abstract

유리기판(10)의 표면에 Ge 첨가 SiO₂박막(12)을 형성하고, 그 위에 금속막 (14)을 형성한다(S11 내지 S13). 이 금속막(14)을 에칭하여 소정 간극을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 전극(14a, 14b)을 얻는다(S14). 그리고 전극(14a, 14b)을 포함하여 그 위쪽에 절연박막(16)을 형성한다(S15). 다음으로, 자외선을 조사한 상태에서 전극(14a, 14b) 사이에 고전압을 인가하여 채널부(18)에 자외선 여기폴링을 실시하여 채널부(18)에 광 비선형성을 부여한다(S16). 그리고 광 비선형성을 가지는 채널부(18)에 대한 전압인가를 제어하여 채널부(18)에 도통되는 광을 제어한다. 이와 같이 유리기판상에 단일모드의 광전파가 얻어지는 광 비선형 도파로를 형성할 수 있다.

Description

광 비선형 박막 도파로의 제조방법 및 광 비선형 박막 도파로{METHOD OF FABRICATING OPTICAL NONLINEAR THIN FILM WAVEGUIDE AND OPTICAL NONLINEAR THIN FILM WAVEGUIDE}

본 출원인은 일본국 특원평8-244965호에 있어서, 자외선 여기(勵起)폴링에 의한 평면 도파로에 대하여 제안하였다. 이 방법에서는 먼저 유리기판의 표면에 한 쌍의 전극을 형성한다. 다음에 이 전극을 마스크로 하여 전극사이의 간극을 개재하여 유리기판의 표면에 Ge를 첨가하고, 이곳을 코어부로 한다. 그리고 자외선을 조사한 상태에서 전극사이에 고전압을 인가하여 코어부에 자외선 폴링을 실시한다. 이에 의하여 코어부에 2차 광 비선형성을 부여한다. 이 자외선 폴링에 의한 광 비선형성은 LiNbO₃등의 결정재료의 광 비선형성과 대략 동등한 매우 큰 것이다. 따라서 이 평면 도파로를 사용하여 각종 기능성 광도파로의 작성이 가능하다고 생각되고 있다.

여기서 광통신, 광계측, 광정보처리 등에 있어서의 광스위치나 광변조기 등의 기능성 광도파로는 단일광 모드의 전파나 동작이 필수적이다. 다수의 광모드가 존재하면 각 모드의 전파정수(각 모드에 대응하는 굴절율)는 각각 다르다. 따라서 광의 간섭효과를 이용한 스위칭 등의 동작전압도 다른 것이 되어 버린다. 따라서 스위칭 등의 동작을 행하게 하기 위해서는, 광도파로는 단일모드의 광전파를 행할 수 있는 형상으로 하지 않으면 안된다.

광도파로의 형상은, 굴절율의 크기와 그 3차원 구조치수의 조합에 의해 결정된다. 앞서 제안한 방법에서는, 자외선 여기폴링에 의해 형성되는 광도파로의 두께(기판표면으로부터의 깊이)의 제어를 기판의 광흡수를 이용하여 자외선의 강도를 변화시켜 행하는 것이 상정되고 있었다.

그러나 단일모드를 실현하기 위해서는 광도파로의 치수를 가능한 한 작게 하는 것이 필요하고, 그것을 위해서는 자외선의 광강도를 감소시키지 않으면 안된다. 그런데 발현하는 2차 광 비선형성 역시 자외선 광강도에 의존하기 때문에 도파로형상과 발현하는 광 비선형성을 독립적으로 제어할 수 없다. 더욱이 광 비선형성은 자외선 광강도가 클 수록 큰 값이 얻어진다. 따라서 큰 광 비선형성을 부여하면 도파로의 치수가 커져 버려 단일모드의 전파를 실현할 수 없게 된다는 문제가 있었다.

본 발명은 유리기판을 이용한 광 비선형 박막 도파로의 제조방법 및 광 비선형 박막 도파로, 특히 광 비선형성을 가지는 도파로의 형상의 제어에 관한 것이다.

종래부터 2차 광 비선형성을 이용한 광기능소자가 알려져 있고, 통상은 결정재료를 이용하여 형성되어 있다. 한편 광파이버 등은 유리재료로 형성되어 있고, 광파이버와의 상성(相性)이나 가격면 등을 고려하면 광기능소자도 유리재료로 형성하고자 하는 요구가 있다. 또한 각종 광제어(신호제어)기능을 달성하기 위해서는 평면형의 소자가 적합하여 유리기판을 이용한 광기능소자가 요망된다.

여기서 유리재료를 이용한 평면형 광도파로의 제조방법으로서는, 일본국 특개평8-146475호 공보에 기재된 것이 있다. 이 종래예에서는 유리기판상에 미립자분산 유리막을 퇴적시켜 포토레지스트에 의해 코어가 되는 부분의 상부에 레지스트 마스크를 형성한다. 다음에 반응성 이온에칭에 의해 레지스트 마스크로 덮여져 있지 않은 부분의 미립자분산 유리막을 제거한다. 이 공정에 의해 광도파부(코어부)가 형성된다. 다음으로, 레지스트 마스크를 제거한 후, 코어를 덮도록 클래드부가 되는 유리막을 퇴적시킨다. 그리고 이와 같이 하여 작성된 광도파로의 코어부의 일부에 고파워 레이저광을 조사함으로써 그 부분을 큰 광 비선형성을 가지도록 변질시키고 있다.

이와 같은 평면 광도파로의 제조방법에서는 코어부에 대응하는 레지스트막을 남기는 에칭공정이 필요하다. 그러나 이 코어부는 가늘기 때문에 이 부분만 남기는 에칭은 어렵다. 또 이 방법으로 얻어지는 광 비선형성은 3차의 것으로서 2차의 것이 아니다. 그러므로 비선형성의 크기가 작고, 광학소자로서 충분한 기능을 다할 만큼의 동작을 얻는 것이 어렵다는 문제점이 있었다.

도 1은 실시형태에 관한 광 비선형 박막 도파로의 구성을 나타내는 도,

도 2는 광 비선형 박막 도파로의 제조공정을 나타내는 도,

도 3은 광 비선형 박막 도파로의 다른 구성예를 나타내는 도,

도 4는 진공챔버내에 있어서의 광 비선형 박막 도파로의 제조를 나타내는 도이다.

본 발명은 유리재료를 사용한 광 비선형 도파로로서, 충분히 큰 2차 광 비선형성을 가짐과 더불어 도파로의 3차원 형상을 적절한 것으로 할 수 있는 광 비선형 박막 도파로의 제조방법 및 광 비선형 도파로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 제조방법은, 유리기판상에 Ge를 함유하는 SiO₂박막을 형성하는 공정과, 그 위에 도파로 패턴에 대응하는 형상의 간극을 가지는 금속전극 박막을 형성하는 공정과, 그 금속전극 박막의 간극을 사이에 끼워 전압을 인가하면서 그 간극을 통하여 Ge를 함유하는 SiO₂박막에 자외선을 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 유리기판상에는 Ge를 함유하는 SiO₂박막이 형성되어 있다. 따라서 자외선 여기폴링에 의해 2차 광 비선형성이 발현되는 것은 이 Ge를 함유하는 SiO₂박막내에 한정된다. 따라서 전극의 형상에 의해 폭방향을 규정하고, Ge를 포함하는 SiO₂박막의 두께로 깊이방향을 제어할 수 있어, 광 비선형 도파로의 형상을 3차원으로 제어할 수 있다. 따라서 광 비선형 도파로에 있어서의 광의 전파를 단일모드로 할 수 있어, 광 비선형 도파로에 있어서의 스위칭 등의 동작을 확실하게 행할 수 있다. 또한 유리기판으로서는 SiO₂유리가 적합하나, 나트륨 유리 등도 사용하는 것이 가능하다.

또 본 발명에 관한 광 비선형 박막 도파로의 제조방법은, 상기 금속전극 박막의 위에 다시 적어도 상기 간극의 부분을 덮도록 투명의 절연물 박막을 설치하고, 그 후 금속전극 박막의 간극을 사이에 두고 전압을 인가하면서 그 간극을 통하여 Ge를 함유하는 SiO₂박막에 자외선을 조사하는 것을 특징으로 한다. 절연물 박막을 설치함으로써, 간극을 사이에 둔 금속전극에 전압을 인가하여 자외선 폴링을 행할 때 절연파괴에 의한 방전이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 이 절연물 박막은 절연물 파괴가 생기는 전압이 높고, 또한 자외선을 투과시킬 필요가 있다. 예를 들면 SiO₂가 적합하다.

또 광 비선형 박막 도파로를 진공챔버내에 있어서 행하는 것이 적합하다. 진공중에서는 공기중과 같은 절연파괴가 일어나지 않기 때문에 전극사이에 충분한 고전압을 인가하여 자외선 폴링을 행할 수 있다.

또 본 발명에 관한 광 비선형 박막 도파로는 유리기판상에 형성된 Ge를 함유하는 SiO₂박막과, 이 Ge를 함유하는 SiO₂박막상에 형성되어 도파로 패턴에 대응하는 형상의 간극을 가지는 금속전극 박막을 가지고, 금속전극 박막의 간극에 대응하는 Ge를 함유하는 실리카 박막부분이 2차 광 비선형성을 가지는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 관한 광 비선형 박막 도파로는 금속전극 박막의 위에 다시 상기간극의 부분을 덮도록 투명한 절연물 박막을 형성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면에 의거하여 설명한다.

「광 비선형 박막 도파로의 구성」

도 1은 본 발명에 관한 광 비선형 박막 도파로(평면도파로)의 개략구성도이다. 유리기판(10)은 실리카 글라스(SiO₂유리)를 평판형상으로 형성한 것으로, 그 표면에는 Ge를 함유하는 SiO₂박막인 Ge 첨가 SiO₂박막(12)이 형성되어 있다. 이 Ge 첨가 SiO₂박막(12)은 두께가 1 내지 5㎛정도, Ge 농도는 1 내지 30 mo1% 정도로 설정된다. 구체적인 수치는 사용파장 등 평면 도파로의 방법에 따라 결정된다. 그리고 이 Ge 첨가 SiO₂박막(12)의 위에 소정형상으로 패터닝된 전극(14a, 14b)이 소정의 간극을 개재하여 대향하도록 형성되어 있다. 이 전극(14a, 14b)은 예를 들어 알루미늄(Al)의 박막으로 형성되어 있다. 다시 이 전극(14a, 14b) 및 이들 간극을 덮어 투명한 절연박막(16)이 형성되어 있다. 이 예에서는 절연박막(16)은 SiO₂박막이다.

그리고 Ge 첨가 SiO₂박막(12)의 전극(14a, 14b)의 간극에 대응하는 부분은 채널부(18)를 형성하고 있고, 이 채널부(18)는 자외선 여기폴링에 의해 광 비선형성이 부여되어 있다. 따라서 전극(14a, 14b) 사이에 인가하는 전압에 의해, 채널부 (18)의 광학적 성질을 제어할 수 있다. 따라서 채널부(18)를 도통하는 광이 전극(14a, 14b) 사이에 인가하는 전압에 의해 제어되어 평면 도파로가 광기능소자로서 동작한다. 또한 유리기판(10)으로서는, SiO₂유리를 채용하였으나, 나트륨 유리 등도 사용할 수 있다.

「제조방법」

이와 같은 평면 도파로의 제조방법에 대하여 도 2에 의거하여 설명한다. 먼저, SiO₂유리의 평판으로 이루어지는 유리기판(10)을 준비한다(S11). 그리고 이 유리기판(10)을 진공챔버내에 수용하고, 유리기판(10)의 표면에 Ge 첨가 SiO₂박막 (12)을 형성한다(S12). 예를 들어 GeO₂를 20% 함유하는 소결재료를 증발원으로 사용한 전자빔 증착법을 이용하여 Ge 첨가 SiO₂박막(12)을 형성한다. 여기서 막의 치밀화를 위해 Ar⁺빔을 어시스트빔으로서 이용하는 어시스트법을 채용하는 것이 바람직하다. 또한 다른 성막법을 이용할 수도 있다.

Ge 첨가 SiO₂박막(12)상에 금속막(14)을 형성한다(S13). 금속으로서는 A1을 사용하나 다른 금속이더라도 되고, 또 금속막(14)의 형성은 증착 이외의 방법이더라도 상관없다.

다음으로, 금속막(14)의 소정부분을 에칭으로 제거하여 2개의 전극(14a, 14b)을 형성한다(S14). 이 예에서는 양 전극(14a, 14b) 사이에 직선형상의 간극을 형성한다. 여기서 이 에칭은 포토리소그래피 등에 의하여 행한다. 즉, 금속막 (14)상의 전면에 레지스트를 퇴적형성하고, 여기에 간극을 형성하기 위한 마스크 패턴을 개재하고 광을 조사하여 레지스트의 소정의 부분을 감광한다. 다음에 감광에 대응하여 간극에 대응하는 부분을 제거하고, 그 부분의 금속막(14)을 노출시킨다. 그리고 금속막(14)의 노출한 부분을 제거한다. 마지막으로 레지스트를 제거하여 간극을 사이에 두고 대향하는 전극(14a, 14b)을 형성한다.

다음으로, 전극(14a, 14b)상에 절연박막(16)을 형성한다(S15). 이 절연박막 (16)은 SiO₂박막이며, SiO₂를 증발원으로 한 전자빔 증착법 등에 의해 형성한다. 이 절연박막(16)은 전면(全面)에 형성하여도 좋으나, 적어도 전극(14a, 14b)으로 형성되는 간극부분을 덮을 필요가 있다. 또한 이 절연박막(16)은 자외선을 투과시키고 또한 절연파괴되기 어려운 것이면 어떠한 재료이어도 좋다. 예를 들어 MgO나 MgF₂등을 채용할 수도 있다.

이와 같이 하여 전극(14a, 14b)의 간극을 절연박막(16)으로 덮은 후, 전극 (14a, 14b) 사이에 소정의 고전압을 인가한 상태에서 자외선을 조사하고 전극(14a, 14b) 사이의 Ge 첨가 SiO₂박막(12)에 대하여 자외선 여기폴링처리를 실시하여 채널부(18)를 형성한다(S16).

즉, 전극(14a, 14b) 사이에 대략 1 kV의 전압을 인가한다. 이에 의해 채널부(18)에 약 10⁶V/cm의 전계가 인가된다. 이 상태에서 ArF 엑시머 레이저(파장 193 nm)를 펄스로 하여 조사하고, 채널부(18)에 자외선을 조사한다. 이 레이저의 에너지밀도는 36 mJ/cm²정도, 펄스의 반복간격은 10 pps (펄스/초)정도, 조사시간은 10∼30분 정도로 한다.

여기서 이와 같은 고전압을 전극(14a, 14b)에 인가하면, 이들 간극에 면한 부분에 있어서 방전이 일어날 위험이 있다. 그러나 본 실시형태에서는 이 부분이 절연박막(16)으로 덮여져 있다. 이에 의해 공기의 절연파괴에 의한 전극(14a, 14b) 사이에 있어서의 방전을 방지하여, 효과적인 자외선 여기폴링을 달성할 수 있다. 또한 공기의 절연파괴 전장은 1O⁴V/cm 정도이고, 1O⁶V/cm 라는 전압을 채널부(18)에 인가한 경우에는 방전이 일어난다. SiO₂는 자외광(예를 들어, 파장 193 nm)을 투과시키고, 또 충분한 절연파괴 전압을 가지고 있어 절연박막(16)으로서 적합하다.

이에 의해 채널부(18)에는 2차 광 비선형성이 부여된다. 즉, 이와 같은 자외선 여기폴링처리에 의해 채널부(18)에 있어서의 2차 광 비선형성의 크기(d 정수)로 하여 2 pm/V 이상의 값이 얻어진다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면 유리기판(10)상에는 Ge 첨가 SiO₂박막(12)이 형성되어 있다. 따라서 자외선 여기폴링에 의해 2차 광 비선형성이 발현되는 것은 이 Ge 첨가 SiO₂박막(12)내에 한정된다. 따라서 전극(14a, 14b)의 형상에 의해 도파로의 폭을 규정하고 Ge 첨가 SiO₂박막(12)의 두께로 깊이방향을 제어할 수 있어, 광 비선형 도파로의 형상을 3차원으로 제어할 수 있다. 따라서 광 비선형 도파로에 있어서의 광의 전파를 단일모드로 할 수 있어 광 비선형 도파로에 있어서의 스위칭 등의 동작을 확실하게 행할 수 있다.

이 예에서는 일 개소에만 자외선 여기폴링을 실시하였으나, 유리기판(10)의 소망하는 장소에 독립된 전극(14a, 14b)을 형성하고, 유리기판(10)상의 각 부분에 광 비선형성을 가지는 소자영역을 형성하는 것도 적합하다. 또한 Ge 첨가 SiO₂박막 (12)을 포토리소그래피 기술 등에 의해 패터닝하고, 광도파로의 위치를 한정하는 것도 적합하다. 또 일본국 특원평8-244965호에 기재한 바와 같이 채널부(18)에 광 비선형성을 가지는 영역과, 통상의 영역을 교대로 주기적으로 설치하고 이곳을 그레이팅부로서 이용하는 것도 적합하다.

「기타의 구성」

본 발명에 관한 평면 도파로는 각종의 기능부재로서 이용가능하다. 예를 들어 도 3에 나타내는 바와 같이 채널부(18)를, 두 갈래의 도파로를 일단 합류시킨 후 다시 두 갈래로 분기하는 커플러의 형상으로 하고, 분기한 부분에 각각 전극(14a, 14b)을 배치하고 전압을 인가할 수 있도록 형성하는 것이 적합하다.

이와 같은 구성에 의해 2개의 합류부분에 대한 인가전압을 조정함으로써, 광의 위상의 제어 등을 행할 수 있다.

본 발명의 광 비선형 박막 도파로에 의하면 유리기판(10)의 임의의 부분에 광 비선형성을 가지는 부분을 형성할 수 있다. 따라서 요구에 따라 각종 광기능부재, 광기능회로를 형성할 수 있다. 예를 들어 쌍방향 광전송시스템에 있어서의 신호발생기, 광스위치/커플러 등을 본 발명의 광 비선형 도파로에 의해 구성할 수 있다.

또한 자외선 여기폴링에 의한 평면 도파로의 제조를 진공중에 있어서 행하는 것이 적합하다. 도 4에 그 구성을 나타낸다. 진공챔버(20)는 십자형의 관로로 이루어져 있고, 그 세 방향은 폐쇄되어 있고 한쪽이 진공펌프 등의 배기계에 접속되어 있다. 수직방향의 아래쪽으로 연장되는 관로에는 시료대(22)가 설치되고, 그 위에 전극(14a, 14b) 및 Ge 첨가 SiO₂박막(12)이 형성된 유리기판(10)이 올려 놓여져 있다. 전극(14a, 14b)은 진공챔버 외부의 전원에 접속된다. 또 수직방향의 위쪽의 관로는 석영 유리(24)에 의해 막혀져 있고, 이 석영 유리(24)를 사이에 거쳐 자외선이 조사되게 되어 있다.

이와 같은 장치에 의해 자외선을 Ge 첨가 SiO₂박막(12)에 조사한 상태에서 전극(14a, 14b) 사이에 고전압을 인가한다. 진공중에서는 공기중과는 달리 절연파괴가 일어나지 않는다. 그러므로 전극(14a, 14b) 사이에 소망하는 고전압을 인가하여 자외선폴링을 행하는 수 있고, 전극사이의 Ge 첨가 박막(12)에 소망하는 광 비선형성을 부여할 수 있다. 또한 Ge 첨가 SiO₂박막(12), 전극(14a, 14b)의 형성도 동일한 진공챔버(20)내에서 행하는 것이 적합하다.

이 장치에 의해, ArF 엑시머 레이저(파장193 nm), 에너지밀도 100mJ/cm²를 10⁴펄스(10pps) 조사하였다. 진공챔버(20)내의 기압은 약 10^-6Torr로 하였다. 또 폴링전장은 8 ×10⁴V/cm로 하였다. 이에 의해 채널영역에 3.8 ±0.3 pm/V의 광 비선형성이 얻어졌다.

본 발명의 광 비선형 박막 도파로는 쌍방향 광전송시스템에 있어서의 신호발생기, 광스위치/커플러 등에 이용할 수 있다.

Claims (5)

1. 유리기판상에 Ge를 함유하는 SiO₂박막을 형성하는 공정과,

   그 위에 도파로 패턴에 대응하는 형상의 간극을 가지는 금속전극 박막을 형성하는 공정과,

   그 금속전극 박막의 간극을 사이에 두고 전압을 인가하면서 그 간극을 통하여 Ge를 함유하는 SiO₂박막에 자외선을 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 비선형 박막 도파로의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 금속전극 박막의 위에 다시 적어도 상기 간극의 부분을 덮도록 투명한 절연물 박막을 설치하고, 그 후 금속전극 박막의 간극을 사이에 두고 전압을 인가하면서 그 간극을 통하여 Ge를 함유하는 SiO₂박막에 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 광 비선형 박막 도파로의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 각 공정을 진공챔버내에서 행하는 것을 특징으로 하는 광 비선형 박막 도파로의 제조방법.
4. 유리기판상에 형성된 Ge를 함유하는 SiO₂박막과,

   이 Ge를 함유하는 SiO₂박막상에 형성되며, 도파로 패턴에 대응하는 형상의 간극을 가지는 금속전극 박막을 가지고,

   금속전극 박막의 간극에 대응하는 Ge를 함유하는 실리카 박막의 부분이 2차 광 비선형성을 가지는 것을 특징으로 하는 광 비선형 박막 도파로.
5. 제 4항에 있어서,

   금속전극 박막의 위에 다시 상기 간극의 부분을 덮도록 투명한 절연물 박막을 형성한 광 비선형 박막 도파로.