KR20010059620A - 저광손실 고분자 화합물 및 이를 이용한 광통신용 열광학소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저광손실 고분자 화합물 및 이를 이용한 광통신용 열광학 소자를 제공한다. 본 발명은 종래의 열광학소자에서 발생되는 분자구조내의 진동에 의한 광손실의 문제를 해결하기 위하여 광손실을 유발하는 관능기를 배제한 굴절률이 서로 다른 한 쌍의 고분자물질로 이루어진 새로운 저광손실 고분자화합물을 합성하여 미세한 굴절률 조정을 가능하게 하고 이로부터 저광손실 광통신용 열광학 소자를 제조할 수 있게 한다.

Description

저광손실 고분자 화합물 및 이를 이용한 광통신용 열광학 소자{LOW LOSS OPTICAL POLYMER AND THERMO-OPTIC DEVICE FOR OPTICAL COMMUNICATIN USING THE POLYMER}

본 발명은 고분자 화합물의 굴절률을 미세하게 조절할 수 있는 새로운 저광손실 고분자 화합물 및 그에 의해 제조되는 광통신용 열광학소자에 관한 것이다.

현재의 광통신 시스템은 시간 다중 분할 방식(TDM)과 파장분할방식(WDM) 등의 광대역화를 꾀하고 있으며, 이에 필요한 광신호의 발생은 반도체 레이저를 직접 구동시키는 직접변조방식을 사용하고 있으나, 보다 높은 해상력과 고속정보처리가 필요한 화상회의, 양질의 HDTV, 영상화면의 전송 등과 같은 고도의 종합통신망에서는 비선형광학 물질을 사용하는 수십 Gbps 이상의 처리능력을 갖는 Mach-Zender interferometer type 의 간접구동 방식이 사용될 전망이다. 이들은 전기적 신호를 광신호로 변환시키거나 신호 진행방향을 조정하는 스위칭 등으로 대별되는 전기광학 소자들이다.

반면에 고속 통신용 WDM 광네트워크 속에 있는 단말기를 약 10ms 이하의 짧은 시간에 연결하여 주면서도 전기광학 소자의 단점인 편광 의존성, 장기 신뢰성의 감소, 광손실 등의 일반적인 문제를 해결할 수 있는 새로운 광소자의 개발이 필요하다. 이와 같은 특성을 갖는 가장 유력한 소자가 바로 열광학 소자이다.

이 소자의 작동원리는 전기광학 소자의 원리와 같이 광도파로내의 굴절률 변화를 응용한 것으로써 전기광학 소자의 전기적인 광신호를 열로 바꾸어 놓은 것이다. 즉, 열에 의해 코아층의 광굴절률이 변화하고, 이에 따라 도파로내의 광신호 진행방향이 바뀌게 되어 스위칭 역할을 하게 되는 것이다. 이 소자는 전기광학 소자에 사용되는 전기 광학 특성 부여를 위한 비선형광학 물질, 즉 극성(polar)의 화합물인 크로모포어(chromophore)의 사용이 요구되지 않고 또한 폴링(polling)이라는 공정이 필요하지 않기 때문에 광도파로 및 스위칭의 제작이 매우 단순하다는 장점과 함께 시간에 따른 퍼포먼스(performance)의 감소, 극성물질 존재관련 광손실의 감소등과 같은 문제가 거의 없다는 장점이 있다.

열광학 소자는 도 1에 도시된 바와 같이 기본적으로 광섬유의 원리와 같이 상,하부전극이 연결되는 상,하부 금속층(1,2)에 둘러싸인 두 개의 상,하부 클래딩(3,4) 사이에 코아층(5)이 있는 3층으로 구성되어 있다. 미설명 부호 6는 광도파영역이다.

열광학소자의 제조공정은 전기광학소자에서 필수적인 폴링공정이 필요하지 않으므로 공정상 장점이 있다. 그러나, 광통신용 광소자에 사용되는 고분자물질은 광손실이 적어야 한다.

광소자의 광손실은 물질 고유의 광흡수, 고유 광산란, 외부요인에 기인한다. 먼저 외부요인에 의한 광손실은 공정 최적화를 통해 최소화할 수 있으며, 광산란에 의한 광손실은 미미하여 전체광손실에 거의 영향을 주지 않는다. 따라서, 전체 광손실을 줄이기 위해서는 물질 고유의 광흡수를 줄이는 것이 필수적이며 이는 분자설계 단계에서부터 고려되어야 한다. 고분자 물질 고유의 광손실은 전자전이 흡수와 적외선 진동 흡수에 위한 것인데 고분자에서 전자전이 흡수 손실은 주로 C=C 이중결합의 π-π^*전이와 C=O 결합의 n-π^*전이에 따른 흡수로 UV-visible영역에서 일어나기 때문에 광통신 파장영역에서는 무시되고 분자구조내의 진동에 의한 흡수가 가장 중요한 요인이 된다. 특히, C-H(N-H, O-H)결합에 의한 근적외선 영역의 진동흡수 손실이 광손실의 주된 원인이다.

또한, 코아와 클래딩의 굴절률을 미세하게 조절할 수 있어야 광손실이 적은광소자의 제조가 가능하다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 광소자에서 발생되는 광손실의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 합성되는 고분자물질의 굴절률의 미세조정을 가능하게 하고 이를 바탕으로 광손실이 적은 열광학소자를 제조하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 서로 다른 관능기를 갖는 한 쌍의 고분자 물질에 대하여 그 함량을 변화시켜 합성된 고분자의 굴절률을 미세하게 조절 가능하게 한다.

또한, 본 발명은 함량변화에 의해 굴절률이 변화하는 서로 다른 관능기를 갖는 한 쌍의 고분자물질로 제조된 열광학소자용 고분자 화합물을 제공하며, 그 고분자 물질은 고분자 주사슬이 트리아진과 헥사프로오르비스페놀 A로 이루어진 것이 바람직하고, 그 고분자 물질의 함량에 따라 굴절률이 1.50 - 1.55인 범위를 갖는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 함량변화에 의해 굴절률이 변화하는 서로 다른 관능기를 갖는 한 쌍의 고분자 물질로 제조된 저광손실 고분자화합물로 형성된 저광손실 광통신용 열광학소자를 제공하며, 트리아진을 주된 구조로 갖는 열경화제를 더 포함하여 제조된 광통신용 열광학 소자를 제공한다. 이 열경화제의 함량은 고분자 물질의 15wt%이하인 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명은 광손실을 유발하는 관능기를 배제한 새로운 저광손실 고분자 화합물을 합성하여 미세한 굴절률 조정을 가능하게 하였고, 이로부터 광통신용 열광학 소자를 제작할 수 있게 한다.

도 1 은 일반적인 광통신용 열광학 소자의 단면 구성도,

도 2 는 본 발명에 사용된 저광손실 고분자물질의 구조도,

도 3 은 본 발명에 사용된 저광손실 열경화제의 구조도,

도 4 는 본 발명의 고분자A와 B의 함량에 따른 굴절률의 변화 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 상부 금속층 2 : 하부 금속층

3 : 상부 클래딩 4 : 하부 클래딩

5 : 코아층 6 : 광도파 영역

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에서 사용된 고분자 물질은 광손실을 유발하는 C-H(N-H, O-H)결합이 배제된 구조를 갖는 고분자 물질로서 도 2에 도시된 바와 같이 트리아진(triazine)과 헥사프로오르비스페놀(hexafluorobisphenol) A를 주사슬로 갖는 구조로 제조하였다.

그리고, 굴절률을 미세하게 조절하기 위해서 관능기가 다른 두 가지 고분자 물질을 제조하였다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 고분자 A는 R=H인 경우이고, 고분자 B는 R=F인 경우를 나타낸다.

광소자 제조시 클래딩을 박막도포하여 제조하고, 이 위층에 코아층을 제조한 후 식각공정에 의해 패턴을 제조하게 되는데 이때, 박막표면상태를 유지하기 위해서 열경화제를 함께 사용하였으며, 열경화제도 역시 광손실을 최소화하기 위해 트리아진을 주된 구조로 갖고 경화관능기로 C-C 삼중결합을 도입시켜 제조하였다. 이렇게 제조된 저광손실 고분자 물질의 구조가 도 3에 도시된다. 열경화제는 고분자 물질의 15wt% 이내를 사용하였다.

굴절률의 미세조절은 제조된 고분자 A와 고분자 B의 함량을 조절함에 따라가능하였다.

고분자 A와 고분자 B의 함량에 따른 굴절률 값의 변화는 도 4에 도시되어 있다. 고분자 A와 고분자 B의 함량을 조절하고 여기에 열경화제를 첨가한 후 유기용제에 녹여 코아와 클래딩을 위한 용액을 제조한다.

제조된 용액을 실리콘 웨이퍼 위에 하부 클래딩, 코아층, 상부 클래딩의 순서로 스핀-코팅(spin-coating)방법에 의한 박막 도포하여 소자를 제조하였다. 이때, 코아층 박막도포 후에 식각방법에 의한 패턴을 형성시킨다. 그리고, 각 층의 박막 도포 후에는 열을 가하여 유기용제의 건조 및 열경화반응을 유도하여 박막의 열적, 물리적 안정성을 부여하였다.

각층의 두께는 박막도포시 사용한 유기용제의 종류, 고분자 물질의 농도, 스핀-코팅 시의 회전수, 등을 변화시킴에 의해 1 - 10㎛까지 변화시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 공정에 의해 열광학 소자를 제조하는 구체적인 제 1 실시예의 공정을 살펴보면, 우선 코아층과 클래딩층으로 사용할 용액을 제조하였다.

코아층으로는 고분자 A만을 사용하였으며, 이때 굴절률은 1.54이었다. 클래딩층으로는 고분자 A와 고분자 B의 비율이 2:8인 조성을 사용하였고, 이때 굴절률은 1.52이었다. 코아와 클래딩층을 박막도포시에 씨크로헥사논(cyclohexanone)을 용제로 사용하여 20% 농도의 용액을 제조하여 사용하였다. 용액을 제조시에 열경화제는 고분자 물질의 10wt%를 첨가하였다.

먼저 실리콘 웨이퍼 위에 클래딩층을 박막도포하였다. 박막도포는 스핀 코팅 방법을 사용하였으며, 도포후에 150℃에서 2시간 동안 열경화반응을 진행시켰다.제조된 층 두께는 5㎛ 이었다.

이 위에 코아층을 마찬가지 방법으로 박막 도포하고 150℃에서 2시간 동안 열경화반응을 진행시킨 다음 건식식각방법을 사용하여 패턴을 형성하였다.

마지막으로 형성된 코아층 위에 클래딩층을 마찬가지 방법으로 다시 박막도포 및 열경화시켜 열광학 소자를 제조하였다.

상술한 바와 같은 공정에 의해 열광학 소자를 제조하는 제 2 실시예의 공정을 살펴보면, 우선 코아층과 클래딩층으로 사용할 용액을 제조하였다.

코아층으로는 고분자 A만을 사용하였고, 이때 굴절률은 1.54이었다. 클래딩층으로는 고분자 A와 고분자 B의 비율이 2:8인 조성을 사용하였고, 이때 굴절률은 1.52이었다. 코아와 클래딩층을 박막도포시에 씨크로헥사논(cyclohexanone)을 용제로 사용하여 20% 농도의 용액을 제조하여 사용하였다. 용액을 제조시에 열경화제는 고분자물질의 4wt%를 첨가하였다.

먼저 실리콘 웨이퍼 위에 클래딩층을 박막도포하였다. 박막도포는 스핀 코팅 방법을 사용하였으며, 도포후에 200℃에서 2시간 동안 열경화반응을 진행시켰다. 제조된 층 두께는 5㎛ 이었다.

이 위에 코아층을 마찬가지 방법으로 박막 도포하고 200℃에서 2시간 동안 열경화반응을 진행시킨 다음 건식식각방법을 사용하여 패턴을 형성하였다.

마지막으로 형성된 코아층 위에 클래딩층을 마찬가지 방법으로 다시 박막도포 및 열경화시켜 열광학 소자를 제조하였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 광손실을 유발하는 관능기를 배제한 새로운 저광손실 고분자 물질을 제조하여 그 함량을 변화시켜 미세한 굴절률 조절을 가능하게 하고, 광통신용 열광학 소자의 광손실 특성을 개선시키는 효과를 제공한다.

Claims (6)

1. 함량변화에 의해 굴절률이 변화하는 서로 다른 관능기를 갖는 한 쌍의 고분자 물질로 이루어진 저광손실 고분자 화합물.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고분자 물질은 그 고분자 주사슬이 트리아진과 헥사프로오르비스페놀 A로 이루어진 것을 특징으로 하는 저광손실 고분자 화합물.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 물질의 함량에 따라 굴절률이 1.50 - 1.55인 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 저광손실 고분자 화합물.
4. 함량변화에 의해 굴절률이 변화하는 서로 다른 관능기를 갖는 한 쌍의 고분자 물질로 이루어진 저광손실 고분자 화합물로 형성된 저광손실 광통신용 열광학소자.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 저광손실 고분자 화합물은 트리아진을 주된 구조로 갖는 열경화제를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 저광손실 광통신용 열광학 소자.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 열경화제의 함량이 상기 고분자 물질의 15wt%이하 인 것을 특징으로 하는 저광손실 광통신용 열광학 소자.