KR20010109739A - 도파로형 폴리머 편광기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신뢰성 높은 도파로형 폴리머 편광기 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, 기판 위에 소정의 굴절률을 갖는 하부 클래드층을 형성하고, 상기 하부 클래드층 상에 굴절률이 상기 하부 클래드층의 굴절률 보다 높은 전기광학 폴리머로 코어층을 형성한다. 이어, 상기 코어층의 소정 영역을 식각하여 TE 및 TM 편광성분을 도파시키는 광도파로를 형성하고, 상기 코어층 위에 상기 코어층의 굴절률 보다 굴절률이 낮은 상부 클래드층을 형성한다. 마지막으로 상기 상부 클래드층 위에 상기 광도파로의 소정 영역이 선택적으로 노출되도록 포토마스크를 형성하여 상기 광도파로의 소정 영역만 광표백시킨 후 상기 포토마스크를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 도파로형 폴리머 편광기 및 그 제조방법은 소자 제작 이후에도 광표백 공정을 연속적으로 수행할 수 있기 때문에 소멸비와 추가손실 등 소자의 성능을 최적함으로써 신뢰성 높을 소자를 제작할 수 있다.

Description

도파로형 폴리머 편광기 및 그 제조방법{A waveguide polarization in an Electrooptic polymer and method for fabricating the same}

본 발명은 편광기에 관한 것으로, 특히 도파로형 폴리머 편광기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

집적광학 편광기는 광의 기본적인 두 가지 편광 성분인 TE와 TM 두 성분 중 한 가지만을 통과시키는 기능을 하는 광소자이다. 이러한 편광기는 하나의 편광 성분만으로 동작하는 광변조기, 자이로스코우프 등에 필수적이다.

도 1은 TM 모드를 통과시키는 일반적인 편광기를 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 입출력 단에는 TE와 TM 두 편광 성분을 동시에 통과시킬 수 있는 도파로로 이루어져 있으며, 소자의 중앙부에는 TM편광 성분은 도파시키고 TE편광 성분은 발산(radiation)시키는 구조로 되어 있다.

한편, 종래의 편광기는 리튬나이오베이트(LiNbO₃) 결정을 이용하는 경우, 전기광학 폴리머를 이용하는 경우 등이 있다.

리튬나이오베이트 결정을 이용하는 경우에는 소자의 입출력에는 TE 와 TM 두 편광성분이 모두 통과할 수 있도록 타이타늄(Ti)을 확산시켜 만든 도파로를 사용하며, 소자의 중간에는 양자교환(proton exchange) 공정을 이용하여 TE 만을 도파시키도록 한 TE 모드 편광기가 개발되었다.

또한, TM 편광기로는 도파로 패턴의 바깥 부분에 양자교환 공정을 수행함으로써 TM 편광기를 구현할 수 있다.

그러나, Nb 및 그 화합물은 희소물질로서 소자구현에 비용이 많이 소요되고, 전자회로와의 정합(matching)이 어려워 전체 시스템의 구현이 곤란하다.

그리고, 전기광학 폴리머(electrooptic polymer)를 이용한 경우에는 스핀 코팅된 폴리머에 수평과 수직으로 각각 폴링(poling) 공정을 수행하여 한가지 편광만을 도파시킴으로써 TE 와 TM 편광기를 각각 구현할 수 있다. 이러한 소자의 경우 고온에서 폴링공정을 거쳐야 하고 폴링에 의한 전계 분포를 정밀하게 제어할 수 없기 때문에 편광기의 소멸비(extinction ratio)와 추가손실(excess loss) 등의 성능이 저하될 우려가 있다. 이때, 소멸비는 원하지 않는 편광성분의 제거 효율을 나타내며 추가손실은 편광여과 영역의 도입으로 생기는 부가손실을 나타낸다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 신뢰성 높은 도파로형 폴리머 편광기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 TM 모드를 통과시키는 일반적인 편광기를 나타낸 단면도

도 2는 본 발명에 따른 광표백에 의한 복굴절 유기 과정을 나타낸 도면

도 3은 본 발명에 따른 광표백에 의한 전기광학 폴리머의 굴절률 변화를 나타낸 그래프

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 편광기의 구조 및 유효굴절률 분포를 나타낸 도면

도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 편광기의 동작 특성을 나타낸 도면

도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 편광기의 제조방법을 나타낸 공정단면도

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도파로형 폴리머 편광기 및 그 제조방법은 기판 위에 소정의 굴절률을 갖는 하부 클래드층을 형성하는 단계와, 상기 하부 클래드층 상에 굴절률이 상기 하부 클래드층의 굴절률 보다 높은 전기광학 폴리머로 코어층을 형성하는 단계, 상기 코어층의 소정 영역을 식각하여 TE 및 TM 편광성분을 도파시키는 광도파로를 형성하는 단계, 그리고, 상기 코어층 위에 상기 코어층의 굴절률 보다 굴절률이 낮은 상부 클래드층을 형성하는 단계, 상기 상부 클래드층 위에 상기 광도파로의 소정 영역이 선택적으로 노출되도록 포토마스크를 형성하여 상기 광도파로의 소정 영역만 광표백시킨 후 상기 포토마스크를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 하부 클래드층, 코어층 그리고, 상부 클래드층은 스핀 코팅 공정을 이용하여 형성된다.

그리고, 상기 광도파로는 상기 코어층을 반응성 이온식각 공정을 이용하여 식각함으로써 형성된다.

이때, 상기 코어층은 전기광학 폴리머로 이루어진다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 도파로형 폴리머 편광기 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 광표백에 의한 복굴절 유기 과정을 나타낸 도면이다.

광표백(photobleaching)은 전기광학 폴리머에 강한 자외선을 쬐면 전기광학 폴리머와 결합하고 있는 색소분자가 변형되면서 굴절률이 낮아지게 되는 현상을 말한다. 이런 광표백 현상은 전기광학 폴리머의 굴절률을 정밀하게 변화시킬 수 있다.

일반적으로 Azo 염료분자(dye molecule)를 포함한 전기광학 폴리머에서 자외선과 같은 짧은 파장의 광표백(photobleaching)에 의해 복굴절이 유기될 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 스핀 코팅(spin coating)에 의해 형성된 전기광학 폴리머 박막에는 염료 분자들이 임의로 정렬되어 있기 때문에 TE와 TM편광의 굴절률이 거의 같아서 복굴절이 거의 무시할 만큼 작다. 이때, 각 염료분자들는 여기(excite)가 되지 않은 최저 에너지 상태인 트랜스 이성체(trans isomer) 상태로 되어 있다.

그러나, 외부에서 자외선이 입사되면 트랜스 상태의 염료분자들은 여기되어 시스 이성체(cis isomer)로 변환되고, 이때 회전운동성(rotational mobility)이 크기 때문에 염료분자들은 입사광의 방향으로 정렬된다. 입사광이 없어지면 여기되었던 시스 이성체는 트랜스 이성체로 다시 변하지만 회전운동성이 작기 때문에 각 염료분자의 정렬상태는 그래도 유지된다.

결과적으로 광에 의해 유도된 염료분자의 정렬로 인하여 폴리머 박막과 평행한 TE 편광의 굴절률이 감소하고 박막과 수직한 TM 편광의 굴절률은 증가하는 복굴절을 얻게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 광표백에 의한 전기광학 폴리머의 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 광표백이 없을 때에는 TE와 TM 굴절률(N_TE,N_TM)이 거의 동일하지만, 광표백 에너지의 양이 증가함에 따라 TE 굴절률은 감소하고 TM 굴절률은 증가한다. 그러나, 광표백 에너지가 지나치게 커지게 되면 폴리머 내부의 분자 결합들이 파괴되어 TE와 TM 굴절률 모두가 감소하게 된다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 편광기의 구조 및 유효굴절률 분포를 나타낸 도면이다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 입출력단의 광도파로는 RIE(reactive ion etching)공정을 통해 형성됨으로써 TE와 TM 두 가지 편광 성분이 모두 도파된다. 소자 중앙의 편광여과 영역(Polarization filtering section)에서는 도파로 패턴만을 선택적으로 광표백하여 TM 편광 성분만을 도파시키고 TE 편광성분은 제거되도록 한다.

그리고, 도 4b에 도시한 바와 같이, 광표백이 없는 경우에는 편광여과 영역에서의 유효굴절은 TE와 TM 편광의 유효굴절률이 거의 동일이다.

그러나, 도 4c에 도시한 바와 같이, 광표백 후에는 편광여과 영역에서의 유효굴절은 TM 편광의 유효굴절률은 증가하고 TE 편광의 유효굴절률은 감소하여 결과적으로 TM 편광만이 도파된다.

도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 편광기의 동작 특성을 나타낸 도면이다.

도 5a에 도시한 바와 같이, TM 편광이 입력된 경우에는 입출력 영역과 중앙의 편광여과 영역에서 손실 없이 통과하여 출력된다.

반면에 도 5b에 도시한 바와 같이, TE 편광이 입력된 경우에는 입출력 영역에서는 잘 도파되지만 편광여과 영역에서 발산되어 손실됨으로써 출력단에서는 아무런 광이 검출되지 않는다.

도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 편광기의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.

먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이, 기판 위에 소정의 굴절률을 갖는 하부 클래드층을 형성하고, 상기 하부 클래드층 위에 상기 하부 클래드층 보다 굴절률이 높은 전기광학 폴리머로 코어층을 형성한다.

이때, 상기 하부 클래드층 및 코어층은 스핀코팅 공정을 이용하여 형성한다.

그리고, 도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 코어층의 소정 영역을 식각하여 TE 및 TM 편광성분을 도파시키는 광도파로를 형성한다.

이때, 상기 코어층은 반응이온식각(RIE) 공정을 이용하여 식각한다.

이어, 도 6c에 도시한 바와 같이, 상기 코어층의 굴절률 보다 굴절률이 낮은상부 클래드층을 스핀코팅 공정을 이용하여 형성한다.

그리고, 도 6d에 도시한 바와 같이, 상기 상부 클래드층 위에 상기 광도파로의 소정 영역이 선택적으로 노출되도록 포토마스크를 형성한 후, 마스크 정렬기 등의 광원으로 상기 광도파로의 소정 영역만 광표백시킨다.

마지막으로, 도 6e에 도시한 바와 같이, 상기 포토마스크를 제거하여 소자를 완성한다.

편광기 제작 이후에 광표백 공정을 연속적으로 수행하여 복굴절 양을 조절함으로써 성능을 최적화한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 도파로형 폴리머 편광기 및 그 제조방법은 소자 제작 이후에도 광표백 공정을 연속적으로 수행할 수 있기 때문에 소멸비와 추가손실 등 소자의 성능을 최적함으로써 신뢰성 높을 소자를 제작할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 기판 위에 소정의 굴절률을 갖는 하부 클래드층을 형성하는 단계;

   상기 하부 클래드층 상에 굴절률이 상기 하부 클래드층의 굴절률 보다 높은 전기광학 폴리머로 코어층을 형성하는 단계;

   상기 코어층의 소정 영역을 식각하여 TE 및 TM 편광성분을 도파시키는 광도파로를 형성하는 단계;

   상기 코어층 위에 상기 코어층의 굴절률 보다 굴절률이 낮은 상부 클래드층을 형성하는 단계;

   상기 상부 클래드층 위에 상기 광도파로의 소정 영역이 선택적으로 노출되도록 포토마스크를 형성하여 상기 광도파로의 소정 영역만 광표백시킨 후 상기 포토마스크를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 도파로형 폴리머 편광기 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 하부 클래드층, 코어층 그리고, 상부 클래드층은 스핀 코팅 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 폴리머 편광기 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광도파로는 상기 코어층을 반응성 이온식각 공정을 이용하여 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 폴리머 편광기 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 코어층은 전기광학 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도파로형 폴리머 편광기 제조방법.
5. 기판;

   상기 기판 상에 위치하며, 소정의 굴절률을 갖는 하부 클래드층;

   상기 하부 클래드층 상에 위치하고, 굴절률이 상기 하부 클래드층의 굴절률보다 높은 전기광학 폴리머로 이루어지며, 선택적으로 광표백된 편광 여과 영역을 갖는 광도파로를 구비한 코어층;

   상기 코어층 위에 위치하며, 상기 코어층의 굴절률 보다 굴절률이 낮은 상부 클래드층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도파로형 폴리머 편광기.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 코어층의 전기광학 폴리머는 광표백특성을 가지는 것을 특징으로 하는 도파로형 폴리머 편광기.