KR20020038786A - 실리카 유리의 심층 ｕｖ 레이저 내부 유도 치밀화방법 - Google Patents

실리카 유리의 심층 ｕｖ 레이저 내부 유도 치밀화방법 Download PDF

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니콜라스 에프. 보렐리
더글라스 씨. 알란
찰렌 엠. 스미스
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알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 연질 실리카에 기초한 물질로부터 벌크 유리 기판(4)을 선택하는 단계를 포함하는 벌크 유리 기판(4)에서 빛 유도 구조(26)를 기입하는 방법에 관한 것이다. 엑시머 레이저 빔(5)은 스캔 경로를 따라 상기 기판에 대하여 촛점을 평행이동시키는 동안 상기 기판내의 촛점 포인트(3)에서 집속된다. 상기 레이저 빔(5)은 상기 스캔 경로를 따라 레이저로 유도된 물질의 파괴가 극소량 발생하는 동안, 스캔 스피드로 이동되어 노출되지 않은 물질에 대한 스캔 경로를 따라 상기 물질의 굴절률 증가를 유도한다. 도파관을 포함하는 여러가지 광학 디바이스가 이러한 방법으로 제조될 수 있다.

Description

실리카 유리의 심층 ＵＶ 레이저 내부 유도 치밀화방법{Deep UV laser internally induced densification in silica glasses}
본 발명은 심층 UV 빛(<300㎚)를 이용하여 유리의 광학 디바이스를 효율적으로 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 빛-유도 굴절률 변화를 통해서 유리 조성물에서 빛 유도 구조물을 형성하는 직접 기입방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 직접-기입방법에 의해 제조된 광학 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 치밀화된 도파관이 효율적으로 직접 기입될 수 있는 벌크 유리 기판 몸체에 관한 것이다.
광도파관 및 브래그(Bragg) 회절 격자와 같은 광학 디바이스는 원거리통신 분야에서 널리 공지되어 있다. 광도파관에 있어서, 보다 낮은 굴절률의 클래딩에 의해 둘러싸인 보다 높은 굴절률의 코어는 빛을 유도하고, 적은 신호 감쇠로 장거리에 걸쳐 다량의 광학 정보를 송신할 수 있다. 상기 광도파관 섬유는 이러한 형태의 광형태의 디바이스이다. 상기 섬유는 다른 물질의 코어 유리 및 다른 물질의 클래딩 유리로부터 제조함으로써 적합한 도파관 구조를 제공하는 방법에 의해서 제조된다. 브래그 격자는 보다 폭넓은 신호로부터 좁은 밴드의 파장을 여과하고, 분리하는데 사용될 수 있는 광학 디바이스의 또 다른 형태이다. 빛 유도 디바이스의 원거리통신 적용에 상업적으로 이용되는 가장 통상적인 물질로는 게르마니아 도핑 실리카 코어 및 순수한 건조 무-히드록시 실리카 클래드와 같은 도핑된 실리카에 기초한 조성물이다.
레이저 원은 유리의 물리적 손상 및 굴절률 변화 모두에 영향을 미칠 수 있음이 공지되어 있다. 전자와 관련하여, 게르마니아 도핑 실리카 코어 섬유에서 브래그 격자를 기입하기 위하여 펄스된 UV 방사 레이저 원을 사용함이 공지되어 있다. 최근 들어, 펨토 초 레이저의 파장에서 투명한 유리 체적내의 광도파관을 형성하는 "직접-기입" 레이저 방법이 개시되어 있다,. 이러한 방법에 있어서, 120펨토 초 이상으로 펄스된 810㎚ 레이저는 상기 유리가 상기 촛점을 통해서 투사 빔에 직각으로 평행이동됨에 따라서 실리카의 연마된 조각(piece) 내에 집속된다. 10-2차수의 굴절률 증가가 상기 촛점이 노출된 영역에 걸쳐 10배로 스캔되는 특정 조건에서 기록되었다.
단-펄스 집속 레이저를 이용한 벌크 유리에서 도파관을 형성하는 직접 기입공정을 갖는 잠재적인 문제점은 과도한 노출이다. 상기 유리의 물리적 손상 및 파괴는 상기 유리를 통해서 전송되는 광신호의 원치않는 감소로 귀결된다.
광 구조물을 제조하는 직접 기입방법에 있어서의 또 다른 문제점은 상기 기입 디바이스, 예를 들어 레이저의 디멘전에 있어서의 안정성과 상기 기판 물질의소정의 굴절률 변화를 유도하기 위해 필요한 에너지 사이의 균형에 관련된다.
상기 레이저 직접-기입방법을 상업적으로 적용하기 위해서는, 물질의 굴절률 변화는 합당한 양의 기입 시간에서 달성되어야 한다. 허용가능한 고 기입률에서 충분히 증가된 굴절률을 갖는 실리카에 기초한 광학 디바이스를 생성시키는 직접 기입방법의 실용화가 요구된다. 이러한 방법은 적합한 물질의 연속적 블록 내에서 모든 2개의 포인트를 연결하는 연속 빛-유도 도파관 패턴을 기입하거나 또는 브래그 격자와 같은 다른 광학 디바이스를 제조하는데 사용될 수 있다.
실리카-게르마니아는 때때로 물질의 굴절률이 빛을 변경시키는 물질로서 사용된다. 게르마니아 도핑 실리카의 감광 반응에 있어서, H2-로딩은 통상적으로 상기 유리의 반응을 증가시키기 위한 방법으로서 사용된다. 이러한 상황에서, 상기 굴절률 증가의 매카니즘은 크라머-크로니그 관계(Kramer-Kronig relationship)를 통한 컬러 중심 형성 매카니즘이다. 상기 H2-로딩의 사용은 벌크 물질에 대하여 H2를 로딩하기 위해 필요한 시간, 특히 H2가 상기 물질과 반응하지 않는 충분히 낮은 온도에서 H2를 침투시키기 위한 시간이 상당히 긴것을 포함하여, 기호 논리한의 주제를 도입한다. 예를 들어, 3-㎜ 두께의 실리카 유리 조각은 150℃에서 로딩시키기 위하여 36일이 소요된다. 일단 H2가 물질내로 침투하면, 벌크 물질에 대해서 좀 더 H2를 함유하는 조각의 저장이 문제가 된다.
치밀화를 통한 굴절률의 증가는 H2로딩이 불필요한 물질을 취급하는데 있어서 잇점을 제공한다. 상기 유리의 흡수 성질 및 상기 유리 몸체 내부에 수소를 깊게 확산시키는데 있어서의 문제점 및 어려움에 기인하여 큰 유리 몸체의 내부에 3차원으로 어드레스하거나 기입하는데 적용하기는 불가능한 반면, 수소 로딩은 수소가 용이하여 확산될 수 있는 광섬유 및 얇은 편평층과 같은 작은 디멘전의 유리에 유용하다. 본 발명에 따른 또 다른 잇점은 격자가 고정되는 동안 H2-로딩된 실리카-게르마니아를 이용하여 기입된 제품의 열적 안정성은 낮은 온도에서 열적 어닐링이 수행된다는 점이다. 이러한 열적 어닐링은 약 30% 정도까지 격자효율을 감소시키지만, 효율에서의 그 이상의 변화가 최소화될 수 있도록 한다. 상기 치밀화 매카니즘을 이용한 본 발명은 2㎝ 이상일 수 있는 표면으로부터의 깊이를 갖는 유리 몸체의 내부에 깊게 기입하는 단계를 제공하는 반면, "고정"을 위한 어떠한 열적 처리도 필요치 않으며, 일반적으로 6-7백 정도에서 제품의 조각이 남는다는 점에서 일반적으로 더욱 열적으로 강하다(robust).
레이저 빔의 노출이 측정가능한 치밀화를 제공할 수 있는 엑시머 레이저 마이크로리소그라피 시스템과 같은 유지된 고-에너지 방사 및 고순도의 용융 실리카의 큰 노출은 용융 실리카 광학 부재에 영향을 미친다.
본 발명의 요약
본 발명의 목적은 실리카에 기초한 물질의 기판내에서 빛 유도 구조물을 형성시키는 향상된 직접-기입방법을 제공하는데 있다. 특히, 도파관 및 회절과 같은 유리의 3차원 빛 유도 구조물을 효과적으로 내부에 기입하는기 위해 바람직하다.집속된 심층 UV (<300㎚)는 큰 디멘전의 유리 몸체의 내부를 통해서 평행이동시켜 다중 평면을 통해서 다중 방향에서 3차원의 유리 몸체를 횡단하고 상기 유리 몸체의 외표면을 다중화할 수 있는 치밀화된 유리 도파관 코어 구조를 갖는 유리 내부를 통해서 치밀화된 도파관 코어 구조를 형성한다.
본 발명의 방법은 상기 유리 표면으로부터 적어도 1㎝, 바람직하게 적어도 2㎝, 바람직하게 적어도 3㎝, 가장 바람직하게 적어도 4㎝의 유리 몸체 내부까지의 깊이를 갖는 큰 유리 몸체 내의 도파관 코어의 내부 직접 기입 치밀화 형성단계를 포함한다. 본 발명은 상기 유리 몸체의 외표면으로부터 적어도 1㎝, 바람직하게 적어도 2㎝, 바람직하게 적어도 3㎝, 가장 바람직하게 적어도 4㎝ 떨어진 내부 비-표면 코어경로 부분을 갖는 직접 기입된 치밀화된 도파관 코어를 갖는 3차원의 유리 몸체에서 광도파관 디바이스를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적은 실리카에 기초한 물질에서 광학 구조를 기입하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 경질의 실리카에 기초한 물질은 벌크 내에서 광학 구조의 레이저 기입에 대하여 증가된 감응을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 방법은 상기 유리에서 실질적으로 어떠한 물리적 손상도 갖지 않는 레이저를 이용한 유리의 빛 유도 구조물을 직접 기입하는 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 방법은 실리카에 기초한 벌크 유리에서 3차원의 광학 구조물을 기입하는 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은 x, y, 및z-디멘전에서 실리카에 기초한 기판을 통해서 레이저의 굴절률-증가 촛점을 평행이동시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 여러가지의 광학 디바이스는 여기에 전술한 방법에 의해 제조된 광학 구조를 갖는다. 본 발명은 치밀화된 광도파관 코어 터널을 형성하기 위하여 <300㎚의 심층 UV 레이저 빔 촛점을 갖는 연질(어닐링 포인트<1350oK) 실리카 유리의 큰 벌크 체적 내에서 투사된 내부 체적 영역을 선택적으로 치밀화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 측면 및 다른 측면은 이러한 기술의 관점에서 빛 분야의 당업자에게 분명해질 것이다.
본 발명은 1999. 9. 30.자로 출원된 미국 특허 가출원 제60/156,737호에 기초를 두고 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 상부-기입 및 축-기입 배향의 스캔 방향에 대해서 투사 레이저 빔을 위치시킨 것을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 상부-기입 및 축-기입 배향에서의 스캐닝 빔 프로파일 및 도파관 단면적 형상을 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 벌크 유리의 3차원 광학 디바이스의 직접 기입의 상부-기입 배열을 나타낸 투영도이다.
도 4는 레이저 방사선에 노출된 유리에 대하여 노출의 함수로서 치밀화도를 나타낸 그래프이다(y-축: 치밀화도)(x-축: 선량).
도 5는 본 발명에 사용된 유리에 대하여 파장에 대한 진공 UV 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 실리카 유리에 대하여 선량에 대하여 139㎚ 엑시머 레이저 유도 △P/P를 나타낸 도면이다.
도 6a는 도 6의 일부를 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 상기 유리의 경도(어닐링 포인트의 역)에 대한 조밀화(인자 a의 자연로그)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 300㎚ 레이저 노출 미만에 대한 스킴을 나타낸 도면이다.
도 9a∼9e는 본 발명에 따라 제조된 광학 디바이스를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 연질 실리카 유리의 벌크 기판의 빛 유도 구조물을 형성하는 직접 기입방법은 상기 빛 유도 구조물이 기입되는 실리카에 기초한 물질로부터 제조된 기판을 선택하는 단계; 집속된 물질을 효과적으로 치밀화시키기 위하여 <300㎚ UV 레이저 빔을 기판 내의 내부 위치에서의 촛점에 집속시키는 단계; 및 상기 기판 및 초점을 서로에 대하여 평행이동시켜 상기 치밀화된 유리 스캔 경로를 따라 상기 기판내에 스캔된 경로 빛 유도 구조물을 형성시키는 단계를 포함한다. 상기 유리 몸체 내에서 선택적으로 스캔 경로를 치밀화시킨 λ<300㎚ 레이저 빔은 보다 낮은 굴절률의 감싸는, 집속되지 않은 비치밀화된 유리에 의해 클래딩된 증가된 굴절률을 갖는다. 상기 유리의 치밀화는 우선적으로 2-광자 흡수를 통해 생성되며, 상기 집속된 레이저 빔의 세기의 제곱에 비례한다.
상기 레이저 빔의 집속은 비집속된 빔과 대조적으로 상기 빔의 피크 세기를상당히 증가시킨다. 상기 집속된 빔의 높은 세기는 상기 실리카 유리 샘플을 통해 평행이동함에 따라서 상기 유리를 치밀화하고, 상기 빔 촛점에 의해 투사된 치밀화된 유리 경로를 따라 상기 유리의 굴절률에 있어서의 증가를 유도한다. 이로부터 얻은 증가된 굴절률의 경로 치밀화된 유리의 경로 영역은 빛을 유도하여 치밀화되지 않은 주위 유리를 둘러쌈으로써 클래딩된 광도파관 경로 역할을 한다.
"상부 치밀화 기입" 방법은 도 1a에 나타낸 바와 같이, 치밀화 투사 빔에 실질적으로 직각인 스캔 방향(13)으로 상기 샘플을 평행이동시킨다. "축 기입" 방법은 도 1b에 나타낸 바와 같이, 상기 투사 빔에 실질적으로 평행한 스캔 방향(13)으로 상기 샘플을 평행이동시킨다. 당업자라면, 상부-기입법은 또한 단지 x-방향, y-방향, 또는 x-방향과 y-방향으로 동시에 상기 샘플을 평행이동시킴으로써 수행될 수 있음을 용이하게 인식할 것이다.
상기 상부-기입 촛점이 상기 스캔 방향으로 상기 샘플을 통해서 평행이동되는 경우, 일반적으로 타원형의 단면적을 갖는 도파관이 형성된다. 상기 축-기입 촛점이 상기 스캔 방향으로 상기 샘플을 통해 평행이동되는 경우, 일반적으로 원형의 단면적을 갖는 도파관이 얻어진다. 따라서, 축방향으로 기입된 도파관은 실질적으로 원형의 단면적을 갖는 도파관을 생성시키는데 일반적으로 바람직하다. 상부-기입법은 집속 렌즈의 촛점 길이보다 더욱 긴 연속적인 선형의 도파관을 기입하는데 바람직하다.
본 발명의 직접-기입방법을 이용하여 샘플에서 3차원 도파관을 기입하는 성능은 도 3a 및 3b에 더욱 상세히 기술된다. 상기 레이저 빔(2)은 렌즈(5)에 의해유리 샘플(4)내에 위치된 촛점(3)에 집속될 수 있다. 깊이 D1에서의 제1위치(x1, y1, z1)으로부터 깊이 D2에서의 제2위치(x2, y2, z2)까지 의 x-, y-, z-방향으로의 샘플의 평행이동은 상기 스캔 경로(9)를 따라 유리의 굴절률을 증가시켜 상기 샘플 내의 제1위치 및 제2위치 간의 3차원에 있어서의 광도파관 경로 확장을 형성한다. 만약 평면인 경우, 즉 2-차원 도파관이 바람직한 경우, x1은 x2와 같고, y1은 y2와 같으며, z1은 z2와 같다. 만약 선형 도파관이 바람직한 경우, x1및 y1은 각각 x2및 y2와 같고, y1및 z1은 각각 y2및 z2와 같으며, 또는 x1및 z1은 각각 x2및 z2와 같다.
상기 레이저는 적합한 강력한 λ<300㎚의 UV 레이저 빔을 발생시킬 수 있는 모든 디바이스일 수 있다. 유용한 레이저의 예는 다음의 실시예에서 기술될 것이다. 상기 λ<300㎚의 UV 레이저 빔은 몇가지 빔 파라미터에 의해 특성화된다. 바람직한 실시예에 있어서, 엑시머 레이저가 사용된다. 바람직하게 사용되는 레이저는 5나노세컨드 보다 큰 펄스 폭을 갖는다. 엑시머 레이저는 15 내지 60나노세컨드의 펄스 폭으로 펄스된 원이다. 상기 적용을 위한 엑시머 레이저의 펄스 플루언스당 상기 비집속된 펄스 에너지는 상기 레이저 빔의 집속에 의해 증가된 펄스 플루언스를 갖는 2 내지 100mJ/㎠의 범위일 수 있다. 바람직하게 300㎚ 미만의 파장을 갖는 엑시머 레이저는 KrF 또는 ArF 엑시머 레이저와 같이 이용된다. 엑시머 레이저 원에 덧붙여, 상기 치밀화 레이저는 300㎚ 미만의 파장 및 적절한 세기를 생산하는비-엑시머 레이저일 수 있다. 엑시머 레이저 원은 선택적으로 Nd YAG 및 YLF, Ti 사파이어에 기초한 고체 상태의 레이저와 같은 고체 상태의 레이저를 포함한다. λ<300㎚의 UV 레이저 빔의 세기 및 프로파일은 바람직하게 10마이크론 빔 직경에서 측정되는 경우 ≥50mJ/㎠의 세기를 가지며, 가장 바람직하게 ≥100mJ/㎠의 세기를 갖는다. 상기 연질 실리카 유리 물질을 내부적으로 치밀화시키는데 사용되는 적합한 λ<300㎚의 레이저는 약 10마이크론(10±5마이크론)의 큰 디멘전 및 10mJ 내지 150mJ/㎠의 세기를 갖는 유리 조밀화 촛점에 집속가능한 치밀화 플루언스를 갖는 집속가능한 레이저 빔 출구를 갖는다. λ<300㎚과 같은 유리 치밀화 촛점은 300㎚ λ미만에서 >70%/㎝, 바람직하게 >90%/㎝, 바람직하게 >95%/㎝, 가장 바람직하게 >98%/㎝의 내부 투과도를 갖는 벌크 유리를 갖는 유리내의 기입 영역을 내부적으로 치밀화시키기 위해 사용된다. 바람직하게 본 발명에서는 게르마니아 도핑 실리카가 상기 초점으로 기입된 연질 실리카 벌크 유리 기판인 경우, 상기 집속된 심층 UV 레이저 빔의 파장은 220㎚ 이상이며, 바람직하게 220㎚ 내지 250㎚이다. 바람직하게 본 발명에서는 게르마니아가 없는 실리카가 상기 촛점으로 기입된 연질 실리카 벌크 유리 기판인 경우, 상기 집속된 심층의 UV 레이저 빔 파장은 180㎚ 이상이며, 바람직하게 180㎚ 내지 220㎚이다. 바람직하게, 상기 유리 치밀화 촛점은 보이드가 상기 유리에 노출된 촛점에서 형성되는 세기가 아니도록 상기 유리를 효율적으로 치밀화시키는 세기를 갖는다. 높은 세기의 마이크로 채널링 미만의 이러한 치밀화 촛점은 상기 유리에 물리적인 손상을 방지하며, 보이드 형성과 같은 유리내의 레이저로부터 유도된 파괴를 방지한다.
하기 실시예들이 고정된 유리 치밀화 촛점에 대하여 상기 유리 샘플을 이동시키는 것에 대하여 기술하는 반면, 당업자들은 선택적으로 상기 유리 치밀화 레이저 촛점은 고정된 샘플에 대하여 이동되거나 또는 상기 치밀화 레이저 촛점 및 샘플 모두는 고정된 참고 포인트에 대하여 동시에 이동되어 상기 샘플 및 패턴 형성 촛점 사이에서 바람직한 상대 평행이동 속도를 얻을 수 있다. 바람직하게 상기 스캔 경로를 따라 상기 물질의 실질적으로 레이저에 의한 어떠한 파괴를 일으키지 않고, 상기 노출되지 않은 물질에 대하여 스캔 경로를 따라 상기 물질의 밀도를 증가시키기 위해 효과적인 스캔 속도에서 상기 스캔 경로를 따라 상기 기판에 대하여 촛점을 평행이동시키는 단계는 초당 약 1마이크론 내지 1㎜의 스캔 속도를 이용하는 단계를 포함한다.
상기 도면에서는 서로에 대하여 오른쪽 각도에서 배향된 실질적으로 평표면을 갖기 때문에 본 발명에 사용하기에 적합한 상기 유리 기판의 기입가능한 실리카 물질 샘플을 도시하였지만, 당업자들은 본 발명은 이러한 규칙적인 고형 기판 지오메트리에 한정되지 않음을 인식할 것이다. 오히려, 본 발명은 실질적으로 규칙적이거나 또는 비규칙적인 형상의 3차원 샘플에서 광도파관을 직접 기입하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 상기 샘플은 상기 빔이 실질적으로 상기 투사 빔이 통과하는 상기 샘플의 표면과 직각이 되도록 상기 투사 레이저 빔에 대하여 위치되는 것이 바람직하다. 바람직하게 상기 기판은 얇은 필름층과 대조적으로 3차원의 형상이다. 바람직하게 상기 기판은 상기 경로 두께 보다 몇 배, 바람직하게 적어도 백배, 더욱 바람직하게 적어도 5백배, 가장 바람직하게 적어도 1000배 더욱 두꺼운 두께를갖는 것이 좋다.
상기 빛 유도 구조물이 본 발명에 따라 기입되는 기판의 조성은 도핑되지 않고, 용융된 실리카 및 도핑된 2성분 및 3성분 실리카 시스템을 포함하는 실리카에 기초한 물질이다. 실리카에 기초한 물질은 빛에 있어서 다양한 바람직한 광학 특성을 가질 뿐만 아니라 원거리통신 디바이스 적용에 폭넓게 사용되어 바람직하다. 2성분 및 3성분의 실리카 시스템은 때때로 본 발명의 사용에 바람직하다. 2성분 및 3성분의 실리카에 기초한 물질은 치밀화에 대한 향상된 감응성에 기인하여 바람직하다.
"실리카에 기초한 물질"은 알카리금속, 알카리토금속, 및 전이금속 원소 뿐만 아니라 1300-1600㎚의 흡수를 일으키는 다른 불순물이 실질적으로 존재하지 않는 실리카를 포함하는 유리 조성물을 의미한다. 만약 전혀 존재하지 않는다면, 이러한 불순물은 10ppb(10억분율) 이상의 수준에서 본 발명에 사용되는 실리카에 기초한 물질에서 발견되지 않을 것이다.
본 발명자들은 일반적으로 도파관은 상당한 크기의 굴절률 변화를 일으키지 않고 경질 실리카에 기초한 물질에서 보다 연질 실리카에 기초한 조성물로부터 제조된 벌크 기판에서 좀 더 용이하게 기입될 수 있음을 발견하였다. 연질 실리카에 기초한 조성물은 경질 실리카에 기초한 조성의 유리보다 엑시머 레이저를 사용하여 빛 유도 구조물을 직접 기입하는데 좀 더 감응성이 높음을 나타낸다.
이러한 기술을 목적으로, "연질" 실리카에 기초한 물질은 5몰%의 GeO2-95몰%의 SiO2의 게르마니아가 도핑된 유리 조성물 보다 낮은 어닐링 포인트를 갖는 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 실리카에 기초한 물질로서 정의되며, 바람직하게 상기 실리카에 기초한 물질은 약 1380OK 미만의 어닐링 포인트를 갖는다. 상기 바람직한 시리카에 기초한 유리는 약 1380OK 미만, 좀 더 바람직하게 약 1350OK 미만, 가장 바람직하게 약 900OK 내지 약 1325OK의 어닐링 포인트를 갖는 도핑도지 않거나 도핑된 2성분 또는 3성분의 실리카에 기초한 물질이다. 상기 어닐링 포인트는 상기 물질의 점도가 1013.6poise인 온도로서 정의된다.
도핑되지 않은 경질의 실리카에 기초한 물질은 예를 들어, 약 1261OK 내지 1323OK의 어닐링 포인트를 갖는 코닝 인코포레이티드의 HPFSⓡ형태의 고순도 용융 실리카 7980 유리와 같은 공업용 용융 실리카를 포함한다. 바람직하게 본 발명에 사용되는 상기 연질의 고순도 용융 실리카는 >50중량ppm, 더욱 바람직하게 >100중량ppm, 더욱 바람직하게 >200중량ppm, 가장 바람직하게 >500중량ppm의 OH 함량을 갖는 비-건조 고순도의 용융 실리카이다. 상기 도핑된 시스템에 있어서, 경질 실리카에 사용될 바람직한 도펀트는 각각 붕산(B2O3), 인산(P2O5), 알루미나(Al2O3), 및 게르마니아(GeO2)와 같은 붕소, 인, 알루미늄, 및 게르마늄 원소의 산화물을 포함한다.
2성분 붕소가 도핑된 실리카에 기초한 시스템에 있어서, 상기 붕산 함량은최고 20중량% 또는 그 이상의 붕산을 포함한다. 바람직하게, 상기 2성분의 유리 시스템은 9중량%의 B2O3-91중량%의 SiO2내지 20중량%의 B2O3-80중량%의 SiO2범위의 조성물에 존재한다. 상기 9중량%의 B2O3-91중량%의 SiO2조성물의 어닐링점은 약 1073OK이다. 상기 20중량%의 B2O3-80중량%의 SiO2조성물의 어닐링점은 약 999OK이다.
2성분의 인-도핑 실리카에 기초한 시스템에 있어서, 상기 인산 함량은 최고 20중량% 또는 더 많은 인산을 포함할 것이며 바람직하게, 7 내지 20중량%의 인산을 포함할 것이다. 바람직하게, 상기 2성분 유리 시스템은 10중량%의 P2O5-90중량%의 SiO2내지 7중량%의 P2O5-93중량%의 SiO2범위의 조성물에 존재한다. 상기 7중량%의 P2O5-93중량%의 SiO2인 조성물의 어닐링점은 약 1231OK이다.
2성분의 알루미늄-도핑 실리카에 기초한 시스템에 있어서, 상기 알루미나 함량은 최고 20중량% 또는 더 많은 알루미나를 포함할 것이며, 바람직하게 10 내지 20중량%의 알루미나를 포함할 것이다. 예를 들어, 10중량%의 Al2O3-90중량%의 SiO2인 상기 2성분 유리 시스템이 사용될 것이다.
2성분 게르마늄이 도핑된 실리카에 기초한 시스템에 있어서, 상기 게르마니아 함량은 최고 약 22중량% 또는 그 이상의 게르마니아를 포함하며, 바람직하게 15내지 25중량%의 게르마니아를 포함한다. 바람직하게, 상기 2성분의 유리 시스템은20중량%의 GeO2-80중량%의 SiO2내지 22중량%의 GeO2-78중량%의 SiO2범위의 조성물에 존재한다. 상기 20중량%의 GeO2-80%중량%의 SiO2조성물의 어닐링점은 약 1323OK인 반면, 상기 22중량%의 GeO2-78중량%의 SiO2조성물의 어닐링점은 약 1311OK이다. 선택적인 범위는 14% 내지 9%의 게르마니아를 함유한다. 상기 2성분의 조성물은 9% 내지 22%의 게르마니아의 범위이다.
그러나, 본 발명에서 게르마늄 도핑 유리가 사용되지만 게르마늄을 사용할 필요는 없다. 따라서, 본 발명은 게르마늄이 없는 실리카 유리가 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 연질 실리카 유리는 실질적으로 Ge가 없다.
"경질" 실리카에 기초한 물질은 5물% GeO2- 95몰% SiO2시스템보다 큰 어닐링점, 즉 약 1380OK 이상의 어닐링점을 갖는 도핑된 또는 도핑되지 않은 실리카에 기초한 물질로 정의된다. 경질 실리카에 기초한 물질의 예는 약 1425OK의 어닐링점을 갖는 건조 용융된 실리카를 포함한다. 당해 분야에서 공지된 바와 같이, "건조" 용융 실리카는 실질적으로 잔존하는 히드록실기가 없는 반면, 코닝의 HPFSⓡ실리카는 예를 들어, >200중량ppm 및 >800중량ppm의 더욱 높은 수준의 함량을 갖는다.
본 발명에 사용된 실리카에 기초한 물질은 바람직하게 불꽃 가수분해 공정에 의해 제조된다. 이러한 공정에 있어서, 실리콘-함유 가스 분자는 불꽃에서 반응하여 SiO2수트 입자를 형성한다. 이러한 입자들은 후에 유리(고체) 상태로 냉각되는 매우 점성이 있는 유체로 고형화되는 회전 몸체의 뜨거운 표면상에 증착된다. 당해 분야에 있어서, 이러한 형태의 유리 제조과정은 기상 가수분해/산화 공정 또는 간단히 불꽃 가수분해 공정으로 공지되어 있다. 그러나, 다른 공지된 공정이 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 실리카에 기초한 물질은 직접 증착 및 고형화 공정 단계에 의해서 제조된다. 선택적으로, 상기 유리는 증착 및 이후의 고형화에 의해 제조된다.
본 발명자들은 실리카 유리의 엑시머 레이저로의 노출은 유리의 치밀화라 지칭되는 밀도 변화를 일으킴을 알 수 있었다. 상기 레이저에 의한 처리시, 상기 유리는 보다 높은 굴절률을 수반하며 더욱 조밀해진다. 밀도 변화는 예를 들어, 248㎚ 및 193㎚의 엑시머 레이저 펄스에의 노출을 통해서 유도될 수 있다. 상기 펄스 폭은 5 내지 30나노세컨드, 바람직하게 20 내지 30나노세컨드일 수 있으며, 상기 비-집속된 펄스 에너지는 적어도 10-100mJ/㎠이다. 상기 유리 기판 몸체 내부의 집속된 레이저 빔에 의한 치밀화는 상기 유리내에 패턴을 기입하고 도파관 경로를 형성하기 위해 사용된다.
특히, 노출되는 유용한 실리카 유리는 특히 심층 UV에서 높은 투명성이 유지됨은 전술한 바와 같다. 이는 엑시머 노출에 대해서, 상기 샘플이 상기 엑시머 레이저 파장에 대하여 적어도 70% 내지 90%/㎝ 실질적으로 투명해야만 한다. 따라서, 상기 유리 내부 깊숙히 치밀화를 생성할 수 있다. 바람직한 치밀화 매카니즘은 감소된 파장을 갖는 2개의 광자 흡수율 증가를 갖는 2개의 광자 공정이며, 가장 최선의 경질 실리카 유리는 단파장에서 투과하는 유리이다.
또한, 어닐링온도 또는 연화온도와 같은 낮은 Tg 또는 온도에 대한 점도의 다른 측정에 의해 결정된 연질의 유리에 있어서, 더욱 감응성이 높은 유리가 굴절률에 의해 좀 더 명확하게 변화됨을 알 수 있었다.
연마된 실리카 유리 기판의 벌크 샘플은 본 발명의 참고문헌으로 포함된 D.C. Allan, C. Smith, N.F. Borrelli, 및 T.P. Seward Ⅲ, Opt. Lett. 21(24), 1960, (1996) 및 N.F. Borrelli, C.Smith, D.C. Allan 및 T.P. Seward Ⅲ, J. Opt. Soc. Am., B, 14, 1606, (1997)에 기술된 실험 배열을 갖는 구멍을 통해 엑시머 레이저 방사선에 노출되었다.
193㎚ 및 248㎚의 노출에 사용된 레이저는 루모닉스(Lumonics) 600이었다. 상기 구멍을 통한 에너지는 몰렉트론(Molectron) 열 검출기로 모니터되었다. 상기 노출에 의해 유도되는 광학 상은 ZYGO Mark-Ⅳ 기기를 이용한 간섭계로 측정되었다. 측정된 광학 상의 이동으로부터 "무제한" 치밀화 △p/p가 유한-원소 모델을 통해 얻어졌다. 상기 치밀화 공정에 대한 측정기준에 따른 무제한 치밀화의 사용은 상기 노출 빔의 샘플 지오메트리 및 공간 측면을 참작한다. 상기 모델의 특성 및 이의 유용성은 본 발명의 참고문헌으로 포함된 Allan 등에 의한 SPIE Vol. 3578, 16(1998)에 상세히 설명되어 있다. 요약하면, 상기 유한 원소 모델은 상기 노출된 영역이 치밀화하에서 축소되고, 노출되고 노출되지 않은 영역의 집적 감광 감응을 허용하는 경우, 상기 유리의 탄성적 반응을 설명한다.
표 1에 나타낸 유리는 치밀화를 유도시키기 위하여 193㎚ 엑시머 레이저에 노출되었으며, 30ns의 펄스 폭을 갖는 106펄스에 대하여 10mJ/㎠의 노출에 대한 무제한 치밀화를 나타낸다. 상기 유도된 굴절률 값은 약 0.4의 치밀화를 곱하여 얻어진다.
193㎚ 엑시머 노출에 대한 무제한 고결(compaction)의 비교
SiO2(코닝 인코포레이티드 HPFSⓡ 용융 실리카 7980) 1.6
78% SiO2, 22% GeO2 14
80% SiO2, 20% GeO2 388
* 0.3MW/㎠, 106펄스, △p/p(106)
노출에 대한 함수로서 치밀화의 실제 향상을 3개의 샘플에 대하여 도 4에 나타내었다. 도 4에서, x-축은 선량이며 y-축은 치밀화이다. 엑시머 레이저에 의해 유도된 굴절률 변화에 대하여 도핑되지 않은 실리카로부터 실리카-게르마니에서 실리카-붕소까지의 증가된 굴절률 변화는 얻어질 수 있는 굴절률 양에 있어서 주요 파라미터로서 상기 유리의 경도를 나타낸다. 상기 게르마니아 유리는 상기 도핑되지 않은 실리카 보다 상당히 연성이며, 상기 붕소 유리는 상기 게르마니아 유리보다 상당히 연성이다.
상기 실리카 및 실리카 게르마니아 사이의 모든 온도에서의 점도 차는 하기 수학식 1로 측정될 수 있다.
여기서, ζ는 점도이며, △는 백분율로 표현되는 △n/n이다. 20%의 GeO2, △가 1%인 경우, 상기 실리카-게르마니아 유리는 실리카에 비하여 상당히 연성이다. 붕소에 대하여 이러한 효과는 더욱 두드러진다. 10몰%의 B2O3/SiO2의 조성물은 실리카보다 약 300디그리 미만의 연화점을 갖는다. 연질 유리로 귀결되는 다른 2성분 시스템은 인 및 알루미늄의 산화물을 포함한다. 예를 들어, 또 다시 10%의 P2O5에서 P2O5/SiO2는 500디그리의 더욱 낮은 연화온도를 갖는다.
바람직하게, λ<300㎚ 레이저의 심층 UV에 의한 치밀화 및 최대 굴절률 변화를 양산하기 위하여, 상기 유리는 바람직하게 붕소와 같은 연질 성분을 포함해야 한다. 상기 변화량은 연화점에서 상기 도핑된 성분의 효과에 비례적이다. 본 발명은 바람직하게 상기 실리카 유리를 연질 도펀트로 연질화시키는 단계를 포함한다.
상기 노출 파장, 상기 유리 및 도파관 제조방법의 적합한 선택에 의해서, 유도된 굴절률에 기인하는 치밀화를 최대화시키고, 열적으로 안정한 도파관 구조물을 제공할 수 있다.
248㎚ 대신, 193㎚ 엑시머 레이저를 이용함으로써 얻어지는 상기 치밀화율은 약 5-10 인자에 의해 더욱 빨라짐을 알 수 있다. 예를 들어, 단지 16분의 100Hz에서 330mJ/㎠를 갖는 193㎚에서의 10-4의 굴절률 변화를 달성할 수 있다.
GeO2, B2O3, 및 P2O5로 도핑된 실리카 및 2성분 실리카 시스템에 대한 치밀화의 직접 측정이 수행되었다. 상기 측정방법은 각각 248㎚ 및 193㎚ 방사선에서 엑시머 방사선에의 조절된 노출에 의해 생성된 광학 상의 이동의 간섭계적인 측정을 포함한다. 상기 측정은 표 2에 나타낸 조성물의 벌크 유리 기판 샘플상에서 수행되었다. 상기 샘플은 수트의 불꽃 증착에 의해 형성되어 벌크 유리 몸체에서 고형화되는 수트 예형 몸체를 형성한다. 이러한 분석의 주요 특징은 △p/p항의 "무제한" 치밀화의 물리적 양의 발치(extraction)를 허용하는 유한-원소 모델을 사용하는 것이다. λ<300㎚ UV 레이저의 빛-유도 치밀화의 물리적 과정이 상기 항에 존재한다. 상기 유리 치밀화 유한-원소 모델은 치밀화를 갖는 유리에서 유도된 실제 굴절률 변화의 산정수치를 제공한다.
하기 수학식 2의 파워 법칙에 따라 레이저 노출의 함수로서 상기 무제한 치밀화의 거동을 편리하게 표현할 수 있음이 발견되었다.
괄호안의 항, 즉 플루언스의 제곱과 펄스의 수를 곱한 값을 유효 펄스 폭으로 나눈 값은 상기 값에 대한 치밀화의 관찰된 상호관계로부터 유도된다. 그 전체로서 본 발명의 참고문헌으로 포함된 Allen 등에 의한 SPIE 3578, 16(1998)를 참조하면 된다. 각각의 샘플의 데이터는 이러한 거동 및 하기 표 2에 나타낸 결과에 적합했다. 상기 맞춤의 전체적인 양은 이러한 특정 선택에 의해 크게 영향받지 않는다. 상기 데이터로부터 분명하게 얻을 수 있는 점은 상기 치밀화가 조성물의 함수와 상당히 다르다는 점이다. 또한, 예를 들어 어닐링점에 의해 측정된 유리의 상대적 "연성"과 큰 관련성을 보인다.
도핑되지 않은 실리카의 경우에 있어서, 248㎚-유도된 치밀화는 193㎚에서 유도된 경우보다 10배 더욱 작았다. GeO2샘플은 40배 더욱 작다. 따라서, 상기 치밀화의 조성물 의존성에 부가적으로 강한 레이저 파장 의존성을 갖는다.
상기 실험에 있어서, 30나노세컨드/105동안 150mJ/㎠의 노출이 사용되었다. 이는 75(mJ/㎠)2(펄스/106)ns의 선량이다. 상기 유리에 대하여 193㎚의 노출에 대한 결과로서 이로부터 얻은 굴절률 변화를 표 2에 나타내었다.
조성물의 함수로서 193㎚ 레이저 유도 치밀화의 비교 데이타
샘플 조성물(중량%) 인자 a 어닐링점(K) △n(10 -4 )
A SiO2(건조) 0.27 1423 -
B 7P2O5-93SiO2 2.33 1231 0.02
C 20GeO2-80SiO2 45 1323 1.4
D 9B2O3-91SiO2 23 1073 0.7
E 20B2O3-80SiO2 157 999 4.7
상기 표 2의 결과로부터, λ<300㎚ UV 레이저의 유도 치밀화 결과는 상기 2성분의 금속 옥사이드-실리카 시스템의 조성물의 함수라는 것을 알 수 있다. 상기 펄스된 엑시머 레이저-유도 치밀화율은 금속 옥사이드 함량에 따라 증가됨을 알 수 있다. 연화 온도에 의해 나타난 바와 같이, 상기 유리의 상대 "연성" 및 치밀화율 사이의 상관성을 나타난다. 상기 모든 유리의 치밀화율은 또한 193㎚>248㎚의 순서로 엑시머 레이저 파장의 밀접한 함수로 나타난다.
다음의 유리들은 불꽃 가수분해를 통해 얻어졌다. 코닝의 HPFSⓡ실리카는 증착/고형화의 일단계로 불꽃으로부터 직접 증착되며, SiO2직접 수트를 동시에 고형화된다. 도 4-6에 있어서, HPFSⓡ고순도 용융 실리카는 HPFS로 나타낸다. 다른 유리는 수트 증착에 의해 제조된 다음, 유리 몸체로 연속적으로 고형화된다. 상기 공정에 있어서, 다공성 수트 블랭크는 금속 전구체의 불꽃 가수분해로부터 형성된다. 그 다음, 상기 다공성 수트 블랭크는 건조 분위기에서 고형화된다. 이러한 2단계의 공정에 의해 도핑되지 않은 용융된 실리카의 형성은 HPFSⓡ실리카 보다 훨씬 낮은 OH 농도로 귀결된다. 상기 낮은 OH 함량은 상기 도핑되지 않은 용융 실리카의 170-㎚ 이하의 광학 투과도 뿐만 아니라 어닐링점 모두에 영향을 미친다.
상기 2성분의 유리들은 또한 여러가지 금속(B, P, Ge)의 전구체들이 상기 실리카 전구체를 따라 가수분해되어 도핑된 다공성의 수트 블랭크를 형성한 다음 고형화되는 2단계의 공정에 의해 제조된다. 여러가지 실리카에 기초한 유리들의 진공 UV 투과 분광학을 도 5에 나타내었다.
도 6은 193㎚에 노출된 유리의 무제한 치밀화를 선량(F2N/τ)에 대하여 도시한 그래프이다. F는 mJ/㎠으로 나타낸 펄스당 플루언스이며, N은 백만으로 나타낸 펄스 수이고, τ는 나노세컨드로 나타낸 상기 렌즈의 펄스 폭의 집계의 제곱이다. 상기 선량의 정의는 상기 치밀화 공정에서 관찰된 상호관계로부터 얻어진다.
사용된 파워 법칙의 맞춤을 193㎚ 레이저 유도 치밀화에 대하여 도 6에 나타내었다. 인자 a의 값은 표 3에 나타내었다. 게르마늄-도핑 유리를 제외하고, 치밀화율은 상기 유리의 "연성"에 관련이 있음을 알 수 있다. 즉, 주어진 온도에서 상기 유리의 점도가 낮으면 낮을수록 λ<300㎚ 레이저 유도-치밀화율은 더욱 빨라진다. 상기 온도는 상기 물리적 특성을 특성화하기 위해 사용되는 어닐링점에 해당된다. 상기 유리의 측정된 어닐링점을 표 3에 나타내었따. 상기 유리의 레이저-유도 치밀화 및 "연성" 사이의 관계를 상기 어닐링점의 상호성에 대하여 In(a)를 도시한 도 7에 나타내었다. 치밀화는 0.53에서 고정된 b를 갖는 방정식에서 인자 a의 값으로 나타낸다. 직선은 상기 구조적 재배열의 장벽이 1.7eV인 치밀화에 대한 활성화된 공정을 나타낸다. 더욱 조밀한 구조물을 제공하기 위한 상기 구조물 재배열의 실제 매카니즘은 분명하지 않으나, 이러한 결과로부터 상기 치밀화 매카니즘에 있어서 동력학적 인자가 있다는 사실을 알 수 있다. 게르마늄-도핑 실리카 치밀화의 거동은 전술한 다른 2성분의 유리와 상당히 다르다고 생각된다. 248㎚ 및 193㎚ 엑시머 레이저 노출에 있어서, 상기 치밀화 공정은 상기 실리카 및 붕소 도핑 및 인 도핑된 물질이 이러한 파장에서 낮은 흡수를 나타내기 때문에 2광자의 개시된(initiated) 매카니즘으로 생각된다. 상기 게르마늄 도핑 유리는 어닐링점에 홀로 기초한 것 보다 빠르게 치밀화된다. 도 5에 나타낸 VUV 스펙트럼으로부터, 193㎚에서 상기 유리 C(20% GeO2실리카) 물질의 흡수는 다른 2성분에서 얻은 것보다 더욱 높으며, 193㎚ 방사선하에서 상기 흡수공정은 선형임을 나타낸다. 그 다음, 상기 관찰된 변칙적인 높은 치밀화는 결국 치밀화로 유도되는 연속적으로 증가된 여기(excitation) 결과를 갖는 상기 유리로 빛을 효율적으로 커플링함으로써 설명된다.
상기 193㎚ 엑시머 레이저 유도 치밀화율은 조성물에 대하여 밀접한 함수라는 것을 알 수 있다. 193㎚에서 높은 투과도를 갖는 물질에 대해서, 우수한 관계가 어닐링점에 의해 표시되는 유리의 연성으로 나타난다. 상기 관계는 주어진 조성물 부류내에서 사실임을 알 수 있다.
사용된 유리에 대한 어닐링 온도 및 인자
샘플 조성물(중량%) 어닐링점(K) 인자/맞춤(R^2)b=0.53
A 건조 SiO2 1423 0.27/0.98
B 7%P2O5/SiO2 1231 2.33/0.94
C 20%GeO2/SiO2 1323 45.5/0.97
D 9중량%B2O3/91SiO2 1073 23.2/0.99
E 20%B2O3/SiO2 999 157/0.98
248, 193 및 157㎚에 대한 95ppm △p/p를 달성하기 위한 선량.
파장 선량
248 20000
193 4000
248 및 193㎚에 있어서, 선량은 NF2/t에 기초하여 계산되었다. 157㎚의 노출에 대한 선량은 NF/t로서 계산되었다.
전술한 바와 같이, 용융된 실리카의 연장된 심층 UV 방사선의 주요 효과는 치밀화이다. 상기 치밀화는 대응하는 굴절률 변화를 생성시킨다. 상기 유도된 굴절률 변화는 예를 들어 0.0001일 수 있으며, 0.001과 같이 높게 나타났다. 상기 치밀화-유도 굴절률은 예를 들어, 브래그 격자 및 도파관 스캔 경로를 만들고 패턴을 기입하기 위해 사용될 수 있다. 적용에 있어서, 유도된 흡수로부터 유래된 것에 대하여 상기 치밀화 공헌도를 이용하기 위하여 193㎚와 같은 300㎚ 이하의 UV 빛을 사용하는 것이 바람직하다.
적용에 있어서, 빛 유도 구조물 및 내부 패턴을 생성시키기 위하여 연질의 투명한 실리카 유리 물질(어닐링점<1350o, 투과도>70%)의 심층 UV 방사선에 의해서 감광 치밀화를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 필수조건은 굴절률-변화 영역이 상기 유리 기판 벌크 몸체내의 3-D가 가능한 깊이일 수 있도록 여기 파장에서 상기 실리카 유리 물질이 필수적으로 투명해야 한다는 점이다. 상기 노출에 대한 대표적인 개략도를 도 9에서와 같이 생성되는 광도파관의 치밀화된 터널 디바이스를 갖는 도 1-3 및 도 8에 나타내었다. 상기 도파관 굴절률의 변화는 치밀화에 기인한다. 상기 실리카-게르마니아 시스템에 있어서, 상기 여기 파장에서 흡수를 일으키지 않는 어떠한 산소 결점도 없는 샘플을 제공하는 것이 중요하다. 바람직하게 본 발명의 노출 시스템은 국한된 치밀화가 충분히 작은 직경, d로 유지되도록 대략 도 8의 (D/2)f인 충분히 높은 수의 구멍을 갖는다. 상기 후자의 수는 약 10㎛(±5㎛)의 차수여야 한다. 부가적으로, 상기 노출 수준은 106펄스의 차수에 대하여 >100mJ/㎠의범위여야 한다. 이는 유리한 치밀화를 제공하며, 측정가능한 굴절률 변화를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 단일 모드 도파관은 벌크 실리카 유리의 기판 내부에 기입될 수 있다. 633㎚의 파장에서 5마이크론의 반경을 갖는 단일 모드 도파관은 0.001의 굴절률 차로 기입될 수 있다. 표 3의 붕소 도핑 연질 실리카 유리의 적합한 치밀화 및 유도된 굴절률 변화는 7500[mJ/㎠(M 펄스/초)의 선량에 의해 유도될 수 있다. 5㎜의 원형 구멍을 통한 193㎚의 엑시머 레이저의 1mJ 출력은 200㎜의 렌즈에 의해서 10마이크론의 큰 디멘전의 직경에 집속되고, 220,000펄스를 갖는 선량을 제공할 수 있다. 220Hz의 반복률에서, 상기 노출은 약 1000초 동안이다. 상기 렌즈의 공유초점 거리에 대응하는 거리에서 운반된 선량으로 상기 유리 기판 샘플은 상기 스캔 경로를 형성하기 위하여 일 마이크론/초의 차수로 평행이동된다. 본 발명에 따른 광학 디바이스를 도 9에 나타내었다. 벌크 유리의 폭넓은 광학 디바이스는 예를 들어 도 9(d)에 나타낸 Y-연결기 디바이스와 같은 물질 및 이의 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. 본 발명은 또한 도 9(a)에 나타낸 바와 같이, 다수의 주변 가이드(23)에 의해 둘러싸인 중앙 가이드(22)를 갖는 스타 연결기를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 도 9(b)에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 마크-젠더(Mach-Zehnder) 가이드(26)를 포함하는 수동의 마크-젠더 연결기를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 도 9(c)에 나타낸 바와 같이, 마크-젠더 가이드(26) 및 열적(전기적으로 가열됨) 또는 다른 형태의 활성화제(24)를 포함하는 능동 마크-젠더 연결기는 바람직하게 본 발명에 따라 제조된다. 본 발명은 또한도 9(d)에 나타낸 바와 같이, 브래그 또는 다른 형태의 회절 격자를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 도파관(16)은 격자 선(25)을 유도한다. 도 9(e)는 본 발명의 방법에 따라 제조된 광학 디바이스를 나타내며, 상기 광학 디바이스는 제1외측면 및 제2외측면을 가지며, 상기 제2평면은 상기 제1평면에 평행하지 않으며, 도파관 코어는 상기 제1외측면의 입구에서부터 상기 제2외측면의 출구까지 통과한다. 도 9에 나타낸 디바이스는 본 발명의 치밀화방법에 따라 제조되며, 상기 디바이스는 편평한 외부 바닥면을 갖는 유리를 가지며, 도파관 코어는 상기 편평한 바닥면에 평행하지 않은 평면을 통과한다. 도 9에 나타낸 디바이스는 제1의 향상된 굴절률의 도파관 코어 터널 경로, 제2의 향상된 굴절률의 도파관 코어 터널 경로, 및 제3의 향상된 굴절률의 도파관 코어 터널 경로를 형성하는 본 발명의 치밀화방법에 따라 제조되며, 여기서 상기 제2의 터널 경로는 상기 제1의 터널 경로 및 제2의 터널 경로로부터 분리된 평면에 위치된다. 도 9에 나타낸 디바이스의 제조는 제1의 향상된 굴절률의 도파관 코어 터널 경로 및 인접한 제2의 향상된 굴절률의 도파관 코어 터널 경로를 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 유도된 빛은 상기 제1의 코어 터널 경로로부터 상기 제2의 코어 터널 경로까지 연결된다. 도 9에 나타낸 디바이스의 제조는 다수의 광학 파장 채널을 따로따로 유입시키기 위한 다수의 도파관 코어 채널 입구를 형성함으로써 다수의 광학 파장 채널을 다중화시키기 위한 파장 분할 다중화장치를 형성시키는 단계, 상기 유입된 채널을 다중화시키기 위한 다중화 연결 영역을 형성시키는 단계, 및 상기 다중화되어 유입된 채널을 출력하기 위한 출구 도파관 코어 채널을 형성시키는 단계를 포함한다. 0.5㎛의 선 공간이 본 발명의 사용에 있어서 가능하다.
전술한 본 발명의 바람직한 실시예들은 다양한 변형, 변화 및 적용이 수행될 수 있으며, 동일 의미 및 범주에서 이해될 수 있음이 주지되어야 한다.
또한, 동일한 성분의 수가 전술한 바람직한 실시예의 참고로 기술되고 설명된 성분에서 사용되었더라도 가능한 동등물에 한정되어 적용되는 것은 아니며, 본 발명에서 기술되는 청구항 역시 상기 특정 동등물 또는 이들의 혼합에 한정되는 것은 아니다. 당해분야의 당업자들은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다른 동등한 성분들이 공지되거나 또는 개선될 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (39)

  1. a) 연질 실리카에 기초한 물질로 제조된 벌크 유리 기판을 선택하는 단계; 및
    b) 스캔 경로를 따라 상기 물질에서 실질적으로 레이저로부터 유도된 어떠한 파괴도 일으키지 않으면서, 노출되지 않은 상기 물질의 밀도에 대하여 상기 스캔 경로를 따라 상기 물질의 밀도 증가를 유도시키기에 효과적인 스캔 속도에서 상기 스캔 경로를 따라 상기 기판에 대하여 촛점을 평행이동시키면서 심층 UV 레이저 빔을 상기 물질내의 촛점에 집속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 벌크 유리 기판 내부에 빛 유도 구조물을 기입하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 벌크 유리 기판을 선택하는 단계는 실질적으로 균질한 조성물 및 실질적으로 균질한 굴절률을 갖는 벌크 유리 기판을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연질 실리카 유리 물질은 1350oK 미만의 어닐링점을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연질 실리카 유리 물질은 1325oK 미만의 어닐링점을갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 물질은 상기 레이저 파장에 대하여 실질적으로 투명한 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연질 실리카 유리 물질은 실리카 유리 연화 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 물질은 GeO2, B2O3, Al2O3및 P2O5로 이루어진 군으로부터 선택된 제1연화 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 물질은 상기 제1도펀트로 균질하게 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔은 250㎚ 미만의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔은 200㎚ 미만의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 물질은 상기 제1연화 도펀트의 조성물과 다른 제2연화 도펀트를 더욱 포함하며, 상기 제2도펀트는 GeO2, B2O3, Al2O3및 P2O5로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 유도된 밀도 증가는 적어도 1×10-5의 굴절률 변화를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 유도된 밀도 증가는 적어도 1×10-4의 굴절률 변화를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 유리 기판은 게르마늄을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항의 방법에 따라 형성된 광학 디바이스.
  16. a) 실리카에 기초한 벌크 유리 기판 물질을 선택하는 단계; 및
    b) 스캔 경로를 따라 상기 물질에서 실질적으로 레이저로부터 유도된 어떠한 파괴도 일으키지 않으면서, 노출되지 않은 상기 물질의 굴절률에 대하여 상기 스캔경로를 따라 상기 물질의 굴절률 증가를 유도시키고 치밀화시키기에 효과적인 스캔 속도에서 상기 스캔 경로를 따라 상기 기판에 대하여 촛점을 평행이동시키면서 300㎚ 미만의 레이저를 상기 기판내에 집속시키는 단계를 포함하며, 상기 유도되고 증가된 굴절률 스캔 경로는 상기 벌크 유리 기판 물질내에 형성된 광도파관 코어를 감싸는 광도파관 클래딩을 제공하는 상기 스캔 경로 촛점의 노출되지 않은 물질의 외측면을 갖는 형성된 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 유도 구조물을 기입하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 실리카에 기초한 벌크 유리 기판 물질을 선택하는 단계는 실질적으로 균질한 조성물을 갖는 유리를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 실리카에 기초한 벌크 유리 기판 물질을 선택하는 단계는 실질적으로 균질한 굴절률을 갖는 유리를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 선택된 유리 기판은 △n≤5ppm의 광학 굴절률 균질도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. B2O3, Al2O3및 P2O5로 이루어진 군으로부터 선택된 도펀트로 도핑된 실리카에 기초한 물질로 제조된 벌크 유리 기판을 선택하는 단계; 및
    스캔 경로를 따라 상기 물질에서 실질적으로 레이저로부터 유도된 어떠한 파괴도 일으키지 않으면서, 노출되지 않은 상기 물질의 굴절률에 대하여 상기 스캔 경로를 따라 상기 물질의 굴절률 증가를 유도시키기에 효과적인 스캔 속도에서 상기 스캔 경로를 따라 상기 기판에 대하여 촛점을 평행이동시키면서 심층 UV 레이저 빔을 상기 기판내의 촛점에 집속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 벌크 유리 기판에 빛 유도 구조물을 기입하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 도핑된 실리카에 기초한 물질의 벌크 유리 기판을 선택하는 단계는 연화 도펀트를 갖는 실리카에 기초한 물질을 연화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 선택되고 도핑된 실리카에 기초한 물질은 1350oK 미만의 어닐링점을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 실리카에 기초한 물질은 상기 선택된 도펀트로 균질하게 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제20항에 있어서, 상기 실리카에 기초한 물질은 △n≤50ppm의 광학 균질도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 균질한 조성 및 굴절률을 갖는 내부를 갖는 유리 몸체를 제공하는 단계;
    레이저 빔 및 렌즈를 제공하는 단계;
    상기 레이저 빔을 상기 렌즈에 연결시켜 굴절률이 증가된 촛점을 갖는 수렴 집속된 레이저 빔을 형성시키는 단계; 및
    상기 촛점을 상기 유리 몸체 내부에 위치시키고, 상기 촛점 및 상기 유리 몸체 사이의 상대적인 움직임을 조절하는 단계를 포함하며, 상기 촛점은 상기 유리 몸체내에서 증가된 굴절률 도파관 코어를 형성하며, 상기 증가된 굴절률의 도파관 코어는 빛 유도용이고 상기 유리 몸체에 의해 클래딩되는 것을 특징으로 하는 유리 몸체의 내부에 3차원 구조물을 제조하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 유리 몸체는 제1평면에 놓여 있는 제1외부 측면 및 상기 제1평면에 평행하지 않고 제2평면에 놓여 있는 제2외부 측면을 가지며, 상기 도파관 코어는 상기 제1외부 측면의 입구에서부터 상기 제2외부 측면의 출구까지 관통하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 유리 몸체는 편평한 외부 밑면을 가지며, 여기서 상기 도파관 코어는 상기 편평한 밑면에 평행하지 않은 평면에서 관통하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 방법은 제1의 증가된 굴절률 도파관의 치밀화된 코어 경로, 제2의 증가된 굴절률 도파관의 치밀화된 코어 경로, 및 제3의 증가된 굴절률 도파관의 치밀화된 코어 경로를 형성시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 제3의 코어는 상기 제1의 코어 및 상기 제2의 코어로부터 분리된 평면에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제25항에 있어서, 상기 유리 몸체를 제공하는 단계는 유리 경질 도펀트로 균질하게 도핑된 유리를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제25항에 있어서, 상기 유리 몸체를 제공하는 단계는 △n≤5ppm의 굴절률 균질도를 갖는 유리를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제25항에 있어서, 상기 레이저 빔은 파장 λ레이저를 가지며, 상기 유리 몸체는 λ레이저에서 적어도 50%/㎝의 내부 투과도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제25항에 있어서, 상기 촛점은 633㎚에서 적어도 1×10-5의 굴절률 증가를 형성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제25항에 있어서, 상기 촛점은 633㎚에서 적어도 1×10-4의 굴절률 증가를 형성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제25항에 있어서, 상기 레이저 빔을 제공하는 단계는 엑시머 레이저를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제25항에 있어서, 상기 레이저 빔을 제공하는 단계는 고체 상태의 레이저를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제25항에 있어서, 상기 레이저 빔을 제공하는 단계는 193㎚의 엑시머 레이저를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제25항에 있어서, 상기 레이저 빔을 제공하는 단계는 248㎚의 엑시머 레이저를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제25항에 있어서, 상기 방법은 제1의 증가된 굴절률 도파관의 치밀화된 코어 및 제2의 증가된 굴절률 도파관의 치밀화된 코어를 형성시키는 단계를 포함하며, 여기서 유도된 빛은 상기 제1의 코어에서 상기 제2의 코어까지 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제25항에 있어서, 상기 방법은 다수의 광학 파장 채널의 다중화용 파장 분할 다중화장치를 형성시키는 단계를 포함하며, 상기 형성단계는 다수의 광학 파장 채널을 개별적으로 입력시키기 위한 다수의 도파관 코어 입구를 형성시키는 단계, 상기 입력된 채널을 다중화시키기 위한 다중화 영역을 형성시키는 단계, 및 상기 다중화된 입력된 채널을 출력시키기 위한 출구 도파관 코어를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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