KR20030029326A - 격자를 구비한 평면 광도파로 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되며 그 일단을 통해 광신호가 입력되는 코어층과, 상기 코어층을 둘러싸는 하부 및 상부 클래드를 포함하며, 상기 코어층은 상기 광신호의 전송 경로가 되는 광도파부와, 상기 광신호의 파장을 필터링하기 위해 각각 상기 광도파부의 일 측면에서 연장되며 그 연장된 폭이 주기적으로 변하는 적어도 하나 이상의 격자부를 포함하여 구성된다.

Description

격자를 구비한 평면 광도파로 소자{PLANAR LIGHTWAVE CIRCUIT WITH GRATING}
본 발명은 평면 광도파로 소자에 관한 것으로서, 특히 평면 도파로 소자형 격자에 관한 것이다.
최근 VOD(video on demand), 전자우편(e-mail), 디지털 음악(digital music)과 같은 서비스의 폭발적인 증가와 멀티미디어의 급격한 발전은 광대역이며 빠른 네트워킹을 구현할 수 있는 통신 시스템을 요구하고 있다. 이러한 추세에 따라, 기존의 비동기전송모드(Asynchronous Transfer Mode, ATM) 망보다 대용량의 정보를 가질 수 있는 대역이 넓고 빠른 전송특성을 가진 광신호를 이용한 파장분할다중(wavelength division multiplexing) 망에 관심이 집중되고 있다. 파장분할다중 방식은 광신호의 전달 매체인 광섬유의 선형 동작 특성을 이용한 것으로, 송신측에서 광섬유를 통해 여러 파장의 채널들로 구성된 광신호를 송신하여도 수신측에서 파장 분해능을 갖는 소자에 의해 분리할 수 있다는 사실을 응용한 것이다.
파장분할다중 방식의 일 예를 들자면, 송신측에서 각기 다른 파장의 채널들을 파장분할 다중화기를 이용하여 하나의 광신호로 다중화한 후 광섬유를 통해 전송하고, 수신측에서 파장분할 역다중화기를 이용하여 상기 광신호를 구성하는 채널들을 분리하는 것이다. 이러한 파장분할다중 방식의 이점은 단일 광섬유를 통해 다수의 채널들을 동시에 보낼 수 있으므로 정보량이 종래에 비하여 크다는 것이다.
이러한 파장분할다중 시스템에 사용되는 소자들을 일부 열거하자면 하기하는 바와 같다.
1. 광도파로열 격자(arrayed waveguide grating, AWG)
평면 광도파로 소자의 형태로 제작되며 여러 채널들로 구성된 광신호를 회절, 간섭 현상 및 광로정차를 이용하여 각 채널로 분리하는 파장분할 다중화기/역다중화기로서 통상적으로 사용되는 소자이다.
2. 광섬유 격자(fiber Bragg grating)/마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer, MZI)
평면 광도파로 소자와 광섬유 기술이 접목된 것으로 최근에 상용화가 이루어지고 있으며, 마하-젠더 간섭계에 광섬유 격자 기술을 접목한 소자로서 파장분할 역다중화기 등으로 사용된다.
도 1은 종래에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 상기 평면 광도파로 소자형 격자는 반도체 기판(110)과, 상기 반도체 기판(110) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(120), 코어층(130) 및 상부 클래드층(140)으로 구성된다. 상기 코어층(130)은 그 일단으로 입력된 광신호의 진행 경로가 되며, 상기 하부 및 상부 클래드층(120 및 140)은 상기 코어층(130)을 둘러싸서 상기 광신호를 상기 코어층(130) 내에 가두어 두는 기능을 수행한다. 도시되지는 않았으나, 상기 코어층(130)의 일 부분에는 격자가 형성되어 있으며, 상기 격자를 형성하는 방법으로는 홀로그램법(holographic method), 위상 마스크(phase mask)를 이용하는 방법, 또는 단일 슬릿(single slit)을 이용하는 방법 등이 있다. 이 중에서, 위상 마스크를 이용하는 방법이 제작 편이성과 저렴한 제작 비용 등의 이유로 널리 사용되고 있다.
도 2는 도 1에 도시된 평면 광도파로 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 평면 광도파로 소자는 상기 평면 광도파로 소자는 반도체 기판(110)과, 상기 반도체 기판(110) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(120), 코어층(130) 및 상부 클래드층(140)으로 구성된다.
상기 상부 클래드층(140) 상에 소정의 주기를 가지는 위상 마스크(150)가 위치되며, 상기 위상 마스크(150)에 193 ㎚ 파장의 자외선을 조사한다. 이러한 자외선 조사를 위하여 193 ㎚ 파장의 자외선을 출사하는 ArF 엑시머 레이저(excimer laser)를 이용할 수 있다. 상기 위상 마스크(150)로부터 출사되는 회절광(160)은 상기 상부 클래드층(140)을 통과하여 상기 코어층(130) 내에 간섭 패턴을 형성한다.
상기 코어층(130)은 게르마늄이 도핑된 실리카 재질이며, GeO2분자의 산소 결핍에 의하여 193 ㎚ 및 244 ㎚ 파장의 자외선에 대하여 광민감성을 갖는다. 따라서, 상기 코어층(130)은 상기 간섭 패턴에 따라 주기적으로 변화하는 굴절률 분포를 갖게 되며, 상기 코어층(130)에서 주기적으로 변화하는 굴절률 분포를 나타내는 부분을 격자 또는 브래그 격자라고 칭한다.
그러나, 상술한 바와 같이 종래의 위상 마스크를 이용하여 평면 광도파로 소자형 격자를 제조하는 방법은 원하는 위치에 격자를 정확히 형성하는 것이 어렵다는 문제점이 있으며, 간섭 패턴을 형성하는 회절광의 출력이 작기 때문에 제조 시간이 길어진다는 문제점이 있다. 또한, 레이저 출력의 불안정 등의 이유로 격자 형성 과정의 재현성이 낮다는 것과, 간섭 패턴이 코어층 전체 두께에 걸쳐 균일하게 형성되지 않음으로 인하여 원하는 격자 특성을 얻기가 힘들다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 위상 마스크를 사용하지 않으면서도 정밀하면서도 균일한 격자 형성이 가능하고, 종래에 비하여 단축된 제조 시간과 향상된 제조 공정 재현성을 이룰 수 있는 격자를 구비한 평면 광도파로 소자 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되며 그 일단을 통해 광신호가 입력되는 코어층과, 상기 코어층을 둘러싸는 하부 및 상부 클래드를 포함하며, 상기 코어층은 상기 광신호의 전송 경로가 되는 광도파부와, 상기 광신호의 파장을 필터링하기 위해 각각 상기 광도파부의 일 측면에서 연장되며 그 연장된 폭이 주기적으로 변하는 적어도 하나 이상의 격자부를 포함하여 구성된다.
도 1은 종래에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 평면 광도파로 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도,
도 4 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자의 제작 방법을 설명하기 위한 도면,
도 11 내지 도 16은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자의 제작 방법을 설명하기 위한 도면,
도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자의 필터링 기능을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 상기 평면 광도파로 소자는 반도체 기판(210)과, 상기 반도체 기판(210) 상에 차례로 적층된 하부 클래드층(220), 코어층(230) 및 상부 클래드층(250)으로 구성된다. 상기 코어층(230)은 그 일단을 통해 광신호가 입력되며, 상기 하부 및 상부 클래드층(220 및 250)은 상기 코어층(230)을 둘러싸서 상기 광신호를 상기 코어층(230) 내에 가두어 두는 기능을 수행한다. 상기 코어층(230)은 그 길이 방향(z축 방향)을 따라 주기적으로 x축에 따른 폭이 변화하고, 폭 변화 주기는 Λ이며, 폭 변화량은 2a이고, 폭 변화 구간의 길이는 b(=Λ/2)이다. 이러한 상기 코어층(230)의 폭 변화로 인하여 상기 코어층(230)은 광신호의 경로가 되는 광도파부(232)와 상기 광신호의 파장을 필터링하는 제1 및 제2 격자부(234 및 236)로 구분된다. 이 때, 상기 제1 격자부(234) 및 제2 격자부(236)는 상기 광도파부(232)를 중심으로 하여 대칭되게 형성된다.
도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자의 필터링 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 17에는 반도체 기판(미도시)과, 상기 반도체 기판 상에 적층되며 그 일단을 통해 광신호가 입력되는 코어층(430)과, 상기 반도체 기판 상에 적층되며 상기 코어층(430)을 둘러싸는 클래드층(420)이 개략적으로 도시되어 있다. 상기 코어층(430)은 그 길이 방향(z축 방향)을 따라 주기적으로 x축에 따른 폭이 변화하고, 폭 변화 주기는 Λ이며, 폭 변화량은 2a이고, 폭 변화 구간의 길이는 b(=Λ/2)이다. 이러한 폭 변화에 의하여 상기 코어층(430)은 상기 광신호의 경로가 되는 광도파부(432)와 상기 광신호의 파장을 필터링하는 격자부(434)로 구분된다.
상기 코어층(430)으로 입사된 광신호는 전파상수 β로서 상기 광도파부(432) 내에 존재하며, 초기 입사 방향으로 진행하는 광신호와 상기 입사 방향과 반대 방향으로 반사되는 광신호는 상호 섭동(perturbation) 현상을 겪게 된다. 이러한 섭동 현상에 의한 굴절률 변화량은 Δε(x,y,z)로 나타내어진다. 이를 후리에 급수로 나타내면 하기 <수학식 1>과 같다.
,
이는 맥스웰 방정식으로 표현되는 광신호에서 편광항(polarization term)에 영향을 주며, 상기 편광항은 하기 <수학식 2>와 같다.
이 때, 상기 광도파부(432) 내에서 광신호의 전체적인 편광은 하기 <수학식 3>과 같이 표현된다.
상술한 바와 같은 굴절률의 변화는 상기 <수학식 3>의 우변 두 번째 항에 기여하게 된다. 또한, 상기 <수학식 2>는 전체 격자부(434)를 진행함에 따라 발생하게 되는 결합계수 k로 나타내어진다. 도 17에서 진행하는 광신호와 반사되는 광신호를 요약하자면, 하기 <수학식 4>와 같다.
,
상기 <수학식 4>와 같은 격자의 결합 모드 원리를 이용하여 다양한 광특성을 얻을 수 있다.
도 18은 도 17에 도시된 광도파부(432) 내로 진행하는 광신호의 세기 그래프(510)와 반사되는 광신호의 세기 그래프(520)를 z=0인 지점에서 z=L 지점까지 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 진행하는 광신호는 격자부(434)에 의해 반사됨으로 인하여 점점 그 세기(|B(z)|2)가 감소하며, 상기 반사된 광신호의 세기(|A(z)|2)는 z=0인 지점에서 최대치를 나타나게 된다.
도 18에 도시된 격자부(434)에 대하여 상술한 바와 같은 원리를 적용하면, 하기 <수학식 5>와 같은 결합 계수 ks를 얻을 수 있다.
상기 <수학식 5>에 나타낸 바와 같이, 상기 광도파부(432)의 폭(=t-a), 상기격자부(434)의 폭(=a)에 따라 결합 정도가 달라짐을 알 수 있다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 반도체 기판(210) 상에 하부 클래드층(220) 및 포토레지스트층(240)을 차례로 적층하며, 상기 하부 클래드층(220)은 화염 가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 공정 및 소결 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이 때, 상기 반도체 기판(210) 및 하부 클래드층(220)은 모두 실리카 재질일 수 있으며, 상기 반도체 기판(210) 위에 하부 클래드층(220)을 형성하는 공정으로는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 화염 가수분해 증착 등이 있고, 이러한 화학 기상 증착은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 저압력 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) 등으로 분류할 수가 있다. 이러한 여러 가지 공정들 중에서 화염 가수분해 증착 공정이 통상적으로 사용되는 공정이다.
상기 포토레지스트층(240)은 상기 하부 클래드층(220) 상에 액체 상태의 포토레지스트를 떨어뜨린 후 상기 반도체 기판(210)을 고속으로 회전시켜서 상기 하부 클래드층(220) 상에 일정 두께의 포토레지스트층(240)을 형성할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 진폭 마스크(260)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 포토레지스트층(240) 상에 소정 패턴의 슬릿(265)을 갖는 진폭 마스크(260)가 위치되며, 상기 진폭 마스크(260)에 자외선을 조사한다. 상기 진폭 마스크(260)는 위상 마스크와는 달리 슬릿(265)으로 입사되는 자외선은 그대로 통과시키며, 슬릿(265) 이외의 부분으로 입사되는 자외선은 차단한다. 따라서, 상기 슬릿(265)의 형태는 원하는 패턴을 상기 포토레지스트층(240)이 가지도록 임의적으로 선택될 수 있으며, 상기 진폭 마스크(260)를 통과한 자외선으로 상기 포토레지스트층(240)을 조사한 후 에칭 과정을 거치면 도 6에 도시된 바와 같은 포토레지스트층(240)을 얻을 수 있다.
도 6을 참조하면, 포토레지스트층(240)의 중앙 부분에 도 5에 도시된 슬릿(265)과 유사한 형태의 홈(245)이 형성된다. 또한, 상기 홈(245)에 의해 상기 하부 클래드층(220)의 상면이 외부 대기에 일부 노출된다.
도 7을 참조하면, 도 6에 도시된 하부 클래드층(220) 및 포토레지스트층(240) 상에 코어층(230)을 형성한다. 이 때, 상기 코어층(230)을 형성하기 위하여 화염 가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 공정 및 소결 공정을 이용할 수 있다.
이후, 포토레지스트 제거액을 이용하여 상기 포토레지스트층(240)을 에칭하면, 상기 포토레지스트층(240)과 상기 포토레지스트층(240) 상에 적층되어 있던 코어층(230)의 일부가 제거되며, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 코어층(230)을 얻게 된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 코어층(230)은 그 길이 방향(z축 방향)을 따라 주기적으로 x축에 따른 폭이 변화하고, 폭 변화 주기는 Λ이며, 폭 변화량은 2a이고, 폭 변화 구간의 길이는 b(=Λ/2)이다. 이러한 폭 변화에 따라서, 상기 코어층(230)은 광신호의 전송 경로가 되는 광도파부(232)와 상기 광신호의 파장을 필터링하는 제1 및 제2 격자부(234 및 236)로 구분된다.
도 10 및 도 3을 참조하면, 도 8에 도시된 코어층(230) 및 하부 클래드층(220)의 노출된 표면들 상에 상부 클래드층(250)을 형성한다. 이 때, 상기 상부 클래드층(250)은 화염 가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 공정 및 소결 공정을 통하여 형성될 수 있다.
도 11 내지 도 16은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 반도체 기판(310) 상에 하부 클래드층(320), 코어층(330) 및 포토레지스트층(340)을 차례로 적층하며, 상기 하부 클래드층(320) 및 코어층(330)은 화염 가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 공정 및 소결 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이 때, 상기 반도체 기판(310), 하부 클래드층(320) 및 코어층(330)은 모두 실리카 재질일 수 있으며, 상기 반도체 기판(310) 위에 하부 클래드층(320) 및 코어층(330)을 형성하는 공정으로는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 화염 가수분해 증착 등이 있고, 이러한 화학 기상 증착은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 저압력 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) 등으로 분류할 수가 있다. 이러한 여러 가지 공정들 중에서 화염 가수분해 증착 공정이 통상적으로 사용되는 공정이다.
상기 포토레지스트층(340)은 상기 코어층(330) 상에 액체 상태의 포토레지스트를 떨어뜨린 후 상기 반도체 기판(310)을 고속으로 회전시켜서 상기 코어층(330)상에 일정 두께의 포토레지스트층(340)을 형성할 수 있다.
도 12는 도 11에 도시된 진폭 마스크(360)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 포토레지스트층(340) 상에 소정 패턴의 슬릿(365)을 갖는 진폭 마스크(360)가 위치되며, 상기 진폭 마스크(360)에 자외선을 조사한다. 상기 진폭 마스크(360)는 상기 슬릿(365)으로 입사되는 자외선은 그대로 통과시키며, 슬릿(365) 이외의 부분으로 입사되는 자외선은 차단한다. 상기 진폭 마스크(360)를 통과한 자외선으로 상기 포토레지스트층(340)을 조사한 후 에칭 과정을 거치면 도 13에 도시된 바와 같은 포토레지스트층(340)을 얻을 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 포토레지스트층(340)을 이용하여 상기 코어층(330)을 에칭함으로써 도시된 바와 같은 패턴을 갖는 코어층(330)을 얻을 수 있다. 이 때, 상기 코어층(330)을 에칭하는 방법으로 반응 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE) 공정을 이용할 수 있다.
이후, 포토레지스트 제거액을 이용하여 상기 포토레지스트층(340)을 에칭하면, 도 15에 도시된 바와 같은 코어층(330)을 얻게 된다.
도 15를 참조하면, 상기 코어층(330)은 그 길이 방향(z축 방향)을 따라 주기적으로 x축에 따른 폭이 변화하고, 폭 변화 주기는 Λ이며, 폭 변화량은 2a이고, 폭 변화 구간의 길이는 b(=Λ/2)이다. 이러한 폭 변화에 따라서, 상기 코어층(330)은 광신호의 전송 경로가 되는 광도파부(332)와 상기 광신호의 파장을 필터링하는 제1 및 제2 격자부(334 및 336)로 구분된다.
도 16을 참조하면, 도 15에 도시된 코어층(330) 및 하부 클래드층(320)의 노출된 표면들 상에 상부 클래드층(350)을 형성한다. 이 때, 상기 상부 클래드층(350)은 화염 가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 공정 및 소결 공정을 통하여 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자는 코어층 상에 격자 패턴을 갖는 포토레지스트층을 형성함으로써 위상 마스크를 사용하지 않으면서도 정밀하면서도 균일한 격자 형성이 가능하다는 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 격자를 구비한 평면 광도파로 소자는 간섭광을 이용하지 않기 때문에 종래에 비하여 단축된 제조 시간과 향상된 제조 공정 재현성을 이룰 수 있다는 이점이 있다.

Claims (2)

  1. 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되며 그 일단을 통해 광신호가 입력되는 코어층과, 상기 코어층을 둘러싸는 하부 및 상부 클래드를 포함하는 평면 광도파로 소자에 있어서,
    상기 코어층은 상기 광신호의 전송 경로가 되는 광도파부와, 상기 광신호의 파장을 필터링하기 위해 각각 상기 광도파부의 일 측면에서 연장되며 그 연장된 폭이 주기적으로 변하는 적어도 하나 이상의 격자부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 격자를 구비한 평면 광도파로 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 격자부는 상기 광도파부를 중심으로 하여 상기 광도파부의 대향된 양 측면으로부터 대칭되게 연장됨을 특징으로 하는 격자를 구비한 평면 광도파로 소자.
KR10-2001-0061686A 2001-10-06 2001-10-06 격자를 구비한 평면 광도파로 소자 KR100416998B1 (ko)

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