KR20030033143A - Method for fabricating planar waveguide type optical amplifier using glass sputtering - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광통신 전송에 사용되는 평면도파로형 광증폭기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고농도 희토류를 함유한 유리를 실리카의 음각부분에 증착시켜 신호광의 고이득 증폭전송할 수 있는 평면도파로형 광증폭기의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a planar waveguide optical amplifier for optical communication, and more particularly, to manufacturing a planar waveguide optical amplifier capable of high-gain amplification transmission of signal light by depositing a glass containing a high concentration of rare earth on an intaglio portion of silica. It is about a method.
장거리 전송의 경우 신호광으로 사용되는 1550nm 대역의 광신호가 전송선로를 지나면서 잡음이나 전송선로의 손실에 의하여 점차 약화된다. 이와같이 광신호가 약해지는 것을 해결하기 위하여 광신호를 증폭시켜 주는 광증폭기가 사용된다.In the case of long-distance transmission, the optical signal of 1550nm band used as signal light is gradually weakened by noise or loss of transmission line as it passes through the transmission line. In order to solve the weakening of the optical signal as described above, an optical amplifier that amplifies the optical signal is used.
종래에는 광섬유를 사용한 광증폭기가 주로 사용되었는데, 도 1에 종래의 광섬유를 사용한 섬유형 광증폭기의 기본구조를 도시되었다. 도 1에서, 101 은 신호광 입력, 102는 신호광 출력, 103은 펌프 레지저 다이오드, 104는 파장 다중화기,105는 아이솔레이터, 106은 희토류 첨가 광섬유를 각각 나타낸다.Conventionally, an optical amplifier using an optical fiber is mainly used, and FIG. 1 illustrates a basic structure of a fiber type optical amplifier using a conventional optical fiber. In Fig. 1, reference numeral 101 denotes a signal light input, 102 denotes a signal light output, 103 denotes a pump leisure diode, 104 denotes a wavelength multiplexer, 105 denotes an isolator, and 106 denotes a rare earth-added optical fiber.
상기한 바와같은 종래의 섬유형 광증폭기는 희토류 첨가 광섬유에 도핑할 수 있는 희토류 금속이온의 함량이 한정되어 수 십m(17-50m)의 매우 긴 희토류 첨가 광섬유가 필요하고, 별도의 파장다중화기(WDM)와 아이솔레이터 등이 필요하다. 따라서, 광증폭기의 크기가 커지고 대량생산이 어려운 문제점이 있었다.As described above, the conventional fibrous optical amplifier has a limited rare earth metal ion content which can be doped to the rare earth-added optical fiber, and requires a very long rare earth-added optical fiber of several tens of meters (17-50 m), and a separate wavelength multiplexer. (WDM) and isolator are required. Therefore, there is a problem that the size of the optical amplifier is large and mass production is difficult.
상기한 섬유형 광증폭기의 문제점을 해결하기 위하여 평면도파형 광증폭기 제안되었다. 종래의 평면 도파로형 광증폭기의 기본구조가 도 2에 도시되었다. 도 2에서, 201 은 희토류첨가 평면도파로형 소자, 202는 펌프레이저 다이오드를 각각 나타낸다.In order to solve the problems of the fiber type optical amplifier, a planar waveform optical amplifier has been proposed. The basic structure of a conventional planar waveguide optical amplifier is shown in FIG. In Fig. 2, 201 is a rare earth addition planar waveguide device, and 202 is a pump laser diode, respectively.
상기한 바와같은 종래의 평면도파로형 광증폭기는 희토류 첨가 광섬유를 희토류 첨가 도파로 소자로 대체한 것으로서, 희토류 금속이온을 함유하는 광도파로는 일반적으로 신호광과 펌프광에 대한 전송손실값이 매우 크기 때문에, 이러한 큰 손실의 희토류함유 도파로는 도파로형 광증폭기에 저손실 도파로로 만들 수 있는 여러 가지 기능소자의 집적이 불가능하다. 뿐만 아니라 신호광과 펌프광을 결합시키기 위해서 반드시 광섬유 등으로 만들어지는 파장다중기를 외부에 부착해야 한다.As described above, the conventional planar waveguide optical amplifier replaces the rare earth-added optical fiber with a rare earth-added waveguide device, and the optical waveguide containing rare earth metal ions generally has a large transmission loss value for signal light and pump light. The large loss rare earth-containing waveguides do not allow the integration of a number of functional devices that can be made into a low loss waveguide into a waveguide optical amplifier. In addition, in order to combine the signal light and the pump light, a wavelength multiplier made of optical fiber must be attached to the outside.
본 발명은 상기한 바와같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 실리카의 음각식각된 부분에 고농도 희토류함유 유리를 스퍼터링법으로 증착하여도파손실이 낮고 우수한 이득특성을 얻을 수 있는 평면도파로형 광증폭기의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, a planar waveguide optical amplifier which can obtain a low wave loss and excellent gain characteristics by depositing a high concentration of rare earth-containing glass on the intaglio-etched portion of silica by sputtering The purpose is to provide a method of manufacturing.
도 1은 종래의 섬유형 광도파로의 기본 구조도,1 is a basic structural diagram of a conventional fiber type optical waveguide,
도 2는 종래의 도파로형 광증폭기의 기본구조도,2 is a basic structural diagram of a conventional waveguide type optical amplifier,
도 3은 종래의 파장 다중화기가 집적된 저손실 도파로소자의 구성도,3 is a configuration diagram of a low loss waveguide device in which a conventional wavelength multiplexer is integrated;
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제1실시예에 따른 광증폭기의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도,4A to 4D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the optical amplifier according to the first embodiment of the present invention;
도 5는 스퍼터링장치의 구성개략도,5 is a configuration diagram of a sputtering apparatus,
도 6a 내지 6g는 본 발명의 제2실시예에 따른 광증폭기의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도,6A to 6G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an optical amplifier according to a second embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 광증폭기에 기능성 수동소자를 복합시킨 구조예를 도시한 도면,7 shows a structural example in which a functional passive device is combined with an optical amplifier of the present invention;
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
401 : 하부 클래드층 402 : 금속 마스크401: lower clad layer 402: metal mask
403 : 음각식각구간 404 : 희토류 함유 유리막403: intaglio etching section 404: rare earth-containing glass film
405 : 상부 클래드층 501 : 스퍼터링 타겟405: upper cladding layer 501: sputtering target
502 : 콜리메이터 503 : 스퍼터링 다발502 collimator 503 sputtering bundle
504 : 기판 601 : 실리콘 또는 실리카 기판504 substrate 601 silicon or silica substrate
602 : 저손실 도파로 버퍼층 603 : 저손실 도파로 코아층602: low loss waveguide buffer layer 603: low loss waveguide core layer
604 : 금속 마스크 605 : 식각된 코아층604: metal mask 605: etched core layer
606 : 상부 클래드층 607 : 광증폭구간606: upper cladding layer 607: optical amplifier section
608 : 희토류 함유 유리막 609 : 상부 클래드층608: rare earth-containing glass film 609: upper clad layer
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 기판상에 실리카 클래드층을 형성하는 단계; 상기 실리카 클래드층을 음각식각하는 단계; 음각식각된 실리카 클래드층상에 희토류 함유 유리막을 증착하는 단계; 상기 희토류 함유 유리막상에 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 평면도파로형 광증폭기의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a silica clad layer on a silicon substrate; Negative etching the silica clad layer; Depositing a rare earth-containing glass film on the etched silica clad layer; It provides a method for producing a planar waveguide optical amplifier comprising the step of forming an upper clad layer on the rare earth-containing glass film.
상기 실리카 클래드층은 FHD, PECVD, HIPOX 중 하나를 이용하여 15-20㎛의 두께로 형성하며, 상기 실리카 클래드층의 음각식각은 금속마스크를 이용하여 ICP 식각법으로 폭이 8-10㎛이고 깊이가 7-14㎛가 되도록 식각한다. 상기 금속마스크로 Cr 또는 Al 중 하나의 금속막이 사용한다.The silica clad layer is formed to a thickness of 15-20㎛ using one of FHD, PECVD, HIPOX, the negative etching of the silica clad layer is 8-10㎛ in width by ICP etching method using a metal mask depth Etch to be 7-14㎛. One metal film of Cr or Al is used as the metal mask.
상기 희토류 함유 유리막은 희토류 금속이 2-4wt% 함유된 인산염 유리 또는 소다석회유리중 하나를 스퍼터링법 또는 전자빔법으로 1.5-2㎛ 증착한다. 상기 희토류 함유 유리막 증착시 음각식각의 깊이방향으로 증착되도록 2mmtorr 이하의 저압 스퍼터링 혹은 콜리메이터를 사용하여 스퍼터링다발을 형성하여 증착한다.The rare earth-containing glass film deposits 1.5-2 μm of either phosphate glass or soda-lime glass containing 2-4 wt% of rare earth metal by sputtering or electron beam method. When the rare earth-containing glass film is deposited, sputtering bundles are formed by using low pressure sputtering or collimator of 2 mmtorr or less so as to be deposited in the depth direction of the intaglio etching.
상기 콜리메이터는 탄탈륨의 금속으로 이루어지며, 두께 0.2-0.3㎛, 폭 5-10㎛ 로 3-4mm 간격으로 스퍼터링 타겟과 기판사이에 수직하게 구성한다.The collimator is made of a metal of tantalum, and is configured perpendicularly between the sputtering target and the substrate at intervals of 3-4 mm with a thickness of 0.2-0.3 μm and a width of 5-10 μm.
상기 상부 클랙드층은 희토류 함유 유리막상에 굴절율 정합 폴리머 혹은 겔을 스핀코팅하여 상부 클래드층으로 둘러싼 구조로 형성한다.The upper clad layer is formed in a structure surrounded by the upper clad layer by spin coating a refractive index matching polymer or gel on the rare earth-containing glass film.
또한, 본 발명은 저손실 실리카기능소자와 동일기판상에 제1항의 방법으로 제조된 광증폭기를 구성하여 고효율 증폭과 기능성소자를 결합시킨 평면도파로형 광증폭기를 제공하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized by providing a planar wave-type optical amplifier combining the high-efficiency amplification and the functional element by constructing the optical amplifier manufactured by the method of claim 1 on the same substrate as the low loss silica functional element.
상기 저손실 실리카기능소자로서 8, 16, 32 채널 등의 저손실 광분배소자와 제1항의 방법으로 제조되는 광증폭기를 결합시켜 무손실분배 혹은 증폭분배기능을 동일기판상에 제조한 평면도파로형 광증폭기 또는 상기 저손실 실리카 기능소자로서 8, 16, 32채널 등의 AWG-WDM 소자와 제1항의 방법으로 제조되는 광증폭기를 결합시켜 입력신호를 증폭하고 삽입손실을 보상하여 WDM 의 품질 향상을 동일기판상에서 구현한 평면도파로형 광증폭기를 제공한다.As the low loss silica functional element, a planar wave type optical amplifier manufactured by combining a low loss optical distribution device such as 8, 16, 32 channels and the optical amplifier manufactured by the method of claim 1 with a lossless distribution or amplification distribution function on the same substrate or The low-loss silica functional device combines an AWG-WDM device such as 8, 16, 32 channels, etc. with an optical amplifier manufactured by the method of claim 1 to amplify the input signal and compensate for insertion loss, thereby improving the quality of the WDM on the same substrate. A planar waveguide optical amplifier is provided.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail.
도 3는 일반적인 파장 다중화기가 집적된 저손실 도파로소자의 기본구조를 도시한 것이다.3 illustrates a basic structure of a low loss waveguide device in which a general wavelength multiplexer is integrated.
도 3을 참조하면, 저손실 도파로는 광이 도파되는 영역인 코아층과 상기 코아층보다 굴절율이 낮은 하부 클래드층(301) 및 상부 클래드층(302)으로 구성되며, 상기 코아층은 신호광 입력 도파로 코아층(303), 펌핑광 입력 도파로 코아층(304) 및 신호광 출력 도파로 코아층(305)로 이루어진다. 도 3에서 306은 상기 도파로에 집적된 파장다중화기를 나타낸다.Referring to FIG. 3, the low loss waveguide includes a core layer, which is a region where light is guided, and a lower cladding layer 301 and an upper cladding layer 302 having a lower refractive index than the core layer, wherein the core layer is a signal light input waveguide core. Layer 303, pumped light input waveguide core layer 304 and signal light output waveguide core layer 305. In FIG. 3, reference numeral 306 denotes a wavelength multiplexer integrated in the waveguide.
상기 저손실의 도파로소자는 화염가수분해증착법(FHD, Flame HydrolysisDeposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 방법으로 제조되는 실리카 유리 도파로나 저손실 광학유리에 이온교환(ion exchange) 등의 방법으로 도파로를 형성하여 제조한다.The low loss waveguide device is a silica glass waveguide manufactured by a method such as Flame Hydrolysis Deposition (FHD), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) or a waveguide by ion exchange (ion exchange) to a low loss optical glass. To form.
상기 저손실 광도파로 소자는 희토류 금속이온을 첨가하지 않은 광도파로 소자로서 광증폭효과가 없는 반면 신호광과 펌프광을 저손실로 전송할 수 있으며, 손실이 작은 파장다중기, 광분배기 등의 기능소자를 집적할 수 있다.The low-loss optical waveguide device is an optical waveguide device without the addition of rare earth metal ions, and has no optical amplification effect, but can transmit signal light and pump light with low loss, and integrate functional devices such as a wavelength multiplexer and an optical splitter with low loss. have.
본 발명의 광증폭기는 상기한 저손실 도파로 제조방법을 모두 적용할 수 있으며, 특히 FDH(화염가수분해증착)법을 중심으로 후술한다.The optical amplifier of the present invention can be applied to all of the above-described low loss waveguide manufacturing method, and will be described below with particular focus on the FDH (flame hydrolysis deposition) method.
한편, Er, Nd, Pr, Yb 등의 희토류 금속이온을 함유한 광도파로소자는 펌핑광과 신호광이 동시에 전송될 경우 펌핑광 에너지의 일부가 전자천이작용에 의하여 신호광으로 전이되면서 신호광의 증폭이 일어나는 도파로 소자이다.On the other hand, in the optical waveguide device containing rare earth metal ions such as Er, Nd, Pr, and Yb, when the pumping light and the signal light are transmitted at the same time, part of the pumping light energy is transferred to the signal light due to the electron transition, so that amplification of the signal light occurs. Waveguide device.
이러한 도파로는 Na, K, Ca, Mg 등 전자가 1가 및 2가 알칼리 금속이온을 함유하는 규산염 또는 인산염유리에 Er, Nd, Pr, Yb 등의 희토류 금속이온을 일정량 첨가하여 만든 유리를 사용하여 제조한다. 희토류 금속이온은 도파로 코아부분에 존재하거나 혹은 모재전체에 균일하게 존재할 수 있다.Such a waveguide uses glass made by adding a certain amount of rare earth metal ions such as Er, Nd, Pr, and Yb to silicate or phosphate glass containing electron monovalent and divalent alkali metal ions such as Na, K, Ca, and Mg. Manufacture. Rare earth metal ions may be present in the core portion of the waveguide or uniformly present in the entire base material.
희토류 이온 첨가 광도파 소자는 스퍼터링(sputtering), 전자빔(electron beam), 화염가수분해(FHD) 및 화학기상증착(CVD), 기화액적(aerosol) 증착법등으로 만든 유리막을 정밀하게 식각하거나, 모재 유리상에 도파로 패턴을 형성한 후 이온교환 등의 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 본 발명에서는 희토류 금속이온이 함유된 소다석회(soda-lime) 혹은 인산염 유리 등의 모재를 스퍼터링 혹은 전자빔으로 증착하여 도파로를 형성한 도파로소자를 사용한 것을 예시하였다.Rare earth ion-added optical waveguide devices can precisely etch glass films made by sputtering, electron beam, flame hydrolysis (FHD), chemical vapor deposition (CVD), and aerosol deposition, After the waveguide pattern is formed in, it can be produced using a method such as ion exchange. The present invention exemplifies a waveguide device in which a base material such as soda-lime or phosphate glass containing rare earth metal ions is deposited by sputtering or electron beam to form a waveguide.
본 발명은 상기 저손실 광도파로 소자와 희토류 금속이온을 함유한 광도파로 소자를 동일 기판상에 구현하여 평면도파로형 광증폭기를 제조하는 방법이다. 기본적인 광증폭기는 저손실 도파로소자와 상관없이 별도로 제작이 가능하다. 하지만, 저손실 도파로 소자와 동일 기판상에 구성될 경우 제조공정이 달라진다. 따라서, 본 발명에서는 신호광과 펌핑광이 입력되는 파장다중화기와 분배기, AWG-WDM(Arrayed Waveguide Grating WDM) 등의 저손실 도파로소자를 제작한 후 광증폭구간을 정의하고 음각식각하여 희토류 함유유리를 상기 증폭구간에 증착하여 제작한다.The present invention is a method of manufacturing a planar waveguide optical amplifier by implementing the low-loss optical waveguide device and the optical waveguide device containing rare earth metal ions on the same substrate. The basic optical amplifier can be manufactured separately regardless of the low loss waveguide device. However, if the low loss waveguide device is configured on the same substrate, the manufacturing process is different. Accordingly, in the present invention, after fabricating a low-loss waveguide device such as a wavelength multiplexer and a splitter and an AWG-WDM (Arrayed Waveguide Grating WDM) in which signal light and pumping light are input, the optical amplification section is defined and engraved to amplify the rare earth-containing glass. It is produced by depositing on the section.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제1실시예에 따른 실리카 음각식각을 이용한 광증폭기의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도를 도시한 것이다.4A to 4D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an optical amplifier using silica engraved etching according to a first embodiment of the present invention.
먼저, 도 4a 와 같이 실리콘 기판상에 FHD 혹은 PECVD, HIPOX 등을 이용하여 버퍼 산화막인 하부 클래드층(401)을 음각식각을 고려하여 15-20㎛ 의 두께로 형성한다. 이때, 실리카 기판을 사용할 경우에는 별도의 클래드층형성없이 실리카기판을 하부 클래드층으로 사용한다.First, as shown in FIG. 4A, a lower clad layer 401, which is a buffer oxide film, is formed on the silicon substrate using a FHD, PECVD, HIPOX, or the like to have a thickness of 15-20 μm in consideration of an intaglio etching. In this case, when using a silica substrate, the silica substrate is used as the lower clad layer without forming a separate clad layer.
하부 클래드층(401)이 형성된 기판상에 금속마스크층(402)으로 Al 층 또는 Cr 층중 하나를 2000 내지 3000Å의 두께로 증착한다. 증착된 금속마스크층(402)을 통상적인 사진식각공정을 통해 패터닝하여 실리카의 음각식각구간(403)을 정의한다.On the substrate on which the lower clad layer 401 is formed, one of an Al layer and a Cr layer is deposited as a metal mask layer 402 to a thickness of 2000 to 3000 m 3. The deposited metal mask layer 402 is patterned through a conventional photolithography process to define an intaglio etching section 403 of silica.
도 4b와 같이, 상기 패터닝된 금속마스크층(402)을 이용하여 하부클래드층(401) 또는 실리카를 음각식각한다. 이때, 하부 클래드층(401) 또는 실리카의 음각식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma) 식각법을 이용하며 수행되며, 식각개스로 CF4와 O2를 사용한다. 그리고 음각식각의 폭은 8-10㎛이며, 깊이는 7-14㎛이다. ICP 식각법으로 식각된 실리카의 측면의 수직정도는 86°이상으로 수직에 가깝다.As shown in FIG. 4B, the lower clad layer 401 or silica is etched using the patterned metal mask layer 402. In this case, an intaglio etching of the lower clad layer 401 or silica is performed using an inductively coupled plasma (ICP) etching method, and CF 4 and O 2 are used as etching gases. The width of the intaglio etching is 8-10㎛, and the depth is 7-14㎛. The verticality of the sides of silica etched by ICP etching method is more than 86 ° and close to vertical.
도 4c와 같이 음각식각된 하부클랙드층(401) 또는 실리카에 희토류 함유 유리(404)를 스퍼터링법 또는 전자빔법으로 증착한다.As shown in FIG. 4C, the rare earth-containing glass 404 is deposited on the negatively etched lower clad layer 401 or silica by sputtering or electron beam.
희토류 함유 유리(404)를 스퍼터링법으로 증착하는 방법을 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 5는 콜리메이터(502)를 스퍼터링타겟(501)과 기판(504)사이에 삽입하여 구성한 스퍼터링 개략도를 도시한 것이다.A method of depositing the rare earth-containing glass 404 by the sputtering method will now be described with reference to FIG. 5. 5 shows a sputtering schematic diagram formed by inserting the collimator 502 between the sputtering target 501 and the substrate 504.
스퍼터링 타겟(sputtering target, 501)은 일반적인 수냉식 스퍼터건으로 구성하며, 유리의 직경이 2-4인치(50-100mm)이고, 두께는 1/4인치(6mm)인 것을 사용한다.Sputtering target (sputtering target, 501) consists of a general water-cooled sputter gun, the diameter of the glass is used 2-4 inches (50-100mm), 1/4 inch (6mm).
일반적인 스퍼터링은 수십 mmtorr 에서 공정되어 음각식각 측면의 증착이 문제가 되므로, 본 발명에서는 1-2mmtorr 의 저압공정으로 스퍼터링 미립자(particles)의 스케터링(scattering)을 낮추어 공정한다.In general, sputtering is processed in several tens of mmtorr, so that deposition on the etched side becomes a problem. In the present invention, a low pressure process of 1-2 mmtorr reduces the scattering of sputtered particles.
음각된 깊이방향으로의 유도증착은 공정압력을 10-5torr 이하로 평균자유경로(Mean Free Path)를 1m이상으로 스퍼터링 미립자의 다발(flux, 503)을 만들어 주는 방법과 동일한 방향으로 진행을 유도하는 콜리메이터(collimator, 502)를 사용하는 방법이 있다.Induction deposition in the engraved depth direction induces progression in the same direction as the method of making bundles of sputtered particles with a mean free path of 1 m or more with a process pressure of 10 -5 torr or less and more than 1 m. There is a method using a collimator (502).
공정압력을 낮추는 방법은 증착률이 100Å/hr 이하로 감소하여 두꺼운 막증착에 부적합하다. 콜리메이터(502)를 사용하는 경우도 증착률이 1000-2000Å/hr 정도로 낮아 두꺼운 막의 형성은 어렵다.The method of lowering the process pressure decreases the deposition rate below 100 kW / hr, which is not suitable for thick film deposition. Even in the case of using the collimator 502, the deposition rate is low, such as 1000-2000 Pa / hr, it is difficult to form a thick film.
콜리메이터(502)는 탄탈륨(Ta)과 같은 금속재질에 두께 0.2-0.3mm, 폭 5-10mm 구조로 3-4mm 간격을 유지하고 세로로 세운 구조이다. 콜리메이터(502)를 통과한 스퍼터링가스는 기판에 수직한 방향으로 다발(503)을 형성하며, 기판에 증착한다. 이때, 기판온도는 300-400℃ 로 가열 유지시킨다.The collimator 502 has a structure of 0.2-0.3 mm in thickness and 5-10 mm in width with a metal material such as tantalum (Ta) to maintain a 3-4 mm spacing and to stand vertically. The sputtering gas passing through the collimator 502 forms a bundle 503 in a direction perpendicular to the substrate and is deposited on the substrate. At this time, the substrate temperature is maintained at 300-400 ℃ heating.
희토류 함유 유리의 재질은 희토류 산화물이 2-4 wt% 함유된 인산염 유리나 소다석회유리 등을 사용한다. 유리막(404)의 스퍼터링두께는 1.5-2㎛으로 증착하고, 이때 유리모재의 굴절율에 따른 하부 클래드층(401)과의 굴절율의 차이 △n 은 1-3%정도이다. 증착된 희토류 함유 유리(404)는 600-700℃ 로 2시간 가열하여 안정화시킨다.As the material of the rare earth-containing glass, phosphate glass or soda-lime glass containing 2-4 wt% of rare earth oxide is used. Sputtering thickness of the glass film 404 is deposited to 1.5-2㎛, wherein the difference Δn of the refractive index with the lower cladding layer 401 according to the refractive index of the glass base material is about 1-3%. The deposited rare earth-containing glass 404 is stabilized by heating to 600-700 ° C. for 2 hours.
상부 클래드층(405)을 굴절율 정합 폴리머나 겔을 스핀코팅(spin coating)방법으로 상기 희토류 함유 유리막(404)상에 형성하여 본 발명의 광증폭기를 제조한다. 증폭구간이 아닌 곳에 증착된 유리는 별도로 제거하지 않으며, 증폭이득특성은 희토류의 함유량과 유리막의 상태에 따라 다르며, 3-4dB/cm의 이득특성을 갖는다.The upper cladding layer 405 is formed on the rare earth-containing glass film 404 by using a refractive index matching polymer or gel by spin coating to manufacture the optical amplifier of the present invention. The glass deposited outside the amplification section is not removed separately, and the amplification gain characteristic depends on the rare earth content and the state of the glass film, and has a gain characteristic of 3-4 dB / cm.
도 6a 내지 도 6g은 본 발명의 저손실 도파로 소자와 광증폭기를 동일기판상에 구현한 공정정단면도를 도시한 것이다.6A to 6G illustrate a process cross-sectional view of implementing the low loss waveguide device and the optical amplifier of the present invention on the same substrate.
먼저, 도 6a와 같이 실리콘 기판 또는 실리카기판(601)상에 저손실 도파로버퍼층인 하부 클래드층(602)과 저손실 도파로 코아층(603)을 FHD 법으로 각각 15㎛, 6㎛ 로 증착하고, 도 6b와 같이 금속막을 증착한 다음 리소그라피하여 금속마스크(604)를 형성한다.First, as shown in FIG. 6A, the lower cladding layer 602, which is a low loss waveguide buffer layer, and the low loss waveguide core layer 603 are deposited on the silicon substrate or the silica substrate 601 at 15 μm and 6 μm by FHD, respectively, and FIG. 6B. As described above, a metal film is deposited and then lithography to form a metal mask 604.
도 6c와 같이 상기 금속마스크(604)를 이용하여 코아층(603)을 식각한다. 도 6d와 같이 식각된 코아층(605)에 상부클래드층(606)을 FHD 법으로 10㎛ 증착한다. 상기 상부클래드층(606)상에 감광막(607a)을 증착한 다음 리소그라피공정으로 광증폭구간(607)을 정의한다.As shown in FIG. 6C, the core layer 603 is etched using the metal mask 604. An upper cladding layer 606 is deposited on the etched core layer 605 as shown in FIG. 6D by 10 µm by FHD. After the photoresist film 607a is deposited on the upper cladding layer 606, an optical amplification section 607 is defined by a lithography process.
도 6e와 같이 상기 감광막(607a)을 마스크로 하여 광증폭구간(607)의 상부클래드층(606)을 14㎛ 만큼 음각식각한다. 이때, 음각식각의 깊이는 저손실 실리카 도파로의 코아층(605)의 중심부와 일치하도록 조정한다.As shown in FIG. 6E, the upper cladding layer 606 of the optical amplification section 607 is etched by 14 μm using the photosensitive film 607a as a mask. At this time, the depth of the intaglio etching is adjusted to match the center of the core layer 605 of the low loss silica waveguide.
도 6f와 같이 음각식각된 기판에 희토류 함유 유리막(608)을 증착하고, 도 6g와 같이 상부 클래드층(609)을 형성한다.A rare earth-containing glass film 608 is deposited on the intaglio-etched substrate as shown in FIG. 6F, and an upper clad layer 609 is formed as shown in FIG. 6G.
도 7은 저손실 도파로 소자중 8채널 분배기(704)와 8채널 AWG-WDM소자(705)와 광증폭기(703)를 동일기판(701)상에 구현한 평면도이다. 신호광과 펌프광 인입용 파장다중화기(702)의 구성도 저손실 실리카 도파로로 구성된다. 8채널 분배기(704)와 결합된 광증폭구간의 길이는 2cm에서 무손실 손배로 입력신호광과 동일한 세기로 분배된다. 증폭구간의 길이 3cm 에서는 손실을 보상하고도 5dB 정도의 이득이 발생된 8채널 분기 증폭기로 구현된다. 8채널 AWG-WDM(705)의 경우 입력단의 약한 신호를 보상해주고 파장다중화에서 발생되는 소자의 삽입손실 3dB 를 보상하는데 필요한 이득은 10dB정도이고 증폭구간길이 3cm로 구현된다.FIG. 7 is a plan view of an eight-channel distributor 704, an eight-channel AWG-WDM device 705, and an optical amplifier 703 in the low-loss waveguide device on the same substrate 701. The structure of the wavelength multiplexer 702 for the signal light and pump light entrance is also composed of a low loss silica waveguide. The length of the optical amplification section combined with the eight channel splitter 704 is distributed at the same intensity as the input signal light with a lossless loss at 2 cm. The 3cm amplification section is implemented with an 8-channel branch amplifier that compensates for losses and generates about 5dB of gain. In the case of the 8-channel AWG-WDM 705, the gain required to compensate for the weak signal at the input stage and to compensate for the insertion loss of the device 3dB generated by the wavelength multiplexing is about 10dB and the amplification section length is 3cm.
상기한 바와같은 본 발명에 따르면, 증폭효율이 높은 유리매질을 광학적 특성이 우수한 실리카 클래드층에 삽입증착하여 도파손실이 낮아지고 이득특성이 우수한 광증폭기를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명은 증폭구간의 유리의 희토류 금속함유량과 분포에 따라 차이가 있지만 희토류 함유량 2% 이상에서 단일길이(cm)당 3-4dB의 이득특성이 얻어지므로, 광증폭기의 소형화와 저가격화에 기여할 수 있다.According to the present invention as described above, by inserting and depositing a glass medium having a high amplification efficiency into the silica clad layer having excellent optical characteristics, it is possible to implement an optical amplifier having low waveguide loss and excellent gain characteristics. In addition, although the present invention differs depending on the rare earth metal content and distribution of the glass in the amplification section, gain characteristics of 3-4 dB per single length (cm) can be obtained at a rare earth content of 2% or more, so that the optical amplifier can be miniaturized and reduced in price. Can contribute.
게다가, 상기 고효율 증폭기에 저손실 실리카소자의 동일기판 집적공정이 용이하고 증폭기만 구성하더라도 신호광과 펌프광을 결합하는 파장다중화기의 구성이 간단하여 소형화와 고효율을 얻을 수 있다. 그리고, 본 발명은 저손실 도파로소자를 만든후 광증폭용 도파로 소자를 별도로 만들기 때문에 각각의 소자에 가장 적합한 공정을 사용할 수 있다.In addition, the same substrate integration process of the low-loss silica element in the high efficiency amplifier is easy, and even if only the amplifier is configured, the configuration of the wavelength multiplexer combining the signal light and the pump light can be simplified, thereby achieving miniaturization and high efficiency. In addition, since the present invention makes a low-loss waveguide device and then makes an optical amplification waveguide device separately, a process most suitable for each device can be used.
또한, 본 발명은 저손실도파로 소자중 8채널 분배기와 8채널 AWG-WDM 소자와 광증폭기를 동일기판상에 구현한 경우 신호광과 펌프광 인입용 파장다중화기의 구성도 저손실 실리카 도파로로 구성되며, 8채널 분배기와 결합된 광증폭 구간의 길이는 2cm에서 무손실 분배로 입력신호광과 동일한 세기로 분배되며, 3cm에서 5dB 정도로 이득이 발생된8채널 분기 중폭기가 구현되므로, 8채널 AWG-WDM 의 경우 증폭구간 길이 3cm 에서 입력단의 약한 신호를 보상하고 파장다중화에서 발생되는 소자의 삽입손실 3dB 도 보상하여 소자의 기능성을 높일 수 있다.In addition, in the present invention, when the 8-channel splitter, 8-channel AWG-WDM element, and the optical amplifier are implemented on the same substrate among the low-loss waveguide elements, the structure of the wavelength multiplexer for the signal light and the pump light inlet is also composed of the low-loss silica waveguide. The length of the optical amplification section combined with the splitter is distributed in the same intensity as the input signal light with lossless distribution at 2cm, and an 8-channel branched heavy amplifier with gain of about 5dB at 3cm is implemented, so in the case of 8-channel AWG-WDM The device's functionality can be improved by compensating for the weak signal at the input stage at 3cm and compensating for the insertion loss of 3dB caused by wavelength multiplexing.
따라서, 이러한 저손실 도파로는 각종 기능성 소자의 집적이 가능하고, 광증폭용 도파로는 증폭특성만 최적화하여 광증폭기를 제조하는 것이 가능하므로, 본발명으로 만들어지는 증폭기의 경우 증폭효과와 소자의 기능을 모두 최대화할 수 있다.Therefore, the low loss waveguide can be integrated with various functional devices, and the optical amplifier can be manufactured by optimizing only the amplification characteristics, so that the amplifier can be manufactured according to the present invention. It can be maximized.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
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