KR20040008933A

KR20040008933A - 광도파로 소자

Info

Publication number: KR20040008933A
Application number: KR1020020042672A
Authority: KR
Inventors: 박종현; 조영준; 김범준
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-01-31

Abstract

본 발명은 광도파로 소자에 관한 것으로, 실리콘 기판 위에 형성된 하부 클래딩층, 상기 하부 클래딩층 위에 형성된 코어층 및 상기 코어층 위에 형성된 상부 클래딩층을 포함하는 광도파로 소자에 있어서, 상기 코어층과 상기 하부 클래딩층 또는 상기 상부 클래딩층이 하기 일반식 1로 표시되는 불소 치환 폴리아릴렌에테르 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 광도파로 소자를 제공한다. 본 발명에 따른 광도파로 소자는 코아층과 클래딩층 간의 굴절율 차이를 크게 증가시킬 수 있어 광통신용 수동 소자의 소형화의 한계를 극복할 수 있다.

<일반식 1>

상기 일반식 1에서, m 과 n 은 0≤m/(m+n)≤1 및 0≤n/(m+n)≤1을 만족시키는 정수이다.

Description

광도파로 소자 {Optical Waveguide Material}

본 발명은 광도파로 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코아층과 클래딩층 간의 굴절율 차이를 크게 증가시킬 수 있어 광통신용 수동 소자의 소형화의 한계를 극복할 수 있는 광도파로 소자에 관한 것이다.

현재 광도파로 소자는 반도체 제작기술이나 또는 MEMS (Micro Mechanical system) 기술을 활용하여 제작하는 것이 통상적이며, 평면 기판상에 광도파로 소자를 제작하는 경우에는 평면도파로 기술 (Planar waveguide technology)을 이용한다. 그리고, 이와 같이 제작된 광도파로 소자의 기능을 더욱 집적화하려는 연구가 계속적으로 진행되고 있다.

일반적인 평면 도파로 기술에 따른 광도파로 소자 제작 과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선 평면 기판 위에 하부 클래딩층을 형성한 다음, 이 하부 클래딩층 위에 코아층을 형성한다. 이어서, 상기 코아층 위에 포토레지스트층을 형성한 다음, 이를 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성한다.

이와 같이 얻어진 포토레지스트 패턴을 이용하여 코아층을 식각하여 패터닝한 후에, 패터닝된 코아층 상부에 상부 클래딩층을 형성함으로써 광도파로가 완성된다. 이때, 클래딩층과 코아층은 통상적으로 스핀코팅법에 의하여 형성되는데, 그 재료로는 굴절율이 상이한 실리카나 폴리머를 이용한다.

그런데, 코아와 클래딩층 형성 재료로서 실리카를 이용하는 경우에는 코아와 굴절율의 차이를 최대 0.75% 까지 밖에 얻을 수 없으며, 따라서 광도파로의 규모가 제한되어 원하는 크기의 수동 소자를 제작하기가 어렵다는 문제점이 있다.

반면, 코아와 클래딩층 형성재료로서 불소 치환 폴리아릴렌에테르와 같은 폴리머를 이용하는 경우에는 폴리아릴렌에테르내의 불소기의 함량을 제어함으로써 코아와 클래딩간의 굴절율의 차이를 광범위하게 조절하는 것이 가능해져 보다 자유롭게 원하는 크기의 광도파로를 제작할 수 있고, 그 결과 광손실을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되어, 최근 광도파로용 불소 치환 폴리아릴렌에테르의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 코아층과 클래딩층 간의 굴절율 차이를 크게 증가시킴으로써 광통신용 수동 소자의 소형화의 한계를 극복할 수 있는 광도파로 소자를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판 위에 형성된 하부 클래딩층, 상기 하부 클래딩층 위에 형성된 코어층 및 상기 코어층 위에 형성된 상부 클래딩층을 포함하는 광도파로 소자에 있어서, 상기 코어층과 상기하부 클래딩층 또는 상기 상부 클래딩층이 하기 일반식 1로 표시되는 불소 치환 폴리아릴렌에테르 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 광도파로 소자를 제공한다.

<일반식 1>

상기 불소 치환 폴리아릴렌에테르 화합물은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 데카플루오로바이페닐, 하기 화학식 2의 구조를 갖는1,1-비스(4-하이드록시페닐)-1-펜타플루오로페닐-에탄(이하 Bis-5F라 함), 하기 화학식 3의 구조를 갖는 1-비스(4-하이드록시페닐)-1-페닐-2,2,2-트리플루오로에탄(이하, Bis-3F라 함) 및 하기 화학식 4의 구조를 갖는 3-에티닐 페놀을 열축중합 반응시킴으로써 제조되며, 이때 Bis-5F 와 Bis-3F 중 어느 하나를 생략하는 것도 가능하다.

[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 4]

상기와 같은 불소 치환 폴리아릴렌에테르는 굴절율 조절이 매우 용이하다는 장점을 갖는데, 상기 불소 치환 폴리아릴렌에테르의 굴절율을 조절하는 데에는 Bis-5F 와 Bis-3F의 몰비가 중요하며, Bis-5F 에 대한 Bis-3F 의 몰비가 높아질수록 최종 불소 치환 폴리아릴렌에테르의 굴절율 값이 증가한다. 즉, 상기 일반식 1의 불소 치환 폴리 아릴렌 에테르 분자내의 Bis-5F와 Bis-3F의 비율을 달리함으로써 다양한 굴절율의 불소 치환 폴리아릴렌에테르를 얻는 것이 가능하고, 이러한 불소 치환 폴리아릴렌에테르 중에서 상이한 굴절율 값을 갖는 2종 이상의 불소 치환 폴리아릴렌에테르를 선택하여 각각 광도파로의 코아와 클래딩에 적용함으로써 코아와 클래딩의 굴절율 차이를 넓은 범위 즉, 0.26% 내지 2.0% 내에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 그 결과 광도파로의 크기를 원하는 대로 제어하는 것이 가능해지고 그에 따라 도파되는 전파 모드의 형태 및 크기를 변화시킬 수 있다.

본 발명의 광도파로 제작시 바람직하게는 코아와 클래딩의 굴절율의 차가 코아 굴절율의 0.26% 내지 2.0% 범위내에 들도록 적절한 불소 치환 폴리아릴렌에테르를 선택하는 것이 좋은데, 그 이유는 코아와 클래딩의 굴절율의 차이가 상기의 범위를 벗어나는 경우에는 광도파로 소자의 모드 제한 (Mode Confinement)이 나빠지거나 광도파로 소자와 광섬유간의 모드매칭(Mode Matching)에 문제가 생길 수 있기 때문이다.

본 발명의 광도파로 중에서, 예를 들어 클래딩의 굴절율의 차이가 1.2% 이상인 광도파로의 경우에는 초소형 크기의 광통신용 소자에 적합하고, 코아와 클래딩의 굴절율의 차이가 약 0.3% 인 경우에는 광섬유와의 결합 손실이 작은 광도파로 소자를 제공할 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 좀 더 상세히 설명하나, 본 발명의 범주가 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1-5]

하기 표 1에 기재된 바와 같이 Bis-5F : Bis-3F의 몰비가 다양한 불소 치환 폴리아릴렌에테르를 각각 TCE (Tetrachloroethane) 용액에 18% 중량으로 녹인 후,그 용액을 실리콘 웨이퍼 (Silicon Wafer) 상에 1000rpm 의 속도로 60초간 스핀코팅한 다음 300 ℃에서 2시간동안 건조시켜 6∼8 ㎛두께의 불소 치환 폴리아릴렌에테르 박막이 형성되도록 하였다.

상기 박막의 굴절율 (Refractive Index) 및 복굴절율 (Birefringence)을 메트리콘 모델 2010 프리즘 커플러 (Metricon Model 2010 Prism Coupler, Metricon 사, 미국)를 이용하여 측정한 후, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

실시예	Bis-5F : Bis-3F	굴절율	복굴절율
실시예	Bis-5F : Bis-3F	TE 모드	복굴절율	TM 모드
1	2 : 8	1.5624	1.5567	0.0057
2	3 : 7	1.5476	1.5417	0.0059
3	5 : 5	1.5401	1.5341	0.006
4	8 : 2	1.5359	1.5301	0.0058
5	10 : 0	1.5318	1.5258	0.006

표 1를 참조하여 살펴보면, Bis-5F : Bis-3F의 몰비가 10 : 0 인 폴리머와 8 : 2 인 폴리머를 각각 광도파로의 코아물질과 클래딩 물질로 사용하는 경우, 코아와 클래딩의 굴절율 차이(TE 모드)가 가장 작아 코아 굴절율의 0.26 % 에 해당하는 값을 얻을 수 있으며, Bis-5F : Bis-3F 의 몰비가 10 : 0 인 폴리머와 2 : 8 인 폴리머를 각각 광도파로의 코아층 물질과 클래딩층 물질로 사용하는 경우, 코아층과 클래딩층의 굴절율 차이(TE 모드)가 코아층 굴절율의 2.0% 에 해당하는 값을 갖게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 광도파로의 형성재료인 불소 치환 폴리아릴렌에테르의 굴절율을 조절하기가 매우 용이하기 때문에 이를광도파로 소자의 코아층과 상부 또는 하부 클래딩층에 적용함으로써 상기 코아층과 클래딩층간의 굴절율 차이를 크게 증가시킬 수 있어, 광통신용 수동 소자의 소형화의 한계를 극복할 수 있으며, 특히 초소형 크기의 수동 소자를 제조하는 것도 가능하다.

Claims

실리콘 기판 위에 형성된 하부 클래딩층, 상기 하부 클래딩층 위에 형성된 코어층 및 상기 코어층위에 형성된 상부 클래딩층을 포함하는 광도파로 소자에 있어서, 상기 코어층과 상기 상부 클래딩층 또는 하부 클래딩층이 하기 일반식 1에 표시된 불소 치환 폴리아릴렌에테르 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 광도파로 소자;

<일반식 1>

상기 일반식 1에서, m 과 n 은 0≤m/(m+n)≤1 및 0≤n/(m+n)≤1을 만족시키는 정수임.
제1항에 있어서, 상기 코어층과 상기 상부 클래딩층 또는 하부 클래딩층을 이루는 불소 치환 폴리아릴렌에테르 화합물의 굴절율의 차가 코어층 형성용 불소 치환 폴리아릴렌에테르 화합물의 굴절율에 대해 0.26 내지 2.0%인 것을 특징으로 하는 광도파로 소자.