KR20060064996A - 평면형 광도파로 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광통신 분야에 사용되는 평면형 광부품 및 광모듈에 적용되는 평면형 광도파로 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상에 형성된 하부 클래드, 상기 하부 클래드 상에 형성된 코어, 상기 코어를 둘러싸는 절연층, 상기 절연층을 포함하는 상기 하부 클래드 상에 형성된 상부 클래드를 포함한다. 코어와 클래드 사이에 굴절률이 낮은 절연층을 형성함으로써 코어와 클래드 사이의 굴절률 차이가 증가되어 광이 코어로 더욱 밀도있게 집속되므로 강한 에너지를 갖는 단일모드가 형성되어 도파손실이 최소화된다.
평면형 광도파로, 절연층, 실리콘 산화물, 도파손실

Description

평면형 광도파로 및 그의 제조 방법 {Planar optical waveguide and a method for fabricating the same}
도 1a 내지 도 1c는 종래 평면형 광도파로의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 2는 종래의 방법으로 제조된 평면형 광도파로의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 평면형 광도파로를 설명하기 위한 사시도.
도 4는 도 3의 A1 - A2 부분을 절취한 단면의 굴절률 분포도.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 평면형 광도파로의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 평면형 광도파로가 적용된 광부품의 일예를 도시한 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101, 401, 601: 기판
102, 402: 하부 클래드
103, 404: 코어층
103a, 404a: 코어
104, 405: 금속패턴
105, 407: 상부 클래드
403: 하부 절연층
406: 상부 절연층
602: 직선 광도파로
603: 8분기 광분배기
604: 8채널 파장다중화기
본 발명은 광통신 분야에 사용되는 평면형 집적형 광부품 및 광모듈에 적용되는 평면형 광도파로 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도파손실을 최소화시킬 수 있도록 한 평면형 광도파로 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
광신호를 이용하는 부품으로는 광분배기, 광결합기, 파장다중화기(Wavelength Division Multiflexer; WDM), 광필터, 광증폭기, 광감쇠기, 광스위치 등과 같은 광수동 부품과, 수광, 발광 소자 등과 같은 광능동 부품이 있으며, 이러한 광수동 부품과 광능동 부품을 집적화한 광플랫폼(optical platform), 그리고 광플랫폼을 이용한 다양한 microwave-photonics 광모듈 등이 있다.
이들 부품에는 공통적으로 광도파로가 적용된다. 기존에는 광섬유를 융착, 결합, 접속시켜 제조한 섬유형 광부품을 사용하였으나, 근래에는 반도체 공정을 이용하여 광신호 전달 경로를 평면형으로 집적시킨 평면형 광도파로가 사용되고 있 다. 이러한 평면형 광도파로는 모든 평면형 광부품 및 광모듈을 제조하는 데 기본 구조가 되고 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 평면형 광도파로의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(101) 상에 하부 클래드(under-clad)(102)를 형성하고, 상기 하부 클래드(102) 상에 상기 하부 클래드(102)보다 굴절율이 높은 코어층(core layer)(103)을 형성한다. 상기 하부 클래드(102) 및 코어층(103)은 실리카막으로 형성하며, 상기 코어층(103)에는 하부 클래드(102)보다 높은 굴절률을 가지도록 예를 들어, 게르마늄(Germanium) 산화물(GeO2)이나 인(Phosporus) 산화물(P2O5 ) 등과 같은 원소를 첨가한다.
도 1b를 참조하면, 상기 코어층(103) 상에 금속 패턴(104)을 형성한 후 상기 금속 패턴(104)을 마스크로 이용한 식각 공정으로 노출된 부분의 상기 코어층(103)을 식각하여 코어(core)(103a)를 형성한다.
도 1c를 참조하면, 상기 금속 패턴(104)을 제거한 후 상기 코어(103a)를 포함하는 전체 상부면에 상기 하부 클래드(102)와 굴절률이 같은 상부 클래드(over-clad)(105)를 형성하면 도 2와 같이 평면형 광도파로가 완성된다.
상기와 같이 종래의 평면형 광도파로는 코어(103a)의 둘레에 코어(103a)보다 굴절률이 낮은 하부 클래드(102) 및 상부 클래드(105)가 형성된 구조를 가지며, 굴절률이 높은 부분으로 광이 굴절되어 집속되는 원리에 의해 광신호가 코어(103a)를 통해 도파된다. 따라서 상기 코어층(103)에는 굴절률을 증가시키기 위한 원소 예를 들어, 게르마늄 산화물(GeO2)이나 인 산화물(P2O5) 등을 첨가하여 코어(203a)와 하부 클래드(102) 및 상부 클래드(105) 사이에 농도 구배가 발생되도록 한다.
그런데 광도파로 제조 과정에서 후속 고온 열처리 등에 의해 코어층(103)에 첨가된 원소가 외부 확산되는 경우 코어(103a)와 하부 클래드(102) 및 상부 클래드(105)의 경계면(A 부분)의 굴절률 차이가 낮아지기 때문에 코어(103a)를 통해 도파되는 광이 경계면(A 부분)에서 산란되어 도파손실(propagation loss)이 발생된다.
본 발명의 목적은 도파손실을 최소화할 수 있는 평면형 광도파 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평면형 광도파로는 기판, 상기 기판 상에 형성된 하부 클래드, 상기 하부 클래드 상에 형성된 코어, 상기 코어를 둘러싸는 절연층, 상기 절연층을 포함하는 상기 하부 클래드 상에 형성된 상부 클래드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평면형 광도파로의 제조 방법은 기판 상에 하부 클래드 및 제 1 절연층을 형성하는 단계, 상기 제 1 절연층 상에 코어층을 형성한 후 상기 코어층 및 상기 제 1 절연층을 패터닝하는 단계, 전체 상부면에 제 2 절연층을 형성한 후 상기 제 2 절연층 상에 상부 클래드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하부 클래드는 화염가수분해증착(FHD)법 또는 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 형성하며, 15~20㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 절연층은 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 형성하며, 0.01~2㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 절연층은 상기 하부 및 상부 클래드보다 굴절률이 낮은 물질로 형성하며, 상기 굴절률이 낮은 물질은 비정질 실리콘 산화물 또는 비정질 실리카 유리인 것을 특징으로 한다.
상기 코어층은 화염가수분해증착(FHD)법 또는 화학기상증착(PECVD)법으로 형성하며, 4~10㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 클래드는 화염가수분해증착(FHD)법 또는 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 따른 평면형 광도파로를 설명하기 위한 사시도이다.
기판(401) 상에 하부 클래드(402)가 형성되고, 상기 하부 클래드(402) 상에 코어(404a)가 형성된다. 상기 코어(404a)는 절연층(406)에 의해 둘러싸여지며, 상기 절연층(406)을 포함하는 상기 하부 클래드(402) 상에는 상부 클래드(407)가 형 성된다. 또한, 상기 코어(404a)와 상기 하부 클래드(402) 사이에 절연층(403)이 더 형성될 수 있으며, 상기 절연층(403 및 406)은 상기 하부 클래드(402) 및 상부 클래드(407)보다 낮은 굴절률을 가지는 물질 예를 들어, 비정질(amorphous) 실리콘 산화물, 비정질 실리카 유리 등으로 형성된다.
따라서 도 3의 A1-A2 부분을 절취한 단면의 굴절률 분포를 보면, 도 4에 도시된 바와 같이, 코어(404a) 〉상부 클래드(407) 〉 절연층(406) 의 분포를 가지며, 굴절률이 가장 낮은 절연층(403 및 406)이 코어(404a)와 하부 클래드(402) 및 상부 클래드(407) 사이에 위치된다.
상기 절연층(403 및 406)을 순수한 실리콘 산화물(SiO2)로 형성하면 1550㎚의 파장에서 1.44 정도의 굴절률을 갖게 되므로 1.45 이상의 굴절률을 갖는 코어(404a)와 1.4450 이상의 굴절률을 갖는 하부 클래드(402) 및 상부 클래드(407)보다 낮은 굴절률을 갖게 된다. 따라서 코어(404a)와 하부 클래드(402) 및 상부 클래드(407) 경계면에서의 굴절률 차이가 증대되어 도파되는 광이 코어(404a)로 더욱 밀도있게 집속되므로 강한 에너지를 갖는 단일모드가 형성되고, 이에 따라 도파손실이 최소화된다.
그러면 상기와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 평면형 광도파로 제조 방법의 실시예들을 도 5a 내지 도 5g를 통해 설명하기로 한다.
[실시예 1]
도 5a를 참조하면, 실리콘, 쿼츠(quartz) 또는 석영으로 이루어진 기판(401) 상에 화염가수분해증착(Flame Hydrolysis Deposition; FHD)법을 이용하여 15~20㎛의 두께를 가지는 하부 클래드(402)를 형성한다.
화염가수분해증착(FHD)법을 이용하는 경우 상압 및 고온의 토치 내에서 SiCl4, GeCl4, POCl3, BCl3 등의 유독성 염화물 가스를 이송원료와 반응시켜 산화물 미립자를 형성한 후 열처리하여 굴절율을 조절하면 고밀화된 유리막을 얻을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 하부 클래드(402) 상에 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)법을 이용하여 2㎛ 이하, 바람직하게는 0.01~2㎛의 두께를 가지는 하부 절연층(403)을 형성한다. 상기 하부 절연층(403)은 비정질 실리콘 산화물, 비정질 실리카 유리 등으로 형성한다. 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 실리콘 산화물을 증착하는 경우 200℃∼300℃ 온도에서 SiH4, N2O 등을 반응가스로로 사용하거나, TEOS(tetraethoxysilane), SiH2 Cl2, 산소 등의 가스를 사용한다. 이 때 코어 및 주변층(클래드)과의 굴절률 차이를 갖도록 하기 위해 PH3, B2H6 등의 유량을 조절하여 내부의 P2O 3, B2O5 함량을 조절한다.
도 5c를 참조하면, 상기 하부 절연층(403) 상에 화염가수분해증착(FHD)법을 이용하여 5~10㎛의 두께를 가지는 코어층(404)을 형성한다. 화염가수분해증착(FHD)법을 이용하는 경우 SiCl4, GeCl4, POCl3, BCl3 등의 화염가수분해 반응에 의해 산화물 미립자가 생성되면 열처리한다. 이 때 첨가되는 원소의 함량을 조절하여 굴절률 차이를 0.2%∼2.0% 정도로 조절한다.
도 5d를 참조하면, 상기 코어층(404) 상에 크롬(Cr)이나 알루미늄(Al)과 같은 금속을 2000~3000Å의 두께로 증착한 후 리소그라피(lithography) 공정으로 패터닝하여 금속패턴(405)을 형성한다.
도 5e를 참조하면, 상기 금속패턴(405)을 마스크로 이용한 식각공정으로 상기 코어층(404)과 하부 절연층(403)을 식각함으로써 사각형 또는 원형으로 이루어진 스트라이프(strip) 형태의 코어(404a)가 형성된다. 상기 코어층(404)은 유도결합 플라즈마(Inductive Coupled Plasma; ICP)를 이용하여 식각하며, 식각가스로는 CF4와 O2를 사용한다. 이 때 식각 깊이는 7~12㎛ 정도가 되도록 하며, 식각된 상기 코어층(404)의 측벽이 86도 이상의 수직 기울기를 갖도록 한다.
도 5f를 참조하면, 상기 금속패턴(405)을 제거한 후 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법을 이용하여 전체 상부면에 2㎛ 이하의 두께를 가지는 상부 절연층(406)을 형성한다. 상기 상부 절연층(406)은 비정질 실리콘 산화물, 비정질 실리카 유리 등으로 형성하며, 상기 하부 절연층(403)과 동일한 공정이 적용될 수 있다.
도 5g를 참조하면, 전체 상부면에 화염가수분해증착(FHD)법을 이용하여 상기 하부 클래드(402)와 같은 굴절률을 갖는 상부 클래드(407)를 형성한다. 상기 상부 클래드(407)를 형성한 후 1000℃ 이상의 온도에서 열처리한다.
[실시예 2]
본 실시예에서는 하부 클래드(402), 코어층(404) 및 상부 클래드(407)를 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법을 이용하여 형성한다. 플라즈마 화학기상증착 (PECVD)법을 이용하면 화염가수분해증착(FHD)법을 이용하는 경우보다 공정온도가 낮기 때문에 온도에 의한 도파로의 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 실리콘, 쿼츠 또는 석영으로 이루어진 기판(401) 상에 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법을 이용하여 15~20㎛의 두께를 가지는 하부 클래드(402)를 형성한다.
도 5b를 참조하면, 상기 하부 클래드(402) 상에 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법을 이용하여 2㎛ 이하, 바람직하게는 0.01~2㎛의 두께를 가지는 하부 절연층(403)을 형성한다. 상기 하부 절연층(403)은 비정질 실리콘 산화물, 비정질 실리카 유리 등으로 형성한다. 실리콘 산화물은 200℃∼300℃ 온도에서 SiH4, N2O 등을 반응가스로로 사용하거나, TEOS, SiH2Cl2, 산소 등의 가스를 사용하여 형성한다. 이 때 코어 및 주변층과의 굴절률 차이를 갖도록 하기 위해 PH3, B2H6 등의 유량을 조절하여 내부의 P2O3, B2O5 함량을 조절한다.
다른 방법으로서, 상기 하부 클래드(402)의 표면을 15~20㎛의 두께로 열산화(thermal oxidation)시켜 실리콘 산화물(SiO2)이 주성분인 하부 절연층(403)을 형성할 수도 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 하부 절연층(403) 상에 화학기상증착(PECVD)법을 이용하여 5~10㎛의 두께를 가지는 코어층(404)을 형성한다. 이 때 첨가되는 원소의 함량을 조절하여 굴절률 차이를 0.2%∼2.0% 정도로 조절한다.
도 5d를 참조하면, 상기 코어층(404) 상에 크롬(Cr)이나 알루미늄(Al)과 같은 금속을 2000~3000Å의 두께로 증착한 후 리소그라피 공정으로 패터닝하여 금속패턴(405)을 형성한다.
도 5e를 참조하면, 상기 금속패턴(405)을 마스크로 이용한 식각공정으로 상기 코어층(404)과 하부 절연층(403)을 식각함으로써 사각형 또는 원형으로 이루어진 스트라이프(strip) 형태의 코어(404a)가 형성된다. 상기 코어층(404)은 유도결합 플라즈마(ICP)를 이용하여 식각하며, 식각가스로는 CF4와 O2를 사용한다. 이 때 식각 깊이는 7~12㎛ 정도가 되도록 하며, 식각된 상기 코어층(404)의 측벽이 86도 이상의 수직 기울기를 갖도록 한다.
도 5f를 참조하면, 상기 금속패턴(405)을 제거한 후 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법을 이용하여 전체 상부면에 2㎛ 이하의 두께를 가지는 상부 절연층(406)을 형성한다. 상기 상부 절연층(406)은 비정질 실리콘 산화물, 비정질 실리카 유리 등으로 형성하며, 상기 하부 절연층(403)과 동일한 공정이 적용될 수 있다.
도 5g를 참조하면, 전체 상부면에 화염가수분해증착(FHD)법을 이용하여 상기 하부 클래드(402)와 같은 굴절률을 갖는 상부 클래드(407)를 형성한다. 상기 상부 클래드(407)를 형성한 후 1000℃ 이상의 온도에서 열처리한다.
상기 실시예 1 및 실시예 2에서, 제조 비용을 감소시키기 위해 상기 하부 절연층(403) 형성 공정을 생략할 수도 있다. 이 경우 코어(404a) 전체가 절연층(403 및 406)으로 둘러싸인 경우보다 약간의 도파손실이 발생될 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 및 실시예 2에서는 상기 하부 절연층(403)과 상부 절연층(406)을 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법을 이용하여 형성하였으나, 스퍼터링(sputtering) 증착법을 이용하여 형성할 수도 있다. 이 경우 스퍼터링 타겟(target)의 일반적인 수냉식 스퍼터건을 이용하며, 굴절률이 조절된 타겟 유리의 직경이 2~4인치(50~100mm), 두께는 1/4인치(6mm)인 것이 바람직하다. 1~2mmTorr의 저압에서 공정을 진행하면 스퍼터링 미립자(particles)의 분산을 감소시킬 수 있다. 압력을 감소시키면 증착률이 100Å/hr 이하로 감소하여 두꺼운 막의 증착이 어려우므로 1㎛ 이하의 박막 증착에 적용한다.
상기와 같이 본 발명은 하부 절연층(403)과 상부 절연층(406)에 의해 코어(404a)와 하부 클래드(402) 및 상부 클래드(407) 사이의 굴절률 차이가 증가되도록 함으로써 도파되는 광이 코어(404a)로 더욱 밀도있게 집속되어 강한 에너지를 갖는 단일모드가 형성된다. 따라서 도파손실이 최소화된다.
도 6은 본 발명에 따른 평면형 광도파로가 적용된 광부품의 일예를 도시한 평면도로서, 기판(601) 상에 직선 광도파로(602), 8분기 광분배기(603) 및 8채널 파장다중화기(604)가 집적된다.
종래의 평면형 광도파로를 이용하여 광부품을 제조한 경우, 접속손실을 포함하여 직선 광도파로는 1.0dB/cm, 8분기 광분배기는 10.5dB, 8채널 파장다중화기는 5.0dB 정도의 손실을 보였으며, 누화손실(crosstalk)은 33dB로 나타났다. 그러나 본 발명의 평면형 광도파로를 적용하여 광부품을 제조한 경우, 직선 광도파로(602)는 0.5dB/cm, 8분기 광분배기(603)는 9.5dB, 8채널 파장다중화기(604)는 4.3dB의 손실을 보였으며, 누화손실은 37dB 정도로 낮게 나타났다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 코어와 클래드 사이에 굴절률이 낮은 두꺼운 절연층을 형성함으로써 코어와 클래드 사이의 굴절률 차이가 증가된다. 따라서 도파되는 광이 코어로 더욱 밀도있게 집속되므로 강한 에너지를 갖는 단일모드가 형성되어 도파손실이 최소화된다.
본 발명의 평면형 광도파로는 광분배기, 광결합기, 파장다중화기, 광필터, 광증폭기, 광감쇠기, 광스위치 등 다양한 단일 광수동 부품과 수광, 발광 소자 등의 광능동 부품 등에 적용이 가능하며, 광수동 부품과 광능동 부품을 집적화한 광플랫폼, 그리고 광플랫폼을 이용한 다양한 광모듈 등에 적용이 가능하다.

Claims (12)

  1. 기판,
    상기 기판 상에 형성된 하부 클래드,
    상기 하부 클래드 상에 형성된 코어,
    상기 코어를 둘러싸는 절연층,
    상기 절연층을 포함하는 상기 하부 클래드 상에 형성된 상부 클래드를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 광도파로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 코어와 상기 하부 클래드 사이에 형성된 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 광도파로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절연층은 상기 하부 및 상부 클래드보다 낮은 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 평면형 광도파로.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절연층은 비정질 실리콘 산화물 또는 비정질 실리카 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면형 광도파로.
  5. 기판 상에 하부 클래드 및 제 1 절연층을 형성하는 단계,
    상기 제 1 절연층 상에 코어층을 형성한 후 상기 코어층 및 상기 제 1 절연 층을 패터닝하는 단계,
    전체 상부면에 제 2 절연층을 형성한 후 상기 제 2 절연층 상에 상부 클래드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 도파로의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 하부 클래드는 화염가수분해증착(FHD)법 또는 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 형성하며, 15~20㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 평면형 도파로의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 절연층은 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 형성하며, 0.01~2㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 평면형 도파로의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 절연층은 상기 하부 및 상부 클래드보다 굴절률이 낮은 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 평면형 광도파로의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 굴절률이 낮은 물질은 비정질 실리콘 산화물 또는 비정질 실리카 유리인 것을 특징으로 하는 평면형 도파로의 제조 방법.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 코어층은 화염가수분해증착(FHD)법 또는 화학기상증 착(PECVD)법으로 형성하며, 4~10㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 평면형 도파로의 제조 방법.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 상부 클래드는 화염가수분해증착(FHD)법 또는 플라즈마 화학기상증착(PECVD)법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 평면형 도파로의 제조 방법.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 상부 클래드를 형성한 후 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 도파로의 제조 방법.
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