KR20110084570A - 반사형 파장합분파기의 제조방법 - Google Patents

반사형 파장합분파기의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도파형 광소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 폴리머로 구성되는 기판, 코어 및 클래드를 포함하는 반사형 파장합분파기의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 반사형 파장합분파기의 제조방법에 있어서,
폴리이미드 기판상에 하부클래드층과 코어층을 형성하는 공정과,
상기 코어층상에 포토리소그라피방법으로 레지스트패턴을 형성하는 공정과,
상기 코어층을 에칭하여 분지 패턴인 코어를 형성하는 공정과,
상기 기판상에 상부클래드층을 형성하는 공정과,
상기 코어의 교차부를 횡단하며 상기 상부클래드층과 상기 코어와 상기 하부클래드층과 상기 기판의 상부를 절삭하여 필터삽입용 구를 형성하는 공정을 포함하는 것에 특징이 있다.
파장합분파기, 폴리이미드, 불소화폴리이미드, 클래드, 코어, 이미드화, 폴리이미드전구체, 굴절률, 다이싱소, 파장선택필터, 유전체다층막, 삽입구, 절삭 가공

Description

반사형 파장합분파기의 제조방법{A Manufacturing Method of Reflection Type Wavelength Division Multiplex}
본 발명은 광통신망에 이용되는 도파형 광소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 폴리머로 구성되는 기판, 코어 및 클래드를 포함하는 반사형 파장합분파기의 제조방법에 관한 것이다.
광통신 시스템의 고도화를 향해서, 도파형 광소자의 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 집적광학 소자를 이루는 필수적인 소자인 광도파로(optical waveguide)는 광분배기, 광결합기, 파장합분파기(WDM), 그레이팅(gratings) 등에 폭넓게 이용되고 있다. 상기와 같이 다양한 분야에서 사용되는 광도파로는 손실을 최소화시켜야만 광도파로의 신뢰성을 높일 수 있다. 그리고 저손실(low loss) 광섬유(optical fiber)의 개발에 의한 광통신 시스템의 실용화에 수반하여 여러 종류의 광통신용 부품의 개발이 이루어지고 있다. 광소자를 집적화, 고밀도에 실장하는 광배선 기술, 특히 광도파로 기술의 확립이 바람직하다. 일반적으로 도파형 광소자의 응용에는 제작의 용이성, 광도파로 요소인 코어(core)와 클래드(clad) 재료의 굴절률 제어성, 내열성 등 다양한 조건이 요구된다. 현재 광도파로 재료로는 석영(quartz)이 가장 많이 이용되고 있고, 저손실 광도파로서는 주로 석영계가 검토되고 있다. 그것의 광도파로는 파장이 1.3μm 일때, 0.1dB/cm 이하의 낮은 광손실을 나타낸다. 그렇지만, 제조 프로세스가 복잡하고, 대면적화가 어렵다는 등의 문제점이 있다. 한편 폴리머 광도파로는 광손실에 대해서는 석영계 광도파로에 비해 뒤떨어지지만, 제작공정이 간단하며, 코어(core)와 클래드(clad) 재료와의 굴절률차이를 크게 취할 수 있는 등의 장점이 있다.
도 1은 평면광파회로의 제조공정을 보여주는 단면도이다.
평면광파회로(PLC)는 광섬유(optical fiber)와 같은 광도파로(optical waveguide) 구조를 평탄한 기판위에 형성한다. 광섬유(optical fiber)는 직경 약 10μm의 코어(core)를 125μm의 클래드(clad)로 가린 구조로 되어, 코어(core)에 입사된 빛은 클래드(clad)에 비해 굴절률이 높은 코어(core)에 갇혀 광섬유(optical fiber)의 긴 방향으로 전송된다. 평면광파회로(PLC, planar lightwave circuits)은 반도체집적회로(LSI,Large Scale Integration)와 같은 프로세스로 제조할 수 있는 광도파로 기술로, 제조의 자동화가 가능하고, 양산성이 뛰어나 양산시의 코스트 절감효과가 크다는 특징과 광섬유와 같은 유리(glass)소재로 도파로(lightwave)를 형성하며, 저손실로 신뢰성이 높다고 하는 특징이 있다. 평면광파회로의 제조공정은 광섬유(optical fiber)연구로 레벨-업(level-up)된 투명도 높은 유리 제작기술과 반도체집적회로(LSI)연구로 레벨-업(level-up)된 포토리소그래피(photo-lithography) 및 가공기술(fabrication)을 융합하여 구성된다.
도 2는 광섬유의 피복구조를 보여주는 단면 구조도이다.
세경 클래드 파이버(small diameter clad fiber)는 외경 80μm의 클래드층상에 자외선경화형 수지로 피복층으로 하여 최외경 125μm로 만들어진다. 피복구조는 피복제거성 및 저온에서 마이크로밴딩 내성 특성을 고려해서 2층구조(프라이머리층, 세컨더리층)로 구성된다.
도 3은 평면광파회로(PLC)를 이용한 파장합분파기(WDM)필터 구성도이다.
평면광파회로(PLC) 기판상에 구(groove)을 가공해, 유전체 다층막 필터를 삽입하는 것으로 파장합분파기(WDM)의 기능을 실현할 수 있다.
그러나, 평면광파회로(PLC)의 기판으로 석영을 이용할 때 석영기판에 필터 삽입 구(groove)의 절삭이 용이하지 않고, 절삭속도의 저하 등으로 생산성을 떨어뜨리는 등의 문제점이 있다.
본 발명은, 이상의 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 광통신 파장으로서의 광투과성과 가공성이 뛰어난 폴리머 재료를 평면광파회로(PLC) 기판으로 이용한 반사형 파장합분파기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 평면 기판상에 형성된 복수의 광도파로와 광도파로를 덮는 클래드부로 폴리머 교차광도파 회로를 형성하며, 이 폴리머 광도파 회로의 교차부를 횡단해 형성된 구(groove)에 필터 삽입구(insertion groove)를 마련하여 유전체 다층막 필터를 삽입한다. 교차광도파 회로의 기판, 코어 및 클래드를 전부 폴리머 재료로 구비되는 것을 특징으로 하는 반사형 파장합분파기가 제공된다.
본 발명의 폴리머 광도파로는 스핀-코트법(spin-coat)을 이용하여 형성함으로 석영계 광도파로와 비교컨대 간단한 제작공정으로 제조가 용이하며, 코어 및 클래드의 굴절률차이를 제어할 수 있으며, 유전체 다층막 필터를 삽입하는 평면광파회로(PLC)의 기판인 경우, 본 발명의 폴리머 기판은 필터 삽입구의 절삭이 상대적으로 용이하고, 삽입구의 과잉손실을 저감 할 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명인 파장합분파기를 보여주는 도면이다.
파장합분파기 200은, 1.31μm, 1.55μm 2파장을 합분파하는 것이다. 광통신에 사용되는 파장합분파기는 다른 파장의 신호를 합치거나 분리하거나 하는 소자이다.
파장합분파기 200은, 싱글 모드(single mode)광도파로 2, 3, 2'와 광도파로 2, 3이 교차하는 위치에 설치되는 구(groove, 4)와 유전체 다층막(5)을 갖으며, 유전체 다층막(5)은 삽입구(4)내에 삽입되어 1.55μm대에 반사역을 갖으며, 1.31μm대에 투과역을 가지고 있다.
유전체 다층막(5)은, 광도파로 2, 3이 이루는 교차각의 2 등분선에 수직으 로, 그 반사면이, 광도파로 2, 3과의 교차점에 위치하듯이 설정되어 있다.
이와 같이, 광도파로 2, 3으로 유전체 다층막(5) 에 의해서, 기하학적 반사 구조를 갖게 하며, 광도파로 2'를, 유전체 다층막(5)의 투과광상에 배치한다. 이것에 의해서, 광섬유(optical fiber, 도시하지 않음)을 개입시켜 광도파로 2를 전파하는 1.31μm와 1.55μm의 파장 다중광 중에서, 1.55μm 광을, 유전체 다층막(5)으로 반사시켜, 광도파로 3에 출력한다. 또, 1.31μm광은 , 유전체 다층막(5)을 투과시켜, 광도파로 2'에 출력한다.
도 4 (a)는 본 발명의 실시예인 파장합분파기 200을 나타내는 평면도이며, 도 4(b)는 정면도이며, 도 4(c)는 우측면도이다.
파장합분파기 200은, 폴리이미드 기판(polyimide substrate) 1과 싱글 모드(SM, single mode) 광도파로 2, 3, 2' 와 구(groove, 4)와 유전체 다층막(5)을 가진다.
싱글 모드 광도파로 2, 3, 2' 는, 폴리머(polymer) 재료인 불소화 폴리이미드(polyimide fluoride)로 형성되고 있는 코어와 클래드를 구비한다. 유전체 다층막(5)은, 구(4)내에 설치되어 있다.
광도파로 2, 3은, 기판(1)의 중앙부에 있어 교차점 C1를 구비하고 있는 교차광도파로를 형성해, 유전체 다층막(5)에 있어서의 반사광을 광도파로 3으로 이끈다. 또, 광도파로 2' 의 광축을, 광도파로 2의 광축과 일치시켜, 유전체 다층막(5)을 투과한 투과광을 광도파로 2'로 이끈다. 광도파로 2와 3이 만나는 위치에는, 구(4)가 설치되며, 구(groove)내에 유전체 다층막(5)이 삽입되어 접착제(도시하지 않 음)로 고정되고 있다.
광도파로 2에 입력된 파장역 1260∼1500nm대의 빛(광)과 파장역 1550∼1600nm대의 빛(광) 중에서, 파장역 1260∼1500nm대의 빛(광)을 투과시켜 광도파로 2' 에 결합시켜, 파장역 1550∼1600nm대의 빛(광)을 반사시켜 광도파로 3에 결합시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예와 관련되는 파장합분파기의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5(a)∼(f)는 폴리머 교차 광도파로의 제작공정을 보여주는 그림으로 폴리이미드 기판 (101)상에 하부클래드층(201)을 도포(coat) 및 베이크(bake)하며, 이어서 코어층(301)을 도포 및 베이크한다. 포토레지스트(photo resist)를 도포(도시하지 않음)한 후 사진공정으로 코어 마스크 (mask for core pattern)을 형성하며(도시하지 않음),이어서 식각공정에서는 반응성 이온에칭(RIE,reactive ion etch)장치를 이용해 코어층(301)을 패터닝하여 Y 분지 패턴인 코어(322)를 형성한다. 상부클래드층(211)으로 코어(322)를 덮는다. 다이싱 소(dicing saw, 401)로 코어(322)의 교차부를 횡단하며 상부클래드층(211)과 코어(322)와 하부클래드층(201)과 기판(101)의 상부를 절삭하여 필터 삽입구를 형성하며 파장선택 필터인 유전체 다층막(405)을 구(groove, 404)내에 삽입한다.
폴리이미드 기판 (101)은 기판의 평균 표면조도(roughness)가 50nm이하로 편파의존성 및 광손실이 적은 광학 특성이 개선된 광학용 폴리이미드 기판으로, 내열성이 우수한 재료이다. 연마제를 이용하여 표면 조도 50nm이하인 폴리이미드 기판 (101)을 만든다. 폴리머 교차광도파로의 클래드, 코어 재료로서 이용되는 불소화 폴리이미드는, 광통신 파장대인 근적외역, 특히 파장 1.3 ∼1.55μm부근에서 투명하고, 또 내열성이 300℃ 이상으로 뛰어나며, 코어와 클래드의 굴절률차이를 제어할 수 있는 폴리머재료이다. 클래드, 코어의 제조방법을 보면, 하부클래드층(201)은 파장 1.55μm의 빛에서 굴절률이 1.520 인 불소화 폴리이미드로, 폴리이미드 기판(101)상에 굴절률이 비교적 낮은 폴리이미드 전구체 용액을 스핀 코트방법으로 균일하게 도포한 후, 오븐에서 380℃ 로 1시간 가열및 큐어링(curing)으로 이미드화하여 소망한 광학특성을 갖는 폴리이미드막을 얻는다. 이 폴리이미드막으로 하부클래드층(201)을 형성한다. 다음에, 하부클래드층(201)상에 형성되는 코어층(301)은 파장 1.55μm의 빛에서 굴절률이 1.535 인 불소화 폴리이미드로, 하부클래드층(201)상에 굴절률이 비교적 높은 폴리이미드 전구체 용액을 스핀 코트방법으로 균일하게 도포한 후, 가열및 큐어링(curing)으로 이미드화하여 소망한 광학특성을 갖는 폴리이미드막을 얻는다. 이 폴리이미드막으로 코어층(301)을 형성한다. 다음에 코어층(301)상에 포토레지스트(photo resist, 도시하지 않음)를 스핀 코트한 후 교차광도파로의 크롬마스크(Cr mask)패턴을 포토리소그라피방법으로 코어층(301)상의 레지스트에 전사시킨다. 다음에 포토레지스트를 현상시켜 코어층(301)상에 교차광도파로의 마스크 패턴(도시하지 않음)을 형성한다. 마스크 패턴이 형성된 코어층(301)에 대해서 산소가스를 이용한 반응성 이온에칭(RIE)법으로 에칭을 실시하여 Y 분지 패턴인 코어(322)의 형성을 완성시킨다. 이 공정에서는 코어(322)의 에칭면이 기판(101)표면에 대해서 가능한 수직으로 되는 것이 요구되어 진다. 다음에 기판 (101)상에 상부클래드층(211)을 형성한다. 상부클래드층(211)은 파장 1.55μm의 빛에서 굴절률이 1.520 인 불소화 폴리이미드로, 기판(101)상에 굴절률이 비교적 낮은 폴리이미드 전구체 용액을 스핀 코트방법으로 균일하게 도포한 후, 오븐에서 380℃ 로 1시간 가열및 큐어링(curing)으로 이미드화하여 소망한 광학특성을 갖는 폴리이미드막을 얻는다. 이 폴리이미드막으로 상부클래드층(211)을 형성한다. 이상의 제조공정에 의해 불소화 폴리이미드로 구성되는 폴리머 교차 광도파로을 완성한다. 상술한 방법에 따라 제조된 폴리머 교차광도파로의 광도파로의 교차부분에 필터삽입구(404)를 다이싱 소(dicing saw, 401)방법으로 절삭 형성한다. 필터삽입구(404)에 유전체 다층막 필터(405)를 삽입해 고정함으로써 도5의 파장합분파기를 제작한다.
도 1은 평면광파회로의 제조공정을 보여주는 단면도이다.
도 2는 광섬유의 피복구조를 보여주는 단면 구조도이다.
도 3은 평면광파회로(PLC)를 이용한 파장합분파기(WDM)필터 구성도이다.
도 4 (a)는 본 발명의 실시예인 파장합분파기를 나타내는 평면도이다.
도 4(b)는 본 발명의 실시예인 파장합분파기를 나타내는 정면도이다.
도 4(c)는 본 발명의 실시예인 파장합분파기를 나타내는 우측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 관련되는 파장합분파기의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.

Claims (7)

  1. 반사형 파장합분파기의 제조방법에 있어서,
    폴리이미드 기판상에 하부클래드층과 코어층을 형성하는 공정과,
    상기 코어층상에 포토리소그라피방법으로 레지스트패턴을 형성하는 공정과,
    상기 코어층을 에칭하여 분지 패턴인 코어를 형성하는 공정과,
    상기 기판상에 상부클레드층을 형성하는 공정과,
    상기 코어의 교차부를 횡단하며 상기 상부클래드층과 상기 코어와 상기 하부클래드층과 상기 기판의 상부를 절삭하여 필터삽입용 구를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 파장합분파기의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 폴리이미드 기판은 표면조도가 50nm이하인 광학용 폴리이미드 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사형 파장합분파기의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 하부클래드층을 구성하는 폴리이미드 전구체 용액을 이미드화하여 파장 1.55μm의 빛에서 굴절률이 1.520 인 불소화 폴리이미드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사형 파장합분파기의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 코어층을 구성하는 폴리이미드 전구체 용액을 이미드 화하여 파장 1.55μm의 빛에서 굴절률이 1.535 인 불소화 폴리이미드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사형 파장합분파기의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 상부클래드층을 구성하는 폴리이미드 전구체 용액을 이미드화하여 파장 1.55μm의 빛에서 굴절률이 1.520 인 불소화 폴리이미드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사형 파장합분파기의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 구를 형성하는 공정은 다이싱 소로 상기 기판을 절삭하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사형 파장합분파기의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 코어의 굴절률이 상기 하부클래드층과 상기 상부클래드층의 굴절률보다 0.9％ 큼을 특징으로 하는 반사형 파장합분파기의 제조방법.
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