KR20120026367A - 나노 입자를 삽입하여 채널간 누화를 줄인 어레이형 광도파로 소자 - Google Patents

Abstract

광도파로 코어로부터 빠져나온 빛이 인근 소자의 코어로 누화되지 않도록 하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판상에 형성되는 클래딩; 상기 클래딩의 적어도 일부를 관통하도록 형성되는 코어; 및 상기 클래딩 내부에 수용되며, 상기 코어의 적어도 일 측에 형성되는 다수 개의 입자들을 포함하는 광 산란층;을 포함하는 광도파로 소자를 제공한다. 본 발명의 구조를 이용하면, 어레이 형 광도파로 소자에서 발생하는 소자들 간의 신호 누화를 감소시킬 수 있게 되고, 광신호 누화를 지금까지의 소자에 비하여 현저히 저감시킬 수 있게 됨으로써 WDM 광통신 시스템의 성능 개선에 기여하게 된다.

Description

나노 입자를 삽입하여 채널간 누화를 줄인 어레이형 광도파로 소자{Nanoparticle Imbedded Low-Crosstalk Optical Waveguide Array Devices}

본 발명은 광도파로 소자에 관한 것으로, 상세하게는 광 파장보다 작거나 유사한 크기를 가지는 입자를 광도파로 내부에 형성하여, 광도파로 코어로부터 빠져나온 빛이 인근 소자의 코어로 누화되지 않도록 광도파로 외부로 추출하기 위한 나노 입자 산란층을 구비한 광도파로 소자에 관한 것이다.

지속적인 데이터 통신망의 수요 증가는 필연적으로 광통신 기술의 발전을 요구하여 왔으며, 이는 데이터 통신의 속도를 빠른 속도로 증가시키고 있다. 단일 광통신 채널에서 초당 10기가비트(10 Gbps)를 전송할 수 있게 된 것은 2000년도 정도로 거슬러 올라가게 된다. 이후 단일 채널의 전송속도를 올리는 것은 전자소자의 동작속도 한계로 인해 매우 고비용의 소자들을 필요로 하게 되었으며, 그 대신 광소자를 이용하여 전송속도를 올릴 수 있는 파장다중화 기술이 각광을 받게 된다. 여기서, 파장다중화 기술이란 0.8 nm 또는 1.6 nm 정도의 간격을 가지면서 서로 다른 파장을 가진 40개 정도의 레이저를 이용하여, 각각의 레이저를 10 Gbps 속도로 동작시키고, 파장다중화 소자를 이용하여 이들 40개의 레이저 빛을 한군데로 모아주게 되면, 한 개의 광섬유를 통하여 400 Gbps의 초고속 신호를 전송할 수 있게 되는 기술을 의미한다.

이러한 WDM 광통신 시스템에서는, 각각의 빛에 해당하는 데이터가 독립적으로 전송이 되어야 하며, 만약 서로 다른 파장의 빛들이 전송이나 신호처리 과정에서 서로 혼합되면 누화를 발생시킨다는 문제를 지닌다. 즉, 독립적으로 하나의 파장을 하나의 광섬유를 통하여 전송할 때는 없던 문제이나, 여러 개의 파장이 하나의 광소자를 통과하는 경우에는 광소자 내부에서 채널 누화를 일으키는 문제가 심각해질 수 있다.

여러 개의 광신호를 하나의 광 집적회로를 이용하여 한꺼번에 효율적으로 처리하고자 하는 경우에 채널 누화 현상은 피할 수 없는 문제가 되며, 이러한 문제는 어레이 형 광 집적회로에서 항상 존재할 수 있는 문제이다. 그러나, 어레이 형 광 집적회로는 WDM 광통신뿐만 아니라 디스플레이, 태양광, 광센서 등에 필요한 핵심 기술을 제공할 수 있기 때문에, 이러한 분야에서 발생하는 신호 누화 현상을 극복하기 위한 기술 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 광신호 처리용 광분배기, 광스위치, 광감쇄기 등의 소자들을 하나의 기판상에 조밀하게 집적화하여 제작된 광 집적회로 소자에서, 인근 소자 간에 발생하는 광신호 누화 현상을 감소시키기 위한 기술이다. 상세히, 광 집적회로 내부에서 광소자들은 250 um 정도의 간격으로 밀착되어 제작되며, 하나의 광소자에서 빛이 누출되면 인접한 다른 광소자로 누출된 빛이 전달되어 넘어가게 되며, 이는 광신호 누화의 원인이 된다. 즉, 서로 다른 파장을 이용하여 각각의 채널에서 독립적인 신호를 전달하는 것을 필요로 하는 WDM 광통신 소자에서 이러한 광신호 누화는 전송시스템의 성능을 저하하는 원인이 된다.

본 발명은 기판; 상기 기판상에 형성되는 클래딩; 상기 클래딩의 적어도 일부를 관통하도록 형성되는 코어; 및 상기 클래딩 내부에 수용되며, 상기 코어의 적어도 일 측에 형성되는 다수 개의 입자들을 포함하는 광 산란층;을 포함하는 광도파로 소자를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 다수 개의 입자들은 마이크로 입자 또는 나노 입자를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 다수 개의 입자들 각각의 직경은 산란시키고자 하는 광파의 파장과 비슷한 크기로서 수백 nm 에서 수 마이크론 정도의 크기일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 다수 개의 입자들은 상기 코어에서 누출되는 빛을 상기 광도파로 소자 외부로 산란시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 다수 개의 입자들은 다층 구조를 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 다수 개의 입자들이 밀집하여 다수 개의 그룹을 형성하며, 상기 다수 개의 그룹들은 주기적으로 배치될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 입자들의 굴절률은 상기 클래딩의 굴절률 및 상기 코어의 굴절률보다 크도록 형성될 수 있다. 또한 굴절률이 클래딩 보다 더 낮은 나노입자를 이용하더라도 동일한 산란효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 클래딩은 상기 기판상에 형성되는 하부 클래딩 및 상기 하부 클래딩 상에 형성되는 상부 클래딩을 포함하고, 상기 코어는 상기 하부 클래딩 또는 상기 상부 클래딩 중 어느 일 측에 형성된 홈 내에 형성될 수 있다.

다른 측면에 관한 본 발명은 기판상에 하부 클래딩을 형성하는 단계; 상기 하부 클래딩 상에 홈을 패터닝하는 단계; 상기 홈이 형성된 상기 하부 클래딩 상에 코어를 형성하는 단계; 상기 코어의 주변부에 다수 개의 입자들을 포함하는 광 산란층을 형성하는 단계; 및 상기 하부 클래딩, 상기 코어 및 상기 광 산란층 상부에, 상기 하부 클래딩, 상기 코어 및 상기 광 산란층을 덮도록 상부 클래딩을 형성하는 단계;를 포함하는 광도파로 소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 다수 개의 입자들은 마이크로 입자 또는 나노 입자를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 다수 개의 입자들은 상기 코어에서 누출되는 빛을 상기 광도파로 소자 외부로 산란시킬 수 있다.

어레이 형 광도파로 소자는 대용량 광통신 시스템을 비롯하여 다양한 응용분야에서 그 중요성이 나날히 부각되어 가고 있다. 상술한 바와 같은 본 발명의 구조를 이용하면, 어레이 형 광도파로 소자에서 발생하는 소자들 간의 신호 누화를 감소시킬 수 있게 된다. 그리고, 광신호 누화를 지금까지의 소자에 비하여 현저히 저감시킬 수 있게 됨으로써 WDM 광통신 시스템의 성능 개선에 기여하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자를 개략적으로 나타낸 도면으로써, 광도파로 소자의 평면도, 측면도, 정면도를 각각 나타낸다.
도 2a내지 도 2g는 본 발명의 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자의 구현 가능한 다양한 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 광도파로 소자의 코어에서 클래딩으로 빠져나간 빛들이 나노 입자 산란층의 유무에 따라 클래딩에 갇혀서 진행하거나, 또는 산란되어 외부로 추출되는 것을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 광도파로 소자의 코어에서 클래딩으로 빛이 진행하는 것을 나노 입자 산란층의 유무에 따라 Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method 로 시뮬레이션한 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 나노 입자 산란층에 의해 빛이 산란되어 나노 입자 산란층이 없는 소자에 비해 추가적으로 손실이 발생하는 것을 FDTD로 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6a내지 도 6i는 도 1의 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자를 제작하기 위한 공정 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 평면 광도파로에 나노 입자를 코팅하고 나노 입자의 크기를 줄이기 위해 건식 식각을 실시한 후의 Scanning Electron Microscopy(SEM) 측정 사진이다.
도 8a는 나노 입자가 삽입되지 않은 평면 광도파로에 빛을 입사하고 출력되는 빛을 CCD로 관찰한 사진이고, 도 8b는 나노 입자가 삽입된 평면 광도파로에 빛을 입사하고 출력되는 빛을 CCD로 관찰한 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 산란층을 이용한 저누화 광 도파로에서, 나노 입자 산란층의 길이에 따른 광 손실 특성을 확인하기 위해 제작된 소자를 개략적으로 나타낸 도면으로써, 소자의 평면도, 측면도, 정면도를 나타낸다.
도 10은 나노 입자 산란층의 존재에 의해 발생하는 추가적인 손실을 나노 입자 산란층의 길이 변화에 대하여 측정하여 도시한 그래프이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자에 대한 내용을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명에서 제안된 나노 입자가 삽입된 광도파로 소자는 광 파장과 유사하거나 광 파장보다 작은 입자를 광도파로 내부에 삽입하여 개별 소자의 코어를 통하여 전달되는 빛들이 외부로 새어나와 인근 소자의 코어로 누출되어 광신호 누화가 일어나는 것을 방지하기 위한 기술이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자를 개략적으로 나타낸 도면으로써, 광도파로 소자의 평면도, 측면도, 정면도를 각각 나타낸다. 여기서, 광도파로 소자의 평면도는 상부 클래딩(14)이 제거된 모습을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자(10)는 기판(11), 하부 클래딩(12), 코어(13), 상부 클래딩(14) 및 광 산란층(15)을 포함한다. 이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

광 집적회로에서 광신호의 누화를 일으키는 가장 큰 원인은 개별 소자를 통하여 전달되는 빛들이 외부로 새어나오는 경우가 발생하기 때문이다. 광신호 누출의 원인은 광섬유를 광소자에 연결하는 과정에서 일부분의 빛이 새어 나오는 경우, 광도파로 소자에 존재하는 곡선 구조에서 발생하는 radiation loss, 그리고 광감쇄기와 같이 소자의 기능상 도파광을 클래딩 모드로 빼어내는 경우 등이 있다.

실리카, 폴리머, 반도체 등의 재료를 이용하여 제작 가능한 광도파로 소자의 구조를 살펴 보면, 거의 모든 경우 광도파로 코어를 클래딩이 전체적으로 감싸고 있는 형상이 되며, 다시 말하면 광섬유의 구조와 비슷하게 형성된다. 이러한 광도파로 구조가 평면상에 여러 개의 어레이 형태로 존재하는 경우, 각각의 광도파로 코어에서 빠져나온 누출 광은 클래딩에 갇힌 채 전파해 나가게 된다. 클래딩의 상부에는 굴절률이 낮은 공기층이 존재하여 전반사를 일으키게 되며, 하부에는 실리콘 기판과 같은 매우 높은 굴절률의 재료가 존재하게 되어 높은 반사율을 지니게 된다. 클래딩에 갇혀서 전파되던 광은, 특정한 산란 구조에 의해 인접한 광도파로의 코어로 커플링 되어 들어갈 수도 있고, 또는 출력부에서 다른 채널의 광섬유로 입력되는 경우도 발생하게 되며, 이는 채널간의 신호 누화의 원인이 된다. 일반적으로 이러한 신호 누화는 -35 dB 정도의 매우 작은 값인데도 불구하고, 광통신 시스템의 여러 가지 제약조건들로 인해 -40 dB 이하의 채널 누화를 요구하는 상황이 발생하게 된다.

이와 같은 채널 누화를 줄이기 위하여 본 발명에서는 광도파로 내부에 광파장보다 작거나 비슷한 크기를 가지는 마이크로 패턴을 도입하여, 클래딩으로 전달되는 누출광을 공기층이나 기판으로 완전히 빼낼 수 있는 구조를 제안하는 것이다. 또한 마이크로 입자 또는 나노 입자를 이용하여 산란 구조를 손쉽게 제작할 수 있는 공정 방법에 관해서도 제안하는 것이다. 여기서, 마이크로 입자란 입자의 크기가 마이크로 단위인 입자, 즉 입자의 크기가 약 1um ~ 1000um 사이인 입자를 의미하며, 나노 입자란 입자의 크기가 나노 단위인 입자, 즉 입자의 크기가 약 1nm ~ 1000nm 사이인 입자를 의미한다.

이하에서는 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자(10)의 각 구성 요소를 상세히 설명한다.

기판(11) 상에는 하부 클래딩(12)이 형성된다. 상세히, 전계의 분포에 영향을 미치지 않는 부도체 재료인 유리나 플라스틱 재질의 기판(11)을 준비한 후, 상기 기판(11) 상에 폴리머 재료를 코팅하고 경화하여 하부 클래딩(12)을 형성한다.

하부 클래딩(12) 상부에는 소정의 홈이 패터닝되고, 상기 홈을 채우도록 코어(13)가 형성된다. 상세히, 상기 하부 클래딩(12) 위에 하부 클래딩(12)보다 굴절률이 높은 재료를 코팅하여 홈을 채움으로써 코어(13)를 형성하는 것이다. 여기서, 코어(13)는 폴리머 재료 또는 실리카 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

하부 클래딩(12) 상부에는 광 산란층(15)이 형성된다. 이와 같은 광 산란층(15)은 다수 개의 마이크로 입자 혹은 나노 입자를 포함한다. 도면에는 광 산란층(15)을 구성하는 입자들이 구형을 이루며 한 층으로 형성되어, 일정 간격을 두고 규칙적으로 배열되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 입사광을 산란시킬 수 있다면 입자의 형상 및 배치는 다양한 형태로 구성할 수 있다 할 것이다. 이에 대하여는 도 2에서 상세히 설명한다. 여기서, 광 산란층(15)을 구성하는 나노 입자들은 각각의 직경이 산란시키고자 하는 광파의 파장과 비슷한 크기로서 수백 nm 에서 수 마이크론 정도의 크기일 수 있다. 예를 들어, 가시광선의 파장보다 작거나 유사한 크기를 가지는 입자들일 수 있다. 일반적으로 파장 범위가 약 380nm ~ 770nm 사이의 빛을 가시광선이라고 지칭하는바, 광 산란층(15)을 구성하는 나노 입자들은 380nm ~ 770nm 사이, 또는 380nm 이하의 크기를 가지는 입자들일 수 있는 것이다.

하부 클래딩(12), 코어(13) 및 광 산란층(15)의 상부에는 하부 클래딩(12), 코어(13) 및 광 산란층(15)을 덮도록 상부 클래딩(14)이 형성된다. 즉, 하부 클래딩(12), 코어(13) 및 광 산란층(15) 위에 폴리머 재료를 코팅하고 이를 경화하여 상부 클래딩(14)을 형성하여, 광도파로 소자(10)의 구조를 완성한다.

도 2a내지 도 2f는 본 발명의 나노 입자 산란층의 광도파로 소자의 구현 가능한 다양한 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명의 나노 입자를 이용한 광도파로 소자의 마이크로 입자 혹은 나노 입자 구조를 이용한 광 산란층은 광도파로 소자 구조 내의 다양한 위치에 배치되는 것이 가능하다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이 광 산란층(15a)이 코어(13)의 아래쪽에 배치될 수도 있으며, 도 2b에 도시된 바와 같이 광 산란층(15b)이 코어(13)와 동일한 평면상에 배치될 수도 있다. 또한, 도 2c에 도시된 바와 같이 광 산란층(15c)이 상부 클래딩(14) 내의 상부에 배치될 수도 있으며, 도 2d에 도시된 바와 같이 광 산란층(15d)이 하부 클래딩(12) 내의 하부에 배치될 수도 있다.

한편, 도 2e에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광 산란층(15e)은 광도파로 소자 구조 내에서 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 도 2f에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광 산란층(15f)은 광도파로 소자 구조 내에서, 다수 개의 입자들이 밀집하여 그룹을 형성하며, 상기 그룹들이 주기적으로 배치되도록 형성될 수도 있으며, 나아가, 도 2g에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광 산란층(15g)은 광도파로 소자 구조 내에서 다층의 주기적인 형태로 형성될 수도 있는 것이다.

이와 같이, 광도파로 소자의 구조 및 물질에 따라 높은 효율을 가지게 되는 나노 입자 구조를 다양하게 설계하여 제작할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 광도파로 소자의 코어에서 클래딩으로 빠져나간 빛들이 나노 입자 산란층의 유무에 따라 클래딩에 갇혀서 진행하거나, 또는 산란되어 외부로 추출되는 것을 비교하여 나타낸 도면이다.

도 3a를 참조하면, 나노 입자가 삽입되지 않은 광도파로 소자(10')의 광섬유(16)를 거쳐 코어(13)로부터 빠져나온 빛(L)의 대부분이 클래딩(14)과 공기 혹은 클래딩(14)과 기판(11)과의 굴절률 차이로 인해 경계면에서의 전반사 조건을 만족하여 클래딩(14) 내부로 진행하게 되고 출력단에서 출력된다.

반면, 도 3b를 참조하면, 클래딩(14) 내부에 나노 입자 등을 포함하는 광 산란층(15)이 삽입된 광도파로 소자(10)의 코어(13)로부터 빠져나온 빛은, 클래딩(14) 내부의 광 산란층(15)에 의해 산란되어, 많은 빛이 전반사 조건을 만족시키지 못하고 광도파로 소자(10) 외부로 빠져나가게 된다.

다음으로, 본 발명에서 제안하는 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자의 동작 특성을 확인하기 위하여, Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method를 이용하여 기본적인 구조에 대한 시뮬레이션을 실시하였다.

도 4a 및 도 4b는 광도파로 소자의 코어에서 클래딩으로 빛이 진행하는 것을 나노 입자 산란층의 유무에 따라 Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method 로 시뮬레이션한 사진이다.

시뮬레이션을 하기 위한 광도파로 소자의 구조는 코어(n=1.44), 클래딩(n=1.43), 나노 입자(n=1.57)로 구성되며, 나노 입자의 크기는 700 nm, 코어의 두께는 7 ㎛, 클래딩의 두께는 25 ㎛ 이다. 광섬유를 이용하여 광도파로 소자의 코어에 빛을 입사시키면, 코어를 따라 진행하던 빛이 코어가 끝나는 지점에서부터 클래딩으로 빠져나가게 된다.

도 4a를 참조하면, 나노 입자가 없는 클래딩에서는 클래딩과 기판과의 경계에서 전반사 각도를 만족시키지 못하는 일부의 빛이 빠져나가는 것을 볼 수 있고, 클래딩과 공기와의 경계에서는 전반사 조건을 만족하여 많은 빛이 클래딩을 통하여 계속해서 전파되는 것을 시뮬레이션으로 확인할 수 있다.

반면, 도 4b를 참조하면, 나노 입자를 포함하는 클래딩에서는 클래딩에서 진행하다가 나노 입자에 의해 산란된 빛들이 클래딩과 공기 혹은 클래딩과 기판과의 경계에서 전반사 각도를 만족시키지 못하고 광도파로 소자의 외부로 빠져나가게 되는 것을 확인할 수 있다.

도 5a내지 도 5b는 나노 입자 산란층에 의해 빛이 산란되어 나노 입자 산란층이 없는 소자에 비해 추가적으로 손실이 발생하는 것을 FDTD로 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.

나노 입자 산란층이 없는 광도파로 소자에 대한 시뮬레이션 결과인 도 5a와 나노 입자 산란층을 포함하는 광도파로 소자에 대한 시뮬레이션 결과인 도 5b를 비교하면, 나노 입자를 가지지 않은 광도파로 소자에 비해 나노 입자를 가지는 광도파로 소자에서 약 17.9 dB/cm의 추가적인 손실이 발생되는 것을 확인할 수 있다.

도 6a내지 도 6i는 도 1의 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자를 제작하기 위한 공정 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 소자는, 광도파로를 구성하기 위해 UV 경화성 폴리머를 사용하며, 광 산란층을 구성하기 위해 폴리머 나노 입자를 사용한다.

나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자를 제작하기 위해 먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 실리콘 등의 재질로 형성된 기판(11)상에 UV 경화성 폴리머를 20 ㎛ 정도 코팅하고 UV 경화를 실시하여 하부 클래딩(12)을 만든다. 다음으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 하부 클래딩(12) 상에 광도파로 패턴을 형성하기 위하여 포토레지스트(photoresist)(17)를 코팅하고, 그 위에 소정의 패턴이 형성된 포토 마스크(Photomask)를 이용하여 UV를 조사한다. 다음으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 식각 공정을 실시함으로써, 하부 클래딩(12)에 코어를 형성하기 위한 홈(12a)을 패터닝한다. 다음으로, 도 6d에 도시된 바와 같이, 하부 클래딩(12)의 표면에 표면 처리를 한 후, UV 경화성 폴리머를 코팅하고 경화하여, 광도파로 소자의 코어(13)를 형성한다.

다음으로, 도 6e에 도시된 바와 같이, 코어(13)에 나노 입자가 코팅되지 않도록, 하부 클래딩(12) 상부에 포토레지스트(photoresist)(17)를 코팅하고, 그 위에 포토 마스크를 이용하여 UV를 조사한 후 현상하여, 코어(13) 상부에 포토레지스트 패턴을 형성한다.

다음으로, 도 6f에 도시된 바와 같이, 하부 클래딩(12) 위에 나노 입자를 스핀 코팅하여 층을 형성하고, 도 6g에 도시된 바와 같이, 나노 입자의 크기를 조절하기 위해 식각 공정을 실시하여, 광 산란층(15)을 형성한다.

그리고 나서, 도 6h에 도시된 바와 같이, 코어(13)를 덮고 있는 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 도 6i에 도시된 바와 같이, UV 경화성 폴리머를 10 ㎛ 정도 코팅하고 UV 경화를 실시하여 상부 클래딩(14)을 만든다.

도 7은 평면 광도파로 소자에 나노 입자를 코팅하고 나노 입자의 크기를 줄이기 위해 건식 식각을 실시한 후의 Scanning Electron Microscopy (SEM) 측정 사진이다.

도 7을 참조하면, 초기 350 nm의 직경을 가지는 나노 입자를 식각함으로써 250 nm의 직경까지 조절하였고, 나노 입자의 위치는 유지된 채로 직경이 줄어듦으로 인해 나노 입자 간에 200 nm 정도의 거리가 발생함을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 산란층을 이용한 광도파로 소자의 특성을 확인하기 위해, 코어 없이 클래딩만 존재하는 평면 광도파로를 제작하고 단층의 나노 입자구조를 삽입하였다. 실리콘 기판상에 1.43의 굴절률을 가지는 폴리머 재료를 이용하여 클래딩을 제작하였고, 나노 입자는 초기 직경 2 ㎛를 가지는 폴리머 입자를 단층으로 코팅한 후에, 식각 공정으로 700 nm까지 크기를 줄였다. 다음으로 클래딩을 코팅함으로써 나노 입자 구조가 삽입된 평면 광도파로를 제작하였다. 또한 광도파로 특성을 비교하기 위하여 나노 입자가 삽입되지 않은 평면 광도파로를 함께 제작하였다.

도 8a는 나노 입자가 삽입되지 않은 평면 광도파로에 빛을 입사하고 출력되는 빛을 CCD로 관찰한 사진이고, 도 8b는 나노 입자가 삽입된 평면 광도파로에 빛을 입사하고 출력되는 빛을 CCD로 관찰한 사진이다.

도 8을 참조하면, 평면 광도파로에 광섬유를 통하여 빛을 삽입하면, 클래딩을 통해 진행하던 빛은 양 옆으로 퍼지게 되는 것을 확인할 수 있다. 도 8a를 참조하면, 나노 입자 구조가 삽입되지 않은 평면 광도파로에서는 많은 양의 빛이 클래딩을 따라 진행하고 출력단에서 출력된다. 이때, 평면 광도파로에서 빛의 진행거리에 따른 손실은 9.8 dB/cm로 측정되었다. 한편, 도 8b를 참조하면, 나노 입자구조가 삽입된 평면 광도파로에서는 많은 빛이 광도파로의 외부로 빠져나가게 되어 출력되는 빛의 양이 급격히 줄어듦을 알 수 있다. 이때, 나노 입자가 삽입된 평면 광도파로에서 빛의 진행 거리에 따른 손실은 19.3 dB/cm로 측정되었다. 결론적으로 평면 광도파로에 단층의 나노 입자구조를 삽입함으로써 9.5 dB/cm 정도의 추가적인 손실을 얻을 수 있음을 확인하였다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 산란층을 이용한 저누화 광 도파로에서, 나노 입자 산란층의 길이에 따른 광 손실 특성을 확인하기 위해 제작된 소자를 개략적으로 나타낸 도면으로써, 소자의 평면도, 측면도, 정면도를 나타낸다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 저누화 광도파로 소자(20)는 실리콘 기판(21)의 상단에 하부 클래딩(22), 상부 클래딩(24) 및 코어(23)로 구성되어있고, 광도파로 소자(20)의 클래딩의(22,24) 내부에 마이크로 입자 혹은 나노 입자를 포함하는 광 산란층(25)가 삽입된 구조를 가진다. 빛이 광 산란층(25)을 지나가는 길이에 따른 광 손실 특성을 확인하기 위해, 광도파로 소자의 코어(23)는 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 cm의 길이를 가지도록 제안되었고, 상대적으로 광 산란층(25)의 길이는 1.5, 1.0, 0.5, 0 cm의 길이를 가지도록 제안되었다. 또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 나노 입자 산란층을 가지지 않는 광소자에 비한 추가적인 손실을 확인하기 위해, 위와 동일한 광도파로 소자의 구조에서 나노 입자를 가지지 않는 소자가 제안되었다.

도 9의 구조에 따르면, 광도파로 소자(20)의 코어(23)를 따라 진행하던 빛은 코어(23)가 끝나는 지점에서 클래딩(22,24)으로 퍼져나가게 되고 클래딩(22,24)을따라 전반사 조건을 만족하며 계속해서 진행하게 된다. 이때, 나노 입자 산란층을 포함하는 클래딩에서는 나노 입자에 의해 산란된 빛들이 클래딩과 공기 혹은 클래딩과 기판과의 경계에서 전반사 각도를 만족시키지 못하고 광도파로 소자(20)의 외부로 빠져나가게 된다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 저누화 광도파로 소자(20)는 도 6에서 보는 것과 유사한 공정 과정으로 제작되었다. 또한, 광도파로 소자의 클래딩에 나노 입자 산란층이 단층구조로 형성된 소자와 다층구조로 형성된 소자가 제작되었으며, 추가적인 손실을 확인하기 위해 동일한 광도파로 코어의 구조에서 나노 입자를 가지지 않는 소자가 추가적으로 제작되었다.

도 10은 나노 입자 산란층의 존재에 의해 발생하는 추가적인 손실을 나노 입자 산란층의 길이 변화에 대하여 측정하여 도시한 그래프이다.

제작된 광도파로 소자에 빛을 입사하고, 광도파로 소자의 클래딩으로부터 출력되는 빛을 렌즈로 집광시킨 후, 광 파워를 측정하였다. 이때, 광 산란층을 가지지 않은 소자와 광 산란층을 가진 소자의 광 파워를 측정하고 비교하여 추가적인 손실을 계산하였다. 결과적으로, 광 산란층의 길이에 따라서 추가적인 손실이 거의 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 단층구조의 나노 입자 산란층을 가지는 소자에서 약 22.69 dB/cm 의 추가적인 손실이 발생하는 것을 확인하였다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 광도파로 소자
11: 기판
12: 하부 클래딩
13: 코어
14: 상부 클래딩
15: 광 산란층

Claims (5)

1. 기판;
   상기 기판상에 형성되는 클래딩;
   상기 클래딩의 적어도 일부를 관통하도록 형성되는 코어; 및
   상기 클래딩 내부에 수용되며, 상기 코어의 적어도 일 측에 형성되는 다수 개의 입자들을 포함하는 광 산란층;을 포함하는 광도파로 소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 다수 개의 입자들은 마이크로 입자 또는 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 다수 개의 입자들은 상기 코어에서 누출되는 빛을 상기 광도파로 소자 외부로 산란시키는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자.
4. 기판상에 하부 클래딩을 형성하는 단계;
   상기 하부 클래딩 상에 홈을 패터닝하는 단계;
   상기 홈이 형성된 상기 하부 클래딩 상에 코어를 형성하는 단계;
   상기 코어의 주변부에 다수 개의 입자들을 포함하는 광 산란층을 형성하는 단계; 및
   상기 하부 클래딩, 상기 코어 및 상기 광 산란층 상부에, 상기 하부 클래딩, 상기 코어 및 상기 광 산란층을 덮도록 상부 클래딩을 형성하는 단계;를 포함하는 광도파로 소자의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 다수 개의 입자들은 마이크로 입자 또는 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자의 제조 방법.

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