KR20160094269A - 포화 흡수체 및 그 제조 방법, 그리고 이를 이용한 펄스 레이저 장치 - Google Patents

포화 흡수체 및 그 제조 방법, 그리고 이를 이용한 펄스 레이저 장치 Download PDF

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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
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    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3523—Non-linear absorption changing by light, e.g. bleaching

Abstract

포화 흡수체 제조 방법은 웨이퍼 상에 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이를 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역에 포화 흡수 물질을 배치하는 단계, 및 상기 웨이퍼를 절단하여 상기 복수의 광도파로 각각에 대응하는 복수의 광도파로형 포화 흡수체로 분리하는 단계를 포함한다.

Description

포화 흡수체 및 그 제조 방법, 그리고 이를 이용한 펄스 레이저 장치 {Saturable absorber and manufacturing method thereof, and pulse laser device using the same}
광도파로형 포화 흡수체에 연관되며, 보다 상세하게는 펄스 레이저 공진기(cavity)내에 모드 잠금(mode-locking) 구현을 위해 이용되는 광도파로형 포화 흡수체에 연관된다.
반도체, 차세대 디스플레이, LED, 태양전지 등 우리나라의 경제 성장을 견인하는 주축 산업분야에서 레이저를 이용한 초미세 가공이 날로 각광을 받고 있다. 그러나 기존 레이저를 이용한 마이크로 가공이 레이저 광과 재료 사이의 상호 반응에 의한 발열로 인해 한계에 도달한 바, 1990년 이후로 극초단 펄스 레이저를 이용하는 가공기술이 개발되기 시작하였다.
극초단 펄스 레이저 가공 기술은 비열 초미세 녹색 가공기술로서 초미세 형상 가공 및 리페어링이 가능하여 재료의 표면뿐만 아니라 투명 재료의 내부에도 초미세 형상을 형성할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 그 응용분야는 날로 확대되어 반도체 산업분야에서뿐만 아니라 시각 교정 및 생체 치료분야, 이광자 흡수 기반 삼차원 형상 가공 분야 및 광결정 가공분야에까지 이르게 되었다.
극초단 펄스 레이저 가공 기술은 그 장점을 바탕으로 소형화를 통한 사용 편리성까지 갖추게 되었는데, 소형화된 펄스 레이저의 발전과 더불어 이를 실외 환경에서 휴대용(portable) 기기로 응용하고자 하는 관심이 크게 증가하고 있는 추세이며, 장기간 안정화가 가능한 펄스 레이저의 필요성이 증대되고 있다. 휴대용 장치로 활용할 수 있는 분야로는 다양한 휴대용 센서(portable sensor), 원거리 센서(remote sensor), 절대거리 측정 장치, 테라헤르츠파 발진기 등이 있다.
통상적으로 극초단 광펄스는 이득 스위칭, Q-스위칭, 광전궤한법, 자기 발진 레이저 또는 모드 잠금 등의 방법을 통해 생성된다. 산업계에서는 이 중 가간섭성이 큰 극초단 펨토초 광펄스를 생성하기 위하여 모드 잠금 방식(mode-locking method)을 주로 사용하고 있다.
일반적으로 레이저 발진기는 공진기(cavity)와 이득 매질(gain medium)로 이루어지는데, 광학적 증폭기에 해당하는 이득 매질의 증폭 대역과 공진기 길이를 변화시킴으로서 레이저가 단일모드 또는 공진모드(resonance mode)로 작동하도록 제어할 수 있다. 펄스 레이저에 포함되는 극초단의 펨토초 레이저는 대략 100,000∼1,000,000개의 공진모드를 가지는데, 주변 환경 변화에 따라 위상이 일치되는 일정한 순간에 보강간섭을 일으켜 극초단 펄스를 생성하게 된다.
모드 잠금은 외부 변조신호의 인가 여부에 따라 능동 모드 잠금과 수동 모드 잠금으로 분류한다. 일반적으로 수동 모드 잠금이 능동 모드 잠금에 비하여 짧은 펄스를 생성할 수 있으므로 극초단 펄스 레이저에는 수동 모드 잠금이 많이 이용된다.
포화 흡수체(saturable absorber)는 이러한 수동 모드 잠금을 구현하기 위하여 공진기 내에 삽입되는 광학적 매질이며 주로 반도체 포화 흡수 거울(Semi-conductor Saturable Absorber Mirror, SESAM)을 많이 이용한다. 그 밖에 생산 단가 절감, 모드 잠금 가능한 파장 대역의 확장을 위해 탄소나노튜브(CNTs)나 그래핀(graphene) 또는 위상학적 절연체(topological insulator)와 같은 포화 흡수 물질(saturable absorption material)을 이용한 포화 흡수체 개발에 대한 연구도 많이 수행되고 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 광섬유 기반 투과형 포화 흡수체를 도시한다.
도 1은 테이퍼드 광섬유(tapered-fiber) 기반 포화 흡수체로, 광섬유 내부 코어(2)를 따라 도파하는 빛의 감쇠장이 포화 흡수 물질이 코팅될 부분까지 새어나오도록, 열을 가한 광섬유(1)를 양쪽에서 잡아당기어 광섬유(1) 가운데 부분을 가늘게 만들고, 이 가늘어진 부분(3) 주위에 포화 흡수 물질(4)을 감싸는 형태로 코팅하므로 광섬유(1)의 가늘어진 부분(3)에서 감쇠되어 나오는 빛과 포화 흡수 물질(3)이 상호작용하도록 한다.
도 2는 측면이 연마된 광섬유(Side polished fiber)기반 포화 흡수체로 광섬유(5)를 광섬유 홀더(8)에 삽입시킨 후, 측면(7)을 연마(polishing)하고 그 위에 포화 흡수 물질(6)을 코팅하여 광섬유(5)의 연마된 면에서 감쇠되어 나오는 빛과 포화 흡수 물질(6)이 상호작용하도록 하고 있다. 즉 광섬유(5) 내부 코어를 따라 도파하는 빛의 감쇠장이 포화 흡수 물질이 코팅될 영역까지 새어나오도록 광섬유(5) 표면을 연마하므로 원형의 형태에서 D형의 형태로 바뀌게 된다. 이 연마된 표면에 포화 흡수 물질(6)을 코팅하므로 광섬유 내부 코어를 도파하는 빛의 감쇠장과 그 감쇠장이 미치는 범위에 코팅된 포화 흡수 물질 간의 상호작용을 이용하여 포화 흡수체를 제작한다.
그러나 이와 같은 포화 흡수체는 개별 광섬유를 일일이 가공해야 하므로 생산성 측면에서 비효율적인 단점이 있다.
또한, 광섬유를 포화 흡수체 소자로 가공하기 위한 별도의 공정 장비와 인력을 필요로 한다.
US 8384991
[1] K. Kieu, M. Mansuripur, Opt. Lett. 32(15), 2242-2244 (2007) [2] Y. -W. Song, S. Yamashita, C. S. Goh, S.Y. Set, Opt. Lett. 32(2), 148-150 (2007) [3] H. Jeong, S.Y. Choi, E. I. Jeong, S. J. Cha, F. Rotermund, D.-1. Yeom, Appl. Phys. Express 6, 052750 (2013)
일측에 따르면, 포화 흡수체 제조 방법은 웨이퍼 상에 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이를 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역에 포화 흡수 물질을 배치하는 단계, 및 상기 웨이퍼를 절단하여 상기 복수의 광도파로 각각에 대응하는 복수의 광도파로형 포화 흡수체로 분리하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 포화 흡수체 제조 방법은 상기 오버클래딩층의 일부를 제거하여 상기 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일실시예에서, 상기 복수의 광도파로는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치된다.
일실시예에서, 상기 광도파로 어레이를 형성하는 단계는, 상기 웨이퍼 상에 코어층을 형성하는 단계, 및 상기 코어층의 적어도 일부를 제거하여 상기 복수의 광도파로를 형성하는 단계를 포함한다. 일실시예에서, 상기 코어층은 상기 웨이퍼보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함한다.
일실시예에서, 상기 광도파로 어레이를 형성하는 단계는, 상기 웨이퍼 상에 패터닝된 마스크를 형성하는 단계, 및 이온 교환 공정을 통해 상기 복수의 광도파로를 형성하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 복수의 광도파로 각각은 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장한다. 일실시예에서, 상기 포화 흡수 물질은 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함한다.
다른 일측에 따르면, 포화 흡수체 어레이는 웨이퍼, 상기 웨이퍼의 일면 상에 형성된 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층, 및 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역에 배치된 포화 흡수 물질을 포함한다.
다른 일측에 따르면, 포화 흡수체 제조 방법은 웨이퍼 상에 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이를 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각을 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역에 포화 흡수 물질을 배치하는 단계, 및 상기 웨이퍼를 절단하여 상기 복수의 광도파로 각각에 대응하는 복수의 광도파로형 포화 흡수체로 분리하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 포화 흡수체 제조 방법은 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 제거하여 상기 복수의 광도파로 각각을 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일실시예에서, 상기 복수의 광도파로는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치된다.
일실시예에서, 상기 광도파로 어레이를 형성하는 단계는, 상기 웨이퍼 상에 코어층을 형성하는 단계, 및 상기 코어층의 적어도 일부를 제거하여 상기 복수의 광도파로를 형성하는 단계를 포함한다. 일실시예에서, 상기 코어층은 상기 웨이퍼보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함한다.
일실시예에서, 상기 광도파로 어레이를 형성하는 단계는, 상기 웨이퍼 상에 패터닝된 마스크를 형성하는 단계, 및 이온 교환 공정을 통해 상기 복수의 광도파로를 형성하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 복수의 광도파로 각각은 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장한다. 일실시예에서, 상기 포화 흡수 물질은 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함한다.
다른 일측에 따르면, 포화 흡수체 어레이는 웨이퍼, 상기 웨이퍼의 일면 상에 형성된 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이, 및 상기 복수의 광도파로 각각을 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역에 배치된 포화 흡수 물질을 포함한다.
다른 일측에 따르면, 광섬유 기반의 펄스 레이저 장치는 웨이퍼 상에 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이를 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역에 포화 흡수 물질을 배치하는 단계, 및 상기 웨이퍼를 절단하여 상기 복수의 광도파로 각각에 대응하는 복수의 광도파로형 포화 흡수체로 분리하는 단계를 포함하는 포화 흡수체 제조 방법을 이용하여 제조된 포화 흡수체를 포함한다.
다른 일측에 따르면, 광도파로 기반의 펄스 레이저 장치는 웨이퍼 상에 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이를 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 형성하는 단계, 상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역에 포화 흡수 물질을 배치하는 단계, 및 상기 웨이퍼를 절단하여 상기 복수의 광도파로 각각에 대응하는 복수의 광도파로형 포화 흡수체로 분리하는 단계를 포함하는 포화 흡수체 제조 방법을 이용하여 제조된 포화 흡수체를 포함한다.
도 1은 일반적인 광섬유 기반 포화 흡수체를 도시한다.
도 2는 일반적인 광섬유 기반 포화 흡수체를 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 감쇠장 상호작용을 이용하는 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다.
도 4는 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체가 웨이퍼 상에 서로 일정한 간격으로 이격되어 형성된 포화 흡수체 어레이를 도시한다.
도 5 내지 도 11은 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체 제조 과정을 도시한다.
도 12 내지 도 14는 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다.
도 15는 일실시예에 따른 포화 흡수 물질 투과 방식을 이용하는 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다.
도 16는 일실시예에 따른 포화 흡수 물질 투과 방식을 이용하는 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다.
도 17 내지 도 20은 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체 제조 과정을 도시한다.
도 21은 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다.
이하에서, 실시예들을, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 3은 일실시예에 따른 감쇠장 상호작용을 이용하는 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광도파로형 포화 흡수체는 기판(10), 기판(10)의 일면 상에 형성된 광도파로(20), 기판(10) 및 광도파로(20) 상에 형성된 오버클래딩층(40), 및 광도파로(20)를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역에 적어도 일부가 형성된 포화 흡수 물질(50)을 포함한다. 광도파로(20)를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역은 광도파로(20)와 접촉한 영역 또는 광도파로(20)에서 빛의 감쇠장이 새어나올 정도로 충분히 근접한 영역일 수 있다.
일실시예에서, 광도파로형 포화 흡수체는 광도파로(20)를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역을 제공하기 위하여 오버클래딩층(40)의 일부가 에칭 공정 등에 의해 제거된 공간을 가질 수 있다. 예를 들어, 광도파로(20)를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역은 광도파로(20) 상부에 위치한 영역(30)으로서 광도파로(20)와 접촉하는 영역 또는 근접한 영역일 수 있다. 이러한 공간에 포화 흡수 물질(50)을 배치함으로써 포화 흡수 기능을 구현할 수 있다.
기판(10)은 웨이퍼 공정에 필요한 실리콘(Si) 또는 실리카(SiO2) 웨이퍼로, 실리콘(Si)을 이용한 웨이퍼 공정은 실리콘 봉(silicon ingot)의 성장으로부터 시작된다. 실리콘 봉을 웨이퍼로 만드는 과정은 다음과 같다.
우선, 실리콘 봉을 얇게 잘라내어 얇은 디스크 형상의 웨이퍼로 만든다. 그런 다음 모서리 윤곽 작업 혹은 모떼기를 실시하는데, 웨이퍼의 원주 모서리 부분에 대한 모떼기(chamfering) 작업을 한다.
이후, 높은 수준의 웨이퍼 평면도와 평행도를 달성하기 위하여 래핑 또는 연마 작업을 수행한다. 그리고 더 이상의 기계적 손상 없이 슬라이싱이나 평탄화에 의해 야기된 손상을 화학적으로 제거한 뒤, 폴리싱을 통하여 거울면을 얻어내는 것이다.
여기서, 상기 실리콘 봉(silicon ingot)의 성장은 단결정 성장으로 고속도로 정제된 실리콘용 용액에 스피드(SPEED) 결정을 접촉, 회전시키면서 단결정 규소봉(INGOT)을 성장시키며, 성장된 규소봉을 균일한 두께의 얇은 웨이퍼로 잘라낸다. 웨이퍼의 크기는 규소봉의 구경에 따라 3", 4", 6", 8"로 만들어지며 생산성 향상을 위해 점점 대구경화 경향을 보이고 있다.
이후, 웨이퍼 표면 연마는 웨이퍼의 한쪽 면을 연마하여 거울 면처럼 만들어 주며, 이 연마된 면에 회로 패턴을 그려 넣게 되고, CAD(Computer Aided Design)시스템을 사용하여 전자회로와 실제 웨이퍼 위에 그려질 회로패턴을 설계하는 것이다. 이때 설계된 회로패턴을 E-beam 서리로 유리판 위에 그려 마스크를 만들고, 고온(800~1200℃)에서 산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면과 화학 반응시켜 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO2)을 형성 시키며, 그런 다음 빛에 민감한 물질인 포토레지스트를 웨이퍼 표면에 고르게 도포시킨다.
이어서, 스템퍼를 사용하여 마스크에 그려진 회로패턴에 빛을 통과시켜 포토레지스트막이 형성된 웨이퍼위에 회로 패턴을 찍는 노광 단계를 거치며, 회로패턴을 형성시켜 주기 위해 화학물질이나 반응성 가스를 사용하여 필요 없는 부분을 선택적으로 식각한다. 이러한 패턴형성과정은 각 패턴 층에 대해 계속적으로 반복된다.
이후, 회로패턴과 연결된 부분에 불순물을 미세한 가스 입자 형태로 가속하여 웨이퍼의 내부에 침투시킴으로써 전자소자의 특성이 만들어지고, 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)공정을 통하여 가스간의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 증착하여 절연막이나 전도성 막을 형성시킨다. 이어서, 웨이퍼 표면에 형성된 각 회로를 알루미늄 선으로 연결시키고 웨이퍼를 자동 선별하여, 웨이퍼를 절단하고, 웨이퍼 표면을 연마하는 과정이 이루어진다.
광도파로(20)는 빛이 전반사를 일으키며 도파되는 경로이다. 일실시예에서, 광도파로(20)는 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장할 수 있다. 광도파로(20)는 전반사 구현을 위하여 기판(10)보다 높은 굴절률을 갖는 층으로 형성될 수 있다. 기판(10)의 굴절률이 광도파로(20)의 굴절률보다 높을 경우, 광도파로(20)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 언더클래딩층을 기판(10) 및 광도파로(20) 사이에 개재시킬 수 있다.
오버클래딩층(40)은 기판(10)의 상부 및 광도파로(20)를 둘러싸는 층으로서, 광도파로(20)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 오버클래딩층(40)은 광도파로(20)의 적어도 일부를 도파하는 빛의 감쇠장이 외부에 드러나도록 형성된다. 즉, 광도파로(20)를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역을 제공하기 위하여, 오버클래딩층(40)은 광도파로(20)의 일부의 상부(30)에는 형성되지 않거나 충분히 얇게 형성될 수 있다.
광도파로(20)를 진행하는 빛은 전반사로 인해 광도파로(20) 내부에 국한되어 도파되며 감쇠장이 나타난다. 감쇠장은 광도파로에서 굴절률 또는 광학적 특성이 서로 상이한 기판(10), 광도파로(20) 및 오버클래딩층(40)의 경계면에서 형성되는 빛의 근접장으로 손실은 없으나 거리에 따라 그 세기가 지수적으로 감소하는 것을 말한다.
포화 흡수 물질(50)은 클래딩층(40) 상부에 형성된 층이며, 물질에 입력되는 빛의 세기가 증가함에 따라 빛이 겪는 손실률이 감소하는 비선형 손실을 갖는 물질이다. 비선형 손실을 갖는 물질로는 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 등이 있다. 탄소 나노 구조물의 예로는 그래핀 또는 탄소 나노관 등이 있고, 위상학적 절연체의 예로는 Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3 등이 있다.
도 4는 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체가 웨이퍼 상에 서로 일정한 간격으로 이격되어 형성된 포화 흡수체 어레이를 도시한다. 웨이퍼 상에 포화 흡수체 어레이를 형성하는 방식을 통해, 예를 들어 증착 공정, 포토리소그래피 공정, 에칭 공정, 및 이온 교환 공정 등을 이용하여 웨이퍼 상에 복수의 광도파로형 포화 흡수체를 포함하는 포화 흡수체 어레이를 제조할 수 있다. 복수의 광도파로형 포화 흡수체 각각은 예를 들어 도 3에 도시된 포화 흡수체일 수 있다.
웨이퍼 상에 포화 흡수체 어레이가 제조되면, 다이싱 공정 등을 이용하여 개별적인 복수의 포화 흡수체로 분리시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 종래의 포화 흡수체 생산 공정에 비하여 현저히 많은 수량의 포화 흡수체를 일시에 생산할 수 있다. 따라서, 종래의 포화 흡수체 생산 공정에 비하여 시간 소모 및 비용 소모 면에서 크게 향상된 생산성을 얻을 수 있다.
도 5 내지 도 11은 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체 제조 과정을 도시한다. 이하에서는 도 5 내지 도 11을 참조하여 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체의 제조 과정을 설명한다. 도면 상에는 하나 또는 두 개의 포화 흡수체를 제조하는 과정이 도시되더라도, 동일한 공정을 통해 웨이퍼 상에 다수의 포화 흡수체를 동시에 제조할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다.
도 5는 웨이퍼(10)가 제공된 모습을 보여준다. 웨이퍼는 실리콘(Si)이나 실리카(SiO2)를 포함할 수 있으며 실리콘(Si)을 이용하는 웨이퍼 공정은 실리콘 봉(silicon ingot)의 성장으로부터 시작된다. 실리콘 봉을 웨이퍼로 만드는 과정은 앞에서 설명한 바와 같다.
도 6은 도 5에서 제공된 웨이퍼(10) 상에 빛이 전반사되어 일으키며 도파될 수 있는 코어층(20)을 증착한 모습을 보여준다. 일실시예에서, 코어층(20)은 웨이퍼(10)보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 선택될 수 있다. 대안으로서, 웨이퍼(10)가 코어층(20)보다 굴절률이 높은 경우, 코어층(20)보다 낮은 굴절률을 갖는 언더클래딩층(미도시)을 웨이퍼(10) 상에 먼저 증착한 후 코어층(20)을 증착할 수 있다.
도 7은 증착된 코어층(20)을 포토리소그래피(photolithogrphy) 및 에칭(etching) 공정을 이용하여 일정한 간격으로 서로 이격된 복수의 광도파로(20)를 형성한 모습을 보여준다. 일실시예에서, 복수의 광도파로(20) 각각은 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장할 수 있다.
도 8은 웨이퍼(10) 및 도 7에서 형성된 광도파로(20) 상에 오버클래딩층(40)을 증착한 모습을 보여준다. 오버클래딩층(40)은 광도파로(20)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
도 9는 오버클래딩층(40)의 일부를 제거한 모습을 보여준다. 이 때, 오버클래딩층(40)의 일부는 광도파로(20)를 도파하는 빛의 감쇠장이 외부에 드러나도록 제거될 수 있다. 즉, 오버클래딩층(40)은 광도파로(20)의 일부에 대하여 충분히 얇은 두께만을 남기고 제거되거나, 광도파로(20)의 표면이 드러나도록 완전히 제거될 수 있다. 이러한 오버클래딩층(40)의 제거는 광도파로를 진행하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역을 제공하기 위한 것이다.
도 10은 광도파로(20) 및 오버클래딩층(40) 상에 포화 흡수 물질(50)을 증착한 모습을 보여준다. 도시된 예에서, 포화 흡수 물질(50)은 광도파로(20) 상부에서 광도파로(20)를 진행하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있도록 배치된다. 포화 흡수 물질(50)은 물질에 입력되는 빛의 세기가 증가함에 따라 빛이 겪는 손실률이 감소하는 비선형 손실을 갖는 물질이다. 비선형 손실을 갖는 물질로는 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 등이 있다. 탄소 나노 구조물의 예로는 그래핀 또는 탄소 나노관 등이 있고, 위상학적 절연체의 예로는 Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3 등이 있다.
도 11은 이상의 공정에 의해 포화 흡수체 어레이가 형성된 웨이퍼(10)를 상에 형성된 포화 흡수체 어레이를 절단하여 복수의 광도파로(20) 각각에 대응하는 복수의 포화 흡수체로 분리시킨 모습을 보여준다. 포화 흡수체 어레이의 절단은 다이싱 공정 등에 의해 수행될 수 있으며, 분리된 개별 포화 흡수체 각각은 예를 들어 도 3에 도시된 포화 흡수체일 수 있다.
빛의 감쇠장 상호작용을 이용하는 광도파로형 포화 흡수체는 도 11에 도시된 형태 이외에도 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 11 내지 도 14는 각각 상이한 위치에서 감쇠장 상호작용이 발생하는 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다. 광도파로(20) 및 포화 흡수 물질(50)은 직접 접촉될 수도 있고, 감쇠장 상호작용이 가능할 정도로 충분히 얇은 오버클래딩층(40)이 광도파로(20) 및 포화 흡수 물질(50) 사이에 배치될 수도 있다. 즉, 광도파로(20) 및 포화 흡수 물질(50)은 도시된 예와 상이한 위치에 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 도시된 예에 의해 제한되지 않는다.
도 15는 일실시예에 따른 포화 흡수 물질 투과 방식을 이용하는 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 광도파로형 포화 흡수체는 기판(10), 기판(10)의 일부 상에 형성된 광도파로(20), 기판(10) 및 광도파로(20) 상에 형성된 오버클래딩층(40), 및 광도파로(20)를 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역에 배치된 포화 흡수 물질(50)을 포함한다.
일실시예에서, 광도파로형 포화 흡수체는 광도파로(20)를 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역을 제공하기 위하여 광도파로(20)의 일부가 에칭 공정 등에 의해 제거된 공간을 가질 수 있다. 예를 들어, 광도파로(20)를 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역은 광도파로(20)의 일단과 타단 사이에 위치한 영역으로서 광도파로(20)의 일부가 제거된 공간일 수 있다. 이러한 공간에 포화 흡수 물질(50)을 배치함으로써 포화 흡수 기능을 구현할 수 있다.
도 16는 일실시예에 따른 포화 흡수 물질 투과 방식을 이용하는 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다. 도 16은 도 15의 광도파로형 포화 흡수체의 단면도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 광도파로(20)의 일단과 타단은 서로 분리되어 있으며, 그 사이에는 포화 흡수 물질(50)이 배치된다. 이러한 구조는 예를 들어 광도파로(20)의 일부가 제거된 후 포화 흡수 물질(50)을 충진하는 방식으로 형성될 수 있다. 광도파로(20) 및 포화 흡수 물질(50)에 걸친 화살표는 광도파로(20)를 도파하는 빛의 예시적인 진행 방향을 나타낸다. 구체적으로, 광도파로(20)를 도파하는 빛이 포화 흡수 물질(50)을 투과하여 진행할 수 있다.
도 17 내지 도 20은 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체 제조 과정을 도시한다. 이하에서는 도 17 내지 도 20을 참조하여 일실시예에 따른 광도파로형 포화 흡수체의 제조 과정을 설명한다. 도면 상에는 하나의 포화 흡수체를 제조하는 과정이 도시되더라도, 동일한 공정을 통해 웨이퍼 상에 다수의 포화 흡수체를 동시에 제조할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다.
도 17은 제공된 웨이퍼(10) 상에 패터닝된 마스크(60)가 형성된 모습을 보여준다. 일실시예에서, 패터닝된 마스크(60)는 웨이퍼(10)에 복수의 광도파로(20)를 형성하기 위하여 일정한 간격으로 이격되어 나란히 연장하는 패턴을 포함할 수 있다.
도 18은 이온 교환 공정을 수행하여 웨이퍼(10)에 광도파로(20)를 형성한 모습을 보여준다. 일실시예에서, 이온 교환 공정은 Na+ 이온 및 Ag+ 이온 간의 교환을 이용할 수 있다. 예를 들어, Na+ 이온을 포함하는 물질에 AgNO3 를 이용하여 이온 교환 공정을 수행할 수 있다. 이온 교환 공정은 Na+ 이온 및 Ag+ 이온 외에도 다양한 물질을 통해 수행될 수 있으며, 나열된 예에 의해 제한되지 않는다.
도 19는 광도파로(20)의 형성이 완료된 후 패터닝된 마스크(60)가 제거된 모습을 보여준다.
도 20은 웨이퍼(10) 및 광도파로(20) 상에 포화 흡수 물질(50)을 증착한 모습을 보여준다. 도시된 예에서, 포화 흡수 물질(50)은 광도파로(20) 상부에서 광도파로(20)를 진행하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있도록 배치된다.
빛의 감쇠장 상호작용을 이용하는 광도파로형 포화 흡수체는 도 20에 도시된 형태 이외에도 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 20 및 도 21은 각각 상이한 위치에서 감쇠장 상호작용이 발생하는 광도파로형 포화 흡수체를 도시한다. 광도파로(20)는 기판 외부로 표면이 드러나도록 배치될 수도 있고, 기판 상의 포화 흡수 물질(50)과 감쇠장 상호작용이 가능할 정도로 충분히 얕은 깊이에 매립되어 배치될 수도 있다. 즉, 광도파로(20) 및 포화 흡수 물질(50)은 도시된 예와 상이한 위치에 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 도시된 예에 의해 제한되지 않는다.
이러한 방식으로 제조된 감쇠장 상호 작용 기반 광도파로형 포화 흡수체는 평판형 광도파로(planar lightwave circuit) 기반 수동 광분배기에서 사용되고 있는 광섬유 배열 블록(fiber array block)과 본딩(bonding)하여 광섬유 커플링 된 포화 흡수체로 광섬유 펄스 레이저에 적용될 수 있으며 광도파로형 펄스 레이저에도 적용될 수 있다.
광섬유 펄스 레이저는 광섬유를 기반으로 하는 펄스 레이저로서, 레이저를 구성하는 매질이 광섬유이며, 광섬유 컴포넌트들 즉, 아이솔레이터나, 90:10 출력 커플러, 광섬유 배열 블록과 본딩된 본 발명의 포화 흡수체, 그리고 980/1550 WDM 커플러들을 융착접속(splicing)하여 제작한다.
그리고 광도파로형 펄스 레이저는 광섬유 기반 펄스 레이저와 달리 레이저를 구성하는 매질이 광섬유가 아닌 광도파로로 이루어지며, 광도파로의 재료로는 실리카 또는 실리콘이 사용된다. 앞에서 설명한 광섬유 기반 펄스 레이저는 개별 광섬유 컴포넌트들을 융착접속하여 제작이 가능하지만, 광도파로 기반 펄스 레이저는 펄스 레이저를 구성하는 여러 컴포넌트들이 초기에 포토 마스크 즉 코어 패턴을 새기는 포토리소그래피 공정에 사용될 때 새겨진 체로 한 번에 제작한다.
광섬유 기반 및 광도파로 기반의 펄스 레이저는 펄스폭에 의하여 피코초, 펨토초 등으로 나뉘어지며, 예를 들어 펨토초란 피코초(picosecond) 미만의 초단 펄스폭, 높은 첨두 출력(peak power) 등의 특성을 가지고 있으며, 마이크로미터 크기 구조물의 초정밀 미세 가공, 유리 접합(glass welding), 레이저 각인(direct laser writing), 나노 입자 생성, 비선형 광학 현상을 이용한 바이오 이미징, 의료 시술용 등 다양한 과학 및 산업 기술 분야에 사용된다. 그리고 펨토초 레이저에서 출력되는 매우 낮은 타이밍 지터의 광펄스형(optical pulse train)은 RF/마이크로파로 변환하여 초정밀 클럭을 요하는 계측장치, 차세대 ICT 시스템이나 국방 관련 고성능 레이더 시스템에도 활용된다. 또한 펨토초 레이저는 세계적으로 매우 큰 시장 규모를 가지고 있으며 현재에도 학계에서는 펨토초 레이저를 활용한 여러 연구들을 진행 중에 있어 펨토초 레이저의 활용 분야는 계속해서 확대되고 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 웨이퍼 상에 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이를 형성하는 단계;
    상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층을 형성하는 단계;
    상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역에 포화 흡수 물질을 배치하는 단계; 및
    상기 웨이퍼를 절단하여 상기 복수의 광도파로 각각에 대응하는 복수의 광도파로형 포화 흡수체로 분리하는 단계
    를 포함하는, 포화 흡수체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오버클래딩층의 일부를 제거하여 상기 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    포화 흡수체 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광도파로는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는,
    포화 흡수체 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로 어레이를 형성하는 단계는,
    상기 웨이퍼 상에 코어층을 형성하는 단계; 및
    상기 코어층의 적어도 일부를 제거하여 상기 복수의 광도파로를 형성하는 단계
    를 포함하는, 포화 흡수체 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코어층은 상기 웨이퍼보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는,
    포화 흡수체 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로 어레이를 형성하는 단계는,
    상기 웨이퍼 상에 패터닝된 마스크를 형성하는 단계; 및
    이온 교환 공정을 통해 상기 복수의 광도파로를 형성하는 단계
    를 포함하는, 포화 흡수체 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광도파로 각각은 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장하는,
    포화 흡수체 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 포화 흡수 물질은 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함하는, 포화 흡수체 제조 방법.
  9. 웨이퍼;
    상기 웨이퍼의 일면 상에 형성된 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이;
    상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 감싸는 오버클래딩층; 및
    상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 도파하는 빛의 감쇠장과 상호작용할 수 있는 영역에 배치된 포화 흡수 물질
    을 포함하는 포화 흡수체 어레이.
  10. 웨이퍼 상에 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이를 형성하는 단계;
    상기 복수의 광도파로 각각을 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역에 포화 흡수 물질을 배치하는 단계; 및
    상기 웨이퍼를 절단하여 상기 복수의 광도파로 각각에 대응하는 복수의 광도파로형 포화 흡수체로 분리하는 단계
    를 포함하는, 포화 흡수체 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 광도파로 각각의 적어도 일부를 제거하여 상기 복수의 광도파로 각각을 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    포화 흡수체 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 광도파로는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는,
    포화 흡수체 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 광도파로 어레이를 형성하는 단계는,
    상기 웨이퍼 상에 코어층을 형성하는 단계; 및
    상기 코어층의 적어도 일부를 제거하여 상기 복수의 광도파로를 형성하는 단계
    를 포함하는, 포화 흡수체 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 코어층은 상기 웨이퍼보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는,
    포화 흡수체 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 광도파로 어레이를 형성하는 단계는,
    상기 웨이퍼 상에 패터닝된 마스크를 형성하는 단계; 및
    이온 교환 공정을 통해 상기 복수의 광도파로를 형성하는 단계
    를 포함하는, 포화 흡수체 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 광도파로 각각은 직사각형 형태의 단면을 가지고 연장하는,
    포화 흡수체 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 포화 흡수 물질은 탄소 나노 구조물 또는 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함하는, 포화 흡수체 제조 방법.
  18. 웨이퍼;
    상기 웨이퍼의 일면 상에 형성된 복수의 광도파로를 포함하는 광도파로 어레이; 및
    상기 복수의 광도파로 각각을 도파하는 빛이 투과할 수 있는 영역에 배치된 포화 흡수 물질
    을 포함하는 포화 흡수체 어레이.
  19. 제1항 또는 제10항에 기재된 포화 흡수체 제조 방법을 이용하여 제조된 포화 흡수체를 포함하는, 광섬유 기반의 펄스 레이저 장치.
  20. 제1항 또는 제10항에 기재된 포화 흡수체 제조 방법을 이용하여 제조된 포화 흡수체를 포함하는, 광도파로 기반의 펄스 레이저 장치.
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