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KR100687742B1 - 온도 무관 폴리머 광도파로열격자 소자 및 제조 방법 - Google Patents

온도 무관 폴리머 광도파로열격자 소자 및 제조 방법 Download PDF

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KR100687742B1
KR100687742B1 KR1020050047918A KR20050047918A KR100687742B1 KR 100687742 B1 KR100687742 B1 KR 100687742B1 KR 1020050047918 A KR1020050047918 A KR 1020050047918A KR 20050047918 A KR20050047918 A KR 20050047918A KR 100687742 B1 KR100687742 B1 KR 100687742B1
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Abstract

온도 무관 폴리머 광도파로열격자 소자 및 제조 방법을 제시한다. 본 발명에 따르면, 기판 상에 형성된 입력 광도파로, 및 이에 대응되는 출력 광도파로, 사이의 기판 상에 자유전파슬랩영역들을 각각 양단에 개재하여 도입되되 서로 다른 길이를 가지게 배열된 폴리머 격자채널광도파로들, 폴리머 격자채널광도파로들 하부에 기판 표면의 선택적 식각에 의해 형성되어 온도 변화에 따라 폴리머 격자채널광도파로들이 기판으로부터 자유롭게 열팽창하도록 허용하여 온도 변화에 따라 변화되는 폴리머 격자채널광도파로들의 굴절률을 상쇄 보상하게 하는 다수의 빈도랑들의 배열, 및 폴리머 격자채널광도파로들이 빈 도랑들 내에 유입되지 않게 빈도랑들의 입구를 막아 폴리머 격자채널광도파로들을 기판 표면으로부터 이격시켜 지지하는 차폐층을 포함하는 광도파로열격자 소자를 제시한다.
AWG, 도랑, 열팽창 계수, 광도파로, 폴리머

Description

온도 무관 폴리머 광도파로열격자 소자 및 제조 방법{Temperature-insensitive polymeric optical AWG device and manufacturing method therefor}
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 광도파로열 격자를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 광도파로열 격자 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 광도파로열 격자 제조 방법의 변형예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
본 발명은 광 소자(optical device)에 관한 것으로서, 특히, 하부 구조에 의해 광 특성이 온도 변화에 의해 변화되는 것을 방지할 수 있는 광도파로열격자(AWG: Arrayed Waveguide Grating)와 같은 온도 무관 폴리머 광 소자(temperature-insensitive polymeric optical device) 및 제조 방법에 관한 것이다.
대용량의 정보를 전송하기 위해 파장 분할 다중화 통신(WDM) 시스템이 사용되고 있다. 이러한 광통신 분야에 널리 사용되고 있는 광 소자로는, 폴리머 평판 광도파로(optical planar waveguide) 소자, 폴리머 광도파로열 격자(AWG: Arrayed Waveguide Grating) 소자 등을 예로 들 수 있다. 특히, WDM 광 통신의 MUX/DeMUX)로 폴리머 AWG 소자를 이용하는 기술이 주목되고 있다.
폴리머 광 소자는 실리카(silica) 광 소자에 비해서 제작이 상대적으로 용이한 장점 때문에 광통신에 사용될 유력한 소자로 많이 주목되고 있다. 그럼에도 불구하고, 폴리머 광 소자는 실리카 광 소자에 비해서 상대적으로 큰 폴리머 광도파로의 온도 의존성 특성 때문에 응용에 많은 제약을 받고 있다.
예컨대, 실리카 AWG의 경우에, 온도에 따른 중심 파장 차이가 대략 0.01 ㎚/℃ 정도이지만, 폴리머 도파로를 이용한 폴리머 AWG 소자의 경우, 폴리머 물질 종류에 따라 차이가 있지만, 온도에 따른 중심 파장 차이가 대략 - 0.1 ㎚/℃에 이르는 것으로 관측된다. 따라서, 폴리머 AWG의 경우 실리카 AWG 보다 온도 의존성이 대략 10 배정도 큰 것으로 평가될 수 있다.
이러한 AWG의 온도 의존성을 개선하기 위한 다양한 방법들이 보고되고 있다. 그럼에도 불구하고, WDM 광통신의 MUX/DeMUX로 사용되는 폴리머 AWG 소자를 비롯한 폴리머 광소자의 온도 의존성을 효과적으로 줄이는 방법을 개발하기 위해서 다양한 연구들이 수행되고 있다.
예컨대, 광도파로 하부의 기판의 재질을 변경하거나, 열팽창 계수가 다른 새로운 층을 추가하여 온도 의존성을 줄이는 방법이 고려되고 있다. 그럼에도 불구하고, 온도 의존성을 줄이기 위해서는 적절한 특성의 기판을 찾아야 하는 어려움이 예상될 수 있으며, 광도파로를 구성하는 폴리머와 기판의 열팽창 계수가 크게 다른 경우에는 공정 중에 기판이 구부러지는 현상이 발생될 것으로 예상될 수 있다.
따라서, 보다 효과적으로 폴리머 광도파로의 온도 의존성을 극복할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다. 특히, 이러한 온도 의존성에 매우 민감한 WDM 광통신의 MUX/DeMUX)로 사용될 수 있는 폴리머 AWG 소자에서의 온도 의존성을 해소할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 폴리머 광 소자의 온도 의존성 개선할 수 있는 폴리머 광도파로열격자 소자의 구조 또는/및 제조 방법을 제시하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 기판, 상기 기판 상에 형성된 입력 광도파로, 상기 기판 상에 상기 입력 광도파로에 대응되는 출력 광도파로, 상기 입력 및 출력 광도파로들 사이의 상기 기판 상에 자유전파슬랩영역들을 각각 양단에 개재하여 도입되되 서로 다른 길이를 가지게 배열된 폴리머 격자채널광도파로들, 상기 폴리머 격자채널광도파로들 하부에 상기 기판 표면의 선택적 식각에 의해 형성되어 온도 변화에 따라 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상기 기판으로부터 자유롭게 열팽창하도록 허용하여 상기 온도 변화에 따라 변화되는 상기 폴리머 격자채널광도파로들의 굴절률을 상쇄 보상하게 하는 다수의 빈도랑들의 배열, 및 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상기 빈 도랑들 내에 유입되지 않게 상기 빈도랑들의 입구를 막아 상기 폴리머 격자채널광도파로들을 상기 기판 표면으 로부터 이격시켜 지지하는 차폐층을 포함하는 광도파로열격자 소자를 제시한다.
또한, 기판 상에 입력 및 출력 광도파로들 사이에 자유전파슬랩영역들을 각각 양단에 개재하여 도입되되 서로 다른 길이를 가지게 배열된 폴리머 격자채널광도파로들을 형성하는 단계, 상기 기판 표면을 선택적으로 식각하여 상기 폴리머 격자채널광도파로들 하부에 온도 변화에 따라 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상기 기판으로부터 자유롭게 열팽창하도록 허용하여 상기 온도 변화에 따라 변화되는 상기 폴리머 격자채널광도파로들의 굴절률을 상쇄 보상하게 하는 다수의 빈도랑들의 배열을 형성하는 단계, 및 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상기 빈 도랑들 내에 유입되지 않게 상기 빈도랑들의 입구를 막아 상기 폴리머 격자채널광도파로들을 상기 기판 표면으로부터 이격시켜 지지하는 차폐층을 상기 빈도랑을 가리게 부착하는 단계를 포함하는 광도파로열격자 소자 제조 방법을 제시한다.
상기 빈 도랑들은 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 연장되는 방향을 따라 정렬 연장된 것일 수 있다.
상기 빈 도랑들은 상기 폴리머 격자채널광도파로들 상호 간의 길이 차이에 비례하는 길이 차이를 상호 간에 가지게 정렬 연장된 것일 수 있다.
상기 빈도랑들의 배열은 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 정렬된 영역 내의 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상호 간에 길이 차이를 가지게 되는 부분의 영역에 부분적으로 배치된 것일 수 있다.
상기 빈 도랑들은 하나의 상기 폴리머 격자채널광도파로 아래에 다수 개가 대응되게 정렬되어 상기 격자채널광도파로가 상기 빈 도랑들 사이의 상기 기판 부 분 표면에 의해 지지되는 구조를 이루는 것일 수 있다.
상기 차폐층은 드라이 필름(dry film)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 빈 도랑을 각각 채우되 상기 기판과 열팽창 계수가 다른 물질을 포함하여 상기 폴리머 격자채널광도파로들의 열팽창을 조절하는 필러(filler)를 더 포함할 수 있다.
상기 필러는 상기 기판에 비해 열팽창 계수가 큰 폴리머(polymer)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 폴리머 격자채널광도파로들을 형성하는 단계는
폴리머 하부 클래딩층을 형성하는 단계, 상기 하부 클래딩층 상에 폴리머 코어를 형성하는 단계, 및 상기 코어를 덮는 폴리머 상부 클래딩층을 형성하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 폴리머 광도파로열격자 소자의 온도 의존성 효과적으로 크게 개선할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는, 폴리머 광 소자의 온도 의존성을 개선하기 위해서, 폴리머 광도파로의 하부에 도입되는 기판에 의해 폴리머 광도파로의 열팽창 정도가 영향받는 정도 또는/ 및 제한되는 정도를 조절하는 수단으로, 기판의 일부에 빈도랑(hollow trench)들의 배열을 도입하는 기술을 제시한다. 기판에 형성된 빈 도랑들의 배열은 폴리머 광도파로가 온도 변화에 따라 열 팽창되는 것을 허용하되, 열 팽창되는 정도가 폴리머 광도파로의 온도 변화에 따른 굴절률 변화를 바람직하게 적절히 상쇄하게 조절되도록 제어하게 도입된다.
폴리머 광소자를 구성하는 데 사용되는 폴리머들은 열팽창 계수가 80ppm/℃ 내지 100ppm/℃ 정도로 상대적으로 큰 열팽창 계수를 가지고 있다. 그럼에도 불구하고, 폴리머 광도파로가 형성된 기판은 폴리머 광도파로에 비해 체적이 상대적으로 더 크므로, 이러한 폴리머 광도파로가 온도 변화에 따라 자연스럽게 열 팽창되는 것을 제약하게 된다. 폴리머 광도파로는 기판 상에 올려진 상태로 구성되므로, 폴리머 광도파로의 열팽창 정도 또는/ 및 이에 따른 온도 변화에 따른 길이 변화 정도는 하부의 기판의 열팽창 정도 또는/ 및 기판의 온도 변화에 따른 길이 변화 정도에 실질적으로 의존하게 된다.
본 발명의 실시예에서는 폴리머 광도파로 하부의 기판에 빈도랑들의 배열을 도입함으로써, 폴리머 광도파로가 기판에 의존하지 않고 어는 정도 적절하게 열 팽창되도록 허용할 수 있다. 즉, 기판의 빈도랑 상에 위치하는 폴리머 광도파로 부분은 다른 부분과 달리 기판과 부분적으로 접촉되는 않고 상대적으로 자유롭게 열 팽창될 수 있다.
기판의 빈 도랑들은 그 상에 걸쳐지는 폴리머 광도파로가 온도 변화에 따라 열팽창하도록 허용하게 도입되는 것으로 이해될 수 있다. 폴리머 광도파로의 열팽창에 따른 길이 변화 효과가 폴리머 광도파로의 온도 변화에 따른 굴절률 변화를 적절히 보상 상쇄하도록, 빈도랑들의 배열 영역, 길이, 폭, 깊이 또는/ 및 이격 간격 등을 조절하여, 폴리머 광도파로가 열 팽창될 수 있게 허용되는 부분의 영역을 조절할 수 있다.
실질적으로 폴리머 광도파로에 사용되는 폴리머 필름이 기판과 분리되면, 온도에 따른 광도파로에서의 파장 변화가 음(negative)의 수, 예컨대, -0.1㎚/℃에서 양의 수, 예컨대, +0.5㎚/℃ 정도로 변화될 수 있다. 이에 따라, 온도에 따라 폴리머 광도파로의 길이가 열팽창에 의해 변화되는 정도를 조절하여, 결국 폴리머 광도파로의 온도 변화에 따른 굴절률 변화가, 온도 변화에 따라 폴리머 광도파로의 열팽창에 의한 길이 변화 정도에 의해 상쇄되게 조절할 수 있다.
폴리머 광도파로의 온도 변화에 따른 열팽창에 의한 길이 변화 정도는, 기판의 빈도랑 배열의 길이, 폭, 이격 간격, 깊이 또는/ 및 개수 등을 변화시킴으로써, 즉, 실질적으로 폴리머 광도파로가 기판으로부터 분리되는 정도를 조절함으로써, 조절될 수 있다.
비록, 폴리머 광 소자의 온도 의존성을 해소하기 위한 방법의 일환으로 특정한 열팽창 계수를 가지는 특정 물질로 구성되는 기판을 사용하는 경우를 고려할 수 있으나, 일반적으로 폴리머 광도파로의 온도 변화에 따른 굴절률 변화를 적절히 또는/ 및 정확히 보상 및 상쇄할 수 있는 열팽창 계수를 가지는 물질을 찾는 것은 매우 힘든 일이다. 또한, 이러한 특정 열팽창 계수를 가지는 물질을 찾더라도 이러한 특정 물질의 기판을 폴리머 광 소자를 제작하는 데 실질적으로 적용하는 것 또한 매우 복잡하고 매우 많은 변수가 고려되어야 하는 작업이다.
이에 비해, 본 발명의 실시예에서는 실리콘 기판(silicon wafer)이나 폴리머 기판(polymer substrate)을 사용하되, 폴리머 광도파로들의 배열 영역의 일부 영역 아래에 위치하게 기판 표면에 빈도랑들의 배열을 도입함으로써, 기판을 구성하는 특정 물질의 열팽창 계수가 실질적으로 폴리머 광도파로의 온도 변화에 따른 굴절률 변화를 상쇄하기에 적절하지 못할 경우에도, 온도 변화에 따른 폴리머 광도파로의 열팽창에 의한 길이 변화 정도가 이러한 폴리머 광도파로의 온도 변화에 따른 굴절률 변화를 보상 상쇄하기에 적절하도록 폴리머 광도파로의 온도 변화에 따른 길이 변화 정도를 조절할 수 있다.
따라서, 폴리머 광도파로의 온도 의존성을 개선하기 위해, 특정 열팽창 계수를 가지는 특정 물질의 기판을 사용하거나 또는/ 및 특정 열팽창 계수를 가지는 특정 물질의 층을 부가적으로 도입하는 어려움을 효과적으로 극복할 수 있다.
한편, 기판 표면에 바람직하게 광도파로들의 배열 영역의 일부 영역 아래에 배열되게 도입되는 빈 도랑들 내에, 기판 또는/ 및 폴리머 광도파로와 다른 열팽창 계수를 가지는 물질의 층을 열팽창 조절을 위한 추가적인 층으로 더 도입할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 광도파로열 격자를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 폴리머 기판이나 실리콘(Si) 기판과 같은 기판 (100) 상에 폴리머 AWG와 같은 폴리머 광 소자를 구현할 수 있다. 이때, 기판(100) 표면 일부에 빈도랑(hollow trench: 150) 배열(array)을 형성한다.
예컨대, AWG의 경우, 빈도랑(150)의 배열이 형성되는 영역(110)은, AWG의 입력 광도파로(200) 쪽 제1자유전파슬랩영역(free propagation slab region: 300) 및 출력 광도파로(600) 배열 쪽 제2자유전파슬랩영역(400) 사이의 격자채널광도파로(grating channel waveguides: 500) 배열들이 형성되는 기판 영역(101)에 포함되는 일부 영역으로 설정될 수 있다. 일반적으로 AWG의 광 소자는 파장 분할 다중화 통신 시스템의 수신단에서 여러 개의 파장을 갖는 광신호들을 각각 분리하기 위해 사용되고 있다.
AWG 광 소자에서 입력 광도파로(200)로 전송된 다중화된 광은 제1자유전파슬랩영역(300)에서 회절에 의해 넓어지고 각각의 길이가 다른 격자채널광도파로(500)들로 각각 전파되게 된다. 격자채널광도파로(500)들 상호간에 인접한 광도파로(500)들은 상호 간에 길이가 다르기 때문에 다른 위상으로 제2자유전파슬랩영역(400)에 도달하게 된다. 따라서, 다른 파장의 광은 집광되는 위치가 달라진다. 이처럼 다른 파장의 광이 집광되는 위치에 출력 광도파로(600)를 설치함으로써, 다중화된 광을 분파하게 된다.
본 발명의 실시예는 도 2에 제시된 바와 같이 AWG의 파장 특성을 결정짓는 격자채널광도파로(500) 배열 부분의 도파로들 상호 간의 길이 차이를 주도록 한 부분(도 1 또는 도 3의 110)에, 도파로(500)들 간의 길이 차에 비례하는 길이 차이를 가지는 빈도랑(150)들의 배열을 형성한다.
이때, 격자채널광도파로(500)는 하부 클래딩층(lower cladding layer: 510), 코어(core:530) 또는/및 상부 클래딩층(530)의 각각 또는 일부가 폴리머로 형성될 수 있다. 또한, 개개의 격자채널광도파로(500)는 개개가 채널로 사용되기 위해서 상호 간에 다른 길이로 형성될 수 있다.
빈도랑(150) 배열은 기판(100) 표면에 폭(W), 이격 거리(D) 및 깊이(H)로 형성된 홈들로 형성될 수 있다. 개개의 빈도랑(150)은 도 2 및 도 3에 제시된 바와 같이 격자채널광도파로(500)를 따라 길게 연장되는 홈으로 형성될 수 있으며, 개개의 격자채널광도파로(500)들의 길이에 의존하여, 마찬가지로 상호 간에 서로 다른 길이를 가지게 형성될 수 있다. 도 3에 제시된 바와 같이, 빈도랑(150)의 배열은, 격자채널광도파로(500)들 상호 간의 길이 차이를 주도록 한 부분(110)에 서로 다른 길이로 형성되되 관련된 특정 격자채널광도파로(500)의 길이에 의존하게 형성될 수 있다.
격자채널광도파로(500) 배열 하단의 특정 영역(110)에 빈도랑(150)들의 배열을 형성함으로써, 빈도랑(150) 배열 상의 격자채널광도파로(500) 배열 부분이 열팽창이 기판(100)에 의해 제한되지 않고 부분적으로 자유롭게 열팽창이 허용되도록 할 수 있다. 이에 따라, 이러한 빈도랑(150) 배열 상의 격자채널광도파로(500) 배열 부분의 부분적인 열팽창에 의해 AWG의 온도 의존성을 조절하는 기능을 구현할 수 있다.
즉, 빈도랑(150)의 배열은 그 상의 격자채널광도파로(500)가 온도 변화에 따라 열 팽창될 수 있도록, 격자채널광도파로(500)와 기판(100) 사이의 접착 관계를 해소하여 분리해주는 역할을 하는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 빈도랑(150)의 배열에 의해, 그 상의 격자채널광도파로(500) 부분은 기판(100)에 의해 열팽창이 제한받는 상태에서 부분적으로 해제되어, 온도 변화에 따라 어느 정도 열 팽창될 수 있게 된다.
격자채널광도파로(500) 부분이 열팽창에 있어 자유로운 정도는 하부의 빈도랑(150) 배열의 길이, 깊이(H), 폭(W), 이격 거리(D) 또는/ 및 밀도 등에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 빈도랑(150) 배열의 길이, 깊이(H), 폭(W), 이격 거리(D), 분포, 개수 또는/ 및 밀도 등을 제어함으로써, 그 상의 격자채널광도파로(500) 부분이 온도 변화에 따라 열 팽창되는 정도를 제어할 수 있다.
이에 따라, 폴리머 격자채널광도파로(500)의 굴절률이 온도 변화에 따라 변화될 때, 이러한 굴절률의 변화를 상쇄 보상할 정도로 격자채널광도파로(500) 부분이 온도 변화에 따라 열 팽창될 수 있게 빈도랑(150) 배열을 적절히 도입할 수 있다. 따라서, 폴리머 격자채널광도파로(500)들이 온도에 무관하게 그 특성이 유지되도록 유도할 수 있다. 즉, 빈도랑(150)의 길이 등을 조절함으로써, 온도에 따른 격자채널광도파로(500)의 파장 변화 정도가 0에 근접하게 유도할 수 있다.
일반적으로 기판(100)과 분리된 광도파로를 구성하는 폴리머 필름은, 온도에 따라 자유롭게 열 팽창될 수 있다. 이에 따라, 광도파로의 온도에 따른 파장 변화는, 폴리머 광도파로의 온도에 따른 굴절률 변화를 상쇄하여, 음(negative)의 수, 예컨대, -0.1㎚/℃에서 양의 수, 예컨대, +0.5㎚/℃ 정도로 변화될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 빈도랑(150)의 길이 등을 조절하여 격자채널광도파 로(500)가 기판(100)과 분리되는 정도를 조절함으로써, 격자채널광도파로(500)의 열팽창 정도가 온도 변화에 따른 굴절률 변화를 상쇄시킬 정도로 조절할 수 있다. 이에 따라, 격자채널광도파로(500)의 온도에 따른 파장 변화는, 폴리머 광도파로의 온도에 따른 굴절률 변화를 적절히 상쇄하여, 온도 변화에 무관하게 0이거나 0에 근접하게 유지될 수 있다.
한편, 이러한 빈도랑(150)을 채우되, 기판(100) 또는/ 및 격자채널광도파로(500) 등과 열팽창 계수가 다른 물질의 열팽창 조절층을 도입하여, 광도파로(500)의 온도에 따른 열팽창 정도를 보다 미세하게 조절할 수도 있다.
따라서, 이제까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 광 소자는 기판(100)에 빈도랑(150)을 형성한 후 광도파로(500) 등을 형성하는 과정을 포함하여 수행될 수 있고, 이때, 빈도랑(150)을 채우는 열팽창 조절층을 도입하는 과정을 더 포함할 수도 있다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 광도파로열 격자 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 도 1 및 도 2에 제시된 바와 같이 AWG와 같은 광 소자가 형성될 기판(100)을 도입하고, 기판(100) 상에 식각 마스크층(710)을 형성한다. 이때, 기판(100)은 폴리머 웨이퍼나 실리콘 웨이퍼와 같은 기판일 수 있다. 식각 마스크층(701)은 포토레지스트층(photoresist layer)나 산화물층 또는 금속층일 수 있다. 산화물층이나 금속층은 하드 마스크(hard mask)를 형성하기 위해 도입되는 것으로 이해될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 식각 마스크층(701)을 패터닝하여 식각 마스크(711)를 형성한다. 이때, 포토레지스트(PR)층을 노광 및 현상하는 광 리소그래피 과정이 식각 마스크(711)를 형성하는 데 이용될 수 있다. 이때, 식각 마스크(711)는 도 2 및 도 3에 제시된 바와 같이 빈도랑(150)이 형성될 위치를 선택적으로 노출하도록 형성된다.
도 4c를 참조하면, 식각 마스크(711)에 의해 노출된 기판(100) 표면을 선택적으로 식각하여 도 2 및 도 3에 제시된 바와 같은 빈도랑(150)의 배열을 형성한다.
도 4d를 참조하면, 빈도랑(150)의 배열을 형성한 후, 기판(100) 상에 빈도랑(150)의 입구를 막는 차폐층(730)을 형성한다. 이러한 차폐층(730)은, 기판(100) 표면에 드라이 필름(dry film)을 코팅(coating) 또는 라미네이팅(laminating)하는 과정을 포함하여 수행될 수 있다. 이러한 드라이 필름은 폴리머 필름 또는 포토레지스트 필름으로 이해될 수 있다.
도 4e를 참조하면, 빈도랑(150)의 배열이 형성된 영역 이외의 기판(100) 표면 영역으로부터 차폐층(730)의 일부를 선택적으로 제거하여, 빈도랑(150)의 배열이 형성된 영역만을 선택적으로 덮어 가리는 차폐층 패턴(731)을 형성한다. 이러한 패터닝 과정은 드라이 필름이 PR 특성을 가지는 경우 드라이 필름 상에 사진 공정 및 식각 공정을 직접 사용함으로써 수행될 수 있다. 드라이 필름이 PR 특성이 없는 경우, 차폐층(730) 상에 포토레지스트를 도포하고 사진 식각하는 과정을 수행하여 차폐층 패턴(731)을 형성할 수 있다.
이와 같이 차폐층 패턴(731)이 빈도랑(150)의 입구를 막아 외부로부터 차단하되, 차폐층 패턴(731)의 다른 영역 상의 부분을 선택적으로 제거하는 것은, 후속되는 층 형성 과정에서 후속층이 기판(100) 상에 효과적으로 접착되도록 유도하기 위해서이다.
도 4f를 참조하면, 기판(100) 상에 하부 클래딩층(510)을 형성한다. 예컨대, 클래딩으로 사용될 폴리머 물질을 스핀 코팅(spin coating) 등으로 도포한 후 경화시킨다. 경화는 물질에 따라 열 경화(thermal curing) 또는 UV 조사 등을 포함하여 수행될 수 있다. 빈도랑(150)의 입구는 차폐층 패턴(731)으로 가려진 상태이므로, 빈도랑(150) 내로 하부 클래딩 물질이 유입되는 것이 방지될 수 있다.
도 4g를 참조하면, 하부 클래딩층(510) 상에 광도파로, 특히, 도 1 및 도 2에 제시된 바와 같은 AWG의 격자채널을 위한 광도파로(500)의 코어를 위한 층(531)을 형성한다. 코어(도 2의 530)로 사용될 폴리머와 같은 물질을 스핀 코팅 등으로 도포한 후 경화 과정을 거쳐 코어층(531)을 형성할 수 있다.
도 4h를 참조하면, 코어층(531)을 선택적으로 식각하여 코어(530)의 패턴을 형성한다. 예컨대, 코어층(531)에 사진 식각 공정을 포함하는 선택적 건식 식각 공정 등을 수행하여 광도파로의 패턴을 형성한다.
이때, 다수 개의 빈도랑(150)들이 하나의 코어(530) 아래에 배치되게 하는 것이, 차폐층 패턴(731)의 드라이 필름이 밑으로 처지는 것을 막는 데 유리하다. 즉, 빈도랑(150)들은 하나의 격자채널광도파로(500, 530) 아래에 다수 개가 대응되게 정렬되어 격자채널광도파로(500, 530)가 빈도랑(150)들 사이의 상기 기판(100) 부분 표면에 의해 지지되는 구조를 이루는 것이 구조적인 안정성을 구현하는 데 바람직하다.
한편, 도시되지는 않았으나, 이러한 빈도랑(150)들이 드라이 필름에 의해 덮이는 경우, 빈도랑(150) 내에 갇힌 공기가 온도에 따라 팽창 수축하며 광도파로에 압력을 주는 것을 방지하기 위해, 빈도랑(150)들이 특정 부위에서 서로 연결되고, 또한 최외곽 도랑에 외부로 연결되는 통로를 연결할 수 있다. 이에 따라, 공기는 외부로 유출될 수 있게 된다.
도 4i를 참조하면, 코어(530)를 덮는 상부 클래딩층(550)을 폴리머 등과 같은 클래딩 물질을 스핀 코팅 및 경화하는 공정을 통해 형성한다. 이와 같이 도 1 및 도 2에 제시된 AWG의 격자채널광도파로(500) 배열과 같은 광도파로(500) 아래에 빈도랑(150) 배열이 도입된 광 소자를 구현할 수 있다.
한편, 도 4a 내지 도 4i를 인용하는 설명에서는 기판(100)의 빈도랑(150)이 비워진 상태에서, 도랑(150) 위에 드라이 필름을 라미네이팅(lamination)하는 과정을 도입하고 있으나, 이러한 도랑(150)을 별도의 물질로 채우는 과정이 또한 고려될 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 광도파로열 격자 제조 방법의 변형예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 도 4a 내지 도 4c를 인용하여 설명한 바와 마찬가지로, AWG와 같은 광 소자가 형성될 기판(100)을 도입하고, 기판(100) 표면에 도 2 및 도 3에 제시된 바와 같은 빈도랑(150)의 배열을 형성한다.
도 5b를 참조하면, 빈도랑(150)의 배열을 형성한 후, 기판(100) 상에 빈도랑(150)을 채우되, 광도파로(500)의 열팽창 정도를 제어 조절하기 위한 열팽창 조절층(750)을 형성한다. 이러한 열팽창 조절층(750)은 기판(100) 보다 상대적으로 열팽창 계수가 큰 물질을 포함하여 형성된다. 기판(100), 특히, 실리콘 기판은 열팽창 계수가 매우 작기 때문에 이를 보완하기 위해서 상대적으로 열팽창 계수가 큰 물질을 도포하여 빈도랑(150)을 채우도록 한다.
기판(100)에 비해 광도파로(도 2의 500)를 이루는 폴리머의 열팽창 계수는 실질적으로 큰 경우가 일반적이므로, 빈도랑(150)을 채우는 열팽창 조절층(750)은 그 상에 형성될 광도파로(도 2의 500)를 이루는 폴리머가 온도 변화에 따라 기판(100)에 의해 제약받지 않고 보다 더 자유롭게 열 팽창될 수 있도록 허용하기 위해 도입된다. 이때, 열팽창 조절층(750)을 이루는 물질의 열팽창 계수 또는/ 및 빈도랑(150)의 길이, 체적, 깊이, 넓이, 분포, 밀도 등을 변화시킴으로써, 그 상에 올려지게 형성되는 광도파로(500)의 온도 의존성을 효과적으로 상쇄시킬 수 있다.
즉, 빈도랑(150)의 배열만을 도입할 때와 마찬가지로, 광 소자의 온도 의존성을 배제시킬 수 있는 데, 이때, 온도 의존성을 조절하는 요소의 일 변수로 열팽창 조절층(750)의 열팽창 계수가 더 고려될 수 있다. 따라서, 광 소자의 온도 의존성을 방지할 때 제약이 되는 제약 요소들을 보다 다양한 방법으로 극복할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 열팽창 조절층(750)을 패터닝하여 열팽창 조절용 패턴 또는 필러(filler: 751)를 형성한다. 이때, 필러(751)는 빈도랑(150)을 채우는 수준으로 형성된다. 따라서, 열팽창 조절층(750)의 전면을 식각하여 기판(100) 표면을 노출시킴으로써, 이러한 필러(751)를 패터닝할 수 있다.
이와 같이 열팽창 조절층(750)을 필러(751)로 패터닝하는 것은, 열팽창 계수가 다른 물질이 기판(100) 상에 코팅될 경우, 이에 따라 기판(100)이 구부러지는 것을 해소하기 위해서이다. 필러(751)의 형태는 이러한 기판(100)의 구부러짐과 같은 원하지 않는 불량의 발생을 방지하는 데 매우 효과적이다.
도 5d를 참조하면, 도 4f를 참조하여 설명한 바와 마찬가지로, 기판(100) 상에 하부 클래딩층(510)을 형성한다. 이때, 도 4e를 참조하여 설명한 바와 같은 차폐층 패턴(731)의 도입은 생략될 수 있다.
도 5e를 참조하면, 도 4g를 참조하여 설명한 바와 마찬가지로, 광도파로(도 2의 500)의 코어를 위한 층(531)을 형성한다.
도 5f를 참조하면, 도 4h를 참조하여 설명한 바와 마찬가지로, 코어(530)의 패턴을 형성한다.
도 5g를 참조하면, 도 4i를 참조하여 설명한 바와 마찬가지로, 코어(530)를 덮는 상부 클래딩층(550)을 폴리머 등과 같은 클래딩 물질을 스핀 코팅 및 경화하는 공정을 통해 형성한다. 이와 같이 도 1 및 도 2에 제시된 AWG의 격자채널광도파로(500) 배열과 같은 광도파로(500) 아래에 빈도랑(150) 및 이를 채우는 필러(751)의 배열이 도입된 광 소자를 구현할 수 있다.
이제까지 폴리머 기판이나 실리콘 기판을 사용하되, 기판 표면 일부에 빈도랑 배열 또는 이를 채우는 필러들을 도입하여 폴리머 AWG를 제작하여, 빈 도랑에 채워지는 물질 특성과 함께 도랑의 개수 또는/및 길이와 더불어 폭, 간격, 깊이 등 을 조절해서 AWG의 온도 특성을 조절하는 방법을 제시하였으나, 이러한 본 발명은 폴리머 광도파로를 채용하는 여러 광 소자에 변형 적용될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 실시예들은 실리콘 기판 외에도 실리카(silica) 기판 등과 같은 다른 기판에도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 AWG 외에 마하 젠더(Mach Zehnder) 간섭계 또는/및 방향성 커플러(directional coupler) 또는, MMI(Multi-Mode Interference) 소자 등과 같은 온도에 민감한 여러 종류 광 소자에 응용 될 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 폴리머 기판이나 실리콘 기판을 사용하되 기판 표면 일부에 빈도랑(hollow trench)의 배열을 만들고, 그 도랑에 특정 물질을 채우거나 도랑 상에 드라이 필름(dry film)을 덮은 후에, 폴리머 AWG를 제작하여 도랑의 개수 및 분포, 각 도랑의 폭, 깊이, 간격, 또는/ 및 도랑에 채워지는 물질의 열팽창 계수 크기, 간격 등을 이용해서 광 소자의 온도 특성을 조절할 수 있다.
본 발명은 일반적인 폴리머 광소자 제작 공정 상에 약간의 변화로 폴리머 광소자의 최대 약점 중 하나인 온도 의존성을 줄이는 방법을 제공할 수 있다. 폴리머 광소자를 구성하는 폴리머들의 열팽창 계수는 상대적으로 크기 때문에, 폴리머 광도파로가 하단의 기판으로부터 분리되면 광도파로에서의 온도에 따른 파장 변화가 온도 변화에 따라 음의 수에서 양의 수로 변하게 되기 마련이다. 본 발명에서는 빈 도랑의 배열 또는/ 및 이를 채우는 필러들을 도입하여, 이러한 광도파로의 온도에 따른 파장 변화 또는 의존성을 미세하게 조절하여 온도 의존성을 0 또는 이에 근접 하는 정도로 유지시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 또한, 도면과 명세서에서 최적의 실시예들이 개시되고 있으나, 이에 사용된 특정한 용어들은 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지, 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것으로 이해되어서는 안 된다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 입력 광도파로;
    상기 기판 상에 상기 입력 광도파로에 대응되는 출력 광도파로;
    상기 입력 및 출력 광도파로들 사이의 상기 기판 상에 자유전파슬랩영역들을 각각 양단에 개재하여 도입되되 서로 다른 길이를 가지게 배열된 폴리머 격자채널광도파로들;
    상기 폴리머 격자채널광도파로들 하부에 상기 기판 표면의 선택적 식각에 의해 형성되어 온도 변화에 따라 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상기 기판으로부터 자유롭게 열팽창하도록 허용하여 상기 온도 변화에 따라 변화되는 상기 폴리머 격자채널광도파로들의 굴절률을 상쇄 보상하게 하는 다수의 빈도랑들의 배열; 및
    상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상기 빈 도랑들 내에 유입되지 않게 상기 빈도랑들의 입구를 막아 상기 폴리머 격자채널광도파로들을 상기 기판 표면으로부터 이격시켜 지지하는 차폐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빈 도랑들은 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 연장되는 방향을 따라 정렬 연장된 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빈 도랑들은 상기 폴리머 격자채널광도파로들 상호 간의 길이 차이에 비례하는 길이 차이를 상호 간에 가지게 정렬 연장된 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빈도랑들의 배열은 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 정렬된 영역 내의 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상호 간에 길이 차이를 가지게 되는 부분의 영역에 부분적으로 배치된 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빈 도랑들은 하나의 상기 폴리머 격자채널광도파로 아래에 다수 개가 대응되게 정렬되어 상기 격자채널광도파로가 상기 빈 도랑들 사이의 상기 기판 부분 표면에 의해 지지되는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 차폐층은 드라이 필름(dry film)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빈 도랑을 각각 채우되 상기 기판과 열팽창 계수가 다른 물질을 포함하여 상기 폴리머 격자채널광도파로들의 열팽창을 조절하는 필러(filler)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 필러는 상기 기판에 비해 열팽창 계수가 큰 폴리머(polymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자.
  9. 기판의 표면을 선택적으로 식각하여 폴리머 격자채널광도파로들 하부에 온도 변화에 따라 상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상기 기판으로부터 자유롭게 열팽창하도록 허용하여 상기 온도 변화에 따라 변화되는 상기 폴리머 격자채널광도파로들의 굴절률을 상쇄 보상하게 하는 다수의 빈도랑들의 배열을 형성하는 단계;
    상기 폴리머 격자채널광도파로들이 상기 빈 도랑들 내에 유입되지 않게 상기 빈도랑들의 입구를 막아 상기 폴리머 격자채널광도파로들을 상기 기판 표면으로부터 이격시켜 지지하는 차폐층을 상기 빈도랑을 가리게 부착하는 단계; 및
    상기 기판 상에 입력 및 출력 광도파로들 사이에 자유전파슬랩영역들을 각각 양단에 개재하여 도입되되 서로 다른 길이를 가지게 배열된 폴리머 격자채널광도파로들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자 소자 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빈도랑들의 배열을 형성하는 단계는
    상기 폴리머 격자채널광도파로들이 연장되는 방향을 따라 정렬 연장되되 상기 폴리머 격자채널광도파로들 상호 간의 길이 차이에 비례하는 길이 차이를 상호 간에 가지게 상기 기판의 표면을 선택적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자소자 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 차폐층을 부착하는 단계 이전에
    상기 폴리머 격자채널광도파로들의 열팽창을 조절하기 위해 상기 기판과 열팽창 계수가 다른 물질로 상기 빈 도랑들을 각각 채우는 필러(filler)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자소자 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 폴리머 격자채널광도파로들을 형성하는 단계는
    폴리머 하부 클래딩층을 형성하는 단계;
    상기 하부 클래딩층 상에 폴리머 코어를 형성하는 단계; 및
    상기 코어를 덮는 폴리머 상부 클래딩층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로열격자소자 제조 방법.
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