KR20170031357A

KR20170031357A - 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법

Info

Publication number: KR20170031357A
Application number: KR1020150128746A
Authority: KR
Inventors: 오민철; 황광호
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-03-21
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: KR101759727B1

Abstract

본 발명은 WDM 광통신시스템에 적용하기 위한 저가격, 소형의 가변 파장 필터를 구현하기 위해 에포다이즈드 격자구조를 가지는 폴리머 브래그 반사 필터를 제안한다. 코팅된 하부클래딩을 기판 위에 형성하는 클래딩 형성 단계; 와 상기 하부클래딩에 레이저 간섭계를 이용하여 브래그 격자를 새기는 브래그 격자 형성단계; 와 상기 브래그 격자 상에 쉐도우 마스크를 격자영역 위에 조정하는 고정 단계; 및 상기 고정 단계 후, 산소 플라즈마로부터 노출된 격자영역의 중심에서 양측으로 가면서 에칭된 격자의 깊이가 서서히 감소하게 되어 격자를 형성하는 에포다이즈드 격자 형성단계; 를 포함하여, 상기 산소 플라즈마로 노출된 격자에 의해 에포다이즈드 격자를 형성하며 에칭 깊이가 방향에 따라 서서히 변화할 수 있다. 짧은 격자에서 높은 반사율을 얻기 위해 코어와 클래딩사이의 굴절률 차이가 큰 광도파로를 제작하였다. 균일한 격자구조에서 발생하는 넓은 대역폭 문제를 해결하기 위해 광파가 진행하는 방향을 따라 격자구조의 깊이가 서서히 변화하는 에포다이즈드 격자구조를 제안하였다. 쉐도우 마스크를 이용하여 폴리머 광도파로 상에 에포다이즈드 격자를 형성할 수 있으며, 이렇게 제작된 폴리머 브래그 격자 파장 필터에서 좁은 대역폭과 높은 반사율을 확인할 수 있었다. 또한 마이크로 히터에 열을 가하였을 때 필터링 파장이 단파장 쪽으로 이동하는 것을 확인하였다. 그러므로 높은 반사율은 필터로 인한 신호 손실을 감소시키게 되고, 좁은 대역폭은 WDM 광통신시스템에서 인접한 채널의 파장신호로 인한 누화를 방지하는 효과를 볼 수 있다. 또한, 다중화 되어 전송된 신호 중에서 특정 파장신호를 반사시켜 필터링을 할 수 있으며 폴리머 브래그 소자가 지니는 우수한 가변 파장 특성은 넓은 파장 범위에 걸쳐서 특정 파장신호를 선택할 수 있게 한다.

Description

에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법{Apodized Gratings for Polymeric Waveguide Tunable Wavelength Filters in the manufacturing method}

본 발명은 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 반사율이 높고 반사 대역폭이 좁은 가변 파장 필터를 제공하는 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법 및 그의 제작장치에 관한 것이다.

파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing: WDM)방식의 광통신 시스템은 나날이 증대하는 인터넷 트래픽 용량을 처리하기 위하여 매우 중요한 기술적인 해결 방법을 제공하였다. 한 개의 파장으로 초당 10Giga Bit 의 데이터를 전송할 수 있을 때, 40개의 파장을 이용하여 데이터를 생성하고 이를 다중화(Multiplexing)하여서 하나의 광섬유를 통하여 보낼 수 있는 WDM 광통신 시스템에서는 400Giga Bit의 데이터를 1초에 전송 할 수 있는 능력을 가지게 된다. 여러개의 다른 파장을 이용한 WDM 광통신 시스템에서는 파장이 다른 여러개의 광원을 이용하여 데이터 전송 속도를 높이고자 하는데, 서로 다른 파장이 가지고 있는 데이터를 추출하기 위해서는 먼저 하나의 파장만 선택적으로 가려낼 수 있는 파장 필터가 필요하게 된다((D. Sadot and E. Boimovich, “Tunable optical filters for dense WDM networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 36, no. 12, pp. 50-55, Dec. 1998).

WDM 광통신시스템에 적용하기 위한 파장 필터에 관련해서 많은 연구들이 활발하게 진행되고 있고 좋은 특성을 나타내는 몇 가지 필터들이 있다.

. 열을 이용한 가변 파장 실리콘 링 공진기는 11 nm 인 free spectral range (FSR) 이상 가변이 가능하다 (P. Dong, W. Qian, H. Liang, R. Shafiiha, D. Feng, G. Li, J. E. Cunningham, A. V. Krishnamoorthy, and M. Asghari, “Thermally tunable silicon racetrack resonators with ultralow tuning power,” Opt. Express, vol. 18, no. 19, pp. 20298-20304, Sep. 2010.).

이와 같은 링 공진기는 파장 가변 범위를 증가하기 위해 Mach-Zehnder 간섭계에도 적용 되었다([5] P. Orlandi, C. Ferrari, M. J. Strain, A. Canciamilla, F. Morichetti, M. Sorel, P. Bassi, and A. Melloni, “Reconfigurable silicon filter with continuous bandwidth tunability,” Opt. Lett., vol. 37, no. 17, pp. 3669-3671, Sep. 2012.).

세 개의 링 공진기를 이용하여 side-mode suppression ratio (SMSR) 가 40 dB 로 증가하였고 투과스펙트럼에서 평평한 통과대역을 얻을 수 있었다 (T. Hu, W. Wang, C. Qiu, P. Yu, H. Qiu, Y. Zhao, X. Jiang, and J. Yang, “Thermally tunable filters based on third-order microring resonators for WDM applications,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 24, no. 6, pp. 524-526, Jan. 2012.).

집적화된 광 인터컨넥션에 적용하기 위하여 가변범위가 2.5 nm 이고 3-dB 대역폭이 0.4 nm 인 실리콘 포토닉 파장 다중화기가 구현되었다(X. Zheng, I. Shubin, G. Li, T. Pinguet, A. Mekis, J. Yao, H. Thacker, Y. Luo, J. Costa, K. Raj, J. E. Cunningham, and A. V. krishnamoorthy, “A tunable 1x4 silicon CMOS photonic wavelength multiplexer/demultiplexer for dense optical interconnects,” Opt. Express, vol. 18, no. 5, pp. 5151-5160, Mar. 2010.).

그리고 넓은 파장영역에서 가변 가능한 MEMS 소자에 대한 연구도 진행되었는데 넓은 대역폭을 가지면서 파장 가변범위가 1000 nm 이상이었다([8] J. S. Milne, J. M. Dell, A. J. Keating, and L. Faraone, “Widely tunable MEMS-based Fabry-Perot filter,” J. Microelectromech. Syst., vol. 18, no. 4, pp. 905-908, Aug. 2009.).

이외에도 도파모드 공진기를 이용한 열광학 파장 가변 필터도 구현되었는데 가변범위는 15 nm 이고 대역폭은 수 나노미터였다([9] M. J. Uddin and R. Magnusson, “Guided-mode resonant thermo-optic tunable filters,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 25, no. 15, pp. 1412-1415, Aug. 2013.).

폴리머 광도파로 브래그 격자로 제작된 비대칭 방향성 결합기는 3-dB 대역폭은 0.5 nm 이지만 가변 범위가 좁은 특성을 보여주고 있다(W.-C. Chuang, A.-C. Lee, C.-K. Chao, and C.-T. Ho, "Fabrication of optical filters based on polymer asymmetric Bragg couplers," Opt. Express, vol. 17, no. 20, pp. 18003-18013, Sep. 2009.).

위에서 서술한 여러 연구내용들은 WDM 광통신시스템에 적용하기 위한 필터로서 각자의 장단점들을 가지고 있다. 하지만 좁은 대역폭과 넓은 범위의 가변특성을 동시에 만족하기 어려운 문제점이 존재한다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터를 제안한다.

폴리머 광도파로 소자는 광섬유를 통하여 전달 된 빛을 소자의 내부에서 다양한 형태로 제어하고 변형시켜서 출력을 시키는 목적을 훌륭히 달성할 수 있다. 폴리머 광도파로의 도파모드는 기본적으로 광섬유의 도파모드와 동일하게 일치시킬 수 있으며 굴절률까지도 유사하게 맞출 수 있게 되므로 광섬유와 연결 시, 추가적인 손실이 발생하지 않는다.

또한, 폴리머 광도파로 소자는 광스위치, 광감쇠기와 같은 광신호 제어를 위한 기본적인 소자들을 제작하기에 적합하므로 이들과 함께 다양한 기능의 광소자들을 집적화 시켜서 제작하기에도 적합한 플랫폼을 제공한다.

또한, 폴리머 광소자는 우수한 단열성과 높은 열광학 특성으로 인해 열을 이용한 광신호 제어를 하기에 매우 적합한 소자이다.

또한, 열광학 효과의 크기가 실리카나 다른 재료에 비하여 10배 이상 크기 때문에 적은 열을 이용하여 효율적인 광신호 제어를 달성할 수 있다.

이와 같이 폴리머를 이용하여 소형의 파장필터를 제작하기 위해서는 격자의 길이를 짧게 제작해야 한다. 하지만 격자의 길이가 짧아지면 반사율이 떨어지게 된다.

반사율을 증가하기 위해서는 격자구조로 인해 발생하는 유효굴절률 차이값을 크게 만들어야한다. 하지만 이때 반사율의 증가와 더불어 반사 대역폭도 넓어지는 문제점을 가진다.

이러한 문제를 해소하기 위해서는 격자구조 제작과정에서 광파의 진행 방향을 따라가면서 격자 두께를 서서히 변화시키면서 격자를 제작하도록 하며, 이러한 방법으로 제작된 격자를 에포다이즈드 격자라고 한다.

격자를 제조하는 방법에는 몰딩, 임보씽, 스탬핑, 전자빔, 두 빔 간섭, 그리고 광화학 공정 등 여러가지 기술이 있는데 집적화 칩에 에포다이즈드 격자 제작이 가능한 UV를 조사하여 격자를 제작하는 방법에 대해 제안되었다 (Method of precision fabrication by light exposure and structure of tunable waveguide bragg grating, US 6,522,812 B1, Feb. 18,2003 공개).

그 외에 광화학 공정을 이용하여 폴리머 광도파로에 직접 에포다이즈드 격자를 제작하는 방법도 제안 되었다(L. Eldada, R. Blomquist, M. Maxfield, D. Pant, G. Boudoughian, C. Poga, and R. A. Norwood, , “Thermooptic Planar Polymer Bragg Grating OADM’s with Broad Tuning Range,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no. 4, April. 1999.).

그러나 에포다이즈드 격자를 폴리머 광도파로 소자에서 제작하는 방법에 있어서 제안하지 않고 있는 한계점이 있다.

또한, 폴리머 광도파로에 브래그 격자를 형성하여 파장필터로 이용하고자 하는 경우에는 일반적으로 격자 구조가 처음부터 끝까지 균일하게 형성된 균일격자 소자를 제작하게 된다. 이는 제작 고정상 편리함으로 인한 것이며 이와 같은 균일 격자의 경우, 브래그 격자의 반사율을 높이기 위해 격자 구조를 깊게 형성하게 되면 브래그 반사 파장 스펙트럼의 반사 대역폭이 증가하는 문제점을 지니고 있다.

이는 WDM 광통신 시스템에서 조밀하게 다중화되어 있는 여러 파장 채널 중에서 원하는 하나의 채널을 선택적으로 필터링 해내고자 할 때 인접한 다른 파장도 함께 필터링 되어 인접채널 신호의 누화를 발생 시키는 원인이 된다. 그러므로 인접한 채널간의 신호 누화를 방지하기 위해서는 좁은 대역폭을 가지는 필터가 필요하게 된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 산소 플라즈마 에칭 공정으로 쉐도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 에포다이즈드 격자를 형성할 수 있는 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 길이가 짧은 격자에서 높은 반사율을 얻으면서도 좁은 대역폭을 가지는 파장가변 필터를 구현하기 위하여 광파의 진행 방향을 따라 가면서 격자의 깊이가 서서히 변하도록 제작된 에포다이즈드 격자를 제작하는 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법 및 그의 제작장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 코팅된 하부클래딩을 기판 위에 형성하는 클래딩 형성 단계; 와 상기 하부클래딩에 레이저 간섭계를 이용하여 브래그 격자를 새기는 브래그 격자 형성단계; 와 상기 브래그 격자 상에 쉐도우 마스크를 격자영역 위에 조정하는 고정 단계; 및 상기 고정 단계 후, 산소 플라즈마로부터 노출된 격자영역의 중심에서 양측으로 가면서 에칭된 격자의 깊이가 서서히 감소하게 되어 격자를 형성하는 에포다이즈드 격자 형성단계; 를 포함하여, 상기 산소 플라즈마로 노출된 격자에 의해 에포다이즈드 격자를 형성하며 에칭 깊이가 방향에 따라 서서히 변화할 수 있다.

이와 같은 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법에서, 상기 에포다이즈드 격자 형성시, 한개소 이상의 스페이서를 사용하여 상기 산소 플라즈마가 표면으로 침투해 들어가는 것을 막도록 상기 스페이서의 두께를 조절하여 상기 에포다이즈드 격자의 깊이 변화를 조절하도록 하는 조절단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법에서, 상기 에포다이즈드 격자를 코아층 위에 제작하는 소자구조를 갖는다.

이와 같은 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법에 따르면, 에포다이즈드 격자구조를 가지는 소형의 가변 파장 필터를 구현 하였고 WDM 광통신시스템에 적용할 수 있다. 높은 반사율은 필터로 인한 신호 손실을 감소시키게 되고, 좁은 대역폭은 WDM 광통신시스템에서 인접한 채널의 파장신호로 인한 누화를 방지하는 효과를 볼 수 있다. 또한, 다중화 되어 전송된 신호 중에서 특정 파장신호를 반사시켜 필터링을 할 수 있으며 폴리머 브래그 소자가 지니는 우수한 가변 파장 특성은 넓은 파장 범위에 걸쳐서 특정 파장신호를 선택할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법의 플로우차트를 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 브래그 격자를 기반으로 하는 폴리머 가변 파장 필터의 구성도를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자구조에서 여러가지 굴절률 분포에 대한 설계결과의 반사스펙트럼을 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 균일한 격자와 가우시안 격자의 조합으로 반사율, 3-dB 대역폭과 2-dB 대역폭을 계산한 결과를 도시한 도면;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유효굴절률 계산방법을 이용하여 높은 굴절률 차이가 나는 단일 모드 광도파로 설계 그래프를 도시한 도면;
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자구조를 가지는 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작공정도를 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자를 제작하기 위해 산소 플라즈마 에칭 시 사용된 쉐도우 마스크 고정도를 도시한 도면;
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자구조를 가지는 파장 가변 필터의 투과 및 반사스펙트럼을 도시한 도면;
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자길이가 7mm인 필터의 파장가변 특성을 확인한 결과를 도시한 도면이다.

필터 구조에 많이 사용되고 있는 Bragg grating의 반사율은 브래그 격자의 길이와 격자구조의 Index modulation에 의해 결정된다.

반사율을 결정하는 두가지 요소에서 Index modulation이 작고 길이가 긴 격자를 이용하면 좁은 대역폭을 가지는 필터 제작이 가능하다. 하지만 브래그 격자의 modulation 값이 작은 구조에서 높은 반사율을 얻으려면 충분히 긴 길이의 격자가 필요하게 된다. 브래그 격자의 길이가 길어지면 격자를 균일하게 제작하기가 힘들며 파장가변을 할 경우 격자구조 전체에 동일한 열광학 효과를 여기 할 수 없기 때문에 대역폭이 넓어지는 문제점이 존재한다. 균일한 격자를 제작하기 위해서는 격자의 길이를 짧게 하는 것이 유리하지만 높은 반사율을 얻기 힘들다. 그러므로 짧은 격자길이에서 높은 반사율을 얻기 위해서는 격자에 의한 index modulation 값을 증가 시켜야 한다. 하지만 index modulation 값이 커지게 되면 대역폭이 넓어지게 된다. 이는 WDM 광통신시스템에서 인접한 채널의 파장신호로 인한 누화를 발생 시키는 원인이 된다.

균일한 브래그 격자를 이용한 필터에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며 소형의 가변파장필터를 구현하기 위해서는 격자의 길이가 짧아야 되고 짧은 격자에서 높은 반사율을 얻으려면 격자구조에서의 유효굴절률 차이가 커져야 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 폴리머 광도파로에 대역폭을 줄일 수 있는 에포다이즈드 격자구조를 도입하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 9에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 산소 플라즈마를 작동하는 관련 기술, 하부클래딩과 기판의 결합 관련 기술, 하부클래딩을 코팅하는 관련 기술 등 통상 본 발명에 적용되는 분야의 종사자들 및 그들이 관련분야의 종사자들 및 그들이 관련분야의 종사자들을 통해 통상적으로 알 수 있는 부분들의 도시 및 상세한 설명은 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명 하였다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법은 클래딩 형성 단계, 브래그 격자 형성단계, 고정 단계, 에포다이즈드 격자 형성단계로 구성된다.

이와 같은 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법은 코팅된 하부클래딩(12)을 기판(11) 위에 형성하는 클래딩 형성 단계를 갖는다. 다음으로 하부클래딩(12)에 레이저 간섭계를 이용하여 브래그 격자를 새기는 브래그 격자 형성단계를 가지며 브래그 격자 상에 쉐도우 마스크(13)(shadow mask)를 격자영역 위에 조정하는 고정 단계를 갖는다. 고정 단계 후, 산소 플라즈마(14)로부터 노출된 격자영역의 중심에서 양측으로 가면서 에칭된 격자의 깊이가 서서히 감소하게 되어 격자를 형성하는 에포다이즈드 격자 형성단계를 가짐으로써 산소 플라즈마(14)로 노출된 격자에 의해 에포다이즈드 격자를 형성하며 에칭 깊이가 방향에 따라 서서히 변화하여 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터를 제작하도록 한다.

클래딩 형성 단계에서 코팅은 폴리머를 스핀 코팅하여 하부클래딩(12)을 형성하도록 한다. 또한, 에포다이즈드 격자 형성 단계 전, 한개소 이상의 스페이서(15)를 사용하여 산소 플라즈마(14)가 표면으로 침투해 들어가는 것을 막도록 스페이서(15) 구비단계를 더 포함하도록 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 브래그 격자를 기반으로 하는 폴리머 가변 파장 필터의 구성도를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 높은 반사율을 가지면서 좁은 대역폭을 갖는 소형의 필터를 구현하기 위해서 에포다이즈드 격자 구조를 가지는 필터를 제안한다. 격자구조는 코어 클래딩층 사이에 형성되어 있으며 격자구조의 깊이는 광파의 진행방향에 따라 서서히 변화하고 격자의 반사율도 서서히 변화하게 된다. 브래그 격자의 반사파장을 가변화하기 위해 금속 히터가 격자구조 패턴영역의 위에 형성되어 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 격자구조에서 여러가지 굴절률 분포에 대한 설계결과의 반사스펙트럼을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 에포다이즈드 브래그 격자를 설계하기 위해 광파의 진행방향에 따라 격자구조의 유효굴절률 계산을 통해 transmission matrix method를 이용하였다.

균일한 격자인 경우 maximum index modulation 값을

으로 설정하였고 격자의 길이가 4mm에서 95%이상의 반사율을 얻을 수 있고 3-dB, 20-dB대역폭은 각각 0.44nm와 3.18 nm이라는 것을 도 3(a)에서 보여주고 있다. 3-dB 대역폭은 WDM필터로서 적합하지만 20-dB 대역폭은 너무 넓어서 인접채널에 심한 누화를 발생시키기에 사용할 수 있가 없다.

도 3(b)와 같이 가우시안 에포다이즈드 격자 설계 결과를 보여주고 있는데 20-dB 대역폭은 균일한 격자에 비해 많이 줄었지만 95%이상의 반사율을 얻으려면 격자의 길이가 10nm 이상이 되어야 한다. 격자의 길이를 줄이기 위해 구조 조정된 격자구조를 도 3(c)에서 보여주고 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 균일한 격자와 가우시안 격자의 조합으로 반사율, 3-dB 대역폭과 20-dB 대역폭을 계산한 결과를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 제안한 구조는 균일한 격자길이

와 에포다이즈드 격자길이

의 조합으로 구성되어 있고 이와 같은 구조는 에칭공정에서 쉐도우 마스크(13)를 이용하여 시행 할 수 있다.

짧은 격자에서 적합한 반사율과 대역폭을 얻기 위해 균일한 격자길이

와 에포다이즈드 격자길이

의 여러가지 조함을 통한 계산결과를 보여주고 있다.

주어진 격자길이에서

의 길이가 커질수록 더 높은 반사율을 제공하고

의 길이가 커질수록 더 좁은 대역폭을 얻을 수 있다. 여러가지 조합 중에서

가 0.8nm 이고

가 2.5nm 일때, 즉 전체 격자의 길이가 6.6nm일 때 반사율은 96.9%이고 30dB 대역폭은 0.43nm, 20-dB 대역폭은 0.88nm로 나타났다.

굴절률 차이가 큰 광도파로 제작하기 위해 코어와 클래딩의 물질은 각각 1.455와 1.430으로 하였다. 코어와 클래딩 물질의 굴절률 차이가 크면 격자구조가 작은 깊이에서도 높은 굴절률 차이가 나타나 높은 반사율을 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유효굴절률 계산방법을 이용하여 높은 굴절률 차이가 나는 단일 모드 광도파로 설계 그래프를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 단일모드 광도파로를 제작하기 위해 유효굴절률법을 이용하여 계산한 결과를 도 5(a)에서 보여주고 있으며, 코의 두께가 2.5㎛일 때 유효굴절률이 1.44475이고 lateral 코어의 두께가 1.3㎛일 때 유효굴절률이 1.43775라는 것을 알 수 있다.

위에서 계산한 두 유효굴절률을 이용하여 광도파로의 두께에 따른 유효굴절률 값을 도 5(b)에서 보여주고 있으며 설계한 광도파로는 단일모드임을 알 수 있다. 또한, 격자구조의 깊이가 200nm일 때 격자구조로 인한 굴절률 변화는

이고 짧은 격자에서도 높은 반사율을 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자구조를 가지는 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작공정도를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 에포다이즈드 격자구조를 가지는 가변 파장 필터를 제작하기 위해 굴절률차이가 0.025 인 켐옵틱스사의 두 가지 ZPU 폴리머를 사용하였다. 광도파로는 코어의 크기가 4㎛ x 2.7㎛ 이고 평면도파로의 두께는 1.3㎛ 인 립형태로 제작되었다. 먼저 굴절률이 1.430 인 폴리머를 스핀 코팅하여 하부 클래딩을 실리콘 기판(11)위에 형성하였다. 그 다음 하부 클래딩에 레이저 간섭계를 이용하여 주기가 546.8 nm 인 TSMR photoresist 브래그 격자를 새겨놓았다. 에포다이즈드 격자를 제작하기 위해 쉐도우 마스크(13)를 격자영역 위에 고정해 놓고 산소 플라즈마(14) 에칭을 통해 격자패턴이 하부 클래딩에 새겨지도록 하였다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자를 제작하기 위해 산소 플라즈마 에칭 시 사용된 쉐도우 마스크 고정도를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 쉐도우 마스크(13)를 이용한 산소 플라즈마(14) 에칭공정을 진행하였다. 높이를 조절할 수 있는 스페이서(15) 를 이용하여 샘플위에 쉐도우 마스크(13)를 고정해 놓았고 또 이 스페이서(15)는 측면으로 흘러 들어가는 활성 기체를 막아주는 작용을 하기도 한다. 마스크가 덮여진 영역의 내부로 들어가면서 플라즈마 양이 점점 줄어들고 이로 인해 격자구조가 에칭되는 깊이가 점차적으로 줄어 들게 된다. 중심부에서 양쪽방향으로 가면서 격자의 깊이가 서서히 줄어드는 구조를 가지게 되고 이렇게 형성된 에포다이즈드 격자를 이용하여 대역폭이 좁은 반사스펙트럼을 얻을 수 있다.

도 7(a)와 도 7(b)에서 보여주고 있듯이 쉐도우 마스크(13)는 샘플의 위에 놓여 있다. 에포다이즈드 격자 제작과정에서 4개의 스페이서(15)가 사용되는데 에칭과정에서 산소 플라즈마(14)가 샘플표면으로 침투해 들어가는 것을 막아주는 작용을 한다. 플라즈마에 노출된 격자영역의 중심에서 엣지쪽으로 가면서 에칭된 격자의 깊이가 서서히 감소하게 되고 에포다이즈드 격자가 도 7(c)에서처럼 하부 클래딩에 새겨지게 된다.

에포다이즈드격자 위에 굴절률이 1.455 이고 두께가 2.7㎛ 인 폴리머 코어층을 스핀코팅을 하였고 포토리소그래피와 드라이 에칭공정을 이용하여 립 형태의 광도파로를 제작하였다. 굴절률이 1.430 인 폴리머를 9㎛ 두께로 스핀코팅하여 상부 클래딩을 형성하였다. 그 위에 파장 가변을 하기 위해 마이크로 히터를 제작하였다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자구조를 가지는 파장 가변 필터의 투과 및 반사스펙트럼을 도시한 도면이다.

제작된 가변파장 필터의 특성을 확인하기 위해 중심 파장이 1550 nm 이며 대역폭이 60 nm 인 SLED 를 광원으로 사용하였으며 입력광의 편광은 TE 모드로 유지하였다. 에포다이즈드 격자에 의해 반사된 신호는 circulator 를 통해 optical spectrum analyzer(OSA) 에서 측정되었다. 투과스펙트럼과 반사스펙트럼은 도 7에서 보여주고 있으며 브래그 반사픽은 1576.7 nm 에서 나타났다. 격자 길이가 7 mm 인 경우 95% 정도의 반사율을 가지고 3-dB 와 20-dB bandwidth 는 각각 0.36 nm 와 0.72 nm 임을 확인하였다. Flat-top passband 는 0.5-dB 대역폭으로 정의하고 0.18 nm 였다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자길이가 7mm인 필터의 파장가변 특성을 확인한 결과를 도시한 도면이다.

열광학효과를 이용한 가변 파장필터의 가변특성을 확인하기 위해 얇은 필름 히터에 파워 supply 를 연결해 주었다. 히터에 인가한 파워가 증가하면서 변화하는 반사스펙트럼을 측정한 결과를 도 9에서 보여주고 있다. 509 mW 의 thermal power 를 인가하였을 때 14 nm 이상 파장 가변이 가능함을 알 수 있다. 파장 가변과정에서 반사스펙트럼의 모양은 유지가 되고 있지만 10 nm 이상으로 가변되었을 때 스펙트럼이 조금 넓어진 것을 볼 수 있다. 에포다이즈드 격자 구조가 광의 진행방항에 대해 균일하게 제작되지 않았기 때문에 thermal power 가 증가할수록 격자 구조에 의한 굴절률 변화가 달라져 반사스펙트럼의 대역폭이 점점 증가하는 것을 알 수 있다. 히터의 온도가 높음으로 인해 굴절률변화가 크게 되면 전파모드의 파워는 떨어지게 되고 격자의 반사율도 떨어지게 된다. 필터의 파장가변 특성은 마이크로 히터의 열에 비례해 선형적으로 나타나고 있고 파장가변 효율은 27 nm/W 이라는 것을 도 9(b)에서 보여주고 있다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시 하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

11 : 기판
12 : 하부클래딩
13 : 쉐도우 마스크
14 : 산소 플라즈마
15 : 스페이서

Claims

하부클래딩을 기판 위에 형성하는 클래딩 형성 단계; 와
상기 하부클래딩에 레이저 간섭계를 이용하여 브래그 격자를 새기는 브래그 격자 형성단계; 와
상기 브래그 격자 상에 쉐도우 마스크를 격자영역 위에 조정하는 고정 단계; 및
상기 고정 단계 후, 산소 플라즈마로부터 노출된 격자영역의 중심에서 양측으로 가면서 에칭된 격자의 깊이가 서서히 감소하게 되어 격자를 형성하는 에포다이즈드 격자 형성단계; 를 포함하여,
상기 산소 플라즈마로 노출된 격자에 의해 에포다이즈드 격자를 형성하며 에칭 깊이가 방향에 따라 서서히 변화하는 것을 특징으로 하는 에포다이즈드 격자를 기반으로 한 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법.
제 1항에 있어서,
상기 에포다이즈드 격자 형성시, 한개소 이상의 스페이서를 사용하여 상기 산소 플라즈마가 표면으로 침투해 들어가는 것을 막도록 하고, 상기 스페이서의 두께를 조절하여 상기 에포다이즈드 격자의 형상을 조절하는 단계를 더 포함하는 폴리머 광도파로 가변 파장 필터의 제작방법.
제 1항에 있어서, 상기 에포다이즈드 격자를 코아층 위에 위치하도록 제작된 소자구조.