실리카를 이용한실리카를 이용한 1×8 splitter 1×8 splitter 제작 … · 산 업 자...

KETI-RD-2005078KETI-RD-2005078KETI-RD-2005078KETI-RD-2005078

실리카를 이용한실리카를 이용한실리카를 이용한실리카를 이용한 1×8 splitter1×8 splitter1×8 splitter1×8 splitter

제작 기술지원제작 기술지원제작 기술지원제작 기술지원

2005. 8. 312005. 8. 312005. 8. 312005. 8. 31

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 전자부품연구원전자부품연구원전자부품연구원전자부품연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 주 에스엘테크놀로지주 에스엘테크놀로지주 에스엘테크놀로지주 에스엘테크놀로지( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하

본 보고서를 실리카를 이용한 제작 기술지원 지원기간“ 1×8splitter ”( :

과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다2004.09.01~2005.08.31) .

2005. 08. 31.2005. 08. 31.2005. 08. 31.2005. 08. 31.

지원기관지원기관지원기관지원기관 기관명기관명기관명기관명: ( ): ( ): ( ): ( ) 전자부품연구원전자부품연구원전자부품연구원전자부품연구원

대표자대표자대표자대표자( )( )( )( ) 김 춘 호김 춘 호김 춘 호김 춘 호

지원기업지원기업지원기업지원기업 기업명기업명기업명기업명: ( ): ( ): ( ): ( ) 주 에스엘테크놀로지주 에스엘테크놀로지주 에스엘테크놀로지주 에스엘테크놀로지( )( )( )( )

대표자대표자대표자대표자( )( )( )( ) 신동호신동호신동호신동호

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 윤 형 도 수석연구원윤 형 도 수석연구원윤 형 도 수석연구원윤 형 도 수석연구원

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 서 용 곤 전임연구원서 용 곤 전임연구원서 용 곤 전임연구원서 용 곤 전임연구원

김 제 민 전임연구원김 제 민 전임연구원김 제 민 전임연구원김 제 민 전임연구원

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

최종목표 실리카를 이용한 제작: 1×8 splitter

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

광도파로 최적조건 시뮬레이션 및 설계1. 1×8 splitter

화염 가수분해 증착법을 이용한2. Frame Hygrolysis Deposition: under

제작지원cladding/upper cladding

을 이용한 제작지원3. FHD core

를 이용한 고밀화 작업 지원4. Furnace

막의 에칭 막의 에칭기술 확립 지원5. GeO2 , SiO2

광도파로 및 제작기술지원6. 1×8 splitter

광도파로 광학적 연마기술 및 광도파로 와 광섬유의 부착실험지원7.

특성측정지원8. 1×8 splitte

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

제작지원core 확보기술 없었음 제작기술확보core 에칭기술확보

제작지원clad 확보기술 없었음 제작기술확보clad 증착편차조정가능

제작지원splitter 확보기술 없었음 제작기술확보splitter 칩설계및제작

칩특성측정지원splitter 확보기술 없었음칩특성측정spl i t te r

기술확보칩특성측정가능

- 4 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 : optical splitter○

모 델 명 : 1×8 splitter○

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 size:10X2.5㎜ 10X2.5 7X2 사PIRI

경쟁제품 대비 가격 원50,000 원50,000 원40,000 사PIRI

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년50 / ( 3.5 %) 년간 개 기준1,000

인건비 절감 백만원 년150 / ( 10 %) 년간 개 기준1,000

계 백만원 년200 / ( 13.5 %) 년간 개 기준1,000

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년/ 백만원 년20 / 100%

수 출 천달러 년/ 천달러 년30 / 100%

계 백만원 년/ 백만원 년50 / 200%

- 5 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

1×8 splitter 천달러 년200 / 천달러 년200 / 천달러 년100 /

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

계 천달러 년200 / 천달러 년200 / 천달러 년100 /

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

칩설계 및 시뮬레이션기술 확보1. splitter

화염 가수분해 증착법 을 이용한 및2. FHD(Frame Hygrolysis Deposition: ) cladding

제작제작core

확립Torch speed, turntable speed

온도 확립Bubbler

칩제작공정기술확보3. splitter

칩측정 및 특성평가기술확보4. splitter

- 6 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

기술지원 결과를 power splitter, WDM, Wavelength splitters, 1×N Splitter, 2×N

소자 제작기술에 응용 제작 및 광도파로 관련 상품화에 활용하기가 매우 용이splitter

함.

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( , )

특허광섬유에레이

소자 제작방법2005-61534 윤형도외 인2 - - 출원

- 7 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건12 내부기술세미나를 통한 주 에스엘티인력교육( )

시제품제작 건10 광도파로 시작품제작

양산화개발 건

공정개선 건

품질향상 건

시험분석 건3 도파특성분석

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건2 광도파로정렬장비교육

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

기 타 건27 기업체 미보유측정장비지원 외: OTDR

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

부품소재기술지원전에는 주 에스엘티에서는 주로 화이버용 커플러 및 소자등의( ) WDM※

광부품을 개발하였는데 본과제를 수행함으로써 광도파로를 이용한 소자를 개발할splitter

수 이는 기술력을 갖추게 되었음 또한 광 를 제작하기위한 증착장비인 화염불꽃. splitter

가수분해 장비 확산을 위한 로장비등과 측정을 위한 의 캘리브레이션 프리즘 커플, OSA ,

러 자동정렬 장치등을 사용함으로서 의 도파로칩과 화이버어레이등의 패키징에, splitter

유용하게 적용시킬것이며 이와같이 를 제작하는 기술을 기반으로하여 광파장분할splitter

소자 광감쇠소자 광복합소자등에 응용할수 있을것임, , .

- 8 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원성과제 절 기술지원성과제 절 기술지원성과제 절 기술지원성과1111

기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도1.1.1.1.

기술지원내용기술지원내용기술지원내용기술지원내용2.2.2.2.

지원내용의 기업전략에의 기여도지원내용의 기업전략에의 기여도지원내용의 기업전략에의 기여도지원내용의 기업전략에의 기여도3.3.3.3.

제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행2222

기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정1.1.1.1.

수행업무 및 기자재활용수행업무 및 기자재활용수행업무 및 기자재활용수행업무 및 기자재활용2.2.2.2.

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

부록부록부록부록

기술지원실적자료기술지원실적자료기술지원실적자료기술지원실적자료1.1.1.1.

기술지원활용 기자재기술지원활용 기자재기술지원활용 기자재기술지원활용 기자재2.2.2.2.

과제관련 해외출장요약서과제관련 해외출장요약서과제관련 해외출장요약서과제관련 해외출장요약서3.3.3.3.

- 9 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

실리카 수동광집적회로 연구는 년대의 제작공정기술 개발단계에서 년대에1980 1990

는 다양한 회로들이 집적된 고기능 광회로 개발단계로 넘어가고 있으며 현재는,

소자1.3/1.55 WDM , 144×144 star coupler, Programmable optical frequency㎛

주파수 선국소자filter, 16×16 matrix switch, WDM , Dispersion equalizer, Delay

등의 다양한 통신용 광회로 소자들이 연generator, Optical Add-Drop Multiplexer

구 제작되고 있다 주 에스엘티는 현재 광통신소자에 사용되는 광부품소자 제작업, . ( )

체로서 현재 광커플러 인터리버 팬아웃등을 양산판매하고 있으며 실리카 소자 개, ,

발을 작년부터연구중에 있다 그동안 확보된 저손실 실리카 광도파로의 제작기술을.

기반으로하여 광 제작을 필요로 하고 있으나 연구인력 및 공정기술등의 부족splitter

으로 광 제작에 어려움을 겪고 있어서 본연구원의 축적된 기술을 필요로하고splitter

있었다.

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

최종목표 실리카를 이용한 제작: 1×8 splitter

세부목표





- 10 -






제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333


직선도파로의구조 및 도파로구조의 설계bending





온도 확립 농도확립Bubbler , GeO2


고밀화 온도의 최적화 및 사이클링




연마단계에 따른 연마상태 접속손실을 줄이기 위한 효율적인 방법,


광도파로의 도파모드 삽입손실,

- 11 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원성과제 절 기술지원성과제 절 기술지원성과제 절 기술지원성과1111

기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도1.1.1.1.


직선도파로의구조 및 도파로구조의 설계bending

분지각도 및 의 길이 변화arm

대칭구조 및 비대칭구조의 도파로설계 및 시뮬레이션

도파로구조의 최적화




온도 확립Bubbler



온도 확립 농도확립Bubbler , GeO2

(He, SiCl4,GeCl4, PoCl3, BCl3, N2,O2,H2)


고밀화 온도의 최적화 및 사이클링


가스의 제어 기판의 예열, , etching rate

- 12 -


칩의 제작과 분리 연마등

광 칩과 광섬유의 부착실험지원7. splitter

굴절율매칭부착 손실의최소화부착방법,


싱글모드와 빔의 분리 삽입손실 편광상태등을 측정, ,

기술지원내용기술지원내용기술지원내용기술지원내용2.2.2.2.

용 저손실 광도파로 설계2.1 splitter

광도파로 모드해석2.1.1

광도파로의 설계에 있어 가장 먼저 고려해야 할 사항은 신호광의 도파모드수가 단

일 모드 혹은 준 단일 모드가 되게 하는 것이다 특히 도파로형 광부품의 크기를.

결정하는 도파로의 곡률 반경을 작게 하기위해서는 도파로 코어 및 클래드 간의 굴

절율 차이를 적절히 조절하여야 한다 다음으로 고려해야 할 사항은 광섬유와 광도.

파로 간의 모드 필드 불일치에 의한 접속손실을 최소화하기 위하여 광도파로의 기

본도파 모드의 모드 필드 경의 크기가 광섬유와 유사하게 되도록 설계하는 것이다.

광도파의 가장 기본적인 구조는 차원 도파로 구조인 평판 도파로2 (Slab

이다 여기서는 개의 층으로 구성된 평판 도파로를 해석한Waveguide) . 3 step-index

다 굴절율의 분포가 축에 따라 변한다고 하고 광신호가 방향으로 도파한다고. x z

가정하면 모드의 경우 횡전계는 방향으로 편광된다 각 층의 두께 방향 에TE y . (x )

비해 폭 방향 이 매우 넓어 해석의 편이를 위하여 무한히 긴 폭을 갖는 무한 평(y )

판 도파로로 간주할 수 있다.

- 13 -

대표적인 구조들과 굴절률 분포 그리고 축의 설정 편광은 로 제한하고 한 주파TE

수의 단색광 일 때 ω

με,

이고 해의 형태를 E(x,z) = Ey(x)exp[-jβ

라 가정하면 파동방정식은 아래의 계 상미분방정식으로 간소화된다z] 2 .

또는

여기서 전파상수 β = k0neff이고 neff는 유효굴절율 (effective index, mode index)

이다. γ

이라 하면 식 의 해는(2-1) γ2

의 부호에 따라 해의 형태가

바뀌게 된다 각 영역에서 유기모드에 대한 표현은 다음과 같다. .

여기서 γ

, γ

, γ

이다.

방정식에서 자계에 대해 구하고 성분이 연속이라는 경계조건Maxwell tangential

(Ey, Hz 연속 또는: , Ey, E∂ y/∂x 연속 을 이용하면 모드에 대한 아래와 같은: ) TE

고유치 방적식을 얻을 수 있다.

- 14 -

위와 같은 방법으로 모드에 대해서 고유치 방정식을 구하면 다음과 같이 나타낼TM

수 있다.

상기 고유치 방정식으로부터 모드에 대한 모드 수 전자장 분포 전송상수TE, TM , ,

등 각종 기본 데이터를 얻을 수 있다 위식들의 해는 식의 오른쪽 항인. tanγ2 곡h

선과 오른쪽 항의 수식으로 주어진 곡선이 그래프 상에서 만나는 점이다 주어진.

도파로가 준 단일 모드가 되기 위해서는 상기 도파 조건식의 해의 갯수가 개2~3

이내여야 한다.

유한차 빔 전송법2.1.2 (FD-BPM)

균일 도파로에서는 모드의 형태와 전파상수를 구하는데 있어서 유한 차분법(FDM),

유한 요소법 등을 이용하여 해결할 수 있지만 가변폭 결합기나 교차형 결합기(FEM)

같은 소자에서는 축을 따라 도파로 폭이나 간격이 변하기 때문에 위의 방법으로z

진행하는 파의 변화 과정을 구하는데 곤란하다 유한차 빔 전송법은 광도파로의 굴.

곡 구조 형 분기기 방향성 결합기 기타 각종 광회로 소자의 설계에 널리 사용, Y- , ,

되고 있는 수치해석 방법중의 하나이다 제일 처음 푸리에 변환을 이용한 빔 전송.

법이 제안된 이래 유한 차 빔전송법 유한요소 빔전송법 삼차원 벡터 빔 전송법등, , ,

각종 방법의 전송법이 제안되었으며 지금은 가장 보편적으로 유한차 빔 전송법이

쓰이고 있다 이 유한차 빔전송 방법에 대해 간략히 고찰한다. .

- 15 -

차원 구조에 대한 파동방정식2 scalar

의 해의 형태를 (x, z) = E(x, z)exp[jkε 0n0 라 하면 식 은z] , (2-6)

인 파동방정식이 된다 식 는 이고scalar Helmholtz . (2-7) elliptic PDE open B.C.

를 적용해야 하므로 식 의 해를 구하기가 어렵게 된다 따라서, (2-7) . |Ezz| <<

k0n0|Ez 라는 종축근사 를 사용하여 에 맞는| (paraxial approximation) open B.C.

의 형태인 종축 파동방정식parabolic PDE paraxial wave equation ( , Fresnel

equation):

으로 변경할 수 있다 식 에 항상 한 방법을 적용하면. (2-8) stable Crank-Nicholson

즉, Exx에 대해 중간차분을 적용하고 Exx와 의 값을 와E z z+△ 에서의 평균으로z

추정하며 Ez 에 대하여는 전향차분을 이용하면 다음과 같은 대수적인 방정식을 얻

는다.

- 16 -

식 를 다시 정리하면(2-9)

여기서

이다 식 을 행렬로 표시하면. (2-10)

- 17 -

위 수식으로부터 초기의 전자기장 분포에 대한 정보를 알 경우 상기 수식으로부터

임의의 위치에서의 전자장 분포를 계산해 낼 수 있다 빔 전송법에 있어서의 전 영.

역에 대해서 해석하는 것은 무의미하고 유한의 영역에서 계산되어진다 이러한 유.

한 영역에서 계산하다 보면 양 영역 끝에서 전계가 반사되어 되돌아오는 이유로 양

단 근처에서 이 조금씩 형성되어 미리 방지하지 않으면 점점 커져 실상 계산ripple

의 정확성에 영향을 미친다 빔 전송법에 있어서 이러한 반사파의 영향을 극소화.

시킬 수 있는 경계조건으로 투명 경계조건 이 있(Transparent Boundary Condition)

으며 이는 대체로 전계의 꼬리가 지수 함수적으로 감소한다는 사실에 바탕을 두고

있다.

투명 경계조건을 사용하여 위 식을 다시 정렬하면 다음과 같은 행렬을 얻을M×M

수 있다.

- 18 -

위 행렬식의 해를 구함으로써 임의의 위치에서의 전자장 분포를 알 수 있다 현z .

재 위의 이론을 바탕으로 구현된 같은 이BPM-CAD[1] Computer Simulation Tool

상용화되어 도파로 설계 및 연구에 많은 도움이 되고 있다.

를 이용한 도파로 소자 설계2.2. BPM-CAD

단일 모드 도파로 설계2.2.1

단일 모드 도파로를 설계하기 위해서는 동작 파장 와 의 굴절률 및 두께, Clad Core ,

도파로의 차원 구조 등을 알아야 한다 일단 동작 파장은 광통신용으로 널리 쓰이2 .

는 와 대역을 기준으로 한다 또한 와 의 굴절률은1310 1550 . Clad Core 0.45%㎚㎚

의 굴절률차를 갖도록 동작 파장에 따른 에 의해 결정된다Sellmier Equation .

- 19 -

표 도파로 설계 조건표 도파로 설계 조건표 도파로 설계 조건표 도파로 설계 조건2-1.2-1.2-1.2-1.

위의 표 과 같은 설계조건으로 를 사용하여 도파로의 모드를 계산하면2-1 BPM-CAD

그림 과 같다 의 동작 파장 조건 그림 으로는 단일 모드가 아닌 준. 1310 ( 2-1 a.)㎚

단일 모드로 계산된다 반면 의 동작 파장 조건 그림 으로는 단일 모. 1550 ( 2-1 b.)㎚

드만이 나타난다.

(a) 1310(a) 1310(a) 1310(a) 1310㎚㎚㎚㎚ (b) 1550(b) 1550(b) 1550(b) 1550㎚㎚㎚㎚

그림 의 단일 모드 계산 결과그림 의 단일 모드 계산 결과그림 의 단일 모드 계산 결과그림 의 단일 모드 계산 결과2-3. BPM-CAD2-3. BPM-CAD2-3. BPM-CAD2-3. BPM-CAD

단일 모드 도파로를 이용한 설계2.2.2 Y-Branch

도파로의 차원 구조가 결정되면 도파로를 이용하여 여러 가지 기능을 갖는 광도파2

로 소자를 제작할 수 있다 그 중 가장 대표적인 것이. Y-branch, Directional

등으로 구현이 가능한 광신호 분배기 이다 본 연구Coupler, MMI coupler (Splitter) .

에서는 분배기의 기본 구조인 를 설계하여 여러 가지 분배기를 설계하여Y-branch

제작해보고자 한다.

- 20 -

보통 출력단의 간격을 곡률반경 을 로 결정하여 를 설계한250um, (R) 30 Y-branch㎜

다 이런 가 형태로 연결되면 그림 와 같이. Y-branch Cascade 2-2. 1×2, 1×4,

등 여러 가지 분배기를 설계 제작할 수 있다1×8 , .

분배기분배기분배기분배기(a) 1×4(a) 1×4(a) 1×4(a) 1×4 분배기분배기분배기분배기(b) 1×8(b) 1×8(b) 1×8(b) 1×8

그림 분배기 구조그림 분배기 구조그림 분배기 구조그림 분배기 구조2-2.2-2.2-2.2-2.

를 이용하여 와 분배기를 동작파장에 따라 한 결과는BPM-CAD 1×4 1×8 simulation

다음 그림과 같다.

(a) 1×4 1310(a) 1×4 1310(a) 1×4 1310(a) 1×4 1310㎚㎚㎚㎚ (b) 1×4 1550(b) 1×4 1550(b) 1×4 1550(b) 1×4 1550㎚㎚㎚㎚

(c) 1×8 1310(c) 1×8 1310(c) 1×8 1310(c) 1×8 1310㎚㎚㎚㎚ (d) 1×8 1550(d) 1×8 1550(d) 1×8 1550(d) 1×8 1550㎚㎚㎚㎚

그림 동작 파장에 따른 분배기 출력그림 동작 파장에 따른 분배기 출력그림 동작 파장에 따른 분배기 출력그림 동작 파장에 따른 분배기 출력2-3.2-3.2-3.2-3.

- 21 -

위의 결과에서 과 비교해서 에서는 분배기의 출력 단자간의 광신호1550 1310㎚㎚

차이가 큰 것을 알 수 있다 이런 현상은 그림 에서 나타난 의 준 단일. 2-3. 1310㎚

모드에 의한 현상으로 해석된다 따라서 입력 단자 앞에 를 삽입하여. Mode filter 1

차 모드를 제거하여 에서도 단일 모드만 존재하게 한다면 출력 단자간의 균1310㎚

일도가 향상될 것이다. [2]

또한 의 굽은 도파로 부분에서 진행하는 광의 중심과 도파로의 중심을 맞Y-branch

추는 설계도 필요하다 광신호가 굽은 도파로를 진행하면 광신호의 중심과 굽은 도.

파로의 중심이 점점 어긋나게 된다 그 결과 굽은 도파로와 직선 도파로의 연결시.

굽은 도파로를 지나온 광신호와 직선 도파로 중심의 편차에 의해 결합효율이 떨어

져 손실이 발생된다 이런 문제을 해결하기 위해서 굽은 도파로의 중심을 보정하는.

설계가 적용된다. [3]

위의 두 가지 사항을 고려하여 설계하면 일반적인 를 이용한 분배기보다Y-branch

향상된 성능의 분배기를 제작할 수 있다.

본 연구에서 제안한 광분배기 소자2.3

앞서 말한 두 가지 사항을 고려하여 여러 분배기 소자를 설계하여 하였Simulation

다 본 연구에서 제안된 기본 소자의 모습은 다음 그림 과 같다. Y-branch 2-4 .

그림 제안한 기본그림 제안한 기본그림 제안한 기본그림 제안한 기본2-4. Y-branch2-4. Y-branch2-4. Y-branch2-4. Y-branch

- 22 -

설계2.3.1 Mode Filter

는 분배기의 입력 단에 형태의 도파로로 설계되었다 단일 모드만Mode filter Taper .

을 지원할 수 있는 구조로 설계되어 광신호의 준 단일 모드를 제거 대역에, 1310㎚

서도 출력의 균일도를 향상시켰다. [A]

설계2.3.2 Bending Offset

(a) no offset(a) no offset(a) no offset(a) no offset (b) 0.2um offset(b) 0.2um offset(b) 0.2um offset(b) 0.2um offset

그림 에 의한 분배기 출력 변화그림 에 의한 분배기 출력 변화그림 에 의한 분배기 출력 변화그림 에 의한 분배기 출력 변화2-5. Offset (1310 )2-5. Offset (1310 )2-5. Offset (1310 )2-5. Offset (1310 )㎚㎚㎚㎚

위의 그림 과 같이 을 고려한 설계가 보다 균일한 출력을 얻2-57. Bending Offset

을 수 있다 참고문헌 에 의하면 약 가 최적 조건이다. [B] 0.2um .

설계 및 제작2.3.3 Mask

본 연구에서 제안한 분배기와 일반적인 를 이용한 분배기를 설계하여 그Y-branch

림 과 같이 인치 에 맞게 를 제작 하였다 실제 제작된2-6. 4 Silicon Wafer Mask (a) .

도 설계대로 제작됨을 알 수 있다Mask(b)(c)(d)(e) .

설계된설계된설계된설계된(a) Mask(a) Mask(a) Mask(a) Mask 제작된제작된제작된제작된(b) Mask (×5)(b) Mask (×5)(b) Mask (×5)(b) Mask (×5)

- 23 -

일반적인일반적인일반적인일반적인(c) Y-branch (×100)(c) Y-branch (×100)(c) Y-branch (×100)(c) Y-branch (×100)

제안한제안한제안한제안한(d) Mode filter(×100)(d) Mode filter(×100)(d) Mode filter(×100)(d) Mode filter(×100) 보정된 굽은 도파로보정된 굽은 도파로보정된 굽은 도파로보정된 굽은 도파로(e) (×100)(e) (×100)(e) (×100)(e) (×100)

그림 설계 제작된 확인그림 설계 제작된 확인그림 설계 제작된 확인그림 설계 제작된 확인2-6. , Mask2-6. , Mask2-6. , Mask2-6. , Mask

장비 구성2.3 FHD

불꽃가수분해 방법을 이용하는 시스템은 크게 세부부능로 나눌 수 있다 먼저 제어.

부로 버블러의 항온 유지 재료기체의 수송 유량을 제어하는 부분이 있고 토치와, ,

로 구성되어 웨이퍼위에 실리카 미립자를 증착시키는 반응부 그리고 반응turntable ,

한 후의 와 가스를 정화시켜 안전하게 배기시키는 배기부로 나눌 수 있다soot CI .

제어부2.3.1

제어부에서는 화염을 만들기 위해 사용되는 수소와 산소의 유량과 화염의 모양과

안전성을 위해 사용되어지는 질소 그리고 실리카 박막의 원료가 되는 케미컬들의

유량을 조절하기위한 시스템으로 구성되어 있다 이 시스템 안에는 개의 파이렉스. 3

버블러가 있고 각 버블러 내에는 실리카 박막의 주재료인 SiCl4 굴절률을 증가시키,

시 위한 GeCl4 굴절률 증가와 고밀화 온도를 낮추기 위한, POCl3의 케미컬이 채워

져 있다 이러한 각각의 케미컬들을 고 순도 가스를 이용하여 기포화 및 재료기. He

체 이송용으로 사용하였다 각각의 버블러에 주입되는 의 양을. He MFC(Mass Flow

를 사용하여 케미컬들의 양을 조절하였다 주위온도에 따른 케미컬의 증Controller) .

기압이 변하기 때문에 온도에 따라 에 의한 기포화 되는 양이 틀려진다He .

- 24 -

버블러는 일정한 케미컬 유량을 얻기 위해서 버블러 주위에 오일을 이용하여 35℃

의 온도를 유지시키는 항온조안에 존재한다 굴절률과 고밀화 온도를 낮추기 위해.

서 사용되는 는 상온에서 액상화 되어있기 때문에 가스통의 온도를 히터로BCl3 5

0℃로 유지시키는 상태에서 로 유량을 조절 하였다MFC .

그림 에서 와 모습그림 에서 와 모습그림 에서 와 모습그림 에서 와 모습2-7 ,Reactor Torch Turntable2-7 ,Reactor Torch Turntable2-7 ,Reactor Torch Turntable2-7 ,Reactor Torch Turntable

실리카 박막 제조의 기본이 되는 물질들은 기를 포함하고 있어서 쉽게 부식을 시Cl

키므로 제어부의 배관을 스테인레스 관으로 하였고 재료기체의 원활한 이송을 위해

서 배관주의의온도를 50℃로 유지시켰다 공정 후에는 화염과 반응하지 못하고 튜.

브내에 남아아있는 재료기체가 배관 내에서 응축되거나 결정화가 되지 않도록 질소

를 사용하여 퍼지 를 하였다(purge) .

- 25 -

반응부 와 배기부2.3.2

반응부는 토치와 그리고 배기튜브로 구성되어진다 토치는 고온의 화염에turntable .

견딜수 있고 부식을 방지할 수 있는 석영관을 사용하였다 그리고 토치는 개의 동. 4

축 석영관으로 구성되어 각각의 관에서 나오는 가스와 케미컬이 독립적으로 되어있

다 먼저 첫 번째 관에서는. SiCl4, GeCl4, POCl3, BCl3등의 재료기체와 헬륨이 나오

고 두 번째 관에서는 수소와 질소가 나오고 세 번째 관에서는 산소가 나오도록 하

였다 네 번째 관의 역할은 화염이 주위 공기흐름의 영향을 받지 않도록 하는데 목.

적이 있다 그림 은 반응부와 토치 구조를 나타낸 것이다 의 기판크. 2-7 . Turntable

기는 지름이 이며 인치 웨이퍼 개가 한번에 증착될 수 있다 토치에서 반응60 4 6 .㎝

하고 난 가스와 들은 배기튜브를 통하여 스크러버 로 배기 된다Cl soot (scrubber) .

실리카 박막제조 공정주에 발생하는 염소화합물들이 수증기와 반응하여 부식성이

강한 유독성 가스가 발생되므로 반응기체의 배기와 안전 처리가 중요하다 배HCI .

기튜브를 통하여 스크러버에 도착한 가스는 물샤워에 의해 수화 되어진다 그HCI .

림 은 스크러버를 나타낸 것이다 모터에 의해 아래 채워져 있던 물이 배관을2-3 .

타고 위에서 물샤워를 만든다 이 물샤워는 중단계의 필터링을 거쳐 가스를 수. 3 HCI

화시키고 를 잡는 역할을 한다soot .

고밀화 공정 전기로2.3.3

로 증착된 실리카 미립자들을 투명한 막으로 형성시키기 위해서는FHD 1400℃정도

의 고온으로 온도 조절이 가능한 전기로가 필요하다 본 연구에서는 최대. 1500℃로

가열이 가능한 수직형 전기로를 사용하였다 이 전기로는 지름이 의 석영관. 150㎜

주위에 발열체를 사용하였는데 개의 온도 조절기를 사용하여 넓은 영역에서의SiC 3

온도 균일도를 높였다 고밀화 공정중에. O2 와 가스를 사용하여 분위기를 제어He

할 수 있도록 각각 의 가스 흐름 조절기 를 장착하였다 증5L/min (Gas Flowmeter) .

착된 웨이퍼를 전기로 안에 안전하게 장착하기위해 석영으로 만들어진 틀을 사용하

여 최대 개의 웨이퍼를 동시에 고밀화시킬 수 있게 만들었다 그림 는 본 실12 . 2-8

험에 사용된 고밀화 전기로이다.

- 26 -

그림 고밀화 전기로그림 고밀화 전기로그림 고밀화 전기로그림 고밀화 전기로2-82-82-82-8

증착 기술2.4

광도파로 제조방법중의 하나인 불꽃가수분해방법은 증착속도가 빠르고 저 손실의

실리카막을 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에 정교한 두께와 조성의 조절이 어렵

다 이와 같은 문제점을 해결하기위해 공정에서 두께와 조성에 영향을 미치는. FHD

공정인자를 연구하는 것은 좋은 박막을 얻기 위해 필수적이다 중요한 공정 변수들.

은 기판의 청결상태 토치의 각도 및 기판과의 거리 불꽃온도 재료 기체의 유량, , ,

및 고밀화 온도등이 있다 다양한 공정인자 중에서 도펀트의 유량에 따른 실리카.

미립자들의 크기와 모양의 변화를 으로 측정을 하였다 또 유량에 따른 박막의SEM .

두께와 굴절률을 를 사용하여 측정하였다Prism coupler .

- 27 -

증착 기술2.4.1

에서의 화학반응은FHD SiCl4, POCl3, GeCl4, BCl3가 H2 와 반응해 실리카 박막을O

형성하게 되는데 그 반응식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)

(2-16)(2-16)(2-16)(2-16)

SiCl4(g) + 2H2O(g) → 2SiO2(s) + 4HCl(g)

POCl3(g) + 3H2O(g) → P2O5(s) + 6HCl(g)

GeCl4(g) + 2H2O(g) → GeO2(s) + 4HCl(g)

2BCl3(g) + 3H2O(g) → B2O3(s) + 6HCl(g)

여기서 각각의 산화물들은 평면형 광도파로 막을 제조하는데 있어 매우 중요한 역

할을 한다 실리카 막에서. SiO2는 주요한 물질이고 나머지 산화물들은 원하는 광학

적 열적 특성을 얻기 위하여 사용되어지는데 주로 굴절률을 조절하거나 고밀화 온

도를 변화시키기 위해서 쓰인다 일반적으로. GeO2는 실리카 막의 굴절률을 증가시

키기 위해서 사용되고 P2O5와 B2O3는 고밀화 온도를 감소시키기 위해서 쓰인다.

실리카 광도파로를 제작하기 위해서는 먼저 실리콘 기판위에 정도의 산화막을1.5㎛

입힌 다음 하부클래드와 코어를 를 이용하여 각각 증착하거나 동시에 증착한FHD

다음 고온의 전기로에서 고밀화를 시킨다 그런다음 리소그래피 공정을 거치고 에.

칭을 한 후 상부 클래딩 증착후 고밀화를 시키면 실리카 광도파로 제작이 가능해

진다 그림 은 산화막을 증착시키기 위한 공정조건이다 먼저 두께의. 2-9 1.5 . 1㎛㎜

웨이퍼를 세척한 다음 전기로에 넣는다 그 후 온도가. 90℃로 유지도고 가 채워DI

진 버블러내에 질소를 사용하여 분당 리터를 주입시키면서 그림 과 같이1 1 1000℃

로 시간을 유지시키면 수분과 실리콘이 반응 하여 실리콘 위에 정도가 증착10 1.5㎛

된다 본 연구에서는 습식방법으로 산화막을 생성하였다 습식 산화는 반응 가스로. .

서 수증기를 사용하여 고온에서 다음과 같은 반응을 일으킨다.

- 28 -

Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 (2-17)(2-17)(2-17)(2-17)

이러한 반응을 이용하여 실리콘 웨이퍼 위에 산화막을 생성할 수 있다.

그림 산화막 공정조건그림 산화막 공정조건그림 산화막 공정조건그림 산화막 공정조건2-9.2-9.2-9.2-9.

- 29 -

하부클래드 증착 기술2.4.2

웨이퍼 위에 증착된 실리카 미립자는 고온 열처리를 통하여 투명한 실리카막이 된

다 미립자가 증착된 기판은. 1100~1350℃ 로 가열 되며 도핑농도와 고밀화 온도

가 실리카 박막의 상태를 좌우한다 본 연구에서 재료기체 유량의 선택은. 1350℃

정도의 온도에서 유리화가 가능하고 적정한 굴절률을 갖는 실리카 계 박막을 제작

하기 위하여 성분계3 SiO2-P2O5-B2O3 조성을 선택하여 증착하였다 이 때 조성의.

정밀한 선택이 이루어지지 않으면 투명한 박막이 만들어지지 않거나 상분리와 같은

결함이 발생하게 된다 균일하지 못한 조성으로 인한 상분리 및 불투명한 실투 현.

상이 발생된 박막은 광도파시 박막 내에서 부분적인 굴절률 차이를 일으켜 광산란

을 발생시킨다 상분리는 결정핵 생성 및 성장에 의한 것과 불온화 영역.

의 조성에서 발생하는 액상 상분리 등이 있다 이러한 상분리는 차(immiscibility) . 1

적으로 조성의 불균일에 기인한 것이다 표 은 하부클래드의 증착조건을 나타낸. 2

것이다 이러한 조건을 가지고. 1300℃에서 시간을 유지시킨 후 공냉 시킨 후 얻2

은 샘플은 박막 표면이 결함 없이 좋은 막을 얻었고 한 후의 두께는 프리즘3 path

커플러를 사용하여 측정한 단면 두께는 이었다24 .㎛

표 하부 클래드 증착 조건표 하부 클래드 증착 조건표 하부 클래드 증착 조건표 하부 클래드 증착 조건2.2.2.2.

- 30 -

그림 은 하부클래드 고밀화 공정조건을 나타낸 그림이다 고밀화 공정중에 헬2-10 .

륨과 산소를 넣어 열전도도와 반응성을 높혔다.

그림 하부 클래드 고밀화 조건그림 하부 클래드 고밀화 조건그림 하부 클래드 고밀화 조건그림 하부 클래드 고밀화 조건2-10.2-10.2-10.2-10.

코어 증착 기술2.4.3

하부 클래드 층위에 코어층이 증착하게 되는데 코어층은 하부클래드 보다 굴절률이

높고 광이 도파되는 층이다 하부 클래드 층 두께는 대략 코어 층 두께의 배 이, . 2

상만 되면 광이 코어로 진행하는 중 별 영향을 미치지 않지만 코어층의 두께는 광

도파에 미치는 영향이 커 두께의 정확한 제어가 필요하다 코어 두께는 하부클래드.

와 코어와의 상대적인 굴절률 차이에 의해 결정되게 된다 표 은 코어 증착 조건. 3

을 나타낸 표이다 하부 클래드층과 상대적인 굴절률. 을 제작하기 위한 조=0.45%△

건이다 프리즘 커플러로 측정한 하부 클래드의 굴절률은 였고 코어 굴절률은. 1.4444

이었다 코어 두께는1.4488 . 8㎛로 하기 위해 와 각각torch turntable 11 ㎜ 과/min

으로 하였다 그림 는 코어의 고밀화 공정조건을 나타낸 것이다 에10rpm . 3-4 . 1270℃

서 시간 유지 시킨 후 공냉 시켰다 그림 은 표 의 조건을 사용하여 코어 박막을2 . 2-11 3

제작한 것이다 는 기판위에 코어를 증착한 것이고 는 하부 클래드와. 2-12(a) 2-12(b)

코어층을 동시에 증착한 것이다.

- 31 -

표 코어 증착 조건표 코어 증착 조건표 코어 증착 조건표 코어 증착 조건3.3.3.3.

그림 코어 고밀화 조건그림 코어 고밀화 조건그림 코어 고밀화 조건그림 코어 고밀화 조건2-11.2-11.2-11.2-11.

- 32 -

코어 단면코어 단면코어 단면코어 단면(a)(a)(a)(a) 하부클래드와 코어단면하부클래드와 코어단면하부클래드와 코어단면하부클래드와 코어단면(b)(b)(b)(b)

그림 박막의 단면 사진그림 박막의 단면 사진그림 박막의 단면 사진그림 박막의 단면 사진2-122-122-122-12

포토리소그래피 공정2.4.4 (Photolithography)

일반적인 채널 광도파로 제작 공정순서를 그림 에 나타내었다 제작 공정의2-13 .

전체 흐름을 살펴보면 먼저 하부클래드와 코어를 실리콘 기판위에 증착한 다음 메

탈 마스크를 만들기 위해 을 정도 증착을 한 후 리소그래피 공정을 거쳐서Cr 4000Å

마스크를 형성한다 를 사용하여 코어를 식각한 후 메탈 마스크를 제거하면 원. ICP

하는 코어 패턴을 얻을 수 있다 이 코어 패턴위에 상부 클래드를 증착하면 채널.

도파로가 만들어 진다 이러한 공정 중에서 리소그래피 공정은 도파로 패턴 형성을.

위한 공정이다.

실리카 기판 상에 스핀 코터를 이용하여 포토 레지스터 막을 형(PR: Photo Resist)

성한 후 제작하고자 하는 패턴이 새겨진 마스크를 자외선 노광기를 이용한다 이러.

한 역할을 이 효과적으로 수행하기 위해서는 적절한 의 선택과 노광기에서의PR PR

자외선 노출정도를 실험을 통해서 공정조건을 확보해야 한다 본 연구에서 개발한.

공정조건을 표 에 나타내었다4 .

- 33 -

그림 채널 광도파로 제작 공정도그림 채널 광도파로 제작 공정도그림 채널 광도파로 제작 공정도그림 채널 광도파로 제작 공정도2-132-132-132-13

- 34 -

표 공정 조건표 공정 조건표 공정 조건표 공정 조건4 PR4 PR4 PR4 PR

Photoresist AZ 1512

Photoresist spin 2000rpm 60sec

Prebaking 100℃ hot plate 60sec

Expose time 10sec(8 / )㎽㎠

Developer AZ 300

Post expose backing(PEB) 110℃ hot plate 120sec

Developing time 20sec

Post baking 120℃ hot plate 3min

그림 도파로 패턴 제작에 사용된 노광기그림 도파로 패턴 제작에 사용된 노광기그림 도파로 패턴 제작에 사용된 노광기그림 도파로 패턴 제작에 사용된 노광기2-142-142-142-14

코어 식각 공정2.5

광도파로를 형성하기 위한 식각마스크 물질로 고려되어야 할 점은 증착의 용이성,

식각의 용이성 실리카막 식각시 선택도 그리고 식각 후 마스크 층 제거의 용이성, ,

및 제거 후 잔여 물질 등이 고려되어야 한다 또한 실리카 막을 식각시키는 가스는.

주로 불소화합물을 사용하기 때문에 마스크 물질이 라디칼에 의해 식각이 용이하F

지 않는 물질을 사용해야 한다 본 연구에서는 메탈마스크의 물질로 을 사용하였. Cr

다 은 을 사용하여 증착하였는데. Cr E-beam Evaporater 8×10-6

정도의 진공상태에

서 약 박막을 증착하였다 이렇게 증착된 박막은 리소그래피 공정을 거친4000Å . Cr

후 메탈마스크를 형성하기 위한 식각 공정을 거쳐야한다 식각은 건식방법 혹Cr . Cr

은 습식 방법으로 할 수 있는데 본 연구에서는 손쉬운 습식 방법으로 전용 에천Cr

트를 사용하여 박막을 식각하여 메탈 마스크를 형성하였다 그림 은 식각. 2-15 Cr

후 아세톤에 담가 제거후의 식각 패턴사진이다PR .

- 35 -

그림 식각 후의 패턴사진그림 식각 후의 패턴사진그림 식각 후의 패턴사진그림 식각 후의 패턴사진2-15 Cr2-15 Cr2-15 Cr2-15 Cr

코어 식각 공정2.5.1

실리카 광도파로에서 일반적인 코어의 크기는 정도 이므로 코어를 식각 할6~8㎛

때는 그 코어 박막 두께 이상의 식각이 필요하다 일반적인 건식 식각 장비로는.

등이 있다 실리카 도파로에서는 식각 할 박막 깊이가 커 주RIE, ECR, ICP Etcher .

로 를 사용한다 는 저압공정이고 와 를 독립적으ICP . ICP bias power source power

로 운용할 수 있는 장점이 있어 고속 식각공정에 유리하다 저손실 채널 도파로를.

구현하기 위해서는 이방성 식각 단면 측벽 거칠기 개선 높은 식각속도 높은, , ,

표면손상 및 오염 방지가 필요하다 공정에 영향을 미치는 변수들로Aspect ratio, .

는 식각 가스 유량에 따라 식각속도와 측면 거칠기Source power, Bias power, ,

가 결정된다 는 플라즈마 중에서 생성된 이온의 기판 충돌에 의Aspect ratio . ICP

한 물리적인 식각과 여기 활성 가스 원자 의 기판과의 반응을 통(Reactive Neutrals)

한 화학적인 식각이 동시에 이루어지는 것으로 식각율은 물리적 화학적 식각의 합,

으로 나타낼 수 있다 활성 가스 원자에 의한 피 식각면 전체의 화학반응을 반복하.

여 등력의 식각이 이루어지나 수직한 바닥 부분에 전계로 가속되어진 이온들의 충

돌로 구조가 약해져 빠른속도로 반응을 계속하면 수직한 바닥부분의 식각속도가 다

른 면보다 매우 빨라져 이방성 식각이 일어난다 에서 실리카를 식(Anisotropic) . ICP

각하기 위하여 주로 사용되는 가스는 CF4, C2F6, C3F8, CHF3 등이 있다 본 과제에.

서는 식각속도와 측면 거칠기 를 향상시키기 위해서, aspect ratio CF4/CHF3 혼합가

스를 사용하였다 본 연구에서 사용된 식각공정 조건을 표 에 나타내었다 이. ICP 5 .

식각 공정을 이용하여 의 깊이로 도파로를 식각 하였으며 식각률은8.9㎛

이었고 마스크와 실리카 박막과의 식각 선택 비는 이상이었다3200Å/min Cr 30 .

- 36 -

측면 거칠기는 이하였다 장비 구성은 크게 가스조절부 전원 반응0.1 . ICP , RF ,㎛

실 배기및 폐기부로 이루어진다 가스조절부는 선정된 원료기체의 증기압이 비교적, .

높은 기체들로 취급이 용이하며 고순도 유지 압력조절 유량 조절등을 고려한 라인, ,

구성이다.

- 37 -

표 코어 식각 공정 조건표 코어 식각 공정 조건표 코어 식각 공정 조건표 코어 식각 공정 조건5555

Process Item Condition

CF4(sccm) 20

CHF3(sccm) 30

ICP Power(W) 700

DC Bias(W) 50

Pressure(mTorr) 5

유량조절은 를 사용하여 정확하고 안정된 제어로 반응실내의 압력변동을 최소MFC

화시키고 플라즈마는 전극간의 전계를 형성하여 기체들이 이온화된 상태로 전RF

원에 따라 반응에너지가 변화된다 반응실은 고진공을 유지하도록 구성되며 일반적.

인 경우는 로만 사용하여 플라즈마를 형성한다 전극은 플라즈마Mechanical Pump .

의 영역과 를 조절하기 위하여 전극간의 거리를 가변하도록 구성하며 배기Intensity

는 반응실의 플라즈마 압력을 유지하며 반응시 부산물을 배기하여 이어지는 반응의

효율을 높힌다 그림 는 도파로 식각후의 패턴 사진을 나타낸다 는 식간된. 2-16 . (a)

도파로 측면을 본 것이도 는 단면을 보인것이다 이 식각된 도파로를 으, (b) . -stepα

로 측정한 프로파일이 그림 이다 실리카 식각공정 후에는 메탈 마스크 층으2-17 .

로 사용된 을 제거하는 공정이 필요하다 이 을 완전히 제거하지 않은 면 광도Cr . Cr

파로의 손실을 가져온다 이 막을 제거하기 위해서 용액에 분 동. Cr Cr Etchant 30

안 담가 놓았다.

- 38 -

식각된 도파로식각된 도파로식각된 도파로식각된 도파로(a)(a)(a)(a) 도파로 단면 형태도파로 단면 형태도파로 단면 형태도파로 단면 형태(b)(b)(b)(b)

그림 도파로 식각 후 패턴 사진그림 도파로 식각 후 패턴 사진그림 도파로 식각 후 패턴 사진그림 도파로 식각 후 패턴 사진2-162-162-162-16

그림 식각된 도파로의그림 식각된 도파로의그림 식각된 도파로의그림 식각된 도파로의2-17 -step profile2-17 -step profile2-17 -step profile2-17 -step profileαααα

상부 클래드 증착 기술2.6

식각 공정후의 도파로는 상부클래드의 형성으로 채널 도파로를 이루게 된다 상부.

클래드는 하부 클래드와 굴절률이 같고 고밀화 온도가 낮아야 한다 고밀화 온도를.

하부 클래드와 같은 조건으로 하면 에칭된 코어가 변형되어 광도파로 역할을 할 수

가 없다 이런 이유로 고밀화 온도를 코어층 고밀화 온도보다 낮추어야 한다 고밀. .

화 온도를 낮추기 위해서는 B2O3 나 P2O5를 다량으로 첨가하여야 한다 고농도로.

도핑이 되고 고밀화 온도가 틀려지기 때문에 하부 클래드나 코어 증착 때와는 조금

다른 굴절률이 얻어 진다 따라서. P2O5 와 B2O3의 첨가량을 적절히 조절하여 하부

클래드와의 굴절률을 맞추어야 한다.

- 39 -

도핑이 많이 이루어짐에 따라 고밀화 과정에서 도펀트의 많은 휘발성으로 인하여

상부클래드 제작시 많은 결함이 발생하게 된다 특히 식각된 도파로 주변에 다량의.

도펀트가 증착되고 이러한 도펀트들이 코어 옆면과 반응을 하면서 가 형성되거pore

나 계면에서의 젖음성 불량이 발생하게 된다 생성은 도펀트의 양이 상대적으. pore

로 많을 때 도파로 주변을 따라 많이 발생하였으며 도파로 간격이 좁은 지역 특히

와 같은 분기점에서 많이 발생하였고 도파로 패턴 각도에 따라 발생하는Y-branch ,

양이 달라졌다 이러한 나 결함을 줄이기 위해서는 무엇보다 도펀트의 도핑양. pore

과 고밀화 온도가 결정적인 역할을 하였다 표 증착 조건으로 그림 과 같은. 6 2-18

고밀화 공정을 수행한 결과 가 발생하지 않은 도파로를 얻을 수 있었다pore . pore

가 제거된 도파로를 그림 에 나타내었다 그림 는 결함이 없는 직선 도2-19(a) . 5(a)

파로를 나타낸 것이고 그림 는 상부클래드의 고밀화 후 변형이 되지 않는2-19(b)

코어의 단면을 보여 준다.

표 상부 클래드 증착 조건표 상부 클래드 증착 조건표 상부 클래드 증착 조건표 상부 클래드 증착 조건6.6.6.6.

- 40 -

그림 상부 클래드 고밀화 조건그림 상부 클래드 고밀화 조건그림 상부 클래드 고밀화 조건그림 상부 클래드 고밀화 조건2-18.2-18.2-18.2-18.

표면표면표면표면(a)(a)(a)(a) 단면단면단면단면(b)(b)(b)(b)

그림 상부클래드 사진그림 상부클래드 사진그림 상부클래드 사진그림 상부클래드 사진2-19.2-19.2-19.2-19.

GeCl4와 POCl3는 굴절률을 증가시키는 역할을 하고 BCl3는 굴절률을 낮추는 역할

을 한다. POCl3와 BCl3는 굴절률을 조절하는 역할 외에 낮은 녹는 점 때문에 실리

카 박막의 고밀화 온도를 조절하는데 사용된다 코어는 하부클래드 보다 상대적으.

로 굴절률을 높여야 하는데 GeCl4가 주로 사용된다. POCl3도 굴절률을 높이는 특

성이 있으나 단위 당Mol% GeCl4의 굴절률 증가가 더 크고 광 손실 또한 적기 때

문이다 그림 은. 2-20 GeCl4의 유량에 따른 굴절률 변화와 증착률을 나타내었다.

SiCl4와 POCl3 그리고, BCl3 유량은 각각 으로 고정을 시킨 후100, 70, 50 sccm

GeCl4 유량을 변화시켰다 고밀화 온도는. 1300℃에서 시간 유지시킨 후 상온으로5

냉각 시켰다. GeCl4 유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 굴절률이 증가함을 나

타낸다. GeCl4 당 굴절률 증가율은 대략10sccm 4*10-3

정도이다.

- 41 -

증착율도 유량이 증가할수록 증착되는 양이 많음을 알 수 있다 그림 에서는. 2-21

POCl3와 BCl3의 비에 대한 굴절률 변화을 나타낸 것이다. SiCl4는 으로100 sccm

유지시킨 후 POCl3와 BCl3 유량비를 바꾸어서 1300 ℃에서 시간 유지시킨 후 프3

리즘 커플러를 사용하여 굴절률을 측정하였다 유량비의 증가율이 클수록 굴절률.

변화가 가파르게 증가하는 것을 알 수 있다 이 원인은. POCl3의 굴절률 증가가

BCl3의 굴절률을 감소시키는 역할보다는 상대적으로 크기 때문이다 이상과 같이.

도펀트에 대한 굴절률 변화를 알아보았다 하지만 굴절률을 변화 시키는 데는 여러.

가지 다양한 인자가 있어 고밀화 온도 토치의 화염 온도 기판의 온도 기판과 토, , ,

치의 거리등에 따라 굴절률 변화가 약간 씩 다르게 나타날 수 있어 이러한 굴절률

변화를 실제 사용하기 위해서는 다른 공정인자를 변화 없이 유지시키는 것이 매우

중요하다.

그림그림그림그림 2-20 GeCl2-20 GeCl2-20 GeCl2-20 GeCl4444양에 따른 굴절률과 증착률 변화양에 따른 굴절률과 증착률 변화양에 따른 굴절률과 증착률 변화양에 따른 굴절률과 증착률 변화

- 42 -

그림그림그림그림 2-21 POCl2-21 POCl2-21 POCl2-21 POCl3333와와와와 BClBClBClBCl3333 유량비에 따른 굴절률 변화유량비에 따른 굴절률 변화유량비에 따른 굴절률 변화유량비에 따른 굴절률 변화

실리카 박막 평가2.7

굴절률 및 두께 원리2.7.1

제작된 박막의 두께 및 굴절률을 측정하기 위하여 프리즘 커플러 방법을 사용하였

다 이 방법은 수 정도의 두께를 가지는 박막의 두께 및 굴절률을 측정하는데. ㎛

알맞은 방법이다 평면 박막의 특성을 평가하기 위해서는 먼저 도파모드가 여기 되.

어야 한다 빛을 여기 시키는 데에는 여러 가지 방법이 존재하지만 프리즘 결합 방.

식이 가장 보편적으로 사용되어진다 입사광이 도파로 평면상의 면에 입사되었을.

때 도파광으로서 전파되지 못한다 그 이유는 방사모드에 속하기 때문이다 프리즘. .

결합 방법은 입사광과 도파 모드사이에서의 위상 정합을 통하여 도파광을 여기 시

키기 위하여 높은 굴절류을 가지는 프리즘을 사용한다 측정할 도파로보다 높은 굴.

절률을 가지는 프리즘을 도파로 가까이에 장착한 후 보다 레이버 빔이critical angle

높은 각으로 프리즘 밑면 도파로와 맞닿은 면 에 입사하면 전반사가 일어나고 감쇄( )

파가 프리즘에서 도파로로 뻗어나간다 프리즘에서 파 벡터의 수평성분이 가이드.

모드중 하나의 성분과 일치하는 레이저 빔 입사각이 존재할 때 그것과 일치하는 모

드가 여기가 되고 빛이 도파로로 결합되어진다.

- 43 -

그림 과 같이 프리즘 밑면에 레이저 빔이2-22 θi의 각으로 입사를 할 때 굴절률 nm

를 가지고 있는 프리즘과 공기 막에서 방향으로의 위상속도는 다음과 같다z .

위식이 여러 도파 모드 중에서 한 도파모드의 위상속도 vm과 같을 때 박막과 강한 결합

이 이루어진다 강한 결합이 일어나는 각도. θm을 구함으로써 도파로의 전파상수를 구

할 수 있다.

그림 프리즘 커플러 개략도그림 프리즘 커플러 개략도그림 프리즘 커플러 개략도그림 프리즘 커플러 개략도2-222-222-222-22

- 44 -

여기서 은 모드수를 나타낸다 모드 굴절류m . nm은 박막 도파로의 분산 식으로부터 구

할 수 있다.

여기서 와k=2 / , d nπ λ 2는 각각 박막의 두께와 굴절률을 나타낸다.

그리고

여기서 매질을 나타내는 는 이다j 1,3 . ρ가 이면 분극을 나타내고0 TE ρ가 이면1

분극을 나타낸다 위식의 박막의 는 미지수이다 만약 두개 이상의 모드를TM . n,d .

구하면 박막의 두께와 굴절률을 알 수 있다 위 계산은 해석적으로 구하지 못하므.

로 컴퓨터를 이용한 수치해석이 필요하다 그림 는 프리즘 커플러의 장비사진. 2-23

을 나타낸 것으로 광원으로는 레이저가 있고 이 광원들이 프리즘을633, 1552㎚

통하여 실리카 박막에 여기가 되어진다 이 프리즘 커플러는 옵션으로 광 손실을.

측정할 수 있는 기능이 구현되어 있다.

- 45 -

단일 실리카 막단일 실리카 막단일 실리카 막단일 실리카 막(a)(a)(a)(a) 중 실리카 막중 실리카 막중 실리카 막중 실리카 막(b) 2(b) 2(b) 2(b) 2

그림 막의 각도에 따른 광세기 변화그림 막의 각도에 따른 광세기 변화그림 막의 각도에 따른 광세기 변화그림 막의 각도에 따른 광세기 변화2-23.2-23.2-23.2-23.

그림 은 포토 디텍터에서 얻은 광세기를 프리즘 커플러의 회전 각도에 대하2-23.

여 나타낸 것이다 그림 는 단일 막에 대한 전형 적인 형태이고 그림. 2-23(a)

는 이중막에 대한 패턴이다 여기서 사용된 광원은 이다 단일막에2-23(b) . 1552 .㎚

서 모드의 세기는 점차 감소하는 특성을 보이나 중막 일때는 모드 앞부분에서 세2

기가 증가하다가 다시 감소하는 형태를 보인다 모드세기가 증가하는 부분은 코어.

층의 굴절률과 두께 정보를 가지고 있고 모드세기가 감소하는 부분은 하부 클래드

의 박막 정보를 가지고 있다.

굴절률 및 두께 측정2.7.2

제작한 박막을 플리즘 커플러를 사용하여 코어의 굴절률과 두께를 측정하였다.

에서 굴절률이 로 상대적인 굴절률차가1552 1.4508㎚ △ 였다=0.45% .

- 46 -

그림 코어박막의 굴절률과 두께측정그림 코어박막의 굴절률과 두께측정그림 코어박막의 굴절률과 두께측정그림 코어박막의 굴절률과 두께측정2-24.2-24.2-24.2-24.

박막 손실2.7.3.

박막의 두께와 굴절률은 채널 도파로의 광학적 특성에 많은 영향을 미친다 채널.

도파로를 제작하기 전에 슬랩도파로 상태에서 박막의 손실 특성을 측정하여 박막의

손실을 알 수 있으면 박막 형성 공정과 연관시켜 좋은 품질의 박막을 제작할 수 있

다 광도파로의 전송 손실은 다음과 같이 표현된다. .

슬랩 도파로의 손실 측정은 여러 가지 방법이 있는데 본 연구에서는 다음과 같은

방법으로 손실을 측정하였다 먼저 프리즘을 박막에 커플링 시킨 후 광원을 박막에.

여기 시킨다 이 여기된 광은 박막을 따라 도파되면서 박막 상부로의 산란 또한 이.

루어진다 이렇게 산란되어 나오는 광파워를 광섬유 팁으로 측정하여 위치에 따른.

광파워 변화로부터 손실 계수를 구하는 방법으로 광손실을 측정하는 산란법을 사용

하였다 광손실을 측정하는 이외의 방법으로는 프리즘 커플러와 박막의 접촉점을.

이동시키면서 도파로 단면으로 출사되는 광파워의 변화를 측정하는 프리즘방법이I

있고 슬랩도파로를 도파로의 코어 보다 굴절률이 큰 액체에 비스듬히 담그면 도파

로를 진행하던 광파가 밖으로 빠져 나오는 원리를 이용한 굴절률 정합액 방법등이

있다.

- 47 -

그림 는 프리즘커플러에 의해 박막으로 여기된 광이 위치에 따라 박막 상부2-52.

로 산란되어 나오는 빛의 세기를 나타낸 것이다 이 그래프로부터 광손실을 계산환.

결과 의 측정치를 얻을 수 있었다0.05 / .㏈㎝

그림 위치에 따른 광파워 세기그림 위치에 따른 광파워 세기그림 위치에 따른 광파워 세기그림 위치에 따른 광파워 세기2-25.2-25.2-25.2-25.

광도파로 패키징 기술2.8

패키징 기술은 크게 연마기술 정렬 기술 접속기술로 나눌 수 있다 이러한 기술의, , .

핵심적 요소에 대해 본 연구에서 수행한 내용을 기술하였다.

- 48 -

단면 연마 기술2.8.1

광소자에 있어서 광 손실에 영향을 미치는 많은 인자가 있다 그 중에서 실리카 채.

널 도파로 자체의 손실 못지않게 입출력 단의 단면연마 정도는 삽입손실에 많은 영

향을 미친다 본 연구에서는 먼저 로 절단된 칩의 양 끝단에 도파로 보호를 위. 7㎜

한 를 로 부착하여 단면을 연마하는 동안 도파로가 손상받지 않도Quartz UV epoxy

록 하였다 가 부착된 칩을 특수 제작된 연마 지그를 사용하여 연마를 하였. Quartz

는데 그 단위공정은 표 과 같다 속도로 까지 연마하였다7 . 100rpm 1/4 .㎛

표 단면 연마 공정표 단면 연마 공정표 단면 연마 공정표 단면 연마 공정7777

순서 연마 물질 Size 시간 회전 속도

1 SiC-Paper grit 320 분3 100 rpm







8 Diamond paste 3㎛ 분4 100 rpm

9 Diamond paste 1㎛ 분5 100 rpm

10 Diamond paste 1/4㎛ 분6 100 rpm

정렬 기술2.8.2

결합손실을 최소로 하기 위해서는 광섬유와 도파로간 정렬을 일치시켜야 한다 본.

연구에서는 정밀한 정렬을 위해서 축 미세 조정이 가능한 정렬기계를 사용하여 광6

섬유 코어와 도파로 코어 간 정렬을 하였다 광섬유 끝단은 를 사용하여. V-groove

칩과 크기를 일치시켜 광섬유 정렬 및 접착이 용이하게 되었다 그림 는 광섬. 2-26

유와 도파로를 정렬하기위한 개략도이다 정렬의 기본 순서는 먼저 와. V-groove

도파로의 입력 단을 최적화 시킨 후 에폭시를 사용하여 접착시킨 후 도파로의 출력

단과 또 다른 를 정렬시켜 접착하면 도파로 칩을 얻을 수 있다 먼저 도V-groove .

파로와 입력 단을 정렬하기 위하여 출력단 쪽에 렌즈와 카메라를 사용V-groove IR

하여 도파된 광이 모니터를 통하여 나타나게 하였다 그림 은 광섬유와 도파. 2-27

로 정렬을 위한 이다 각 축은 간격으로 축 조절과 조절이Setup . 0.1 X, Y, Z tilt㎛

가능하다 그림 는 와 도파로의 정렬이 되었을 때 도파된 광원을 찍은. 5-4 V-groove

사진이다 여기서 렌즈와 카메라 대신 파워미터를 사용하여 도파로를 좀더 최적. IR

화 한 다음 접착시킨다.

- 49 -

그림 광섬유와 도파로 정렬을 위한 개략도그림 광섬유와 도파로 정렬을 위한 개략도그림 광섬유와 도파로 정렬을 위한 개략도그림 광섬유와 도파로 정렬을 위한 개략도2-262-262-262-26

도파로 측정도파로 측정도파로 측정도파로 측정(a) setup(a) setup(a) setup(a) setup 도파로 정렬 지그도파로 정렬 지그도파로 정렬 지그도파로 정렬 지그(b)(b)(b)(b)

그림 정렬 및 측정을 위한그림 정렬 및 측정을 위한그림 정렬 및 측정을 위한그림 정렬 및 측정을 위한2-27 Setup2-27 Setup2-27 Setup2-27 Setup

- 50 -

그림 도파된 광신호를 모니터로 출력한 사진그림 도파된 광신호를 모니터로 출력한 사진그림 도파된 광신호를 모니터로 출력한 사진그림 도파된 광신호를 모니터로 출력한 사진2-282-282-282-28

접착 기술2.8.3

광소자 조립공정에서는 도파로와 광섬유간의 접속을 단시간에 마이크로 수준의 높

은 정밀도가 가능한 정밀 고정방법이 요구된다 본 연구에서는 자외선 경화형. (UV)

고속 경화 접착제를 사용하였다 고속 경화 접착제는 접착대상 재료를 자유롭게 선.

별할 수 있고 비교적 저온에서 빠른 작업이 가능하기 때문에 작업성 경제성이 우,

수한 방법으로 널리 사용되어진다 그림 는 도파로와 광섬유의 접속구조를 나. 2-29

타낸 것이다 이와 같은 도파로와 광섬유를 접착하기 위한 경화제는 작은 접착. UV

면에서도 충분한 강도를 가져야 하고 접착 후의 열적 기계적 특성이 우수해야 하고

아울러 장기간의 신뢰성이 요구되어야 한다 특히 삽입손실을 줄이기 위해. C-band

대역에서 높은 투과성을 보여야 하며 경화 후 광섬유와 도파로의 굴절률과 유사해

야 한다 본 연구에서는 이러한 요건을 갖추는 리치스톤사의 에폭시를. AT6001 UV

사용하여 도파로와 사이에 주입해 자외선에 분간 노출 시킨 후 접착하였V-groove 2

다 이 에폭시의 굴절률은 에서 이고 광투과율은 이다. 1550 1.51 91% .㎚

- 51 -

그림 도파로와 광섬유의 접속 구조그림 도파로와 광섬유의 접속 구조그림 도파로와 광섬유의 접속 구조그림 도파로와 광섬유의 접속 구조2-292-292-292-29

- 52 -

지원내용의 기업전략에의 기여도지원내용의 기업전략에의 기여도지원내용의 기업전략에의 기여도지원내용의 기업전략에의 기여도3.3.3.3.

본 기술 지원사업에서 지원한 기술은 제작을 위한제작기술이다 를 제splitter . splitter

작하기 위하여 광도파로를 설계하고 시뮬레이션하여 검증을하고 도파로 제작을 위

한 제자과 층의 증착 그리고 부분의 화학적식갓벙법 도파로라underclad core core

인이 형성된후에의 증착기술 칩이 제작되어진후에 패키징을 위하upperclad splitter

여 도파로칩의 연마와 찹과 화이버어레이의 부착 그리고 패키징된 소자의 모드분,

리측정 삽입손실과 편광손실등을측정하는 순이다 본 연구에서 지원한 기술은 주, . ( )

에스엘테크놀로지에서 향후 광도파로소자와 관련된 광파장 분할소자 광감쇠소자, ,

광집접화 소자등을 제작하는데 가장근본이 되는 소자제작기술로서 로서 기업전략에

가장 핵심적으로 부응하고 있다.

- 53 -

제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행2222

기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정1.1.1.1.

일련

번호연구지원내용

추진일정 기간

월( )1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 국내외문헌분석A 2

2 해석B 1×8splitter 3

3C 1×8splitter

시뮬레이션2

4 설계D 1×8splitter 2

5 장비운용E FHD 2

6 칩제작F 1×8 splitter 6

7칩 단면G 1×8splitter

연마 및 부착2.5

8 측정H 1×8 splitter 2.5

수행업무 및 기자재활용수행업무 및 기자재활용수행업무 및 기자재활용수행업무 및 기자재활용2.2.2.2.

본 기술지원사업에서 전자부품연구원은 광도파로의 설계 및 증착기술 단위splitter ,

칩의 패키징 삽입손실 기술등을 지원하였다 이러한 지원기술을 바탕으로 주 에스, . ( )

엘티에서는 단일채널광도파로 멀티채널 광도파로 대칭 및 비대칭벤딩 광도파로등, ,

을 설계하는 기술을 획득하였고 또한 불꽃가수분해장비를 이용하여 광도파로 제작

을 위한 박막증착기술을 습득하였으며 제작된 칩의 정렬 및 본딩장비를 이용splitter

하여 화이버블럭과 칩을 부착하는 기술을 습득하였고 소자의 특성분석을 하였다, .

- 54 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 기술지원 사업을 통해 불꽃가수분해기술을 이용한 증착방식을 이용하여 1×8

를 제작하였다 주 에스엘티는 기존에는 광화이버만을 이용한 광커플러 인splitter ( ) ,

터리버 팬아웃등을 양산판매하고 있었고 작년에 실리카기판을 이용한 저손실 광도,

파로 제작기술을 갖추고 있었으나 이도파로 기술을 소자제작에는 으용할수 잇는 기

술을 갖추고 있지 않았다 또한 와 같은 광소자의 제작기술을 필요로 하고. splitter

있으나 연구 인력의 부족으로 소자의 설계와 시뮬레이션 소자의 제작 측정기술등, ,

에 어려움을 겪고 있었다 본 기술지원과제를 수행한 결과 지금은 불꽃가수분해장.

비를 이용하여 막 증착 막의 증착 및 막의 고밀화under cladding , upper cladding

작업 막의 증착 에칭 기술을 확보하였고 제작됭 소자의 특성평가등을 할 수, GeO2 ,

있는 기술을 확보하였다.

- 55 -

Date post:	10-Aug-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	1 times
Download:	0 times

실리카를 이용한실리카를 이용한 1×8 splitter 1×8 splitter 제작 … · 산 업 자...

Documents