KETI-RD-2004060KETI-RD-2004060KETI-RD-2004060KETI-RD-2004060

저손실 실리카 광도파로저손실 실리카 광도파로저손실 실리카 광도파로저손실 실리카 광도파로

제작기술지원제작기술지원제작기술지원제작기술지원

2004. 7. 312004. 7. 312004. 7. 312004. 7. 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 -

관리번호 :

종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명 저손실 실리카 광도파로 제작기술지원

지원책임자소속 전자부품연구원:

성명 윤 형 도:지원기간

부터2003. 08. 01 .

까지2004. 07. 31 .

사업비 규모

총 천원221,880

지원기관의

참여연구원

서용곤전임

김제민전임

정 부 출 연 금 천원: 110,940

기업부담금현금 천원: 66,564

현물 천원: 44,376

부품 소재종합기술지원사업운영요령 제 조의 규정에 의해 종합기술지원사업18ㆍ

수행에 대한 기술지원성과보고서를 제출합니다.

첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부: 5: 5: 5: 5

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2004 07 312004 07 312004 07 312004 07 31

작성자 지 원 책 임 자작성자 지 원 책 임 자작성자 지 원 책 임 자작성자 지 원 책 임 자( ) :( ) :( ) :( ) : 윤 형 도윤 형 도윤 형 도윤 형 도

지원기관장 전자부품연구원장지원기관장 전자부품연구원장지원기관장 전자부품연구원장지원기관장 전자부품연구원장( ) :( ) :( ) :( ) : 김 춘 호김 춘 호김 춘 호김 춘 호

확인자 지원기업 대표확인자 지원기업 대표확인자 지원기업 대표확인자 지원기업 대표( ) :( ) :( ) :( ) : 신 동 호신 동 호신 동 호신 동 호

부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하ㆍㆍㆍㆍ

- 3 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 저손실 실리카 광도파로제작 기술지원 지원기간“ ”( : 2003.08.31~

과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다2004.07.31) .

2004. 07. 31.2004. 07. 31.2004. 07. 31.2004. 07. 31.

지원기관 기관명 전자부품연구원지원기관 기관명 전자부품연구원지원기관 기관명 전자부품연구원지원기관 기관명 전자부품연구원: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호( )( )( )( )

지원기업 기업명 주 에스엘테크놀로지지원기업 기업명 주 에스엘테크놀로지지원기업 기업명 주 에스엘테크놀로지지원기업 기업명 주 에스엘테크놀로지: ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( )

대표자 신 동 호대표자 신 동 호대표자 신 동 호대표자 신 동 호( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 윤 형 도 책임연구원윤 형 도 책임연구원윤 형 도 책임연구원윤 형 도 책임연구원

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

- 4 -

기술지원 성과 요약서기술지원 성과 요약서기술지원 성과 요약서기술지원 성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

최종목표 인 굴절율차를 갖고 손실을 갖는 광도파로제작: 0.45% 0.1dB/cm

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

화염 가수분해 증착법 을 이용한1. FHD(Frame Hygrolysis Deposition: ) under cladding

제작지원

을 이용한 제작지원2. FHD core

을 이용한 제작지원3. FHD under cladding

를 이용한 고밀화 작업 지원4. Furnace

건식 식각 방법을 이용한 막의 에칭 막의 에칭기술 확립 지원5. GeO2 , SiO2

광도파로특성측정 지원6.

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

제작지원underclad 확보기술 없었음 제작지원underclad 증착편차조정가능

제작지원core 확보기술 없었음 제작지원core 에칭기술확보

제작지원underclad 확보기술 없었음 제작지원underclad 증착편차조정가능

광도파로특성측정지원 확보기술 없었음 광도파로특성측정기술확보 다채널측정가능

- 5 -

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 splitter੦

모 델 명 : 1x2 splitter chip੦

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 size:10X2.5mm 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%

- 6 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

1x2 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)

화염 가수분해 증착법 을 이용한1. FHD(Frame Hygrolysis Deposition: ) under cladding

제작

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험: under cladding

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

확립Torch speed, turntable speed

온도 확립Bubbler

을 이용한 제작2. FHD core

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험core

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

확립Torch speed, turntable speed

온도 확립Bubbler

을 이용한 제작3. FHD upper cladding

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험upper cladding

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

확립Torch speed turntable speed

온도 확립Bubbler

- 7 -

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

기술지원 결과를 power splitter, VOA, Optical Tab, CWDM, Wavelength splitters,

등의 광도파로 소자 제작기술에 응용 제작 및 광도파로 관련 상품화에AWG Mux/Demux

활용하기가 매우 용이함.

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

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

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )관리자 실시권자

비고

등록 출원( , )

특허광기판

연마방법

2004-

35291

서용곤

윤형도

김제민

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건10 내부기술세미나를 통한 주 에스엘티인력교육( )

시제품제작 건12 광도파로 시작품제작

양산화개발 건

공정개선 건

품질향상 건

시험분석 건2 도파특성분석

수출 및 해외바이어 발굴 건

교육훈련 건3 광도파로정렬장비교육

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건1 특허출원 광기판연마방법:

기 타 건20 기업체 미보유장비공정지원 외: prism coupler

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

부품소재기술지원전에는 주 에스엘티에서는 주로 광화이버를 이용한 광부품을 개발하* ( )

였는데 본과제를 수행함으로써 광도파로를 이용한 소자를 개발할수 이는 기술력을 갖추

게 되었음 또한 광도파로를 제작하기위한 증착장비인 장비 및 확산을 위한. FHD

장비등과 측정을 위한 프리즘 커플러 자동정렬 장치등을 사용함으로서 향후 광furnace ,

도파로 제작 기술에 유용하게 적용시킬것이며 제작된 광도파로 기술을 이용하여 광파워

분할소자 광파장분할소자 광감쇠소자 광복합소자등에 응용할수 있으므로 여러 가지도, , ,

파소자의 화가 가능함by-product .

- 9 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 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 추진일정 및 담당업무성과기술지원 추진일정 및 담당업무성과기술지원 추진일정 및 담당업무성과기술지원 추진일정 및 담당업무성과1.1.1.1.

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

부 록부 록부 록부 록

기술지원일지기술지원일지기술지원일지기술지원일지1.1.1.1.

기술지원활용기자재기술지원활용기자재기술지원활용기자재기술지원활용기자재2.2.2.2.

해외출장보고서해외출장보고서해외출장보고서해외출장보고서3.3.3.3.

세미나내용세미나내용세미나내용세미나내용4.4.4.4.

- 10 -

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 광도파로는 기판에 전자회로를 집적할 수 있고 기판을 산화시킨Si Si Si

를 도파로 기저층으로 쓸 수 있고 광섬유 연결에 실리콘Thermal Oxide , V-groove

를 이용할 수 있고 열광학 효과를 이용하여 스위칭이 가능하며 반도체 레이저의, ,

에 큰 열전도율의 을 로 이용할 수 있는 장점이 있다hybrid package Si heat sink .

따라서 실리카 도파로 소자는 최근 광통신용 광집적회로의 재료로서 많은 연구가

되어 오고 있다 실리카 수동 광도파로 소자는. FHD(Flame Hygrolysis Deposition

화염가수분해 증착법 화학기상 증착법 이: ), CVD(Chemical Vapor Deposition : ),

온교환법 증착법(Ion Exchange), Sol-gel , AFD(Aerosol Flame Deposition),

등에 의해 만들어진다 그중 법은 증착 속도가 정sputtering . FHD 0.5 - 1 /min㎛

도로서 수 십 의 두께를 요하는 실리카 공도파로의 제작에 효율적인 방법으로 알㎛

려져 있다 및 의 실리카 수동광집적회로 연구는 년대의 제작공정기.NTT AT&T 1980

술 개발단계에서 년대에는 다양한 회로들이 집적된 고기능 광회로 개발단계로1990

넘어가고 있으며 현재는 소자, 1.3/1.55 WDM , 144x144 star coupler,㎛

주파수 선국Programmable optical frequency filter, 16x16 matrix switch, WDM

소자 등의, Dispersion equalizer, Delay generator, Optical Add-Drop Multiplexer

다양한 통신용 광회로 소자들이 연구 제작되고 있다 주 에스엘티는 현재 광통신, . ( )

소자에 사용되는 광부품소자 제작업체로서 현재 광커플러 인터리버 팬아웃등을 양, ,

산판매하고 있으며 실리카 소자 개발을 연구중에 있다 동시에 저손실 실리카 광도.

파로의 제작기술을 필요로 하고 있으나 연구인력의 부족으로 저손실 실리카 광도파

로의 제작에 어려움을 겪고 있다 저손실 실리카 광도파로의 제작기술을 필요로하.

고 있으며 장비 이용한 막증착 막의 증, FHD SiO2 under cladding , upper cladding

착 및 막의 고밀화 작업 막의 증착 막과 막의 에칭 기술등의 기, GeO2 , SiO2 GeO2

술지원을 필요로 하고 있다.

- 11 -

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

최종목표 인 굴절율차를 갖고 손실을 갖는 광도파로제작: 0.45% 0.1dB/cm

세부목표

화염 가수분해 증착법 을 이용한-. FHD(Frame Hygrolysis Deposition: ) under

제작지원cladding

을 이용한 제작지원-. FHD core

을 이용한 제작지원-. FHD under cladding

를 이용한 고밀화 작업 지원-. Furnace

건식 식각 방법을 이용한 막의 에칭 막의 에칭기술 확립 지원-. GeO2 , SiO2

광도파로특성측정 지원-.

제 절 기술지원내용제 절 기술지원내용제 절 기술지원내용제 절 기술지원내용3333

1. FHD(Frame Hygrolysis Deposition1. FHD(Frame Hygrolysis Deposition1. FHD(Frame Hygrolysis Deposition1. FHD(Frame Hygrolysis Deposition 화염 가수분해 증착법 을 이용한: ) under

제작지원cladding

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험: under cladding

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

- 12 -

확립Torch speed, turntable speed

온도 확립Bubbler

을 이용한 제작을 이용한 제작을 이용한 제작을 이용한 제작2. FHD core2. FHD core2. FHD core2. FHD core

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험core

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

확립Torch speed, turntable speed

온도 확립Bubbler

을 이용한 제작을 이용한 제작을 이용한 제작을 이용한 제작3. FHD under cladding3. FHD under cladding3. FHD under cladding3. FHD under cladding

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험under cladding

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

확립Torch speed, turntable speed

온도 확립Bubbler

를 이용한 고밀화 작업를 이용한 고밀화 작업를 이용한 고밀화 작업를 이용한 고밀화 작업4. Furnace4. Furnace4. Furnace4. Furnace

고밀화 온도의 최적화 및 사이클링

건식 식각 방법을 이용한 막의 에칭 막의 에칭기술 확립 지원 도파로건식 식각 방법을 이용한 막의 에칭 막의 에칭기술 확립 지원 도파로건식 식각 방법을 이용한 막의 에칭 막의 에칭기술 확립 지원 도파로건식 식각 방법을 이용한 막의 에칭 막의 에칭기술 확립 지원 도파로5. GeO2 , SiO25. GeO2 , SiO25. GeO2 , SiO25. GeO2 , SiO2

제작을 위한 식각의 최적화제작을 위한 식각의 최적화제작을 위한 식각의 최적화제작을 위한 식각의 최적화

광도파로측정광도파로측정광도파로측정광도파로측정6.6.6.6.

광도파로 특성측정을 위한 장치의 지원set-up

광도파로의 모드측정

광도파로의 손실측정

- 13 -

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.

화염 가수분해 증착법 을 이용한-. FHD(Frame Hygrolysis Deposition: ) under

제작지원cladding

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험: under cladding

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

확립 온도 확립Torch speed, turntable speed Bubbler

을 이용한 제작-. FHD core

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험core

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

확립 온도 확립Torch speed, turntable speed , Bubbler

을 이용한 제작-. FHD under cladding

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험under cladding

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

확립 온도 확립Torch speed, turntable speed , Bubbler

를 이용한 고밀화 작업-. Furnace

고밀화 온도의 최적화 및 사이클링

건식 식각 방법을 이용한 막의 에칭 막의 에칭기술 확립-. GeO2 , SiO2

광도파로측정-.

광도파로 특성측정을 위한 장치의 지원set-up

광도파로의 모드측정 광도파로의 손실측정,

- 14 -

기술지원내용기술지원내용기술지원내용기술지원내용2.2.2.2.

저손실 광도파로 설계저손실 광도파로 설계저손실 광도파로 설계저손실 광도파로 설계2.12.12.12.1

도파로 모드해석도파로 모드해석도파로 모드해석도파로 모드해석2.1.12.1.12.1.12.1.1

도파로의 설계는 주어진 설계 제원에서의 도파로를 통과하는 신호 광이 단일모드

혹은 준 단일 모드가 되도록 도파로의 구조를 설계하는 것으로 전송상수 모드필드,

경 도파로 굴곡 손실 등 도파로의 기본적인 특성을 결정하는 작업이다 광도파로의, .

설계에 있어 가장 먼저 고려해야 할 사항은 신호광의 도파모드수가 단일 모드 혹은

준 단일 모드가 되게 하는 것이다 특히 도파로형 광부품의 크기를 결정하는 도파.

로의 곡률 반경을 작게 하기위해서는 도파로 코어 및 클래드 간의 굴절율 차이를

적절히 조절하여야 한다 다음으로 고려해야 할 사항은 광섬유와 광도파로 간의 모.

드 필드 불일치에 의한 접속손실을 최소화하기 위하여 광도파로의 기본도파 모드의

모드 필드 경의 크기가 광섬유와 유사하게 되도록 설계하는 것이다 일반적으로 실.

리콘 기판상의 실리카 도파로의 경우 사용되는 도파로의 최소 곡률 반경은 약

정도로 이 경우 및 의 파장 영역에서 도파모드수가 개5mm 1310nm 1550nm 2 3～

정도인 준 단일 모드 도파로인 것으로 알려져 있다.

광도파로의 가장 기본적인 구조는 그림 과 같은 차원 도파로 구조인 평판 도2-1 2

파로 이다 여기서는 개의 층으로 구성된 평판 도파(Slab Waveguide) . 3 step-index

로를 해석한다 굴절율의 분포가 축에 따라 변한다고 하고 광신호가 방향으로. x z

도파한다고 가정하면 모드의 경우 횡전계는 방향으로 편광된다 각 층의 두께TE y .

방향 에 비해 폭 방향 이 매우 넓어 해석의 편이를 위하여 무한히 긴 폭을 갖(x ) (y )

는 무한 평판 도파로로 간주할 수 있다.

- 15 -

그림 평판 도파로 구조그림 평판 도파로 구조그림 평판 도파로 구조그림 평판 도파로 구조2-1.2-1.2-1.2-1.

대표적인 구조들과 굴절률 분포 그리고 축의 설정은 앞의 그림과 같다 편광은. TE

로 제한하고 한 주파수의 단색광 일 때 ko2 = ω2με0, k

2 = ko2n2(x) 이고 해의 형태

를 E(x,z) = Ey 라 가정하면 파동방정식은 아래의 계 상미분방정식으(x)exp[-j z] 2β

로 간소화된다.

또는

여기서 전파상수 이고 =� k0neff 이고 neff는 유효굴절을 (effective index, mode

이다index) . �2= ko

2(n

2(x) - n

2eff) 이라 하면 식 의 해는(2-1) �

2의 부호에 따라

해의 형태가 바뀌게 된다 각 영역에서 유기모드에 대한 표현은 다음과 같다. .

- 16 -

여기서 �21 = ko

2(n1

2- n

2eff) < 0, �

22 = ko

2(n2

2 -n2eff) > �

23 = ko

2(n3

2 -n2eff) < 0

이다 방정식에서 자계에 대해 구하고 성분이 연속이라는 경계. Maxwell tangential

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

같은 고유치 방정식을 얻을 수 있다.

위와 같은 방법으로 모드에 대해서 고유치 방정식을 구하면 다음과 같이 나타낼TM

수있다.

상기 고유치 방정식으로부터 모드에 대한 모드 수 전자장 분포 전송 상수TE, TM , ,

등 각종 기본 데이터를 얻을 수 있다 위식들의 해는 식의 오른쪽 항인. tan�2 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 상기 슬랩 도파로 수식으로부터 실리카 슬랩 도파로에 대한 모드. TE

에 대한 해석 결과를 그림 에 나타내었다2-2 .

- 17 -

그림 슬랩 도파로의 모드해석그림 슬랩 도파로의 모드해석그림 슬랩 도파로의 모드해석그림 슬랩 도파로의 모드해석2-2.2-2.2-2.2-2.

유한차 빔 전송법유한차 빔 전송법유한차 빔 전송법유한차 빔 전송법2.1.2 (FD-BPM)2.1.2 (FD-BPM)2.1.2 (FD-BPM)2.1.2 (FD-BPM)

광도파로를 이용하여 제조되는 광회로의 소자에서 광 도파현상을 해석하는 것은 매

우 중요하다 균일 도파로에서는 모드의 형태와 전파상수를 구하는데 있어서 유한.

차분법 유한 요소법 등을 이용하여 해결할 수 있지만 가변폭 결합기나(FDM), (FEM)

교차형 결합기 같은 소자에서는 축을 따라 도파로 폭이나 간격이 변하기 때문에z

위의 방법으로 진행하는 파의 변화 과정을 구하는데 곤란하다 유한차 빔 전송법은.

광도파로의 굴곡 구조 형 분기기 방향성 결합기 기타 각종 광회로 소자의 설, Y- , ,

계에 널리 사용되고 있는 수치해석 방법중의 하나이다 제일 처음 푸리에 변환을.

이용한 빔 전송법이 제안된 이래 유한 차 빔전송법 유한요소 빔전송법 삼차원 벡, , ,

터 빔 전송법등 각종 방법의 빔 전송법이 제안되었으며 지금은 가장 보편적으로 유

한차 빔 전송법이 쓰이고 있다 이 유한차 빔전송 방법에 대해 간략히 고찰한다. .

- 18 -

차원 구조에 대한 파동방정식2 scalar

의 해의 형태를 (x, z)=E(x, z)exp[jkε 0n0z] 라 하면 식 은, (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|E2 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 와 에서의 평균으로E z z+ z△

추정하며 Ez 에 대하여는 전향차분을 이용하면 다음과 같은 대수적인 방정식을 얻

는다.

- 19 -

식 를 다시 정리하면(2-9)

여기서

이다 식 을 행렬로 표시하면. (2-10)

- 20 -

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.

- 21 -

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 설계를 이용한 도파로 소자 설계를 이용한 도파로 소자 설계를 이용한 도파로 소자 설계2.2 BPM-CAD2.2 BPM-CAD2.2 BPM-CAD2.2 BPM-CAD

단일 모드 도파로 설계단일 모드 도파로 설계단일 모드 도파로 설계단일 모드 도파로 설계2.2.12.2.12.2.12.2.1

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 굴절률은1310nm 1550nm . Clad Core

의 굴절률차를 갖도록 동작 파장에 따른 에 의해 결정된다0.45% Sellmier Equation .

- 22 -

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. 1310nm ( 2-3 a.)

단일 모드로 계산된다 반면 의 동작 파장 조건 그림 으로는 단일. 1550nm ( 2-3 b.)

모드만이 나타난다.

(a) 1310nm (b)1550nm

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 설계단일 모드 도파로를 이용한 설계단일 모드 도파로를 이용한 설계단일 모드 도파로를 이용한 설계2.2.2 Y-Branch2.2.2 Y-Branch2.2.2 Y-Branch2.2.2 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

제작해보자 한다.

- 23 -

보통 출력단의 간격을 곡률반경 을 로 결정하여 를 설계250um, (R) 30mm Y-branch

한다 이런 가 형태로 연결되면 그림 와 같이. Y-branch Cascade 2-4. 1x2, 1x4, 1x8

등 여러 가지 분배기를 설계 제작할 수 있다, .

분배기(a) 1x4 분배기(b) 1x8

그림 분배기 구조그림 분배기 구조그림 분배기 구조그림 분배기 구조2-4.2-4.2-4.2-4.

를 이용하여 와 분배기를 동작 파장에 따라 한 결과는BPM-CAD 1x4 1x8 simulation

다음 그림과 같다.

(a) 1x4 1310nm (b) 1x4 1550nm

(c) 1x8 1310nm (d) 1x8 1550nm

그림 동작 파장에 따른 분배기 출력그림 동작 파장에 따른 분배기 출력그림 동작 파장에 따른 분배기 출력그림 동작 파장에 따른 분배기 출력2-5.2-5.2-5.2-5.

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위의 결과에서 과 비교해서 에서는 분배기의 출력 단자간의 광신호1550nm 1310nm

차이가 큰 것을 알 수 있다 이런 현상은 그림 에서 나타난 의 준 단. 2-5. 1310nm

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

차 모드를 제거하여 에서도 단일 모드만 존재하게 한다면 출력 단자간의1 1310nm

균일도가 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 소자본 연구에서 제안한 광분배기 소자본 연구에서 제안한 광분배기 소자본 연구에서 제안한 광분배기 소자2.32.32.32.3

앞서 말한 두 가지 사항을 고려하여 여러 분배기 소자를 설계하여 하였Simulation

다 본 연구에서 제안된 기본 소자의 모습은 다음 그림 과 같다. Y-branch 2-6. .

그림 제안한 기본그림 제안한 기본그림 제안한 기본그림 제안한 기본2-6. Y-branch2-6. Y-branch2-6. Y-branch2-6. Y-branch

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설계설계설계설계2.3.1 Mode Filter2.3.1 Mode Filter2.3.1 Mode Filter2.3.1 Mode Filter

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

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

에서도 출력의 균일도를 향상시켰다. [A]

설계설계설계설계2.3.2 Bending Offset2.3.2 Bending Offset2.3.2 Bending Offset2.3.2 Bending Offset

(a) no 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 변화2-7. Offset (1310nm)2-7. Offset (1310nm)2-7. Offset (1310nm)2-7. Offset (1310nm)

위의 그림 과 같이 을 고려한 설계가 보다 균일한 출력을 얻을2-7. Bending Offset

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

설계 및 제작설계 및 제작설계 및 제작설계 및 제작2.3.3 Mask2.3.3 Mask2.3.3 Mask2.3.3 Mask

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

림 과 같이 인치 에 맞게 를 제작 하였다 실제 제작된2-8. 4 Silicon Wafer Mask (a) .

도 설계대로 제작됨을 알 수 있다Mask(b))(c)(d)(e) .

설계된(a) Mask 제작된(b) Mask (x5)

- 26 -

일반적인(c) Y-branch (x100)

제안한(d) Mode filter(x100) 보정된 굽은 도파로(e) (x100)

그림 설계 제작된 확인그림 설계 제작된 확인그림 설계 제작된 확인그림 설계 제작된 확인2-8. , Mask2-8. , Mask2-8. , Mask2-8. , Mask

증착 기술증착 기술증착 기술증착 기술FHDFHDFHDFHD

광도파로 제조방법중의 하나인 방법은 증착속도가 빠르고 저 손실의 실리카막FHD

을 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에 정교한 두께와 조성의 조절이 어렵다 이와.

같은 문제점을 해결하기위해 공정에서 두께와 조성에 영향을 미치는 공정인자FHD

를 연구하는 것은 좋은 박막을 얻기 위해 필수적이다 중요한 공정 변수들은 기판.

의 청결상태 토치의 각도 및 기판과의 거리 불꽃온도 재료기체의 유량 및 고밀화, , ,

온도등이 있다 다양한 공정인자 중에서 도펀트의 유량에 따른 실리카 미립자들의.

크기와 모양의 변화를 으로 측정을 하였다 또 유량에 따른 박막의 두께와 굴SEM .

절률을 를 사용하여 측정하였다Prism coupler .

- 27 -

증착 기술 개요증착 기술 개요증착 기술 개요증착 기술 개요3.13.13.13.1

1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.

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

형성하게 되는데 그 반응식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

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 공정이다 먼저 두께의. 3-1 1.5 . 1mm㎛

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

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

로 시간을 유지시키면 수분과 실리콘이 반응 하여 실리콘 위에 정도가 증10 1.5℃ ㎛

착된다 본 연구에서는 습식방법으로 산화막을 생성하였다 습식 산화는 반응 가스. .

로서 수증기를 사용하여 고온에서 다음과 같은 반응을 일으킨다.

- 28 -

이러한 반응을 이용하여 실리콘 웨이퍼 위에 산화막을 생성할 수 있다

그림 산화막 공정조건그림 산화막 공정조건그림 산화막 공정조건그림 산화막 공정조건3-1.3-1.3-1.3-1.

하부클래드 증착 기술하부클래드 증착 기술하부클래드 증착 기술하부클래드 증착 기술3.23.23.23.2

웨이퍼 위에 증착된 실리카 미립자는 고온 열처리를 통하여 투명한 실리카막이 된

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

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

정도의 온도에서 유리화가 가능하고 적당한 굴절류을 갖는 실리카 계 박막을 제작

하기 위하여 성분계3 SiO2-P2O5-B2O3 조성을 선택하여 증착하였다.

- 29 -

이 때 조성의 정밀한 선택이 이루어지지 않으면 투명한 박막이 만들어지지 않거나

상분리와 같은 결함이 발생하게 된다 균일하지 못한 조성으로 인한 상분리 및 불.

투명한 실투 현상이 발생된 박막은 광도파시 박막 내에서 부분적인 굴절률 차이를

일으켜 광산란을 발생시킨다 상분리는 결정핵 생성 및 성장에 의한 것과 불온화.

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

차적으로 조성의 불균일에 기인한 것이다 표 은 하부클래드의 증착조건을 나1 . 3-1

타낸 것이다 이러한 조건을 가지고 에서 시간을 유지시킨 후 공냉 시킨. 1300 2℃

후 얻은 샘플은 박막 표면이 결함 없이 좋은 막을 얻었고 한 후의 두께는. 3 path

프리즘 커플러를 사용하여 측정한 단면 두께는 이었다24mm .

표 하부 클래드 증착 조건표 하부 클래드 증착 조건표 하부 클래드 증착 조건표 하부 클래드 증착 조건3-1.3-1.3-1.3-1.

그림 는 하부클래드 고밀화 공정조건을 나타낸 그림이다 고밀화 공정중에 헬륨3-2 .

과 산소를 넣어 열전도도와 반응성을 높혔다.

- 30 -

그림 하부 클래드 고밀화 조건그림 하부 클래드 고밀화 조건그림 하부 클래드 고밀화 조건그림 하부 클래드 고밀화 조건3-2.3-2.3-2.3-2.

코어 증착 기술코어 증착 기술코어 증착 기술코어 증착 기술3.3.3.3.3.3.3.3.

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 결정하게 된다 표 는 코어 증착 조. 3-2

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

조건이다 프리즘 커플러로 측정한 하부 클래드의 굴절률은 였고 코어 굴절. 1.4444

률은 이었다 코어 두께는 로 하기 위해 와 각각1.4488 . 8 torch turntable 11㎛

과 으로 하였다 그림 는 코어의 고밀화 공정조건을 나타낸 것mm/min 10rpm . 3-3.

이다 에서 시간 유지 시킨 후 공냉 시켰다 그림 는 표 의 조건을. 1270 2 . 3-4 3-2℃

사용하여 코어 박막을 제작한 것이다 그림 는 기판위에 코어를 증착한 것이. 3-4(a)

고 그림 는 하부 클래드와 코어층을 동시에 증착한 것이다3-4(b) .

- 31 -

표 코어 증착 조건표 코어 증착 조건표 코어 증착 조건표 코어 증착 조건3-2.3-2.3-2.3-2.

- 32 -

그림 코어 고밀화 조건그림 코어 고밀화 조건그림 코어 고밀화 조건그림 코어 고밀화 조건3-3.3-3.3-3.3-3.

코어 단면 하부클래드와 코어단면(a) (b)

그림 박막의 단면 사진그림 박막의 단면 사진그림 박막의 단면 사진그림 박막의 단면 사진3-43-43-43-4

포토리소그래피 공정포토리소그래피 공정포토리소그래피 공정포토리소그래피 공정3.4. (Photolithography)3.4. (Photolithography)3.4. (Photolithography)3.4. (Photolithography)

일반적인 채널 광도파로 제작 공정순서를 그림 에 나타내었다 제작 공정의 전3-5. .

체 흐름을 살펴보면 먼저 하부클래드와 코어를 실리콘 기판위에 증착한 다음 메탈

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.

- 33 -

본 연구에서 개발한 공정조건을 표 에 나타내었다3-3. .

그림 채널 광도파로 제작 공정도그림 채널 광도파로 제작 공정도그림 채널 광도파로 제작 공정도그림 채널 광도파로 제작 공정도3-53-53-53-5

표 공정 조건표 공정 조건표 공정 조건표 공정 조건3-3. PR3-3. PR3-3. PR3-3. PR

- 34 -

그림 도파로 패턴 제작에 사용된 노광기그림 도파로 패턴 제작에 사용된 노광기그림 도파로 패턴 제작에 사용된 노광기그림 도파로 패턴 제작에 사용된 노광기3-6.3-6.3-6.3-6.

코어 식각 공정코어 식각 공정코어 식각 공정코어 식각 공정3.5.3.5.3.5.3.5.

금속마스크 증착 및 식각기술금속마스크 증착 및 식각기술금속마스크 증착 및 식각기술금속마스크 증착 및 식각기술1.1.2. 3.5.11.1.2. 3.5.11.1.2. 3.5.11.1.2. 3.5.1

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.

- 35 -

은 을 사용하여 증착하였는데Cr E-beam Evaporater 5X10-6 정도의 진공상태에서

약 박막을 증착하였다 그림 은 을 증착하는데 쓰인4000 . 3-7. Cr E-beamÅ

을 찍은 사진이다 이렇게 증착된 박막은 리소그래피 공정을 거친 후Evaporater . Cr

메탈마스크를 형성하기 위한 식각 공정을 거쳐야한다 식각은 건식방법 혹은Cr . Cr

습식 방법으로 할 수 있는데 본 연구에서는 손쉬운 습식 방법으로 전용 에천트Cr

를 사용하여 박막을 식각하여 메탈 마스크를 형성하였다 그림 은 식각후. 3-8. Cr

아세톤에 담가 제거후의 식각 패턴사진이다PR .

그림 사진그림 사진그림 사진그림 사진3-7. E-beam Evaporater3-7. E-beam Evaporater3-7. E-beam Evaporater3-7. E-beam Evaporater

그림 식각 후의 패턴사진그림 식각 후의 패턴사진그림 식각 후의 패턴사진그림 식각 후의 패턴사진3-8. Cr3-8. Cr3-8. Cr3-8. Cr

- 36 -

코어 식각 공정코어 식각 공정코어 식각 공정코어 식각 공정3.5.23.5.23.5.23.5.2

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

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

RIE(Reactive Ion Etching), ECR(Electron Cyclotron Reasonance), ICP

등이 있다 실리카 도파로에서는 식각 할 박(Inductively Coupled Plasma) Etcher .

막 깊이가 커 주로 를 사용한다 는 저압공정이고 와ICP . ICP bias power source

를 독립적으로 운용할 수 있는 장점이 있어 고속 식각공정에 유리하다 저손power .

실 채널 도파로를 구현하기 위해서는 이방성 식각 단면 측벽 거칠기 개선 높은 식, ,

각속도 높은 표면손상 및 오염 방지가 필요하다 공정에 영향을 미, Aspect ratio, .

치는 변수들로는 식각 가스 유량에 따라 식각속도와Source power, Bias power,

측면 거칠기 가 결정된다 는 플라즈마 중에서 생성된이온의 기판, Aspect ratio . ICP

충돌에 의한 물리적인 식각과 여기 활성 가스 원자 의 기판과의(Reactive Neutrals)

반응을 통한 화학적인 식각이 동시에 이루어지는 것으로 식각율은 물리적 화학적,

식각의 합으로 나타낼 수 있다 활성 가스 원자에 의한 피 식각면 전체의 화학반응.

을 반복하여 등력의 식각이 이루어지나 수직한 바닥부분에 전계로 가속되어진 이온

들의 충돌로 구조가 약해져 빠른속도로 반응을 계속하면 수직한 바닥부분의 식각속

도가 다른 면보다 매우 빨라져 이방성 식각이 일어난다 에서 실리(Anisotropic) . ICP

카를 식각하기 위하여 주로 사용되는 가스는 CF4, C2F6, C3F8, CHF3 등이 있다 본.

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

혼합가스를 사용하였다 본 연구에서 사용된 식각공정 조건을 표 에 나타. ICP 3-4

내었다 이 식각 공정을 이용하여 의 깊이로 도파로를 식각 하였으며 식각률. 8.9㎛

은 이었고 마스크와 실리카 박막과의 식각 선택 비는 이상이었3200 /min Cr 30Å

다 측면 거칠기는 이하였다 그림 는 장비 구성을 나타내는 개략도이. 0.1 . 3-9. ICP㎛

다 장치구성은 크게 가스조절부 전원 반응실 배기및 폐기부로 이루어진다. , RF , , .

가스조절부는 선정된 원료기체의 증기압이 비교적 높은 기체들로 취급이 용이하며

고순도 유지 압력 조절 유량 조절등을 고려한 라인 구성이다, , .

- 37 -

표 코어 식각 공정 조건표 코어 식각 공정 조건표 코어 식각 공정 조건표 코어 식각 공정 조건3-43-43-43-4

Process Item Condition

CF4(sccm) 20

CHF3(sccm) 30

ICP Power(W) 700

DC Bias(W) 50

Pressure(mTorr) 5

그림 장비 개략도그림 장비 개략도그림 장비 개략도그림 장비 개략도3-9. ICP3-9. ICP3-9. ICP3-9. ICP

유량조절은 를 사용하여 정확하고 안정된 제어로 반응실내의 압력본동을 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 분산물을 배기하여 이어지는 반응의

효율을 높힌다.

- 38 -

그림 은 도파로 식각후의 패턴 사진을 나타낸다 는 식각된 도파로 측면을3-10. . (a)

본 것이도 는 단면을 보인것이다 이 식각된 도파로를 으로 측정한 프로, (b) . -stepα

파일이 그림 이다 실리카 식각공정 후에는 메탈 마스크 층으로 사용된 을3-11. . Cr

제거하는 공정이 필요하다 이 을 완전히 제거하지 않은 면 광도파로의 손실을. Cr

가져온다 이 막을 제거하기 위해서 용액에 분 동안 담가 놓았다. Cr Cr Etchant 30 .

식각된 도파로 도파로 단면 형태(a) (b)

그림 도파로 식각 후 패턴 사진그림 도파로 식각 후 패턴 사진그림 도파로 식각 후 패턴 사진그림 도파로 식각 후 패턴 사진3-10.3-10.3-10.3-10.

그림 식각된 도로의그림 식각된 도로의그림 식각된 도로의그림 식각된 도로의3-11. -step profile3-11. -step profile3-11. -step profile3-11. -step profileαααα

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상부 클래드 증착 기술상부 클래드 증착 기술상부 클래드 증착 기술상부 클래드 증착 기술3.63.63.63.6

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.

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 와 같. 3-5 3-12.

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

가 제거된 도파로를 그림 에 나타내었다 그림 는 결함이 없는 직선pore 3-13(a) . (a)

도파로를 나타낸 것이고 그림 는 상부클래드의 고밀화 후 변형이 되지 않는 코(b)

어의 단면을 보여 준다.

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표 상부 클래드 증착 조건표 상부 클래드 증착 조건표 상부 클래드 증착 조건표 상부 클래드 증착 조건3-5.3-5.3-5.3-5.

그림 상부 클래드 고밀화 조건그림 상부 클래드 고밀화 조건그림 상부 클래드 고밀화 조건그림 상부 클래드 고밀화 조건3-12.3-12.3-12.3-12.

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표면 단면(a) (b)

그림 상부클래드 사진그림 상부클래드 사진그림 상부클래드 사진그림 상부클래드 사진3-13.3-13.3-13.3-13.

실리카 박막 평가실리카 박막 평가실리카 박막 평가실리카 박막 평가

박막 평가원리박막 평가원리박막 평가원리박막 평가원리4.14.14.14.1

굴절률 및 두께 원리굴절률 및 두께 원리굴절률 및 두께 원리굴절률 및 두께 원리4.1.14.1.14.1.14.1.1

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 굴절률을 가지는 프리즘을 사용한다 측정할 도파로보다 높은 굴.

절률을 가지는 프리즘을 도파로 가까이에 장착한 후 보다 레이저 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.

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그림 과 같이 프리즘 밑면에 레이저 빔이4-1 �i의 각으로 입사를 할 때 굴절률

nm를 가지고 있는 프리즘과 공기 막에서 z 방향으로의 위상속도는 다음과 같다.

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

결합이 이루어진다 강한 결합이 일어나는 각고. �m을 구함으로써 도파로의 전파상

수를 구할 수 있다.

그림 프리즘 커플러 개략도그림 프리즘 커플러 개략도그림 프리즘 커플러 개략도그림 프리즘 커플러 개략도4-14-14-14-1

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여기서 m은 모드수를 나타낸다 모드 굴절률. nm은 박막 도파로의 분산 식으로부터

구할 수 있다.

여기서 k=2 / ,� � d와 n2는 각각 박막의 두께와 굴절률을 나타낸다.

그리고

여기서 매질을 나타내는 j는 이다1,3 . ρ가 이면 분극을 나타내고0 TE ρ가 이면1

분극을 나타낸다 위식에서 박막의TM . n, d는 미지수이다 만약 두개 이상의 모드.

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

므로 컴퓨터를 이용한 수치해석이 필요하다 그림 는 프리즘 커플러의 장비사진. 4-2

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

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

측정할 수 있는 기능이 구현되어 있다.

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단일 실리카 막 중 실리카 막(a) (b) 2

그림 막의 각도에 따른 광세기 변화그림 막의 각도에 따른 광세기 변화그림 막의 각도에 따른 광세기 변화그림 막의 각도에 따른 광세기 변화4-3.4-3.4-3.4-3.

그림 은 포토 디텍터에서 얻은 광세기를 프리즘 커플러의 회전 각도에 대하여4-3.

나타낸 것이다 그림 는 단일 막에 대한 전형 적인 형태이고 그림 는. 4-3(a) 4-3(b)

이중막에 대한 패턴이다 여기서 사용된 광원은 이다 단일막에서 모드의. 1552nm .

세기는 점차 감소하는 특성을 보이나 중막 일때는 모드 앞부분에서 세기가 증가2

하다가 다시 감소하는 형태를 보인다 모드세기가 증가하는 부분은 코어층의 굴절.

률과 두께 정보를 가지고 있고 모드세기가 감소하는 부분은 하부 클래드의 박막 정

보를 가지고 있다.

굴절률 및 두께 측정굴절률 및 두께 측정굴절률 및 두께 측정굴절률 및 두께 측정4.1.24.1.24.1.24.1.2

제작한 박막을 플리즘 커플러를 사용하여 코어의 굴절률과 두께를 측정하였다.

에서 굴절률이 로 상대적인 굴절률차 가 였다1552nm 1.4508 =0.45% .△

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그림 코어박막의 굴절률과 두께측정그림 코어박막의 굴절률과 두께측정그림 코어박막의 굴절률과 두께측정그림 코어박막의 굴절률과 두께측정4-4.4-4.4-4.4-4.

박막 손실박막 손실박막 손실박막 손실4.1.2.4.1.2.4.1.2.4.1.2.

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. .

슬립 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.

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이렇게 산란되어 나오는 광파워를 광섬유 팁으로 측정하여 위치에 따른 광파워 변

화로부터 손실 계수를 구하는 방법으로 광손실을 측정하는 산란법을 사용하였다.

광손실을 측정하는 이외의 방법으로는 프리즘 커플러와 박막의 접촉점을 이동시키

면서 도파로 단면으로 출사되는 광파워의 변화를 측정하는 프리즘방법이 있고-Ⅰ

슬랩도파로를 도파로의 코어 보다 굴절률이 큰 액체에 비스듬히 담그면 도파로를

진행하던 광파가 밖으로 빠져 나오는 원리를 이용한 굴절률 정합액 방법등이 있다.

그림 는 프리즘커플러에 의해 박막으로 여기된 광이 위치에 따라 박막 상부로4-5.

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

과 의 측정치를 얻을 수 있었다0.05dB/cm .

그림 위치에 따른 광파워 세기그림 위치에 따른 광파워 세기그림 위치에 따른 광파워 세기그림 위치에 따른 광파워 세기4-5.4-5.4-5.4-5.

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광도파로 패키징 기술광도파로 패키징 기술광도파로 패키징 기술광도파로 패키징 기술

광도파로 패키징광도파로 패키징광도파로 패키징광도파로 패키징5.15.15.15.1

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

핵심적 요소에 대해 본 연구에서 수행한 내용을 기술하였다.

단면 연마 기술단면 연마 기술단면 연마 기술단면 연마 기술5.1.15.1.15.1.15.1.1

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. 7mm

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 연마하였다 그림5-1 . 100rpm 1/4 .㎛

은 단면 연마기를 나타낸 것이다5-1 .

표 단면 연마 공정표 단면 연마 공정표 단면 연마 공정표 단면 연마 공정5-15-15-15-1

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그림 칩 단면 연마기그림 칩 단면 연마기그림 칩 단면 연마기그림 칩 단면 연마기5-15-15-15-1

정렬 기술정렬 기술정렬 기술정렬 기술5.1.25.1.25.1.25.1.2

결합손실을 최소로 하기 위해서는 광섬유와 도파로간 정렬을 일치시켜야 한다 본.

연구에서는 정밀한 정렬을 위하여 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 하였다 그림 는 광섬유. 5-2

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

파로의 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 도파로. 5-3

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

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

진이다 여기서 렌즈와 카메라 대신 파워 미터를 사용하여 도파로를 좀더 최적. IR

화 한 다음 접착시킨다.

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그림 광섬유와 도파로 정렬을 위한 개략도그림 광섬유와 도파로 정렬을 위한 개략도그림 광섬유와 도파로 정렬을 위한 개략도그림 광섬유와 도파로 정렬을 위한 개략도5-25-25-25-2

도파로 측정 도파로 정렬 지그(d) setup (b)

그림 정렬 및 측정을 위한그림 정렬 및 측정을 위한그림 정렬 및 측정을 위한그림 정렬 및 측정을 위한5-3 Setup5-3 Setup5-3 Setup5-3 Setup

그림 도파된 광신호를 모니터로 출력한 사진그림 도파된 광신호를 모니터로 출력한 사진그림 도파된 광신호를 모니터로 출력한 사진그림 도파된 광신호를 모니터로 출력한 사진5-45-45-45-4

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접접접접착 기술착 기술착 기술착 기술5.1.35.1.35.1.35.1.3

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 접속 구조를 나. 5-5

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. 1550nm 1.51 91% .

그림 도파로와 광섬유의그림 도파로와 광섬유의그림 도파로와 광섬유의그림 도파로와 광섬유의 접접접접속 구조속 구조속 구조속 구조5-55-55-55-5

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

본 기술 지원사업에서 지원한 기술은 광도파로기술의 흐름과 도파로기술에 관한 정

보지원과 기술을 이용한 실리카 광도파로의 제작기술과 광도파로와 광섬유와FHD

정렬하여 하나의 소자로 만들어 측정하는 기술등이며 본 연구에서 지원한 기술은

주 에스엘테크놀로지에서 향후 광도파로소자와 관련된 광파워 파장 분할소자 광감( ) / ,

쇠소자 광집적화 소자등을 제작하는데 가장근본이 되는 광도파로소자로서 기업전,

략에 가장 핵심적으로 부응하고 있다.

제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행제 절 기술지원수행2222

기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정1.1.1.1.

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담당업무성과담당업무성과담당업무성과담당업무성과

화염 가수분해 증착법 을 이용한- FHD(Frame Hygrolysis Deposition: ) under

제작지원cladding

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험: under cladding

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

확립 온도 확립Touch speed, turntable speed Bubbler

을 이용한 제작- FHD core

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험core

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

확립 온도 확립Touch speed, turntable speed , Bubbler

을 이용한 제작- FHD upper cladding

제작을 위한 가스 제어량의 확립실험upper cladding

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

확립 온도 확립Touch speed, turntable speed , Bubbler

를 이용한 고밀화 작업- Furnace

고밀화 온도의 최적화 및 사이클링

건식 식각 방법을 이용한 막의 에칭 막의 에칭기술 확립 지원- GeO2 , SiO2

광도파로측정-

광도파로 특성측정을 위한 장치의 지원set-up

광도파로의 모드측정

광도파로의 손실측정

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

본 기술지원사업에서 전자부품연구원은 광도파로의 설계 및 증착기술 단위칩의 패,

키징 삽입손실 및 박막의두께 편차평가 기술등을 지원하였다 이러한 지원기술을, .

바탕으로 주 에스엘티에서는 시뮬레이터를 이용한 단일채널광도파로 멀티채널 광( ) ,

도파로 광도파로등을 설계하는 기술을 획득하였고 또한 장비, Mach-zehnder FHD

를 이용하여 광도파로 제작을 위한 등의 박막증착기술underclad, core, upperclad

을 습득하였다 그리고 제작된 싱글모드의 광도파로를 정렬 및 본딩장비를 이용하.

여 화이버블럭과 칩을 부착하는 기술을 습득하였다.

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 기술지원 사업을 통해 기술을 이용하여 단일모드 광도파로를 제작하였다FHD .

주 에스엘티는 기존에는 광하이버만을 이용한 광커플러 인터리버 팬아웃등을 양( ) , ,

산판매하고 있었고 실리카기판을 이용한 소자제작기술에는 전혀경험이 없었다 또.

한 저손실 실리카 광도파로의 제작기술을 필요로 하고 있으나 연구 인력의 부족으

로 저손실 실리카 광도파로의 제작에 어려움을 겪고 있었다 본 기술지원과제를 수.

행한 결과 지금은 장비 이용한 막 증착FHD SiO2 under cladding , upper cladding

막의 증착 및 막의 고밀화 작업 막의 증착 막과 막의 에칭 기술, GeO2 , SiO2 GeO2

과 제작되어진 광도파로의 화이버와의 부착 특성평가등을 할 수 있게 되었다, .

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