dwdm 50㎓ 광통신용 박막형 광필터및광분배기개발 () - itfind · 2009-12-28 ·...
TRANSCRIPT
- 1 -
광통신용 박막형DWDM 50
광필터 및 광분배기 개발
최종보고서( )
2003 9
주관 기관 화이버넷 주식회사
산업자원부
- 2 -
제 출 문
산업자원부장관 귀하
본 보고서를 광통신용 박막형 광필터 광분배기 개발 개발 기간ldquoDWDM 50 amp (
과제의 최종보고서로 제출합니다20010801 ~ 20030731)
2003 09
개발사업주관기관명 화이버넷 주식회사
개발사업총괄 관리 책임자 송영진( )
연 구 원 문재호 정태산
최재혁 김종천
김동식 임대순
최철민 함형석
이재일 박승우
윤학구 서민웅
송영관 윤정훈
원혁준 김경훈
장동식 강호관
이명일 류석종
고진숙 유종백
박민순 이상호
- 3 -
부품 소재기술개발사업 보고서 초록관리번호
과제명 광통신용DWDM 50 박막형 광필터 광분배기 개발amp
키워드
광필터 광분배기50 Optical Filter( )OADM( )
광분배기 광필터 코팅MUXampDeMUX( )Optical Filter Coating( )
고밀도 파장분할기 광통신DWDM( )Fiberoptic( )
개발목표 및 내용
최종 개발목표1
광분배기 개발50 (ADM MUX DeMUX)
기술개발- 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical coating
필터 가공 측정 시스템 개발- in-Line
당해연도 개발내용 및 결과2
가 개발 내용
차년도(1) 1 (20018 ~ 2002 7)
기술개발50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical coating①
- Bandwidth gt 02 nm
- Effective Radius gt 17 mm
- Peak Loss lt 03 dB
- Operating Temperature -20 ~ +80
차년도(2) 2 (20028 ~ 2003 7)
광분배기 개발 공정기술 개발(ADM MUX DeMUX) Packaging①
- Channel Spacing 50
- RIL lt 05 dB
- TIL gt 10 dB
- Operating Temperature -5 ~ +65
필터 가공 측정 시스템 개발 in-Line②
- 4 -
나 결과
박막필터의 설계 및 가공기술을 개발하였다(1) 50
가공기술 관련 특허 건 논문 편- 1 1
박막필터를 적용한 패키징 기술을 개발하였다(2) 50 ADM
및 적용 패키징 기술을 개발하였(3) C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
다
패키징 기술 관련 특허 건 논문 편- 1 1
복합화 패키징 기술을 개발하였다(4) WDM (Integration)
상품 및 패키징 기술 관련 특허 건 논문 편- 1 2
필터 측정 시스템을 구성하고 이를 설계하였다(5)
기대효과 기술적 및 경제적 효과3 ( )
현재 수입에 의존하는 광부품으로 수입 대체효과 기대-
고유 패키징 기술 개발로 유사 광관련 패키징 기술 접목으로 개발기술 기반-
확보 및 제조 기술 축적
적용분야4
수동 광부품-
복합 광수동 부품-
복합 광부품 모듈-
- 5 -
목 차
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
제 절 국내외 관련기술의 현황2
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절 기술개발1 50 Optic Filter Coating
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
제 절 평가3 50 ADM
제 절 개발4 50 4-channel MUXDeMUX
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
제 절 결론2
참고 문헌
부록
부록 성적서1 50 ADM
부록2 50 성적서4-CH MUXDeMUX
부록 도면3 MUXDeMUX
부록 필터 측정 시스템 개략도 및4 Flow Chart
- 6 -
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
인터넷의 급속한 보급이나 방송의 디지털화를 위한 움직임 멀티미디어시대를 향
한 새로운 전개가 시작되고 있다 특히 인터넷의 급속한 진전은 통신 패러다임을
크게 변혁시키고 있다 인터넷에 대응한 각종의 고속 접속시스템 (access system)
의 제공이 검토되기 시작해 화상을 포함한 데이터를 쾌적하게 주고받을 수 있는 환
경이 정비되고 있다 급의 통신을 수 만원대의 정액요금으로 서비스하는 100Mbps
것이 당면의 과제로 추진되고 있으며 그것은 기간망의 구성에 있어서도 다음과 같
은 두 가지의 큰 변화를 요구하고 있다
첫째는 전송용량의 급속한 증대에 따른 대응이 필요하다
파장분할 다중화전송 기술을 활용해- (WDM Wavelength Division Multiplexing)
급 전송을 일부 상용화 하고 있으며 또한 급까지 전송용량을 증대하는Gbps Tbps
연구개발이 추진되고 있다
둘째는 저코스트 의 네트워크 실현이 필요하다(Low cost)
를 기초로 한 네트워크 특히 인터넷의 기간 네트워크는 무- IP(lnternet Protocol)
엇보다 경제성이 있는 대용량 네트워크를 구축하는 것이 최우선 과제이다 그렇게
되기 위해서는 광전 네트워크 기술을 도입해 저코스트화를 이루는 것이(Photonics)
당면 과제가 되었다
- 7 -
다가오는 정보화 사회에는 동영상이나 화상과 같은 대량의 정보가 요구되며 각 개
인이 요구하는 정보의 양이 비약적으로 증가함에 따라서 기존의 전기적 방법에 의
한 정보의 전송이나 분배방식은 한계에 이르게 되었다 따라서 대량의 정보를 보다
빠르게 통신하고 싶어하는 욕구를 충족하기 위해서는 전기적 방법의 한계를 극복하
고 광학적인 방법에 의한 정보의 처리 및 가공기술이 필수적인 요소기술로 부각되
고 있다 그림 은 요구 서비스 대응에 대한 향후 전송용량의 폭발적인 증가를 1-1
나타내고 있으며 현재 까지는 전자기술과 광기술이 혼합되어 구현되고 있지10Gbps
만 그 이상의 정보량을 요구하고 있는 미래사회에서는 광기술 이외에는 대안이 없
다 해도 과언이 아니다 따라서 이에 대응하기 위하여 초고속 광통신망을 구축하기
위해 많은 노력과 투자를 하고 있다 그러나 기존의 통신망으로는 초고속 광통신
실현이 불가능하므로 더 많은 광선로 및 통신망을 설치하여야 하는데 광선로를 설
치하기에는 엄청난 비용 및 기간을 필요로 한다 광통신이 가장 앞선 미국의 경우
에서조차 메트로폴리탄 등을 고려해도 전체 필요량의 약 정도에 불과한 광선로2
가 설치되어 있는 실정이다 전송기술은 한 가닥의 광섬유에 송수신 신호의 WDM
파장을 다르게 하여 동시에 많은 이용 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송
속도에 상관없이 여러 채널을 각각 다른 파장에 실어줌으로써 기존의 선로에서 용
량을 증대시킬 수 있는 기술로서 저가의 대용량 초고속 통신을 소비자에게 제공할
수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다
그림 기술발전과 전송용량 추이1-1
전자소자의 한계를 극복하고 광학적 신호처리로 소비자의 니즈 및 시즈(Needs)
를 해결할 수 있는 전광통신이 당사의 사업화 분야이고 그 중에서도(Seeds) WDM
시급히 해결되어야 할 부분이 초정밀 광코팅 기술을 기반으로 하는 파장합파(MUX
분파 기 및 양방향 통신을 용이하게 할 수 있는Add) (DEMUX Drop) Optical
등으로 난이도가 높은 고부가가치 제품이다Cross-Connector(OXC)
- 8 -
선진 각국에서는 국가적 차원에서 지식정보사회의 인프라를 구축하기 위하여 사업
화를 추진하고 있으나 국내 경우는 아직 초기단계라고 할 수 있다 특히
등과 같이 기존 현재UDWDM(Ultra Densed Wavelength Division Multiplxer) [ 100
채널간격 이 시장을 주도하고 있고 당사는 년 월부터 시제 품 판매중( 08nm) 2001 4
임 보다 많은 전송 채널을 얻기 위하여 대역 까지] 50 (channel spacing = 04nm)
도 상용화가 이루어지고 있는 실정인데 우리나라의 경우 광분배기 의 핵심부품인
의 개발현황만 보더라도 기술확보의 안정성 신뢰성 측면에서 우수하여optical filter
시장을 주도하고 있는 도 상품화에 성공한 사례가 없어 전량Thin Film optical filter
외국으로부터 수입해야 하는 실정이다 향후 대폭적인 성장을 기록할 것으로 예측
되고 있는 광통신 부품 소자 시장에서 우리나라 기업이 경쟁할 수 있도록 사업화
부품인 광모듈에 필요한 기초기반 원천기술 및 부품 소재 제조기술 뿐만 아니라
용 모듈 부품 을 시급히 개발해야 하고 현재 형성되고 있는 규모보다도 더욱WDM ( )
크게 성장할 미래 시장에 대비해야 한다
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 2 -
제 출 문
산업자원부장관 귀하
본 보고서를 광통신용 박막형 광필터 광분배기 개발 개발 기간ldquoDWDM 50 amp (
과제의 최종보고서로 제출합니다20010801 ~ 20030731)
2003 09
개발사업주관기관명 화이버넷 주식회사
개발사업총괄 관리 책임자 송영진( )
연 구 원 문재호 정태산
최재혁 김종천
김동식 임대순
최철민 함형석
이재일 박승우
윤학구 서민웅
송영관 윤정훈
원혁준 김경훈
장동식 강호관
이명일 류석종
고진숙 유종백
박민순 이상호
- 3 -
부품 소재기술개발사업 보고서 초록관리번호
과제명 광통신용DWDM 50 박막형 광필터 광분배기 개발amp
키워드
광필터 광분배기50 Optical Filter( )OADM( )
광분배기 광필터 코팅MUXampDeMUX( )Optical Filter Coating( )
고밀도 파장분할기 광통신DWDM( )Fiberoptic( )
개발목표 및 내용
최종 개발목표1
광분배기 개발50 (ADM MUX DeMUX)
기술개발- 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical coating
필터 가공 측정 시스템 개발- in-Line
당해연도 개발내용 및 결과2
가 개발 내용
차년도(1) 1 (20018 ~ 2002 7)
기술개발50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical coating①
- Bandwidth gt 02 nm
- Effective Radius gt 17 mm
- Peak Loss lt 03 dB
- Operating Temperature -20 ~ +80
차년도(2) 2 (20028 ~ 2003 7)
광분배기 개발 공정기술 개발(ADM MUX DeMUX) Packaging①
- Channel Spacing 50
- RIL lt 05 dB
- TIL gt 10 dB
- Operating Temperature -5 ~ +65
필터 가공 측정 시스템 개발 in-Line②
- 4 -
나 결과
박막필터의 설계 및 가공기술을 개발하였다(1) 50
가공기술 관련 특허 건 논문 편- 1 1
박막필터를 적용한 패키징 기술을 개발하였다(2) 50 ADM
및 적용 패키징 기술을 개발하였(3) C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
다
패키징 기술 관련 특허 건 논문 편- 1 1
복합화 패키징 기술을 개발하였다(4) WDM (Integration)
상품 및 패키징 기술 관련 특허 건 논문 편- 1 2
필터 측정 시스템을 구성하고 이를 설계하였다(5)
기대효과 기술적 및 경제적 효과3 ( )
현재 수입에 의존하는 광부품으로 수입 대체효과 기대-
고유 패키징 기술 개발로 유사 광관련 패키징 기술 접목으로 개발기술 기반-
확보 및 제조 기술 축적
적용분야4
수동 광부품-
복합 광수동 부품-
복합 광부품 모듈-
- 5 -
목 차
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
제 절 국내외 관련기술의 현황2
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절 기술개발1 50 Optic Filter Coating
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
제 절 평가3 50 ADM
제 절 개발4 50 4-channel MUXDeMUX
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
제 절 결론2
참고 문헌
부록
부록 성적서1 50 ADM
부록2 50 성적서4-CH MUXDeMUX
부록 도면3 MUXDeMUX
부록 필터 측정 시스템 개략도 및4 Flow Chart
- 6 -
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
인터넷의 급속한 보급이나 방송의 디지털화를 위한 움직임 멀티미디어시대를 향
한 새로운 전개가 시작되고 있다 특히 인터넷의 급속한 진전은 통신 패러다임을
크게 변혁시키고 있다 인터넷에 대응한 각종의 고속 접속시스템 (access system)
의 제공이 검토되기 시작해 화상을 포함한 데이터를 쾌적하게 주고받을 수 있는 환
경이 정비되고 있다 급의 통신을 수 만원대의 정액요금으로 서비스하는 100Mbps
것이 당면의 과제로 추진되고 있으며 그것은 기간망의 구성에 있어서도 다음과 같
은 두 가지의 큰 변화를 요구하고 있다
첫째는 전송용량의 급속한 증대에 따른 대응이 필요하다
파장분할 다중화전송 기술을 활용해- (WDM Wavelength Division Multiplexing)
급 전송을 일부 상용화 하고 있으며 또한 급까지 전송용량을 증대하는Gbps Tbps
연구개발이 추진되고 있다
둘째는 저코스트 의 네트워크 실현이 필요하다(Low cost)
를 기초로 한 네트워크 특히 인터넷의 기간 네트워크는 무- IP(lnternet Protocol)
엇보다 경제성이 있는 대용량 네트워크를 구축하는 것이 최우선 과제이다 그렇게
되기 위해서는 광전 네트워크 기술을 도입해 저코스트화를 이루는 것이(Photonics)
당면 과제가 되었다
- 7 -
다가오는 정보화 사회에는 동영상이나 화상과 같은 대량의 정보가 요구되며 각 개
인이 요구하는 정보의 양이 비약적으로 증가함에 따라서 기존의 전기적 방법에 의
한 정보의 전송이나 분배방식은 한계에 이르게 되었다 따라서 대량의 정보를 보다
빠르게 통신하고 싶어하는 욕구를 충족하기 위해서는 전기적 방법의 한계를 극복하
고 광학적인 방법에 의한 정보의 처리 및 가공기술이 필수적인 요소기술로 부각되
고 있다 그림 은 요구 서비스 대응에 대한 향후 전송용량의 폭발적인 증가를 1-1
나타내고 있으며 현재 까지는 전자기술과 광기술이 혼합되어 구현되고 있지10Gbps
만 그 이상의 정보량을 요구하고 있는 미래사회에서는 광기술 이외에는 대안이 없
다 해도 과언이 아니다 따라서 이에 대응하기 위하여 초고속 광통신망을 구축하기
위해 많은 노력과 투자를 하고 있다 그러나 기존의 통신망으로는 초고속 광통신
실현이 불가능하므로 더 많은 광선로 및 통신망을 설치하여야 하는데 광선로를 설
치하기에는 엄청난 비용 및 기간을 필요로 한다 광통신이 가장 앞선 미국의 경우
에서조차 메트로폴리탄 등을 고려해도 전체 필요량의 약 정도에 불과한 광선로2
가 설치되어 있는 실정이다 전송기술은 한 가닥의 광섬유에 송수신 신호의 WDM
파장을 다르게 하여 동시에 많은 이용 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송
속도에 상관없이 여러 채널을 각각 다른 파장에 실어줌으로써 기존의 선로에서 용
량을 증대시킬 수 있는 기술로서 저가의 대용량 초고속 통신을 소비자에게 제공할
수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다
그림 기술발전과 전송용량 추이1-1
전자소자의 한계를 극복하고 광학적 신호처리로 소비자의 니즈 및 시즈(Needs)
를 해결할 수 있는 전광통신이 당사의 사업화 분야이고 그 중에서도(Seeds) WDM
시급히 해결되어야 할 부분이 초정밀 광코팅 기술을 기반으로 하는 파장합파(MUX
분파 기 및 양방향 통신을 용이하게 할 수 있는Add) (DEMUX Drop) Optical
등으로 난이도가 높은 고부가가치 제품이다Cross-Connector(OXC)
- 8 -
선진 각국에서는 국가적 차원에서 지식정보사회의 인프라를 구축하기 위하여 사업
화를 추진하고 있으나 국내 경우는 아직 초기단계라고 할 수 있다 특히
등과 같이 기존 현재UDWDM(Ultra Densed Wavelength Division Multiplxer) [ 100
채널간격 이 시장을 주도하고 있고 당사는 년 월부터 시제 품 판매중( 08nm) 2001 4
임 보다 많은 전송 채널을 얻기 위하여 대역 까지] 50 (channel spacing = 04nm)
도 상용화가 이루어지고 있는 실정인데 우리나라의 경우 광분배기 의 핵심부품인
의 개발현황만 보더라도 기술확보의 안정성 신뢰성 측면에서 우수하여optical filter
시장을 주도하고 있는 도 상품화에 성공한 사례가 없어 전량Thin Film optical filter
외국으로부터 수입해야 하는 실정이다 향후 대폭적인 성장을 기록할 것으로 예측
되고 있는 광통신 부품 소자 시장에서 우리나라 기업이 경쟁할 수 있도록 사업화
부품인 광모듈에 필요한 기초기반 원천기술 및 부품 소재 제조기술 뿐만 아니라
용 모듈 부품 을 시급히 개발해야 하고 현재 형성되고 있는 규모보다도 더욱WDM ( )
크게 성장할 미래 시장에 대비해야 한다
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 3 -
부품 소재기술개발사업 보고서 초록관리번호
과제명 광통신용DWDM 50 박막형 광필터 광분배기 개발amp
키워드
광필터 광분배기50 Optical Filter( )OADM( )
광분배기 광필터 코팅MUXampDeMUX( )Optical Filter Coating( )
고밀도 파장분할기 광통신DWDM( )Fiberoptic( )
개발목표 및 내용
최종 개발목표1
광분배기 개발50 (ADM MUX DeMUX)
기술개발- 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical coating
필터 가공 측정 시스템 개발- in-Line
당해연도 개발내용 및 결과2
가 개발 내용
차년도(1) 1 (20018 ~ 2002 7)
기술개발50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical coating①
- Bandwidth gt 02 nm
- Effective Radius gt 17 mm
- Peak Loss lt 03 dB
- Operating Temperature -20 ~ +80
차년도(2) 2 (20028 ~ 2003 7)
광분배기 개발 공정기술 개발(ADM MUX DeMUX) Packaging①
- Channel Spacing 50
- RIL lt 05 dB
- TIL gt 10 dB
- Operating Temperature -5 ~ +65
필터 가공 측정 시스템 개발 in-Line②
- 4 -
나 결과
박막필터의 설계 및 가공기술을 개발하였다(1) 50
가공기술 관련 특허 건 논문 편- 1 1
박막필터를 적용한 패키징 기술을 개발하였다(2) 50 ADM
및 적용 패키징 기술을 개발하였(3) C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
다
패키징 기술 관련 특허 건 논문 편- 1 1
복합화 패키징 기술을 개발하였다(4) WDM (Integration)
상품 및 패키징 기술 관련 특허 건 논문 편- 1 2
필터 측정 시스템을 구성하고 이를 설계하였다(5)
기대효과 기술적 및 경제적 효과3 ( )
현재 수입에 의존하는 광부품으로 수입 대체효과 기대-
고유 패키징 기술 개발로 유사 광관련 패키징 기술 접목으로 개발기술 기반-
확보 및 제조 기술 축적
적용분야4
수동 광부품-
복합 광수동 부품-
복합 광부품 모듈-
- 5 -
목 차
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
제 절 국내외 관련기술의 현황2
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절 기술개발1 50 Optic Filter Coating
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
제 절 평가3 50 ADM
제 절 개발4 50 4-channel MUXDeMUX
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
제 절 결론2
참고 문헌
부록
부록 성적서1 50 ADM
부록2 50 성적서4-CH MUXDeMUX
부록 도면3 MUXDeMUX
부록 필터 측정 시스템 개략도 및4 Flow Chart
- 6 -
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
인터넷의 급속한 보급이나 방송의 디지털화를 위한 움직임 멀티미디어시대를 향
한 새로운 전개가 시작되고 있다 특히 인터넷의 급속한 진전은 통신 패러다임을
크게 변혁시키고 있다 인터넷에 대응한 각종의 고속 접속시스템 (access system)
의 제공이 검토되기 시작해 화상을 포함한 데이터를 쾌적하게 주고받을 수 있는 환
경이 정비되고 있다 급의 통신을 수 만원대의 정액요금으로 서비스하는 100Mbps
것이 당면의 과제로 추진되고 있으며 그것은 기간망의 구성에 있어서도 다음과 같
은 두 가지의 큰 변화를 요구하고 있다
첫째는 전송용량의 급속한 증대에 따른 대응이 필요하다
파장분할 다중화전송 기술을 활용해- (WDM Wavelength Division Multiplexing)
급 전송을 일부 상용화 하고 있으며 또한 급까지 전송용량을 증대하는Gbps Tbps
연구개발이 추진되고 있다
둘째는 저코스트 의 네트워크 실현이 필요하다(Low cost)
를 기초로 한 네트워크 특히 인터넷의 기간 네트워크는 무- IP(lnternet Protocol)
엇보다 경제성이 있는 대용량 네트워크를 구축하는 것이 최우선 과제이다 그렇게
되기 위해서는 광전 네트워크 기술을 도입해 저코스트화를 이루는 것이(Photonics)
당면 과제가 되었다
- 7 -
다가오는 정보화 사회에는 동영상이나 화상과 같은 대량의 정보가 요구되며 각 개
인이 요구하는 정보의 양이 비약적으로 증가함에 따라서 기존의 전기적 방법에 의
한 정보의 전송이나 분배방식은 한계에 이르게 되었다 따라서 대량의 정보를 보다
빠르게 통신하고 싶어하는 욕구를 충족하기 위해서는 전기적 방법의 한계를 극복하
고 광학적인 방법에 의한 정보의 처리 및 가공기술이 필수적인 요소기술로 부각되
고 있다 그림 은 요구 서비스 대응에 대한 향후 전송용량의 폭발적인 증가를 1-1
나타내고 있으며 현재 까지는 전자기술과 광기술이 혼합되어 구현되고 있지10Gbps
만 그 이상의 정보량을 요구하고 있는 미래사회에서는 광기술 이외에는 대안이 없
다 해도 과언이 아니다 따라서 이에 대응하기 위하여 초고속 광통신망을 구축하기
위해 많은 노력과 투자를 하고 있다 그러나 기존의 통신망으로는 초고속 광통신
실현이 불가능하므로 더 많은 광선로 및 통신망을 설치하여야 하는데 광선로를 설
치하기에는 엄청난 비용 및 기간을 필요로 한다 광통신이 가장 앞선 미국의 경우
에서조차 메트로폴리탄 등을 고려해도 전체 필요량의 약 정도에 불과한 광선로2
가 설치되어 있는 실정이다 전송기술은 한 가닥의 광섬유에 송수신 신호의 WDM
파장을 다르게 하여 동시에 많은 이용 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송
속도에 상관없이 여러 채널을 각각 다른 파장에 실어줌으로써 기존의 선로에서 용
량을 증대시킬 수 있는 기술로서 저가의 대용량 초고속 통신을 소비자에게 제공할
수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다
그림 기술발전과 전송용량 추이1-1
전자소자의 한계를 극복하고 광학적 신호처리로 소비자의 니즈 및 시즈(Needs)
를 해결할 수 있는 전광통신이 당사의 사업화 분야이고 그 중에서도(Seeds) WDM
시급히 해결되어야 할 부분이 초정밀 광코팅 기술을 기반으로 하는 파장합파(MUX
분파 기 및 양방향 통신을 용이하게 할 수 있는Add) (DEMUX Drop) Optical
등으로 난이도가 높은 고부가가치 제품이다Cross-Connector(OXC)
- 8 -
선진 각국에서는 국가적 차원에서 지식정보사회의 인프라를 구축하기 위하여 사업
화를 추진하고 있으나 국내 경우는 아직 초기단계라고 할 수 있다 특히
등과 같이 기존 현재UDWDM(Ultra Densed Wavelength Division Multiplxer) [ 100
채널간격 이 시장을 주도하고 있고 당사는 년 월부터 시제 품 판매중( 08nm) 2001 4
임 보다 많은 전송 채널을 얻기 위하여 대역 까지] 50 (channel spacing = 04nm)
도 상용화가 이루어지고 있는 실정인데 우리나라의 경우 광분배기 의 핵심부품인
의 개발현황만 보더라도 기술확보의 안정성 신뢰성 측면에서 우수하여optical filter
시장을 주도하고 있는 도 상품화에 성공한 사례가 없어 전량Thin Film optical filter
외국으로부터 수입해야 하는 실정이다 향후 대폭적인 성장을 기록할 것으로 예측
되고 있는 광통신 부품 소자 시장에서 우리나라 기업이 경쟁할 수 있도록 사업화
부품인 광모듈에 필요한 기초기반 원천기술 및 부품 소재 제조기술 뿐만 아니라
용 모듈 부품 을 시급히 개발해야 하고 현재 형성되고 있는 규모보다도 더욱WDM ( )
크게 성장할 미래 시장에 대비해야 한다
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 4 -
나 결과
박막필터의 설계 및 가공기술을 개발하였다(1) 50
가공기술 관련 특허 건 논문 편- 1 1
박막필터를 적용한 패키징 기술을 개발하였다(2) 50 ADM
및 적용 패키징 기술을 개발하였(3) C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
다
패키징 기술 관련 특허 건 논문 편- 1 1
복합화 패키징 기술을 개발하였다(4) WDM (Integration)
상품 및 패키징 기술 관련 특허 건 논문 편- 1 2
필터 측정 시스템을 구성하고 이를 설계하였다(5)
기대효과 기술적 및 경제적 효과3 ( )
현재 수입에 의존하는 광부품으로 수입 대체효과 기대-
고유 패키징 기술 개발로 유사 광관련 패키징 기술 접목으로 개발기술 기반-
확보 및 제조 기술 축적
적용분야4
수동 광부품-
복합 광수동 부품-
복합 광부품 모듈-
- 5 -
목 차
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
제 절 국내외 관련기술의 현황2
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절 기술개발1 50 Optic Filter Coating
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
제 절 평가3 50 ADM
제 절 개발4 50 4-channel MUXDeMUX
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
제 절 결론2
참고 문헌
부록
부록 성적서1 50 ADM
부록2 50 성적서4-CH MUXDeMUX
부록 도면3 MUXDeMUX
부록 필터 측정 시스템 개략도 및4 Flow Chart
- 6 -
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
인터넷의 급속한 보급이나 방송의 디지털화를 위한 움직임 멀티미디어시대를 향
한 새로운 전개가 시작되고 있다 특히 인터넷의 급속한 진전은 통신 패러다임을
크게 변혁시키고 있다 인터넷에 대응한 각종의 고속 접속시스템 (access system)
의 제공이 검토되기 시작해 화상을 포함한 데이터를 쾌적하게 주고받을 수 있는 환
경이 정비되고 있다 급의 통신을 수 만원대의 정액요금으로 서비스하는 100Mbps
것이 당면의 과제로 추진되고 있으며 그것은 기간망의 구성에 있어서도 다음과 같
은 두 가지의 큰 변화를 요구하고 있다
첫째는 전송용량의 급속한 증대에 따른 대응이 필요하다
파장분할 다중화전송 기술을 활용해- (WDM Wavelength Division Multiplexing)
급 전송을 일부 상용화 하고 있으며 또한 급까지 전송용량을 증대하는Gbps Tbps
연구개발이 추진되고 있다
둘째는 저코스트 의 네트워크 실현이 필요하다(Low cost)
를 기초로 한 네트워크 특히 인터넷의 기간 네트워크는 무- IP(lnternet Protocol)
엇보다 경제성이 있는 대용량 네트워크를 구축하는 것이 최우선 과제이다 그렇게
되기 위해서는 광전 네트워크 기술을 도입해 저코스트화를 이루는 것이(Photonics)
당면 과제가 되었다
- 7 -
다가오는 정보화 사회에는 동영상이나 화상과 같은 대량의 정보가 요구되며 각 개
인이 요구하는 정보의 양이 비약적으로 증가함에 따라서 기존의 전기적 방법에 의
한 정보의 전송이나 분배방식은 한계에 이르게 되었다 따라서 대량의 정보를 보다
빠르게 통신하고 싶어하는 욕구를 충족하기 위해서는 전기적 방법의 한계를 극복하
고 광학적인 방법에 의한 정보의 처리 및 가공기술이 필수적인 요소기술로 부각되
고 있다 그림 은 요구 서비스 대응에 대한 향후 전송용량의 폭발적인 증가를 1-1
나타내고 있으며 현재 까지는 전자기술과 광기술이 혼합되어 구현되고 있지10Gbps
만 그 이상의 정보량을 요구하고 있는 미래사회에서는 광기술 이외에는 대안이 없
다 해도 과언이 아니다 따라서 이에 대응하기 위하여 초고속 광통신망을 구축하기
위해 많은 노력과 투자를 하고 있다 그러나 기존의 통신망으로는 초고속 광통신
실현이 불가능하므로 더 많은 광선로 및 통신망을 설치하여야 하는데 광선로를 설
치하기에는 엄청난 비용 및 기간을 필요로 한다 광통신이 가장 앞선 미국의 경우
에서조차 메트로폴리탄 등을 고려해도 전체 필요량의 약 정도에 불과한 광선로2
가 설치되어 있는 실정이다 전송기술은 한 가닥의 광섬유에 송수신 신호의 WDM
파장을 다르게 하여 동시에 많은 이용 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송
속도에 상관없이 여러 채널을 각각 다른 파장에 실어줌으로써 기존의 선로에서 용
량을 증대시킬 수 있는 기술로서 저가의 대용량 초고속 통신을 소비자에게 제공할
수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다
그림 기술발전과 전송용량 추이1-1
전자소자의 한계를 극복하고 광학적 신호처리로 소비자의 니즈 및 시즈(Needs)
를 해결할 수 있는 전광통신이 당사의 사업화 분야이고 그 중에서도(Seeds) WDM
시급히 해결되어야 할 부분이 초정밀 광코팅 기술을 기반으로 하는 파장합파(MUX
분파 기 및 양방향 통신을 용이하게 할 수 있는Add) (DEMUX Drop) Optical
등으로 난이도가 높은 고부가가치 제품이다Cross-Connector(OXC)
- 8 -
선진 각국에서는 국가적 차원에서 지식정보사회의 인프라를 구축하기 위하여 사업
화를 추진하고 있으나 국내 경우는 아직 초기단계라고 할 수 있다 특히
등과 같이 기존 현재UDWDM(Ultra Densed Wavelength Division Multiplxer) [ 100
채널간격 이 시장을 주도하고 있고 당사는 년 월부터 시제 품 판매중( 08nm) 2001 4
임 보다 많은 전송 채널을 얻기 위하여 대역 까지] 50 (channel spacing = 04nm)
도 상용화가 이루어지고 있는 실정인데 우리나라의 경우 광분배기 의 핵심부품인
의 개발현황만 보더라도 기술확보의 안정성 신뢰성 측면에서 우수하여optical filter
시장을 주도하고 있는 도 상품화에 성공한 사례가 없어 전량Thin Film optical filter
외국으로부터 수입해야 하는 실정이다 향후 대폭적인 성장을 기록할 것으로 예측
되고 있는 광통신 부품 소자 시장에서 우리나라 기업이 경쟁할 수 있도록 사업화
부품인 광모듈에 필요한 기초기반 원천기술 및 부품 소재 제조기술 뿐만 아니라
용 모듈 부품 을 시급히 개발해야 하고 현재 형성되고 있는 규모보다도 더욱WDM ( )
크게 성장할 미래 시장에 대비해야 한다
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 5 -
목 차
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
제 절 국내외 관련기술의 현황2
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절 기술개발1 50 Optic Filter Coating
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
제 절 평가3 50 ADM
제 절 개발4 50 4-channel MUXDeMUX
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
제 절 결론2
참고 문헌
부록
부록 성적서1 50 ADM
부록2 50 성적서4-CH MUXDeMUX
부록 도면3 MUXDeMUX
부록 필터 측정 시스템 개략도 및4 Flow Chart
- 6 -
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
인터넷의 급속한 보급이나 방송의 디지털화를 위한 움직임 멀티미디어시대를 향
한 새로운 전개가 시작되고 있다 특히 인터넷의 급속한 진전은 통신 패러다임을
크게 변혁시키고 있다 인터넷에 대응한 각종의 고속 접속시스템 (access system)
의 제공이 검토되기 시작해 화상을 포함한 데이터를 쾌적하게 주고받을 수 있는 환
경이 정비되고 있다 급의 통신을 수 만원대의 정액요금으로 서비스하는 100Mbps
것이 당면의 과제로 추진되고 있으며 그것은 기간망의 구성에 있어서도 다음과 같
은 두 가지의 큰 변화를 요구하고 있다
첫째는 전송용량의 급속한 증대에 따른 대응이 필요하다
파장분할 다중화전송 기술을 활용해- (WDM Wavelength Division Multiplexing)
급 전송을 일부 상용화 하고 있으며 또한 급까지 전송용량을 증대하는Gbps Tbps
연구개발이 추진되고 있다
둘째는 저코스트 의 네트워크 실현이 필요하다(Low cost)
를 기초로 한 네트워크 특히 인터넷의 기간 네트워크는 무- IP(lnternet Protocol)
엇보다 경제성이 있는 대용량 네트워크를 구축하는 것이 최우선 과제이다 그렇게
되기 위해서는 광전 네트워크 기술을 도입해 저코스트화를 이루는 것이(Photonics)
당면 과제가 되었다
- 7 -
다가오는 정보화 사회에는 동영상이나 화상과 같은 대량의 정보가 요구되며 각 개
인이 요구하는 정보의 양이 비약적으로 증가함에 따라서 기존의 전기적 방법에 의
한 정보의 전송이나 분배방식은 한계에 이르게 되었다 따라서 대량의 정보를 보다
빠르게 통신하고 싶어하는 욕구를 충족하기 위해서는 전기적 방법의 한계를 극복하
고 광학적인 방법에 의한 정보의 처리 및 가공기술이 필수적인 요소기술로 부각되
고 있다 그림 은 요구 서비스 대응에 대한 향후 전송용량의 폭발적인 증가를 1-1
나타내고 있으며 현재 까지는 전자기술과 광기술이 혼합되어 구현되고 있지10Gbps
만 그 이상의 정보량을 요구하고 있는 미래사회에서는 광기술 이외에는 대안이 없
다 해도 과언이 아니다 따라서 이에 대응하기 위하여 초고속 광통신망을 구축하기
위해 많은 노력과 투자를 하고 있다 그러나 기존의 통신망으로는 초고속 광통신
실현이 불가능하므로 더 많은 광선로 및 통신망을 설치하여야 하는데 광선로를 설
치하기에는 엄청난 비용 및 기간을 필요로 한다 광통신이 가장 앞선 미국의 경우
에서조차 메트로폴리탄 등을 고려해도 전체 필요량의 약 정도에 불과한 광선로2
가 설치되어 있는 실정이다 전송기술은 한 가닥의 광섬유에 송수신 신호의 WDM
파장을 다르게 하여 동시에 많은 이용 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송
속도에 상관없이 여러 채널을 각각 다른 파장에 실어줌으로써 기존의 선로에서 용
량을 증대시킬 수 있는 기술로서 저가의 대용량 초고속 통신을 소비자에게 제공할
수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다
그림 기술발전과 전송용량 추이1-1
전자소자의 한계를 극복하고 광학적 신호처리로 소비자의 니즈 및 시즈(Needs)
를 해결할 수 있는 전광통신이 당사의 사업화 분야이고 그 중에서도(Seeds) WDM
시급히 해결되어야 할 부분이 초정밀 광코팅 기술을 기반으로 하는 파장합파(MUX
분파 기 및 양방향 통신을 용이하게 할 수 있는Add) (DEMUX Drop) Optical
등으로 난이도가 높은 고부가가치 제품이다Cross-Connector(OXC)
- 8 -
선진 각국에서는 국가적 차원에서 지식정보사회의 인프라를 구축하기 위하여 사업
화를 추진하고 있으나 국내 경우는 아직 초기단계라고 할 수 있다 특히
등과 같이 기존 현재UDWDM(Ultra Densed Wavelength Division Multiplxer) [ 100
채널간격 이 시장을 주도하고 있고 당사는 년 월부터 시제 품 판매중( 08nm) 2001 4
임 보다 많은 전송 채널을 얻기 위하여 대역 까지] 50 (channel spacing = 04nm)
도 상용화가 이루어지고 있는 실정인데 우리나라의 경우 광분배기 의 핵심부품인
의 개발현황만 보더라도 기술확보의 안정성 신뢰성 측면에서 우수하여optical filter
시장을 주도하고 있는 도 상품화에 성공한 사례가 없어 전량Thin Film optical filter
외국으로부터 수입해야 하는 실정이다 향후 대폭적인 성장을 기록할 것으로 예측
되고 있는 광통신 부품 소자 시장에서 우리나라 기업이 경쟁할 수 있도록 사업화
부품인 광모듈에 필요한 기초기반 원천기술 및 부품 소재 제조기술 뿐만 아니라
용 모듈 부품 을 시급히 개발해야 하고 현재 형성되고 있는 규모보다도 더욱WDM ( )
크게 성장할 미래 시장에 대비해야 한다
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 6 -
제 장 서론1
제 절 개발 목적 및 중요성1
인터넷의 급속한 보급이나 방송의 디지털화를 위한 움직임 멀티미디어시대를 향
한 새로운 전개가 시작되고 있다 특히 인터넷의 급속한 진전은 통신 패러다임을
크게 변혁시키고 있다 인터넷에 대응한 각종의 고속 접속시스템 (access system)
의 제공이 검토되기 시작해 화상을 포함한 데이터를 쾌적하게 주고받을 수 있는 환
경이 정비되고 있다 급의 통신을 수 만원대의 정액요금으로 서비스하는 100Mbps
것이 당면의 과제로 추진되고 있으며 그것은 기간망의 구성에 있어서도 다음과 같
은 두 가지의 큰 변화를 요구하고 있다
첫째는 전송용량의 급속한 증대에 따른 대응이 필요하다
파장분할 다중화전송 기술을 활용해- (WDM Wavelength Division Multiplexing)
급 전송을 일부 상용화 하고 있으며 또한 급까지 전송용량을 증대하는Gbps Tbps
연구개발이 추진되고 있다
둘째는 저코스트 의 네트워크 실현이 필요하다(Low cost)
를 기초로 한 네트워크 특히 인터넷의 기간 네트워크는 무- IP(lnternet Protocol)
엇보다 경제성이 있는 대용량 네트워크를 구축하는 것이 최우선 과제이다 그렇게
되기 위해서는 광전 네트워크 기술을 도입해 저코스트화를 이루는 것이(Photonics)
당면 과제가 되었다
- 7 -
다가오는 정보화 사회에는 동영상이나 화상과 같은 대량의 정보가 요구되며 각 개
인이 요구하는 정보의 양이 비약적으로 증가함에 따라서 기존의 전기적 방법에 의
한 정보의 전송이나 분배방식은 한계에 이르게 되었다 따라서 대량의 정보를 보다
빠르게 통신하고 싶어하는 욕구를 충족하기 위해서는 전기적 방법의 한계를 극복하
고 광학적인 방법에 의한 정보의 처리 및 가공기술이 필수적인 요소기술로 부각되
고 있다 그림 은 요구 서비스 대응에 대한 향후 전송용량의 폭발적인 증가를 1-1
나타내고 있으며 현재 까지는 전자기술과 광기술이 혼합되어 구현되고 있지10Gbps
만 그 이상의 정보량을 요구하고 있는 미래사회에서는 광기술 이외에는 대안이 없
다 해도 과언이 아니다 따라서 이에 대응하기 위하여 초고속 광통신망을 구축하기
위해 많은 노력과 투자를 하고 있다 그러나 기존의 통신망으로는 초고속 광통신
실현이 불가능하므로 더 많은 광선로 및 통신망을 설치하여야 하는데 광선로를 설
치하기에는 엄청난 비용 및 기간을 필요로 한다 광통신이 가장 앞선 미국의 경우
에서조차 메트로폴리탄 등을 고려해도 전체 필요량의 약 정도에 불과한 광선로2
가 설치되어 있는 실정이다 전송기술은 한 가닥의 광섬유에 송수신 신호의 WDM
파장을 다르게 하여 동시에 많은 이용 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송
속도에 상관없이 여러 채널을 각각 다른 파장에 실어줌으로써 기존의 선로에서 용
량을 증대시킬 수 있는 기술로서 저가의 대용량 초고속 통신을 소비자에게 제공할
수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다
그림 기술발전과 전송용량 추이1-1
전자소자의 한계를 극복하고 광학적 신호처리로 소비자의 니즈 및 시즈(Needs)
를 해결할 수 있는 전광통신이 당사의 사업화 분야이고 그 중에서도(Seeds) WDM
시급히 해결되어야 할 부분이 초정밀 광코팅 기술을 기반으로 하는 파장합파(MUX
분파 기 및 양방향 통신을 용이하게 할 수 있는Add) (DEMUX Drop) Optical
등으로 난이도가 높은 고부가가치 제품이다Cross-Connector(OXC)
- 8 -
선진 각국에서는 국가적 차원에서 지식정보사회의 인프라를 구축하기 위하여 사업
화를 추진하고 있으나 국내 경우는 아직 초기단계라고 할 수 있다 특히
등과 같이 기존 현재UDWDM(Ultra Densed Wavelength Division Multiplxer) [ 100
채널간격 이 시장을 주도하고 있고 당사는 년 월부터 시제 품 판매중( 08nm) 2001 4
임 보다 많은 전송 채널을 얻기 위하여 대역 까지] 50 (channel spacing = 04nm)
도 상용화가 이루어지고 있는 실정인데 우리나라의 경우 광분배기 의 핵심부품인
의 개발현황만 보더라도 기술확보의 안정성 신뢰성 측면에서 우수하여optical filter
시장을 주도하고 있는 도 상품화에 성공한 사례가 없어 전량Thin Film optical filter
외국으로부터 수입해야 하는 실정이다 향후 대폭적인 성장을 기록할 것으로 예측
되고 있는 광통신 부품 소자 시장에서 우리나라 기업이 경쟁할 수 있도록 사업화
부품인 광모듈에 필요한 기초기반 원천기술 및 부품 소재 제조기술 뿐만 아니라
용 모듈 부품 을 시급히 개발해야 하고 현재 형성되고 있는 규모보다도 더욱WDM ( )
크게 성장할 미래 시장에 대비해야 한다
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 7 -
다가오는 정보화 사회에는 동영상이나 화상과 같은 대량의 정보가 요구되며 각 개
인이 요구하는 정보의 양이 비약적으로 증가함에 따라서 기존의 전기적 방법에 의
한 정보의 전송이나 분배방식은 한계에 이르게 되었다 따라서 대량의 정보를 보다
빠르게 통신하고 싶어하는 욕구를 충족하기 위해서는 전기적 방법의 한계를 극복하
고 광학적인 방법에 의한 정보의 처리 및 가공기술이 필수적인 요소기술로 부각되
고 있다 그림 은 요구 서비스 대응에 대한 향후 전송용량의 폭발적인 증가를 1-1
나타내고 있으며 현재 까지는 전자기술과 광기술이 혼합되어 구현되고 있지10Gbps
만 그 이상의 정보량을 요구하고 있는 미래사회에서는 광기술 이외에는 대안이 없
다 해도 과언이 아니다 따라서 이에 대응하기 위하여 초고속 광통신망을 구축하기
위해 많은 노력과 투자를 하고 있다 그러나 기존의 통신망으로는 초고속 광통신
실현이 불가능하므로 더 많은 광선로 및 통신망을 설치하여야 하는데 광선로를 설
치하기에는 엄청난 비용 및 기간을 필요로 한다 광통신이 가장 앞선 미국의 경우
에서조차 메트로폴리탄 등을 고려해도 전체 필요량의 약 정도에 불과한 광선로2
가 설치되어 있는 실정이다 전송기술은 한 가닥의 광섬유에 송수신 신호의 WDM
파장을 다르게 하여 동시에 많은 이용 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송
속도에 상관없이 여러 채널을 각각 다른 파장에 실어줌으로써 기존의 선로에서 용
량을 증대시킬 수 있는 기술로서 저가의 대용량 초고속 통신을 소비자에게 제공할
수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다
그림 기술발전과 전송용량 추이1-1
전자소자의 한계를 극복하고 광학적 신호처리로 소비자의 니즈 및 시즈(Needs)
를 해결할 수 있는 전광통신이 당사의 사업화 분야이고 그 중에서도(Seeds) WDM
시급히 해결되어야 할 부분이 초정밀 광코팅 기술을 기반으로 하는 파장합파(MUX
분파 기 및 양방향 통신을 용이하게 할 수 있는Add) (DEMUX Drop) Optical
등으로 난이도가 높은 고부가가치 제품이다Cross-Connector(OXC)
- 8 -
선진 각국에서는 국가적 차원에서 지식정보사회의 인프라를 구축하기 위하여 사업
화를 추진하고 있으나 국내 경우는 아직 초기단계라고 할 수 있다 특히
등과 같이 기존 현재UDWDM(Ultra Densed Wavelength Division Multiplxer) [ 100
채널간격 이 시장을 주도하고 있고 당사는 년 월부터 시제 품 판매중( 08nm) 2001 4
임 보다 많은 전송 채널을 얻기 위하여 대역 까지] 50 (channel spacing = 04nm)
도 상용화가 이루어지고 있는 실정인데 우리나라의 경우 광분배기 의 핵심부품인
의 개발현황만 보더라도 기술확보의 안정성 신뢰성 측면에서 우수하여optical filter
시장을 주도하고 있는 도 상품화에 성공한 사례가 없어 전량Thin Film optical filter
외국으로부터 수입해야 하는 실정이다 향후 대폭적인 성장을 기록할 것으로 예측
되고 있는 광통신 부품 소자 시장에서 우리나라 기업이 경쟁할 수 있도록 사업화
부품인 광모듈에 필요한 기초기반 원천기술 및 부품 소재 제조기술 뿐만 아니라
용 모듈 부품 을 시급히 개발해야 하고 현재 형성되고 있는 규모보다도 더욱WDM ( )
크게 성장할 미래 시장에 대비해야 한다
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 8 -
선진 각국에서는 국가적 차원에서 지식정보사회의 인프라를 구축하기 위하여 사업
화를 추진하고 있으나 국내 경우는 아직 초기단계라고 할 수 있다 특히
등과 같이 기존 현재UDWDM(Ultra Densed Wavelength Division Multiplxer) [ 100
채널간격 이 시장을 주도하고 있고 당사는 년 월부터 시제 품 판매중( 08nm) 2001 4
임 보다 많은 전송 채널을 얻기 위하여 대역 까지] 50 (channel spacing = 04nm)
도 상용화가 이루어지고 있는 실정인데 우리나라의 경우 광분배기 의 핵심부품인
의 개발현황만 보더라도 기술확보의 안정성 신뢰성 측면에서 우수하여optical filter
시장을 주도하고 있는 도 상품화에 성공한 사례가 없어 전량Thin Film optical filter
외국으로부터 수입해야 하는 실정이다 향후 대폭적인 성장을 기록할 것으로 예측
되고 있는 광통신 부품 소자 시장에서 우리나라 기업이 경쟁할 수 있도록 사업화
부품인 광모듈에 필요한 기초기반 원천기술 및 부품 소재 제조기술 뿐만 아니라
용 모듈 부품 을 시급히 개발해야 하고 현재 형성되고 있는 규모보다도 더욱WDM ( )
크게 성장할 미래 시장에 대비해야 한다
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 9 -
제 절 국내외 관련기술의 현황2
삼성경제연구소는 광통신 사업을 세기 시장성과 시업성이 모두 높은 대산업 중21 4
의 하나로 발표한 바 있다 그만큼 중요한 광통신 기술 중 통신은 전광 통신 WDM
의 국제적인 동향기술이 되었으며 전자소자의 한계를(all optical communication)
극복하고 전광 통신망을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로서 모든 신(Photonic)
호처리가 광학적으로 이루어져야 함을 언급하였다
이러한 광학적 신호처리로 과 방WDM OTDM(Optical Time Division Multiplexing)
법이 있다 은 송수신 신호의 파장을 다르게 하여 한 가닥의 광섬유를 이용하 WDM
여 데이터를 송수신할 수 있는 방식이며 전송 속도에 상관없이 여러 채널을 각각
다른 파장에 실어줌으로써 한개의 광섬유 코어를 이용해 전송하는 방법이고 OTDM
은 짧은 펄스를 만들어 다중화하여 전송하는 방법이다 분야에서 많은 연구 OTDM
가 이루어져 왔으나 이 전송 방법의 경우 다중화된 고속의 펄스로부터 신호를 추출
하는 기술이 극히 어렵기 때문에 앞으로 실용화 단계에 이르기까지는 많은 시간이
걸릴 것으로 보인다
세기의 광통신 핵심분야인 전송기술은 다음과 같다21 WDM
광섬유의 큰 매력 중 하나는 매우 넓은 주파수 영역에 걸쳐 통신이 가능하다는 점
이다 의 손실을 기준으로 한다면 약 구간 의 대역폭을 가지게 2dBkm 130 (100 )
된다 현재까지의 광통신 기술은 이 넓은 전송가능 구간 중 부근에서 단지 1310
수백 수 폭의 한 채널만 사용해 왔었다 전송은 이 넓은 대역을 최대한~ WDM
활용해 보자는 생각에서 출발한 전송방법이다 전자회로의 속도 증가에 대해서는
현재까지 의 속도까지 송수신 장치를 상용화하는데 성공하였고 현재는 세25Gbps
계적으로 의 송수신 장치를 상용화하기 위한 목적으로 개발 중에 있다40Gbps
의 전송속도라면 광섬유 한가닥이 전화선 만 천 회선에 상당하므로 음성10Gbps 1 2
속도의 경우 약 만 가입자를 한 개의 광섬유에 수용할 수 있는 정도의 속도를 말15
하며 지난 수년간 괄목할 만한 발전을 한 셈이다 그러나 이 이상의 속도에 대해서
는 특별한 기술적인 진보 없이는 그 개발이 무척 어려운 것으로 알려져 있다 현재
국가간 위주의 통신망 구성에서 향후 메트로폴리탄 및 집까지 통신시대를 N times N
감안한다면 전송기술이 그 유일한 해결책이며 불과 수년전 그 개념이 처음WDM
나온 이후 전 세계적으로 연구가 되어왔고 현재는 상용화되어 전광통신의 국제적
인 동항기술로 인정받게 되었다
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 10 -
현재 사용되고 있는 단일모드 광섬유의 경우 파장이 저손실 영역인 에서1310
까지이다 최근 영역에서 동작하는 어븀첨가 광증폭1550 1550 (Erbium Doped)
기의 발전으로 말미암아 파장분할 다중화의 연구는 주로 이 파장 부근에서 이루어
지고 있다 여기에서 일정한 파장 간격으로 채널을 배치하여 각 채널에 신호를 실
은 후 여러 채널을 광학적으로 다중화하여 한 개의 광섬유를 통해 전송하게 된다
지금까지는 한개의 광섬유 코어에 하나의 파장만을 실어 보냈으나 전송에서 WDM
는 여러 개의 파장을 하나로 묶어 보내며 수신 측에서는 각 채널을 파장별로 분해
하여 각 채널을 별도로 활용한다
인터넷이 일반화되기 시작한 년부터 기간 전송용량의 신장이 급속히 늘고 있1995
어 소위 무어의 법칙 을 상회하는 기세가 되었다 전자회로의 진전을 상회하는 신rsquo rsquo
장을 대응하기 위해서 기술의 도입이 급속히 추진되어 용량증가를 견인하는WDM
핵심기술이 됐다 즉 기존의 통신망으로 저가의 대용량 초고속 광통신을 실현하려
면 광섬유 한 가닥에 여러 파장을 보낼 수 있는 기술인 전송기술이 가장 중 WDM
요하다 또한 최근에는 급의 초대용량전송을 목표로 한다 Tbps
기술은 광 증폭기술의 발전 등과 결합하면서 광통신의 새로운 시대를 열어WDM
놓았다 세계 유수의 통신 연구소들에서 실험을 행하여 전송 속도를 증가시 WDM
키는 시도를 해왔고 년 전부터는 상용 장비를 생산하는 업체들이 등장하기 3 ~ 4
시작하였다 를 넘는 전송실험이 등에서 행해졌고 1Tbps Fujitsu NTT AT amp T
에서는 까지의 전송에 성공하였다는 보고가 있다 채널 간격을 좁히기NEC 26Tbps
위해 변조를 라는 주파수 대역을 좁게 사용하는 방법도 시도되었으며 여duobinary
러가지 종류의 광섬유에 적용해보는 시험도 이루어져 왔다 또한 과 을 OTDM WDM
결합하려는 시도 역시 찾아 볼 수 있다
상용 장비회사 중 가장 선두격으로 미국의 벤처 기업인 를 들 수 있는WDM CIENA
데 이 회사는 년 초부터 장비를 상용화하여 년 월 이 장치의 도입을 1996 WDM 96 9
발표하였다 에서도 년 중반에 상용화를 시작하여 의 망에 Lucent Tech 95 ATampT
적용하고 있다 한편 이외에도 에서 상용장치를 PIRELL NORTEL ALCATEL NEC
생산 중이다 국내에서도 전송기술의 가능성 및 도입을 예상하여 년부터 WDM 96
테스트베드를 구축하고 실험 중에 있다 년에는 채널속도 채널을 다 96 25Gbps 8
중화하여 구간에 전송하는 실험에 성공한 사례가 있는데 이를 이용하여400
전송을 할 수 있는지를 알아보기 위해 대전지역의 여러 전화국을 연결하여WDM
의 광선로를 구성하고 전송실험을 수행하였다123 20Gbps
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 11 -
향후 광 가입자 망의 구현이 향후 통신 사업자들의 주요 사업으로 부각될 것으로
보이며 데이터 음성 화상 등의 다양한 서비스를 하나의 단말기에 제공할 수 있는
시스템의 전제조건으로B-ISDN(Broadband Integrated Service Digital Network)
광 전송망의 개발은 반드시 실현되어야 한다 따라서 통신망의 하부 구조인 가입자
망의 광화 가 앞으로 급속하게 이루어질 것으로 예상되고 있다( ) 光化
광통신 시스템에서 사용되고 있는 는 유전체 다층막 필터optical filter (TFF Thin
의 박막형과Film Filter) FBG(Fiber Bragg Grating Filter) AWG(Arrayed
의 회절격자 형이 있다 은 파장손실 특Waveguide Grating Filter) (Grating) TFF type
성이 좋고 양산성이 우수하여 저가의 장점이 있으나 손실의 편차가 커서 장거리용
으로는 부적합하다 향후에 시장을 주도할 메트로폴리탄용으로 적용될 가능성이 가
장 높고 현재에도 가장 높은 시장점유율을 유지하고 있다 사 OCLI(JDS-Uniphase
에 공급 사 코닝사에 공급 등이 기술 개발과 시장을 주도하고) Corning-Netoptix ( )
있으며 은 다채널 장거리용에 유리하고 시스템 전체의 가격 메리트가 AWG type
있으나 소자 자체가 고가이다 펠티에소자 등을 이용한 온도 보상기술이 필요AWG
하며 신뢰성 불안 등의 파장손실 특성이 나쁘다는 단점이 있다 isolation Lucent
후지쯔 등의 선진업체가 주력으로 개발하고 있으며 국내에서도 최근 개발과NEC
상품화가 시도되고 있다 은 소형화에 적당하나 파장 편차가 크고 서큘레 FBG type
이터나 온도보상용 회로가 필요하여 보다 가격이 높아질 가능성이 있다AWG type
이상으로 보아 유전체 박막 필터의 성장 가능성이 가장 높고 현재도 시장을 주도하
고 있어 이 분야에서 기술 주도를 할 필요가 있고 당사는 코팅장비 및 기술력에서
선진수준인 독일의 사와 여년 전부터 관련기술 개발을 공동으로 추진해Leybold 10
온 경험을 바탕으로 세계시장의 기술을 주도할 수 있을 것으로 예상이 된다TFF
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 12 -
제 절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안3
정부는 신경제 개년 계획의 일환으로 세기 정보화 사회에 대비하기 위하여 국5 21
가사회의 정보화를 촉진하고 산업의 대외 경쟁력을 확보하기 위해서는 범국가 차원
의 초고속 정보통신망의 구축이 시급하다는 인식하에 지난 년 월 초부터 초고93 3
속 정보통신망 구축 실무위원회를 구성하고 기본계획을 작성하였으며 년 월에93 10
세부 계획을 완료하고 관계부처 기간 및 전문가의 의견을 수렴하고 월에 세부 12
추진계획을 확정 광대역 멀티미디어 정보의 초고속 유통을 가능케 하는 초고속 정
보 고속도로로서 년까지는 단계에 걸쳐 구축할 예정이다2010 3
초고속국가망의 조기구축에 의한 효과는 정보화 촉진 부문과 경제적 효과 부문으로
나눠 볼 수 있다 우선 공공기간이 저렴하고도 실질적으로 이용할 수 있는 통신망
이 갖춰짐에 따라 공공기간의 정보화가 촉진되고 이에 따라 대국민 서비스도 개선
되고 있다 정부의 선투자에 의해 구축된 초고속 국가망은 공공기관을 비롯한 비영
리 기관의 통신수요 충족에 우선 활용된다 또 초고속 국가망의 여유 용량은 민간
에 이용토록 하고 있어 유휴설비의 발생 가능성을 최소화해 국가 전체적으로 투자
설비에 대한 이용효율이 극대화할 수 있다
정부에서는 초고속국가망을 공공부문 정보 유통의 공통기반으로 활용 대국민 서
비스향상 행정 생산성 제고 등 공공부문의 정보화 촉진 및 국민 삶의 질 향상을
목표로 하고 있다 초고속국가망에 대한 투자로 발생되는 경제적 기대효과로는 초
고속 국가망 투자에 의한 고용창출효과 등을 들 수 있다
한국은행이 예측한 자료에 따르면 초고속국가망 사업과 관련 지난 년부터95 2000
년까지 약 만명의 고용창출효과를 냈으며 앞으로 년 동안 약 만 천명의 새로2 5 2 2
운 일자리를 창출할 것으로 예상된다 이와 함께 초고속 정보 통신장비의 초기 시
장을 제공해 이 분야의 국산화 및 기술개발 지원효과도 기대된다 또한 이 분야에
서 전세계시장의 를 점유한다고 가정할 경우 초고속 국가망 사업에 의한 무역수2
지 개선효과는 약 억원에 이른다 이 밖에도 연관 사업까지 고려할 경우 단3134 2
계 년 동안 약 조 억원의 생산유발액과 약 억원의 부가가(1998 ~ 2002 ) 1 6184 6801
치를 유발할 것으로 전망되고 있다
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 13 -
광학핵심 소자의 기술은 세계 유수의 회사들마다 자체적 기술 노하우로 공개되지
않고 있으며 특허마저도 전략적으로 공개하지 않고 있는 실정이다 본 회사의 연구
원들은 수많은 논문과 특허기술을 검토하고 이로부터 핵심소자에 관한 기술을 습득
했으나 결론은 자체기술개발 이외에는 해답이 없다는 것이었다 이 핵심 제조요소
기술은 많은 경험과 노하우로 축적된 기술이다 때문에 이것이 바로 상품화의 실현
기술이며 부가가치 창출의 원동력이다
광통신이 가지는 아주 많은 장점에도 불구하고 정보통신의 수단으로 쉽게 바뀌지
못하는 이유는 비용이 많이 들기 때문이다 그 요인을 한마디로 집약한다면 그것은
바로 초정밀 광필터 코팅기술과 광의 연결 이 어렵기 때문인데 그 이(Connection)
유는 수백층에 이르는 유전체 박막을 수 단위로 초정밀 하게 증착시amp uniformÅ
켜야 하기 때문이다 또한 빛 이 가지는 직진성 때문인데 전기신호는 단순한 물리 rsquo rsquo
적 접점을 통해 연결되지만 빛은 단순한 선의 연결이 아닌 광축 정렬을 해주어야
신호가 비로소 전달되는 특성을 가지고 있다 특히 광통신에서는 광섬유상의 빛의
통로가 머리카락의 수 십분의 일에 불과한 의 아주 가는 통로를 통하기 때5~10
문에 매우 정밀한 정렬이 필요하고 이에 따라 제작이 아주 어렵고 가격이 비싸지게
된다 현재의 광통신 부품의 이론과 설계는 거의 완성 단계로 발전하였으나 이를
구현하는 광코팅 및 광패키징 기술의 미비로 수많은 회사들의 참여에도 불구하고
가시적인 상품화에는 이르지 못하고 있다 그래서 대부분의 회사들은 고부가가치이
면서 고신뢰성을 요구하는 광통신 부품 사업에 참여할 엄두를 내지 못하거나 혹은
핵심 부품들은 외부에 의존하고 있어 결국에 의존적 종속적인 사업에 한정되고 있
다
그러나 가장 핵심기술인 광코팅 기술은 앞에서도 언급했듯이 당사 연구원들의 많
은 경험과 노하우 그리고 상품화에 성공한 이력 등 이미 세계수준에 도달하여 있
으므로 당사는 주도적으로 광부품 사업을 전개할 수 있다 광축 정렬기술은 방법에
따라 등으로 나누어진다 당사는 현Epoxy UV Epoxy Soldering Laser Welding
재 의 광축정렬 기술을 보유하고 있으며 텔코디아 시험기준의 만족02 (Telcordia)
으로 그 신뢰성이 입증된 바 있다 특히 당사가 보유하고 있는 의 패키징 기 02
술은 서브미크론 광축 정렬 제품의 수명을 장기화하는 무유기물 접착기술
초정밀 지그 장비 제작기술 청정환경 운영 및 관리 기술 등(Flux-less Soldering)
의 요소기술과 결합되기 때문에 가능한 것이다
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 14 -
당사는 많은 경험과 노하우로 정립된 핵심 기술을 바탕으로 근래 또는 향후에 잠재
된 광통신 부품사업에 참여할 수 있는 능력을 가지고 있으며 이 분야에 대단한 의
지를 가지고 있다 특히 의 구현에 요구되는 기술은 광통신 부 ADM MUX DeMUX
품기술 중에서 가장 상위에 있는 고난이도의 기술이다 또한 고려하여야 할 중요
사항중의 하나가 양산기술일 것이다 본 회사는 이런 점에 대응할 수 있는 공정프
로세스의 단순화로 양산성과 품질관리로 저가격화에 경쟁력이 있느냐하는 것이다
당사는 이러한 면에서 그 대응 방안을 모색해 왔으며 그 해법을 가지고 있다 그리
고 본 과제를 수행하여 얻은 개발 요소기술을 기반으로 다음 단계로 광스위치를 미
소광학계 를 이용 이 아닌 으로 개발(macro-optics) MEMS type milli-structure type
하고자 한다
현재는 광통신 부품이 고가이기 때문에 시장이 점진적으로 열리고 있는 것이 현실
이다 그러나 전광통신 시대의 도래는 피할 수 없는 추세이다 그래서 당사는 보유
하고 있는 핵심기술을 바탕으로 고수율 고품질의 제조기술로 대랑 생산 체제를 구
축하여 광통신 부품의 저가격화를 실현함으로써 시장을 선점하고 다가오는 전광통
신 시대를 앞당겨 놓고자 하였다
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 15 -
제 장 수동소자 기술2 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
제 절 구현 기술 및 특성1 WDM
장치의 메카니즘은 두가지로 파장에 따라 굴절 반사가 달라지는 원리WDM
와 다른 하나는 된 박막필터를 채택해 특(grating) Interference Thin Film Coating
정 파장은 통과하고 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이 있다 그 구현
기술에 따라 세부적으로 구분하면 다음과 같다
방식- FBG(Fiber Bragg Grating)
방식- TFF(Thin-Film Filter)
방식- AWG(Array Waveguide Grating)
기타 등- (Bulk diffraction gratings )
이들 모두 광채널 파장 별 신호를 분리 전송하는 필터의 역할을 수행하는 것으로( )
써 모두 각각의 장 단점을 가지고 있다 표 참조 기술은 기 ( 2-1 ) WDM DWDM
술 발전과 더불어 보다 좁은 파장 이 대두되고 있으며 그 예로(spacing) 50 (04
가 상용화 단계에 왔다 이에 맞춰 등 다른 소자에서도 사용 파장) fiber swithch
확대 및 평탄한 를 얻고자 개발에 박차를 가하고 있다Amplitude response
표 특성 비교2-1 WDM
주요 항목WDM Tech
FBG AWG TFF
Channel Passband Wide Moderate Wide
Insertion Loss High Low for Large Ch
Channel Isolation High Low High
Thermal StabilitiyBad
패키징 의존도 높음( )
Bad
필요(TEC )Very Good
CD
(Chromatic Dispersion)Very High Low Low
Size 따라 차이Circulator Small 채널수에 따라 차이
Cost 고가(Hybrid design)고가 채널이하16
저가 채널이상16
저가 채널이하16
고가 채널이상16
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 16 -
제 절2 TFF(Thin Film Filter) WDM
의 기본구조는 그림 과 같다 즉 싱글 콜리메이터 싱글 파이버 피그TFF-WDM 2-1 (
테일과 와 듀얼 콜리메이터 듀얼 파이버 피그테일과 사이GRIN-Lens) ( GRIN-Lens)
에 사용파장에 맞는 광필터 가 위치한다 은 핵심(Optic Thin Film Filter) TFF-WDM
소자인 광필터의 투과 파장폭에 따라 과DWDM(Dense WDM) CWDM(Coarse
그리고 등 다양하다WDM) BWDM(Bandpass WDM)
또한 시스템의 설계 사양이 까다로워지면서 특정파장밴드를 사용하는 특수 의WDM
시장이 증가하고 있는 추세이다 신제품의 출현은 급변하는 광통신 시장에서 그 생
명력 을 오래 유지할 수 없으며 다채널화되면서 복합화 및 소형화에 박(Life cycle)
차를 가하고 있다 이러한 광시장에서 현재까지 는 그들만의 시장 TFF AWG FBG
을 가지고 있었다 하지만 시장은 의 수요가 1times4 1times8 1times16 MuxDeMux OADM
지배적이면 삽입손실 크로스턱 그리고 온(Insertion Loss) (Crosstalk or Isolation)
도 특성면에서 우수한 를 선호하는 시스템 업체가 늘고 있다 따라서 박막코팅TFF
기술 역시 많은 진보를 이루어 현재 필터 개발이 이루어지고25 (O2 Spacing)
있다 다채널를 구성하려면 광파이버를 연결해야 하며 이로 인한 광파이버의 굽힙
손실한계 약 를 가지고 있어 소형화에 어려움이 따르고 있다 이러한 단( R 35~45)
점을 극복하고자 현재 미니사이즈 콜리메이터 등이 개발되었으 Multi-port WDM
며 궁극적으로 소형화를 이루기 위한 콜리메이터 대체용 부품기술 개발에 박차를
가하고 있다
그림 기본 구조2-1 TFF-WDM
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 17 -
제 절 기본 사양3 TFF(Thin Film Filter) WDM
시스템을 설계시 경제적인 면도 중요하지만 각 시스템에 적합한 광 특성WDM
검토가 선택의 주요 기준이 될 것이다 하지만 아직까지(Optical Spectra) WDM
표준화가 완전히 이루어지지 않은 바 각 제조사는 그들만의 사양정의에 따른 제품
사양서를 제시하고 있으며 제조사별 사양서만으로 시스템 설계자가 수동소 WDM
자를 선택하기에는 많은 애로 사항이 있다 그림 는 일반적으로 통용되는 2-2 WDM
및 의 광특성에서 일반적으로 통용되는 사양 기준을 보여주고 있다MUX
그림 광스펙트럼 및 기본 사양2-2 WDM
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 18 -
기본 사양들을 살펴보면
에 따르며 엄밀히 투과파장 채널 에 따라 간격은Channel Spacing ITU-G692 ( )
다소 차이는 있다 100 을 기본 추전하고 있으며spacing 193100 ( 155252
를 로 한다) Ref
채널 투과밴드를 말하며 보다 넓은 밴드는 온도특성을 고Channel Passband
려해야 하는 선택 시 유리하다 로 표LD ITU CWL + 12X and ITU CWL - 12X
시한다
내에서 삽입손실의 편차이며 이는 레이저 모듈레이션 시 고Ripple Passband
려되며 큰 은 신호왜곡을 일으킬 수 있다 Ripple
채널 내에서 최대값을 의미하여 이는 전송거리를 좌Insertion Loss Passband
우하는 가장 중요한 항목이다
인접 채널 구간에서 최대 삽입손실을 말하여Adjacent Isolation Passband
색분산 시스템 노이즈를 고려 시 중요 항목이다(Chromatic Dispersion)
편광상태에 따른 내에서의 단일Polarization Dependent Loss(PDL) Passband
파장에서 삽입손실 편차를 말한다
높은 는 레이저 왜곡을 일으킬 수 있으며 이는 시스Return Loss Return Loss
템에서 노이즈를 추가 발생시켜 결국 전송품질을 나쁘게 한다
작동온도 범위에서 투과밴드에서 삽입손실의 편차를 말한Thermal Stability
다(dB )
작동온도 범위에서 투과 파장의 편차를 말한다Thermal CWL Drift CWL (pm
)
이러한 모든 사양들은 또한 작동온도범위 보통 에서 만족뿐만 아니라 엄( -5~65 )
격한 신뢰성 규격 도 만족해야 한(Telcordia Performance amp Reliability Standards)
다
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 19 -
제 절 용 디자인 개요4 DWDM Optic Filter
광학필터의 종류는 무반사 코팅 고반사 코팅 장파장 투과 필터 단파장 투과필
터 좁은영역 투과필터 필터 등과 같이 다양하다 이런 광학적 필터는 빛의 edge
간섭성을 이용하여 제작되어진다 그 중에서 에 사용되는 필터는 좁은 영역 DWDM
투과필터로 증착되는 층수가 층 이상으로 필름 두께도 매우 두꺼우며 장시간100
코팅을 하여야 한다
그림 패브리 페로 간섭계2-3 -
용 다층 박막 코팅의 기본적인 원리는 간섭계로 설명할 수 있다WDM Fabry-Perot
페브리 페롯 간섭계는 그림 과 같이 두 거울의 반사율이 각각 이다 투- 2-3 R1 R2
과율이 인 구조를 갖는다 두 거울 사이에 복소수 굴절률이 이T1 T2 N = n - ik
고 두께 인 간격층 이나 공동 이 있을 때 페브리 페로 간섭계의 투d (spacer) (cavity) -
과율 는T
여기서 최대 투과율 는To
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 20 -
으로 주어지며 반치폭과 관련되는 예리도 계수 는 (coefficient of fineness) F
로 주어진다 간격층의 광학 위상 두께 는 δ
로 주어지며 는 간격층 내에서의 반사각이고 와 는 각각 θ α β
이다 또한 φ1과 φ2는 각각 거울 과 의 반사 위상이다1 2
φ1=φ2 일 때=0
과 같이 된다 이며 거울의 흡수가 클수록 최대 투과율은 감소한다
이와 같은 원리를 바탕으로 좁은대역 필터가 공진기 구조로 설계되었으며 다음과
같은 그림과 같다
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 21 -
그림 에서 나타난 필터 구조는 가장 기본적인 공진기 구조이며 이를2-4 Single
라 부른다 는 고굴절률의 증착물질인Cavity High index Ta2O5를 나타내며 low
는 저굴절률의 증착물질인index SiO2를 나타낸다 공진기 구조는 그림 와 같이 2-4
양쪽의 고반사 거울층과 중간에 층으로 형성되었으며 고반사 거울층은spacer λ
두께로 증착되며 층은 의 두께로 증착된다4 spacer n( 2) λ
그림 유전체 박막 구조2-4 Single cavity
위의 그림은 구조이다 이와 같은 구조의 공진기를 하나 더 붙이면single cavity
하나 더 붙이면 구조가 된다 가 증가함에 따라 스펙트럼의2cavity 3cavity cavity
변화는 다음의 그림 와 같다 그림과 같이 의 수가 증가함에 따라 투과2-5 cavity
대역의 폭은 증가하고 반사대역의 폭은 감소하여 협대역 투과필터의 광학적 특성은
좋아지나 삽입손실은 반대로 증가한다
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 22 -
그림 협대역 투과 스펙트럼2-5 (1 2 3 5 cavity)
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 23 -
제 장 광분배기 및 개발3 50 (ADM) MUXDeMUX
제 절1 50 기술개발Optic Filter Coating
1 50 디자인 개발Filter
가 차 설계 50 DWDM Filter 1
(1) 50 filter design
다음의 식은 협대역 투과 필터의 디자인 개요를 보여준다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 8L H (LH)^9 L Air
이 디자인은 총 층으로 구성되었으며 는 라는120 substrate WMS-15 glass - wafer
을 사용하였으며 굴절률은 이다 고 굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고206
저굴절률인 SiO2의 굴절률은 이다146
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 스펙트럼 차안3-1 50 Filter (1 )
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 24 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보듯3-1 50 차 에서 한 결과는 다음 표DWDM 1 design simulation
과 같다3-1
표 차안3-1 50 Filter design spec(1 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 005
Ripple dB 01
Pass Band Width-05dB dB 02
Stop Band With-25dB dB 064
표 에서 보는 값은 값이므로 실제 증착하였을 경우 와3-1 simulation peak loss
의 값들은 코팅에서 일어나는 들로 실제값들은 커진다 또한ripple loss SBW(Stop
의 값도 크므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 차 으로 이것Band Width) 2 design
을 보상해보고자 했다
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 25 -
나 차 설계 50 DWDM Filter 2
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 차 디자인이다50 filter DWDM 2
Substrate (HL)^9 H 10L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을120 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 이다 차 과 차 을 비교하였을 경우146 1 design 2 design
양쪽의 고반사 거울층에서의 설계의 변화는 없고 단지 층에 변화를 주었음spacer
을 알 수 있다
스펙트럼(2) 50 filter
그림 스펙트럼 차안3-2 50 filter (2 )
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 26 -
결과(3) 50 Filter Simultation
그림 에서 보는3-2 50 의 차 에서의 결과는 다음DWDM Filter 2 design simulation
표 와 같다3-2
표 차안3-2 50GHz Filter design spec(2 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 0008
Ripple dB 009
Pass Band Width-05dB dB 019
Stop Band With-25dB dB 06
표 의 결과를 보면 차에 비해 와 에 대해서는 가 차 디자3-2 1 peak loss ripple loss 2
인에서 줄어 든 것을 확인할 수 있다 또한 의 폭도 줄어들었지만 의 폭 SBW PSW
이 보다 작은02 019 로 에 해당되어 이를 보정할 필요가 있었다spec out
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 27 -
다 최종설계 50 DWDM Filter
(1) 50 Filter design
아래는 협대역 투과 필터의 디자인이다50 filter DWDM
Substrate (HL)^9 H H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 6L H (LH)^9 L
(HL)^9 H 4L H (LH)^8 L 0600H 0747L Air
위의 디자인은 층으로 구성되었으며 는 라는 을160 substrate WMS-15 glass wafer
사용하였으며 굴절률은 이다 고굴절률인 1658 Ta2O5의 굴절률은 이고 저굴206
절률인 SiO2의 굴절률은 로서 앞서의 경우와 동일하다146
차 및 차 과 비교하였을 경우 구조가 아닌 구조로 층수1 2 design 3-cavity 4-cavity
가 증가하였으며 마지막 층은 투과율 향상시키기 위한 효과층으로 구성하여 2 AR
설계하였다 이러한 설계방식은 기본 을 변형하여 투과영역의 DWDM filter design
를 최소화하는 방식으로 사용하였다loss
스펙트럼(2) 50 Filter
그림 3-3 50 스펙트럼 차안filter (3 )
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 28 -
결과(3) 50 Filter Simultation
위의 그림 에서 보듯이 차 에서 한 결과는 다음3-3 50 DWDM 3 design simulation
표 과 같다3-3
표 차안3-3 50 filter design Spec(3 )
Parameter Unit Spec 비고
Peak Loss dB 002
Ripple dB 012
Pass Band Width-05dB dB 026
Stop Band With-25dB dB 06
코팅 프로세스와 가공시 광학적 변형을 고려하여 위의 에 최적화하여 설계Spec
하였다 를 넓히고 를 줄이기 위해서 수를 늘이면 되나 PBW SBW cavity peak loss
와 이 증가한다 이러한 점을 고려한 최적화 설계이다ripple
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 29 -
제조 개발2 50 Filter Processing
를 제조하기 위하여 우선적으로 차례에 걸쳐 최적화된 박막설계를 하50 filter 3
였으며 이를 실제 증착하여 를 만들면 된다 를 제작하기 위해서는 기본 filter Filter
적인 준비작업이 필요하다 그것은 증착하고자 하는 물질 등 들의 광 (Ta2O5 SiO2 )
학상수의 결정과 장비의 개발 등이다process
가 광학상수 결정
코팅을 하기 위해 기본적으로 고려해야 하는 들이 있는데 즉 증착물질이parameter
가지고 있는 파장변화에 따른 굴절률 변화값으로서 이 값을 알기 위해서 단층박막
을 증착하여 증착물질이 가지고 있는 굴절률 값을 각각 구해내었다 또 한 단층박
막을 증착하여 증착물질의 굴절률 값 뿐만 아니라 최적화된 증착조건 및 프로세스
개선을 도모하고자 하였다
에 단층박막Test glass (SiO2 Ta2O5 을 증착하여 이를 분광 광도계로 광학적 특성)
인 투과율을 아래와 같이 측정하였다 그림 참조( 3-4 3-5 )
그림 3-4 SiO2 단층 박막 증착투께( 31 )λ
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 30 -
그림 3-5 Ta2O5 단증 박막 투과율 증착투께( 34 )λ
분광광도계를 이용한 박막의 광학상수 결정방법은 반복 방법과 포락선(iteration)
방법으로 나눌 수 있다 포락선 방법은 흡수가 작은 적당한 두께의 유(envelope)
전체 박막에 적용할 수 있으며 수직 입사의 투과율만 측정하여도 균일한 굴절률
박막의 광학 상수와 두께를 결정할 수 있다 박막의 굴절률이 기판 굴절률보다 큰
경우 흡수가 작고 굴절률 분산이 크지 않은 유전체 박막의 최소 투과율과 최대 투
과율은 박막의 광학 두께가 각각 파장과 파장일 때 나타난다 포락선 방법14 12
에서는 박막의 최대 투과율을 이어준 포락선과 최소 투과율을 이어 준 포락선으로
부터 굴절률 소멸 계수 및 두께를 결정할 수 있다
균일 굴절률 박막
빛이 수직 입사일 때 복소수 굴절률이 인 균일하고 등방인 박막의 광학 위N=n-ik
상두께는
이며 는 진공 중 파장이고 는 박막의 물리 두께이다 입사 매질과 기판의 굴절 d λ
률은 각각 nO 와 nsub 이다
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 31 -
위의 수식을 기본으로 박막의 특성 행렬 은[ M ]
와 같이 표현할 수 있다
파장 광학두께14
광학 두께가 파장일 때 즉14
일 경우 특성 행렬은
와 같이 간단히 표시할 수 있다
이때 파장의 투과율을 계산하면14
표현 할 수 있고 는
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 32 -
로써 흡수가 없는 박막의 파장에서의 투과율이며 는 아래 식과 같다14 p
포락선 방법을 사용하여 단층박막 SiO2와 Ta2O5의 광학상수인 굴절률은 다음 표
와 같다3-4
표 증착물질의 광학상수3-4 (SiO2 Ta2O5)
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 33 -
나 개발 Filter Coating Process
광통신에서의 는 투과폭이 매우 좁으며 에 매NBPF(Narrow Band Pass Filter) Loss
우 민감하기 때문에 제작한다는 자체가 매우 어렵다
ex) 200 PBW-05dB gt 08
100 PBW-05dB gt 04
50 PBW-05dB gt 02
그 중에서 50 는 초정밀 광학코팅의 집약체라 할 수 있다 그런 이유로 다NBPF
른 필터와는 달리 모든 부문에 있어서 새로운 방법과 개발이 필요하다 앞process
에서 구한 광학상수를 바탕으로 개발하고자하는 의 공정개선을 다음과50 filter
같이 하였다
개발 과정은Process
광학두께 제어 시스템- OMS(Optical Measuring System)
전자빔의 최적화-
- APS(Advanced Plasma Source) condition
의 온도 관리- Wafer
관리- Chamber
층의 두께 관리- AR
으로 분류될 수 있다
광학두께 제어 시스템OMS(Optical Measuring System)①
시스템은 두께 제어에서 매우 민감한 부분을 차지한다 개발 과정을 수OMS 50
행하면서 자체적으로 수정 보완하여 최적화를 이루었다 를 삽입하여 입사 Apature
광량의 를 최소화하여 한 층의 두께를 제어하는데 안정적인 공정이 되도록 하noise
였다
또한 할로겐 램프의 위치를 조절하여 입사광을 최대화하였고 시스템이 위치 OMS
한 공간을 어둡게 하여 를 최소화하였다 는 를 사용하는noise OMS monochrometer
데 온도편차로 인하여 공정 중에 기준파장의 변화로 인해 두께제어에 영향을 끼칠
수 있어 의 온도를 로 관리를 하여 안정적인 시스템을 유지할monochrometer plusmn1
수 있었다
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 34 -
전자빔의 최적화②
전자빔으로 증착물질을 녹이는데 있어서 증착물질의 표면이 에 중요하다uniformity
증착물질의 표면이 고르지 못하고 거칠게 증착되면 시간당 증착되는 물질의 양이
불안정하고 비상각도가 일정하지 않아 정상적인 공정을 수행하기가 어렵다 또한
Ta2O5는 에서 증발을 하는데 냉각수의 온도가 불균일하여 증착물질의 양이2700
불안정하게 만드는 원인이 된다 이를 해결하기 위해 의 청소 및 배관의 cool tower
노폐물을 제거하고 냉각수 온도를 이내로 관리하였다plusmn2
APS (Advanced Plasma Source) condition③
가 생성되는 과정과 장시간 공정 시간으로 인하여 표면에 오염Plasma anode tube
이 되어 플라즈마에서 아주 미세한 가 발생이 된다 이것은 시스템의 센서에 전arc
기적인 충격으로 이어질 수 있다 내부 표면을 기계가공으로 매우 거 Anode tube
칠게 하여 내부 표면적을 증가시켜 플라즈마의 안정적인 생성을 유도하여 필터 증
착을 하였다
의 온도관리Wafer④
의 온도는 굴절률 변화에 매우 민감하다 굴절률이 변한다는 것은 각층에 서Wafer
의 물리적인 두께가 변하는 것이므로 좋은 결과를 얻을 수 없다
는 투과폭이 매우 작기 때문에 더욱더 민감하게 반응한다 는 에서50 50 130
공정을 시작하고 증착물질이 녹는 과정에서 발생되는 복사열 그리고 가열 wafer
히터를 의 낮은 파워로 하여 장시간 공정에서의 온도 편차를 로30 setting 5~7
일정하게 유지시켰다
관리Chamber⑤
매번의 공정이 끝나면 코팅기 등 부수적인 작업이 이루어maintenance cleaning
지며 긴 기간을 필요로 한다 이때 코팅기의 문을 장시간 열려 있으므로 코팅기 내
부가 자연적으로 오염이 되는데 습기 및 대기중의 일반 들이 주요인이다gas 50
개발 과정에서는 매번 코팅기 벽면 및 내부의 오염을 방지차원에 차 진공을 하여1
내부 작업을 시행한다out gasing
층의 두께 관리AR⑥
디자인은 와 전후로 대칭이 이루어져 있다 그러나 마지50 cavity cavity spacer
막 층을 이용하여 효과를 얻을 수 있다 이외의 코팅에2 AR(Anti Reflection) 50
서는 층의 두께를 코팅 두께를 기준으로 하였고 두께 계산AR 2 non-quarter wave
은 다음과 같이 했다
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 35 -
ex) Ta2O5 185 times 054 = 999
SiO2 264 times 0975 = 2574
그러나 공정개발 과정에서는 폭 우측에서의 증가와 공정결과의50 band ripple
불안정이 문제가 됐다 많은 공정개발로 인하여 두께를 결정짓는 기준을 마지막
에서 전의 두께를 평균으로 계산하여 이 두께를 기준으로 증착하였cavity spacer
다
ex) Ta2O5 181 times 06 = 1086
SiO2 269 times 0747 = 2009
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 36 -
다 가공 개발 process
가공시 잔류응력에 대한 문제점(1)
용으로 제작되는 박막형 광필터DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) (TFF
는 층 이상의 고층박막형 구조로 이루어지며 따라서 통상의 Thin Film Filter) 100
등의 저증박막 필터와는 달리 성막CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)
단계 완료 후에 굽힘 변형이 발생하게 된다 이와 같은 굽힐 변형에 의한(bending)
필터의 곡면성형은 일정한 광특성 값을 갖는 필터의 제조를 어렵게 할 뿐만 아니
라 동일한 기판 에서 성형된 필터의 광특성 값에도 변화를 주게 되어 고품질 (wafer)
및 고신뢰성의 필터제조를 어렵게 하는 원인이 된다
용 는 방식에 의해 장시간동안 층 이상으로 증착되며 그DWDM TFF Evaporation 100 (
림 참조 박막층 구성물질인3-6 ) Ta2O5 와(Tantalum Pentaoxide) SiO2(Silicon
가 반복적인 배열을 가진다 증착단계가 완료된 후 기판이 냉각되면 상대Dioxide)
적인 열팽창계수의 차이 및 탄성계수 의 차이 그리고 박막층(E Youngs Modulus)
의 두께차이에 의해 발생되는 잔류응력을 가지게 된다 각 박막층은 의 설계상 TFF
의 광학적 두께로 제작이 된다 즉 파장 과 굴절률에 의해 박막층의 두께가4 ( )λ λ
결정이 되는데 예를 들어 설명하면 다음과 같다
즉 λo 일 경우= 1550
Ta2O5 는 이고188 SiO 2 는 로 각 층의 두께가 결정된다265
그림 의 박막층 구조3-6 DWDM Filter
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 37 -
용 형 광학필터의 제조시에 발생하는 잔류응력은 공식을 이용하DWDM TFF Stoney
여 계산할 수 있다
본 연구에서 층의 구조를 갖는 를 제조할 경우 위 식에 의한 계산결100 DWDM TFF
과 입력값 는 아래 표 와 같이 정리될 수 있다 필터의 최종형상은( ) 3-5 TFF 14 times
이며 이 경우 박막층에 작용하는 내부 잔류응력은 약14 times 12 (t) 2953MPa
의 압축응력으로 계산된다
표 3-5 Wafer Bending
항 목 특성값 측정값( )
Substrate Youngs Modulus E(GPa) 55
Possions Ratio vvv 024
Substrate Thickness ts(mm) 12
No of Coating Layers N 100
Designed Center Wavelength λ0 (nm)λ 1550
Coating Thickness tf( ) 388
Radius of Wafer Bending R(mm) 1516
Compression Stress c(MPa) 2953
직경 의 기판을 사용할 경우 본 연구에서는 박막층수에 따라 약100 400~800
의 최종 굽힘변형 이 발생하였다(overall bending)
잔류응력과 기판변형으로 인해 필터 다이싱 공정 중에 의 치핑(dicing) 100~200
이 발생하게 된다 이런 문제로 필터의 광학적 스펙트럼이 변화하여(chipping)
에 벗어나는 현상이 나타난다 이 현상을 최소화하기 위해 가공 공정별Spec wafer
개발로 해결하고자 한다process
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 38 -
그림 가공후 의3-7 Wafer Bending
그림 다이싱 후3-8 filter chipping
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 39 -
가공 개발(2) process
는 일반적으로 아래와 같은 공정으로 제조된다TFF
기판준비 면가공 박막증착 기판두께가공 다이싱( ) - - -
위에서 언급한 바와 같은 잔류응력은 박막층 성막이전에 두꺼운 기판을 적용하고
이후에 두께가공으로 축소하는 방법을 통하여 잔류응력 및 변형을 억제하는 것이
일반적이지만 두께축소 가공공정은 실제로 까다로운 제어를 필요로 하며 가공시에
박막필터층에 손상이 가해질 수 있어 세심한 주의를 요하는 공정이다
당사에서 적용한 두께축소 가공방식은 연삭 및 래핑 공정으로서(grinding) (lapping)
최종 두께에 이르기까지 몇 차례의 단계를 갖도록 구성하였다
각 가공단계별로 적용한 공정조건은 다음과 같다
와의 접합(1) Machining Plate
의 조도조절이 중요하며 접합면이 경면일 경우 연삭작업 시 박리현상이 발생Plate
하였다 그림 참조( 3-9 )
그럼 기판과 간의 박리3-9 machining plate
기판의 초기두께는 로 선정하였으며 연삭가공을 통해 까지 낮추었다 가8 12
공 시에 접합면에 작용하는 층밀리기 응력 과 왁스 의 접착력간의(shear stress) (wax)
균형이 맞지 않으면 기판이 탈락되었고 이를 방지하기 위하여 유선지를 삽입하였
다 그림 참조( 3-10 )
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 40 -
(2) Grinding
기판의 두께를 까지 축소하는 공정으로서 장시간 작업을 요하며 가8 125 rarr
공 정도에 따라 기판의 이탈 파손뿐만 아니라 경우에 따라서는 광특성치의 변화도
초래할 수 있다 연삭에서 가공면의 편차를 이내가 되도록 정밀도를 높였으 plusmn2
며 이를 통해서 이후의 래핑 공정에서 기판이 흔들림 없이 가공될 수 있도록 하였
다
그림 기판과 접합면에 유선지의 삽입형상3-10 plate
장치(a) Grinding
가공 완료된 기판(b)
그림 장치 및 가공 완료된 기판3-11 Grinding
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 41 -
본 연구에서 살펴 본 최적의 가공조건은 다음과 같다Grinding
기계가공 조건
- Wheel rpm 1500 ~ 2000 rpm
- Work rpm 400 plusmn 50 rpm
- Feeding Speed 80 ~ 200 rmin
절삭유
기판과 의 접합에 사용된 왁스와 화학반응을 일으키지 않는 성분의 절삭유 적plate
용
냉각수 온도
냉각수 온도가 너무 낮게 되면 가공 면과의 온도차에 의한 충격으로17 ~ 22
크랙 이 발생할 수 있다(crack)
연삭가공 최종두께
연삭공정은 잔류응력을 완화하고 가공시의 과 를 적절125 plusmn 005 rpm feed
히 조절하여 후 가공에 의한 부가적인 변형을 최소화하여야 한다 위와 같은 방식
을 적용하여 본 연구에서는 기판의 최종 굽힘변형량이 이하가 되도록 향상시 02
킬 수 있었다
(3) Lapping
연삭이 완료된 상태에서는 기판의 모서리가 예리하기 때문에 래핑 과정에서 모서리
에서 파손이 발생할 수 있고 이 때 생성된 파편이 기판에 스크래치 및 크 (scratch)
랙을 야기할 수 있기 때문에 모서리를 사포로 모따기 하였다 그림(chamfering) (
3-12)
그림 후3-12 Grinding chamfering
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 42 -
래핑가공에서는 평면도가 맞지 않으면 기판의 두께 편차가 생기고 부문적 형wedge
상이 발생하게 된다 정반 평면도 상태에 따라 정도의 연삭가공을 수행 30 ~ 50
하였으며 평면도는 이내 유지를 해야 형상의 발생이 없이 가공할 수 있 3 wedge
었다
본 연구에서 살펴본 최적의 래핑조건은 다음과 같다
작업시간- 30~50 min
정반- rpm 30~60 rpm
연마제 유성- 3~6 type
- weight 5~10
연마제 공급 방식 분사방식-
가공 두께- 122 plusmn 005
정반의 과 의 무게에 의해 정반과 기판사이의 마찰열이 발생하는데 래핑rpm weight
은 연삭과는 달리 별도의 냉각수 가 없기 때문에 열에 의해 박막층의 광특성unit
변화가 발생할 수 있다 이를 예방하고자 연마제를 일정한 시간마다 적당량 분사하
였고 적을 겨우 과부하 발생 많을 경우 기판이 밀리는 현상이 발생하여 가공이 이(
루어지지 않았음 의 무게를 이하로 조절하였다) weight 10
래핑이 적절히 수행된 경우 아래 그림 과 같이 기판에 정반자국 물결무늬 이 3-13 ( )
선명하게 남게 됨을 알 수 있었다
그림 래핑작업 및 완료후 기판의 정반자국3-13
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 43 -
(4) Polishing
최종 면가공은 연마 로 마무리를 하게 된다 입자의(polishing) 05~3 Cerium
를 사용하여 물리적으로 수준의 두께를 제어하고 배율 현미경Oxide Powder 100
으로도 식별이 어려운 스크래치를 제거하는데 목적이 있다 뿐만 아니라 광학적으
로도 굴절률의 변화를 방지하고 이하 평면조도를 높여서 투과율rms(001wave )
을 최대한 향상시키기 위한 과정이라 할 수 있다 분말 입자가 너무 미세하 (powder)
게 되면 세척 이 어려워지며 초음파 세척을 실시할 경우 코팅막이 손상되(cleaning) (
기도 하였다 가공 후 잔존하는 기판표면의 가공무늬는 순수 를 이용하) (pure water)
여 정도 후가공을 해줌으로서 제거하였다60min
본 연구에서 살펴본 최적의 연마조건은 다음과 같다
- rpm 20~40 rpm
- weight 5~10
연마제 의- 05~3 Cerium oxide powder
작업 시간- 20~30 min(powder) 50~60 min(water)
연마제 공급 방식- drop
제품 최종두께- 12 plusmn 005
평면도 이내 유지- Cerium pad 3
그림 작업과 완료된 기판3-14 Polishing
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 44 -
의 개발결과3 50 NBPF Filter
가 개발단계별 필터 스펙트럼 초기 중반 완료 ( - - )
아래 그림 를 검토해 보면 에서 다층 박막 코팅 결과 투과율의 형태는3-15 32Ch
중심파장을 중심으로 좌우의 형태가 대칭성을 갖지 못하고 일그러진 형태를 보이고
있고 가 약 로 가 상당히 큰 값을 갖는 결과를 보인다 즉peak loss -75 dB loss
와 파장 투과율에 대한 형태를 개선해야 되는 문제점을 갖고 있었다peak loss -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 초기3-15 ( )
코팅 프로세서의 조건을 개선한 후에는 그래프의 형상이 많이 향상되었으며 loss
도 약 정도로 차 다층 박막의 결과에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다1dB 1
그림 참조( 3-16 )
최적화된 코팅 실험 조건에 따른 의 코팅 결과는 그림 의 그래프 및24Ch 3-17
에서 보듯이 이전의 결과에 비해 및 그래프의 형태가 상당히 향상됨을 알spec loss
수 있다
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 45 -
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발중3-16 - ( )
그림 다층 박막 코팅 공정 파장 투과율 그래프 개발완료3-17 - ( )
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 46 -
나 개발결과 50 DWDM NBPF Filter
(1) 50 Filter Coaling
아래 표 및 에 당해년도 차년도 달성목표치 대비 결과 값을 나타내었다3-6 3-7 (1 )
표 개발결과3-6 50 DWDM NBPF Filter
항목 unit 개발목표 개발결과
TIL dB lt 05 03
Ripple dB lt 03 024
PBW nm gt 02 022
PDL dB lt 005 003
표 타사제품간의 비교3-7 PDL (50 )
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 47 -
가공 기술(2) 50 Filter
그림 은 용 를 층으로 제조한 후 기존의 방식으로 가공하였을3-18 DWDM TFF 100
경우에 발생하는 굽힘변형을 보여주는 것으로서 기판중심에서 거리에 따른 높이의
차이를 보여주고 있다 총 개의 기판위에 를 증착하여 차원 측정기로 측정하 3 TFF 3
였으며 그 결과는 보는 바와 같이 최대 약 까지의 높이 편차를 나타내었다 800
그림 는 본 연구에서 최적화된 공정을 적용하였을 경우로서 최대변형을3-19 200
이하로 억제할 수 있었으며 샘플간의 오차범위도 극히 미미하여 안정된 품질을
획득할 수 있었다
그림 기존공정으로 제조된 기판의3-18 TFF bending
그림 최적화공정으로 제조된 기판의3-19 TFF bending
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 48 -
잔류응력의 억제 및 변형량의 축소 등에 기인하여 안정된 광특성을 예상해 볼 수
있다 그림 은 기존의 공정으로 제조된 필터의 광학적 특성을 보여주고 있으 3-20
며 이러한 공정개선은 필터에서 검증하였으며 이를 필터 가공에 적요 200 50
하였다 그림 은 최적화된 가공을 통해서 제작된 필터의 광학적 특성을 3-21 50
보여주고 있다
그림 기존공정으로 제조된 의 스펙트럼3-20 200 TFF
그림 최적화공정으로 제조된 의 스펙트럼3-21 50 TFF
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 49 -
그림 기존 및 최적화가공 후 의 가공형상3-22 (a) (b) filter
그림 는 기존의 필터 가공시에 발생하던 치핑현상과 최적화 이후의 가공정도3-22
를 보여주고 있다 결과적으로 가공에서 생긴 스펙트럼의 변화와 필터의 치핑
의 문제점이 가공 의 개발로 해결되었다(Chipping) process
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 50 -
제 절 기술 개발2 ADM Packaging
적용기술 개발1 C-Lens Optic Lens
가 광학 설계
광학설계는 중심광선을 그림 과 같이 계산하여 부품간의 거리 및 의 경사3-23 Filter
각도 의 연마각도 등을 산출하였으며 삽입 손실은 실험을 통하여 최소화하 Ferrule
였다
그림 개요도와 변수3-23 Ray tracing
그림 벡터로 표현한 경계면에서의 굴절3-24
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 51 -
광선추적에 사용된 기본공식은 아래와 같다
의 법칙Snell①
벡터방정식②
점 다음 면과 만나는 점 은 공간 도형의 방정식으로 교점을 구함 선의 방정P ( ) (③
식 면의 방정식 구의 방정식 )
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 52 -
나 평가 및 적용 C-Lens Collimator
를 적용한 와 를 제작하여 투과 손실을 좌C-Lens Single Collimator Dual Collimator
우하는 를 거리 별 측정한 결과를 를Coupling Loss (Working Distance) GRIN Lens
적용한 경우와 비교하여 보았다 그 결과 그림 에서 보듯이 3-25 C-Lens
가 거리별 손실 민감도가 작음을 알 수 있었다Collimator
그림 거리별 비교3-25 Coulping Loss
또한 에서 반사손실 및 최소화되는 광학적 거리를 측정한 결과Dual Collimator
는 약 에서 반사손실이 최소가 되었다 그림 참조C-Lens Collimator 19 ( 3-26 )
이는 설계치와 매우 일치한 결과로 이러한 실험결과로부터 적 C Lens Collimator
용을 위한 필터 홀더를 설계 및 제작되었다
그림 렌즈별 거리에 따른 반사손실3-26
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 53 -
다 적용을 위한 패키징 기술 개발 C-Lens
를 적용한 의 실험결과로부터 의 특성은 와 유C-Lens Collimator C-Lens GRIN-Lens
사할 뿐만 아니라 반사손실 최소거리가 약 인 광학적 특성을 가지고 있음을19
알 수 있었다 이러한 특성을 고려하여 는 를 적용한 C-Iens Collimator GRIN-lens
경우와는 달리 두 필터의 반사손실에 큰 영향 주지 않으면서 두개의 필터를 적층
할 수 있다 당사에서는 를 적용하기 위하여 필터 홀더를 설계 C-Lens Collimator
및 제작하였으며 필터를 적층할 수 있는 집적화 패키징 기술 특허 출원 을 개발하( )
였다
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 54 -
패키징 개발2 50 ADM
패키징은 다음과 같은 공정으로 진행된다TFF-WDM
표 제조 공정 개략도3-8 Thin Film Filter WDM
FLOW CHART 공정명 비고
Lens Assy
와 본딩- Optic Lens Glasstube
Collimator
Align
와 빔사이즈 얼- Lens Assy Fiber Pigtail(Single or Dual)
라인 또는 광손실 최소화 얼라인 및 본딩
조립Filter 와 본딩- Filter Filter Holder
Core Align
와 의 반사 광손실 최소화- Filter Assy Dual Collimator
얼라링 및 본딩
Soldering
와의 투과 광손실 최소화 얼라인 및- Core Assy
Soldering
Cyoling
분- -5 ~ 65 Thermal Cycling Test(Dwell Time 30 )
- Thermal Loss Stability
- Thermal Wavelength Drift
ADM
Inspection
- Insertion Loss amp Ripple
- Isolation (Adj amp Non-Adj Express)
- Return Loss
- PDL
표 에서 보듯이 패키징 공정은 크게 공정 공정3-8 Collimator -gt Core -gt Solder
공정으로 나누어진다
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 55 -
가 최적화를 위한 실험 및 제작 Collimator
(1) Dual Collimator
필터와 간의 패키징은 반사손실을 최소로 광학적 정렬 함과Dual Collimator (Align)
동시에 필터의 중심파장 을 국제기구인 에서 지정(CWL Cent0er Wavelength) ITU
된 파장으로 맞추어야 한다 이 때 중심파장은 의 두 파이버 거리 Dual Collimator
즉 코어 대 코어 거리 이후 로 칭함 로 조정이 가능하다 이는 에 따라 필터의( d ) d
입사각 가 결정되기 때문이다 그림 은 거시적 AOI(AOI Angle of Incidence) 3-27
으로 와 의 관계를 광경로로 그린 것이다AOI Collimator
개략도(a) AOI
와 필터와의 매칭 개략도(b) Dual Collimator
그림 개략도 및 의 매칭 개략도3-27 AOI Dual Collimator
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 56 -
따라서 의 파이버 거리 에 따른 는 이론적으로 계산할 수 있Dual Collimator (d) AOI
으며 이론식은 다음과 같다
그림 값에 따른 필터의3-28 d AOI
또한 필터의 중심파장이 은 에 따라 단파장쪽으로 이동하게 된다 이는(CWL) AOI
의 굴절률 등에 따라 다소 차이를 보여준다 따라서 관Filter AOI amp Shift of CWL
계를 실험적으로 규명하였으며 실험은 측정난이도 및 정확도를 고려하여 100 z
필터를 사용하였다 그림 는 실험결과를 보여주고 있으며 그 결과로부터 다음 3-29
과 같은 이차항수 관계식을 실험으로부터 도출할 수 있었다
다만 필터 코팅에 있어서 필터의 파장균일성 및 값의 측 (Wavelength Uniformity) d
정오차에 따라 다소 차이를 가질 수 있다 그림 는 필터의 입사각 3-29 (AOI
에 따른 중심파장의 이동을 필터로 실험한 결과를 보여Angle of Incidence) 100
주고 있다
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 57 -
그림 에 따른 필터 중심파장 이동3-29 AOI
일반적으로 필터의 광스펙트럼은 가 증가함에 따라 투과 밴드폭은 좁아AOI 05 dB-
지며 투과 밴드폭은 증가하는 현상을 볼 수 있는데 에서는 이러 25 dB- 50 ADM
한 현상이 더더욱 심하게 나타난다 특히 와 같은 에서는 200 100 ADM DWDM
온도에 따른 파장이동 약 를 고려하면(Thermal Wavelength Shift) 10pm CWL
를 이하로 필터와 를 매칭해야 한다 이러Accuracy ITU +-003nm Dual Collimator
한 패키징의 난해함으로 인하여 50 패키징은 보다 높WDM 200 100 DWDM
은 정밀도가 필요하다CWL
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 58 -
(2) Single Collimator
패키징에서 의 입력 포트와 의 출력포트의WDM Dual Collimator Single Collimator
광투과 손실을 최소화하기 위해서는 들의 빔사이즈 관계가 매우 중요하Collimator
다 그림 은 적용 시 의 최적 빔사이즈를 구하고자 실 3-30 50 Single Collimator
험을 수행한 결과를 보여주고 있다
그림 의 빔사이즈에 따른 투과손실3-30 Single Collimator
조건은 다음과 같다Test
빔사이즈 측정거리는- 49
- 135 Gaussian Fitting
의 입력포트 빔사이즈- Dual Collimator 460um
즉 로 빔사이즈가 다른 의 빔 Core Assy(FilterampDual Collimator) Single Collimator
사이즈 실험을 실시한 결과 실험으로부터 50 와 같은100 DWDM(Dense
에서 필터의 광 패스구간이 좁아질수록 최소 투과손실을 얻을 수 있는WDM) Single
빔사이즈는 약 높아짐을 실험적으로 알 수 있었다Collimator 30~50
또한 광스펙트럼으로부터 밴드폭 및 중심파장을 확인한 결과 투과손실에 미치는
영항뿐만 아니라 필터 투과 스펙트럼이 변형되면서 밴드폭 및 에도 영향을 줌CWL
을 알 수 있었다 그림 및 표 참조 이는 의 가 커 ( 3-31 3-9 ) Dual Collimator AOI
짐에 따라 나타나는 현상과 유사한 것으로 의 패키징 최적화를 위해서50 ADM
반드시 고려해야할 광특성으로 사료된다
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 59 -
그림 의 빔사이즈에 따른 광스펙트럼3-31 Single Collimator
표 의 빔사이즈에 따른 밴드폭과 중심파장3-9 Single Collimator 50GHz WDM
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 60 -
나 공정 Core
공정은 의 반사손실을 최소로 광학적 정렬을 수행하여 본딩 경화하는 공Core Filter
정이다 본딩은 및 열경화용 에폭시를 사용하여 광학적 정렬을 고정하게 된다 UV
먼저 의 값 선정을 위하여 필터의 수입검사 결과를 보고 추정되는Dual Collimator d
이동을 계산하여 를 맞추게 된다CWL CWL Accuracy
사용한 필터는 수입검사 결과 및 추정 값은 다음과 같다50 d
표 필터 수입검사 결과 및 의 추정 값3-10 Dual Collimator d
이 때 측정된 중심파장은 가 도이므로 을 맞추기 위해서는 추정되는AOI 0 ITU CWL
의 값을 사용하여 중심파장을 우선적으로 확인한 결과 이론식으Dual Collimator d
로부터 추정한 값과 거의 일치함을 알 수 있었다 공정 시 반사 손실 최소화d Core
광학적 정렬 후 반사단의 을 측정한 결과는 표 과 같다 또한 표 는CWL 3-11 3-12
공정 진행중에서 반사 손실의 변화를 보여주고 있다 반사손실은 중심파장에서 측
정된 값이며 공정에서 발생되는 광손실 변화폭은 평균 이내로 양호함 Core 02dB
을 알 수 있다 그림 는 본딩 경화를 마친 후 측정한 결과이며 반사단 3-32
이 약 임을 보여주고 있다Isolation 18 dB
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 61 -
표 예상치와 측정결과 비교3-11 CWL Accuracy
표 공정에서 반사손실의 변화 및 적용된 의 빔사이즈3-12 Core Dual Collimator
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 62 -
그림 의 반사 광스펙트럼3-32 Core Assrsquoy
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 63 -
다 공정 Solder
공정은 공정을 마친 필터 와Solder Core Core Asslsquoy( ampDual Collimator) Single
의 투과 손실을 최소로 광학적 정렬을 수행한 후 이를 접합하Collimator Soldering
는 공정이다 사진 참조 ( 3-2 )
기 언급한 바와 같이 의 빔사이즈는 대역의 범위를 Single Collimator 750+-30um
적용하여 투과손실를 최소화하였다 표 및 그림 은 공정 결과 투 3-13 3-33 Solder
과 광스펙트럼 결과를 나타낸다
표 공정 후 측정결과 및 적용된 빔사이즈3-13 Soldering Single Collimator
사진 패키징 후3-1 Soldering 50GHz ADM
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 64 -
그림 의 광스펙트럼3-33 50GHz ADM
사진 공정3-2 Soldering
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 65 -
패키징 최적화3
가 온도 특성 개선
패키징이 완료된 의 온도특성을 확인하고자 에서 측정한 결50 ADM -10 ~ 70
과 이동이 약 로 측정되었다 일반적으로 측정되는 필터만의 온도 CWL 20pm
특성인 약 의 약 배로 증가하였음을 알 수 있었다 그림 참조10pm 2 ( 3-34 )
그림 의 온도 특성 코팅면 본딩3-34 50 ADM (AR )
그림 에서 보듯이 광 투과손실에 큰 차이가 없으나 약 이상 중심파장의3-34 01
이동의 발생은 필터 와 필터 홀더부 의 본딩면에서 이종 간의(Glass) (Metal SUS)
열팽창율 차이로 발생할 수 있는 스트레스의 불균일성과 필터 재질에서 갖는 온도
특성이 주원인으로 판단된다
따라서 이러한 현상을 규명하고자 필터의 본딩면을 면인 기존 방식에서 코팅면AR
으로 바꾸어 스트레스 불균일성 및 재질의 온도특성 비교 평가 실험을 실시하였다
실험은 필터를 대상으로 실시하였으며 그 결과는 중심파장 이동의 온도 특200
성이 약 으로 크게 개선됨을 알 수 있었다 표 는 실험 결과를03~13 pm 3-14
보여주고 있다
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 66 -
이러한 실험결과로부터 패키징에 적용한 결과 과 비슷한 결50 ADM 200 ADM
과를 얻었으며 그 결과는 그림 에서 보여주고 있다3-35
표 파장 이동 온도 특성 비교 실험 결과3-14 (200 ADM)
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 67 -
그림 의 온도특성 필터 코팅면 본딩3-35 50 ADM ( )
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 68 -
나 특성 개선 PDL
패키징이 완료된 의 을 측정한 결과 약 로 측정되었50 ADM PDL 015 ~ 03dB
다 이는 필터만의 특성 에서 발견되지 않는 것으로 패키징에 50 (AOI=0 degree)
서 중심파장을 에 맞추기 위하여 의 값을 약 를 적용ITU Dual Collimator d 180~185
한 결과로 판단된다 즉 입사각 가 약 도일 경우 필터 특성상 이 (AOI) 26~27 PDL
증가하게 되는 것이다 이는 필터의 에 따른 을 측정한 결과 그림 50 AOI PDL (
참조 및 중심파장을 무시한 패키징 결과 표 참조 로부터 검증이 가능3-36 ) ( 3-15 )
하였다
(a) AOI=0
(b) AOI=18
(c) AOI=26
그림 필터의 에 따른3-36 50 AOI PDL
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 69 -
표 의 값에 따른3-15 50 ADM Dual Collimator d PDL
이러한 가 증가함에 따라 의 증가를 확인하고자 추가 실험을 실시하였다AOI PDL
그림 은 및 광투과손실을 측정을 위한 시스템 구성도이다3-37 PDL
그림 광 투과손실 및 측정 시스템 개략도3-37 PDL
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 70 -
그림 은 실험결과를 보여주고 있다 실선은 광투과 손실을 보여주고 있으며3-38
실선은 투과 광스펙트럼을 점선은 을 나타낸다 그림에서 보듯이 가 증가 POL AOI
함에 따라 광스펙트럼의 왜곡과 더불어 이 증가함을 볼 수 있다POL
그림 필터 에 따라 변하는 광스펙트럼 및3-38 AOI POL
실험결과로부터 에서 에 따른 의 영향은 미미하였으나100 AOM AOI POL 50
패키징에서는 필터의 특성상 를 고려하여 패키징하여야 함을 알 수 있었ADM AOI
다 따라서 필터 수입검사 시 다른 일반 필터와는 달리 에 따른 50 DWDM AOI
을 반드시 확인한 후 패키징 시 이를 반영해야 할 것으로 사료된다POL
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 71 -
제 절 평가3 50 ADM
측정 및 평가1
패키징이 완료된 을 평가하고자 광특성 및 온도특성을 측정하였다50 ADM
가 광특성
삽입손실 아이솔레이션(1) (Insertion Loss) Ripple CWL Accuracy
그림 는 측정 시스템 블록도를 보여주고 있다 측정은 상온에서 측정하였으며3-39
측정 간격은 로 하였다0002
단계Reference
단계Measurement
그림 광스펙트럼 측정 시스템3-39
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 72 -
가 삽입 손실 및( ) Ripple
투과 손실은 로 측정되었으며 워킹 패스밴드 내의 손실072 ~ 099dB (+-006 )
편차 은 약 로 측정되었다 또한 반사손실은(Ripple) 025 ~ 04dB NonAdjacent
에서는 약 로 측정되었으며 에서는Channel 02 ~ 03dB Adj Channel 04 ~
로 측정되었다06dB
나( ) PBW 05dB
패스밴드는 약 로 필터만의 특성보다 다소 좁아졌지만 이는 워킹022 ~ 024
패스밴드인 보다 약 넓다+- 006 01
다 아이솔레이션( ) (Channel IsolationampExpress Isolation)
이웃채널 패스밴드내에서 측정되는 투과손실 은 약 이상 또(Adj Isolation) 38dB
한 은 이상 측정되었다Non-Adj Isolation 50dB
표 광특성 측정 결과3-20 50 ADM
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 73 -
(2) Return Loss
단계Reference
단계Measurement
그림 측정 시스템 개략도3-40 Return Loss
표 측정결과3-21 Return Loss
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 74 -
(3) Polarization Dependent Loss( PDL)
그림 측정 시스템 개략도3-41 PDL
표 측정결과3-22 Polarization Dependent Loss(PDL)
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 75 -
나 온도 특성
의 삽입손실 온도특성 을 평가하고자 상온 고온50 ADM (Thermal Loss Stability)
및 저온 에서 측정하였다(65 ) (-5 )
그림 온도특성 측정 시스템 개략도3-42
그림 온도특성 평가를 위한 온도 및 측정포인트3-43
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 76 -
그림 투과 및 반사 삽입손실 온도 특성 측정결과3-44
그림 투과 파장 온도 특성 측정결과3-45
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 77 -
제 절4 50 개발4-channel MUXDeMUX
제작1 MUXDeMUX
가 구성도 4-Channel
패키징이 완료된 을 적용하여 를 제작하였으며 그 구성은 다음과50 ADM DeMUX
같다
그림 구성도3-46 50 4CH MUXDeMUX
구성된 단품은 특성상 손실뿐만 아니라 온도특성 등이 매50 MUXDeMUX CWL
우 중요하다 이는 단품보다 는 이들의 조합으로 이루어지므로 구성 시 단품의 MUX
광특성 및 온도특성이 고려되어야 한다 본 연구에서 적용한 의 단품들의 광특 ADM
성은 표 과 같다3-23
표 구성용 단품들의 광특성3-23 4CH MUXDeMUX
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 78 -
나 광특성 및 온도특성
표 는 의 상온 및 고온 저온 의 측정 결과로 온3-24 4CH MUXDeMUX (65 ) (-5 )
도특성이 매우 우수하다 구성된 단품들의 광특성에서 예측된 손실보다 약 03 ~
의 손실 이득을 기대할 수 있으며 이는 단품의 반사특성이 인접 채널 패스05 dB
밴드 보다 다른 채널 패스밴드에서 약 의 파장 특성 손실이(Adj Ch) 01 ~ 015 dB
득을 갖고 있기 때문이다 즉 특성상 가 정확할수록 광 50 ADM CWL Accuracy
특성 즉 광손실 및 아이솔레이션 등에 유리함을 알 수 있다
표 광스펙트럼 측정결과3-24 4ch MUXDeMUX
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 79 -
그림 광스펙트럼 상온3-47 50 4CH DeMUX ( )
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 80 -
내부(a)
외부(b)
사진 완제품3-3 4CH 50 MUX
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 81 -
제 장 개발 기술 비교 평가 및 결론4
제 절 개발 기술 비교 평가1
본 연구 과제의 개발 기술 결과를 평가하기 위하여 다음과 같이 기술개발 계획서상
의 각 항목들을 선진 경쟁업체와 비교하여 보았다
차년도 개발1 1
목표 기술개발 50 NBPF(Narrow Band Pass Filter) Optical Coating
기간 20018 ~ 20027
차년도 개발2 2
목표 광분배기 개발 공정기술 개발 (ADM MUX DeMUX) Packaging
기간 20028 ~ 20037
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 82 -
개발초기에 시장의 폭발적인 수요예측과는 달리 장기 경기불황으로 인한- DWDM
광통신 시장의 극심한 침체로 신기술 개발 및 제품 양산이 자리를 잡지 못하고 있
다 따라서 필터 및 의 제품출시는 여러 경쟁사가 제시하고 있으나 경쟁 50 ADM
사별 사양관련 표준화가 아직 이루어지지 않고 있는 실정이다
용 필터 가공시 발생되는 변형을 제어하기 위하여 기판 의 재료 선- DWDM (Wafer)
택 및 형상설계 그리고 후가공 공정 방안을 연구하여 박막 증착시 필연적으로 발
생하는 응력의 원인을 검토하고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 재료두께 후가
공 조건 등의 최적화를 통하여 기판의 굽힘 을 최소화하였으며 이로부터(Bending)
칩핑 문제점을 개선할 수 있었다(Chipping)
일반 필터의 크기인 로 필터를 가공할 경우- DWDM 14times14times10~12( ) 50
일반 필터 제조 공정에서 발생되는 코팅막 스트레스로 인하여 필터코팅의 성능 변
화를 확인할 수 있었다 또한 이러한 코팅막의 변형은 패키징 공정 및 완제품에서
도 광특성의 불안정성을 확인할 수 있었다 현재 경쟁사는 필터 크기를 23 times 23
로 크게 함으로써 이러한 문제점을 해결하고 있으며 이는 필터 가times 19( ) 50
격 경쟁력에 한계를 가지고 있다 따라서 가격경쟁력 및 생산성을 확보하기 위하여
필터코팅의 최적화 및 가공기술의 지속적인 개발이 필요한 것으로 판단된다
패키징 최적화를 위하여 당사에서는 지속적인 실험을 수행하였으며- 50 ADM
이로부터 패키징 구조 개선 부품 선별 투입 등을 통하여 패키징 공정을 50 ADM
개발하였다 또한 원가절감을 위한 적용 패키징 기술을 개발하 C-Lens Collimator
였으며 추가적으로 를 개발 및 적용함으로써 복합화Multi-Port Collimator WDM
를 구현할 수 있는 패키징 기술을 확보 할 수 있었다(lntegration)
본 과제를 수행한 결과로부터 당사에서 발표한 논문 및 출원중인 특허내역은 다음
과 같다
논문 발표 내역 총 편- 4
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편1 2002 3
박막필터를 이용한 최적화 설계를 위한 실험적 연구1) MUXDeMUX
방식을 적용한 의 개발2) Multi-Port Compact OADM
광통신 박막필터의 잔류응력 완화에 대한 연구3) DWDM
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 83 -
년도 한국통신학회 하계종합학술대회 편2 2003 1
세대와 세대 무선망 통합을 위한 광선로 공유모듈 개발1) 2 3
특허 출원 내역 총 건- 3
광접속 장치 및 그 제조방법 그리고 광접속장치 및 광전달장치1
출원번호- 10-2001-0085495
다중 입출력광전송로 및 다수의 필터를 갖는 광삽입추출기2
출원번호- 10-2002-0083686
응력완화를 위한 박막형 필터 가공 방법3
출원번호- 10-2003-0060477
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 84 -
제 절 결론2
박막필터를 이용한 수동 광소자 패키징 기술을 개발하여 다음과50 50 ADM
같은 결론을 얻었다
박막필터 제작을 위한 필터코팅 설계 및 가공 기술을 개발하였다1 50
및 적용 등 다양한 패키징 기술을 개2 C-Lens Collimator Multi-Port Collimator
발하여 복합화 기술의 기반을 확보하였다(Integration)
패키징을 위한 구조 설계 및 공정 기술을 개발하였다3 50 WDM
수동형 필터 측정 시스템을 설계 및 제작하여 광필터 측정 시 고려해야할 광특4
성 및 기구적 요구사항 등을 연구하였으며 이로부터 자동형 측정 시스템을 구성하
고 설계할 수 있었다
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 85 -
참고 문현
손병태[1] 外 광통신공학 광문각 (2000) p154
이상수[2] 기하광학 교학연구사 (1985) p58
[3] MIL-HDBK-141 Optical Design 1962 chapter2-3
[4] HA Macleod Thin-Film Optical Filters Macmillan Publishing Company
[5] Contact DWDM Vol39 No5日本光技術 用 光通信 光學多層膜
황보창권[6] 박막광학 다성출판사 2001
[7] Ennos A E Stress developed in optical film coating Appl Opt 5 51 ~
61 1966
[8] Heavens O S and Smith S D Dielectric thin film J Opt Soc Am 47
469-472 1957
김명진 임영민 석호준 김선관[9] ldquo박막간섭필터를 이용한 채널간격의200 파
장분할다중소자 제 회 광전자 및 광통신 학술대회 논문집 7 pp35~36
[10] Dennis Derickson Fiber Optic Test and Measurement Prentice Hall
박승우 이영일 유종백 임대순 정태산 박막필터를 이용한[11] ldquo MUXDeMUX
최적화 설계를 위한 실험적 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문 초 2002
록집 pp288
윤학구 이호도 김종천 송영진 김상배 방식을 적용한[12] ldquoMulti-Port Compact
의 개발 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집OADM 2002 pp293
윤정훈 고진숙 이재일 최철민 황보창권 광통신 박막필터의 잔류[13] DWDM
응력 완화에 대한 연구 년 한국통신학회 하계종합학술대회 논문초록집ldquo 2002
pp298
박승우 윤학구 김경훈 함형석 정종민 손용숙 세대와 세대 무선당 통[14] 2 3
합을 위한 광선로 공유모듈 개발 한국통신학회 년 하계종합학술대회 논문 초ldquo 2003
록집 pp95
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 86 -
부록 1
QUALITY INSPECTION REPORT (Without Connector)
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 87 -
부록 2
QUALITY INSPECTION REPORT (Demux Without Connector)
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 88 -
부록 3
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 89 -
부록 4
광 필터 측정 시스템 개략도1)
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 90 -
광 필터 측정 시스템2) Flow Chart
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-
- 91 -
- 제 1 장 서론
-
- 제1절 개발 목적 및 중요성
- 제2절 국내외 관련기술의 현황
- 제3절 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안
-
- 제 2 장 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 수동소자 기술
-
- 제1절 WDM 구현 기술 및 특성
- 제2절 TFF(Thin Film Filter) WDM
- 제3절 TFF(Thin Film Filter) WDM 기본 사양
- 제4절 DWDM용 Optic Filter 디자인 개요
-
- 제3장 50 광분배기(ADM) 및 MUXDeMUX 개발
-
- 제1절 50 Optic Filter Coating 기술개발
- 제2절 ADM Packaging 기술 개발
- 제3절 50 ADM 평가
- 제4절 50 4-channel MUXDeMUX 개발
-
- 제4장 개발 기술 비교 평가 및 결론
-
- 제1절 개발 기술 비교 평가
- 제2절 결론
-
- 참고 문현
- 부록 1 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 2 QUALITY INSPECTION REPORT
- 부록 3
- 부록 4
-