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문제 정의
- 본 논문에서는 기존의 비대칭형 Y-분리기가 가지는 단점을 개선하고자 출력 도파로의 한쪽 폭을 변화시켜 다양한 광파워 분리비를 갖는 비대칭형 Y-분리기를 BK7 유리에 Ag+-Na+ 이온교환법을 이용하여 제작하였다. PD-BPM을 이용하여 한쪽 출력 도파로의 폭에 따라 다양한 출력 파워를 얻을 수 있는 비대칭형 Y-분리기의 도파특성을 살펴보았다.
가설 설정
- 일반적으로 테이퍼 영역의 길이가 길어질수록 약간의 손실이 증가하는 경향이 있으며 비대칭형 Y-분리기 경우는 테이퍼 모양과 길이에 따라서 출력 광파워비가 크게 변화하는 특성을 갖는다.[2] 두번째는 두 출력 도파로의 분리각이 가장 큰 영향을 주게 된다. 분리각이 크면 출력단의 두 출력 도파로에 광이 완전히 구속되지 못하고 방사되는 양이 증가하여 결과적으로 Y-분리기의 손실을 증가시키게 된다.
제안 방법
- 그림 5(a)는 대칭형 Y-분리기로 50:50의 파워 분리기로 사용되며 그림 5(b)와 (c)는 출력 파워를 다르게 할 수 있는 비대칭형의 Y-분리기를 나타내고 있다. 그림 5(b)는 한쪽 출력 도파로의 분리각을 다르게 한 경우이며 그림 5(c)는 한쪽 출력 도파로 폭을 다른 비대칭형 Y-분리기를 나타내며 본 논문에서는 위 세 가지의 Y-분리기에 대한 모의실험을 하였다. 그리고 모의실험과 소자 제작에서는 그림 5와 같은 직선형의 Y-분리기를 사용하지 않고 산란손실을 줄이기 위해 곡선을 갖는 S형의 가지를 사용하였다.
- 이용하여 제작하였다. FD-BPM을 이용하여 한쪽 출력 도파로의 폭에 따라 다양한 출력 파워를 얻을 수 있는 비대칭형 Y-분리기의 도파특성을 살펴보았다. 그리고 이온교환에 의해 형성된 채널형 도파로의 굴절률 분포를 결정하고 채널형 도파로를 제작하여 도파로의 도파특성도 살펴보았다.
- 이용하여 제작하였다. PD-BPM을 이용하여 한쪽 출력 도파로의 폭에 따라 다양한 출력 파워를 얻을 수 있는 비대칭형 Y-분리기의 도파특성을 살펴보았다. 비대칭형 Y-분리기를 제작하기 전에 이온교환에 의해 형성된 채널형 도파로의 굴절률 분포를 결정하고 채널형 도파로를 제작하여 도파로의 도파특성을 살펴보았다.
- ① 기판세척 - 균일한 Al 박막을 형성하고 박막의 집착도를 향상시키기 위해서 BK7을 유기물 세척공정과 무기물 세척공정을 이용하여 세척하였다. ② Al 박막형성-세척이 끝난 BK7에 E-Beam 증착기를 사용하여 Al을 1000Å 두께로 증착했다.
- ③ 사진공정-Al 박막 형성 후 패턴형성을 하기 위하여 AZ4562 감광제로 스핀코팅을 하였다. 감광제가 유동성이기 때문에 이 속에 포함된 휘발성 물질을 제거하고 감광제를 Al 박막에 고착하기 위하여 실온에서 5분간 Pre-Baking을 하였고 90°C에서 20분간 Soft Baking 작업을 하였다. Baking 공정이 끝난 기판 위에 마스크를 위치시키고 30초간 자외선 노광을 실시하여 기판에 패턴을 형성시켰다.
- 결과적으로 도파로 폭의 변화에 따른 출력 변화는 분리각에 따른 결과와 비교해 볼 때 손실이 적고 비교적 쉽게 도파로 폭만을 변화시켜 원하는 출력 파워비를 얻을 수 있다. 그러므로 본 논문에서는 각도 변화에 따른 비대칭형 Y-분리기는 제작하지 않고 출력 도파로 폭이 다른 비대칭형 Y-분리기만을 제작하였다. 그리고 Y-분리기는 단일 모드만을 여기시키는 조건이라면 파장에 거의 무관하게 동작하기 때문에 비대칭형 Y-분리기의 파장에 대한 출력 특성은 생략하였다.
- 그림 5(b)는 한쪽 출력 도파로의 분리각을 다르게 한 경우이며 그림 5(c)는 한쪽 출력 도파로 폭을 다른 비대칭형 Y-분리기를 나타내며 본 논문에서는 위 세 가지의 Y-분리기에 대한 모의실험을 하였다. 그리고 모의실험과 소자 제작에서는 그림 5와 같은 직선형의 Y-분리기를 사용하지 않고 산란손실을 줄이기 위해 곡선을 갖는 S형의 가지를 사용하였다.
- FD-BPM을 이용하여 한쪽 출력 도파로의 폭에 따라 다양한 출력 파워를 얻을 수 있는 비대칭형 Y-분리기의 도파특성을 살펴보았다. 그리고 이온교환에 의해 형성된 채널형 도파로의 굴절률 분포를 결정하고 채널형 도파로를 제작하여 도파로의 도파특성도 살펴보았다. 출력단의 한 쪽 도파로 폭를 변화시키면서 다양한 파워비의 비대칭형 Y-분리기를 제작하였다.
- 6328 µm He-Ne 레이저는 시준을 위해서 사용하였다. 도파된 광은 IR-CCD(Electrophysics의 model 7290A)를 사용하여 출력 모드를 측정하였으며 연결된 컴퓨터를 이용하여 출력 모드와 출력 파워를 측정하였다.
- 여기에서 ●은 위쪽 도파로의 출력파워를 ■는 아래쪽 도파로의 출력파워를 그리고 ▲는 입력 파워와 총출력 파워의 비를 나타낸다. 분리각은 손실이 적고 소자의 크기를 짧게 제작할 수 있도록 1°로 고정하였으며, 위쪽 출력 도파로 폭과 입력단 도파로 폭은 6 ㎛하고 아래쪽 출력 도파로 폭을 3~6㎛까지 증가시켰다. 그림 7에서 50:50의 광파워 분리비는 위쪽 출력 도파로 폭과 아래쪽 출력단 도파로 폭이 6 ㎛로 같은 경우에 얻을 수 있으며, 임의의 출력 파워비는 비대칭형 Y-분리기의 아래쪽 출력 도파로의 폭을 적절히 조절하면 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
- PD-BPM을 이용하여 한쪽 출력 도파로의 폭에 따라 다양한 출력 파워를 얻을 수 있는 비대칭형 Y-분리기의 도파특성을 살펴보았다. 비대칭형 Y-분리기를 제작하기 전에 이온교환에 의해 형성된 채널형 도파로의 굴절률 분포를 결정하고 채널형 도파로를 제작하여 도파로의 도파특성을 살펴보았다.
- 채널형 도파로의 경우는 평판형 도파로에 비하여 염액과 접촉하는 면적이 적기 때문에 확산 깊이도 영향을 받게 된다. 이온 교환 도파로의 경우 확산 깊이에 대한 확산폭의 비가 2.5~3배가 되기[11] 때문에 본 논문에서 마스크 폭 WM에 따른 유효확산 반폭 Wi를 식 ⑶과 같이 결정하였다.
- 채널형 도파로와 비대칭형 Y-분리기의 도파 특성을 측정하기 위하여 그림 9와 같은 측정 시스템을 이용하여 도파 모드를 측정하였다. 광원으로는 출력 파장이 0.
- 5004로써 파장이 길어지면 굴절률은 감소하게 된다. 최대 굴절률 변화 값 △n(λ)은 이온교환시 이온의 농도가 일정하면 동작 파장 영역에서는 상수가 되기 때문에 평판형 도파로를 측정하여 얻은 값을 이용하였다. 유효 확산깊이 d는 식 (2)에서 얻은 값에 채널형 도파로에 대한 비례상수를 적용하였다.
- 그리고 이온교환에 의해 형성된 채널형 도파로의 굴절률 분포를 결정하고 채널형 도파로를 제작하여 도파로의 도파특성도 살펴보았다. 출력단의 한 쪽 도파로 폭를 변화시키면서 다양한 파워비의 비대칭형 Y-분리기를 제작하였다.
- 314[J/K]이며 K는 절대온도를 나타낸다. 평판형 도파로 제작[10]을 통하여 확산계수는 확산온도 340°C에서 0.355[㎛2/min]이며 또한 lnDe와 1/K의 관계곡선의 기울기 △H/R은 13206[m2/sec]로 결정하였다. 따라서 활성화 에너지는 1.
대상 데이터
- 58 µm 대역의 파장 가변 레이저를 사용하였다. 0.6328 µm He-Ne 레이저는 시준을 위해서 사용하였다. 도파된 광은 IR-CCD(Electrophysics의 model 7290A)를 사용하여 출력 모드를 측정하였으며 연결된 컴퓨터를 이용하여 출력 모드와 출력 파워를 측정하였다.
- 측정하였다. 광원으로는 출력 파장이 0.6328 µm He-Ne 레이저와 1.50~1.58 µm 대역의 파장 가변 레이저를 사용하였다. 0.
- 본 논문에서는 농도에 따른 굴절률의 변화를 정밀하게 제어할 수 있으며, 등방형의 특성을 가진 Ag+ 이온을 확산원으로 사용하였다. 그리고 기판 재료로는 가시광선 영역과 근적외선 영역에서 광학적 투과 특성이 우수하고 비교적 Na+ 이온 성분이 많이 함유된 BK7 유리를 사용하였다.[7]
- 선택이 필요하다고 할 수 있다. 본 논문에서는 농도에 따른 굴절률의 변화를 정밀하게 제어할 수 있으며, 등방형의 특성을 가진 Ag+ 이온을 확산원으로 사용하였다. 그리고 기판 재료로는 가시광선 영역과 근적외선 영역에서 광학적 투과 특성이 우수하고 비교적 Na+ 이온 성분이 많이 함유된 BK7 유리를 사용하였다.
이론/모형
- 출력 파워가 다른 비대칭형 Y-분리기 제작시 변수가 되는 분리각과 출력단 도파로 폭 변화에 따른 출력 특성을 FD-BPM법을 이용하여 모델링하였다. Y분리기의 손실에 영향을 미치는 중요한 요인은 크게 두 가지가 있다.
성능/효과
- 손실특성(▲)을 보면 아래쪽 출력 도파로 폭이 변해도 손실에는 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다. 결과적으로 도파로 폭의 변화에 따른 출력 변화는 분리각에 따른 결과와 비교해 볼 때 손실이 적고 비교적 쉽게 도파로 폭만을 변화시켜 원하는 출력 파워비를 얻을 수 있다. 그러므로 본 논문에서는 각도 변화에 따른 비대칭형 Y-분리기는 제작하지 않고 출력 도파로 폭이 다른 비대칭형 Y-분리기만을 제작하였다.
- 셋째 유리를 이용하여 도파로를 제작하므로 적은 전송 손실을 가진다. 넷째 기존의 단일 또는 다모드 광섬유와 구성성분이 비슷하므로 굴절률 차에 의한 접합 손실을 줄일 수 있다.[5,6]
- 그림 13은 모델링 결과와 측정결과를 비교한 것으로 실선은 그림 7의 모델링 결과를 나타낸다. 두 출력 도파로의 폭이 같은 대칭형의 경우는 정확히 모델링 결과와 일치를 하지만, 비대칭의 Y-분리기의 경우는 모델링 결과와 다소 오차가 있음을 확인할 수 있다. 이러한 오차는 결과는 제작 공정 중 사진공정과 이온교환 과정에서의 나타날 수 있는 공정 오차에 기인한 것으로 생각되며, 실험결과 한쪽 도파로의 폭을 변화시켜 다양한 광파워 분리비를 갖는 비대칭형 Y-분리기를 Ag+-Na+ 이온교환법을 이용하여 제작할 수 있음을 확인하였다.
- 첫째 제작 변수(온도, 농도, 시간)에 대한 선택이 다양하게 이루어질 수 있으므로, 다양한 응용에 최적화가 가능하다. 둘째 공정이 간단하고, 다량의 일괄 처리가 가능하므로 대량 생산을 통한 소자의 저가화가 가능하다. 셋째 유리를 이용하여 도파로를 제작하므로 적은 전송 손실을 가진다.
- 55 µm 파장에 대한 제작된 직선형 채널 도파로의 도파특성을 보였다. 모드 측정 결과 3-12 µm 도파로 폭에 대해 1.55 µm 파장에서는 모두 단일모드가 관찰되었으며 그림에서는 대표적인 결과만을 보였다. 0.
- 두 출력 도파로의 폭이 같은 대칭형의 경우는 정확히 모델링 결과와 일치를 하지만, 비대칭의 Y-분리기의 경우는 모델링 결과와 다소 오차가 있음을 확인할 수 있다. 이러한 오차는 결과는 제작 공정 중 사진공정과 이온교환 과정에서의 나타날 수 있는 공정 오차에 기인한 것으로 생각되며, 실험결과 한쪽 도파로의 폭을 변화시켜 다양한 광파워 분리비를 갖는 비대칭형 Y-분리기를 Ag+-Na+ 이온교환법을 이용하여 제작할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 이온교환 공정을 유리 도파로 제작에 사용할 경우 다음과 같은 장점을 가진다. 첫째 제작 변수(온도, 농도, 시간)에 대한 선택이 다양하게 이루어질 수 있으므로, 다양한 응용에 최적화가 가능하다. 둘째 공정이 간단하고, 다량의 일괄 처리가 가능하므로 대량 생산을 통한 소자의 저가화가 가능하다.
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