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문제 정의
- 본 실험에서는 간격에 관한 절대적 기준을 얻기 위해 탐침이 시료 표면과 접촉할 때까지 탐침을 시료 표면에 근접시키면서 수정 진동자로부터 얻은 신호가 어떻게 감소하는 지를 조사하였다. 이렇게 측정된 값과 실제 높이 제어과정에서 측정된 수정 진동자 신호를 상대 비교하여 현재 시료 표면과 탐침 사이의 간격이 얼마인 지를 간접적으로 유추하였다.
가설 설정
- 그러나 어떠한 수치 해석적 방법이라도 부분적인 근사를 포함하므로 이를 통해 소자의 전파 특성을 정확히 예측한다는 것은 쉽지 않다. 더욱이 실제 제작된 소자의 형상이 당초의 설계와 완벽히 일치한다는 것은 기대하기 어려우므로, 설계된 형상을 가정하는 수치 해석적 방법의 예측 결과는 실제소자의 특성과 일치할 수 없을 것이다. 따라서 보다 복잡하고 미세한 구조를 가지는 광자 소자의 연구 및 개발이 요구되고 있는 현실에서, 실제 제작된 소자의 특성을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있다.
- NSOM 탐침을 통해 검출되는 빛의 세기가 시료 표면에 형성된 에바네슨트 파의 세기에 비례한다면, 도파로의 코어와 클래딩의 경계면에 형성된 에바네슨트 파의 세기 분포를 직접 측정할 수 있으며, 이를 통해 도파로의 전파 특성을 파악할 수 있게 된다. 물론 탐침에 의해 에바네슨트 파의 분포가 교란될 수 있으므로, 엄밀하게는 식 (1)은 수정되어야 하지만, NSOM 탐침이 경계면에 아주 근접하지 않으며, 탐침이 매우 작다고 가정하여 본 연구에서는 이러한 효과를 고려하지 않았다.
제안 방법
- 이러한 연구들은 PMT (photomultiplier tube)를 검줄기로 사용할 수 있는 633 nm에서 830nm의 파장 영역에 대부분 집중되었으며, 광통신용 광원 파장에 해당하는 1550 nm파장 영역에 대한 연구는 반도체 도파로 연구를 제외하고는 거의 없는 형편이다.[1-4] 따라서, 본 연구에서는 NSOM을 이용한 광통신용 실리카 도파로 소자의 전파 특성에 관심을 갖고, 이에 적합한 NSOM 측정장치를 제작하였으며, 파장 1550 nm 영역에서 실리카 광 도파로 소자의 에바네슨트 파 분포를 측정하여 3D-FDBPM(3 Dimensional finite difference beam propagation method) 결과와 비교하여 보았다. 이러한 연구는 실질적으로 많이 사용되고 있는 광 통신용 광자 소자에 대한 연구에 쉽게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서 사용된 광 소자 측정용 NSOM 장치는 상술한 요구 조건을 만족시키도록 설계 되었다. 그림 1에 실험 장치의 개략도를 보였다.
- 광원으로부터 출력된 빛은 편광조절기를 통과한 후 편광유지 광섬유에 연결된 lens fiber를 이용하여 시료로 사용된 채널형 광 도파로에 결합한다. 광 도파로의 전파 특성을 측정하는 것이 목적이므로 빛을 도파로 측면으로부터 도파로 내로 결합(butt couplinge]키기 위해 광 도파로를 5축 정밀 결힙징"치 (precision 5 axis coupling system) 위에 장착하고 도파로 출력단을 적외선 카메라로 관찰하면서 정밀하게 정렬하였다. 이러한 시료 고정 장치는 매우 복잡한 구성을 가지며 측정과정에서 정렬상태가 유지되어야 하므로, NSOM 탐침이 3차원 방향으로 주사되는 방식을 채택하였으며, 이때 탐침을 주사하기 위하여 컴퓨터에 의하여 제어되는 PZT translator 를 이용하였다.
- 광 도파로의 전파 특성을 측정하는 것이 목적이므로 빛을 도파로 측면으로부터 도파로 내로 결합(butt couplinge]키기 위해 광 도파로를 5축 정밀 결힙징"치 (precision 5 axis coupling system) 위에 장착하고 도파로 출력단을 적외선 카메라로 관찰하면서 정밀하게 정렬하였다. 이러한 시료 고정 장치는 매우 복잡한 구성을 가지며 측정과정에서 정렬상태가 유지되어야 하므로, NSOM 탐침이 3차원 방향으로 주사되는 방식을 채택하였으며, 이때 탐침을 주사하기 위하여 컴퓨터에 의하여 제어되는 PZT translator 를 이용하였다. 사용된 탐침은 측면에 Al-CQ] 증착된 tapered optical fiber(Nanonic; Al/Cr-100)이며 그 구경은 100 nm이다.
- 사용된 탐침은 측면에 Al-CQ] 증착된 tapered optical fiber(Nanonic; Al/Cr-100)이며 그 구경은 100 nm이다. 일반적으로 높은 분해능을 얻기 위한 NSOM 탐침은 구경이 수십 nm 이지만 본 연구에서는 높은 분해능이 요구되지 않으며, 1550nm의 근적외선 레이저를 광원으로 사용하기 때문에 큰 구경의 탐침을 사용하여 검출신호의 세기를 높임으로써 PMT 를 사용하지 못하는 대신 IR 검출기(Newport; 818-IR를 사용할 수 있도록 하였다. 측정 과정에서 도파로에 입사하는 빛의 편광상태는 TM인 경우로 한정하였다.
- 본 연구에서 사용된 시료의 단차는 2)m 내외로 일반적인 NSOM측정시료에 비해 큰 불연속을 가진다. 따라서 탐침 손상을 막기 위해 높이제어에 관한 다양한 방넙들을 시험하고 적용할 수 있도록 수정 진동자로부터 얻은 신호를 바로 되먹임하는 회로를 구성하지 않고, 탐침을 일정 높이로부터 시료에 근접시키면서 측정된 shear force에 대한 정보를 컴퓨터로 비교하면서 제어하는 방식을 채택하였다. 물론 이로 인해 주사시간이 길어지는 단점은 있지만, 보다 정교한 거리제어를 할 수 있게 된다.
- 본 실험에서는 간격에 관한 절대적 기준을 얻기 위해 탐침이 시료 표면과 접촉할 때까지 탐침을 시료 표면에 근접시키면서 수정 진동자로부터 얻은 신호가 어떻게 감소하는 지를 조사하였다. 이렇게 측정된 값과 실제 높이 제어과정에서 측정된 수정 진동자 신호를 상대 비교하여 현재 시료 표면과 탐침 사이의 간격이 얼마인 지를 간접적으로 유추하였다. 물론 이러한 유추과정의 정확성은 광섬유 탐침과 수정진동자의 부착 상태, 부착 지점과 광섬유 탐침까지의 길이, 시료 표면 상태 등에 영향을 받을 수 있지만, 간격에 따른 shear force의 변화 경향으로 미루어 볼 때 5nm 이상의 오차가 발생되지 않는 것으로 판단된다.
- 먼저, NSOM 장치로 측정한 신호가 에바네슨트 파를 측정한 것인 지의 여부를 판별하기 위하여, 단일 모드 도파로의코어-클래딩 경계면과 탐침 사이의 거리 (z) 에 따른 측정 신호의 변화를 조사하였다. 만일 에바네슨트 파를 측정한 것이라면, 거리가 증가함에 따라 측정 신호는 지수 함수적으로 감소하는 경향을 보일 것이며, 진행파를 측정한 것이라면, 거리 변화에 대하여 측정 신호는 거의 변화하지 않을 것이다.
- 빛을 도파로 입력단의 코어로 입사시키는 과정 중에 일부의 빛이 코어 이외의 영역으로 전파될 수 있다. 그러므로 이러한 빛을 차단하기 위해 입력단 근방에 가리개를 설치하였으며, 빛이 입사한 위치로부터 약 20 mm 떨어진 지점에서 측정을 시도하였다. 빛의 측정은 도파로의 중심 축을 지나는 한 점(점 B)과 이 점을 중심으로 도파로의 횡 방향으로 좌우 각 한 점(점 A와 C)씩 모두 세 점에서 이루어졌다.
- 그러므로 이러한 빛을 차단하기 위해 입력단 근방에 가리개를 설치하였으며, 빛이 입사한 위치로부터 약 20 mm 떨어진 지점에서 측정을 시도하였다. 빛의 측정은 도파로의 중심 축을 지나는 한 점(점 B)과 이 점을 중심으로 도파로의 횡 방향으로 좌우 각 한 점(점 A와 C)씩 모두 세 점에서 이루어졌다. 빛의 세기는 도파로 중심점에서 가장 크게 측정되었고 좌우의 두 점은 이보다 작은 값으로 측정되었다.
- 다음으로 빛이 광 도파로를 따라 전파하는 과정에서 빛의 손실 및 모드 분포를 알아보기 위해 빛이 도파로에 입사하는지 점으로부터 10 mm에서 22 mm까지 2 mm 간격의 각 위치에서 탐침을 단일 모드 도파로의 횡 방향으로 주사하여 각 위치에서의 에바네슨트 파의 분포를 측정하였다.
- 광자 소자의 전파 특성을 직접 측정할 목적에서 측정용 NSOM 장치를 제작하였으며, 이를 이용하여 채널형 광 도파로 표면의 에바네슨트 파의 분포를 측정하였다. 파장 1550 nm에서 단일모드 광 도파로의 에바네슨트 파의 분포를 측정함으로써 도파 모드의 모드 분포와 전파 손실과 같은 전파 특성을 결정할 수 있었으며, 이는 수치해석 결과와도 일치하였다.
대상 데이터
- 이러한 시료 고정 장치는 매우 복잡한 구성을 가지며 측정과정에서 정렬상태가 유지되어야 하므로, NSOM 탐침이 3차원 방향으로 주사되는 방식을 채택하였으며, 이때 탐침을 주사하기 위하여 컴퓨터에 의하여 제어되는 PZT translator 를 이용하였다. 사용된 탐침은 측면에 Al-CQ] 증착된 tapered optical fiber(Nanonic; Al/Cr-100)이며 그 구경은 100 nm이다. 일반적으로 높은 분해능을 얻기 위한 NSOM 탐침은 구경이 수십 nm 이지만 본 연구에서는 높은 분해능이 요구되지 않으며, 1550nm의 근적외선 레이저를 광원으로 사용하기 때문에 큰 구경의 탐침을 사용하여 검출신호의 세기를 높임으로써 PMT 를 사용하지 못하는 대신 IR 검출기(Newport; 818-IR를 사용할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에 사용된 시료는 졸겔 (sol-gel) 방법으로 제작된 채널 형 실리카 광 도파로이며, 기판은 굴절률이 1.444(@1550)인 용융 석영이고, 도파로의 코어는 Zr이 첨가된 실리카로서 프리즘 커플러 (Metncon 2010)로 측정한 굴절률은 1.5007(@1550)이었다. 그림 2는 다중 모드 도파로의 형상을 주사전자 현미경과 NSOM 으로 각각 측정한 결과이다.
데이터처리
- 설명하였다. 4장에서는 NSOM측정장치를 이용하여 단일모드(single mode) 및 다중 모드(multimode) 광 도파로의 전파 특성을 조사하여 수치 해석 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 시료 표면과 탐침 사이의 거리제어에는 수정 진동자를 이용한 shear force feedback 방법[11-13]이 적용되었다. 본 연구에서 사용된 시료의 단차는 2)m 내외로 일반적인 NSOM측정시료에 비해 큰 불연속을 가진다.
성능/효과
- [1-4] 이 방법은 광자 소자의 연구에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다. NSOMe 광원 파장에 비하여 매우 작은 구경의 광섬유 탐침 (optical fiber probe)으로 시료 표면에 근접한 영역을 주사함으로써, 시료 표면 근방에 존재하는 에바네슨트 파 (evanescent wave)의 분포를 직접 측정할 수 있으며, 동시에 고전적인 광학현미경이 갖는 회절 한계를 뛰어넘는 높은 분해능을 얻을 수 있다.[5-6] 이러한 특성을 이용하면 광자 소자의 광 도파로표면에 형성되는 에바네슨트 파의 분포를 직접 측정하여 광도 파로의 모드 분포(mode profile)와 전파 특성을 결정할 수 있게 된다.
- 둘째, 광자 소자의 형상은 수백 혹은 수천 nm 이상의 큰 단차를 가지므로, 탐침 보호를 위해 정밀한 높이 제어 과정이 필요로 된다. 셋째, 외부 광원의 출력광을 광자 소자에 입력시켜야 하므로, 측정 과정에서 정렬상태가 정밀하게 유지되어야 한다. 그러므로 시료를 주사하는 방식 대신 탐침을 주사하는 방식이 적용되어야 할 것이다.
- 그림 2(b) 는 NSOM의 광섬유 탐침을 시료 표면과 약 25nma리로 유지하면서 도파로를 횡종 방향으로 주사하여 얻은 2차원 shear force image이고, 포함된 작은 그림은 도파로의 단면 구조를 나타낸다. 두 가지 측정 결과를 비교하여 시료 표면과 탐침 사이의 거리제어가 적절히 이루어짐을 확인할 수 있었다.
- 빛의 세기는 도파로 중심점에서 가장 크게 측정되었고 좌우의 두 점은 이보다 작은 값으로 측정되었다. 세 경우 모두 탐침과 시료 표면간의 거리가 60nm 이내인 범위에서는 측정 신호가 지수 함수적으로 감쇠하는 경향을 보였으며 이 구간의 측정값을 식 (2)에 곡선 맞춤 (curve fitting) 하여구한 감쇠 거리도 서로 일치되는 경향을 보였다. 그림에서 측정값은 위에 점선 형태로 그려진 직선들은 세 경우의 평균 감쇠 거리 112.
- 한편, 그림 4(c)는 동일 조건에 대해 전파과정에서 손실이 없다고 가정한 3D-FD BPM의 계산 결과이다. 측정 결과는 수치 해석결과와 마찬가지로 도파로의 코어 영역 내에서는 삼각함수 분포를 나타내고 있으며, 도파로의 양 경계로부터 멀어질수록 지수 함수적으로 감쇠하는 거동을 보이고 있다. 또한, 도파로 측면 경계에서 세기 분포의 불연속점이 있음을 확인할 수 있다.
- 측정 결과는 수치 해석결과와 마찬가지로 도파로의 코어 영역 내에서는 삼각함수 분포를 나타내고 있으며, 도파로의 양 경계로부터 멀어질수록 지수 함수적으로 감쇠하는 거동을 보이고 있다. 또한, 도파로 측면 경계에서 세기 분포의 불연속점이 있음을 확인할 수 있다. 다만, 그림 4(a)의 각 결과에 대한 곡선에서 잡음 성분들이 일부 나타나는데, 시료 표면의 미세한 오염 또는 형상의 결함에서 발생하는 산란과 높이 제어의 불확실성에 의한 것으로 생각된다.
- 한편, 그림 4(a)의 결과는 광 도파로 축을 따라 서로 다른 점에 대한 에바네슨트 파의 크기를 측정된 것이므로, 이로부터 광 도파로의 전파 손실을 결정할 수 있게 된다. 전파 손실은 각각의 곡선에 대하여 빛의 세기를 적분한 결과를 비교하여 결정해야 하지만, 측정된 지점에서의 모드 분포가 같은 모양을 가지므로 단순히 최고점의 값 만을 비교하여 전파 손실을 계산하였으며, 그 결과는 약 1.3dB/cm 이었다.
- 그림 4의 결과와 달리, 에바네슨트 파의 단면 분포가 도파로 축을 따라 변화하는 것으로 볼 수 있다. 이를 통해 측정된 도파로는 단일 모드가 아니라 다중 모드 도파로임을 알 수 있고, 간단한 모드 해석을 통해서도 이러한 구조를 갖는 채널형 실리카 도파로는 2개의 전파 모드가 존재하는 다중 모드 광 도파로임을 확인할 수 있었다.
- 표면의 에바네슨트 파의 분포를 측정하였다. 파장 1550 nm에서 단일모드 광 도파로의 에바네슨트 파의 분포를 측정함으로써 도파 모드의 모드 분포와 전파 손실과 같은 전파 특성을 결정할 수 있었으며, 이는 수치해석 결과와도 일치하였다. 또한, 다중모드 도파로에 대한 측정 결과로부터 다중모드도파로를 전파하는 모드들 사이의 간섭 현상을 직접 관찰할 수도 있었다.
- 파장 1550 nm에서 단일모드 광 도파로의 에바네슨트 파의 분포를 측정함으로써 도파 모드의 모드 분포와 전파 손실과 같은 전파 특성을 결정할 수 있었으며, 이는 수치해석 결과와도 일치하였다. 또한, 다중모드 도파로에 대한 측정 결과로부터 다중모드도파로를 전파하는 모드들 사이의 간섭 현상을 직접 관찰할 수도 있었다. 근적외선 영역에서 측정이 이루어졌기 때문에 검출기로 PMT 대신 IR 검출기를 사용할 수 밖에 없었다.
후속연구
- [1-4] 따라서, 본 연구에서는 NSOM을 이용한 광통신용 실리카 도파로 소자의 전파 특성에 관심을 갖고, 이에 적합한 NSOM 측정장치를 제작하였으며, 파장 1550 nm 영역에서 실리카 광 도파로 소자의 에바네슨트 파 분포를 측정하여 3D-FDBPM(3 Dimensional finite difference beam propagation method) 결과와 비교하여 보았다. 이러한 연구는 실질적으로 많이 사용되고 있는 광 통신용 광자 소자에 대한 연구에 쉽게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 전파 특성 즉, 전파 손실 및 모드 분포 등을 이해하기 위해 지금까지는 주로 수치 해석적 방법에 의존하거나, 도파로 줄력단에서의 near-field pattern을 관찰해 왔다. 그러나 도파로의 코어 (core) 및 클래딩 (cladding) 경계면에 형성되는 에바네슨트 파의 분포를 측정할 수 있다면, 도파로의 전파 특성을 파악할 수 있을 것이다.
- 전파되는 특징을 확인할 수 있다. 이러한 측정결과는 NSOM을 이용한 광자 소자의 특성연구가 다중모드 광 간섭 소자(Multi-Mode Interference Device:등의 특성을 직접 측정하는 경우에 활용될 수 있음을 보여준다.
- 이러한 측정방법을 활용하면 최근 활발히 연구되고 있는 마이크로 링 레이저 (micro ring Laser), 배열 도파로 소자(AWG), 다중모드 광 간섭소자(MMI), 방향성 결합기 (directional coupler), 광자 결정 소자(photonic crystal) 등, 다양한 광자 소자의 특성을 정량적으로 평가할 수 있게 될 것이며, 보다 정확한 광자 소자의 설계 및 연구 개발에 기여할 것으로 기대된다. 또한, 현재 다양하게 연구되고 있는 수 많은 수치 해석적 기법들에 대한 실제적인 검증 수단으로도 활용될 수 있을 것이다.
- 또한, 현재 다양하게 연구되고 있는 수 많은 수치 해석적 기법들에 대한 실제적인 검증 수단으로도 활용될 수 있을 것이다. 향후, 응용범위의 확대를 위해 시료의 종류에 따른 탐침의 접근 방법이 다양한 각도에서 연구되어야 할 것으로 보이며, 본 연구에 이어, 고체 상태의 클래딩을 갖는 경우, 코어 클래딩 경계의 에바네슨트 파의 분포를 NSOM으로 측정할 수 없음에 착안하여, 향후 고체 클래딩과 같은 굴절률의 유체를 코어에 도포한 경우에 대한 연구가 수행 중에 있다.
- 또한, 현재 다양하게 연구되고 있는 수 많은 수치 해석적 기법들에 대한 실제적인 검증 수단으로도 활용될 수 있을 것이다. 향후, 응용범위의 확대를 위해 시료의 종류에 따른 탐침의 접근 방법이 다양한 각도에서 연구되어야 할 것으로 보이며, 본 연구에 이어, 고체 상태의 클래딩을 갖는 경우, 코어 클래딩 경계의 에바네슨트 파의 분포를 NSOM으로 측정할 수 없음에 착안하여, 향후 고체 클래딩과 같은 굴절률의 유체를 코어에 도포한 경우에 대한 연구가 수행 중에 있다.
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