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문제 정의
- 이러한 이유로 이 기술은 광소자, 반도체, 디스플레이 등의 여러 분야에 활발하게 응용 되어 왔다[4,5]. 본 논문에서는 나노임프린트 방법을 이용한 폴리머 AWG 소자를 제안하고 구현하였다. 이 소자 경우에 슬랩 도파로와 도파로 배열 간의 저손실 연결을 위해 사용되는 테이퍼 구조 부분 등에서는 나노 스케일의 정밀도가 요구된다.
제안 방법
- 제안된 나노임프린트 방법은 기존의 방법과는 달리 식각공정 없이 간단한 스핀코팅과 임프린트 공정만으로 소자를 제작할 수 있기 때문에 대량생산에 매우 유리하다. 제안된 소자는 빔전파방법을 도입하여 설계하고 해석하였으며, 쿼츠 글래스로 만들어진 마스터 몰드로부터 임프린트용 PDMS 스탬프를 제작하여 소자 패턴 형성시 정교하고 균일한 접촉이 가능하며 폴리머층과의 분리가 용이하도록 하였다. 본 논문 구성을 살펴보면, 먼저 제안된 소자의 동작원리 및 설계과정에 대하여 논하고, 소자의 제작 및 특성의 측정을 고찰하고 마지막으로 결론을 맺는다.
- 제안된 소자는 빔전파방법을 도입하여 설계하고 해석하였으며, 쿼츠 글래스로 만들어진 마스터 몰드로부터 임프린트용 PDMS 스탬프를 제작하여 소자 패턴 형성시 정교하고 균일한 접촉이 가능하며 폴리머층과의 분리가 용이하도록 하였다. 본 논문 구성을 살펴보면, 먼저 제안된 소자의 동작원리 및 설계과정에 대하여 논하고, 소자의 제작 및 특성의 측정을 고찰하고 마지막으로 결론을 맺는다.
- 먼저 도파로에 입사된 광이 첫 번째 슬랩 도파로를 진행 한 후, 가우시안 광파워 분포를 가지면서 도파로 배열에 도달된다. 이때, 도파로 배열을 구성하는 도파로를 슬랩 도파 로에 자연스럽게 연결해주기 위해 도입된 테이퍼 영역을 통하여 광파워의 손실이 없이 각각의 도파로에 입력되도록 하였다. 각 도파로를 진행하는 광신호는 광파워의 손실없이 도 파로의 길이에 의해 주어지는 위상 변화만을 겪은 후 두 번째 슬랩도파로에 입력된다.
- 각 도파로를 진행하는 광신호는 광파워의 손실없이 도 파로의 길이에 의해 주어지는 위상 변화만을 겪은 후 두 번째 슬랩도파로에 입력된다. 두 번째 슬랩 도파로의 출력단에 연결된 채널 도파로들의 출력 광파워를 시뮬레이션 툴을 이용하여 얻었다.
- 그리고 슬랩 도파로의 초점거리는 7189㎛이다. 특히, 슬랩 도파로와 도파로 배열 사이의 경계에서 인접한 두 도파로 간의 간격이 넓으면 슬랩 도파로에서 도파로 배열로 전달되는 파워가 손실되기 때문에 각각의 도파로들이 슬랩 도파로와 만나는 부분을 1000 nm 길이 의 테이퍼 구조로 만들었다. 이 테이퍼 구조의 도입을 통하여 광파워 전달효율이 20% 정도 개선될 것으로 예상된다.
- 나노임프린트 방법으로 제안된 폴리머 소자를 제작 과정은 소자 패턴이 각인된 스탬프를 준비하여 이를 도포된 폴리머층에 눌러서 패턴을 전사하고, 그 위에 폴리머를 스핀코팅하여 완성한다. 제안된 폴리머 AWG 소자의 입.
- 기존의 나노임프린트 방법[5,6]의 경우처럼 도포된 폴리머층에 스탬프를 눌러서 하부클래딩에 패턴을 전사하고 폴리머를 스핀코팅하여 코어를 형성할 경우, 슬랩 도파로 영역의 코어 두께가 예상보다 너무 얇아지는 문제가 발생하게 된다. 슬랩도파로의 두께가 얇아지면 광손실이 급격하게 증가하는 문제가 유발되는데, 본 연구에서 마스터 쿼츠 몰드를 이용하여 기존의 나노임프린트 방법으로 소자를 제작함으로서 이러한 문제점을 직접 확인하였다. 본 논문에서는 이 문제점을 극복하기 위하여 마스터 쿼츠 몰드를 먼저 준비하고, 이 마스터 몰드 상의 도파로 패턴의 톤(tone)이 반전되어 형성된 PDMS 스탬프를 도입하여 소자를 제작하였다.
- 슬랩도파로의 두께가 얇아지면 광손실이 급격하게 증가하는 문제가 유발되는데, 본 연구에서 마스터 쿼츠 몰드를 이용하여 기존의 나노임프린트 방법으로 소자를 제작함으로서 이러한 문제점을 직접 확인하였다. 본 논문에서는 이 문제점을 극복하기 위하여 마스터 쿼츠 몰드를 먼저 준비하고, 이 마스터 몰드 상의 도파로 패턴의 톤(tone)이 반전되어 형성된 PDMS 스탬프를 도입하여 소자를 제작하였다. PDMS 물질은 광투과 특성이 우수하며, 고분자 재료에 대해 낮은 반응성과 계면 에너지를 갖고 있고 탄성이 좋아서 불균일한 표면에서도 균일한 접촉을 얻을 수 있고, 패턴의 왜곡없이 분리가 가능한 장점을 지니고 있다[8].
- 마스터 쿼츠 몰드 제작을 위하여 쿼츠 글래스 기판 위에 200nm 두께의 크롬(Cr)박막을 형성한다. 그 위에 포토 레지스트(photoresist: PR)를 스핀 코팅한 후, 마스크를 정렬하고 자외선을 조사함으로써 패턴을 형성한다. 그리고 RIE(reactive ion etching) 공정을 이용하여 크롬 박막을 선택적으로 식각한 후에 다시 쿼츠 기판을 5㎛ 깊이로 식각함으로써 소자 패턴을 형성하고 크롬을 제거하여 마스터 몰드를 완성한다.
- 다음으로 이 PDMS 스탬프를 이용한 소자의 제작 공정이 그림 4에 도시되어 있다. 실리콘 기판 위에 Chemoptics사의 자외선 경화용 폴리머 인 ZPU12-430(nmd=1.43)을 스핀 코팅(800 rpm, 30초)하고 질소 분위기에서 경화하여 10㎛ 두께의 하부클래딩을 형성 하였다. 코어와 클래딩 간의 접착력을 증가시키기 위하여 산 소를 이용한 애싱(ashing)공정(압력: 30 mTorr, 전력: 50 mW)을 실시하였다.
- 43)을 스핀 코팅(800 rpm, 30초)하고 질소 분위기에서 경화하여 10㎛ 두께의 하부클래딩을 형성 하였다. 코어와 클래딩 간의 접착력을 증가시키기 위하여 산 소를 이용한 애싱(ashing)공정(압력: 30 mTorr, 전력: 50 mW)을 실시하였다. 코어 형성을 위하여 PDMS 스탬프 위에 Chemoptics사의 자외선 경화 폴리머인 ZPU12-450 (#=1.
- 이때, 코어층의 슬랩 영역의 두께는 스탬프를 누르는 압력에 의해 결정된다. 다음으로 ZPU12-430 폴리머를 이용하여 하부클래딩과 유사하게 상부클래딩을 형성하였다. 마지막으로 광결합을 위하여 기판의 양쪽 단면을 절단하였다.
- 본 논문에서는 WDM 광통신 시스템 및 FTTH 시스템의 핵심 소자인 저가형의 폴리머 AWG형 광파장 역다중화기를 나노임프린트 방법을 이용하여 구현하였다. 쿼츠 글래스 기판에 마스터 몰드를 만들고 이로부터 PDMS 스탬프를 개발하여 소자 패턴을 형성하는데 사용하였다.
- 본 논문에서는 WDM 광통신 시스템 및 FTTH 시스템의 핵심 소자인 저가형의 폴리머 AWG형 광파장 역다중화기를 나노임프린트 방법을 이용하여 구현하였다. 쿼츠 글래스 기판에 마스터 몰드를 만들고 이로부터 PDMS 스탬프를 개발하여 소자 패턴을 형성하는데 사용하였다. AWG에 포함된 정교한 패턴을 재현하였으며, 성공적인 광파장 역다중화기 특성을 얻었다.
- AWG 소자는 진행 방향으로 구조의 변화가 매우 크기 때문에 기존의 빔전파방법으로 전체 구조를 해석하는 것이 불가능하다. 이러한 문제점을 고려하여 입력단과 출력단의 광의 진행 상황을 각 부분별로 구분하여 해석하는 방법을 사용하였는데, 구체적인 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 도파로에 입사된 광이 첫 번째 슬랩 도파로를 진행 한 후, 가우시안 광파워 분포를 가지면서 도파로 배열에 도달된다.
대상 데이터
- 위의 설계과정을 통하여 얻어진 AWG 소자의 구조 변수가 표 2에 정리되어 있다. 먼저 도파로 배열 부분의 구조를 살펴보면, 도파로 개수는 100개, 인접한 도파로 간의 경로차이는 89//m, 최소 도파로 길이는 13mm로 설계되었다. 여기서 도파로 배열의 도파로 개수가 증가함에 따라 출력단의 누화 및 대역통과 특성이 향상된다.
- 그림 3에는 임프린트용 PDMS 스탬프 제작 공정이 도시되어 있다. 마스터 쿼츠 몰드 제작을 위하여 쿼츠 글래스 기판 위에 200nm 두께의 크롬(Cr)박막을 형성한다. 그 위에 포토 레지스트(photoresist: PR)를 스핀 코팅한 후, 마스크를 정렬하고 자외선을 조사함으로써 패턴을 형성한다.
- 그리고 RIE(reactive ion etching) 공정을 이용하여 크롬 박막을 선택적으로 식각한 후에 다시 쿼츠 기판을 5㎛ 깊이로 식각함으로써 소자 패턴을 형성하고 크롬을 제거하여 마스터 몰드를 완성한다. 다음으로 실제 PDMS 스탬프를 제작하기 위해서 다우코닝사의 Sylgard-184 PDMS 베이스와 경화제를 질량비10:1의 비율로 혼합한 용액을 준비한다. 마스터 몰드 모서리에 배리어(barrier)를 형성하고 PDMS 용액을 붓는다.
이론/모형
- 8nm (100 GHz), 출력 채널 수는 8개이다. 주 어진 사양을 만족하는 소자를 설계하기 위하여 네덜란드 C2V사의 상용화된 빔전파방법 시뮬레이션 툴인 OlympIOs 를 사용하였다. AWG 소자는 진행 방향으로 구조의 변화가 매우 크기 때문에 기존의 빔전파방법으로 전체 구조를 해석하는 것이 불가능하다.
성능/효과
- 이 소자 경우에 슬랩 도파로와 도파로 배열 간의 저손실 연결을 위해 사용되는 테이퍼 구조 부분 등에서는 나노 스케일의 정밀도가 요구된다. 제안된 나노임프린트 방법은 기존의 방법과는 달리 식각공정 없이 간단한 스핀코팅과 임프린트 공정만으로 소자를 제작할 수 있기 때문에 대량생산에 매우 유리하다. 제안된 소자는 빔전파방법을 도입하여 설계하고 해석하였으며, 쿼츠 글래스로 만들어진 마스터 몰드로부터 임프린트용 PDMS 스탬프를 제작하여 소자 패턴 형성시 정교하고 균일한 접촉이 가능하며 폴리머층과의 분리가 용이하도록 하였다.
- 결과적으로 출력 도파로를 적절한 위치에 배치함으로써 입력 신호의 광파장에 따라 서로 다른 채널 도파로로 출력되도록 할 수 있다. 결과적으로 제안된 소자는 광파장에 따라 신호를 분리할 수 있는 광파장 역다중화기의 기능을 갖게 된다.
- 특히, 슬랩 도파로와 도파로 배열 사이의 경계에서 인접한 두 도파로 간의 간격이 넓으면 슬랩 도파로에서 도파로 배열로 전달되는 파워가 손실되기 때문에 각각의 도파로들이 슬랩 도파로와 만나는 부분을 1000 nm 길이 의 테이퍼 구조로 만들었다. 이 테이퍼 구조의 도입을 통하여 광파워 전달효율이 20% 정도 개선될 것으로 예상된다.
- 8nm 간격으로 존재함을 알 수 있다. 출력 채널의 평균적인 3 dB 통과 대역폭은 ~0.8nm였으며, 평균적인 채널의 누화는 ~10 dB였다. 그리고 TM 편광에 대해서도 TE 편광과 유사한 결과를 얻었으며, 다만 채널의 중심 파장이 ~0.
- 8nm였으며, 평균적인 채널의 누화는 ~10 dB였다. 그리고 TM 편광에 대해서도 TE 편광과 유사한 결과를 얻었으며, 다만 채널의 중심 파장이 ~0.4nm 정도 이동되어 있었다. 이것은 약 0.
- 본 논문에서 구현된 AWG 소자는 상대적으로 넓은 대역폶과 불균일한 누화 특성 등의 두 가지 문제점을 지니고 있다. 첫째로, 그림 7에서 알 수 있듯이 얻어진 출력 채널의 대역폭이 0.8nm로 비교적 크다. 이것은 주로 임프린트 공정상에서 발생되는 코어의 슬랩 영역에서의 잔여층의 두께 dr에 기 인한다.
- 이러한 슬랩 영역에서의 잔여층 문제를 극복하기 위해서는 열경화 솔-젤 물질을 이용한 방법[8] 등을 도입하거나, 코어층을 형성한 후에 추가적인 식각공정을 도입할 수 있을 것으로 사료된다. 둘째로, 불균일한 채널 누화 특성은 주로 도파로를 구성하는 폴리머 층 들의 두께가 불균일한 것에서 유발되는 위상 오차에 기인하다고 사료된다. 이 문제는 임프린트 공정을 최적화하여 소자가 형성되는 전체 면적에 대하여 균일한 폴리머층이 형성될 수 있도록 해야 할 것이다.
- 쿼츠 글래스 기판에 마스터 몰드를 만들고 이로부터 PDMS 스탬프를 개발하여 소자 패턴을 형성하는데 사용하였다. AWG에 포함된 정교한 패턴을 재현하였으며, 성공적인 광파장 역다중화기 특성을 얻었다.
후속연구
- 4nm로 감소함을 알 수 있다. 이러한 슬랩 영역에서의 잔여층 문제를 극복하기 위해서는 열경화 솔-젤 물질을 이용한 방법[8] 등을 도입하거나, 코어층을 형성한 후에 추가적인 식각공정을 도입할 수 있을 것으로 사료된다. 둘째로, 불균일한 채널 누화 특성은 주로 도파로를 구성하는 폴리머 층 들의 두께가 불균일한 것에서 유발되는 위상 오차에 기인하다고 사료된다.
- 이 문제는 임프린트 공정을 최적화하여 소자가 형성되는 전체 면적에 대하여 균일한 폴리머층이 형성될 수 있도록 해야 할 것이다. 또한, 코어와 클래딩 간의 굴절률 차이를 증가시켜 전체 소자의 크기를 줄임으로써 폴리머층의 두께 균일도를 향상시킬 수 있을 것이다.
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