[논문]다층 박막을 이용한 패럴 단면의 무반사 코팅 설계 및 특성

기현철; 양명학; 김선훈; 김태언; 김회종; 구할본

doi:10.4313/jkem.2007.20.11.991

다층 박막을 이용한 패럴 단면의 무반사 코팅 설계 및 특성
Design and Characteristics of Anti-reflection Coating using Multi-layer Thin Film on the Ferrule Facet 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.20 no.11, 2007년, pp.991 - 994

기현철 (한국광기술원 광응용연구사업부 광소자팀) , 양명학 (한국광기술원 광응용연구사업부 광소자팀) , 김선훈 (한국광기술원 광응용연구사업부 광소자팀) , 김태언 (한국광기술원 광응용연구사업부 광소자팀) , 김회종 (한국광기술원 광응용연구사업부 광소자팀) , 구할본 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have designed the anti-reflection(AR) coating for $1400{\sim}1600$ nm wavelength range on the ferrule facet of optical connector. The low-temperature ion-assisted deposition was applied to AR coating on the ferrule facet in order to avoid damage of optical connector. We have measured the refractive index of coating film($Ta_2O_5\;and\;SiO_2$) using the ellipsometer and optimized the film thickness using the SEM and thickness measurement equipment. UV-VIS-NIR spectrophotometer is used to measure transmissivity of the AR coated ferrule facet. The refractive index of $Ta_2O_5\;and\;SiO_2$ is $2.123{\sim}2.125$ and $1.44{\sim}1.442$, respectively, for $1400{\sim}1600$ nm wavelength range. The transmissivity of the AR coated ferule facet is more than 99.8 % for $1425{\sim}1575$ nm wavelength range and more than 99.5 % for $1400{\sim}1600$ nm wavelength range. The return loss of the AR coated ferrule facet is 30.1 dB.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

그림 1은 설계한 박막의 simulation 결과이다. 각층의 광학적 두께를 최적화하면서 무반사 코팅 박막을 설계하였다. 설계된 박막을 사용파장영역에서 simulation한 결과 투과율이 99.
그리고 광대역의 주파수영역에서 사용하기 위한 Broadband 다층막 설계기술을 적용하였고, 완성제품인 패럴의 외부적인 손상이 되지 않는 상태에서코팅을 시행하기 위해서 45 ℃이하에서 코팅박막을 증착하였다. 증착되어진 코팅막의 투과율은 1425~1575 nm에서 99.
수행하였다. 또한 실제 광커넥터에 무반사코팅막을 증착하여 광커넥터의 반사손실(Returnass) 을 측정하였고, 무반사 코팅 시 BK7 glass를장착하여 증착되어진 무반사 코팅 박막의 물리적특성 및 광학적 특성을 분석하였다.
무반사 다층 박막의 투과율을 측정하기 위하여 High resolution UV-VIS-NIR spectrophotometer (Varian, Cary500Scan)로 측정하였다.
본 논문에서는 광커넥터의 저반사를 실현하기위하여 무반사 다층 박막을 설계하였고 광파이버의 물리적 손상과 박막의 밀착도를 향상시키기 위해서 저온에서 이온빔 보조 장치를 이용하여 무반사코팅을 수행하였다. 또한 실제 광커넥터에 무반사코팅막을 증착하여 광커넥터의 반사손실(Returnass) 을 측정하였고, 무반사 코팅 시 BK7 glass를장착하여 증착되어진 무반사 코팅 박막의 물리적특성 및 광학적 특성을 분석하였다.
증착되어진 SiO₂ 와 TazCte 박막의 평탄정도를 SEM(Hitachi, S-4700)으로 확인하였고 두께 측정은 Thickness measurement system으로 측정하였으며 굴절률은 Ellipsometer(Horiba, UVIS EL HR 460)를 이용하여 측정하였다. 그림 3은 45 ℃에서증착되어진 SiO₂, TaKh의 SEM 사진이다.
5 %이상에 특성이필요하다. 파장대역이 광대역이므로 TazOe/SiCh를 1짝(pair) 10층으로 Broadband 다층 코팅 박막으로 설계하였다. 그림 1은 설계한 박막의 simulation 결과이다.

대상 데이터

굴절률을측정하기 위하여 SiO₂와 Ta2O₅를 각각 Si wafer위에 증착하였다. 증착 시 온도 조건 및 Ion의 투입량은 다층막의 증착조건과 동일하게 하였다.
본 논문에서는 무반사 코팅막 설계전 증착물질을 Ta2Os/SiO₂로 선정하였다. TazQ는 다층박막에서 굴절률이 적은 SiO₂와 한 짝을 이루는 고굴절률 박막으로 많이 사용되고 있다.
SiO2 는 200~ 4, 500 nm의 넓은 영역에서 투과하며 굴절률이 낮으며 내구성이 높고 외부환경에 강해 무반사 코팅에 사용되고 있다[3]. 실제 사용되는 광커넥터의 필요투과특성은 1425~1575 nm영역에서 99.8 % 이상, 1400~1600 nm에서 99.5 %이상에 특성이필요하다. 파장대역이 광대역이므로 TazOe/SiCh를 1짝(pair) 10층으로 Broadband 다층 코팅 박막으로 설계하였다.

이론/모형

3 dB 향상됨을 알 수 있었다. 패럴과 무반사 코팅막의 밀착도 측정은 100 ℃를 유지하면서 1시간동안 코팅 시 장착한 BK7 glass의 넌F므!" Boiling test방법을 이용하였다. 그림 7은 Boiling test 방법과 test 후에 BK7 glass의 무반사 코팅 벌/므/이다.

성능/효과

그림 3은 45 ℃에서증착되어진 SiO₂, TaKh의 SEM 사진이다. SiC)2와 TazCte코팅 박막의 균일함과 조밀함을 확인할 수 있었다. 이온 보조 방식으로 증착되어진 박막은 주입되어진 이온이 연쇄적으로 표면 근처의 원자와충돌하여 원자를 산란시켜 빈자리를 만들고 그 빈자리에 새로 주입되는 원자의 일부가 그 부분을채움으로써 조밀도를 증가시키게 되어진다[6].
SiC》박막의 굴절률은 200-1600 nm에서 1.44-1.53까지 변화하며 사용파장 대역인 1400~1600 nm에서는 L44~ 1.442이였으며 TazCte박막의 굴절률은 2.121 ~2.7까지 변화하며 사용 파장대역 에서는 2.123~2.125로 변화가 거의 없음을 확인할 수 있었다. 유전체박막의 굴절률은 증착방법, 증착온도, 증착시 이온 주입량 등에 영향을 받을 수가 있다.
E-Beam방식으로 증착한 박막의 굴절률은 기판 온도에 영향을 받을 수 있으나 이온 보조 증착을 장착한 E-beame 실온에서도 이온의 주입량의조절로 굴절률을 증가시키거나 안정시킬 수 있다. [7], 본 논문에서 사용한 두 물질의 굴절률이 45 ℃에서 안정된 굴절률 값을 얻을 수 있었던 것은이온 보조 증착의 이온주입량으로 굴절률을 안정시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
무반사 코팅 후 FC connector에서는 11.6 dB, capillary에서는 7.3 dB 향상됨을 알 수 있었다. 패럴과 무반사 코팅막의 밀착도 측정은 100 ℃를 유지하면서 1시간동안 코팅 시 장착한 BK7 glass의 넌F므!" Boiling test방법을 이용하였다.
8 % 보다 높은 결과를 얻을 수 있었다. 본 논문에서 설계한 무반사 다층 박막의 최적의 무반사 박막으로 설계되었음을 확인할 수 있었다.
본 논문에서 설계한 무반사 다층 코팅 박막을실제 제품에 적용하여 광커넥터의 반사손실이 7.3 dB이상 향상되는 것을 확인할 수 있었으며 박리현상이 보이지 않음으로써 패럴에 증착되어진 무반사 박막이 광파이버의 코어를 보호할 수 있었다.
본 연구에서는 무반사 코팅 박막으로 사용할 물질을 광학박막에서 안정적인 특성을 가지고 있는 SiO2 와 Ta₂O₅를 선정하였고, 선정된 물질의 굴절률은 각각 1.44-1.442, 2.123~2.125로 사용파장내역에서 변화가 없는 것을 확인하였으며 무반사 코팅 박막 설계의 기초단계를 완성하였다.
각층의 광학적 두께를 최적화하면서 무반사 코팅 박막을 설계하였다. 설계된 박막을 사용파장영역에서 simulation한 결과 투과율이 99.8 % 보다 높은 결과를 얻을 수 있었다. 본 논문에서 설계한 무반사 다층 박막의 최적의 무반사 박막으로 설계되었음을 확인할 수 있었다.
그림 7은 Boiling test 방법과 test 후에 BK7 glass의 무반사 코팅 벌/므/이다. 저온에서 증착한 무반사 박막과 BK7 표면과의박리 현상이 나타나지 않음을 확인할 수 있었다. 이온 빔 으로 증착되어진 박막은 기둥 미세구조의 감소로 표면 거칠기가 줄어들며, 증착 전 이온빔으로 기판을 세척하여 부착력을 증가시키므로 박리현상이 나타나지 않는다.
증착하였다. 증착되어진 코팅막의 투과율은 1425~1575 nm에서 99.8 %이상, 1400~1600 nm에서는 99.5 %이상의 결과를 얻었다.
측정한 결과 값이다. 증착된 무반사 다층박막의 투과율은 1425~1575 nm에서 99.8 %이상, 1400-1600 nm에서는 99.5 %이상의 결과를 얻었다. 측정되어진 투과율을 앞에서 무반사 코팅막을 simulatiori한 결과 값과 거의 일치함을 볼 수 있었다.

참고문헌 (7)

P. J. Martin and R. P. Netterlield, 'Optical films produced by ion-based techniques', in Progress in Optics XXIII, E. Wolfd Ed., 1986
M. Lottiaux, 'Comparison of the properties of titanium dioxide films prepared by various techniques', Thin Solid Films, Vol. 179, p. 107, 1989
P. G. Pai, 'Infrared spectroscopic study of SiOx films produced by plasma enhanced chemical vapor deposition', Appl. Opt., Vol. 28, p. 5545, 1996
U. J. Gibson, 'Ion-beam method for optical thin films', Physics of Thin film, Vol. 13, 1987
P. J. Martin, 'Ion-based methods for optical thin film deposition', J. Mat. Sci., Vol. 21 p. 1, 1986

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K. H. Mueller, 'Model for ion-assisted thin film densification', J. Appl. Phys., Vol. 59, p. 2803, 1986

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Y. Fujiwara, N. Toyoda, K. Mochiji, T. Mitamura, and I. yamada, Nuclear Instrument and methods in Physics Research Section B: 'Beam interactions with materials and atoms', Vol. 206, p. 870, 2003

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