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문제 정의
- 이렇게 펨토초 레이저를 이용하여 트렌치 및 채널을 가공 하였으며, 가공 형상 변화에 따라 크기 및 깊이 제어가 가능함을 확인 하였다. 이러한 가공 결과들을 바탕으로 펨토초 레이저 트렌치 가공 기술을 광도파로 소자에 적용해 보았다.
제안 방법
- 가공 방향은 Y축 방향으로 진행하였으며, 2μm 간격으로 X축 방향으로 이동해 가면서 가공하였다.
- 가공 선폭이 50, 60, 70μm를 가지며, 100, 120, 130μm의 깊이로 트렌치를 가공 하였다.
- 광도파로 소자에 트렌치를 가공하여 가공된 부분에 파장 필터를 삽입을 하여 특정파장만 반사시키는 실험을 진행하였다. 파장 반사 필터 삽입을 위하여 펨토초 레이저를 이용하여 50μm 선폭에 60μm의 깊이를 가지는 트렌치를 가공 하였으며, CO2 레이저를 이용한 가공 부위 연마는 적용하지 않았다.
- 또한, 500, 1000μm의 크기를 가지는 단일 채널 가공을 진행하였으며, 펨토초 레이저를 통해 가공된 채널의 거칠기를 제거하기 위해 CO2 레이저 연마 기술을 적용하였다.
- 가공 방향은 Y축 방향으로 진행하였으며, 2μm 간격으로 X축 방향으로 이동해 가면서 가공하였다. 또한, 가공 반복은 1회와 2회로 적용하였다.
- 본 연구에서는 펨토초 레이저를 사용하여 실리카 표면에 다양한 크기와 깊이를 가지는 트렌치 가공을 진행하였으며, 이를 통해 트렌치 형상제어 조건을 확인 하였다. 또한, 500, 1000μm의 크기를 가지는 단일 채널 가공을 진행하였으며, 펨토초 레이저를 통해 가공된 채널의 거칠기를 제거하기 위해 CO2 레이저 연마 기술을 적용하였다.
- 레이저를 이용하여 채널의 가공 면을 연마한 결과 눈에 띄게 거칠기가 제거됨을 확인 할 수 있었다. 이러한 레이저 가공 기술을 광 도파로 소자의 파장 반사 필터 삽입을 위한 트렌치 가공에 적용하였다. 하지만 본 논문에서는 광도파로 소자에는 CO2 레이저 연마기술을 적용하지 않았다.
- CO2 레이저 연마를 통해 채널 가공 부분의 거칠기가 눈에 띄게 줄어드는 것을 확인 하였다. 이러한 펨토초 레이저트렌치 가공 기술을 이용하여 광도파로 소자에 파장반사 필터 삽입을 위한 미세 트렌치를 가공하였으며, 그 특성을 확인 하였다.
- 채널의 폭은 500, 1000μm이며 가공 깊이는 50μm를 가지게 가공 하였다.
- 파장 반사 필터 삽입을 위하여 펨토초 레이저를 이용하여 50μm 선폭에 60μm의 깊이를 가지는 트렌치를 가공 하였으며, CO2 레이저를 이용한 가공 부위 연마는 적용하지 않았다.
- 펨토초 레이저를 이용하여 실리카 기판에 다양한 선폭과 깊이를 가지는 트렌치와 채널을 가공 하였다. 가공 선폭이 좁은 트렌치에 대해서 정밀 가공이 가능한 반복률 1kHz를 가지는 펨토초 레이저를 사용하였으며, 가공 폭이 상대적으로 큰 채널 가공을 위해서는 고속 가공이 가능한 100kHz의 펄스 반복률을 가지는 펨토초 레이저를 사용하였다.
대상 데이터
- Fig. 4는 실험에 사용된 CO2 레이저로 중심파장 10.6μm, 55W의 최대출력을 가지는 Coherent사의 CO2 레이저(모델명 : C-55L)을 사용하였다.
- 펨토초 레이저를 이용하여 실리카 기판에 다양한 선폭과 깊이를 가지는 트렌치와 채널을 가공 하였다. 가공 선폭이 좁은 트렌치에 대해서 정밀 가공이 가능한 반복률 1kHz를 가지는 펨토초 레이저를 사용하였으며, 가공 폭이 상대적으로 큰 채널 가공을 위해서는 고속 가공이 가능한 100kHz의 펄스 반복률을 가지는 펨토초 레이저를 사용하였다.
- 가공을 위하여 10배율(NA = 0.26)을 가지는 Objective lens를 사용하였으며, 5mm/s의 가공 속도 7.49μJ의 펄스 에너지를 사용하였다.
- 파장 반사 필터 삽입을 위하여 펨토초 레이저를 이용하여 50μm 선폭에 60μm의 깊이를 가지는 트렌치를 가공 하였으며, CO2 레이저를 이용한 가공 부위 연마는 적용하지 않았다. 광도파로 소자에 가공을 위하여 펄스 반복률이 100kHz를 가지는 펨토초 레이저를 사용하였다.
- 다양한 종류의 트렌치 및 채널과 광도파로 가공을 위하여 펨토초 레이저를 사용하였다. 실험에 사용된 레이저는 1 kHz와 100 kHz 반복률을 가지는 펨토초 레이저를 사용하였다.
- 또한 펄스 반복률이 100kHz를 가지는 펨토초 레이저는 LightCoversion사의 Yb:KGW 다이오드 펌핑 펨토초 레이저 시스템(모델명: Pharos)을 사용하였다. 이 펨토초 레이저는 1030nm의 중심파장, 250fs의 펄스폭과 평균 출력 6W를 가진다.
- 또한, 트렌치 보다 큰 채널 가공을 위하여 펄스 반복률이 100kHz를 가지는 펨토초 레이저를 사용하였다. 가공을 위하여 10배율(NA = 0.
- 다양한 종류의 트렌치 및 채널과 광도파로 가공을 위하여 펨토초 레이저를 사용하였다. 실험에 사용된 레이저는 1 kHz와 100 kHz 반복률을 가지는 펨토초 레이저를 사용하였다.
- 트렌치 가공을 위하여 실리카 표면에 펄스 반복률이 1kHz를 가지는 펨토초 레이저를 사용하였다.
- 펄스 반복률이 1kHz를 가지는 펨토초 레이저는 CyberLaser사의 Ti:Sapphire femtosecond laser (모델명 : IFRIT)이다. 이 펨토초 레이저의 사양은 785nm의 중심파장을 가지며, 185fs의 펄스폭을 가진다.
이론/모형
- 원하는 사양을 가지는 채널을 가공 하였지만, 채널 폭이 트렌치에 비해 넓어 가공 부위의 거칠기가 더욱 눈에 띄게 많음을 알 수 있었다. 이러한 가공 부분의 거칠기를 제거하기 위하여 CO2 레이저 연마 시스템을 이용하였다.
- 펨토초 레이저로 가공된 채널을 연마하기 위하여 scanner 가공 방식을 적용하였으며, f = 170mm를 가지는 f-theta scanning lens를 사용하였다. 레이저의 출력은 4.
성능/효과
- 또한, 500, 1000μm의 크기를 가지는 단일 채널 가공을 진행하였으며, 펨토초 레이저를 통해 가공된 채널의 거칠기를 제거하기 위해 CO2 레이저 연마 기술을 적용하였다. CO2 레이저 연마를 통해 채널 가공 부분의 거칠기가 눈에 띄게 줄어드는 것을 확인 하였다. 이러한 펨토초 레이저트렌치 가공 기술을 이용하여 광도파로 소자에 파장반사 필터 삽입을 위한 미세 트렌치를 가공하였으며, 그 특성을 확인 하였다.
- 8 그래프는 1645nm 반사 파장 필터를 삽입한 후, 1200nm-1700nm파장의 빛을 넣어 투과와 반사정도를 측정한 것이다. 그래프를 통해 확인 할 수 있듯이 삽입된 필터의 파장부근인 약 1610nm-1645nm에서 빛의 투과 량이 줄어들고 반사량이 증가함을 확인 할 수 있었다.
- 또한, CO2 레이저를 이용하여 채널 가공면의 거칠기를 제거하는 실험을 진행하였으며, CO2 레이저를 이용하여 채널의 가공 면을 연마한 결과 눈에 띄게 거칠기가 제거됨을 확인 할 수 있었다. 이러한 레이저 가공 기술을 광 도파로 소자의 파장 반사 필터 삽입을 위한 트렌치 가공에 적용하였다.
- 3은 펄스 반복률이 100kHz를 가지는 펨토초 레이저를 사용하여 가공한 채널을 광학 현미경과 confocal을 이용하여 측정한 이미지 이다. 원하는 사양을 가지는 채널을 가공 하였지만, 채널 폭이 트렌치에 비해 넓어 가공 부위의 거칠기가 더욱 눈에 띄게 많음을 알 수 있었다. 이러한 가공 부분의 거칠기를 제거하기 위하여 CO2 레이저 연마 시스템을 이용하였다.
- 이렇게 펨토초 레이저를 이용하여 트렌치 및 채널을 가공 하였으며, 가공 형상 변화에 따라 크기 및 깊이 제어가 가능함을 확인 하였다. 이러한 가공 결과들을 바탕으로 펨토초 레이저 트렌치 가공 기술을 광도파로 소자에 적용해 보았다.
- 하지만 본 논문에서는 광도파로 소자에는 CO2 레이저 연마기술을 적용하지 않았다. 펨토초 레이저를 이용하여 제작한 트렌치에 파장 반사 필터 삽입 결과 삽입된 필터의 파장부근인 약 1610nm-1645nm에서 투과 량이 감소함과 동시에 반사량이 증가함을 확인 할 수 있었다. 좁은 가공폭을 요구하는 광도파로 소자에 고속 가공에 유리한 100kHz의 반복률을 가지는 펨토초 레이저를 사용한 이유는 산업체 적용이 가능한 고속 레이저 가공 기술 개발을 위해 고반복률 펨토초 레이저를 적용한 것이며, 추후에 연마 전후의 특성에 대한 비교 연구를 진행할 것이다.
후속연구
- 펨토초 레이저를 이용하여 제작한 트렌치에 파장 반사 필터 삽입 결과 삽입된 필터의 파장부근인 약 1610nm-1645nm에서 투과 량이 감소함과 동시에 반사량이 증가함을 확인 할 수 있었다. 좁은 가공폭을 요구하는 광도파로 소자에 고속 가공에 유리한 100kHz의 반복률을 가지는 펨토초 레이저를 사용한 이유는 산업체 적용이 가능한 고속 레이저 가공 기술 개발을 위해 고반복률 펨토초 레이저를 적용한 것이며, 추후에 연마 전후의 특성에 대한 비교 연구를 진행할 것이다.
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