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문제 정의
- 본 논문에서는 고굴절률 폴리머와 에포다이즈드 격자를 이용하여 높은 반사율과 좁은 대역폭을 가지는 파장필터를 설계, 제작하였다. 격자 길이 7 mm, 격자 깊이 100 nm, 고굴절률 폴리머 두께 300 nm일 때 반사율 97%, 3-dB 대역폭 0.
제안 방법
- 고굴절률 폴리머 코팅한 후 그 위에 광도파로를 형성하기 위한 코어 폴리머로 ZPU13-455 (RI: 1.455 @ 1550 nm)를 4500rpm으로 30초 스핀코팅 하여 두께 2.6 µm를 형성하였다.
- 480과 300 nm로 정하였다. 고굴절률 폴리머를 얇게 코팅하기 위하여 ZPU 폴리머와 PGMEA를 1:3으로 섞어서 실험을 해본 결과 4000 rpm으로 스핀코팅하였을 때 폴리머의 두께가 300 nm로 안정적으로 코팅이 되었기 때문에 300nm로 고굴절률 폴리머의 두께를 정하였다.
- 광도파로 중심의 코어 두께는 2.5 µm로 정하였고, 측면 코어의 두께는 0.5 µm로 정하였을 때, 유효굴절률법을 이용한 계산에 따르면 광도파로 폭이 5 µm 이상이 되면 다중모드가 발생하게 되므로 최종 광도파로 폭은 4 µm로 정하였다.
- 대역폭을 줄이기 위한 에포다이즈드 격자에서는 반사율이 부족하게 된다. 대역폭을 줄이고 충분한 반사율을 얻기 위해서 고 굴절률 폴리머를 삽입한 에포다이즈드 격자의 경우에 대해서 반사율과 대역폭을 확인해 보았다. 그림 3(a)에서 반사율을 확인해보면 격자의 길이가 7 mm 이상인 경우에 반사율이 95% 이상으로 계산되었다.
- 반사 스펙트럼 설계 결과를 바탕으로 균일 격자와 에포다이즈드 격자의 경우에 대하여 각각 인접채널 누화와 전체 대역폭 누화를 구하였다. 인접 채널 누화와 전체 대역폭 누화의 정의는 그림 4(a)에 나타내었다.
- 본 연구에서는 에포다이즈드 브래그 격자 위에 고굴절 폴리머를 삽입하는 간단한 방법을 이용하여 대역폭이 좁으면서 반사율이 높은 파장 필터를 설계 및 제작하였다. 설계된 스펙트럼을 바탕으로 인접 채널 누화 (adjacent crosstalk)와전체 대역폭 누화 (non-adjacent crosstalk)를 계산하였다.
- 본 연구에서는 에포다이즈드 브래그 격자 위에 고굴절 폴리머를 삽입하는 간단한 방법을 이용하여 대역폭이 좁으면서 반사율이 높은 파장 필터를 설계 및 제작하였다. 설계된 스펙트럼을 바탕으로 인접 채널 누화 (adjacent crosstalk)와전체 대역폭 누화 (non-adjacent crosstalk)를 계산하였다. 제작된 파장 가변 필터의 반사율은 98.
- 고굴절률 폴리머와 에포다이즈드 격자를 적용한 파장가변 필터의 제작공정은 그림 5에 나타내었다. 실리콘 웨이퍼 위에 하부 클래딩을 형성하기 위하여 켐옵틱스 사에서 구입한 굴절률이 1.435인 ZPU 폴리머를 스핀코팅 하였다. 하부 클래딩층 위에 TSMR photoresist를 스핀코팅한 후 레이저 간섭계를 이용하여 균일한 photoresist 격자를 생성하였다.
- 광도파로를 형성하기 위하여 포토 리소그래피 공법을 사용하였다. 코어층 위에 AZ5214 photoresist를 스핀코팅한 웨이퍼를 광도파로 패턴이 새겨진 포토마스크를 장착시킨 mask aligner에 놓고 광도파로 패턴을 격자패턴에 수직으로 정렬시킨 후 노광하였다. 이후 건식 식각 공정을 통해 2.
- 435인 ZPU 폴리머를 스핀코팅 하였다. 하부 클래딩층 위에 TSMR photoresist를 스핀코팅한 후 레이저 간섭계를 이용하여 균일한 photoresist 격자를 생성하였다.
- 에포다이즈드 격자를 생성하기 위하여 쉐도우 마스크를 이용하여 에칭을 하는 모습은 그림 6(b)에 나타내었다. 하부 클래딩층과 쉐도우 마스크의 거리를 띄우기 위하여 spacer의 높이를 5 mm로 하였으며 그 위에 쉐도우 마스크를 얹은 상태로 산소 플라즈마 건식식각을 하여 에포다이즈드 격자를 형성하였다. 건식식각 후에 에포다이즈드 격자의 사진을 그림 6(c)에 나타내었다.
대상 데이터
- 제작된 파장가변필터의 투과, 반사 스펙트럼을 측정하기 위한 셋업은 다음과 같다. 1550 nm의 중심파장을 가지며 50nm의 3-dB 대역폭을 지닌 SLED (superluminescent emitting diodes)를 광원으로 사용하였다. 광원에서 나온 빛은 편광조절기를 이용하여 TE편광으로 맞추고 파장필터의 격자를 지난 투과 스펙트럼과 반사되어 나온 스펙트럼을 해상도가 0.
- 고굴절률 폴리머를 삽입하였을 때 격자의 깊이에 따라 변하는 반사율을 전송행렬법을 이용하여 설계하였다. 격자의 길이는 6.5 mm하였고 고굴절률 폴리머의 굴절률과 두께는 각각 1.480과 300 nm로 정하였다. 고굴절률 폴리머를 얇게 코팅하기 위하여 ZPU 폴리머와 PGMEA를 1:3으로 섞어서 실험을 해본 결과 4000 rpm으로 스핀코팅하였을 때 폴리머의 두께가 300 nm로 안정적으로 코팅이 되었기 때문에 300nm로 고굴절률 폴리머의 두께를 정하였다.
이론/모형
- 고굴절률 폴리머를 삽입하였을 때 격자의 깊이에 따라 변하는 반사율을 전송행렬법을 이용하여 설계하였다. 격자의 길이는 6.
- 6 µm를 형성하였다. 광도파로를 형성하기 위하여 포토 리소그래피 공법을 사용하였다. 코어층 위에 AZ5214 photoresist를 스핀코팅한 웨이퍼를 광도파로 패턴이 새겨진 포토마스크를 장착시킨 mask aligner에 놓고 광도파로 패턴을 격자패턴에 수직으로 정렬시킨 후 노광하였다.
- 건식식각 후에 에포다이즈드 격자의 사진을 그림 6(c)에 나타내었다. 에포다이즈드 격자의 깊이를 측정하기 위하여 AFM (atomic force microscope)를 이용하여 측정하였다. 그림 6(c)의 노란 점선 부분의 깊이를 그림 6(d)에 나타내었다.
- 코어와 클래딩을 구성하는 폴리머 재료의 굴절률은 1.455와 1.435로 정하였고, 단일모드 조건을 만족시키는 립구조의 광도파로를 설계하기 위하여 유효굴절률법을 이용하였다. 광도파로 중심의 코어 두께는 2.
- 435 @ 1550 nm)로 코팅을 하였다. 파장가변 할 때 필요한 전극을 형성하기 위하여 thermal evaporator 장비를 이용하여 Cr-Au (10 nm-100 nm)를 증착하였으며 포토리소그래피와 습식식각 방법을 이용하여 완성하였다.
성능/효과
- 균일 브래그 격자에서 에포다이제이션을 적용하면 반사율이 떨어지는 것을 그림 2(a)에서 볼 수 있으며, 격자의 깊이가 300 nm 정도는 되어야 균일 격자일 때의 반사율과 그 격차가 줄어서 반사율 100%에 근접하는 것을 확인하였다. 하지만 고굴절률층 폴리머를 삽입하면 그림 2(b)에서 볼 수 있는 것과 같이 에포다이즈드 격자의 깊이가 100 nm만 되어도 반사율이 100%에 근접 한다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 설계 결과로부터 최종 격자 깊이를 100 nm로 결정하였다.
- 그림 3(a)에서 반사율을 확인해보면 격자의 길이가 7 mm 이상인 경우에 반사율이 95% 이상으로 계산되었다. 3-dB 대역폭과 20-dB 대역폭을 확인하여 보면 각각 0.6 nm 와 1 nm 정도로 인접 채널 누화를 억제할 수 있을 것이다.
- 본 논문에서는 고굴절률 폴리머와 에포다이즈드 격자를 이용하여 높은 반사율과 좁은 대역폭을 가지는 파장필터를 설계, 제작하였다. 격자 길이 7 mm, 격자 깊이 100 nm, 고굴절률 폴리머 두께 300 nm일 때 반사율 97%, 3-dB 대역폭 0.6nm, 20-dB 대역폭 1.0 nm의 설계 결과를 얻을 수 있었으며,제작된 소자로부터 격자 길이 6.5 mm일 때 98.5%이며, 3-dB,20-dB 대역폭은 0.51 nm, 1.05 nm인 특성을 가짐을 확인하였다. 파장가변특성을 확인하기 위하여 제작된 마이크로 히터에 1.
- 그림 6(c)의 노란 점선 부분의 깊이를 그림 6(d)에 나타내었다. 격자의 깊이가 중심부에서 100 nm 정도이고 가장자리로 갈수록 서서히 얕아지는 에포다이즈드 격자가 생성된 것을 확인하였다.
- 균일격자의 경우에는 인접 채널 누화나 전체 대역폭 누화나 격자의 길이가 늘어남에 따라 크게-20 dB 보다 크게 증가함을 볼 수 있다. 반면에 에포다이즈드 격자의 경우는 충분한 반사율을 얻을 수 있는 길이 6 mm 이상에서 인접 채널 누화는 -30 dB보다 작았으며 전체 대역폭 누화는 -50 dB정도로 계산이 되었다.
- 15 W를 인가하여 12 nm 파장 가변을 시킬 수 있었다. 에포다이즈드 격자를 이용하면 사이드로브가 억제된 반사스펙트럼을 생성할 수 있어 채널 간 누화가 억제된 파장필터를 제작할 수 있다는 것을 확인하였다.
- 설계된 스펙트럼을 바탕으로 인접 채널 누화 (adjacent crosstalk)와전체 대역폭 누화 (non-adjacent crosstalk)를 계산하였다. 제작된 파장 가변 필터의 반사율은 98.5%이며, 3-dB와 20-dB 대역폭은 각각 0.51 nm, 1.05 nm로 측정되었다.
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