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포토리소그래피를 통한 광통신용 실리콘 렌즈 제작 및 특성 연구
Research on Fabrication of Silicon Lens for Optical Communication by Photolithography Process 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.2, 2018년, pp.35 - 39  

박준성 (전남대학교 광전자융합기술연구소) ,  이대장 (전남대학교 광전자융합기술연구소) ,  노호균 (전남대학교 광전자융합기술연구소) ,  김성근 (전남대학교 광전자융합기술연구소) ,  허재영 (전남대학교 광전자융합기술연구소) ,  류상완 (전남대학교 광전자융합기술연구소) ,  강성주 (전남대학교 화학공학부) ,  하준석 (전남대학교 광전자융합기술연구소)

초록
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광결합 효율(Fiber coupling efficiency)을 개선하기 위해서는 Laser diode에서 넓은 각도로 방출된 빛을 광섬유의 중심(Core) 부분으로 모아주는 집광렌즈(Collimating lens)가 필수적이다. 현재 사용되는 집광렌즈는 형틀(Mold)을 이용한 글래스 몰드(Glass mold) 공법이 널리 사용되고 있다. 이 방식은 생산단가가 저렴하지만, 정교한 성형이 어렵고 구면수차와 같은 품질문제가 있다. 본 연구는 기존의 글래스 몰드 공법을 반도체 공정으로 대체함으로써 표면 가공의 정밀도를 높이고, 렌즈의 재질 또한 반도체 공정에 적합한 실리콘으로 변경하였다. 반도체공정은 PR을 이용한 포토리소그래피(Photolithography) 공정과 플라즈마를 이용한 건식 식각(Dry etching) 공정으로 구성된다. 광결합 효율은 실리콘 렌즈의 광학적 특성을 평가하기 위해 초정밀 정렬 시스템을 사용하여 측정되었다. 그 결과, 렌즈 직경 $220{\mu}m$ 일 때의 최대 광결합 효율은 50%로 측정되었고, 렌즈 직경 $210-240{\mu}m$ 범위에서는 최고 광결합 효율 대비 5% 이하의 광결합 특성저하를 보여줌을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to improve the coupling efficiency, a collimator lens that collects the light emitted from the laser diode at a wide angle to the core of the optical fiber is essential. Glass mold method using a mold is widely used as a collimator lens currently used. Although this method is inexpensive to...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 유리 재료를 이용한 글래스몰드 공법의 렌즈 제작방법의 문제점을 해결하고자 반도체 공정 방식의 렌즈 제작방법을 연구하였다. 또한 유리 재료의 상대적으로 낮은 굴절률의 문제 등으로 재료 또한 실리콘으로 대체하였다.

가설 설정

  • 이러한 콜리메이터 렌즈로는 볼렌즈(Ball lens)와 GRIN(Gradient index)렌즈10), 비구면 렌즈(Aspheric lens)등이 이용될 수 있으며, 생산이 용이한 볼렌즈와 높은 결합 효율을 이끌어 낼 수 있는 GRIN 렌즈가 많이 이용되고 있다. 13) 비구면 렌즈의 경우 일반 콜리메이터 렌즈와 다르게 구면수차로 인한 손실이 없다. 그 결과 다른 콜리메이터 렌즈는 구면수차를 작게 하기 위해 몇 개의 렌즈를 조합해야하지만, 비구면 렌즈는 구면수차가 없기 때문에 1개의 렌즈로도 광결합 시스템을 제작할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실리콘 렌즈 제작에 이용한 반도체 공정법은 무엇인가? 본 연구에서는 기존의 실리카를 이용한 글래스몰드 공법이 아닌, 실리콘을 이용한 반도체 공정법으로 비구면 렌즈를 제작하였다. 포토리소그래피 공정과 리플로우 공정을 이용하여 돔의 형태를 형성하고 플라즈마로 표면을 식각하여 실리콘 렌즈를 구현하였다. 제작된 실리콘 렌즈의 광학적 특성평가를 위해 초정밀 정렬장치를 사용하여 광결합 효율을 측정하였다.
광결합 효율 개선을 위한 필수 요소는? 광결합 효율(Fiber coupling efficiency)을 개선하기 위해서는 Laser diode에서 넓은 각도로 방출된 빛을 광섬유의 중심(Core) 부분으로 모아주는 집광렌즈(Collimating lens)가 필수적이다. 현재 사용되는 집광렌즈는 형틀(Mold)을 이용한 글래스 몰드(Glass mold) 공법이 널리 사용되고 있다.
글래스 몰드(Glass mold) 공법의 단점은? 현재 사용되는 집광렌즈는 형틀(Mold)을 이용한 글래스 몰드(Glass mold) 공법이 널리 사용되고 있다. 이 방식은 생산단가가 저렴하지만, 정교한 성형이 어렵고 구면수차와 같은 품질문제가 있다. 본 연구는 기존의 글래스 몰드 공법을 반도체 공정으로 대체함으로써 표면 가공의 정밀도를 높이고, 렌즈의 재질 또한 반도체 공정에 적합한 실리콘으로 변경하였다.
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참고문헌 (20)

  1. J. J. Lee, J. Y. Huh, S. K. Kang, J. K. Lee, J. C. Lee, and D. S. Lee, "Market and Technology Trends in 100Gb/s Optical Transceiver", Elec. Tele. Trends., 30, 65 (2015). 

  2. D. M. Kim, T. K. Lee, T. H. Lee, and M. Y. Jeong, "Design for High-Efficient Passive Optical PCB Interconnection by Using Built-in Lens Structure", J. Microelectron. Packag. Soc, 19(2), 47 (2012). 

  3. J. Minowa, M. Saruwatari, and N. Suzuki, "Optical Componentry Utilized in Field Trial of Single-Mode Fiber Long-Haul Transmission", IEEE, 30, 551 (1982). 

  4. L. G. Cohen, and M. V. Schneider, "Microlenses for Coupling Junction Lasers to Optical Fibers", Appl. Opt., 13, 89 (1974). 

  5. E. Weidel, "Light Coupling from a Junction Laser into a Monomode Fibre e with a Glass Cylindrical Lens on the Fibre End", Opt. Commun., 12, 93 (1974). 

  6. H. Kuwahara, M. Sasaki, and N. Tokoyo, "Efficient Coupling from Semiconductor Lasers into Single-Mode Fibers with Tapered Hemispherical Ends", Appl. Opt., 19, 2578 (1980). 

  7. J. Sakai, and T. Kimura, "Design of a Miniature Lens for Semiconductor Laser to Single-Mode Fiber Coupling", IEEE J. Quantum Electron, QE-16, 1059 (1980). 

  8. J. Yamada, Y. Murakami, J. Sakai, and T. Kimura, "Characteristics of a Hemispherical Microlens for Coupling Between a Semiconductor Laser and Single-Mode Fiber", IEEE J. Quantum Electron. QE-16, 1067 (1980). 

  9. H. Sakaguchi, N. Seki, and S. Yamamoto, "High Efficiency Coupling from Laser Diodes into Single-Mode Fibers with Quadrangular Pyramid-Shaped Hemielliptical Ends", Optical Society of America, paper TUL1 (1981). 

  10. G. Eisenstein, and D. Vitello, "Chemically Etched Conical Microlensesfor Coupling Single-Mode Lasers into Single-Mode Fibers", Appl. Opt., 21, 3470 (1982). 

  11. G. D. Khoe, J. Poulissen, and H. M. de Vrieze, "Efficient Couplingof Laser Diodes to Tapered Monomode Fibers with High Index End", Electron. Lett., 19, 205 (1983). 

  12. S.K. Kim and M.K. Song, "Optical coupling coefficients and packaging of optical transmitter module for optical subscriber", Opt. Soc., 11, 179 (2000). 

  13. M. Saruwatari, and K. Nawata, "Semiconductor laser to single-mode fiber coupler", Appl. Opt., 18, 1847 (1979). 

  14. S. B. Kang, C. K. Hwangbo, E. K. Kang, J. S. Kim, and S. D. Kang, "Analysis of the performance of the aspheric lens collimator", J-Kics, 2006, 725 (2006). 

  15. S. Yin, H. Jia, G. Zhang, F. Chen, and K. Zhu, "Review of small aspheric glass lens molding technologies", Front. Mech. Eng., 12, 66 (2017). 

  16. I. Y. Hwang, J. S Ha, and S. W Ryu, "Design of a Silicon Fresnel Lens for Optimized Light Coupling in a Transmitter Optical Subassembly", K. J. Met. Mater., 55, 813 (2017). 

  17. M. Quirk, and J. Serda, "Semiconductor manufacturing technology", NJ: Prentice hall, (2001). 

  18. F. T. O'Neill, and John T. Sheridan, "Photoresist reflow method of microlens production Part I: Background and experiments", Optik, 113(9), 391 (2002). 

  19. S. H. Kim, S. K. Hong, K. H. Lee, and Y. H. Cho, "Shape Error and Its Compensation in the Fabrication of Microlens Array Using Photoresist Thermal Reflow Method", J. Micro-electron. Packag. Soc., 20(2), 23 (2013). 

  20. G. I. Kweon, and C.H. Kim, "Aspherical lens design by using a numerical analysis", Phy. Soc., 51, 93 (2007). 

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