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 글래스몰드(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.
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.
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...
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 produce, it is difficult to form precisely and quality problems such as spherical aberration. In this study, the precision of surface processing was improved by replacing the existing glass mold method with the semiconductor process, and the material of the lens was changed to silicon suitable for the semiconductor process. The semiconductor process consists of a photolithography process using PR and a dry etching process using plasma. The optical coupling efficiency was measured using an ultra-precision alignment system for the evaluation of the optical characteristics of the silicon lens. As a result, the optical coupling efficiency was 50% when the lens diameter was $220{\mu}m$, and the optical coupling property was 5% or less with respect to the maximum optical coupling efficiency in the lens diameter range of $210-240{\mu}m$.
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 produce, it is difficult to form precisely and quality problems such as spherical aberration. In this study, the precision of surface processing was improved by replacing the existing glass mold method with the semiconductor process, and the material of the lens was changed to silicon suitable for the semiconductor process. The semiconductor process consists of a photolithography process using PR and a dry etching process using plasma. The optical coupling efficiency was measured using an ultra-precision alignment system for the evaluation of the optical characteristics of the silicon lens. As a result, the optical coupling efficiency was 50% when the lens diameter was $220{\mu}m$, and the optical coupling property was 5% or less with respect to the maximum optical coupling efficiency in the lens diameter range of $210-240{\mu}m$.
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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.
제안 방법
Fig. 2(e-g)은 동일 직경 270 μm의 원형 패턴 PR에서 가스유량을 조절하여 식각을 진행한 후, 비접촉 3차원 미세형상측정기(Nanosurface 3D Optical Profiler, Nanosystem)을 이용하여 실리콘 렌즈의 형상을 측정하였다.
1(4)). ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching)(VSICP, 12RC) 장비를 이용하여 반응가스 CF4, O2로 건식 식각을 진행했다(Fig. 1(5)).
가스유량을 조절하여 실리콘 렌즈의 높이를 조절하는 이유는 PR의 두께에는 한계가 있기 때문이다. 그래서 식각 공정에서 식각 선택비를 조절하여 실리콘 렌즈의 높이를 조절하는 방법을 선택했다. 식 (1)Lens conic section equation에 의하면 동일 직경에서 렌즈의 높이가 증가할수록, 곡률반경이 감소하게 된다.
먼저 제작된 실리콘 렌즈의 형상을 확인하기 위해 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)(Oxford, JSM-7500F)를 이용하여 렌즈의 표면을 관찰했다. 그리고 비접촉 3차원 미세 형상측정기(Nanosurface 3D Optical Profiler, Nanosystem)를 이용하여 렌즈 각 위치에 따른 높이를 측정했다. 또한 광결합 효율의 중요한 요소인 표면의 모폴로지(Morphology)를 측정하기 위해 AFM(Atomic Force Microscope) (Parksystem, XE-150)을 이용하여 표면 거칠기(Root Mean Square, RMS)와 표면 이미지를 측정하였다.
18-19) 이 때, 리플로우 공정 시 가해주는 온도가 PR의 유리전이온도보다 낮을 경우 리플로우 현상은 일어나지 않게 되고, 반대로 PR의 분해온도보다 높은 온도가 가해졌을 경우 Burning 현상이 발생한다. 따라서 리플로우가 원활히 일어날 수 있는 최적의 온도와 시간을 찾는 것이 중요하고 본 실험에서는 선행실험을 토대로 핫플레이트에서 최적의 리플로우 조건으로 30분간 160o℃의 온도를 가해주었다. 리플로우 공정 이후 PR이 돔의 형태로 형성된 것을 확인하였다.
그리고 비접촉 3차원 미세 형상측정기(Nanosurface 3D Optical Profiler, Nanosystem)를 이용하여 렌즈 각 위치에 따른 높이를 측정했다. 또한 광결합 효율의 중요한 요소인 표면의 모폴로지(Morphology)를 측정하기 위해 AFM(Atomic Force Microscope) (Parksystem, XE-150)을 이용하여 표면 거칠기(Root Mean Square, RMS)와 표면 이미지를 측정하였다. 실리콘 렌즈의 광학적 특성평가를 위해 렌즈의 초점거리를 측정하였고, 이와 함께 실리콘 렌즈를 이용한 반도체 레이저와 광섬유의 광결합 특성을 조사하였다.
또한 다양한 직경의 렌즈를 11 μm의 높이로 제작함으로써 다양한 곡률반경을 가진 렌즈를 제작 할 수 있었다.
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. 포토리소그래피 공정에서 PR 리플로우를 통해 비구면 렌즈의 형태를 제작하였고, 건식식각 공정을 통해 제작된 렌즈의 높이는 7 μm, 8 μm 그리고 11 μm였다.
측정을 위해 렌즈 정렬장치를 커플링 효율을 측정할 수 있도록 셋업 하였다. 렌즈 삽입 후에 레이저에서 방출된 빛이 단일모드광섬유에 최대로 입사될 수 있도록 렌즈가 장착된 상부 스테이지와 광섬유가 장착된 우측 스테이지를 각각 정렬시켰다. 효율적인 광결합을 위해서는 레이저와 렌즈 거리(L1), 렌즈와 광섬유 거리(L2)가 핵심적인 요소이므로, L1-L2 조합을 변경하면서 나머지 정렬 요소를 최적화하며 가장 높은 광결합 효율을 조사하였다.
렌즈 중앙부분의 20×20 μm2 의 면적의 표면의 거칠기를 측정하였고, Fig. 3(a)에 나타내었다.
Coil power는 플라즈마를 생성하는 역할을 하고 Platen power는 생성된 플라즈마를 기판쪽으로 끌어당겨서 식각이 더욱 원활히 이루어지게 하는 역할을 한다. 마지막으로 측정을 위해 식각된 실리콘 렌즈를 일정한 크기로 스크라이빙(Scribing)을 진행했다(Fig. 1(6)).
1(6)). 먼저 제작된 실리콘 렌즈의 형상을 확인하기 위해 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)(Oxford, JSM-7500F)를 이용하여 렌즈의 표면을 관찰했다. 그리고 비접촉 3차원 미세 형상측정기(Nanosurface 3D Optical Profiler, Nanosystem)를 이용하여 렌즈 각 위치에 따른 높이를 측정했다.
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.
2 μm)를탐침(probe)으로 사용하여 렌즈와의 거리에 따른 빔의 크기를 조사하였다. 빔의 크기가 최소가 되는 지점을 거리측정기로 관측하여 초점거리를 결정하였다. Fig.
실리콘 렌즈를 통과한 빛은 초점 거리에서 가장 작은 beam waist를 형성하게 되는데, 단일 모드광섬유(mode field diameter =9.2 μm)를탐침(probe)으로 사용하여 렌즈와의 거리에 따른 빔의 크기를 조사하였다.
4(b)는 위의 방법으로 구성된 초점거리 측정을 위한 광학부품 배열을 보여준다. 실리콘 렌즈의 광결합 특성은 10 Gbps급 1310 nm 반도체 레이저를 광원으로 하여 렌즈 사용에 따른 단일 모드광섬유(SMF-28, Corning)와의 광결합 효율을 평가하였다. 반도체 레이저로는 distributed feedback laser를 사용하였고, 30 mA의 전류 인가 조건에서 광출력은 8.
또한 광결합 효율의 중요한 요소인 표면의 모폴로지(Morphology)를 측정하기 위해 AFM(Atomic Force Microscope) (Parksystem, XE-150)을 이용하여 표면 거칠기(Root Mean Square, RMS)와 표면 이미지를 측정하였다. 실리콘 렌즈의 광학적 특성평가를 위해 렌즈의 초점거리를 측정하였고, 이와 함께 실리콘 렌즈를 이용한 반도체 레이저와 광섬유의 광결합 특성을 조사하였다. 실리콘 렌즈의 광학분석을 위해서는 Fig.
우수한 표면거칠기 값을 확보하여 11 μm 높이의 실리콘 렌즈를 130-280 μm 범위의 다양한 직경으로 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.
4 dBm이다. 측정을 위해 렌즈 정렬장치를 커플링 효율을 측정할 수 있도록 셋업 하였다. 렌즈 삽입 후에 레이저에서 방출된 빛이 단일모드광섬유에 최대로 입사될 수 있도록 렌즈가 장착된 상부 스테이지와 광섬유가 장착된 우측 스테이지를 각각 정렬시켰다.
먼저 초점거리를 측정하기 위해 그립퍼 (gripper)로 렌즈를 고정시킨 후 상부 6축 스테이지에 장착하였다. 평행광을 렌즈로 입사시키기 위해 1310 nm의 반도체 레이저가 결합된 fiber optic collimator를 렌즈의 왼쪽에서 정렬하였다. 실리콘 렌즈를 통과한 빛은 초점 거리에서 가장 작은 beam waist를 형성하게 되는데, 단일 모드광섬유(mode field diameter =9.
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.
렌즈 삽입 후에 레이저에서 방출된 빛이 단일모드광섬유에 최대로 입사될 수 있도록 렌즈가 장착된 상부 스테이지와 광섬유가 장착된 우측 스테이지를 각각 정렬시켰다. 효율적인 광결합을 위해서는 레이저와 렌즈 거리(L1), 렌즈와 광섬유 거리(L2)가 핵심적인 요소이므로, L1-L2 조합을 변경하면서 나머지 정렬 요소를 최적화하며 가장 높은 광결합 효율을 조사하였다.
대상 데이터
실리콘 렌즈의 광학분석을 위해서는 Fig. 4(a)와 같이 초정밀정렬장치를 사용하였다. 정렬장치는 두 개의 6축 스테이지(Thorlabs, resolution < 50 nm)와 반도체 레이저 및 콜리메이터 등의 광원장치, 광섬유, 광검출기로 구성되었다.
11 μm 높이의 실리콘 렌즈의 표면 거칠기를 확인하기 위해 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하였다.
실리콘 렌즈의 광결합 특성은 10 Gbps급 1310 nm 반도체 레이저를 광원으로 하여 렌즈 사용에 따른 단일 모드광섬유(SMF-28, Corning)와의 광결합 효율을 평가하였다. 반도체 레이저로는 distributed feedback laser를 사용하였고, 30 mA의 전류 인가 조건에서 광출력은 8.4 dBm이다. 측정을 위해 렌즈 정렬장치를 커플링 효율을 측정할 수 있도록 셋업 하였다.
정렬장치는 두 개의 6축 스테이지(Thorlabs, resolution < 50 nm)와 반도체 레이저 및 콜리메이터 등의 광원장치, 광섬유, 광검출기로 구성되었다.
포토리소그래피 공정에서 PR 리플로우를 통해 비구면 렌즈의 형태를 제작하였고, 건식식각 공정을 통해 제작된 렌즈의 높이는 7 μm, 8 μm 그리고 11 μm였다.
이론/모형
하지만 그 복잡한 형상으로 인하여 기존의 렌즈처럼 연마하여 제작하는 것이 매우 어렵다. 그래서 연마법이 아닌, 금형에 유리 등의 재료를 넣고 찍어내는 방법인 글래스몰드 공법을 이용한다. 15) 이러한 제작공정은 실리카의 연화를 위해 매우 높은 온도가 요구되는데, 고온은 금형의 열화 및 냉각시간으로 인한 공정시간의 증가 등의 문제를 야기한다.
성능/효과
다음으로 CF4 15 sccm, O2 1 sccm이고, 식각시간은 1시간으로 진행했을 때 실리콘 렌즈의 높이는 10 μm로 측정되었으며, 마지막으로 CF4 30 sccm, O2 2 sccm이고, 식각시간은 30분으로 진행했을 때는 실리콘 렌즈의 높이는 11 μm로 측정되었다.
렌즈 직경이 210-260 μm 범위에서 변화할 때 초점거리는 75 μm에서 162 μm로 증가함을 확인하였다.
렌즈 직경이 증가함에 따라 광결합 효율은 점차적으로 감소하지만, 렌즈 직경 210-240 μm 범위에서는 최고 광결합 효율 대비 5% 이하의 광결합 특성저하를 보여줌을 알 수 있다.
이 중에서 가장 우수한 곡률반경을 가진 11 μm 높이의 렌즈 표면을 AFM으로 확인하였고, 표면 거칠기 값은 1.296 nm였다.
3(a)에 나타내었다. 제작된 실리콘 렌즈 표면의 RMS는 1.296 nm로 우수한 표면 거칠기 값을 보여주었다. 이와 같은 우수한 표면 거칠기는 광결합 효율에 큰 영향을 미친다.
렌즈 직경이 증가함에 따라 광결합 효율은 점차적으로 감소하지만, 렌즈 직경 210-240 μm 범위에서는 최고 광결합 효율 대비 5% 이하의 광결합 특성저하를 보여줌을 알 수 있다. 즉, 실리콘 렌즈의 제작공정에서 렌즈 직경 및 곡률반경의 허용 공정오차가 상당히 크며, 따라서 높은 공정수율의 확보가 가능할 것으로 생각된다.
특히, 렌즈 직경이 220 μm일 때 최대 50% 의 광결합 효율을 보여주었고, 렌즈 직경 210-240 μm 범위에서 최고 광결합 효율 대비 5% 이하의 광결합 특성저하를 확인하였다.
후속연구
특히, 렌즈 직경이 220 μm일 때 최대 50% 의 광결합 효율을 보여주었고, 렌즈 직경 210-240 μm 범위에서 최고 광결합 효율 대비 5% 이하의 광결합 특성저하를 확인하였다. 이와 같은 결과는 5G 기술과 같은 초고속 광통신 기술에 적용되어 그 특성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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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