KR100396678B1 - 열광학 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열광학 스위치를 제공하기 위한 것으로서, 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부클래드층; 상기 하부클래드층 상에 실리카로 형성된 제1 코어층; 상기 제1 코어층 내부에 폴리머로 형성된 제2 코어층; 상기 제1, 제2 코어층 및 하부클래드층 상에 형성된 상부클래드층; 상기 제1 및 제2 코어층 상부에 위치한 상기 상부클래드층 상에 적어도 하나의 금속 패턴으로 형성된 히터를 포함하여 구성되며, 물리 화학적으로 폴리머보다 강한 물질로 폴리머를 감싼 구조의 코어층을 구성함으로써 폴리머의 열광학특성을 이용하여 스위칭을 하며, 실리카로 감싼 구조로 인해 코어층의 퇴화를 방지하여 광손실이 낮고, 신뢰성 및 내구성이 우수한 열광학 스위치를 제공한다.

Description

열광학 스위치{Thermo-Optical Switch}

본 발명은 광스위치에 관한 것으로, 스위칭의 구동전력이 작고 수백 ㎲ 이하의 스위칭 속도를 가지는 열광학 스위치에 관한 것이다.

열광학 스위치는 온도에 따라 재료의 굴절률 변화를 이용하여 광의 흐름을 제어하는 소자로서, 광도파로의 특정한 부위에 전극을 부착하여 흐르는 전류를 조절함으로서 광의 경로를 조절하는 소자이다.

이와 같은 광도파로형 열광학 광스위치 소자의 구조는 빛의 간섭을 이용 한 마하젠더 간섭계형(Mach-Zehnder interferometer)과, 광진화(Mode Evolution) 특성을 이용한 디지털형 열광학 스위치 DOS(Digital Optical Switch, 또는 Y형), 방향성 결합기형(directional coupler)으로 나눌 수 있다.

도1은 디지털형 열광학 스위치를 도시한 것으로 기판, 하부클래드층(20)(underclad layer), 코어층(30)(core), 상부클래드층(40)(upperclad) 및 히터(50)로 이루어진다.

디지털형 열광학 스위치를 이용한 광도파 원리는 다음과 같다.

광도파로의 각 분기 도파로 위에 금 등과 같이 열전도성이 우수한 금속으로 전극을 형성하고 한쪽 전극에 전류를 흐르게 하면 히터(50)로부터 열이 전달되어 저항에 의해 열이 발생한다. 이 열이 전극으로부터 도파로 부위에 열이 전달되고, 열이 전달된 도파로는 굴절률이 작아져 광이 전파되지 않는다.

즉, 열에 의해 두 분기 도파로 사이의 굴절률의 차이가 생기고, 이에 의해 굴절률이 큰 도파로는 광이 진행하고, 굴절률이 작은 도파로는 광이 전파되지 않는다.

도2는 종래기술에 따른 마하젠더 간섭형 열광학 스위치를 도시한 것이다.

마하젠더 간섭계형이나 방향성 결합형 열광학 스위치는 간섭현상을 이용하는 것으로, 하나의 도파로에서 갈라져 나온 두 분기 도파로 사이에 한쪽에 열을 가하여 굴절률을 다르게 만들어 경로차를 발생시켜 간섭현상을 만들어 스위칭한다.

즉, 같은 광원에서 나온 빛이 두 개로 갈라져서 다시 만나게 된다. 각 도파로의 굴절률 및 길이에 따라서 두 개의 광신호가 만나게 될 때 세기와 위상이 바뀌게 된다. 같은 세기의 빛이 합쳐질 때 위상에 따라 간섭에 의해 스위칭 된다. 따라서 스위치로 사용하고자 할 경우 매우 정밀한 위상조절과 세기의 조절이 필요하다.

상기의 간섭계 구조는 온도에 민감하며, 누화율이 낮은 단점이 있으나 스위칭 파워가 낮은 장점이 있다.

반면에 DOS 스위치는 반응특성이 디지털 형태로서 간섭계 형태보다 온도 및 편광특성이 뛰어나다. 그리고 DOS 스위치는 분기각이 약 0.1∼0.15° 정도로 매우 작은 Y-분기 형태이며, 모드 진화특성을 이용하기 때문에 한쪽 팔의 온도가 증가하여 양팔의 굴절률 차이가 어느 이상이 되면 더 이상 출력 특성의 변화가 없는 디지털 특성을 나타낸다.

따라서 DOS 스위치는 광도파로의 복굴절이 존재하여도 편광특성에 무관하게 동작하는 장점이 있다. 또한 스위칭 누화도 쉽게 -25 dB 이하로 얻을 수 있다. 그러나 간섭계형 스위치와 비교하여 스위칭 전력이 높은 단점이 있다.

이와 같은 이유로 열광학 계수가 상대적으로 낮은 실리카 광도파로 소자에서는 주로 간섭계형 스위치를 제작하며, 열광학 계수가 큰 폴리머 광도파로에서는DOS 형태의 스위치를 제작한다.

열광학 스위치를 구현하기 위하여 열광학 계수가 큰 물질을 사용해야 하므로 열광학 계수가 큰 폴리머를 사용한다.

폴리머는 일반적으로 도파로에서 사용되는 실리카보다 열광학계수가 10배 이상 좋으므로 쉽게 열광학 스위치를 구현할 수 있다.

폴리머는 다양한 물질이 있고, 굴절률 조절이 용이하고 다루기가 쉽고 열광학계수가 크고, 실리카는 물질이 매우 안정적이므로 신뢰도가 크지만 열광학 계수가 작다.

열광학 스위치에 사용되는 폴리머는 음의 열광학계수를 가지고 실리카는 열광학 계수가 양이며, 폴리머의 경우 온도에 따른 굴절률의 편차 dn/dT 가 10^-4정도로 실리카의 10^-5보다 크다.

그리고 폴리머는 다루기가 쉬운 장점이 있으나 폴리머를 이용한 열광학 스위치의 경우 광통신대역에서 사용하는 근적외선에 노출될 경우 산소와 결합하여 쉽게 퇴화(degration)된다.

폴리머의 퇴화는 광통신 주파수 영역인 1550nm 파장대에서 산소와 반응하여 일어난다.

이것을 막기 위하여 산소가 거의 없는 상태로 만들기 위해 밀봉(Hermetic packing)을 해야만 한다. 또한 도파로를 지나면서 생기는 손실이 실리카의 경우보다 크며, 복굴절 광학 폴리머는 광파의 편광특성(편광방향)에 따라 빛이 속도가 다르기 때문에 서로 다르게 복굴절(birefringence)하여 두 빛으로 분리되고, 각기 다른 굴절률을 띠는 문제가 있으며, 물리적으로 약하다

1×2의 열광학 스위치를 계단식으로 연결하여 1×N스위치를 제작할 수 있다. 특히 1×2의 열광학 스위치 경우 광전송망에서 장애 발생시 광신호의 회선분배(O×C, Optical Cross-Connect) 등에서 주로 사용된다.

이상에서 설명한 종래 기술에 따른 열광학 스위치는 열광학 계수가 큰 폴리머를 이용하는 경우, 폴리머가 광통신대역에서 사용되는 근적외선에 노출되는 경우 산소와 결합하여 쉽게 퇴화되어 스위치 소자에 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 물리 화학적으로 폴리머보다 강한 물질로 폴리머를 감싼 구조의 코어층을 구성함으로써 폴리머를 이용하여 광신호를 스위칭하여 스위칭 효율을 높이는데 목적이 있다.

본 발명에 따른 다른 목적은 상기 물리 화학적으로 폴리머보다 강한 물질로 실리카를 코어층으로 이용하여 광신호가 주로 통과하는 영역인 코어층의 퇴화를 방지하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 또 다른 목적은 코어층을 둘러싼 상하부 클래드층을 열광학계수가 낮은 실리카로 형성하여 클래드층으로의 광모드의 분포세기를 줄이고 광손실을 방지하여 고효율의 신뢰성 있는 열광학 스위치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래기술에 따른 디지털형 열광학 스위치의 평면투시도이다.

도2는 종래기술에 따른 마하젠더 간섭형 열광학 스위치의 평면투시도이다.

도3은 본 발명에 따른 열광학 스위치의 단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 마하젠더형 간섭계형 열광학 스위치의 평면투시도이다.

도5a 및 도5b는 본 발명에 따른 디지털형 열광학 스위치의 평면투시도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10-1 : 기판

20-1, 20-2 : 하부클래드층

30-1, 30-3 : 제1 코어층

30-2, 30-4 : 제2 코어층

40-1, 40-2 : 상부클래드층

50-1, 50-2 : 히터

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열광학 스위치의 특징은 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부클래드층; 상기 하부클래드층 상에 실리카로 형성된 제1 코어층; 상기 제1 코어층 내부에 상기 제1 코어층보다 굴절률이 더 높은 폴리머로 형성된 제2 코어층; 상기 제1, 제2 코어층 및 하부클래드층 상에 형성된 상부클래드층; 상기 제1 및 제2 코어층 상부에 위치한 상기 상부클래드층 상에 적어도 하나의 금속 패턴으로 형성된 히터를 포함하여 구성되는데 있다.

상기 하부클래드층은 상기 코어층의 실리카보다 굴절율이 작은 실리카로 형성된다.

그리고 상기 상부클래드층은 상기 코어층의 실리카 및 폴리머보다 굴절율이 작은 실리카로 형성된다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 실리카로 하부클래드와 코어층을 형성시킨 후 코어층을 식각할 때 도파로의 코어부분의 중심부분을 식각한 후 폴리머를 스핀 코팅하여 폴리머를 코어층의 중심부분에 삽입시킴으로써, 실리카보다 열광학계수가 큰 폴리머를 히터에 의해 열을 인가하여 굴절률을 조절함으로써 스위칭 효과를 크게 할 수 있다.

또한 실리카가 폴리머를 싸고 있으므로 산소투과에 의한 폴리머의 퇴화를 방지하여 소자의 신뢰성, 내구성을 보장하고, 상부클래드층으로 열광학 계수가 작은 실리카를 형성하여 열에 의한 굴절률 편차가 적은 특성을 이용하여 광이 코어층으로 잘 전파되도록 하고, 저온 및 고온의 다양한 온도범위에서 광이 도파되도록 하며 클래드층으로의 광모드의 분포세기를 줄이고 광손실을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 열광학 스위치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

열광학 스위치에서 사용되는 도파로의 구조는 임베디드(embedded) 구조와 립(rib)구조로 나눌 수 있다.

도3은 본 발명에 따른 열광학 스위치의 단면도로, 임베디드 형 도파로의 단면도를 도시한 것으로, 도5a 및 도5b의 Ⅰ-Ⅰ'방향의 단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 마하젠더형 간섭계형 열광학 스위치의 평면투시도이고, 도5a 및 도5b는 본 발명에 따른 디지털형 열광학 스위치의 평면투시도이다.

도3과 같이 열광학 스위치의 광도파로는 기판(10-1)과, 상기 기판(10-1) 상에 형성된 하부클래드(20-1)층과, 상기 하부클래드(20-1)층 상부 소정 영역에 상기 하부클래드(20-1)층보다 굴절률이 높은 실리카로 형성된 제1 코어층(30-1)과, 상기 제1 코어층(30-1) 내부에 상기 제1 코어층(30-1)보다 굴절률이 더 높은 폴리머로 형성된 제2 코어층(30-2)과, 상기 제1, 제2 코어층(30-1, 30-2) 및 하부클래드(20-1)층 상에 형성된 상부클래드(40-1)층과, 상기 제1 및 제2 코어층(30-1, 30-2) 상부에 위치한 상기 상부클래드(40-1)층 상에 2개의 금속 패턴으로 형성된 히터(50-1)를 포함하여 구성된다.

상기 하부클래드(20-1)층은 상기 코어(30-1)층의 실리카보다 굴절율이 작은실리카로 형성되고, 상기 상부클래드(40-1)층은 상기 코어(30-1, 30-2)층의 실리카보다 굴절율이 작은 실리카로 형성된다.

상기 히터(50-1)의 수는 상기 열광학 스위치의 종류에 따라 달라지며, 도3과 같은 열광학 스위치는 Y형 디지털 열광학 스위치로, 히터(50-1)의 수가 두 개 이다.

상기와 같은 임베디드 구조에서 코어(30-1, 30-2) 부분과 상하부클래드(20-1, 40-1) 부분은 광섬유와의 결합손실을 줄이기 위하여 0.3% 내지 0.6% 이내 정도의 굴절률 차이를 지니는 물질을 사용한다.

그리고 광도파로의 코어 두께는 광화이버 코어의 두께가 8.6㎛이므로 광화이버와 광도파로로 인해 전파되는 광의 결합손실을 줄이기 위하여 6~8㎛정도로 한다.

그리고 하부클래드(20-1)의 두께를 15㎛이상으로 하고, 광도파로의 전체의 두께가 보통 30~40㎛ 정도 되게 하여 기판(10-1) 쪽으로의 누설손실을 줄인다.

중앙부분이 홀을 갖도록 제1 코어(30-1)층을 실리카로 형성하고, 상기 홀 부분에 제2 코어(30-2)으로 폴리머를 형성하여, 폴리머를 물리화학적으로 내구성이 있는 실리카로 감싼 구조로 코어를 형성하기 때문에 폴리머가 산화에 의해 퇴화되는 것을 방지한다.

또한 폴리머로 형성된 제2 코어(30-2)층은 열광학계수가 크고 때문에 십수도의 온도 변화로도 이 정도의 굴절률의 차를 만들어 내므로, 광의 스위칭 효과가 뛰어나다.

폴리머와 실리카 각각이 장점을 이용하기 위하여 실리카를 이용하여 상하부클래드와 코어층을 형성하되 코어층의 중앙부분에 폴리머를 삽입한다.

상기와 같은 본 발명의 열광학 스위치의 광도파로의 제조공정은 다음과 같다.

대표적으로 도면의 부호는 도3의 부호를 쓴다.

최초 실리콘 기판(10-1) 위에 하부클래드(20-1)층을 형성시킨다.

이때 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)나 FHD(Flame Hydrolysis Deposition) 방식을 이용한 증착방법과 산화공정을 동시에 이용하는 방법이 있다. 우선 산화공정후, 증착하여 원하는 두께만큼 하부클래드(20-1)를 만들기도 한다.

이후에 코어(30-1)층을 위의 두가지 방법(산화증착 공정, 산화 후 증착공정)을 이용하여 증착한다.

이어, 굴절률의 조절을 위하여 게르마늄(Ge) 등의 도핑을 이용한다.

코어(30-1)층의 패턴형성을 위해 사진묘사작업을 한다. 구조에 따라 3~10㎛을 식각을 하기 때문에 식각마스크로 식각선택성이 좋은 금속층을 형성한다.

이 경우 코어층을 형성한 뒤에 스퍼터 등을 이용하여 금속층을 증착한다.

그리고 상기 증착된 금속층을 PR 스핀코팅 단계, 정렬 및 노광, 현상의 사진작업을 수행한 후 식각작업을 한다. 금속층의 식각은 습식식각을 주로 이용하며 건식식각을 사용할 수도 있다.

따라서 금속층 패턴을 마스크로 하여 실리카로 제1 코어(30-1)층 패턴을 형성한다. 이때 제1 코어(30-1)층의 중앙 부분은 홀을 갖도록 패터닝을 한다.

최근에는 PR을 직접 식각마스크로 사용하여 코어층을 형성하려는 시도가 이루어지고 있다. 이 경우 금속층의 식각을 생략된다. 금속층이나 PR을 식각 마스크로 하여 제1 코어(30-1)층을 건식식각한다.

식각작업 후 식각마스크를 건식 또는 습식 방법으로 제거한다.

이어, 폴리머를 상기 홀 및 제1 코어(30-1)층, 그리고 하부클래드(20-1)층 상에 스핀코팅하고, 250~300 ℃ 정도의 온도에서 세정을 통한 경화작업을 하여 코팅한다. 제1 코어(30-1)층의 중앙 부분에 삽입된 폴리머 만을 남겨두고 제거하여 제2 코어(30-2)층을 형성한다.

이때 건식식각이나 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법을 이용하여 실리카 제1 코어(30)층의 표면이 드러날 때까지 폴리머를 제거한다.

실리카 제1 코어(30-1)층 표면이 드러나면 PR을 스핀 코팅한 후 사진작업후 폴리머 제2 코어(30-2)층를 제외한 나머지 폴리머를 제거한다. 이때 폴리머와 함께 PR이 함께 제거가 되므로 폴리머가 제거되고 난 후에도 PR이 완전히 제거가 되어 코어 실리카 표면이 드러날때까지 식각을 계속한다.

폴리머 제2 코어(30-2)층 외에 PR 및 폴리머가 제거되고 난 후, 실리카로 상부클래드(40-2)층을 증착한다.

이후에 히터(50-1)를 위하여 금속층을 증착 및 사진묘사작업을 통한 패턴을 형성한다.

위와 같은 공정에 의하여 도4의 마하젠더형 간섭계형 열광학 스위치 및 도5a 및 도5b의 디지털형 열광학 스위치를 만들 수 있다.

도4의 간섭계형은 광이 두 개로 갈라진 후, 폴리머 제2 코어(30-4)층이 삽입된 두 개의 도파로를 각각 지나 다시 합쳐지게 되며, 하나의 도파로는 히터(50-2)에 의해 열이 가해져 폴리머 제2 코어(30-4)층의 굴절률이 변화되기 때문에 두 도파로 사이의 광의 경로차가 발생하여 광이 합쳐질 때 위상의 변화가 발생한다.

간섭계형 열광학 스위치는 도파로에서 갈라져 나온 두 분기 도파로 사이에 한쪽에 히터(50-2)를 통해 열을 가하여 굴절률을 다르게 만듦으로써 광의 경로차를 발생시켜 간섭현상을 만들어 스위칭한다.

즉, 같은 광원에서 나온 빛이 두 개로 갈라져서 다시 만나게 된다. 각 도파로의 굴절률 및 길이에 따라서 두 개의 광신호가 만나게 될 때 세기와 위상이 바뀌게 된다. 같은 세기의 빛이 합쳐질 때 위상에 따라 간섭에 의해 스위칭 된다. 따라서 스위치로 사용하고자 할 경우 매우 정밀한 위상조절과 세기의 조절이 필요하다.

도5a 및 도5b의 경우, 열의 분포 및 도파로의 설계에 따라 위 또는 아래의 구조가 최적화된 구조로 설계될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 열광학 스위치는 다음과 같은 효과가 있다.

실리카로 하부클래드와 코어층을 형성시킨 후 코어층을 식각할 때 도파로의 코어부분의 중심부분을 식각한 후 폴리머를 스핀 코팅하여 폴리머를 코어층의 중심부분에 삽입시킴으로써, 실리카보다 열광학계수가 큰 폴리머를 히터에 의해 열을 인가하여 굴절률을 조절함으로써 스위칭 효과를 크게 할 수 있다.

또한 실리카가 폴리머를 싸고 있으므로 산소투과에 의한 폴리머의 퇴화를 방지하여 소자의 신뢰성, 내구성을 보장하고, 상부클래드층으로 열광학 계수가 작은 실리카를 형성하여 열에 의한 굴절률 편차가 적은 특성을 이용하여 광이 코어층으로 잘 전파되도록 하고, 저온 및 고온의 다양한 온도범위에서 광이 도파되도록 하며 클래드층으로의 광모드의 분포세기를 줄이고 광손실을 방지할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 하부클래드층;

   상기 하부클래드층 상에 실리카로 형성된 제1 코어층;

   상기 제1 코어층 내부에 상기 제1 코어층보다 굴절률이 더 높은 폴리머로 형성된 제2 코어층;

   상기 제1, 제2 코어층 및 하부클래드층 상에 형성된 상부클래드층;

   상기 제1 및 제2 코어층 상부에 위치한 상기 상부클래드층 상에 적어도 하나의 금속 패턴으로 형성된 히터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 열광학 스위치.
2. 제1항에 있어서, 상기 하부클래드층은 상기 코어층의 실리카보다 굴절율이 작은 실리카로 형성됨을 특징으로 하는 열광학 스위치.
3. 제1항에 있어서, 상기 상부클래드층은 상기 코어층의 실리카보다 굴절율이 작은 실리카로 형성됨을 특징으로 하는 열광학 스위치.