KR100584703B1 - 평면 격자렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면 격자렌즈에 관한 것으로, 기판 위에 형성된 클래드층 및 코어층을 포함하여 구성되며 입사되는 레이저 광을 단일모드로 유지하는 광도파로와, 코어층 상부의 일정영역에 소정 길이의 격자 간격을 갖도록 형성되는 격자렌즈를 구비하되, 광도파로로 입사된 광은 격자렌즈의 수직방향으로 초점을 형성하도록 구성한다. 본 평면 격자렌즈를 이용하면, 모바일 광디스크 용 초소형 픽업 헤드에 사용할 수 있도록 한다.

모바일 광디스크, 초소형 격자렌즈, 단파장 레이저, 광픽업 헤드, 광도파로

Description

평면 격자렌즈 {Planar Focusing Grating Coupler}

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 광도파로를 형성하는 과정을 나타낸 도면들이다.

도 2a 내지 도 2c는 광도파로 위에 격자렌즈를 제작하는 과정을 순서대로 나타낸 도면들이다.

도 2d는 본 발명의 실시예에 따라서 실제 설계된 격자렌즈의 격자간격을 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 실제 설계된 격자렌즈를 초미세 가공기술을 적용하여 제작한 것의 일부를 전자 현미경으로 관찰한 도면이다.

도 4a는 도 3의 제작예에 따른 격자렌즈의 광점을 실제 측정한 결과를 보여주는 그림이고, 도 4b는 격자렌즈의 광점에 대한 전산모사에 의한 계산치를 나타낸 도면이다.

본 발명은 단파장 레이저 및 고개구율 렌즈를 이용하여 작은 광점을 얻기 위 해 입사 레이저 광원의 단일모드를 유지하는 평판형 광도파로와 고개구율로 집광시키기 위한 미세 회절격자를 이용하는 평면 격자렌즈를 제공한다.

CD, DVD 및 BD로 잘 알려진 광디스크 드라이브의 핵심장치인 픽업헤드에는 광학렌즈, 광분리기를 비롯한 광학부품과 레이저 다이오드, 포토 다이오드 및 초점/트랙킹 서보 장치 등 많은 부품으로 이루어져 있어 하드디스크(HDD)로 알려져 있는 자기 디스크 드라이브 헤드에 비해 부피가 크고 무거운 것이 최대 단점이다.

이에 따라 접근속도 및 데이터 전송속도 등에서 크게 불리한 점으로 작용한다. 최근에는 이동/휴대용 정보기기에 적용하기 위한 대용량 저장장치로서 초소형 광디스크 드라이브가 연구개발 되고 있는데 위에서 언급한 바와 같은 단점들을 획기적으로 개선시킬 기술이 필요하다.

그 중의 하나로써 대물렌즈 대신에 미세 광학격자로 구성된 집광형 평면격자렌즈(Focusing Grating Coupler)를 사용하므로써 크기를 대폭 줄이고 무게를 경감시키는 기술이 제안되었다. 격자렌즈는 유리 및 플라스틱 재질의 구면렌즈 대신에 빛의 파장보다 더 미세한 초미세 격자를 평면 상에 가공하여 입사한 레이저 광을 한 점으로 집광시키는 장치로서 이를 적용할 경우 픽업헤드의 핵심부분을 반도체 칩 크기 이하로 줄일 수 있으며 이에 따라 접근속도 및 데이터 전송속도를 크게 개선시킬 수 있다.

이 경우 평면 격자렌즈가 대물렌즈의 역할을 대신하면서 기록밀도를 증가시키기 위해서는 레이저 광의 최소 광점(minimum spot size) 크기가 충분히 작아야 하는데 광점의 크기는 다음의 식 (1)과 같은 관계를 가진다.

여기서 λ는 입사파장, n은 매질의 굴절률, NA는 렌즈의 개구율로서 조리개각 θ에 대해 n.sinθ로 나타낸다.

따라서, 최소 광점을 실현하기 위해서는 일반적으로 입사하는 광원으로 청색 이하의 단파장 레이저를 사용하거나 렌즈의 개구율(NA; numerical aperture)을 증가시켜야 한다. 이를 위해서는 가능한 한 단파장의 레이저를 사용하면서 개구율을 증가시키기 위해 짧은 초점거리 및 큰 렌즈의 크기, 즉 격자의 결합면적(coupling area)을 증가시키거나 결합각도를 증대시켜야 한다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 모바일 광픽업의 핵심부품인 대물렌즈의 초경량화, 고성능화, 초소형화를 위하여 반도체 칩 크기인 격자렌즈를 제작하는 기술로서 고개구율을 실현하는 평면 격자 렌즈를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 최근 연구개발 중인 BD 및 차세대 광디스크 드라이브에 적용할 수 있는 405nm 이하의 청색 및 자외선 레이저를 사용하며 개구율도 0.85 이상의 고기능 격자렌즈를 설계하고 제작하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 기판 위에 형성된 클래드층 및 코어층을 포함하여 구성되며 입사되는 레이저 광을 단일모드로 유지하는 광도파로; 및 상기 코어층 상부의 일정영역에, 소정 길이의 격자 간격을 갖도록 형성되는 격자렌즈를 구비하되, 상기 평판형 광도파로로 입사된 광은 상기 격자렌즈의 수직방향으로 초점을 형성하는 평면 격자렌즈를 제공한다.

"격자렌즈의 수직방향"이라 함은 격자렌즈가 차지하는 영역을 상부 수직방향으로 확대한 영역 내부의 전체 체적을 의미하는 것으로 이해될 수 있으며, 초점은 그 체적안에 포함되도록 구성된다. 더욱 바람직하게는, 초점은 격자렌즈가 차지하는 영역의 중심점 상부이다.

이와 같은 격자렌즈는 400nm 이하의 파장을 갖는 광에 적용가능하고, 바람직하게는 격자 간격이 350 내지 50nm 사이로 조절될 수 있다.

한편, 격자층의 간격은 위상합치 다이아그램을 이용하여 각 격자의 간격을 변화시켜 각 격자에서의 결합각이 렌즈의 중심으로 향하도록 구성할 수 있다.

바람직하게는 격자 간격의 변화율로서 최소결합각 및 최대 결합각으로 개구율을 결정하며 이 값이 0.6 이상이 되도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.

(광도파로)

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 광도파로를 형성하는 과정을 나타낸 도면들이다.

도 1a는 기판(20) 위에 클래드층(21)을 적층하고 이어서 코어층(22)을 적층하여 광도파로층을 형성한다. 여기에서 클래드층(21)은 코어층(22)보다 굴절률이 약간 낮아야 하며 그 차이는 레이저의 단일모드를 형성하는 데에 큰 영향을 미친다. 또한, 레이저 광원의 단일모드를 유지하기 위하여 광도파로 코어층(22)과 클래드층(21)의 굴절률 차이를 0.2% 이내로 제어하는 것이 바람직하다.

광도파로의 제작예를 살펴보면, 실리콘 기판(20) 상부에 5.09μm 정도의 두께로 굴절율이 약 1.4714인 실리콘 산화막의 클래딩층(21)을 형성한다. 그 상부에 2.01μm 정도의 두께로 굴절율이 약 1.4784인 BPSG(Boron-Silicate Glass)의 코어층(22)을 형성한다. 한편 그 상부에 형성되는 격자렌즈는 실리콘 질화막을 소정 간격으로 패터닝하여 형성할 수 있다.

도 1b는 코어층의 유효굴절률에 대하여 클래드층의 굴절률에 따라 레이저 광의 모드가 변화하는 것을 이론적으로 계산하여 나타낸 그래프이다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이 단일 모드 즉, m=1의 조건을 만족하는 범위를 구할 수 있다. 코어층의 두께 또한 단일 모드의 유지를 위하여 중요한 조건이 된다. 광도파로 코 어층과 클래드층의 굴절률 차이를 0.2% 이내로 제어하는 것이 바람직하다.

도 1c는 도 2a의 실제 제작된 광도파로에서의 레이저 단일모드를 확인하기 위하여 프리즘 커플러를 이용하여 실제 측정한 결과이다. 이 결과에서 코어층에서는 단일 모드(23)가, 클래드층에서는 혼합모드(24)가 형성된 것을 확인할 수 있다.

(격자렌즈의 설계 및 제작)

도 2a 내지 도 2c는 광도파로 위에 격자렌즈를 제작하는 과정을 순서대로 나타낸 도면들이다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 격자렌즈를 설계하기 위하여 이용되는 위상합치 다이아그램(Phase match diagram)을 나타내고 있다. 도 2a의 각 벡터들을 살펴보면, 클래드층 파장벡터(31,nsk), 코어층의 파장벡터(유효파장벡터)(32,Neffk) 및 공기층의 파장벡터(30:nck)와 최소격자 벡터(33a;Kmin), 최대격자 벡터(33b;Kmax), 최소 결합각 파장벡터(34a), 최대 결합각 파장벡터(34b), 최대 결합각도(θmax:35a), 최소 결합각도(θmin =- θmax)를 나타낸다. 한편, ns는 클래드층의 굴절률, nf는 코어층의 굴절률, nc는 공기층의 굴절률을 나타내며, k는 레이저 파장벡터로 k=2π/λ이고 K는 격자 벡터(33,34)로서 격자간격을 Λ라 할 때 K=2π/Λ이다.

격자벡터 K의 크기에 따라 레이저광과 격자 간의 결합각도(coupling angle)가 변하며, 격자렌즈의 역할을 하기 위해서는 각 격자 간격이 일정하게 변화하여 결합된 레이저 광이 일정한 위치, 즉 초점(focal point)에 도달되어야 하는 것을 알 수 있다.

이 때, 초점이 격자렌즈 수직 상방 중심에 위치하도록 구성하면, 개구율 (numerical aperture)을 최대로 할 수 있다. 이 경우 개구율 NA는 최대 결합각도 θ(37)에 대해 ncsinθ로 표현된다. 따라서, θ는 90도에 가까울 수록 큰 개구율을 가지게 된다. 바람직하게는, 초점은 격자렌즈의 격자렌즈이 차지하는 영역을 상부 수직방향으로 확대한 영역 내부에 형성될 수 있도록 구성한다. 전술한 바와 같이 가장 바람직하게는 초점은 수직 상방 중심에 위치하도록 구성한다.

초점거리 f는 개구율 NA에 대하여 다음 식(2)의 관계를 가진다. 여기에서 L은 정방형 격자렌즈의 한 변 길이이다.

도 2b는 격자렌즈의 개구율을 결정한 후 최소 및 최대 격자 간격과 초점거리를 계산하는 과정을 나타낸 수식이다. Neff=1.4627, 파장 400nm인 경우, 개구율(N.A)에 따른 초점거리(Focal length), 광점(spot size), 최소 격자 간격을 나타내고 있다. 이를 바탕으로 BD(Blue-ray Disc)의 개구율 0.85와 DVD의 개구율 0.6인 경우, 최소 및 최대 격자간격을 구할 수 있다. 따라서, 이와 같은 방식으로, 렌즈의 개구율을 0.85 이상으로 구현하기 위한 격자들 간의 간격, 최소 간격 및 최대 간격을 정하고, 초점의 위치를 격자렌즈의 수직상방에 위치하는 격자 모양을 설계할 수 있다.

그 결과, 고개구율을 얻기 위한 최소 격자간격은 입사 파장의 1/4 내외에 이 르렀으며 청색 레이저의 경우 100nm 이하까지 구현해야 한다. 이러한 반도체 가공을 위해서 극미세패턴 형성의 공정기술을 필요로 한다. 바람직하게는 청색레이저에 응용하기 위해서는, 격자 간격이 350 내지 50nm 사이로 조절한다.

도 2c는 격자의 곡률을 결정하는 과정을 설명하기 위한 것으로 레이저 다이오드(S)에서 출발한 광이 격자렌즈의 중심(O)를 거쳐 초점(15b)에 도달하는 경우를 기준으로 임의의 점 P(x,y)와의 경로차 Δ를 계산하고 이 값이 파장의 정수 배에 해당하는 위치가 격자가 되도록 하였다. 다음의 식(3)은 이러한 관계를 나타낸 것이다.

여기에서 Neff는 광도파로층의 유효굴절률, r은 레이저 다이오드 원점과 격자렌즈 중심부와의 거리(17), f는 초점거리(13b)이며 점 P의 궤적을 (x,y) 좌표로 나타내었다. 도2d는 이와 같은 방식으로 실제 제작된 격자렌즈의 패턴을 도면으로 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 실제 설계된 격자렌즈를 초미세 가공기술을 적용하여 제작한 것의 일부를 전자 현미경으로 관찰한 것이다. 여기서 최소선폭은 85nm이었고, 개구율은 0.85, 격자렌즈의 크기는 가로 세로 1mm이며, 초점거리는 310㎛이다. 실제 제작된 격제렌즈의 다른 수치를 살펴보면, 5.09μm 정도의 두께로 굴절율이 약 1.4714인 클래딩층, 2.01μm 정도의 두께로 굴절율이 약 1.4784 코어층을 가지고 있었다. 85nm의 미세가공을 위하여 반도체 공정 용 전자선 묘화기술 (e-beam lithography)을 적용하였다.

한편, 도 4a는 도 3의 제작예에 따른 격자렌즈의 광점을 실제 측정한 결과를 보여주는 그림이고, 도 4b는 격자렌즈의 광점에 대한 전산모사에 의한 계산치를 나타낸 것이다. 여기에서는 설계와 공정이 이상적으로 이루어졌을 경우에 예상되는 광점의 크기와 형태를 2차원 및 3차원 도면으로 보인 것이다. 본 실시예에서는 광점의 크기가 반치폭을 측정하였을 때 470nm인 것으로 나타났다.

결론적으로, 본 발명의 기술적 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 초소형 광디스크의 픽업모듈에 사용되는 핵심부품으로써 대물렌즈 대신에 활용할 수 있는 고밀도 정보저장을 위한 단파장의 레이저용 격자렌즈를 제작할 수 있다.

또한, 초소형 초경량의 이동/휴대용 대용량의 광디스크 저장장치가 가능해진다. 동전크기의 디스크에 고화질 영화 2편 이상을 저장하며, 휴대폰이나 디지털 카메라에 장착하여 비디오 메일의 전송, 답신 및 고화질 영상녹화, 3차원 게임이나 대용량 소프트웨어 실행 등의 기능을 저가격으로 수행할 수 있다.

따라서 집광을 할 수 있는 미세 격자를 제작하여 부피와 무게를 크게 줄일 경우 초소형의 모바일 광디스크 용 픽업헤드에 적용하여 매우 큰 효과를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 기판 위에 형성된 클래드층 및 코어층을 포함하여 구성되며, 입사되는 레이저 광을 단일모드로 유지하는 광도파로; 및

   상기 코어층 상부의 일정영역에, 소정 길이의 격자 간격을 갖도록 형성되는 격자렌즈를 구비하되,

   상기 격자들은 파장의 정수배에서 하기식을 만족하는 위치(x,y)에 형성되며, 상기 광도파로로 입사된 광은 하기 수식을 통해 타원 일부의 형태를 갖는 격자렌즈의 수직방향으로 초점을 형성하는 것을 특징으로 하는 평면 격자렌즈.

   

   (Neff는 광도파로층의 유효굴절률, r은 레이저 다이오드 원점과 격자렌즈 중심부와의 거리, f는 초점거리, △는 광이 격자렌즈의 중심을 거쳐 초점에 도달하는 경우를 기준으로 임의의 점 P와의 경로차, (x,y)는 상기 점 P의 궤적을 좌표로 나타낸 좌표값)
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 격자렌즈의 수직방향은 상기 격자렌즈의 상기 일정영역의 중심점 상부 인 것을 특징으로 하는 평면 격자렌즈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 격자 간격은 350 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 평면 격자렌즈.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 클래드층과 상기 코어층의 굴절률은 0.2% 이내로 조절되는 것을 특징으로 하는 평면 격자렌즈.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   400nm 이하의 파장을 갖는 광에 적용되는 것을 특징으로 하는 평면 격자렌즈.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 격자의 간격은 위상합치 다이아그램을 이용하여 각 격자의 간격을 변화시켜 각 격자에서의 결합각이 렌즈의 중심으로 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 평면 격자렌즈.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 격자 간격의 변화율로서 최소결합각 및 최대 결합각으로 개구율을 결정하며 이 값이 0.6 이상이 되는 것을 특징으로 하는 평면 격자렌즈.
8. 삭제

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