KR101198444B1 - 패터닝된 클래딩을 구비한 평면 도파관 및 그 제조 방법 - Google Patents

패터닝된 클래딩을 구비한 평면 도파관 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광 전송 소자(13)의 적어도 일 측면 또는 일 단부(32)가 에어 클래드인 개방부를 정의하는 패터닝된 클래딩(60)을 구비한 통합형 광 도파관. 에어-클래드 영역은 바람직하게는 도파관(30)을 구비한 일체형 렌즈 구조이고, 또는 도파관에서는 굴곡에 존재한다. 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 통합형 광 도파관 제조 방법은, 소정의 파장을 통과시키는 기판의 일부분 상에 소정의 파장을 통과시키지 않는 패터닝된 차단층(110)을 형성하는 단계; 코어층을 위에서부터 패터닝하여 광 전송 소자를 제공하는 단계; 광 전송 소자 및/또는 패터닝된 차단층 및/또는 기판의 피복되지 않은 부분 상에 소정의 파장의 광(116)에 노출시킴으로써 경화가능한 물질을 포함하는 상부 클래딩층을 적층하는 단계; 소정의 파장의 광(116)을 상부 클래딩층 아래로부터 조사하여 패터닝된 차단층 위에 배치되지 않은 상부 클래딩층의 일부를 경화시키는 단계; 및 상부 클래딩층의 비경화성 부분을 제거하는 단계를 포함한다.
광 도파관, 코어, 클래딩, 광 전송 소자, 일체형 렌즈 구조

Description

패터닝된 클래딩을 구비한 평면 도파관 및 그 제조 방법{PLANAR WAVEGUIDE WITH PATTERNED CLADDING AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 패터닝된 상부 클래딩(upper cladding)을 구비한 통합형 광 도파관(integrated optical waveguide) 및 상부 클래딩을 패터닝하기 위한 방법에 관한 것이다.
통합형 광 도파관은, 통상적으로는 패터닝된 (굴절률 n1 의) 광 도파 코어층(light guiding core layer)이 클래딩 물질(굴절률 n2, n2＜n1)로 둘러싸이고, 기계적 강도가 좋은 기판상에 탑재되어 구성된다. 이러한 도파관은, 일반적으로는 다이싱 톱(dicing saw)으로 기판 및 도파관 구조를 절삭한 후, 산란 중심(scattering center)을 제거하는 연마 공정(polishing step)을 통해 흔히 제공되는 평탄한 끝면(end face)을 갖는다. 도파관을 따라 전파되는 광은 코어와 클래딩 간의 굴절률 차에 의해 코어 내에서 도파된다.
도면을 참조하면, 도 1a 및 1b는, 기판(11), 하부 클래딩층(12), 광 도파 코어(13) 및 상부 클래딩층(14)을 포함하며, 본 기술분야에 공지된 통상적인 통합형 광 도파관(10)의 끝면의 측면도 및 단면도를 도시한다. 물질 체계에 따라, 하부 클래딩층, 코어층 및 상부 클래딩층을 적층하는 다양한 기법을 쓸 수 있다. 이런 기법에는 화염수화 적층(flame hydrolysis), 또는 (예를 들어, 글래스에 대한) 화학 기상 증착(chemical vapor deposition), (예를 들어, 반도체에 대한) 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy), 및 (예로, 폴리머에 대한) 스핀 코팅들이 포함된다. 코어층은 (대부분의 물질에 대해 적합한) 포토리소그래피 및 반응성 이온 에칭법, 또는 (예를 들어, 광 패터닝 가능한 폴리머에 대한) 포토리소그래피 및 습식 에칭법 중 어느 하나에 의해 패터닝될 수 있다. 하부 클래딩층(12) 및 상부 클래딩층(14)의 굴절률은, 광이 코어 내에 국한되도록 코어(13)의 굴절률보다 작을 필요가 있다. 흔히, 하부 클래딩층(12) 및 상부 클래딩층(14)은 동일한 굴절률을 가져서 도파 모드가 대칭이 되게 할 수 있지만, 이 성질이 꼭 필요한 것은 아니다. 기판 물질(11)이 투명성(transparent)을 갖고, 코어 물질(13)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 경우, 하부 클래딩층(12)은 생략될 수 있다.
통상적으로, 평면 도파관은, 그 단면이 정사각형 또는 사각형이며, 광 전송형의 긴 코어 영역(light transmissive elongated core region)을 갖는다. 종래에, 저면(bottom face)은 기판에 인접한 또는 기판에 가장 가까운 면으로 정의된다. 상면(top face)은 저면에 평행하지만 기판으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 면을 말한다. 측면은 기판에 수직인 면을 말한다.
본 기술분야에서의 상술한 통합형 광 도파관에서, 코어는 상부 클래딩 또는 하부 클래딩 중 어느 하나의 클래딩 물질에 의해 둘러싸인다. 그러나 이런 구조만을 가져야 할 필요는 없고, 어떤 응용예에서는 코어의 적어도 일 부분이 적어도 일 측면 상에서 클래딩 물질과 접촉하지 않는 것이 좋을 때가 있다. 따라서 본 발명의 한 양상은, 적어도 일 영역에서, 코어의 적어도 일 측면이 상부 클래딩 물질과 접촉하지 않도록 상부 클래딩층이 패터닝된 통합형 광 도파관에 관한 것이다.
도파관 코어에서의 응력을 줄이기 위하여, 패터닝된 상부 클래딩이 US 5,850,498 및 US 6,555,288에 개시되어 있다. 상기 특허문헌에 있어서, 패터닝된 상부 클래딩은 "콘포멀(conformal)"인 것으로 기술되고, 상부 클래딩은 코어의 형상과 거의 일치하는 형상을 갖는데, 다시 말해, 코어는 (기판 혹은 하부 클래딩 물질과 접촉하는 저부(bottom)를 제외하고) 상부 클래딩 물질의 얇은 층으로 둘러싸여 있다. 이는, 적어도 일 영역에서 코어의 적어도 일 측면이 상부 클래딩 물질과 접촉하지 않도록 상부 클래딩층이 패터닝되는 본 발명의 패터닝된 상부 클래딩과는 다르다.
코어의 적어도 일 영역이 적어도 일 측면 상에서 클래딩 물질과 접촉되지 않는다는 애플리케이션은 일체형 렌즈 구조(unitary lens structure)를 갖는 통합형 광 도파관에서 유용하다. 상술한 바와 같이, 광은 코어와 클래딩층 간의 굴절률 차에 의해 통합형 광 도파관을 따라 도파된다. 그러나 광이 코어를 탈출하여 자유 공간(혹은 실제 공기 중)으로 나갈 때, 그 광은 즉시 발산한다. 이러한 발산은, 2차원적으로 기판에 평행 및 수직으로 일어난다. 시준 출력빔(collimated output beam)을 원하는 경우, 볼록(즉, 수렴) 렌즈가 요구된다. 마찬가지로, 수렴 렌즈는 시준빔을 통합형 광 도파관에 집광하는 데 요구된다.
하나의 해결책은 볼 렌즈(ball lens) 혹은 원통형 GRIN(cylindrical gradient refractive index) 렌즈와 같은 개별 엘리먼트(discrete element)를 이용하는 것이지만, 그러한 렌즈는 크기가 작아 다루기 어렵고, 2차원에서의 정확한 정렬을 필요로 하며, (고유 반사 손실을 갖는) 추가적인 인터페이스를 도입한다. 그러므로 렌즈 구조를 광 도파관과 통합하는 것이 바람직하다. 프레넬 렌즈(US 4,367,916, US 4,445,759) 및 브래그 렌즈(US 4,262,996, US 4,440,468)를 포함하는, 많은 유형의 통합형 렌즈는 여러 해에 걸쳐 제안되어 왔다. 이러한 렌즈들은 (기판에 언제나 평행인) 렌즈 구조의 면에서, 1차원적으로 포커싱을 제공한다.
또 다른 가능성은 단면에 GRIN 렌즈를 제작하는 것이다(US 5,719,973). 이러한 렌즈는 2차원적으로 포커싱을 제공하지만, 원통형 대칭을 갖고, 이로써 통합형 광 도파관(이는 통상적으로 직사각형 형상)보다 광섬유에 더욱 적합하다.
렌즈 구조를 광 도파관과 통합하기 위한 하나의 방법은, 도파관의 끝면에 렌즈형 돌출부(lens-shaped protrusion)를 생성하는 것이다. 이는, 돌출된 코어를 남겨 두도록 클래딩을 선택적으로 에칭하고, 도파관 물질을 연화점(softening point)으로 가열하여 얻을 수 있어, 각진 돌출부가 라운딩 된 볼록 렌즈 형상이 된다. 그러한 구조는 2차원적으로 포커싱을 제공한다.
도 2a, 2b 및 2c는, US 5,432,877에 기술된 바와 같이, 통합형 광 도파관의 끝면상에, 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 렌즈를 제조하기 위한 방법을 도시한다. 본 실시예에 따르면, 도 2a는 기판(11)(예를 들면, 실리콘), 하부 클래딩(12) 및 상부 클래딩(14)(둘 다 붕소 및 인으로 도핑된 실리카를 포함함) 및 코어(13)(붕소, 인 및 게르마늄으로 도핑된 실리카를 포함함)를 도시한다. 도파관(10)의 끝 면은, 클래딩층을 우선적으로 에칭하는 버퍼된 플루오르화 수소산 용액(buffered hydrofluoric acid solution)에서 도파관(10)의 끝면이 에칭되어 코어 물질의 돌출부(20)를 남긴다. 최종적으로, 에칭된 도파관은 약 1000℃로 가열되어 코어를 연화하고, 표면 장력(surface tension)이 돌출 코어를 형성하여, 거의 콘 형상(cone-shaped)인 렌즈(21)를 생성한다.
그러한 화학적 에칭 기법은 US 5,432,877 및 US 6,341,189에서 실리카 글래스 기반 도파관에 대하여 설명되었다. 그러나 그러한 기법은 클래딩(예를 들어, 실리카)과 코어(예를 들어, 게르마늄 도핑된 실리카) 간의 차별적인 에칭 속도(etch rate)에 따라 적용이 제한된다. 예를 들어, 선택적 화학 에칭은 일반적으로 폴리머 기반의 통합형 광 도파관에 대해서는 이용할 수 없다. 더욱이, 열 라운딩(thermal rounding) 처리는 코어 물질이 연화점을 갖는 경우에만 이용될 수 있으며, 따라서 실리콘 및 다른 반도체와 같은 결정 물질 및 비열가소성(non-thermoplastic) 폴리머는 제외한다. 또한, 원하는 렌즈 형상이 획득되어야 한다면, 에칭 및 연화 처리는 정밀하게 제어되어야 한다.
화학 에칭 기반 기법의 다른 단점은, 광 도파관 회로 칩들이 다이스(개별 칩으로 커팅 또는 브레이킹)된 후에만 렌즈 구조가 준비될 수 있다는 점이다. 많은 칩이 동시에 수집 및 에칭될 수 있지만, 이는 여전히 주의 깊은 처리 및 여분의 처리 공정을 필요로 한다.
본 발명은 전술한 종래기술의 단점의 일부 또는 전부를 방지하는, 패터닝된 상부 클래딩 및 일체형 렌즈 구조를 구비한 광 도파관을 제조하는 방법에 관한 것 이다. 일체형 렌즈는 곡면을 포함하는데, 이를 통해 광이 자유공간으로 진행한다. 이 곡면은 에어 계면(air interface)을 가져야 하므로, 어떤 상부 클래딩은, 적어도 이 곡면이 클래딩 물질과 접촉하지 않도록 패터닝되어야 한다.
본 발명에서 기술된 일체형 렌즈 구조는 기판에 평행한 차원에서 집광할 수 있다. 수직 방향에서의 집광을 원한다면, 트랜스버스 원통형 렌즈와 같은 외부 렌즈가 이용될 수 있다. 이 구성은 외부 볼 또는 GRIN 렌즈를 필요로 하는 종래의 다른 구성보다 우수한데, 이는, 외부 렌즈가 정확하게 2차원적으로 위치되는 것을 요구하기 때문이다. 대조적으로, 외부 트랜스버스 원통형 렌즈는 수직 방향으로 정확히 위치될 필요가 있다. 이것은 특히 복수의 배열 소자에 대한 수직 집광을 제공하기 위하여, 하나의 트랜스버스 원통형 렌즈가 이용될 수 있는 일체형 렌즈 구조의 배열을 구비한 디바이스에서 유용하다.
코어의 적어도 일 영역이 적어도 일 측면 상에서 클래딩 물질과 접촉하지 않는 것이 바람직한 제2 애플리케이션은, 광이 작은 굴곡 반경을 갖는 곡선 주위로 배향되는 통합형 광 도파관 디바이스이다. 이런 상황은, 급격한 굴곡을 구현함으로써 디바이스의 풋프린트(footprint)가 저감될 수 있기 때문에 (그러므로 기판당 더 많은 디바이스가 제조됨), 통합형 광 도파관 디바이스의 설계시에 빈번하게 발생한다. 이론에 구속되지 않고, 광 도파관을 구부리면, 도파 모드가 교란되어, 굴곡 바깥으로 도파 모드가 누설되는 경향이 있어, 광 전력에 손실을 초래한다는 사실이 잘 알려져 있다. 큰 굴곡 반경(즉, 점진적인 굴곡)의 경우, 이러한 손실은 무시해도 좋은 정도이지만, 굴곡 반경이 감소함에 따라 손실이 허용되지 않는 경우 에 이르게 된다. 주어진 굴곡 반경의 경우, 손실은 코어와 클래딩 간의 굴절률 차에 좌우되는데, 이 굴절률 차가 커지면(즉, 도파 모드가 보다 급격하게 바운드되면), 손실은 작아진다. 굴곡으로 인한 손실은 싱글 모드 및 멀티모드 도파관 둘 다에서 발생한다. 멀티모드의 경우, 차수의 모드가 높을수록(약하게 도파됨), 굴곡 손실이 높아진다(즉, 먼저 손실되는 경향이 있다).
일반적으로, 코어-클래딩 굴절률 차는, 코어가 자유공간(실용어로는 에어)에 둘러싸여 있을 때, 즉 "클래딩"이 1의 굴절률을 갖는 경우에 최대가 된다(그러므로 굴곡 손실은 최소가 됨). 통합형 광 도파관 디바이스의 경우, 일반적으로 굴곡은 기판에 평행한 하나의 면에서만 발생한다. 굴곡 손실은 굴곡 면에서만 발생하기 때문에(즉, 광은 측벽을 통해 누설됨), 측벽만은 "에어 클래드"가 될 필요가 있다. 특히, 굴곡 외부의 측벽이 에어 클래드가 될 필요가 있다. 도 1a 및 1b를 참조하면, 통합형 광 도파관 디바이스가 급격한 굴곡을 갖는 경우, 상부 클래딩(14)은 생략하는 것이 유용하다. 그러면 코어(13)는, 굴곡 손실의 관점에서는 중요하지 않은 저면상의 클래딩 물질(하부 클래딩(12))하고만 접촉한다.
평면 도파관에서의 상부 클래딩을 생략하는 단점은, 그 구조의 기계적 강도가 불충분할 수도 있고, 즉 표준 기법을 이용하여 그 구조를 처리할 수 없다는 점이다. 예를 들어, 고속 톱으로 다이싱을 하면, 코어는 하부 클래딩으로부터 벗어날 수 있다. 또한, 노출된 코어 구조는 기계적 손상을 입기가 매우 쉽고, 외부 먼지에 의해 산란 중심을 형성하기가 매우 쉽다. 이러한 이유로, 급격한 굴곡을 갖는 통합형 도파관 디바이스에서, 상부 클래딩 물질이 급격한 굴곡을 둘러싸는 영역 을 제외한 모든 영역에 존재하도록 상부 클래딩을 패터닝하는 것이 유용하다.
유사하게, 일체형 렌즈 구조를 갖는 통합형 도파관 디바이스에서, 상부 클래딩 물질이 일체형 렌즈 구조를 둘러싸는 영역을 제외한 모든 영역에 존재하도록 상부 클래딩을 패터닝하는 것이 유용하다.
본 발명의 제1 양상은, 코어가 적어도 일 영역에서 클래딩 물질과 접촉하지 않도록 상부 클래딩이 패터닝되는 통합형 광 도파관에 관한 것이다. 본 발명의 제2 양상은 상부 클래딩층을 패터닝하는 방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이, 평면 도파관은, 상면과 하면 그리고 두 측면을 갖는, 단면 부분이 사각형 또는 직사각형인 광 전송형의 긴 코어 영역을 갖는다. 이러한 평면 도파관은 2개의 단부를 가질 것이다. 이들 단부가 기판에 수직이기 때문에, 본 발명의 목적을 위하여 측면으로서 간주할 수도 있다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, 이하의 단계를 포함하는 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 통합형 광 도파관을 생성하는 방법이 제공된다.
a) 기판상에 코어층을 적층하되, 그 사이에 하부 클래딩층을 선택적으로 구비하는 적층 단계;
b) 상기 코어층을 패터닝하여 광 전송 소자를 제공하는 단계;
c) 상기 광 전송 소자 상에 상부 클래딩층을 적층하는 단계; 및
d) 상부 클래딩을 패터닝하여, 상기 광 전송 소자가 에어 클래드(air clad)인 적어도 일 영역을 제공하는 단계.
본 발명의 제2 양상에 따르면, 이하를 포함하는 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 통합형 광 도파관이 제공된다.
기판;
선택적 하부 클래딩층;
광 전송 소자; 및
적어도 하나의 에어 클래드(air clad) 영역을 갖는 패터닝된 상부 클래딩.
코어층의 패터닝은, 일반적으로 기판 또는 (만일 이용되었다면) 하부 클래딩층의 일 부분이 피복되지 않게 될 것이다. 이러한 상황에서, 이 피복되지 않은 부분은 적용되는 상부 클래딩으로 전체 또는 부분적으로 재코팅될 수도 있다는 점을 이해하게 될 것이다. 상부 클래딩의 패터닝은, 기판 또는 하부 클래딩층의 일부분이 피복되지 않도록 할 수도 있다.
또한, 본 발명은, 광 전송 부분의 특정 측면 또는 단부 영역이 클래딩되지 않고 남아있는 것을 개시하고 있지만, 본 기술분야의 숙련자는 관심있는 기능 영역과는 별개로, 기계적 손상 및 산란 손실을 방지하기 위해서는 광 전송형 코어가 가능한 한 클래딩되는 것이 좋다는 점을 이해할 것이다.
대안적인 실시예에서, 광 전송 소자는 도파관 및 렌즈를 일체형 보디로서 포함한다. 바람직하게는, 렌즈는 곡면을 갖고, 상부 클래딩의 패터닝 단계는 곡면이 상부 클래딩 물질과 접촉하지 않도록 한다.
대안으로, 광 전송 소자는 굴곡(bend)을 갖는 도파관을 포함한다. 바람직하게는, 상부 클래딩의 패터닝 단계는 굴곡의 영역에서 도파관이 상부 클래딩 물질과 접촉하지 않도록 한다. 더욱 바람직하게는, 도파관은 굴곡의 외부에 대응하는 측면 상에서 상부 클래딩 물질과 접촉하지 않는다.
바람직하게는, 상부 클래딩층은 폴리머 물질, 특히 열 경화성 폴리머를 포함할 수 있다. 따라서, 상부 클래딩층은 패터닝된 열 소스에 의해 선택적으로 경화함으로써 패터닝되고, 비경화된 물질은 용매에 용해되며, 경화된 물질은 용매에 용해되지 않는 것이 바람직하다.
대안으로, 상부 클래딩층은, 화학 방사선, 바람직하게는 자외선 광에 의해 경화가능한 폴리머를 포함한다. 따라서, 상부 클래딩층은 자외선 광의 패터닝된 소스에 의해 선택적으로 경화함으로써 패터닝되고, 비경화된 물질은 용매에 용해되며, 경화된 물질은 용매에 용해되지 않는 것이 바람직하다.
일반적으로 폴리머는 실록산 폴리머(siloxane polymer)인 것이 바람직하고, 기판은, 실리콘, 실리카, 글래스 또는 폴리머를 포함하는 것도 바람직하다. 폴리머 기판의 예는, 아크릴, 퍼스펙스(Perspex), 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌에테르프탈레이트 및 PET를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
바람직하게는, 하부 클래딩 및 광 전송 소자는, 폴리머 물질, 글래스 및 반도체로부터 선택된 물질을 포함한다.
더욱 바람직하게는, 하부 클래딩 및 광 전송 소자는, 화학 방사선, 특히 자외선 광에 의해 경화가능한 폴리머, 바람직하게는 실록산 폴리머를 포함한다.
본 발명의 제3 양상에 따르면, 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 광 도파관 디바이스를 제조하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은,
a) 소정의 파장을 통과시키는 기판의 일부분 상에 상기 소정의 파장을 통과시키지 않는 패터닝된 차단층을 형성하는 단계;
b) 상기 패터닝된 차단층 및/또는 상기 기판의 피복되지 않은 부분 상에 코어층을 적층하는 단계;
c) 상기 코어층을 위에서부터 패터닝하여 광 전송 소자를 제공하는 단계;
d) 상기 광 전송 소자 및/또는 상기 패터닝된 차단층 및/또는 상기 기판의 피복되지 않은 부분 상에 상기 소정의 파장의 광에 노출시킴으로써 경화가능한 물질을 포함하는 상부 클래딩층을 적층하는 단계;
e) 상기 소정의 파장의 광을 상기 상부 클래딩층 아래로부터 조사하여 상기 패터닝된 차단층 위에 배치되지 않은 상기 상부 클래딩층의 일부를 경화시키는 단계; 및
f) 상기 상부 클래딩층의 비경화성 부분을 제거하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 제4 양상에 따르면, 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 광 도파관 디바이스를 제조하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은,
a) 소정의 파장을 통과시키는 기판의 일부분 상에 상기 소정의 파장을 통과시키지 않는 패터닝된 차단층을 형성하는 단계;
b) 상기 차단층 및/또는 상기 기판의 피복되지 않은 부분 상에 하부 클래딩층을 적층하는 단계;
c) 상기 하부 클래딩층 상에 코어층을 적층하는 단계;
d) 상기 코어층을 위에서부터 패터닝하여 광 전송 소자를 제공하는 단계;
e) 상기 광 전송 소자 및/또는 상기 하부 클래딩의 피복되지 않은 부분 상에 상기 소정의 파장의 광에 노출시킴으로써 경화가능한 물질을 포함하는 상부 클래딩층을 적층하는 단계;
f) 상기 소정의 파장의 광을 상기 상부 클래딩층 아래로부터 조사하여 상기 패터닝된 차단층 위에 배치되지 않은 상기 상부 클래딩층의 일부를 경화시키는 단계; 및
g) 상기 상부 클래딩층의 비경화성 부분을 제거하는 단계
를 포함한다.
바람직하게는, 패터닝된 차단층은 스크린 인쇄에 의해 형성된다. 차단층은 소정의 파장의 광을 흡수하는 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상부 클래딩층은 소정의 파장의 광, 바람직하게는 자외선 영역에 존재하는 광에 노출시킴으로써 경화가능한 폴리머를 포함한다. 폴리머는 실록산 폴리머인 것이 바람직하다.
몇몇 실시예에서, 패터닝된 차단층은, 기계적 연마 또는 화학적 에칭에 의해 형성될 수도 있는 산란 표면의 패턴을 포함하는 것이 바람직하고, 산란 표면은 소정의 파장의 광을 산란시켜, 광의 전송을 효과적으로 차단한다.
코어층이 기판상에 패터닝될 때, 일반적으로 기판의 피복되지 않은 부분이 생길 것이라는 점을 인식하게 될 것이다. 패터닝된 차단층의 일부 또는 전부는 또한 피복되지 않을 수도 있다. 기판 및/또는 차단층은 일반적으로 상부 클래딩층으로 재코팅될 것이다. 기판을 통과하는 경화성 광으로 포토리소그래피를 수행하여, 차단층 위의 부분은 일반적으로 세정된다. 예를 들어 기계적 수단에 의해 다른 영역들이 마스크되어 기판 또는 코팅층을 피복하지 않을 수도 있다.
코어층이 하부 클래딩층 상에 패터닝될 때, 일반적으로 하부 클래딩층의 피복되지 않은 부분이 생길 것이라는 점을 또한 인식하게 될 것이다. 하부 클래딩의 일부 또는 전부뿐만 아니라 패터닝된 차단층의 일부 또는 전부는 또한 피복되지 않을 수도 있다. 기판, 하부 클래딩층 및/또는 차단층은 일반적으로 상부 클래딩층으로 재코팅될 것이다. 기판을 통과하는 경화성 광으로 포토리소그래피를 수행하여, 차단층 위의 부분은 일반적으로 세정된다. 예를 들어 기계적 수단에 의해 다른 영역들이 마스크되어 기판 또는 코팅층을 피복하지 않을 수도 있다.
본 발명의 제5 양상에 따르면, 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 광 도파관 디바이스의 제조 방법을 제공하는데, 상기 방법은,
a) 소정의 파장의 광을 통과시키는 기판상에 하부 클래딩층을 적층하는 단계;
b) 소정의 파장의 광을 통과시키지 않는 패터닝된 차단층을 상기 하부 클래딩층 상에 형성하는 단계;
c) 상기 차단층 및/또는 상기 하부 클래딩층의 피복되지 않는 부분 상에 코어층을 적층하는 단계;
d) 상기 코어층을 위에서부터 패터닝하여 광 전송 소자를 제공하는 단계;
e) 상기 광 전송 소자 및/또는 상기 차단층 및/또는 상기 하부 클래딩층 상에 상기 소정의 파장의 광에 노출시킴으로써 경화가능한 물질을 포함하는 상부 클래딩층을 적층하는 단계;
f) 상기 소정의 파장의 광을 상기 상부 클래딩층 아래로부터 조사하여 상기 패터닝된 차단층 위에 배치되지 않은 상기 상부 클래딩층의 부분을 경화시키는 단계; 및
g) 상기 상부 클래딩층의 비경화성 부분을 제거하는 단계
를 포함한다.
바람직한 대안 실시예에서, 본 발명은,
ⅰ) 상기 패터닝된 차단층을 형성한 후, 그리고 상기 하부 클래딩층을 적층하기 전에 리프트-오프층을 형성하는 단계; 및
ⅱ) 상기 상부 클래딩층의 비경화성 부분을 제거한 후에 상기 리프트-오프층을 제거하여 상기 하부 클래딩층, 상기 광 전송 소자 및 상기 패터닝된 상부 클래딩을 상기 기판으로부터 분리시키는 단계
를 더 포함하는 방법을 제공한다.
바람직한 또 다른 대안 실시예에서, 본 발명은,
ⅰ) 상기 하부 클래딩층을 적층하기 전에 리프트-오프층을 상기 기판상에 형성하는 단계; 및
ⅱ) 상기 상부 클래딩층의 비경화성 부분을 제거한 후에 상기 리프트-오프층을 제거하여 상기 하부 클래딩층, 상기 패터닝된 차단층, 상기 광 전송 소자 및 상기 패터닝된 상부 클래딩을 상기 기판으로부터 분리시키는 단계
를 더 포함하는 방법을 제공한다.
도 1a 및 1b는 본 기술분야에 공지된 통상적인 통합형 광 도파관의 끝면의 측면도 및 단면도.
도 2a 내지 2c는 (본 기술분야에 공지된) 통합형 광 도파관의 끝면상에서 렌즈 구조를 제조하기 위한 선택적 화학 에칭 방법에 수반되는 공정을 예시한 도면.
도 3a 및 3b는, 패터닝된 도파관 및 에어 클래딩과, 수직 방향으로 집광하는 트랜스버스 원통형 렌즈를 구비한 일체형 렌즈 구조의 상면도 및 측면도.
도 4a 및 4b는 패터닝된 도파관 및 일체형 렌즈 구조가 종래의(즉, 패터닝되지 않은) 상부 클래딩으로 보호될 수 없는 이유를 예시하는 도면.
도 5a 및 5b는 종래의 상부 클래딩을 구비한 패터닝된 도파관 및 일체형 렌즈 구조를 제조하기 위한 가능하지만 비실용적인 방법을 예시하는 도면.
도 6a 및 6b는 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 패터닝된 도파관 및 일체형 렌즈 구조를 제조하기 위한 하나의 가능한 방법을 예시하는 도면.
도 7a 및 7b는 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 패터닝된 도파관 및 일체형 렌즈 구조를 제조하기 위한 다른 가능한 방법을 예시하는 도면.
도 8은 급격한 굴곡 및 생략된 상부 클래딩을 구비한 통합형 광 도파관의 상면도.
도 9는 급격한 굴곡 및 상부 클래딩을 구비한 통합형 광 도파관의 상면도.
도 10은 급격한 굴곡 및 패터닝된 물질/에어 상부 클래딩을 구비한 통합형 광 도파관의 상면도.
도 11a 내지 11h는 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 도파관 구조를 제공하기 위한 방법을 예시하는 도면.
도 12는 시준된 출력을 생성하는 데 이용되는 일체형 렌즈 구조를 구비한 도파관 코어의 치수를 예시하는 도면.
본 발명의 제1 양상은, 적어도 일 영역에서 코어가 클래딩 물질과 접촉하지 않도록 상부 클래딩이 적어도 일 측면 상에서 패터닝되는 통합형 광 도파관에 관한 것이다. 이러한 양상은 2개의 비한정적인 예, 즉 일체형 렌즈 구조(unitary lens structure)를 갖는 통합형 광 도파관 및 급격한 굴곡(tight bend)을 갖는 통합형 광 도파관으로서 예시한다. 이러한 양상은 폴리머 물질, 특히 광 패터닝 가능한 폴리머를 포함하는 통합형 광 도파관에 최적이지만, 일반적으로 다양한 물질을 포함하는 도파관에도 적용가능하다.
먼저, 일체형 렌즈 구조를 위한 패터닝된 상부 클래딩의 예에 있어서는, 시준빔을 자유공간에 방출하기 위한 렌즈를 중심으로 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이에 한정하지 않음을 이해해야 한다. 동일한 일체형 렌즈 구조는 시준빔을 도파관에 집광하는 데 이용할 수도 있다. 다른 일체형 렌즈 구조, 예를 들어 레이저 다이오드로부터의 광을 도파관에 집광하는 렌즈를 위한 패터닝된 상부 클래딩도 본 발명의 범주에 포함된다.
도 3a는 일체형으로 패터닝된 렌즈 구조(30)를 갖는 에어 클래드 도파관 코어(13)의 상면도이고, 도 3b는 그 측면도이다. 또한, 하부 클래딩(12)과 기판(11)도 도시되어 있다. 일체형 렌즈 구조(30)는 테이퍼 영역(31) 및 곡면(32)을 갖는다. 코어(13)를 따라 도파된 광은 테이퍼 영역(31)으로 발산되고, 곡면(32)에서의 굴절에 의해 기판에 평행한 방향으로 시준된다. 렌즈는 도파관과 일체형이기 때문에, 그 2개 부분 사이에 계면이 있었다면 발생했을 손실이나 산란은 생기지 않는다. 기판에 수직인 방향으로 빔을 시준할 필요가 있다면, 트랜스버스 원통형 렌즈(33)를 이용하여 빔(34)을 두 방향으로 시준할 수 있다. 코어(13) 및 일체형 렌즈 구조(30)는 원하는 형상으로 패터닝될 수 있는 어떤 광학 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, FHD(Flame Hydrolysis Deposition: 화염수화 적층)법으로 적층되고 포토리소그래피 및 RIE(Reactive Ion Etching: 반응성 이온 에칭)에 의해 패터닝된 게르마늄 도핑 실리카를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 포토리소그래피에 이어 적절한 용매에서의 습식 현상에 의해 패터닝될 수 있는 (예를 들어 스핀코팅에 의해 적층된) 광학적으로 투명한 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 구조 및 그 제작에 포토리소그래피법을 이용하는 장점은, 패터닝이 정밀하고, 포토리소그래피에 사용된 마스크의 분해능에 의해서만 제한된다는 점이다. 특히, 정교하게 시준된 출력빔을 생성하도록 렌즈의 만곡부를 설계할 수 있다. 대안으로, 수렴하는 빔을 생성하거나, 레이저 다이오드로부터 방출된 광을 집광하도록 렌즈의 만곡부를 설계할 수도 있다. 곡면(32)으로서 도시된 렌즈의 만곡부는, 필요한 시준빔 또는 수렴빔을 생성하기에 적합한 어떤 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 원형부, 타원형부, 포물선형부 또는 쌍곡선형부, 또는 다항식에 의해 생성되는 어떤 곡선부를 포함할 수 있다. 또한, 곡면에 가까운 복수의 직선부를 포함할 수 있다. 실제로, 일체형 렌즈 구조의 패터닝에 필요한 마스크 제작에 일반적으로 수반되는 계수화(digitisation)는, 곡면이 복수의 직선부로 이루어짐을 의미한다. 두 번째 장점은, 광 도파관 회로를 다이싱하기 전에 렌즈를 제작할 수 있다는 점이다.
상부 클래딩에 일체형 코어 및/또는 렌즈를 제공하여, 기계적인 손상으로부터 보호하는 것이 바람직하다. 그러나 렌즈가 광을 자유공간으로 직접 방출할 필요가 있어, 곡면(32)은 그 구조를 보호하는 데 이용할 수 있는 어떤 클래딩에 의해 피복될 수는 없다. 이러한 상황을 도 4a(평면도) 및 도 4b(측면도)에서 나타낸다. 이 경우, 곡면(32)은 빠져나오는 광을 시준빔으로 굴절시킬 수 없고, 그 대신, 그 빔은 계속 발산하여, 상부 클래딩(14)으로부터 빠져나올 때 크게 발산된 출력(40)이 되도록 굴절된다. 시준빔이 상부 클래딩 물질에 방출되도록 렌즈를 설계하더라도, 상부 클래딩의 평탄화에서의 어떤 불완전성에 의해 출력빔이 교란될 수 있다.
상부 클래딩을 적층하되 패터닝하지 않는 경우, 곡면의 필수적인 에어 계면(air interface)은 단지 그 곡면을 커팅함으로써 도 5a(상면도) 및 도 5b(측면도)에 도시된 형상으로 복원할 수 있다. 그 결과로서의 구조가 양호한 기계적 무결성(integrity)을 갖지만, 통상의 절삭용 톱 또는 웨이퍼 클리빙(cleaving) 방법에 의해서는 곡면을 생성할 수 없기 때문에 커팅 처리는 실용적이지 않다. 또한, 커팅 처리에 의해 얻은 렌즈의 형상 및 품질은, 본 명세서에 기재된 포토리소그래피 처리에 의해 얻은 것에 비해 일반적으로 열악하다.
본 발명에 따르면, 도파관 및 일체형 렌즈 구조를 보호할 수 있고, 렌즈/에어 계면은 패터닝된 상부 클래딩에 의해 보호될 수 있다. 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 일체형 렌즈 구조를 위한 한 가지 비한정적인 구성이 도 6a(상면도) 및 도 6b(측면도)에 도시된다. 전술한 바와 같이, 코어(13) 및 일체형 렌즈 구조(30)는 필요한 형상으로 패터닝될 수 있는 어떤 광학 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 포토리소그래피에 이어 적절한 용매에서의 습식 현상에 의해 패터닝될 수 있는 (예를 들어, 스핀 코팅에 의해 적층된) 광학적으로 투명한 폴리머를 포함한다. 그러나 예를 들어 RIE를 사용하여 패터닝된 코어 및 일체형 렌즈 구조에 글래스 또는 반도체와 같은 어떤 다른 광학 물질을 사용할 수도 있다.
코어(13) 및 일체형 렌즈 구조(30)가 형성된 후, 광 패터닝 가능한 폴리머가 그 위에 스핀 코팅될 수 있다. 곡면(32) 위에 비경화성 폴리머 부분을 마스킹함으로써, 폴리머의 나머지를 포토리소그래피 처리에서 화학 방사선(actinic radiation)에 노출하여 경화시킬 수 있다. 다음으로, 폴리머의 마스크된(즉, 비경화된) 영역은, 예를 들어 아세톤 또는 이소프로판올 등의 적절한 용매로 용해될 수 있으며, 결과적으로 패터닝된 상부 클래딩(60)을 얻는다. 이러한 구성에서, 상부 클래딩 에지(61)는 테이퍼/곡선(62)으로부터의 어떤 지점 뒤에 위치될 수 있다. 예를 들어, 코어/테이퍼 정점(63)의 근처에 위치될 수 있다.
바람직하게는, 폴리머는 화학 방사선에 노출하여 크로스 링크될 수 있는 카본-카본 이중 결합 또는 에폭시 그룹과 같은 크로스-링크 가능한 기능을 포함하므로, 선택된 용매에서 물질이 용해되지 않는다. X-선 또는 전자빔과 같은 이온화 방사선도 적절할 수 있지만, 바람직하게는, 화학 방사선은 UV 광이다. 이러한 포토리소그래피 처리에서는 높은 분해능을 가질 필요가 없기 때문에, 예를 들어 마스크된 CO2 레이저를 통해 크로스-링킹 처리의 열 활성화가 적용될 수 있다.
패터닝될 수 있는 쉽고 관대한 조건(예를 들어, UV 노출 후의 용매 현상) 때문에, 패터닝된 상부 클래딩에는 광 패터닝 가능한 폴리머가 특히 바람직하다. 기반 구조(코어, 일체형 렌즈 구조 및 하부 클래딩)에 사용될 수 있는 다양한 광학 물질 중에서, (글래스, 반도체 및 크로스-링크 폴리머를 포함하는) 거의 모든 것은, 포토리소그래피에 사용되는 저 레벨의 UV 광 또는 현상에 사용되는 용매에 의해 손상되지 않을 것이다. 이는, RIE와 같은 다른 패터닝 기법의 경우와는 다를 수 있다. 이러한 경우, 다른 물질보다 훨씬 빠르게 에칭되는 상부 클래딩 물질을 사용해야 할 것이다. 대안으로, 많은 추가 처리 공정을 갖는 에칭 스톱 배리어층(etch stop barrier layer)을 사용할 수 있다.
패터닝된 상부 클래딩을 위해 특히 적합한 물질은, 예를 들어 미국특허출원번호 제10/308562호에 공개된 응축 반응에 의해 합성된 UV 경화성 실록산 폴리머(VU curable siloxane polymer)이다. 실록산 폴리머는 다양한 물질들을 부착하기에 탁월하며, 범용 상부 클래딩으로서도 매우 적절하다. 경화 속도 증가를 위해 광개시제 또는 열개시제를 추가할 수 있다. 시판되고 있는 광개시제의 예들은, 1-히드록시-시클로헥실-페닐-케톤(이르가큐어 184), 2-메틸-1[4-메틸티오)페닐]-2-모르폴리노프로판-1-온(이르가큐어 907), 2,2-디메톡시-1,2-디페닐에탄-1-온(이르가 큐어 651), 2-벤질-2-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-부타논-1(이르가큐어 369), 4-(디메틸아미노)벤조페논, 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온(다로큐르(Darocur) 1173), 벤조페논(다로큐르 BP), 1-[4-(2-히드록시에톡시)-페닐]-2-히드록시-2-메틸-1-프로판-1-온(이르가큐어 2959), 4,4'-비스(디에틸아미노)벤조페논(DEAB), 2-클로로티옥산톤, 2-메틸티옥산톤, 2-이소프로필티옥산톤, 벤조인 및 4,4'-디메톡시벤조인 등을 들 수 있다. 가시광을 사용한 경화를 위한 개시제는 예를 들어 캄보르퀴논일 수 있다. 2종 이상의 광개시제의 혼합물을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 이르가큐어 1000은 다로큐르 1173 80%와 이르가큐어 184 20%의 혼합물이다. 열경화를 위해, 퍼옥시드(예를 들어, 디벤조일퍼옥시드), 퍼옥시디카르보네이트, 퍼에스테르(t-부틸 퍼벤조에이트), 퍼케탈, 히드로퍼옥시드 형태의 유기 퍼옥시드를 사용할 수 있으며, 또한 AIBN(아조비스이소부티로니트릴)을 개시제로 사용할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 패터닝 기법은, 폴리머의 포토리소그래픽 패터닝 및 습식 현상으로서, 본 기술분야의 전술된 화학적 에칭 기법과는 원리가 다른 것을 알 수 있다. 둘 모두 일부 물질을 선택적으로 제거하는 것을 포함하지만, 화학 에칭의 경우, 선택성은 화학 반응(상이한 혼합물은 식각액(etchant)에 의해 상이한 반응 속도를 가짐)에 기초하는 반면, 본 발명의 바람직한 포토리소그래피/습식 현상 방법에서의 선택성은 물리적 처리(크로스-링킹 정도가 상이한 폴리머는 상이한 용해도를 가짐)에 기초한다.
패터닝된 상부 클래딩을 갖는 일체형 렌즈 구조를 위한 또 다른 비한정적인 구성이 도 7a(상면도) 및 도 7b(측면도)에 도시된다. 본 구성에서, 상부 클래딩(71)은, 전체 테이퍼 영역(31)을 피복하고, 곡면(32)이 에어 계면을 유지하도록 패터닝된다. 본 구성에서는 도 6a 및 6b를 참조하여 설명한 동일한 물질 및 패터닝 기법이 채택될 수 있으며, 특히 상부 클래딩 물질로서는 UV 경화성 실록산 폴리머가 바람직할 수 있다. 본 구성에서는 코어/렌즈와 상부 클래딩 물질 간의 선택성이 요구되지 않는다. 따라서, RIE에 의해, 또는 바람직하게는 UV 유도 크로스-링킹(UV-induced cross-linking)에 후속하는 용매 현상에 의해 패터닝이 이루어질 수 있다.
일단 상부 클래딩이 패터닝되면, 렌즈의 곡면에 가깝게 임의적으로 다이싱함으로써 원하는 통합형 광 도파관 디바이스를 얻을 수 있다. 다이싱 방향은 일반적으로는 코어를 따라 전파되는 방향에 수직이지만, 디바이스 및 애플리케이션에 따라 다른 다이싱 방향이 이용될 수 있다. 디바이스는 일체형 렌즈 구조의 하나 이상의 어레이를 포함할 수 있는데, 이 경우, 각 어레이 내의 렌즈들을 각 다이싱에 대해 서로 평행하게 위치시킬 수 있는 장점을 지닌다.
급격한 굴곡(tight bend)을 갖는 통합형 광 도파관의 예를 고려한 것으로서, 도 8은 급격한 굴곡(81) 및 생략된 상부 클래딩(82)(즉, 에어 클래드)을 갖는 통합형 광 도파관(80)의 상단부를 나타낸다. 이 구성은 본 기술분야에 공지된 것으로서, 코어/클래딩 굴절률 차가 굴곡 면에서 최대이기 때문에, 굴곡 손실이 적은 장점을 갖지만, 기계적 강도가 낮고 산란 손실에 민감한 단점이 있다.
도 9는 급격한 굴곡 및 상부 클래딩(90)을 갖는 통합형 광 도파관의 상단부 를 나타낸다. 이 구성은 본 기술분야에 공지된 것으로서, 기계적 강도가 우수하며 산란 손실이 적은 장점을 갖지만, 코어 물질의 굴절률과 상부 클래딩 물질 간의 굴절률 차가 굴곡 외면상의 코어/클래딩 계면을 통한 과도한 광누설을 방지할 만큼 충분하지 못하기 때문에, 굴곡 손실이 높다는 단점을 갖는다.
도 10은 급격한 굴곡 및 패터닝된 물질/에어 상부 클래딩(100)을 갖는 통합형 광 도파관의 상단부를 나타내는 것으로서, 급격한 굴곡을 갖는 코어의 영역 주변에는 상부 클래딩 물질이 존재하지 않는 것을 나타낸다. 이러한 본 발명에 따른 구성은 기계적 강도가 우수하다는 장점과 산란 손실이 적고 굴곡 손실이 적다는 장점이 결합된 것이다. 도 10에서, 상부 클래딩은, 급격한 굴곡을 갖는 코어 영역에서, 상부 클래딩이 굴곡의 내외면 양면 상의 측벽 및 상면에 결여되도록 패터닝되어 있다. 상부 클래딩은 단지 굴곡의 외면상의 측벽에 결여되는 것으로 충분하다는 점을 알아야 한다.
도 10에 나타낸 본 발명에 따른 구성은, 천이 손실(transition loss)을, 물질 클래드 영역에서 에어 클래드 영역으로 전파된 후, 다시 물질 클래드 영역으로 전파되는 도파 모드로서 도입한다는 점을 알아야 한다. 본 기술분야의 숙련자는 본 발명에 따른 구성을 최대한 활용할 수 있을 것이며, 이러한 천이 손실을 굴곡 손실의 최소화와 균형을 맞춰야 한다.
일체형 렌즈의 예에 있어서, 코어 및 상부 클래딩층은 요구되는 형상으로 패터닝될 수 있는 어떤 광학 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 포토리소그래피 및 적절한 용매에 의한 습식 현상에 의해 패터닝될 수 있는 광학적으로 투명한 폴 리머(예컨대 스핀 코팅에 의해 적층됨)를 포함한다.
US 6,555,288에서 공개된 "콘포멀(conformal)" 상부 클래딩에서, (공개 문헌의) 도 7a 및 7b는, 코어와 동일한 방식(공개 문헌의 도 4 및 도 5에 도시함)으로, 종래의 포토리소그래피/습식 현상 처리(즉, 마스크를 통한 화학 방사선으로의 노출에 후속하여 용매 현상)에 의해 패터닝되는 상부 클래딩을 나타낸다. 본 기술분야에서 이미 설명한 이 방법에서, 패터닝된 노출(즉, 마스크를 통한 화학 방사선)은 다양한 이미징 툴, 예컨대 마스크 얼라이너, 주사 투영 얼라이너 또는 스테퍼에 의해 행해질 수 있다. 어느 방식에 의하든, 상기 방법은 이미징 툴을 두 번, 즉 한번은 코어에, 그리고 또 한번은 상부 클래딩에 사용할 것을 요구한다. 두 번의 노출에 대해 동일한 이미징 툴이 사용될 수 있는데, 이 경우에는 광 디바이스를 제조하는 데 걸리는 시간이 증가하며, 또는 두 개의 이미징 툴을 사용할 수도 있는데, 이 경우에는 시설 비용이 증가한다. 그러나 일반적으로, 상부 클래딩은 도파관 코어와 동일한 정도의 공간 정밀도를 갖도록 패터닝될 필요는 없다. 예를 들어, US 6,555,288의 도 7에서의 코어에 대한 상부 클래딩의 포지셔닝(positioning), 도 6의 일체형 렌즈 구조에 대한 상부 클래딩의 포지셔닝, 또는 도 10의 굴곡에 대한 상부 클래딩의 포지셔닝은 중요한 것은 아니다. 이는, 패터닝된 상부 클래딩이 곡면을 갖는 완전한 레지스트레이션(registration)으로 존재해야 하는 본 발명의 도 7의 일체형 렌즈 구조를 갖는 경우가 아니라는 점을 알아야 한다. 이런 이유로, 도 6에 도시된 구성은 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 일체형 렌즈 구조에 바람직하다.
본 기술분야에서 이미 설명된 방법의 대안으로서, 상부 클래딩은 투명 기판을 통해 하부로부터 화학 방사선에 노출하여 패터닝될 수 있다. UV 경화성 폴리머 물질을 이용하며, 본 발명의 제2 양상을 형성하는 이러한 패터닝 기법을 수행하기 위한 하나의 가능한 수단은 도 11a～11h에 도시된다. 상부 클래딩 마스크 패턴(110)은, 예컨대 상부 클래딩을 경화하는 데 사용되는 UV 광에 투명한 기판(111)상에 스크린 인쇄함으로써 적층된다. 적당한 기판 물질은, 석영, 용융 실리카, 글래스 및 폴리머를 포함한다. 폴리머 기판의 비한정적인 예는, 아크릴, 퍼스펙스(Perspex), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌에테레판탈레이트 및 PET를 포함한다. 하부 클래딩층(12)은 기판상에 스핀 코팅되며, 위로부터 경화된다. 코어층(112)은 경화된 하부 클래딩층 상에 스핀 코팅되며, 마스크(114)를 통해 위로부터 UV 광(113) 노출에 의해 패터닝되고, 용매로 현상되어 도파관 코어(13)를 남긴다. 상부 클래딩층(115)은 도파관 코어 위에 스핀 코팅되고, 상부 클래딩 마스크 패턴(110)을 통해 아래로부터 UV 광(116) 노출에 의해 패터닝되며, 용매로 현상되어 패터닝된 상부 클래딩(117)을 남긴다. 패터닝된 상부 클래딩(117)은 본 발명에 따른 기법을 예시하는 데 사용되는 임의의 구조이다.
전술한 본 발명에 따른 기법은 비한정적이며, 다양한 변형이 있을 수 있다. 상부 클래딩 마스크 패턴(110)은 기판보다는 하부 클래딩층 상에 스크린 인쇄될 수 있다. 이 경우, 화학 방사선은 하부 클래딩층을 통과하지 않으며, 이는, 패터닝된 상부 클래딩 내의 예민한 경계가 요구되지 않는 경우(회절에 의해 제한됨)에 유용 하다. 다른 변형에서, 기판이 투명하기 때문에, 하부 클래딩층(12)은 (기판의 굴절률이 코어의 굴절률보다 작은 한) 생략될 수 있다. 또 다른 변형에서, 상부 클래딩 마스크 패턴(110)은 이미징 툴을 요구하고, 본 발명에 따른 기법의 기본적인 이점을 제거하지만 포토리소그래피를 이용하여 인쇄될 수 있다.
상부 클래딩 마스크 패턴(110)은 상부 클래딩을 패터닝하는 데 사용되는 화학 방사선(통상 UV 광)을 흡수하는 어떤 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 알루미늄과 같은 금속 또는 UV 광을 흡수하는 염료로 이루어진다. 바람직하게는, 염료, 색소 또는 스크린 인쇄에 적합한 금속 페인트로 이루어진다. 특히, UV 광을 강하게 흡수하는 물질로 이루어지지만, 코어층에 도파되는 광(통상 적외선 근방)을 흡수하지는 않는다. 카본-카본 이중 결합 및/또는 아로마틱 링을 결합하는 혼합물과 같은 물질이 본 기술분야에 공지되어 있다. 이는, 상부 클래딩 마스크 패턴(110)이 그 자체로 남게 되기 때문에 매우 유용하다.
또 다른 변형에서, 리버스 마스크 패턴이 투명 기판상에 스크린 인쇄될 수 있고, 코팅되지 않은 표면 영역은 예컨대 분사 또는 에칭에 의해(예를 들어, 기판이 용융 실리카인 경우 플루오르화 수소산으로) 거칠게 된다. 다음으로, 리버스 마스크 패턴은, 예를 들어 용매로 제거되어, 화학 방사선을 산란시키는(또한 효율적으로 차단하는) 거친 특징의 패턴으로서 원하는 상부 클래딩 마스크를 남긴다.
"아래로부터의 방사(irradiation from below)" 구성은 코어층을 패터닝하는 것으로 알려져 있지만(US 5,352,566;US 6,037,105;US 6,256,441), 상부 클래딩층을 패터닝하는 데에는 알려져 있지 않다. US 6,037,105 및 US 6,256,441에 개시된 구 성은, UV 경화성 코어층을 패터닝하기 위하여, 하부 클래딩상에 적층된 상부 클래딩 마스크 패턴을 포함하는 것과 가상적으로 동일하다. US 6,037,105에서, "아래로부터의 방사" 구성은, 포토마스크와의 접촉에 의해 야기되는 코어층의 오염을 방지하는 데 사용되며, US 6,256,441은 매우 정확한 코어 패턴을 제공하는 데 사용된다. 대조적으로, 아래로부터 상부 클래딩층을 패터닝하기 위한 본 발명에 따른 구성의 목적은, 요구되는 제조 공정의 수, 특히 이미징 툴을 포함하는 공정의 수를 감소시키는 것이다. US 5,352,566에 개시된 코어 패터닝용 "아래로부터의 방사" 구성은, 포지티브 포토레지스트층 및 반응성 이온 에칭 공정을 포함하는 많은 면에서 구별된다.
본 발명에 따른 상부 클래딩 패터닝 기법의 또 다른 변형에서, 리프트-오프(lift-off)층은, 기판과, 하부 클래딩층 및/또는 상부 클래딩 마스크 패턴 사이에 삽입될 수 있다. 코어 및 상부 클래딩층이 패터닝된 후, 리프트-오프층은 기판으로부터 하부 클래딩층, 패터닝된 코어층 및 상부 클래딩층을 분리하기 위해 제거될 수 있다. 이런 변형은 플렉시블한 모든 폴리머 도파관 어셈블리가 요구되는 경우에 특히 바람직하다. 이러한 변형의 다른 이점은, 상부 클래딩 마스크 패턴이 제거될 수 있다는 점이다. 하부 클래딩은, 추가적인 플렉시블 폴리머 기판 물질 및 적층형 광 품질 클래딩 물질의 조합을 포함할 수 있으며, 상부 클래딩 마스크층은, 다수의 층(투명 기판, 리프트-오프층, 선택적 플렉시블 폴리머 기판 또는 하부 클래딩) 중 어떤 하나의 층 위에 형성될 수 있다. 유사한 리프트-오프층 형태가 US 6,256,441에 개시되어 있지만, 이 문헌에서 아래로부터 패터닝되는 것은 상부 클래 딩이 아니라 코어층이다.
아래로부터의 노광에 의해 상부 클래딩을 패터닝하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 단지 본 발명에 따른 패터닝된 상부 클래딩에만 적용될 수 있는 것이 아니라, 임의의 패터닝된 상부 클래딩에 적용될 수 있는 것으로서, 적어도 일 영역에서, 코어의 적어도 일 측면이 상부 클래딩 물질과 접촉하지 않도록 상부 클래딩층이 패터닝된다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 US 5,850,498 및 US 6,555,288에 개시된 "등각" 상부 클래딩을 패터닝하는 데 사용될 수 있다.
[예 1]
미국특허출원번호 제10/308562호에 개시된 절차에 따르면, (20℃에서) 점도가 2500cP이고, (20℃에서 실내 광원으로 Abbe 굴절계에서 측정되는) 굴절률이 1.483인 낮은 굴절률 폴리머 A가 마련된다. (20℃에서) 점도가 2200cP이고, (20℃에서) 굴절률이 1.509인 높은 굴절률 폴리머 B가 마련된다. 폴리머 A 및 폴리머 B 둘 다에 적합한 광개시제가 첨가된다.
폴리머 A는 실리콘 웨이퍼 상에 스핀 코팅되고, 수은 램프로부터의 UV 광에 의해 경화되어, (20℃ 및 1550㎚에서) 두께가 20㎛이고 굴절률이 1.478인 하부 클래딩층(20)을 형성한다. 폴리머 B는 하부 클래딩상에 스핀 코팅되고, 마스크를 통해 UV 광에 의해 패터닝되며, 노광되지 않은 폴리머 B 물질은 이소프로판올(isopropanol)에 용해되어, 도 3a에 도시된 코어 및 일체형 렌즈 구조를 형성한다. 코어는 폭이 8㎛이고 높이가 15㎛이며, (20℃ 및 1550㎚에서) 굴절률이 1.505이다. 마지막으로, 폴리머 A는 스핀 코팅되고, 마스크를 통해 UV 광에 의해 패터닝되며, 노광되지 않은 폴리머 A 물질은 이소프로판올에 용해되어, 도 6a에 도시된 패터닝된 상부 클래딩을 형성한다.
도 12는 일체형 렌즈 구조(120)를 갖는 특정 도파관 코어의 치수를 도시한다. 이러한 경우, 도파관 코어의 폭(121)은 8㎛이고, 테이퍼 부분의 길이(122)는 580㎛이고, 테이퍼 부분의 단면 폭(123)은 850㎛이며, 곡면(32)은 테이퍼의 단면으로부터의 거리(124)가 550㎛까지 연장하도록 정의되는 포물선 형태이다. 코어에 도파되는 파장 850㎚의 광에 대해, 이러한 일체형 렌즈 구조는, 기판에 평행한 방향으로 대략 폭이 850㎛인 시준된 출력빔을 생성할 것이다.
[예 2]
예 1로부터의 폴리머 A는 실리콘 웨이퍼 상에 스핀 코팅되고, 수은 램프로부터의 UV 광에 의해 경화되어, (20℃ 및 1550㎚에서) 두께가 20㎛이고 굴절률이 1.478인 하부 클래딩층(20)을 형성한다. 예 1로부터의 폴리머 B는 하부 클래딩상에 스핀 코팅되고, 마스크를 통해 UV 광에 의해 패터닝되며, 노광되지 않은 폴리머 B 물질은 이소프로판올에 용해되어, 도 8에 도시된 4개의 급격한 굴곡을 갖는 코어를 형성한다. 코어는 폭이 8㎛이고 높이가 15㎛이며, (20℃ 및 1550㎚에서) 굴절률이 1.505이다. 마지막으로, 폴리머 A는 코어 위에 스핀 코팅되고, 마스크를 통해 UV 광에 의해 패터닝되며, 노광되지 않은 폴리머 A 물질은 이소프로판올에 용해되어, 도 10에 도시된 패터닝된 상부 클래딩을 형성한다.
[예 3]
폴리머 A는 아크릴 기판(퍼스펙스 또는 폴리메틸메타크릴레이트) 상에 요철 (meniscus) 코팅되고, 수은 램프로부터의 UV 광에 의해 경화되어, (20℃ 및 1550㎚에서) 두께가 10㎛이고 굴절률이 1.478인 하부 클래딩층(10)을 형성한다. 폴리머 B는 하부 클래딩상에 요철 코팅되고, 주사 투영 얼라이너를 사용하여 UV 광에 의해 패터닝되며, 노광되지 않은 폴리머 B 물질은 이소프로판올에 용해되어, 도 3a에 도시된 코어 및 일체형 렌즈 구조를 형성한다. 코어는 폭이 8㎛이고 높이가 20㎛이며, (20℃ 및 1550㎚에서) 굴절률이 1.505이다. 마지막으로, 폴리머 A는 코어 위에 요철 코팅되고, 주사 투영 얼라이너에 의해 패터닝되며, 노광되지 않은 폴리머 A 물질은 이소프로판올에 용해되어, 도 6a에 도시된 패터닝된 상부 클래딩을 형성한다.
[예 4]
폴리비닐알코올(PVA) 박리층은 글래스 웨이퍼 상에 스핀 코팅된다. 광 경화성 폴리머, Norland NOA65는 스핀 코팅되고, 수은 램프로부터의 UV 광으로 경화되어 100㎛ 두께의 층을 제공한다. 다음으로, 폴리머 A는 스핀 코팅되고, 수은 램프로부터의 UV 광으로 경화되어 10㎛ 두께 및 1.478의 굴절률(20℃ 및 1550㎚에서)을 갖는 하부 클래딩층을 형성한다. 폴리머 B는 하부 클래딩층 상에 스핀 코팅되고, 마스크 얼라이너를 이용하여 UV 광으로 패터닝되며, 노광되지 않은 폴리머 B 물질은 이소프로판올에서 용해되어, 도 3a에 도시된 코어 및 일체형 렌즈 구조를 형성한다. 코어는 8㎛ 폭 및 10㎛ 높이이며, 1.505의 굴절률(20℃ 및 1550㎚에서)을 갖는다. 폴리머 A는 코어 위에 스핀 코팅되고, 마스크 얼라이너로 패터닝되며, 노광되지 않은 폴리머 A 물질은 이소프로판올에서 용해되어, 도 6a에 도시된 패터닝 된 상부 클래딩을 형성한다. 다음으로, 코팅된 웨이퍼는 PVA층을 용해하는 물에 투입되고, 피복되지 않은 렌즈를 갖는 도파관을 포함하는 프리-스탠딩(free-standing) 폴리머 막은 웨이퍼로부터 박리된다. 과잉 폴리머 막은 프리-스탠딩 플라스틱 기판상에 원하는 도파관을 제공하기 위해 제거된다.
[예 5]
UV 흡수 염료의 마스킹층은 용융 실리카 기판상에 스크린 인쇄되어, 도 6a에 도시된 패터닝된 상부 클래딩을 형성하도록 상부 클래딩 물질이 제거되는 영역을 피복한다. 예 1에서와 같이, 폴리머 A는 스핀 코팅되고, 경화되어 하부 클래딩층을 형성하고, 폴리머 B는 스핀 코팅되고, UV 광으로 패터닝되며, 이소프로판올로 현상되어 도 3a에 도시된 코어 및 렌즈 구조를 형성한다. 다음으로, 폴리머 A는 스핀 코팅되고, 하부로부터의 UV 광에 의해 경화되어, UV 흡수 염료 마스킹층을 통해 전달되는 원하는 패턴을 얻는다. 그 다음, 노광되지 않은 폴리머 A 물질은 이소프로판올에서 용해되어, 도 6a에 도시된 패터닝된 상부 클래딩을 형성한다.
[예 6]
UV 흡수 염료의 마스킹층은 아크릴 기판(퍼스펙스 또는 폴리메틸메타크릴레이트)상에 스크린 인쇄되어, 도 6a에 도시된 패터닝된 상부 클래딩을 형성하기 위해 상부 클래딩 물질이 제거되는 영역을 피복한다. 폴리머 A는 기판상에 요철 코팅되고, 수은 램프로부터의 UV 광으로 경화되어, 10㎛ 두께 및 1.478의 굴절률(20℃ 및 1550㎚에서)을 갖는 하부 클래딩층을 형성한다. 폴리머 B는 하부 클래딩층상에 요철 코팅되고, 주사 투영 얼라이너를 이용하여 UV 광으로 패터닝되며, 노광 되지 않은 폴리머 B 물질은 이소프로판올에서 용해되어, 도 3a에 도시된 코어 및 일체형 렌즈 구조를 형성한다. 코어는 8㎛ 폭 및 10㎛ 높이이며, 1.505의 굴절률(20℃ 및 1550㎚에서)을 갖는다. 폴리머 A는 코어 위에 스핀 코팅되고, 하부로부터의 UV 광에 의해 경화되어, UV 흡수 염료 마스킹층을 통해 전달되는 원하는 패턴을 얻는다. 노광되지 않은 폴리머 A 물질은 이소프로판올에서 용해되어, 도 6a에 도시된 패터닝된 상부 클래딩을 형성한다.

Claims (93)

  1. 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 통합형 광 도파관을 제조하는 방법으로서,
    a) 기판 상에 코어층을 적층(deposit)하는 단계;
    b) 상기 코어층을 패터닝하여 광 전송 소자(light transmissive element)를 제공하는 단계 - 상기 광 전송 소자는 도파관 및 렌즈를 포함함 - ;
    c) 상기 광 전송 소자 상에 상부 클래딩층을 적층하는 단계; 및
    d) 상기 상부 클래딩층을 패터닝하여, 상기 광 전송 소자가 에어 클래드되는(air clad) 적어도 하나의 영역을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 렌즈는 에어 클래드되는 곡면을 갖는 광 도파관 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    e) 상기 기판 상에 상기 코어층을 적층하기 전에 상기 기판 상에 하부 클래딩층을 적층하는 단계를 추가로 포함하는 광 도파관 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 클래딩층은 폴리머 물질을 포함하는 광 도파관 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폴리머 물질은 열 경화성 폴리머 또는 화학 방사선(actinic radiation)에 의해 경화가능한 폴리머를 포함하는 광 도파관 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폴리머 물질은 실록산 폴리머(siloxane polymer)인 광 도파관 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 화학 방사선은 자외선 광인 광 도파관 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상부 클래딩층은 패터닝된 열 소스 또는 자외선 광의 패터닝된 소스에 의한 선택적 경화에 의해 패터닝되고, 비경화된 물질은 용매로 용해되며, 그에 따라 경화된 물질은 상기 용매에서 용해되지 않는 광 도파관 제조 방법.
  11. 패터닝된 상부 클래딩을 구비한 통합형 광 도파관으로서,
    기판;
    도파관 및 렌즈를 포함한 광 전송 소자; 및
    상기 광 전송 소자가 에어 클래드되는 적어도 하나의 영역을 제공하도록 패터닝된 상부 클래딩
    을 포함하고,
    상기 렌즈는 상기 기판에 실질적으로 수직인 에어 클래드된 곡면을 갖고 또한 상기 기판에 평행한 평면에 집광하는(focus light) 통합형 광 도파관.
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  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 기판과 상기 광 전송 소자 사이의 하부 클래딩층을 추가로 포함하는 통합형 광 도파관.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 상부 클래딩은 폴리머 물질을 포함하는 통합형 광 도파관.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 폴리머 물질은 열 경화성 폴리머 또는 화학 방사선에 의해 경화가능한 폴리머를 포함하는 통합형 광 도파관.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 폴리머 물질은 실록산 폴리머인 통합형 광 도파관.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 화학 방사선은 자외선 광인 통합형 광 도파관.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 상부 클래딩은 패터닝된 열 소스 또는 자외선 광의 패터닝된 소스에 의한 선택적 경화에 의해 패터닝되고, 비경화된 물질은 용매로 용해되며, 그에 따라 경화된 물질은 상기 용매에서 용해되지 않는 통합형 광 도파관.
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