KR20220077349A - Surface dehydration treatment of microresonators to prevent excess thermal instability - Google Patents

Abstract

열 특성 개선을 위한 마이크로공진기 소수성 표면 처리 방법을 제안한다. 구체적으로, HMDS(hexamethyldisilazane)를 이용한 소수성 표면처리로 수분 흡착을 방지하여 기존의 소자 제작 방식과 솔리톤 모드(Soliton mode) 잠금 기술을 유지하면서도 Q-factor의 저하 없이 대기 노출에 오랜 시간동안 솔리톤 모드 잠금 동작이 가능하도록 한다.A microresonator hydrophobic surface treatment method for improving thermal properties is proposed. Specifically, hydrophobic surface treatment using HMDS (hexamethyldisilazane) prevents moisture adsorption, maintaining the existing device manufacturing method and soliton mode locking technology, while locking the soliton mode for a long time to atmospheric exposure without lowering the Q-factor. make the action possible.

Description

열 특성 개선을 위한 마이크로공진기 소수성 표면 처리 방법{Surface dehydration treatment of microresonators to prevent excess thermal instability}Microresonator hydrophobic surface treatment method for improving thermal properties {Surface dehydration treatment of microresonators to prevent excess thermal instability}

광주파수빗(optical frequency comb)은 주파수 영역에서 등간격을 갖는 광신호로서 시간영역에서는 펨토초 펄스의 형태를 가진다. 광주파수빗은 초정밀분광학, 시간 및 주파수표준, 초정밀거리측정 등 다양한 과학분야에서 필수요소이나 모드잠금 레이저와 같은 큰 레이저 시스템을 필요로 하는 한계로 인해 상업적으로 널리 사용되지 못한다.An optical frequency comb is an optical signal having equal intervals in the frequency domain and has the form of a femtosecond pulse in the time domain. Optical frequency combs are essential elements in various scientific fields, such as ultra-precision spectroscopy, time and frequency standards, and ultra-precision distance measurement, but are not widely used commercially due to limitations that require large laser systems such as mode-locked lasers.

본 개시는 열 특성 개선을 위한 마이크로공진기 소수성 표면 처리 방법을 제공하는 것이다.The present disclosure provides a method for treating a microresonator hydrophobic surface for improving thermal properties.

Hexamethyldisilazane(HMDS)을 이용한 소수성 표면 처리는 제작이 완료된 초고품위 실리카 마이크로공진기를 고온에서 열처리하는 단계, 열처리된 실리카 마이크로공진기를 HMDS 증기에 노출시키는 단계를 포함한다.Hydrophobic surface treatment using hexamethyldisilazane (HMDS) includes heat-treating the finished ultra-high-quality silica microresonator at high temperature and exposing the heat-treated silica microresonator to HMDS vapor.

소자 실리카 표면은 소수성의 단일 박막층이 형성된다.A single hydrophobic thin film layer is formed on the device silica surface.

본 개시에 따르면, HMDS 처리 후 광주파수빗 발생과 관련한 광학 성능의 저하가 없고, 기존의 소자 제작 과정과 솔리톤 모드 잠금 기술을 그대로 적용할 수 있다.According to the present disclosure, there is no degradation in optical performance related to optical frequency comb generation after HMDS treatment, and the existing device manufacturing process and soliton mode locking technology can be applied as it is.

본 개시에 따르면, 칩-스케일 펄스 발생기가 외부 조건과 상관없이 상용화 가능한 수준으로 안정적으로 동작할 수 있도록 하므로, 칩-스케일 펄스 발생기 발명들의 활용도를 높일 수 있다.According to the present disclosure, since the chip-scale pulse generator can stably operate at a commercially feasible level regardless of external conditions, it is possible to increase the utilization of the chip-scale pulse generator inventions.

본 개시에 따른 표면처리 기술은 장시간에 걸쳐 소자의 열화가 이루어지지 않도록 하여, 펄스 동작 성능을 일정하게 유지할 수 있게 한다. 따라서, 칩-스케일 펄스 발생기 및 이를 이용한 마이크로파 생성 기술이 본격적으로 시장에 진입할 수 있게 해줄 것으로 기대하고, 고정밀 계측 분야뿐 아니라 차세대 통신용　5G/6G　시스템 및 국방 분야의 신호원으로 적극 활용될 수 있다.The surface treatment technique according to the present disclosure prevents device deterioration over a long period of time, thereby maintaining constant pulse operation performance. Therefore, it is expected that the chip-scale pulse generator and microwave generation technology using it will be able to enter the market in earnest, and it can be actively used as a signal source in the 5G/6G system for next-generation communication and defense as well as in the high-precision measurement field. .

도 1은 HMDS를 이용한 소수성 표면처리 과정을 설명하는 도면이다.
도 2는 HMDS를 이용한 소수성 표면처리 후의 광학 성능 변화 그래프이다.
도 3은 표면처리 유무와 대기 노출 시간에 따른 열 선 이동 변화 그래프이다.
도 4는 솔리톤의 광스펙트럼의 예시이다.
도 5는 단일 솔리톤의 반복률(~22 GHz)과 모드 잠금 시간에 따른 반복률 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 HMDS 처리에 따른 실리카 표면에서의 화학 반응을 나타내는 도면이고, silica wedge resonators의 Q-factor의 변화를 나타내는 도면이다.1 is a view for explaining a hydrophobic surface treatment process using HMDS.
2 is a graph of optical performance change after hydrophobic surface treatment using HMDS.
3 is a graph showing changes in heat line movement according to the presence or absence of surface treatment and atmospheric exposure time.
4 is an example of a light spectrum of a soliton.
5 is a diagram illustrating a repetition rate (~22 GHz) of a single soliton and a change in repetition rate according to a mode lock time.
6 is a view showing the chemical reaction on the silica surface according to the HMDS treatment, and is a view showing the change in the Q-factor of the silica wedge resonators.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.

광주파수빗(optical frequency comb)은 주파수 영역에서 등간격을 갖는 광신호로서 시간영역에서는 펨토초 펄스의 형태를 가진다. 광주파수빗은 초정밀분광학, 시간 및 주파수표준, 초정밀거리측정 등 다양한 과학분야에서 필수요소이나 모드잠금 레이저와 같은 큰 레이저 시스템을 필요로 하는 한계로 인해 상업적으로 널리 사용되지 못한다.An optical frequency comb is an optical signal having equal intervals in the frequency domain and has the form of a femtosecond pulse in the time domain. Optical frequency combs are essential elements in various scientific fields, such as ultra-precision spectroscopy, time and frequency standards, and ultra-precision distance measurement, but are not widely used commercially due to limitations that require large laser systems such as mode-locked lasers.

최근 온 칩 고품위 광공진기의 Kerr 비선형성을 기반으로 광주파수빗을 매우 작은 칩 소자 위에서 간단하게 발생시키는 기술이 개발되고 있다. 이러한 초소형 광빗은 크기가 작고 대량생산이 가능하다는 이점 외에도 기존의 광주파수빗 발생 기술로는 불가능한 높은 반복율(GHz-THz)로 동작시킬 수 있어 초고속 5G/6G 통신 기술 등 새로운 응용분야에서도 널리 활용될 것으로 예상된다.Recently, a technology for simply generating an optical frequency comb on a very small chip device has been developed based on the Kerr nonlinearity of an on-chip high-quality optical resonator. In addition to the advantages of small size and mass production, this ultra-small optical comb can be operated at a high repetition rate (GHz-THz) that is impossible with the existing optical frequency comb generation technology, so it can be widely used in new applications such as ultra-high-speed 5G/6G communication technology. it is expected

하지만, 솔리톤 펄스 발생시 필연적으로 공진기 내부의 온도 변화가 수반되어 열적으로 불안정해 지는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 레이저 주파수를 빠른 속도로 되먹임제어(feedback control) 함으로써 솔리톤을 유지할 수 있다. 솔리톤 연구가 주로 이루어지고 있는 1.5μm 파장대역은 수분 흡착으로 인해 광흡수가 강하게 일어나 공진기 내부 온도 변화의 폭이 더 커지게 된다. 수분 흡착에 의한 열적 불안정성은 일반적인 회로의 되먹임제어 한계를 능가하며, 따라서 소자가 대기의 수분에 일정시간 이상 노출되면 솔리톤 모드 잠금에 의한 광빗 발생이 불가능해진다.However, there is a problem in that when a soliton pulse is generated, a temperature change in the resonator is inevitably accompanied and thermally unstable. To solve this problem, the soliton can be maintained by controlling the laser frequency at a high speed by feedback control. In the 1.5μm wavelength band, where soliton research is mainly conducted, light absorption is strong due to moisture absorption, and the range of temperature change inside the resonator becomes larger. Thermal instability due to moisture adsorption exceeds the feedback control limit of general circuits. Therefore, if the device is exposed to atmospheric moisture for more than a certain period of time, it becomes impossible to generate an optical comb by soliton mode lock.

이러한 문제를 해결하기 위해, 열 특성 개선을 위한 마이크로공진기 소수성 표면 처리 방법을 제안한다. 구체적으로, HMDS(hexamethyldisilazane)를 이용한 소수성 표면처리로 수분 흡착을 방지하여 기존의 소자 제작 방식과 솔리톤 모드(Soliton mode) 잠금 기술을 유지하면서도 Q-factor의 저하 없이 대기 노출에 오랜 시간동안 솔리톤 모드 잠금 동작이 가능하도록 한다.In order to solve this problem, we propose a microresonator hydrophobic surface treatment method for improving thermal properties. Specifically, hydrophobic surface treatment using HMDS (hexamethyldisilazane) prevents moisture adsorption, maintaining the existing device manufacturing method and soliton mode locking technology, while locking the soliton mode for a long time to atmospheric exposure without lowering the Q-factor. make the action possible.

도 1은 HMDS를 이용한 소수성 표면처리 과정을 설명하는 도면이다.1 is a view for explaining a hydrophobic surface treatment process using HMDS.

도 1을 참고하면, Hexamethyldisilazane(HMDS)을 이용한 소수성 표면 처리 과정은 다음과 같다.Referring to FIG. 1 , the hydrophobic surface treatment process using Hexamethyldisilazane (HMDS) is as follows.

제작이 완료된 초고품위 실리카 마이크로공진기를 고온에서 열처리한 후 HMDS 증기에 노출시켜, 소자 실리카 표면에 소수성의 단일 박막층이 형성되도록 한다.After heat treatment of the finished ultra-high quality silica microresonator at high temperature, it is exposed to HMDS vapor to form a single hydrophobic thin film layer on the surface of the device silica.

단일 박막층은 수분에 의한 열화를 방지하면서, 다른 광학 성능에는 거의 영향을 미치지 않는다. 따라서, 저렴하고 간단한 기구로 30분 미만 짧은 시간안에 표면처리가 가능하다.A single thin film layer has little effect on other optical performance while preventing degradation by moisture. Therefore, it is possible to surface treatment in less than 30 minutes with an inexpensive and simple device.

도 2는 HMDS를 이용한 소수성 표면처리 후의 광학 성능 변화 그래프이고, 도 3은 표면처리 유무와 대기 노출 시간에 따른 열 선 이동 변화 그래프이다.2 is a graph showing changes in optical performance after hydrophobic surface treatment using HMDS, and FIG. 3 is a graph showing changes in heat line movement according to the presence or absence of surface treatment and atmospheric exposure time.

도 2를 참고하면, HMDS를 이용한 소수성 표면처리 후의 광학 성능 변화를 살펴보면, 솔리톤 펄스 동작파워와 발생 유무에 영향을 미치는 Q 인자와 2차 분산의 변화가 없음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , looking at the optical performance change after hydrophobic surface treatment using HMDS, it can be confirmed that there is no change in the Q factor and secondary dispersion affecting the soliton pulse operation power and the occurrence or not.

도 3을 참고하면, 표면처리 유무와 대기 노출 시간에 따른 공진기 열특성 변화를 비교한 결과, 표면처리된 소자의 열특성은 저열화가 되지 않음을 확인할 수 있고, 아무 처리를 하지 않은 경우 열특성 저열화가 신호를 통해 관찰된다.Referring to FIG. 3 , as a result of comparing the change in the resonator thermal characteristics according to the presence or absence of surface treatment and atmospheric exposure time, it can be seen that the thermal characteristics of the surface-treated device do not deteriorate, and when no treatment is performed, the thermal characteristics are low. Angry is observed through cues.

도 4는 솔리톤의 광스펙트럼의 예시이고, 도 5는 단일 솔리톤의 반복률(~22 GHz)과 모드 잠금 시간에 따른 반복률 변화를 나타내는 도면이다.4 is an example of a light spectrum of a soliton, and FIG. 5 is a diagram illustrating a repetition rate (~22 GHz) of a single soliton and a change in repetition rate according to mode lock time.

도 4와 도 5를 참고하면, 소수성 표면 처리가 된 광공진기를 바탕으로 기존의 솔리톤 모드 잠금 기술에 의한 솔리톤 모드 잠금이 가능함을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 4 and 5 , it can be confirmed that soliton mode locking by the conventional soliton mode locking technology is possible based on the optical resonator with hydrophobic surface treatment.

22 GHz의 주기를 갖는 펄스의 반복률 변화는 10 kHz 미만으로 매우 낮은 수치임을 확인할 수 있다.It can be seen that the repetition rate change of the pulse having a period of 22 GHz is less than 10 kHz, which is a very low value.

도 6은 HMDS 처리에 따른 실리카 표면에서의 화학 반응을 나타내는 도면이고, silica wedge resonators의 Q-factor의 변화를 나타내는 도면이다.6 is a view showing the chemical reaction on the silica surface according to the HMDS treatment, and is a view showing the change in the Q-factor of the silica wedge resonators.

도 6의 (a)는 HMDS 처리에 따른 실리카 표면에서의 화학 반응이다.Figure 6 (a) is a chemical reaction on the silica surface according to the HMDS treatment.

도 6의 (b)는 1550 nm에서의 HMDS 처리 전의 silica wedge resonators의 Q-factor이고, (c)는 HMDS 처리 후의 Q-factor이다.Figure 6 (b) is the Q-factor of silica wedge resonators before HMDS treatment at 1550 nm, and (c) is the Q-factor after HMDS treatment.

이와 같이, 본 발명에 따르면 간단한 표면처리 기법을 통해 수분흡착 방지가 가능하고, 저렴한 설비를 통해 30분내에 빠르고 간단하게 증착할 수 있다. As described above, according to the present invention, moisture adsorption can be prevented through a simple surface treatment technique, and deposition can be performed quickly and simply within 30 minutes through inexpensive equipment.

본 발명에 따르면, HMDS 처리 후 광주파수빗 발생과 관련한 광학 성능의 저하가 없고, 기존의 소자 제작 과정과 솔리톤 모드 잠금 기술을 그대로 적용할 수 있다.According to the present invention, there is no degradation of optical performance related to optical frequency comb generation after HMDS treatment, and the existing device manufacturing process and soliton mode locking technology can be applied as it is.

칩-스케일 펄스 발생기는 펌프 레이저와 비선형성이 높은 칩-스케일 공진기를 이용해 나노초(nanosecond, 10^-9　sec)　이하의 주기가 매우 짧은 펄스를 생성하는 기술이다. 핵심이 되는 칩-스케일 공진기 중 현재까지 가장 높은 효율을 보이는 실리카 기반 공진기는 향후 상용화 가능성이 매우 높으나, 공기중 수분의 흡착으로 인해 성능이 열화된다는 문제를 가지고 있다. 본 발명은 이러한 문제를 근본적으로 해결하여, 칩-스케일 펄스 발생기가 외부 조건과 상관없이 상용화 가능한 수준으로 안정적으로 동작할 수 있도록 하므로, 칩-스케일 펄스 발생기 발명들의 활용도를 높일 수 있다.The chip-scale pulse generator is a technology that uses a pump laser and a chip-scale resonator with high nonlinearity to generate a very short pulse with a period of less than nanoseconds (10 ^-9 sec). Among the core chip-scale resonators, silica-based resonators showing the highest efficiency so far have a high potential for commercialization in the future, but have a problem in that their performance deteriorates due to adsorption of moisture in the air. The present invention fundamentally solves this problem, so that the chip-scale pulse generator can stably operate at a commercially feasible level regardless of external conditions, so that the utilization of the chip-scale pulse generator inventions can be increased.

안정적인 펄스 신호원은 각종 고속,　고정밀 물리량 측정에 사용할 수 있다.　펄스는 마이크로파로 수기가헤르츠-수십 기가헤르츠 수준의 마이크로파로 변환 가능하다. 따라서, 안정하고 우수한 마이크로파 신호는 차세대　5G/6G　통신용 신호원 및 우주측지기준점(Very long baseline interferometry, VLBI)에 활용할 수 있고 고성능 레이더 신호원에 활용할 수 있다.The stable pulse signal source can be used to measure various high-speed and high-precision physical quantities. Pulses can be converted into microwaves at the level of several gigahertz to tens of gigahertz. Therefore, stable and excellent microwave signals can be utilized for next-generation 　 5G/6G 　 communication signal sources and very long baseline interferometry (VLBI) and high-performance radar signal sources.

수　GHz　이상의 칩-스케일 펄스 발생 기술은 아직 연구실 수준에서 이루어지고 있는 기술이라서,　상용화를 위해선 펄스 생성 기술 및 장시간 안정도를 확보해야 하는데,　본 발명이 제안하는 표면처리 기술은 장시간에 걸쳐 소자의 열화가 이루어지지 않도록 하여, 펄스 동작 성능을 일정하게 유지할 수 있게 한다. 따라서, 칩-스케일 펄스 발생기 및 이를 이용한 마이크로파 생성 기술이 본격적으로 시장에 진입할 수 있게 해줄 것으로 기대한다. 이는 고정밀 계측 분야뿐 아니라 차세대 통신용　5G/6G　시스템 및 국방 분야의 신호원으로 적극 활용될 가능성이 있으므로,　그 수요가 매우 높을 것으로 기대된다.Since chip-scale pulse generation technology of several GHz or higher is still at the laboratory level, it is necessary to secure pulse generation technology and long-term stability for commercialization. This makes it possible to keep the pulse operation performance constant. Therefore, it is expected that the chip-scale pulse generator and the microwave generation technology using the same will allow the market to enter the market in earnest. As it is likely to be actively used not only in high-precision measurement fields, but also as a signal source for next-generation communication 　 5G/6G systems and defense fields, the demand for 　 is expected to be very high.

성능이 우수한 칩-스케일 펄스 발생기의 생성 기술은 이를 이용한 고정밀,　고속 계측분야,　통신,　국방 분야와 같은 큰 산업 분야뿐 아니라 우주측지기준점과 같은 기초분야에도 기여할 수 있기 때문에 파급효과가 뛰어날 것으로 기대된다.The high-performance chip-scale pulse generator generation technology is expected to have a great ripple effect because it can contribute to basic fields such as space geodetic reference points as well as large industrial fields such as high-precision, high-speed measurement, communication, and national defense. .

온 칩 초소형 펄스 제작의 핵심 부품인 초소형 공진기 중 가장 품질계수(Quality factor)가 높고 효율이 뛰어난 실리카 기반 광공진기를 외부 환경에 영향받지 않고 안정적으로 동작할 수 있도록 한다. It enables the silica-based optical resonator with the highest quality factor and excellent efficiency among micro-resonators, which is a key component for on-chip micro-pulse production, to operate stably without being affected by the external environment.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. The embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the right.

Claims (2)

열 특성 개선을 위한 마이크로공진기 소수성 표면 처리 방법.Microresonator hydrophobic surface treatment method for improving thermal properties. 고온에서 열처리한 실리카 마이크로공진기를 HMDS 증기에 노출시켜 표면에 소수성의 단일 박막층을 형성하는 방법.
A method of forming a single hydrophobic thin film layer on the surface by exposing a silica microresonator heat treated at high temperature to HMDS vapor.

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