KR100300822B1 - 광유기굴절율변화를이용한광학소자및제조방법 - Google Patents

Abstract

유리(1)에 10⁵W/cm²이상의 최대전력밀도와 10kHz 이상의 반복도를 갖는 집속된 펄스형 레이저광(2)을 조사한다. 레이저광(2)으로 조사된 유리(1)는 집광점(4)에서 그의 굴절률이 변화한다. 소정의 패턴을 갖는 굴절률변화영역(즉, 광도파관(5))을 형성하기 위하여 레이저광을 조사하는 중에, 유리(1)는 상기 펄스형 레이저광(2)의 집광점에 대하여 연속적으로 이동하거나 상기 집광된 레이저광(2)에 의해 연속적으로 주사된다. 광도파관(5)이 형성될 유리(1)는 고투과성을 갖는 어떤 종류의 유리라도 가능하다.

Description

광유기 굴절율 변화를 이용한 광학소자 및 제조방법{OPTICAL DEVICE AND FORMATION OF OPTICAL WAVEGUIDE USING LIGHT-INDUCED EFFECT ON REFRACTIVE INDEX}

발명의 배경

본 발명은 광도파관이 형성된 광소자(광학소자)에 관련되고, 또한 그러한 광소자를 제조하는 방법에 관련된다.

광통신 등에 유용한 광도파관은 이온교환공정 또는 불꽃 가수분해(flamehydrolysis) 공정에 의하여 유리내에 형성된다.

이온교환공정에 의하면, 유리내의 Na⁺이온을 Ag⁺이온으로 대체하는 제1 이온교환단계에 의해 표층내에 광도파관을 형성하기 위하여 유리기판 위에 피착된 금속박막의 슬릿형 개구를 통하여 유리기판의 표층으로 Ag⁺이온이 열적확산된다. 그 다음에, 균일한 전기장이 Na⁺용융염(fused salt)내에서 유리기판에 가해진다.

그 후, 유리의 표층은 Na⁺용융염으로부터의 Na⁺이온에 의해 침투된다. Na⁺이온의 확산으로 인하여, Ag⁺이온의 확산에 의해 최상위층에 형성되었던 고굴절률영역은 표면 아래로 잠기고, 그래서 광도파관은 낮은 전파손실의 특성을 보장하도록 유리의 표면 아래에 파묻히게 된다.

이러한 방식으로 얻어진 광도파관의 코어(core; 심선)는 일반적으로 반지름 10∼200㎛의 반원 내지 원형의 단면을 가지며 약 1%의 굴절률차를 가진다.

굴절률의 변화는 이온교환에 의해 제어되기 때문에, 상기 형성된 광도파관의 구조는 유리표면 근처의 부분에 제한되고, 광도파관 형성에 이용할 수 있는 유리재료는 이온교환이 가능한 것이다. 또한, 이온교환공정은 긴 시간이 걸리며, 결국 생산성이 낮아진다.

불꽃 가수분해 공정에 의하면, 코어와 하층 클래드(clad)에 대해 이중유리층을 형성하기 위하여 실리콘 사염화물과 게르마늄 사염화물의 불꽃 가수분해에 의하여 실리콘 기층 위에 미세한 유리입자가 피착된다. 그 다음에, 적층된 미세한 유리입자는 고온 열처리에 의해 투명한 유리층으로 재형성된다. 그후에, 코어부분은 포토리소그래피 내지 반응성 에칭(reactive etching)에 의하여 소정의 패턴으로 성형되고, 그 다음에 클래드가 형성된다.

불꽃 가수분해 공정은 광도파관을 형성하기 위하여 복잡한 단계를 수반하며, 규산염 기반의 재료만을 이용한다. 또한, 코어가 에칭에 의하여 형성되기 때문에, 원형의 단면을 갖는 광도파관을 형성하는 것이 곤란하다.

이온교환공정이나 불꽃 가수분해 공정에 의해서도 광도파관이 다양한 2차원 패턴으로 형성될 수는 있지만, 3차원 패턴을 갖는 채널을 형성하는 것은 거의 불가능하다. 결국, 복잡한 구조를 갖는 광도파관 회로는 이러한 공정에 의해서는 성취될 수 없다.

도 1은 실시예 1에서 펄스형 레이저광으로 실리카유리를 조사하는 것을 나타내는 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 실리카유리내에 형성된 광도파관을 나타내는 개략도,

도 3은 실시예 2에서 펄스형 레이저광으로 플루오르화물유리를 조사하는 것을 나타내는 개략도,

도 4는 도 3에 도시된 플루오르화물유리내에 원호를 따라 형성된 광도파관을 나타내는 개략도이다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 광도파관이 높은 자유도를 갖도록 형성되는 광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 레이저광의 조사에 의하여 유도되는 구조변화에 의해 유리내에 광도파관을 형성하는 것이다.

본 발명자는 유리의 구조가 레이저광의 조사에 의해 변화한다는 광유기 효과를 인식하고, 광도파관의 형성에 있어서 이 효과를 적용하려는 연구를 하였다.

본 발명에 따르는 광소자는 광도파관으로서의 역할을 하는 굴절률 변화영역이 레이저광의 조사에 의해 연속상태로 형성된 유리를 포함한다.

상기 유리로는 산화물유리, 할로겐화물유리, 황화물유리, 칼코겐화물(calcogenide)유리 등에서 선택된다. 산화물유리로는 규산염, 붕산염, 황산염, 인산염, 플루오르인산염 또는 비스무스산염(bismuthate) 등이 될 수 있다. 할로겐화물유리로는 Type-BeF₂, ZrF₄, InF₃또는 Cd-Zn-Cl 등이 될 수 있다. 황화물유리로는 Ga-La-S가 될 수 있다. 칼코겐화물유리는 Se-As가 될 수 있다.

광도파관은 레이저광의 집광점에서 유리내의 구조변화를 유도할 수 있는 충분한 에너지의 레이저광을 집광함으로써 그리고 유리를 관통하여 연속적인 굴절률 변화영역을 형성하기 위하여 유리에 대한 집광점을 상대적으로 쉬프트시킴(shifting)으로써 형성된다.

필요한 최대전력밀도는 조사되는 특정된 유리에 따라 변경가능하지만, 집광점에서 레이저광의 최대출력밀도 10⁵W/cm²이상이 바람직하다. 최대전력밀도는 각 펄스당 출력에너지(J)대 펄스지속시간(sec.)의 비로 표시되는 최대출력(W)를 조사단위표면적당으로 표시한 값이다. 최대전력밀도 10⁵W/cm²보다 작으면, 유리내에 광도파관을 형성할 수 없을 정도로 굴절률의 변화는 거의 없게 된다.

굴절률에 대한 광유도효과는 최대전력밀도의 증가에 따라 가속되며, 그것은 광도파관의 형성을 용이하게 한다. 하지만, 과도한 에너지량의 레이저광을 이용하는 것은 사실상 곤란하다. 이 때문에, 펄스지속시간을 좁게 함으로써 최대전력밀도가 증가된 펄스형 레이저광이 이러한 목적을 위하여 바람직하다.

유리내에 형성된 광도파관은 10kHz 이상의 반복도(repetition rate)를 가진 펄스형 레이저광으로 조사함으로써 매끄러운 구조로 변형된다.

레이저광은 집광렌즈 등으로 집광되며, 그래서 집광점이 유리의 내부에 오도록 조절된다. 집광점이 유리내부로 상당히 쉬프트된 경우에, 광도파관으로서 유효한 굴절변화영역이 유리내에서 연속적으로 형성된다. 실제적으로, 유리는 상기 집광된 광에 의해 연속적으로 주사되거나, 집광점은 소정의 패턴을 따라 유리내에서 연속적으로 쉬프트된다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

레이저광의 조사에 의해 굴절률이 변화되는 현상은 광유기효과로 알려져 있으며, P, Ge, Ce 등을 함유하는 규산염유리에서 전형적으로 관찰된다. 이 효과는 자외선영역에서 고유흡수파장을 가지며 유리내에 존재하는 산소결함이 상기 흡수파장의 레이저광에 의해 조사되는 경우에 특히 그 구조를 변화시키는 반응에 의해서 발생한다. 광유기효과는 자외선레이저의 일 타입 즉 엑시머레이저를 이용하여 지금까지 연구되어 오고 있다.

이러한 레이저광은 10kHz 이하의 반복도를 갖지만, 조사부분에 충분한 에너지를 제공하지 않는다. 그래서, 굴절률변화영역은 연속적이지 않은 점(spot)으로만 형성된다. 평균출력전력을 일정한 값으로 유지하면서 반복도를 강제적으로 증가시키면, 단위펄스당 에너지는 감소한다. 결국, 굴절률의 변화를 일으키는 구조변화를 유도하는 것이 곤란하다.

10kHz 이상의 반복도를 갖는 펄스형 레이저광은, 펄스지속시간을 짧게 하여강한 최대전력밀도를 얻을 수 있다면, 광도파관의 형성에 유용하다. 굴절률은 유리의 조성에 상관없이 집광점에서 변화한다. 이러한 조건하에서, 유리의 고유흡수파장과 다른 파장을 갖는 펄스형 레이저광으로 조사함으로써 상기와 동일한 현상이 일어난다. 유리의 고유흡수파장과 비슷한 파장의 펄스형 레이저광이 이용되는 경우에도, 굴절률에 대한 광유기효과는 미약한 흡수를 갖는 유리에 10⁵W/cm²이상의 최대전력밀도를 가진 레이저광을 가함으로써 확인될 수 있다.

이러한 현상은, 비록 그 현상의 본질이 분명히 밝혀지지 않았지만, 광도파관의 형성에 유용하게 이용된다. 유리를 레이저광으로 연속적으로 주사하는 경우에, 굴절률변화영역은 높은 반복도로 인하여 집광점의 궤적을 따라 연속적으로 형성된다. 굴절률변화영역은, 그 굴절률이 그 유리의 본래의 굴절률보다 크기 때문에, 광도파관으로 이용될 수 있다.

매끄러운 구조의 광도파관을 형성하기 위하여, 펄스지속시간은 더욱 짧아져야 한다. 다시 말하면, 최소가능한 시간주기내에 제1 펄스와 제2 펄스를 가하기 위해서는 반복도가 증가되어야 한다. 이러한 점에서, 레이저광은 10kHz 이상, 바람직하게는 100kHz 이상의 반복도를 가져야 한다. 반복도가 10kHz 이하이면, 레이저광은 광도파관의 형성에 필수적인 굴절률변화를 유도하지 못하고 유리에 산란된다.

유리는 유리의 이동속도 또는 집광점의 주사속도를 감소시킴으로써 레이저광으로 연속적으로 조사될 수 있다. 하지만, 제2 펄스는 제1 조사펄스후 소정의 시간에 중첩상태로 가해진다. 상기 중첩된 조사로 인하여, 제1 조사펄스에 의해 변화된 굴절률은 제2 조사펄스에 의해 재변화될 수도 있다. 결과적으로, 매끄러운 구조의 광도파관이 얻어지지 못할 수도 있다.

반복도의 상한값은 특별히 제한되지는 않는다. 예로서, 무한대에 가까운 반복도를 가진 사실상 연속적인 레이저광이 사용될 수도 있다. 하지만, 반복도를 너무 증가시키면, 단위펄스당 에너지는 일반적으로 약해진다. 이러한 점에서, 반복도의 상한값은 공정에서 사용된 레이저의 전력뿐만 아니라 유리의 굴절률변화를 위한 임계에너지값에 의해 결정된다.

광도파관의 지름은 펄스형 레이저광의 전력, 집광점의 지름 등을 이용하여 조절할 수 있다. 광도파관은 펄스형 레이저광의 전력 또는 집광점의 지름을 증가시킴으로써 그 지름이 커질 수 있다. 코어에서의 굴절률의 변화율은 주사의 반복횟수를 이용하여 조절할 수 있다. 굴절률의 변화율은 펄스형 레이저광의 주사속도를 증가시킴으로써 코어의 지름을 크게 하지 않고도 커지게 할 수 있다.

실시예 1

95wt.% SiO₂와 5wt.% GeO₂의 조성을 갖는 규산염유리를 10mm??10mm??5mm 크기의 직육면체의 시료를 성형한다. 시료(1)에 200kHz의 반복도와 150펨토초의 펄스지속시간을 갖는 800nm의 파장의 펄스형 레이저광(2)을 조사한다. 이 펄스형 레이저광(2)은 Ar 레이저광에 의해 여기된 Ti: Al₂O₃레이저로부터 방출되며, 그 다음에 도 1에 도시된 바와 같이 집광렌즈(3)에 의해 집광된다.

레이저광(2)은 집광점(4)이 시료(1) 내부의 위치에 조절되도록 집광렌즈(3)에 의해 집광된다. 레이저광(2)에 의해 조사된 시료(1)는 집광점(4)에서 0.02 이상까지 굴절률을 변화시킨다.

시료(1)의 굴절률은 나노초 내지 피코초 정도의 매우 짧은 시간주기내에 변화된다. 광도파관(5)으로 이용되는 직선형 고굴절률 영역은 유리시료(1)를 연속적으로 움직이거나 집광된 레이저광(2)을 연속적으로 주사함으로써 도 2에 도시된 바와 같이 시료(1) 내부에 형성된다.

광도파관(5)의 형성은 가시광선을 시료(1)에 실제로 입사시킨 경우에 굴절률변화영역을 통해서만 가시광선의 전송이 일어나는 것으로부터 확인될 수 있다. 광도파관이 지름 20㎛의 원형 단면을 갖는다는 것은 출력단부에서의 근거리 패턴(near-field pattern)으로부터 확인될 수 있다.

Ge 주입 규산염유리가 상기 실시예에서 사용된다. 고순도의 규산염, 인산염, 붕산염, 플루오르산염, 염소산염 또는 황산염유리와 같은 다른 유리에 동일한 방식으로 레이저광을 조사한 경우에, 유사한 광도파관이 유리내에 형성된다.

이러한 방식으로 형성된 광도파관은, 코어와 클래드 사이에 분명한 경계가 생기지 않기 때문에, 매우 적은 경계손실(interfacial loss)을 갖는다. 그래서, 광학적 집적회로 등에서 이산적 광도파관을 형성하는 데에 동일한 공정이 이용될 수 있다고 여겨진다.

실시예 2

50mole% ZrF₄, 5mole% LaF₃, 5mole% AlF₃, 20mole% BaF₂와 20mole% NaF의 조성을 갖는 플루오르산염유리를 20mm??20mm??5mm 크기의 직육면체의 시료(1)로 도 3과 같이 준비한다. 집광점(4)이 시료(1)의 내부에 위치하도록 조절되는 방식으로 시료(1)에 펄스형 레이저광(2)을 조사한다. 펄스형 레이저광(2)은 50kHz의 반복도와 120펨토초의 펄스지속시간을 갖고 1㎛의 파장과 150mW의 평균전력을 갖는다.

본 실시예에서, 집광점(4)은 원호를 따라 쉬프트한다. 집광점(4)의 궤적을 따라 시료(1)내에서 주변으로부터 구별가능한 굴절률변화영역의 형성은 광학현미경을 이용하여 관찰된다. 도 3에 도시된 바와 같이 그 형성된 영역 즉, 광도파관(5)은 지름 12㎛의 원형 단면을 갖는다.

He-Ne 레이저광을 광도파관(5)의 일단부에 입사시킨 경우에, 광도파관(5)의 타단부로부터의 레이저광의 방출은 근거리패턴의 광량(luminous energy) 분포로부터 알 수 있다. 주목할 것은, 레이저광의 조사에 의해 재형성된 영역은 도파관구조를 형성할 수 있도록 주변에 비해 굴절률이 크다는 것이다.

집광된 레이저광이 광도파관(5)에 반복적으로 가해지면, 광도파관의 타단부로부터 방출되는 레이저광은 그 세기가 증가한다. 굴절률의 변화율은 레이저광의 조사의 반복횟수를 증가시킴으로 그에 대응하여 증가된다.

더 나아가, 플루오르산염유리에 광도파관을 형성하기 위하여 400nm 내지 2㎛ 파장범위의 레이저광을 조사하고, 한편 레이저광의 펄스지속시간과 반복도를 일정한 수준으로 유지한다. 상기 유리내에서 동일한 광도파관의 형성이 출력단부에서근거리패턴으로 광량 분포로부터 확인된다.

상기한 본 발명에 따르면, 유리내에 광도파관을 형성하기 위하여 집광점에서 유리의 굴절률을 특별히 변화시키는 데에 충분한 최대전력밀도를 갖는 펄스형 레이저광을 유리에 조사한다. 이러한 공정은 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 복잡한 단계를 필요로 하지 않고도 광도파관이 용이하게 형성된다. 또한, 펄스형 레이저광의 광축에 대하여 유리의 이동방향을 변화시킴으로써 또는 유리에 대하여 집광점의 주사방향을 변화시킴으로써, 광도파관의 패턴을 높은 자유도로 조절할 수 있다. 그래서, 이러한 방식으로 얻어진 광소자는 광도파관이 이산적 광학적 회로에 유용한 복잡한 3차원 패턴으로 형성될 수 있는 구조를 갖는다.

Claims (8)

1. 집광점을 유리내부에 조절한 레이저광으로 유리를 조사하고, 집광점을 쉬프트시킴으로써 유리내부에 형성된, 굴절율이 연속적으로 변화되는 굴절률변화영역; 및

   상기 레이저광의 조사의 영향을 받지 않고 본래의 굴절률을 유지하고, 상기 굴절률변화영역을 둘러싸는 잔여부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유리는 산화물유리, 할로겐화물유리, 황화물유리와 칼코겐화물유리로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광소자.
3. 유리내에 광도파관을 형성하는 방법에 있어서,

   유리 내부에 굴절률의 변화를 유도하는데에 충분한 에너지를 가진 레이저광을 집광하는 단계; 및

   상기 유리내에서 굴절률이 변화되는 연속적인 영역을 형성할 수 있도록 상기 유리내에서 상기 레이저광의 집광점을 상대적으로 쉬프트시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 레이저광은 집광점에서 적어도 10⁵W/cm²의 최대전력밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 레이저광은 적어도 10kHz의 반복도를 가진 펄스형 레이저광인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 유리는 산화물유리, 할로겐화물유리, 황화물유리와 칼코겐화물유리로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 유리는 집광된 레이저광으로 연속적으로 주사되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 3 항에 있어서, 상기 레이저광의 집광점은 상기 유리내에서 연속적으로 쉬프트되는 것을 특징으로 하는 방법.

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