KR20020092209A

KR20020092209A - 광도파로 장치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20020092209A
Application number: KR1020020030233A
Authority: KR
Inventors: 요시히코 노로; 시로 다카하시; 히사노리 스즈키; 사토시 고바야시
Original assignee: 호야 가부시키가이샤
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2002-12-11
Also published as: US20020181917A1; US6795631B2; JP2003050327A; EP1262805A1

Abstract

본 발명은 기판(1), 코어로서 패턴화된 광도파로(4) 및 기판상에 형성된 상부 클래딩층(10)을 포함하는 광도파로 장치에 관한 것이다. 코어는 하부 클래딩층으로서의 기판 및 상부 클래딩층을 포함하고 코어의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 클래딩에 의해 둘러싸진다. 코어 및 클래딩은 온도 의존성 팽창 및 수축이 실질적으로 클래딩의 특성에 따라 수행되는 방식으로 서로 일체형으로 결합된다. 코어 및 클래딩은 클래딩의 온도 의존성 팽창 및 수축이 코어의 굴절률의 온도 의존성 변화에 따른 광경로 길이의 변화에 의해 상쇄되도록 선택된 재료로 구성된다.

Description

광도파로 장치 및 그 제조 방법 {OPTICAL WAVEGUIDE APPARATUS AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}

본 발명은 파장 분할 멀티플렉서(WDM) 광통신 시스템에서 사용하기 위한 광도파로(optical waveguide) 장치와 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광신호 멀티플렉서 또는 디멀티플렉서로서 사용되는 배열 도파로 격자(AWG)와 같이파장 선택 기능을 수행하는 평면형 광도파로 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 파장 분할 멀티플렉서(WDM) 전송 시스템이 광전송에 널리 사용되고 있다. WDM 전송 시스템에서, 다른 파장을 가진 다수의 신호가 단일 광섬유를 통해 멀티플렉싱되고 전송된다. 보다 더 많은 신호가 멀티플렉싱됨에 따라 전송 용량이 증가된다. 가장 최근에, 다른 파장을 가진 100개 이상의 신호가 멀티플렉싱된다. 결과적으로, 다른 파장 사이의 분리 또는 이격(spacing)이 좁아진다. 예를 들면, 100GHz 그리드의 시스템에서, 인접 파장 사이의 이격은 0.8㎚와 같아야 한다. WDM 전송 시스템은 초기에는 장거리 네트워크에서 사용되었지만, 터미널의 주변을 포함하는 더 넓은 응용 범위로 확대되어 지고 있다.

전술된 WDM 전송 시스템에서, 다른 파장을 가진 다수의 신호 사이에서 특정 신호를 선택하는 파장 선택 기능을 가진 장치가 중요하고 필수적이다. 이러한 파장 선택 기능은 일체형 장치로서 평면형 광도파로 장치에 의해 제공된다.

이러한 파장 선택 기능을 가진 평면형 광도파로 장치의 일예로서, 배열 도파로 격자(AWG)가 일본 특허 제2599786(JP 2599786C)에 개시되어 있다. 배열 도파로 격자는 광 멀티플렉서/디멀티플렉서로서 사용된다. 도1을 참조하면, 실리카-기재 유리로 만든 도파로 패턴이 기판(1)상에 형성된다. 도파로 패턴은 적어도 하나의 광입력 도파로(2), 제 1 슬랩 도파로(slab waveguide)로서의 입력측(input-side) 슬랩 도파로(3), 상호 길이가 다른 다수의 패턴형 또는 배열 도파로(채널 도파로)(4), 제 2 슬랩 도파로로서의 출력측(output-side) 슬랩 도파로(5) 및 적어도 하나의 광출력 도파로(6)(도시된 예에서 다수의 광출력 도파로(6)가 도시됨)를포함하며, 이들은 나열된 순서로 연속하여 연결되어 있다. 배열 도파로(4)의 조합은 회절 격자(14)를 형성하여 배열 도파로 격자가 제공되도록 한다. 도시의 간략화를 위해, 적은 수의 도파로만이 도1에 도시된다. 실제 장치에서, 배열 도파로는 대략 100개 정도이다. 광출력 도파로의 수는 출력 채널의 수에 해당한다.

광입력 도파로(2)는 도파로-멀티플렉싱된 광빔(light beam)을 유도하기 위해 광섬유(도시 안됨)에 연결된다. 광입력 도파로(2)를 통해 입력측 슬랩 도파로(3)로 유도된 광빔은 입력측 슬랩 도파로(3)의 회절 효과로 인해 개별 배열 도파로(4)에 분리 빔(split beam)으로서 입사하고, 이러한 분리 빔은 개별 배열 도파로(4)를 통해 전파한다. 개별 배열 도파로(4)를 통해 전파하는 분리 빔은 출력측 슬랩 도파로(5)에 도달한다. 출력측 슬랩 도파로(5)에 도달한 분리 빔은 광출력 도파로로 전파되어 그곳으로부터 출력되는 포커싱된 빔으로서 집광 또는 포커싱된다.

전술된 배열 도파로 격자에서, 배열 도파로(4)는 서로 다른 길이를 가진다. 그러므로, 입력측 슬랩 도파로(3)로부터 전달된 분리 빔이 개별 배열 도파로(4)를 통해 전파된 이후, 분리 빔은 서로 다른 위상으로 시프팅 또는 변한다. 위상 시프트 또는 차이의 크기(양)에 따라, 포커싱된 빔의 파면은 경사진다. 포커싱 위치는 포커싱된 빔의 파면의 경사각에 의해 결정된다. 그러므로, 이런 위치에서 광출력 도파로(6)를 형성함으로써, 상호 다른 파장의 출력 광빔은 각각 다른 파장에 해당하는 광출력 도파로(6)로부터 생성될 수 있다.

배열 도파로 격자에서, 회절 격자(14)는 회절 격자(14)를 형성하는 배열 도파로(4) 사이의 길이 차(ΔL)에 비례하는 파장 분해능을 가진다. 그러므로, 큰 값의 ΔL을 가진 회절 격자를 설계함으로써, 좁은 파장 이격에서 다중 광빔에 대한 광 멀티플레싱 및 디멀티플렉싱을 수행하는 것이 가능하다.

하지만, 전술한 배열 도파로 격자에서, 패터닝된 도파로(4)는 상호 다른 길이를 가진다. 이는 장치 온도의 변화에 응답하여 배열 도파로(4)의 길이(광경로 길이)에서의 변화가 상호 다르다는 것을 의미한다. 그러므로, 장치 온도의 변화에 응답하여 필터링된 파장 즉, 배열 도파로(4)에 의해 디멀티플렉싱된 파장이 급격하게 변화된다.

전술한 문제를 해결하기 위해, 광 멀티플렉서/디멀티플렉서에 온도 제어 메커니즘을 도입하는 것이 제안되었다. 온도 제어 메커니즘은 냉각을 위한 펠티어(Peltier) 장치와 온도 제어 회로를 포함하고 배열 도파로 격자의 온도 제어를 수행하여 온도 변화 그 자체가 없도록 한다. 하지만, 이러한 온도 제어 메커니즘의 도입은 장치의 크기 증가, 비용 증가 및 전력 소비 증가를 야기한다.

펠티어 장치를 사용하지 않는 다른 방안으로서, 도1과 관련하여 이하에서 설명될 방법이 있다. 배열 도파로 격자의 배열 도파로(4)의 온도 의존성을 제거하기 위해, 도1에 점선으로 도시된 바와 같이 배열 도파로(4)와 교차되게 사다리꼴 홈이 형성된다. 배열 도파로(4)는 굴절률의 양의 온도 계수를 가진 실리카-기재 유리를 포함한다. 온도 보상부(9)는 굴절률의 음의 온도 계수를 가진 실리콘 레신으로 사다리꼴 홈을 충전함으로써 형성된다.

각각의 배열 도파로(4)의 굴절률에서의 온도 의존성 변화로 인한 광경로의 변화를 제거함으로써, 배열 도파로 격자의 온도 의존성을 제거하는 것이가능하다("Athermal silica-based arrayed-waveguide grating(AWG) multiplexer", ECOC'97 Technical Digest, pp.33-36, 1997 참조). 이러한 방안에서, 배열 도파로 격자의 전송 파장의 온도 의존성은 0.001nm/℃ 이하의 작은 값으로 감소된다.

하지만, 전술한 구조를 사용할 경우, 배열 도파로와 실리콘 레신으로 충전된 온도 보상부 사이에서 광부정합이 발생된다. 더욱이, 배열 도파로 격자내에 형성된 사다리꼴 형상의 온도 보상부(9)상에 클래딩층을 형성하는 것은 어렵다. 이는 사다리꼴 형상의 온도 보상부(9) 영역내 과도한 손실을 발생시킨다. 결과적으로, 전체 장치로서의 배열 도파로 격자의 광전송 손실 특성이 전체 장치에 대해 감소된다.

또다른 방식으로서, 유럽 특허공개 제 0 849 231 A1호는 도파로의 재료 선택에 의하여 온도 특성을 향상시키는 방법을 개시한다. 상기 방법은 서로 다른 재료로 구성된 도파로 사이의 상이한 온도 의존성에 기인하여 디바이스의 온도 특성을 향상시키는 것을 목표로 한다. 2개의 도파로의 광경로 길이의 온도 의존성 변화율을 정확하게 매칭시킴으로써, 파장 제어 함수인 온도 특성이 향상된다.

그러나, 상기의 방법은, 도파로가 동일한 재료로 구성되고 파장 제어 특성이 도파로들 사이의 물리적 길이의 차이에 의해 얻어지는 장치에는 적용할 수 없었다. 또한, 동일한 재료의 도파로를 사용함으로써 개별 도파로의 온도 특성이 동일하게 주어지더라도, 만약 개별 도파로의 온도 특성이 충분히 낮지 않으면 원하는 파장 제어 특성을 얻을 수 없다.

도2는 널리 사용되고 있는 리지형 광도파로의 제조 공정을 도시한다. 제 1단계에서, 코어층(4a)이 기판(1)상에 형성된다. 제 2 단계에서, 상기 코어층(4a)은 리소그래피 등에 의해 패턴화되어 다수의 코어(4)를 형성한다. 제 3 단계에서, 상부 클래딩층(10)이 형성되어 상기 코어(4)들을 덮는다. 따라서, 코어(4)들은 상부 클래딩층(10) 및 기판(1)에 의해 둘러싸진다. 그러므로, 기판(1)은 하부 클래딩층이라 할 수 있다. 상부 및 하부 클래딩층의 결합은 일괄하여 코어(4)들을 둘러싸는 클래딩이라 말할 수 있다.

여기서, 코어층(4a) 및 상부 클래딩층(10)으로서의 유리 박막들은 FHD(Flame Hydrolysis Deposition:화염 가수분해 증착)에 의하여 형성된다. 박막이 FHD에 의해 형성되는 경우, 박막이 형성된 후에 열처리가 요구된다. 이는 FHD에 의해 얻어진 (검댕으로 불리는) 결과물은 밀도가 낮아서 우수한 광 특성 및 낮은 전달 손실을 얻기 위해 밀도가 높아져야 하기 때문이다. 따라서, 전술한 박막 형성 기술(FHD)에 의하여 다층 구조의 평면형 도파로 장치가 형성된 경우, 제조 공정의 나중 단계에서 형성된 구조는 이전 단계에서 형성된 구조보다 더 낮은 유리 전이점을 가져야 한다. 특히, 상부 클래딩층의 유리는 코어 유리 및 기판보다 더 낮은 유리 전이점을 가져야 한다. 결과적으로, 하부 클래딩층으로서의 기판(1)과 상부 클래딩층(10)은 상이한 유리 재료로 형성된다. 이 경우, 상부 및 하부 클래딩층은 상이한 열팽창계수를 가진다. 그 결과 원하지 않는 압력(stress)이 광도파로로서의 코어(4)가 인가된다.

또다른 제조 방법으로서, 화학 기상 증착(CVD)을 이용하여 상부 클래딩층(10)을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 상부 클래딩층(10)은 하부 클래딩층으로서의 기판(10)과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 상부 클래딩층(10)과 코어(4)들 사이에 균열 또는 공극이 부분적으로 형성된다. 따라서, 상부 클래딩층(10) 및 코어(4)들은 서로 기계적으로 밀착을 항상 유지할 수는 없다.

박막이 형성된 후에, 상부 클래딩층(10)에 형성된 균열 또는 공극을 제거하기 위하여 열처리가 요구된다. 균열 또는 공극이 제거될 수 있는 조건하에서 열처리가 수행된 경우, 동일한 재료로 형성된 하부 클래딩층뿐만 아니라 통상적으로 연화점이 낮은 코어(4)들도 변형된다. 따라서, 열처리에 의해서는 클래딩 및 코어 사이에 기계적 본딩을 얻기 어렵다.

전술한 바와 같이, 종래의 배열 도파로 격자는 많은 단점을 가진다. 더 나아가, 배열 도파로 격자와 같은 광도파로 장치를 제조하는 기존의 방법도 또한 많은 단점을 가진다. 이러한 단점들은 배열 도파로 격자에만 한정되지 않으며, 다른 광도파로 장치에도 적용된다.

따라서, 본 발명의 목적은 광경로 길이에 있어 실질적으로 온도의 영향을 받지 않으며, 광전송 손실이 작고, 크기가 작으면서도 비용이 저렴한 광도파로 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상기와 같은 광도파로 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 기판, 상기 기판의 리세싱된 부분에 형성된 코어, 상기 기판상에 형성된 상부 클래딩층을 포함하는 광도파로 장치로서, 상기 코어는 하부 클래딩층으로서의 기판 및 상부 클래딩층을 포함하고, 상기 코어보다는 낮은 굴절률을 갖는 클래딩에 의해 둘러싸지며;

상기 코어 및 상기 클래딩은, 온도 의존성 팽창 또는 수축이 실질적으로 상기 클래딩의 특성에 따라서 수행되는 방식으로 서로 일체형으로 결합되며;

상기 코어 및 상기 클래딩은, 상기 클래딩의 온도 의존성 팽창 또는 수축에 따른 상기 코어의 광경로 길이의 변화가 상기 코어의 굴절률의 온도 의존성에 따른 광경로 길이의 변화에 의하여 상쇄되도록 선택된 재료들로 구성된 광도파로 장치가 제공된다.

바람직하게, 상기 코어 및 상기 클래딩은 각각 실리카-기재 유리로 구성된다. 상기 코어는 굴절률의 음의 온도계수를 갖는 재료로 구성된다.

바람직하게, 상기 기판 및 상기 상부 클래딩층은 각각 Ti-도핑된 SiO₂또는 F-도핑된 SiO₂로 구성된다.

바람직하게, 상기 클래딩은 Ti-도핑된 SiO₂로 구성되고, 상기 클래딩과 함께 결합될 상기 코어는 상기 클래딩이 SiO₂로 구성된 경우와 비교하여 더 낮은 굴절률의 온도계수를 가지는 재료들 중 선택된 재료로 구성된다.

바람직하게, 상기 클래딩은 F-도핑된 SiO₂로 구성되는 반면, 상기 클래딩과 결합될 상기 코어는 상기 클래딩이 SiO₂로 구성된 경우와 비교하여 더 큰 굴절률의 온도계수를 가지는 재료들 중 선택된 재료로 구성된다.

바람직하게, 상기 코어는 B₂O₃를 함유하는 재료로 구성된다.

바람직하게, 상기 코어는 SiO₂-GeO₂-B₂O₃유리, SiO₂-TiO₂-B₂O₃유리 및 SiO₂-GeO₂-B₂O₃-P₂O₅유리로부터 선택된 재료로 구성된다.

바람직하게, 상기 GeO₂및 B₂O₃의 함유량은 2:1 내지 3:1의 비를 갖는다.

바람직하게, 상기 클래딩은 상기 코어 재료의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 가지는 재료들 중 선택된 재료로 구성되며;

상기 클래딩 재료 및 상기 코어 재료는, 상기 코어 재료의 굴절률의 온도계수가 상기 클래딩 재료의 열팽창계수와는 부호(sign)가 서로 반대이며 크기(절대값)가 동일하도록 결합된다.

본 발명의 또다른 특징에 따라, 기판의 표면상에 미리 결정된 패턴을 가지는 리세싱된 부분을 형성하는 단계;

상기 기판의 굴절률보다 더 높은 굴절률과, 상기 기판의 열팽창계수에 대하여 +/- 부호에 있어 반대값을 가지는 굴절률의 온도계수 및 상기 기판보다는 더 낮은 유리 전이점을 갖는 재료를 이용하여 상기 기판의 리세싱된 부분 내에 코어를 형성하는 단계; 및

상기 기판의 리세싱된 부분에 형성된 상기 코어 재료의 유리 전이점보다는 더 높고 상기 기판의 유리 전이점보다는 더 낮은 온도에서, 상기 리세싱된 부분에 형성된 상기 코어를 갖는 상기 기판을 열처리하는 단계를 포함하는 광도파로 장치의 제조 방법이 제공된다.

바람직하게, 미리 설정된 패턴은 배열 도파로 격자를 형성하는 광도파로 패턴에 대응한다.

바람직하게, 상기 열처리 단계는 코어 유리의 유리 전이점보다 더 높고 클래딩 유리(cladding glass)로서 SiO₂의 유리 전이점보다 더 낮은 온도에서 수행된다.

바람직하게, 코어를 형성하는 단계 이후에는, 기판의 상부 표면 및 기판의 리세싱된 부분에 형성된 코어의 상부 표면을 덮기 위해 상부 클래딩층을 형성하는 단계가 수행되고;

상기 상부 클래딩층을 형성하는 단계 이후에는 기판을 열처리하는 단계가 수행된다.

바람직하게, 상기 기판 및 상부 클래딩층이 되는 유리판은 상온에서 광접촉을 하고, 그 다음에 코어 재료의 유리 전이점보다 더 높고 클래딩 재료의 유리 전이점보다 더 낮은 온도에서 열처리된다.

본 발명의 앞서 언급된 특징에 따라, 광경로 길이의 온도 의존성 변화를 주로 제거할 수 있는 광도파로 장치를 제공하는 것이 가능하다. 특히, 광도파로 장치의 광경로 길이의 온도 의존성 변화는 이론적으로 이하의 식(1)에 의해 주어진다:

d(nL)/dT = nL{1/n(dn/dT) + 1/L(dL/dT)} …(1)

여기서, n은 광도파로의 굴절률, L은 광도파로의 물리적 길이, T는 온도를 나타낸다. 전파하는 광빔의 대부분의 에너지가 상기 코어의 내부에 집중함을 고려하면,n은 실질적으로 코어 재료의 굴절률로 표현된다. 앞서 언급된 논리로부터, 물리적 길이 L의 변화율은 코어의 열 팽창 계수에 대응한다. 만약 코어가 하부 클래딩층으로서의 기판과 상부 클래딩층에 의해 기계적으로 속박되면, 상기 코어의 열 팽창 계수는 실질적으로 클래딩 재료의 열 팽창 계수에 의해 표현되는데, 이는 상부 및 하부 클래딩층이 코어보다 훨씬 더 큰 부피를 갖기 때문이다.

상기 식(1)로부터, 코어 재료의 굴절률의 온도 계수에 대응하는 항인 (1/n(dn/dT))이 +/- 부호에서 반대이고 클래딩 재료의 열 팽창 계수에 대응하는 항인 (1/L(dL/dT)와 값(절대값)이 동일할 때, 광경로 길이의 온도 의존성 변화가 제거될 수 있음을 알 수 있다. SiO₂의 열 팽창 계수가 클래딩 재료로서 널리 사용되기 때문에, 코어 재료의 굴절률의 온도 계수는 음의 값을 가져야 한다.

앞서 언급된 조건이 예를 들어, 평판형 광도파로에 의해 구현되는 경우에, 상부 및 하부 클래딩층을 포함하고 코어를 둘러싸는 클래딩에 의해 코어는 기계적으로 밀착될 것이 요구된다. 따라서, 앞서 언급된 발명의 특징에서, 하부 클래딩층으로서 유리 기판이 코어가 잠겨 있는 리세싱된 부분에 제공되고 상부 클래딩층이 하부 클래딩층과 동일한 재료에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 상기 코어와 클래딩 사이에 기계적 밀착을 달성하도록 열 처리를 수행하기 위하여, 코어 재료의 유리 전이점이 클래딩의 유리 전이점보다 충분히 더 낮은 것이 필수적이다. 앞서 언급된 구조의 장치에서, 코어의 형태는 더 높은 유리 전이점을 갖는 클래딩에 의해 유지된다. 따라서, 상기 코어가 형성된 이후에, 상기 코어의 형태는 높은 온도에서의 열 처리에 의해 변형되지 않는다. 게다가, 상부 클래딩층이 형성된 이후의 열 처리 동안, 상기 코어는 변형되지 않는다. 따라서, 상기 코어와 상기 클래딩 사이의 기계적 밀착을 달성하기 위하여 상대적으로 높은 온도에서 열 처리를 수행하는 것이 가능하다.

앞서 언급된 특징에 따라, 펠티어 장치와 같은 온도 안정화 수단을 부가적으로 사용하지 않고도, 또는 광경로의 중간에 굴절률의 온도 계수가 다른 재료를 삽입하지 않고도 광경로 길이의 온도 의존성 변화를 실질적으로 제거하는 것이 가능하다. 따라서, 앞서 언급된 특징에 따라, 실질적으로 광경로 길이의 온도 의존성 변화가 없고, 광전송 손실이 작으며, 크기가 작고 비용이 저렴한 광도파로 장치를 용이하게 얻는 것이 가능하다.

도1은 종래의 배열 도파로 격자의 구조를 보여주는 도면이다.

도2는 널리 사용되는 리지형 광도파로(ridged optical waveguide)의 생산 공정을 보여주는 도면이다.

도3a는 본 발명의 실시예에 따른 광도파로 장치로서 배열 도파로 격자의 구조를 보여주는 도면이다.

도3a는 도3a의 선 B-B를 따라 자른 단면도이다.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 광도파로 장치의 생산 공정으로서 배열 도파로 격자의 생산 공정을 보여주는 도면이다.

이제 도면을 참조하여 배열 도파로 격자와 본 발명의 실시예에 따라 이를 생산하는 방법에 대하여 설명할 것이다.

도3A를 참조하면, 기판(1)에는 적어도 하나의 광입력 도파로(2), 제 1 슬랩 도파로로서 입력측 슬랩 도파로(3), 서로 길이가 다른 복수 개의 배열 도파로(채널 도파로)(4), 제 2 슬랩 도파로로서 출력측 슬랩 도파로(5), 및 이런 순서로 연속적으로 연결된 적어도 하나의(전형적으로, 복수 개인) 광출력 도파로가 제공된다. 도시된 실시예에서, 복수 개의 광출력 도파로(6)가 나타나 있다.

배열 도파로(4)의 조합은 회절 격자(14)를 형성한다. 도시의 단순화를 위해, 적은 개수의 도파로만이 도3a에 도시된다. 실제 장치에서, 배열 도파로(4)의개수는 예를 들어, 93과 같고, 광출력 도파로(6)의 개수는 예를 들어, 출력 채널의 개수와 일치하는 8과 같다. 일반적으로, 광입력 도파로(2)의 개수는 하나인 것으로도 충분하다. 만약 광출력 도파로(6)와 개수가 같은 복수 개의 광입력 도파로(2)가 제공된다면, 도파로 구조는 그것이 어느 측으로부터든 사용될 수 있도록 대칭이다.

도3b를 참조하면, 각각의 배열 도파로(4)는 하부 클래딩층으로서 기판(1)에 형성된 홈에 채워진 코어 재료를 포함한다. 기판(1)과 동일한 재료인 상부 클래딩층(10)은 코어 재료와 함께 일체형으로 형성된다. 이런 식으로, 코어가 하부 클래딩층으로서의 기판(1) 및 상부 클래딩층(10)을 포함하는 클래딩에 의해 둘러싸인 구조가 달성된다. 도시된 실시예에서, 상부 클래딩층(10)은 1mm의 두께를 갖고 배열 도파로(4)는 단면에서 7μm x 7 μm인 크기를 갖는다. 배열 도파로들 중에서 두 개의 인접한 것들 사이의 공간은 가장 좁은 위치에서 4 μm와 동일한 폭을 갖는다. 하부 클래딩층 및 상부 클래딩층(10)으로서 각각의 기판(1)은 SiO₂에 의해 형성된다. 코어로서 상기 배열 도파로(4)는 SiO₂-GeO₂-B₂O₃유리(GeO₂: 13 mol%, B₂O₃: 6 mol%, SiO₂: 81 mol%)에 의해 형성된다.

상기 광입력 도파로(2), 상기 광출력 도파로(6), 상기 입력측 슬랩 도파로(3) 및 상기 출력측 슬랩 도파로(5)의 각각은 상기 배열 도파로(4)와 같이 유리 재료로 형성되어 있다. 상기 언급된 합성물의 유리 재료는 SiO₂의 기하학적 크기의 온도 의존성 변화 때문에 상기 코어의 속박 경로 길이의 변화가 실질적으로상쇄되도록 굴절률의 음의 온도 계수를 갖는다. 특히, 상기 코어 유리 재료의 굴절률의 온도 계수가 SiO₂의 열 팽창 계수와 양/음의 기호로 다르다. 등식 (1)에서, 상기 코어 유리 재료의 굴절률의 온도 계수에 대응하는 항인 (1/n(dn/dT))은 SiO₂의 열 팽창 계수에 대응하는 항인 (1/L(dL/dT))의 값(절대값)과 실질적으로 같은 값(절대값)을 갖는다. 여기서 SiO₂의 유리 전이점 즉, 상기 클래딩 재료의 유리 전이점은 약 1190℃와 같다. 반면에, 상기 코어 유리 재료는 상기 SiO₂의 유리 전이점보다 낮은 약 1050℃의 유리 전이점을 갖는다.

상기 코어 재료와 클래딩 재료의 선택은 숙고되어야 할 것이다. 예로써, 상기 코어 재료와 클래딩 재료가 각각 유리인 경우가 설명될 것이다. 우선, 이하에 설명될 바와 같이, 상기 배열 도파로(4)를 형성하는 코어는 균일하게 그리고 전체적으로 상기 하부층과 상기 상부 클래딩층(10)을 형성하는 기판(1)에 빈틈 없이 접촉해 있고 상기 기판에 의해 속박되어야 한다. 이런 목적으로, 상기 코어가 리세싱된 부분에서 형성된 후에, 열처리가 상기 배열 도파로(4)를 형성하기 위해 수행된다. 상기 열 처리는 상기 언급된 속박 상태를 달성하기 위해 상기 코어 유리 재료의 유리 전이점보다 낮지 않은 온도에서 수행되어야 한다. 그러므로, 상기 클래딩 재료의 유리 전이점은 상기 코어 유리 재료의 유리 전이점과 같거나 상기 온도보다 높은 온도이어야 한다.

다음으로, 상기 유리 전이점 사이의 관계 외에, 상기 코어 유리 재료가 미리 결정된 굴절률과 굴절률의 미리 결정된 온도 계수를 갖도록 상기 클래딩 유리 재료와 상기 코어 유리 재료의 결합이 선택되지만, 상기 클래딩 유리 재료가 미리 결정된 열 팽창 계수를 만족한다. 먼저, 상기 광도파로의 모양에 의하여, 상기 코어 재료에 요구되는 상기 굴절률이 결정된다. 일반적으로, 상기 광도파로가 작을수록, 상기 코어 재료는 더 높은 굴절률을 갖도록 요구된다. 다음, 상기 광빔이 상기 광도파로에서 제한되고 광도파로를 통하여 전파하도록, 상기 클래딩 재료는 상기 코어 재료보다 굴절률이 작은 재료로부터 선택된다. 이 시점에서, 상기 결합은 등식 (1)에서 상기 코어 유리 재료의 굴절률의 온도 계수에 대응하는 항인 (1/n(dn/dT))은 상기 클래딩 유리 재료의 열팽창 계수에 대응하는 항인 (1/L(dL/dT))에 대해 값(절대값)은 같고 양/음의 부호는 반대이다.

하기에, 상기 클래딩 유리 재료의 특정한 예들과 상기 코어 유리 재료가 언급될 것이다. 상기 기판(1)과 상기 상부 클래딩층(10) 각각의 재료로서, SiO₂외에 Ti-도핑된 SiO₂및 F가 첨가된 SiO₂가 이용될 수 있다. SiO₂에 Ti를 도핑시킴으로써, 상기 유리의 굴절률은 증가되고 상기 열팽창 계수는 감소된다. 그러므로, Ti가 도핑된 SiO₂가 클래딩 재료로 사용되는 경우에 상기 재료와 결합될 상기 코어 재료는 SiO₂가 코어 재료로 사용되는 경우와 비교하여 작은 굴절률의 온도 계수를 갖는 재료로부터 선택된다. 더욱이, 상기 코어 재료는 상대적으로 높은 굴절률을 갖는다.

반면에, F가 SiO₂에 도핑되는 경우, 상기 유리의 굴절률은 감소되고 상기 열팽창 계수는 증가된다. 이 경우에는 상기 언급된 경우와 반대로, 결합될 상기 코어 재료는 SiO₂가 상기 클래딩 재료로 사용되는 경우와 비교하여 큰 굴절률의 온도 계수를 갖는 재료로부터 선택된다. 상기 굴절률의 허용 오차 또는 공차는 넓어진다. 위에서 설명된 바와 같이, 요구되는 특성을 만족시키는 클래딩 재료는 상기 코어 재료의 굴절률, 상기 굴절률의 온도 계수 및 상기 클래딩 재료의 열팽창 계수를 고려하여 상기 등식 (1)의 우변이 0이 되도록 적절하게 선택되어야 한다.

상기 코어와 같은 상기 배열 도파로(4)의 코어 재료의 예로서, SiO₂-GeO₂-B₂O₃유리, SiO₂-TiO₂-B₂O₃유리 및 SiO₂-GeO₂-B₂O₃-P₂O₅유리를 들 수 있다. 이런 유리들의 구성요소들 중에 GeO₂와 TiO₂는 상기 유리의 굴절률을 증가시키지만, B₂O₃와 P₂O₅가 상기 유리의 굴절률의 온도 계수를 감소시킨다.

일반적으로, 상기 B₂O₃의 함량이 증가될수록, 상기 유리의 내후성(weather resistance)은 나빠진다. 그러나, B₂O₃와 P₂O₅가 함께 첨가되면, 안정도를 증가시키는 효과가 얻어진다. 예로써, SiO₂-GeO₂-B₂O₃유리가 고려된다. GeO₂를 첨가함으로써, 상기 유리의 굴절률은 증가되나, 동시에 상기 굴절률의 온도 계수도 증가된다. 그러므로, 요구되는 굴절률의 온도 계수를 얻기 위해서는, 상기 GeO₂의 함량이 증가됨에 따라, 상기 B₂O₃의 함량이 증가되어야 한다. 위의 관점에서, 상기 GeO₂와 B₂O₃의 비율은 바람직하게는 2:1과 3:1 사이에 있다.

도4를 참조하여, 상기 언급된 구조를 갖는 배열 도파로 격자를 생산하는 방법이 설명될 것이다. 1mm의 두께와 3 인치의 직경을 갖는 상기 합성 실리카-기재 유리(SiO2) 기판(1) 상에, 상기 배열 도파로 격자를 형성하는 광도파로 패턴에 대응하는 리세싱된 홈(40)이 형성된다. 상기 배열 도파로(4)에 대응하는 상기 리세싱된 홈(40)은 7㎛의 폭과 7㎛의 두께를 갖는다. 가장 작은 공간(상기 배열 도파로의 인접한 부분들 사이의 부분의 폭)을 갖는 부분은 상기 배열 도파로(4)와 상기 슬랩 도파로(5) 사이의 연결 부분의 근처에 형성되고 4㎛이다.

상기 리세싱된 홈(40)은 LSI 생산 또는 기타 유사한 경우에 널리 사용되는 광리소그래피의 사용에 의해 형성된다. 에칭은 프레온 23(CHF₃)(하기에서는 간단히 프레온으로 언급됨)을 사용한 반응성 이온 에칭에 의해 수행된다. 정확한 정사각형 섹션을 갖는 리세싱된 홈을 형성하기 위해, 유도 결합 플라즈마(induction coupling plasma, 하기에서는 간단히 ICP) 장치(Samco 제조)는 반응성 이온 에칭 장치로 사용된다. 약 5mTorr의 프레온 가스가 반응성 가스로서 사용된다. 13.56MHz의 주파수와 103W의 전력인 고주파수 전력이 사용된다. 스퍼터링에 의해 형성되고 100nm의 두께를 갖는 Cr 박막이 마스크로 사용된다.

다음에, 상기 기판(1)에 남은 Cr 마스크는 세륨 암모늄 니트레이트 ((NH₄)₂Ce(NO₃)₆)의 사용에 의해 제거된다. 그 후에, 코어로 작용하기 위한 유리 박막(4a)은 상기 기판(1) 상에 형성된다. 코어로서, Ge과 B를 더한 비정질의 탈수소화 실리콘 이산화물(a-SiO₂:H) 막이 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma enhancedchemical vapor deposition)에 의해 침전된다. 재료 가스들은 테트라에톡시 실란(Si(OC₂H₅)₄: 하기에서는 TEOS로 축약됨), 테트라에톡시 게르만(Ge(OCH₃)₄: 하기에서는 TMOG로 축약됨), 트리에톡시 보란(B(OC₂H₅)₃) 및 산소(O₂)이다.

상기 언급된 재료에서, 트리에톡시 보론은 트리메톡시 보론(B(OCH₃)₃)으로 대체될 수 있다. 상기 재료 가스를 교환함으로써, 상기 증착된 막에 포함된 도핑량은 변화된다. 상기 언급한 증착에서, 원하는 성분이 가스 압력과 같은 증착 조건을 최적화함으로써 얻어진다. 이러한 경우에, 증착동안 진공 챔버의 가스 압력은 5.0 Pa이다. ICP 반응기(reactor)와 기판 전극에 인가되는 고주파 전력은 각각 900W와 300W이다. 기판 표면에 배열된 기판 전극에서의 VDC는 -400V이다. 기판 온도는 250℃이다. 재료 가스의 흐름 속도를 제어함으로써, 12.5 mol%의 게르마늄 옥사이드, 6.2 mol%의 보론 옥사이드(B₂O₃), 및 81.3mol%의 실리콘 옥사이드를 함유하는 박막(4a)이 얻어진다. 증착 시간은 120분이고 증착 두께는 7㎛이다.

균열 또는 공극이 리세싱된 홈(40)내에 형성된 유리에서 관찰되고 유리는 하부 클래딩층으로서의 기판(1)과 전체적으로 밀착되지 않는다는 것이 널리 공지되어 있다. 상기 언급한 문제를 가능한 방지하기 위해, 본 실시예에서 박막은 플라즈마 강화 화학 기상 증착을 사용하여 형성된다. 코어가 기판(1)에 의해 형성된 하부 클래딩층에 의해 균일하고 전체적으로 속박되는 상태를 얻기 위해, 열처리가 수행된다. 본 실시예에서 열처리 조건은 1100℃에서 30분이다. 상기 언급한 온도는코어 유리의 유리 전이점보다 높고 클래딩 유리로서 SiO₂의 유리 전이점보다 낮다. 또한 열처리는 굴절률의 변동을 억제하고 박막의 증착동안 수소를 제거하는데 유효하다.

본 실시예에서, 홈을 제외한 영역에 부착된 박막의 불필요한 부분은 배열 도파로(4)이 형성되도록 코어를 남기기 위해 폴리싱에 의해 제거된다. 폴리싱하여 얻어진 광학적으로 편편한 표면(flat surface)을 갖는 기판(1)에 1mm 두께의 실리카(SiO₂) 유리판이 상부 클래딩층(10)으로서 본딩된다. 본딩 조건은 다음과 같다. 기판(1)과 상부 클래딩층(10)으로서의 유리판이 광접촉된 후, 열처리가 30분 동안 1100℃에서 수행된다. 상기 언급한 온도는 코어 유리 재료의 유리 전이점보다 높고 클래딩 유리로서의 SiO₂의 유리 전이점보다 낮다. 그 결과, 기판(1)과 상부 클래딩층(10)으로서 2 개의 유리판이 이들 사이에 경계가 관찰되지 않도록 완전하게 본딩되고 일체화된다. 코어의 상부 부분은 상부 클래딩층(10)과 밀착된다. 코어는 코어를 둘러싸는 상부 및 하부 클래딩층을 포함하는 클래딩과 일체형으로 결합된다.

상기 언급한 바와 같이, 일련의 단계를 포함하고 박막/리소그래피 기술을 주로 이용하는 제조 공정이 이루어진다. 단일 기판상에서, 4 개의 배열 도파로 격자가 동시에 형성된다. 부품으로 사용될 수 있는 장치를 얻기 위해서, 각각의 배열 도파로 격자 회로는 기판과 분리된다. 다음에, 각각의 입력 도파로(2)와 출력 도파로(6)는 광섬유에 연결된다. 신호는 광섬유를 사용하여 입력되고 출력된다. 광섬유가 장착될 때, 장치가 완전하게 이루어진다.

상기 언급한 바와 같이 제조된 배열 도파로 격자 장치가 1.55㎛의 파장 대역에서 동작 가능하다. 채널 간격은 1.6nm(200GHz 그리드)이고 채널의 수는 1 ×8이다. 다음에, 온도 특성을 시험하기 위해서, 파장 가변 레이저가 하나의 입력부에 접속되고 특정 출력부에서 발산된 신호 빔이 측정된다. 전체 장치를 온도와 습도가 정확하게 제어될 수 있는 환경 시험기 내에 놓은 후, 온도를 단계적으로 상승시킨다. 충분한 열적 평형이 얻어질 때, 출력 신호 빔의 파장이 측정된다. 온도가 0℃에서 85℃로 상승되는 경우에, 본 실시예에서 배열 도파로 격자 장치의 중심 파장의 전체 변화는 0.05nm이다.

기록된 데이터에 따라서, 현재 구조의 배열 도파로 격자 장치의 중심 파장 변화는 0.012nm/℃이다. 0℃에서 85℃의 온도 상승에 대한 변화는 1.02nm로 추정된다. 1.6nm의 채널 간격과 비교하여, 현재 장치 중심 파장의 온도 의존성 변화는 실제 사용하기 곤란할 정도로 큰 손실을 유발한다.

최근에, 통신 성능이 개량되어, 채널 간격이 좁아지고 있다. 현재, 0.8nm(100GHz 그리드)의 채널 간격이 주요 추세가 되고 있다. 또한 이러한 경우에, 재료 선택과 배열 도파로 격자의 제조는 1.6nm의 채널 간격을 갖는 배열 도파로 격자와 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 좁은 채널 간격은 중심 파장의 온도 의존성 변화에 대한 더욱 엄격한 조건을 야기한다. 0.8nm 간격의 경우에, 0℃내지 85℃ 범위에 대한 중심 파장의 변화가 대략 50pm보다 크지 않을 것이 장치에 요구된다. 또한 이와 관련하여, 온도 의존성을 극복한 본 발명의 광도파로 장치가 유용하다.

본 발명에 따라, 상기 언급한 바와 같이, 코어와 클래딩은 온도 의존성 팽창 또는 수축이 클래딩의 특성에 따라서 사실상 수행되는 방식으로 일체형으로 연결된다. 코어와 클래딩의 재료는 클래딩의 온도 의존성 팽창 또는 수축에 따라 광경로 길이의 변화가 코어 굴절률의 온도 의존성 변화에 따라 광경로 길이의 변화에 의해 소거되도록 선택된다. 따라서, 광경로 길이의 온도 의존성에 실제로 자유롭고, 광전송 손실이 작으며, 소형 및 저비용일 뿐만 아니라 동일한 제조 방법에 의해 광도파로 장치를 얻는 것이 가능하다.

본 발명의 광도파로에 의해, 광경로 길이에 있어 실질적으로 온도의 영향을 받지 않으며, 광전송 손실이 작고, 크기가 작으면서도 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.

Claims

기판, 상기 기판의 리세싱된 부분에 형성된 코어, 상기 기판상에 형성된 상부 클래딩층을 포함하고,

상기 코어는 하부 클래딩층으로서 상기 기판, 및 상기 상부 클래딩층을 포함하고, 상기 코어보다는 낮은 굴절률을 가진 클래딩에 의해 둘러싸여지며;

상기 코어 및 상기 클래딩은, 온도 의존성 팽창 또는 수축이 실질적으로 상기 클래딩의 특성에 따라서 수행되는 방식으로 서로 일체형으로 결합되며;

상기 코어 및 상기 클래딩은, 상기 클래딩의 온도 의존성 팽창 또는 수축에 따른 상기 코어의 광경로 길이의 변화가 상기 코어의 굴절률의 온도 의존성에 따른 광경로 길이의 변화에 의하여 상쇄되도록 선택된 재료들로 구성된 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
제1항에 있어서,

상기 코어 및 상기 클래딩은 각각 실리카-기재 유리로 구성되고, 상기 코어는 굴절률의 음의 온도계수를 갖는 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
제1항에 있어서,

상기 기판 및 상기 상부 클래딩층은 각각 Ti-도핑된 SiO₂또는 F-도핑된 SiO₂로 구성된 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
제3항에 있어서,

상기 클래딩은 Ti-도핑된 SiO₂로 구성되고, 상기 클래딩과 함께 결합될 상기 코어는 상기 클래딩이 SiO₂로 구성된 경우와 비교할 때 더 낮은 굴절률의 온도계수를 가지는 재료들로부터 선택된 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
제3항에 있어서,

상기 클래딩은 F-도핑된 SiO₂로 구성되고, 상기 클래딩과 결합될 상기 코어는 상기 클래딩이 SiO₂로 구성된 경우와 비교할 때 더 높은 굴절률의 온도계수를 가지는 재료들로부터 선택된 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
제2항에 있어서,

상기 코어는 B₂O₃를 함유하는 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
제6항에 있어서,

상기 코어는 SiO₂-GeO₂-B₂O₃유리, SiO₂-TiO₂-B₂O₃유리 및 SiO₂-GeO₂-B₂O₃-P₂O₅유리로부터 선택된 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
제7항에 있어서,

상기 GeO₂및 B₂O₃의 함유량은 2:1 내지 3:1의 비를 가지는 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
제1항에 있어서,

상기 클래딩은 상기 코어 재료의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 가지는 재료들로부터 선택된 재료로 구성되며;

상기 클래딩 재료 및 상기 코어 재료는, 상기 코어 재료의 굴절률의 온도계수가 상기 클래딩 재료의 열 팽창 계수와는 부호(sign)가 서로 반대이며 크기(절대값)가 동일하도록 결합된 것을 특징으로 하는 광도파로 장치.
기판의 표면상에 미리 결정된 패턴을 가지는 리세싱된 부분을 형성하는 단계;

상기 기판의 굴절률보다 더 높은 굴절률과, 상기 기판의 열팽창계수에 대하여 +/- 부호에 있어 반대값을 가지는 굴절률의 온도계수, 및 상기 기판보다는 더 낮은 유리 전이점을 가지는 재료를 이용하여 상기 기판의 리세싱된 부분 내에 코어를 형성하는 단계; 및

상기 기판의 리세싱된 부분에 형성된 상기 코어 재료의 유리 전이점보다는 더 높고 상기 기판의 유리 전이점보다는 더 낮은 온도에서, 상기 리세싱된 부분에 형성된 상기 코어를 갖는 상기 기판을 열처리하는 단계를 포함하는 광도파로 장치의 제조 방법.
제10항에 있어서,

상기 미리 결정된 패턴은 배열 도파로 격자를 형성하는 광도파로 패턴에 대응하는 것을 특징으로 하는 광도파로 장치의 제조 방법..
제10항에 있어서,

상기 열처리 단계는 코어 유리의 유리 전이점보다 더 높고 클래딩 유리로서 SiO₂의 유리 전이점보다 더 낮은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광도파로 장치의 제조 방법.
제10항에 있어서,

상기 코어를 형성하는 단계 이후에는, 상기 기판의 상부 표면 및 상기 기판의 리세싱된 부분에 형성된 상기 코어의 상부 표면을 덮기 위해 상부 클래딩층을 형성하는 단계가 수행되고;

상기 상부 클래딩층을 형성하는 단계 이후에는 상기 기판을 열처리하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 광도파로 장치의 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 상부 클래딩층이 되는 상기 기판 및 유리판은 상온에서 광접촉을 하게 되어지고, 그 다음에 상기 코어 재료의 유리 전이점보다 더 높고 상기 클래딩 재료의 유리 전이점보다 더 낮은 온도에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 광도파로 장치의 제조 방법.