KR100949663B1 - 광섬유 브래그 격자 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating; 이하 FBG) 제조 방법에 관한 것으로, 종래의 기술에 따른 FBG 제조 공정은 매우 까다롭고, 고가의 전자빔 직접 쓰기 방법 또는 레이저 간섭 노광 방법을 이용하여 제조 비용이 증가하고 상용화가 어려운 문제를 해결하기 위하여, 나노 임프린트 공정을 이용하여 FBG를 제조하되, 유연한 고분자 재질인 PDMS(polydimethylsiloxane), PVA(poly vinyl alcohol) 및 PUA(poly urethane acrylate) 중 선택된 어느 하나로 구성된 임프린팅 형판을 사용함으로써, 저렴하고 빠르게 양질의 광섬유 브래그 격자를 제작할 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

광섬유 브래그 격자 제조 방법{Method of Fabricating Fiber Bragg Grating}

본 발명은 광신호검출소자와 같은 곳에 사용되는 광섬유 브래그 격자를 제조 공정이 매우 까다롭고, 제조 비용이 고가이고, 상용화가 어려운 문제를 해결하여, 더 저렴하고 빠르게 양질의 광섬유 브래그 격자를 제작할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

광전송망으로는, 동축케이블과 광케이블을 이용하는 하이브리드 방식의 네트워크와, 광케이블을 각 가정까지 매설하여 네트워크를 구축하는 FTTH (Fiber-To-The-Home)으로 구분된다.

상기 광전송망은 광케이블을 통해서 대용량의 데이터 신호가 초고속으로 전송되므로, 광선로의 장애가 발생하면 막대한 손실이 초래된다.

따라서, 초고속 전송망에서의 광선로 장애로 인한 피해를 최소화 하기위해서는, 광선로 장애 사실과 이상발생 위치를 신속하게 파악하여 신속한 복구가 필요하다.

이를 위해 원통형 광케이블을 상호 연결하면서, 광케이블을 통해 전송되는 광신호를 검출하여 이를 가시적으로 표기하는 광신호검출장치를 사용하였다.

여기서 광신호검출장치에는 파장 필터(wavelength filter)와 같은 부품이 포함되는데, 파장 필터는 파장 분할 다중(Wavelength Division Multiplexing: WDM) 광통신 시스템의 핵심 부품중의 하나로, 여러 파장의 광신호 채널 중 원하는 신호를 전송하는 특정한 파장의 빛을 선택할 수 있는 부품이다. 기존의 파장 필터는 광 민감성 광섬유에 위상 마스크(phase mask)를 통해 자외선을 조사하여 형성되는 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating; 이하 FBG)을 이용하고 있다.

FBG는 얇은 필름 필터(thin film filter)의 원리를 광섬유에 적용시킨 것으로 원래는 광섬유 자체에 자외선을 조사하여 주기적인 굴절률 변화를 만들어 특정 파장의 빛을 반사시킬 수 있다. 여기서는 광섬유 클래딩에 존재하는 미약한 크기의 빛을 FBG를 이용하여 특정 파장만 외부로 뽑아내며, 이것을 통해 광선로의 손상 여부를 판단하게 된다.

그러나 FBG는 그 우수한 특성에도 불구하고, 광섬유의 특성상 그 크기를 줄이기가 어렵고 다른 광소자와의 집적이 어려우며 대량 생산이 용이하지 않다는 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 반도체 제조 공정을 이용하여 제작할 수 있는 도파로형 파장 필터를 개발하고자 하는 노력이 진행되고 있다.

도파로형 소자는 생산성이 우수하고 크기가 작으며 다수의 소자가 집적된 소자를 제조하는데 유리하다. 상용화된 도파로형 소자로는 어레이드 웨이브가드 그레이팅(Arrayed Waveguide Grating; AWG), 전력 분배기(Power Splitter), 가변 광 감 쇄기(Variable Optical Attenuator), 광학 스위치(Optical Switch) 등이 있으며, 대부분 실리카를 소재로 하여 제작되고 있다. 그러나 최근에 광통신 파장 대역에서의 진행 손실이 작은 고분자 재료의 개발과 함께, 고분자 재료의 우수한 열광학 특성을 이용한 소자들이 등장하고 있으며, 고분자 재료의 최대 약점인 신뢰성 문제도 재료의 개선 및 패키징 기술의 발달에 힘입어 극복이 되어가고 있다.

도파로형 파장 필터는 광도파로 상에 광신호의 진행방향으로 격자를 형성하여 도파로 길이 방향으로 굴절률이 주기적으로 변하게 함으로써 제작할 수 있다. 도 1에 일반적인 도파로형 파장 필터를 도시하였다. 도 1과 같이 λ1, λ2, ...., λN의 N개의 파장의 빛이 파장 필터로 입사하게 되면, 다음의 조건을 만족하는 파장의 빛은 반사되고, 나머지 파장의 빛은 파장 필터를 통과하게 된다. 아래 조건을 브래그 조건(Bragg condition) 이라고 한다.

수학식 1

λ = 2 n_eff Λ(n_eff: 유효굴절률, Λ: 격자 주기)

상기와 같은 파장 필터를 기존의 반도체 공정을 이용하여 제작하기 위해서는 많은 단계의 제조 공정이 필요하며 특히 미세한 격자 제작 공정이 포함되어 있기 때문에 대량 생산이 쉽지 않다는 단점이 있다.

여기서, 미세한 격자는 전자빔 직접 쓰기 방법 또는 레이저 간섭 노광 방법 을 이용하여 제작할 수 있지만 두 방법 패턴 제작 시간 및 수율 확보가 어렵기 때문에 대량 생산에 적합하지 않다.

본 발명은 전자빔 직접 쓰기 방법 또는 레이저 간섭 노광 방법과 같은 고비용이 필요한 제조 방법 대신 나노 임프린트 공정을 이용하되 광섬유에 적합한 나노 임프린트 공정을 수행할 있도록 유연한 고분자 재질의 임프린팅 형판을 사용함으로써, 시간 및 비용적 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 광섬유 브래그 격자 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 제조 방법은 광섬유의 클래딩(clading) 일부를 노출시키는 단계와, 상기 노출된 클래딩 상에 수지를 도포하는 단계와, 상기 수지 상에 유연성이 있는 고분자 재질로 구비되고 브래그 격자 패턴을 포함하는 임프린팅 형판을 로딩시키는 단계와, 상기 임프린팅 형판을 상기 수지에 압착시켜 나노 임프린트 공정을 수행하고, 상기 압착된 수지를 경화시키는 단계 및 상기 임프린팅 형판을 제거하여 경화된 수지 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 수지는 상기 클래딩 굴절률의 ±0.1% 차이를 갖는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하고, 상기 수지는 벤질메타크릴레이트(benzylmethacrylate) 또는 퍼플루오네이트 아크릴레이트 모노머(perfluorinated acrylate monomers)를 사용하는 것을 특징으로 하고, 상기 유연성을 갖는 고분자 재질은 PDMS(polydimethylsiloxane), PVA(poly vinyl alcohol) 및 PUA(poly urethane acrylate) 중 선택된 어느 하나의 재질을 사용하는 것을 특징으로 하고, 상기 임프린팅 형판을 제거하는 공정은 상기 임프린팅 형판을 용해시킬 수 있는 용액을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 제조 방법은 나노 임프린트 공정을 이용하되, 유연한 고분자 재질인 PDMS(polydimethylsiloxane), PVA(poly vinyl alcohol) 및 PUA(poly urethane acrylate) 중 선택된 어느 하나로 구성된 임프린팅 형판을 사용함으로써, 나노 임프린트 공정의 특징인 저렴하고 빠른 공정 과정으로 인해 광섬유 브래그 격자의 보급화를 촉진시킬 수 있다. 또한 나노 임프린트 공정 시 거친 표면상태의 광섬유(polished optical fiber)에 의해서 형판이 손상되는 것을 방지하고, 유연성에 의해 균일한 접촉을 유도하므로 불균일한 잔여층 형성을 최소화시켜 양질의 광섬유 브래그 격자를 제작할 수 있는 효과를 제공한다.

미세 섬유 구조를 갖는 광섬유 브래그 격자(FBG)는 반도체 제조 공정 중 임프린팅(Imprinting) 공정을 이용하여 형성하는 것은 일반적으로 어려운 것으로 알려져 왔다.

그러나, 본 발명에서는 유연한 고분자 재질의 형판(template)을 사용함으로 써, 광섬유 브래그 격자(FBG) 형성을 가능하게 하였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자(FBG) 제조 방법에 관하여 상세히 설명하는 것으로 한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자(FBG) 제조 방법을 도시한 단면도들이다.

도 1a를 참조하면, 광섬유는 중심부에 원통형의 코어가 구비되고, 코어의 외주면을 클래딩(clading)이 일정한 두께로 감싼다. 그리고, 클래딩의 외주면은 재킷이 감싸고 있다. 본 도면에서는 설명의 편의상 재킷은 도시하지 않는 것으로 한다. 또한, 단면도에서 코어(120)의 상/하부에 위치하는 클래딩을 상부 클래딩(140) 및 하부 클래딩(130)으로 명명하여 설명하는 것으로 한다.

상술한 광섬유의 상부 클래딩(140)을 광섬유의 길이 방향으로 연마한다.

그 다음에는, 연마된 상부 클래딩(140)표면 상에 상부 클래딩(140)과 비슷한 굴절률을 갖는 수지(150)를 도포한다.

이때, 수지(150)의 굴절률은 상부 클래딩(140) 굴절률의 ±0.1% 차이를 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 수지(150) 구체적인 물질로는 벤질메타크릴레이트(benzylmethacrylate) 또는 퍼플루오네이트 아크릴레이트 모노머(perfluorinated acrylate monomers)를 사용하는 것이 바람직하며, 이들의 구체적인 제품명으로는 켐옵틱스 사(Chemoptics.co.kr)의 ZPU 계열 또는 NIP 계열 등의 제품을 사용하는 것이 바람직하다.

아울러, 수지(150)는 후속의 경화 공정을 위한 고분자 개시제를 더 포함한 다. 고분자 개시제는 광개시제 또는 열 개시제로 나눌 수 있으며 자외선을 이용한 경화 공정 또는 열 경화공정에서 사용된다.

그 다음에는, 유연성을 갖는 고분자 재질로 임프린팅 형판(100)을 제작하여 수지(150) 상부에 로딩시킨다.

이때, 유연성을 갖는 고분자 재질은 PDMS(polydimethylsiloxane), PVA(poly vinyl alcohol) 및 PUA(poly urethane acrylate) 중 선택된 어느 한 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 임프린팅 형판(100)은 브래그 격자 패턴들을 오목형 또는 볼록형으로 포함하는 것이 바람직하며, 격자의 주기는 광통신에서 사용하는 빛의 파장에 의해 결정이 되며 일반적으로 브래그 조건(Bragg condition)이 만족하도록 격자의 주기를 정한다. 예를 들어 광통신에서 많이 사용하는 파장인 1.55㎛ 근방의 광신호를 사용할 경우 격자의 주기는 단주기의 경우 400 ~ 600nm 범위, 장주기의 경우 그의 정수배가 바람직하다. 또한, 격자의 깊이는 코아(120)의 두께(h)가 3㎛인 경우 0.1 ~ 1.5㎛ 정도의 범위를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.

여기서, PDMS는 투명한 비활성의 고분자로서 표면에너지가 매우 낮고 형태의 변화가 용이하며 소수성을 가지는 물질로 다음의 장점을 갖는다.

첫째, PDMS는 상대적으로 넓은 기판 영역에 안정적으로 점착되며, 이는 평탄하지 않은 표면에 대해서도 동일하게 만족한다.

둘째, PDMS는 면간자유에너지(interfacial free energy)가 낮으므로, 다른 고분자와 몰딩시에 접착이 잘 일어나지 않는다.

셋째, PDMS는 균질(homogeneous)의 등방성(isotropic)을 가지며 광학적으로는 300nm의 두께까지 투명한 성질을 갖는다.

넷째, PDMS는 매우 내구성이 강해 아주 오랜 시간이 경화하더라도 성질의 열화(degradation)가 일어나지 아니한다.

아울러, PVA는 첫째, 수용성 물질로 임프린트 후 형판 자체를 녹여서 제거 가능한 특성을 갖는다. 따라서, 임프린팅 형판 제거 과정에서 발생할 수 있는 물리적인 패턴의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 수용성 물질임에도 불구하고 기계적 강도가 우수하고, 광학적으로 투명하며, UV 파장 투과율이 우수한 특성을 갖는다.

다음으로, PUA는 일반적인 PDMS 보다 단단하고(영스모듈러스 약 1.7×10⁹ Nm^-2 at 15 ℃) 온도상승에 따른 영스모듈러스 변화가 매우 커서 온도가 높을 때 몰딩하여 패턴을 형성 후, 낮은 온도에서 임프린팅 형판으로 사용가능하다. 또한, PDMS에 비교하여 조밀하고 작은 패턴까지 몰딩이 가능한 특징을 갖는다.

따라서, 본 발명에 따른 임프린팅 형판(100)은 유연성을 갖는 광섬유에 패턴을 형성하는데 최적의 성능을 제공할 수 있다.

도 1b를 참조하면, 임프린팅 형판(100)을 수지(150)에 압착시킨 후 경화 공정을 수행하여 수지 패턴(155)을 형성한다.

여기서, 임프린팅 형판(100)은 유연한 재질을 가지므로 잘 휘어질 수 있는 광섬유에도 용이하게 압착시킬 수 있고, 광섬유의 표면 상태가 거친 표면 상태가 되더라도 형판의 손상이 감소될 수 있다. 또한, 유연성에 의해 균일한 접촉을 유도 하므로 불균일한 잔여층 형성을 최소화시켜 양질의 수지 패턴(155)을 제작할 수 있다.

도 1c를 참조하면, 임프린팅 형판(100)을 제거하여 수지 패턴(155)으로 형성되는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 형성한다.

이때, PVA로 형성한 임프린팅 형판(100)은 수용성을 가지므로, 임프린팅 형판(100)을 물에 녹임으로써, 형판 제거 공정을 수지 패턴(155)의 손상을 방지하면서 용이하게 수행 할 수 있다. PDMS와 PUA로 형성함 임프린팅 형판(100) 물리적인 방법으로 직접 떼어내거나 용액에 용해시켜 화학적으로 제거 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자를 이용하여 제조한 광신호검출장치를 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 코아(220), 상/하부 클래딩(240, 230) 및 재킷(250)으로 구비되는 광섬유의 상측 일부를 상부 클래딩(240)이 노출되도록 연마하고, 그 상부에 상부 클래딩(240)과 비슷한 굴절률을 갖는 수지를 도포한 후 상기 도 1a 내지 도 1b에서 설명한 나노 임프린팅 공정을 수행하여 광섬유 브래그 격자(260)를 형성한다.

다음에는, 광섬유 브래그 격자(260)를 광신호검출장치(200)에 장착한다.

이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 제조 방법을 도시한 단면도들.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자를 이용하여 제조한 광신호검출장치를 도시한 단면도.

Claims (6)

1. 광섬유의 클래딩(clading) 일부를 노출시키는 단계;

   상기 노출된 클래딩 상에 수지를 도포하는 단계;

   상기 수지 상에 유연성이 있는 고분자 재질로 구비되고 브래그 격자 패턴을 포함하는 임프린팅 형판을 로딩시키는 단계;

   상기 임프린팅 형판을 상기 수지에 압착시켜 나노 임프린트 공정을 수행하고, 상기 압착된 수지를 경화시키는 단계; 및

   상기 임프린팅 형판을 제거하여 경화된 수지 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지는 상기 클래딩 굴절률의 ±0.1% 차이를 갖는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지는 벤질메타크릴레이트(benzylmethacrylate) 또는 퍼플루오네이트 아크릴레이트 모노머(perfluorinated acrylate monomers)를 사용하는 것을 특징으 로 하는 광섬유 브래그 격자 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 유연성을 갖는 고분자 재질은 PDMS, PVA 및 PUA 중 선택된 어느 하나의 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 제조 방법.
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6. 삭제

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