KR20050015645A - Apparatus for Production of High Polymer Plane Optical Waveguide using Laser Patterning - Google Patents
Apparatus for Production of High Polymer Plane Optical Waveguide using Laser PatterningInfo
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Abstract
Description
본 발명은 고분자를 이용한 평면형 광도파로 소자를 제조하는데 있어 마스크나 복잡한 추가공정 없이 고분자 기판 상에 레이저빔을 직접 조사하여 굴절률을 변화시킴으로써 코어를 형성하여 정밀한 광도파로를 구현하는 레이저 묘화 기법을 이용한 고분자 평면형 광도파로 제작 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토리소그래피용 마스크(Mask)나 별도의 추가공정없이 고분자 기판에 레이저빔을 직접 조사하여 굴절률을 변화시킴으로써 원하는 구조의 코어를 형성하는 레이저 직접묘화에 의한 평면형 광도파로의 제작 장치이며, 레이저 직접묘화 장치를 구성함에 있어 정밀하고, 재현성 있는 광도파로 제작을 위해 레이저 광원에서 나오는 레이저빔을 평행광으로 유지할 수 있도록 만들고, 형성되어야 할 광도파로의 폭에 따라 레이저빔의 초점을 조절, 빔의 스팟 사이즈(Spot Size)를 제어할 수 있으며, 묘화공정 중 기판 표면의 굴곡에 의한 높이 차이를 보정해 주는 자동초점기능을 제공하는 광도파로 제작 장치에 관한 것이다.The present invention is to produce a planar optical waveguide device using a polymer, a polymer using a laser drawing technique to realize a precise optical waveguide by forming a core by changing the refractive index by directly irradiating a laser beam on a polymer substrate without a mask or complicated additional process The present invention relates to a planar optical waveguide fabrication apparatus, and more particularly, to a laser direct drawing for forming a core having a desired structure by changing a refractive index by directly irradiating a laser beam onto a polymer substrate without a mask for photolithography or an additional process. It is a device for manufacturing a planar optical waveguide, and in order to construct a laser direct drawing device, it is possible to maintain the laser beam from the laser light source as parallel light for the production of precise and reproducible optical waveguides, According to the focus of the laser beam Relates to an apparatus for manufacturing the optical waveguide provided by the auto-focus function to compensate the height difference according to the section, the curvature of the surface of the substrate and to control the spot size (Spot Size) of the beam, the imaging process.
또한, 본 발명은, 단일모드 광도파로 뿐만 아니라 묘화중 초점의 이동 및 초점거리의 조절로 수회 중첩 묘화하여 다중모드 광도파로를 형성할 수 있으며, 또한 직선 광도파로 뿐만 아니라 곡선 광도파로 등 다양한 구조의 평면형 광도파로 소자를 마스크 등을 사용하지 않으면서 간단하고, 정밀하게 제작할 수 있는 기능을 제공한다.In addition, the present invention can form a multi-mode optical waveguide by overlapping and drawing several times not only a single mode optical waveguide, but also by moving the focus and adjusting the focal length during drawing, and also having various structures such as a curved optical waveguide as well as a curved optical waveguide Planar optical waveguide device provides simple and precise function without using mask.
최근 광통신 시스템의 고속, 대용량화 요구에 따라 파장분할다중화(WDM : Wavelength Division Multiplex) 시스템 등 평면형 광소자를 이용한 광통신 시스템 기술개발이 이루어지고 있으며, 이러한 시스템의 기술개발에 필요한 평면형 광소자는 지금까지 주로 반도체 공정기술을 이용하여 제작되어 왔으나, 최근에는 저가격화의 요구에 의해 고분자를 이용한 평면형 광도파로 소자 연구가 이루어지고 있다.Recently, optical communication system technology development using planar optical devices such as wavelength division multiplex (WDM) system has been developed according to the demand for high speed and large capacity of optical communication system. Although it has been manufactured using technology, recently, a planar optical waveguide device research using a polymer has been made due to the demand for low cost.
지금까지 대용량의 광통신 및 정보기록과 정보처리의 초고속화 구현에 필요한 광소자 및 부품들은 반도체 재료와 무기 실리카 계열의 재료를 근간으로 발전되어 왔으나, 최근에는 저가격화, 단순 공정의 이점으로 고분자 소재에 대한 관심이 높아지고 있다.Until now, optical devices and components necessary for high-capacity optical communication, information recording, and ultra-high speed of information processing have been developed based on semiconductor materials and inorganic silica-based materials, but recently, due to the advantages of low cost and simple processing, Interest is growing.
종래의 기술로서 고분자를 이용한 평면형 광도파로 제작기법은 마스크를 이용하여 노광하는 방법이 주로 이용되었으나, 최근에는 레이저 직접묘화방법이나 핫 엠보싱(Hot Embossing) 기법 등 새로운 방법들이 제시되고 있다.As a conventional technique, a method of fabricating a planar optical waveguide using a polymer has been mainly used, but a new method such as a laser direct drawing method or a hot embossing technique has recently been proposed.
마스크를 이용하는 노광 방법은 광도파로 구조에 따라 설계된 마스크를 제작하여 기판에 밀착하고, 자외선(UV)노광으로 광도파로를 형성하는 방법이며, 핫 엠보싱(Hot Embossing)은 전기도금이나 실리콘 기판 식각으로 요구되는 광도파로의 반대형상을 만들고 이를 금형으로 사용하여 고분자 기판에 찍어내는 방법을 사용한다. 이러한 방법들은 마스크를 별도로 제작해야 하거나, 엠보싱(Embossing) 후 도파로 코어를 후공정으로 별도로 형성해야 하는 등 공정이 복잡해 지게 되는 문제점이 있었다. 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.The exposure method using a mask is a method of manufacturing a mask designed according to the optical waveguide structure and closely attaching it to a substrate, and forming an optical waveguide by ultraviolet (UV) exposure. Hot embossing is required by electroplating or silicon substrate etching. The opposite shape of the optical waveguide is made and it is used as a mold and printed on the polymer substrate. These methods have a problem that the process is complicated, such as the need to separately manufacture the mask, or separately formed the waveguide core after the embossing in a post-process. This will be described in more detail as follows.
고분자 소재를 이용한 광도파로 제작은 다양한 방식으로 이루어지고 있으며 보편적인 가공 기술로는 포토리소그래피(Photolithography), 핫 엠보싱(Hot Embossing), 자외선 직접묘화(Direct UV patterning) 및 레이저 직접묘화 기술 등이 있다.Optical waveguide fabrication using polymer materials is carried out in various ways, and common processing techniques include photolithography, hot embossing, direct UV patterning, and laser direct drawing.
포토리소그래피 공정은 기판 위에 클래딩 재료를 코팅하여 베이킹(Baking) 과정을 거치고, 코어 물질을 코팅, 감광재(Photoresist)를 도포, 포토마스크 (Photomask)를 사용한 노광 공정, 현상(Developing), 식각 등의 복잡한 공정을 거치게 된다.The photolithography process involves coating a cladding material on a substrate, baking it, coating a core material, applying a photoresist, an exposure process using a photomask, developing, etching, and the like. It goes through a complicated process.
또한, 핫 엠보싱 공정은 하부 클래드 재료에 몰드 마스터를 이용하여 코어 부분의 구조를 성형하고, 형성된 구조에 코어 물질을 주입한 다음, 상부 클래드를 덮고, 코어 물질의 경화와 상부 클래드의 접착을 위해 자외선을 조사한다.In addition, the hot embossing process molds the structure of the core portion using a mold master to the lower clad material, injects the core material into the formed structure, then covers the upper cladding, and the ultraviolet light for curing the core material and adhering the upper clad. Investigate
자외선 직접묘화 방식은 평면 기판 상에 하부 클래드를 형성한 후에 코어 층으로 자외선 경화 고분자를 코팅한다. 그리고, 포토마스크를 이용하여 자외선을 노광한 후에 고분자 현상액을 사용하여 코어 패턴을 형성시킨 다음 상부 클래드 재료를 코팅하여 제작한다.The UV direct drawing method coats the UV curable polymer with the core layer after forming the lower clad on the planar substrate. In addition, after exposing ultraviolet light using a photomask, a core pattern is formed using a polymer developer, and then coated with an upper clad material.
레이저 직접묘화에 의한 광도파로 제작 방법은 광반응 고분자 재료에 레이저빔을 집속시켜 묘화 과정을 거치고, 묘화된 패턴은 굴절률이 상대적으로 높아져서 광도파로가 형성된다.In the optical waveguide fabrication method by laser direct drawing, a laser beam is focused on a photoreactive polymer material, and a drawing process is performed. The drawn pattern has a relatively high refractive index, thereby forming an optical waveguide.
레이저 직접묘화 기술은 레이저 미세 가공 기술에 기초를 두고 있다.Laser direct drawing technology is based on laser micromachining technology.
도 1 은 일반적인 레이저 직접묘화 방법에 대한 일실시예 설명도로서, 레이저빔이 광원, 필터와 셔터를 통과, 대물렌즈를 통해 기판에 집광된 레이저빔을 조사하여 광도파로를 형성하는 일반적인 구조를 나타낸다.1 is a diagram illustrating an embodiment of a general laser direct drawing method, in which a laser beam passes through a light source, a filter, and a shutter, and irradiates a laser beam focused on a substrate through an objective lens to form an optical waveguide. .
레이저(101)에서 발생한 빛은 필터(Tunable Neutral Density Filter)(103)와 셔터(104)를 통과하고 현미경(110) 대물렌즈(111)를 거쳐서 기판(112) 상에 조사된다.The light generated by the laser 101 passes through a filter (Tunable Neutral Density Filter) 103 and a shutter 104 and is irradiated onto the substrate 112 through the microscope 110 and the objective lens 111.
기판(112) 상에는 클래드 재료를 코팅하고, 코어층을 코팅한다. 그리고, 코어층에 레이저빔을 집속시켜 원하는 패턴을 그리는 간단한 공정으로 광도파로의 제작이 가능하다.The clad material is coated on the substrate 112 and the core layer is coated. The optical waveguide can be manufactured by a simple process of focusing a laser beam on a core layer to draw a desired pattern.
레이저에 의해 묘화된 패턴은 묘화되지 않은 인접 영역보다 굴절률이 높아지게 되어 전반사 원리에 의한 광도파로가 형성된다.The pattern drawn by the laser has a higher refractive index than the non-drawn adjacent area, thereby forming an optical waveguide based on the total reflection principle.
레이저 직접묘화 공정은 포토 마스크가 필요없는 단순한 공정으로 공정 시간의 단축, 저 가격화, 대면적 적용의 이점이 있다.The laser direct drawing process is a simple process that does not require a photo mask, and has advantages of shortening process time, low cost, and large area application.
그러나, 가우시안 빔을 이용한 종래의 레이저 직접묘화에 의한 광도파로의 구현은 빛의 성질상 명확한 광도파로 단면 형상의 구현이 쉽지 않고, 광도파로의 정밀한 구현이 어려운 문제점이 있었다. 또한, 다중모드 광도파로와 같이 형상이 큰 도파로의 경우 레이저 직접 묘화를 적용하면 빛의 성질상 빔이 확산되어 한번의 직접묘화로 요구되는 사각형상의 광도파로 정밀구현이 곤란하다. 그리고, 요구되는 광도파로 폭에 따른 미세한 초점의 조절과 초점의 일정한 유지가 쉽지않아 정밀한 광도파로의 구현이 어려운 문제점이 있었다.However, the implementation of the optical waveguide by the conventional laser direct drawing using the Gaussian beam has a problem in that it is not easy to implement the cross-sectional shape of the optical waveguide clearly due to the nature of the light, and it is difficult to precisely implement the optical waveguide. In addition, in the case of a large waveguide such as a multimode optical waveguide, when the laser direct drawing is applied, the beam is diffused due to the nature of the light, so that it is difficult to accurately implement the rectangular optical waveguide required by one direct drawing. In addition, it is difficult to control the fine focus according to the required optical waveguide width and maintain constant focus, so that it is difficult to implement a precise optical waveguide.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 레이저 직접묘화에 의해 마스크나 별도의 추가공정 없이 고분자 기판에 레이저빔을 직접 조사하는 단순한 공정으로 고분자의 굴절률를 변화시켜 손쉽게 정밀한 광도파로를 제작할 수 있는 레이저 묘화 기법을 이용한 고분자 평면형 광도파로 제작 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the above problems, a simple process of directly irradiating a laser beam to the polymer substrate without a mask or additional additional process by laser direct drawing to change the refractive index of the polymer easily and precise optical waveguide It is an object of the present invention to provide a polymer planar optical waveguide fabrication apparatus using a laser drawing technique that can be produced.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 광반응성 고분자 기판, 상기 광반응성 고분자 기판을 움직이는 이송 스테이지, 그리고 줌기능이 있는 줌대물렌즈를 구비한 레이저 묘화 기법을 이용한 고분자 평면형 광도파로 제작 장치에 있어서, 일정한 평행광을 내보내기 위한 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 출력된 레이저빔의 광출력을 조절하고, 변조하기 위한 변조수단; 상기 변조수단에서 출력된 빔의 노이즈 제거 및 평행광을 확보하기 위한 렌즈부; 상기 렌즈부에서 출력된 빔의 경로를 변경시키기 위한 반사수단; 상기 반사수단에서 출력된 빔을 분리하기 위한 빔분리수단; 레이저빔의 경로차를 이용한 간섭무늬 형성을 통해 묘화공정 전에 초점을 확인하기 위한 카메라; 광파워를 검출하여 일정하게 유지하기 위한 수광소자; 상기 변조수단과 상기 이송 스테이지를 제어하고, 상기 수광소자의 파워값을 입력받아 압전변환수단을 구동하기 위한 컴퓨팅수단; 및 상기 파워값의 변화에 따라 상기 줌대물렌즈의 위치를 순간적으로 미세조정하기 위한 상기 압전변환수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus of the present invention for achieving the above object is a polymer planar optical waveguide manufacturing apparatus using a laser drawing technique having a photoreactive polymer substrate, a transfer stage for moving the photoreactive polymer substrate, and a zoom objective lens having a zoom function A laser light source for emitting constant parallel light; Modulation means for adjusting and modulating the light output of the laser beam output from the laser light source; A lens unit for removing noise of the beam output from the modulation means and ensuring parallel light; Reflecting means for changing a path of a beam output from the lens unit; Beam separating means for separating the beam output from the reflecting means; A camera for checking focus before the drawing process by forming an interference fringe using a path difference of the laser beam; A light receiving element for detecting and maintaining a constant optical power; Computing means for controlling the modulation means and the transfer stage and driving piezoelectric conversion means by receiving a power value of the light receiving element; And the piezoelectric conversion means for adjusting and finely adjusting the position of the zoom objective lens in accordance with the change of the power value.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 는 본 발명에 따른 레이저 묘화 기법을 이용한 고분자 평면형 광도파로 제작 장치의 일실시예 구성도이다.2 is a configuration diagram of an embodiment of a polymer planar optical waveguide fabrication apparatus using a laser drawing technique according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작 장치는, 레이저빔을 내보내는 레이저 광원(3), 상기 레이저 광원(3)에서 출력된 레이저빔의 광출력을 조절하고, 변조하기 위한 음향광학변조기(AOM)(4), 상기 음향광학변조기(AOM)(4)에서 출력된 빔의 노이즈 제거 및 평행광을 확보하기 위한 렌즈부(5, 6), 상기 렌즈부(5, 6)에서 출력된 빔의 경로를 변경시키기 위한 반사경(7), 상기 빔을 분리하기 위한 빔분리기(Beam Splitter)(8), 레이저빔의 경로차를 이용한 간섭무늬 형성을 통해 묘화공정 전에 초점을 확인하기 위한 CCD(Charge Coupled Device) 카메라(9), 광파워를 검출하여 일정하게 유지하는 수광소자(11), 상기 음향광학변조기(AOM)(4)와 마이크로 스테이지(13)를 제어하고, 상기 수광소자(11)의 파워값을 입력받아 압전변환기(PZT)(14)를 구동하기 위한 컴퓨터(12), 상기 파워값의 변화에 따라 줌대물렌즈(16)의 위치를 순간적으로 미세조정하기 위한 상기 압전변환기(PZT)(14)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the apparatus for fabricating a polymer planar optical waveguide according to the present invention includes a laser light source 3 emitting a laser beam, and controlling and modulating the light output of the laser beam output from the laser light source 3. Acousto-optic modulator (AOM) (4), lens unit (5, 6) for removing noise of the beam output from the acousto-optic modulator (AOM) (4) and to ensure parallel light, the lens unit (5, 6) Check the focus before the drawing process by reflector (7) for changing the path of the beam output from the beam), Beam Splitter (8) for separating the beam, and interference fringe formation using the path difference of the laser beam A CCD (Charge Coupled Device) camera 9 for controlling the light receiving element 11 for detecting and maintaining a constant optical power, and controlling the AO 4 and the micro stage 13 to receive the light. For driving the piezoelectric transducer (PZT) 14 by receiving the power value of the element 11 The computer 12 includes the piezoelectric transducer (PZT) 14 for instantaneously fine-tuning the position of the zoom objective lens 16 in accordance with the change in the power value.
본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작 장치는, 두개의 포스트(1)에 두개의 가로 레일(2)을 장착하며, 안정되고, 일정한 평행광을 확보하기 위해 레이저 광원(3)에서 출사되는 레이저빔을 음향광학변조기(AOM : Acoustic Optic Modulator)(4)를 거치고, 핀홀(Pin hole)(5)을 사이에 둔 두개의 렌즈(6)를 통해 빔을 축소 또는 확대하여 노이즈 제거 및 평행광을 확보하는 구조를 가지고 있다. 또한, 형성된 레이저빔의 경로를 변경시켜주는 다수의 반사경(7)이 존재하고, 묘화가 일어나는 수직 축에는 두개의 빔분리기(8)가 존재하며, 레이저빔의 경로차를 이용한 간섭무늬 형성을 통해 CCD 카메라(9)를 이용, 묘화공정 전에 초점을 확인하거나, 수광소자(11)를 이용하여 검출되는 광파워를 일정하게 유지함으로써 묘화공정 중 자동으로 초점 거리를 유지시켜주기 위한 기능을 수행한다.In the polymer planar optical waveguide fabrication apparatus according to the present invention, two horizontal rails (2) are mounted on two posts (1), and a laser beam emitted from the laser light source (3) to ensure stable and constant parallel light. Through the Acoustic Optic Modulator (AOM) (4), and through the two lenses (6) with a pin hole (5) between them to reduce or enlarge the beam to secure noise and parallel light Has a structure to do In addition, there are a plurality of reflecting mirrors 7 for changing the path of the formed laser beam, two beam splitters 8 are present on the vertical axis where the drawing takes place, and through the formation of an interference fringe using the path difference of the laser beam. By using the CCD camera 9, the focus is checked before the drawing process, or the optical power detected by the light receiving element 11 is kept constant to perform the function of automatically maintaining the focal length during the drawing process.
설계된 광도파로 형상의 묘화는 컴퓨터(12)에 의해 마이크로 스테이지(13)가 X축과 Y축으로 움직이면서 레이저빔이 조사되어 광도파로가 만들어지게 된다.In the drawing of the designed optical waveguide shape, the laser beam is irradiated while the micro stage 13 moves on the X-axis and the Y-axis by the computer 12, so that the optical waveguide is made.
음향광학변조기(AOM)(4)와 마이크로 스테이지(13)의 구동 및 제어는 컴퓨터(12)에 의해 이루어지고, 자동 초점유지를 위한 수광소자(11)의 파워값이 컴퓨터(12)에 입력되어 압전변환기(PZT : Piezoelectric Transducer)(14)를 구동하고 제어하게 된다.Acoustic optical modulator (AOM) 4 and the micro stage 13 are driven and controlled by a computer 12, and the power value of the light receiving element 11 for auto focus is input to the computer 12. The piezoelectric transducer (PZT) 14 is driven and controlled.
도 3 은 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작 장치의 평행광을 형성하기 위한 렌즈부를 나타낸 일실시예 상세구성도로서, 레이저 광원(3)에서 나온 레이저빔의 평행성을 유지하기 위한 것을 나타낸다.FIG. 3 is a detailed configuration diagram of an embodiment of a lens unit for forming parallel light of a polymer planar optical waveguide fabrication apparatus according to the present invention, which is for maintaining parallelism of the laser beam emitted from the laser light source 3.
평행 빔은 레이저빔의 파워분포가 대칭적이고, 묘화공정 준비단계에서 고분자 기판(15)에 레이저빔의 초점을 맞출 때 오정렬에 의한 간섭무늬 형성이 용이하기 때문에 필요하다.The parallel beam is necessary because the power distribution of the laser beam is symmetrical and the interference fringe is easily formed by misalignment when focusing the laser beam on the polymer substrate 15 in the preparation step of the drawing process.
구성은 레이저 광원(3)과 음향광학변조기(AOM)(4)를 거쳐 나온 빔을 렌즈(6)로 입사시켜 빔의 크기를 줄여 미세한 핀홀(Pin hole)(5)로 통과시켜 노이즈를 제거한 후, 다시 반대형상의 렌즈(6)로 통과시켜 빔의 크기로 확대시켜 평형광을 만들게 된다.The configuration is made by injecting the beam through the laser light source (3) and the acoustic optical modulator (AOM) (4) to the lens (6) to reduce the size of the beam through the fine pin hole (5) to remove noise Then, it passes through the lens 6 of the opposite shape and expands to the size of the beam to produce the balanced light.
렌즈(6)에는 마이크로미터를 장착하여 미세한 위치조절이 가능하다.The lens 6 is equipped with a micrometer to enable fine positioning.
도 4 는 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작을 위해 초점을 확인하기 위한 방법에 대한 일실시예 설명도로서, 고분자 기판(15)상에 요구되는 크기의 레이저빔의 초점이 형성되었는지를 확인하기 위해 구성된 일예를 나타낸다.4 is an exemplary explanatory diagram of a method for confirming a focus for fabricating a polymer planar optical waveguide according to the present invention, and confirming that a focus of a laser beam of a required size is formed on the polymer substrate 15. It shows an example configured for.
레이저빔이 고분자 기판(15)에 도달하는 경로에서 빔분리기(8)에 의해 입사된 레이저빔의 파워가 50%씩 두개의 경로로 분리되어 전달되고, 이중 하나는 고분자 기판(15)에 도달하여 반사되고, 다른 하나는 반사거울(7)에 의해 반사되어 합해진 반사빔의 상이 CCD(9)에 맺히게 된다.In the path where the laser beam reaches the polymer substrate 15, the power of the laser beam incident by the beam separator 8 is separated and transmitted in two paths of 50%, one of which reaches the polymer substrate 15. The reflected beam is reflected by the reflection mirror 7 and the reflected beam 7 is combined with the CCD 9.
초점이 정확하게 맞지 않았을 경우, 이들의 두 레이저빔의 경로차이에 의해 간섭무늬가 발생하게 된다.If the focus is not correct, interference fringes are generated by the path difference between the two laser beams.
간섭무늬는 CCD 카메라(9)를 통해 모니터로 확인이 되며, 배율 조절이 가능한 줌대물렌즈(16)로 요구되는 빔의 스팟 사이즈(Spot Size)를 조절, 확인할 수 있고, 초점의 미세조절은 줌대물렌즈(16)와 붙어 있는 마이크로미터로 미세조절하게 된다.The interference fringe is confirmed by the monitor through the CCD camera 9, and the spot size of the beam required by the zoom objective lens 16 which can adjust the magnification can be adjusted and confirmed. The micrometer attached to the objective lens 16 is finely adjusted.
도 5 는 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작을 위해 공정중 초점을 일정하게 유지하기 위한 방법에 대한 다른 실시예 설명도로서, 레이저 직접묘화 공정 중에 고분자 기판(15) 표면의 굴곡에 의한 높이 차이를 보정해 주기 위한 자동초점기능을 구현하기 위한 방법을 나타낸다.FIG. 5 is an explanatory view of another embodiment of a method for maintaining a constant focus during a process for fabricating a polymer planar optical waveguide according to the present invention, wherein a height difference due to bending of the surface of the polymer substrate 15 during a laser direct drawing process is shown. It shows the method to implement the auto focus function to correct the error.
묘화 공정 전에 초점을 유지한 상태에서 초점 조절시 이용된 고분자 기판(15) 표면에서 반사된 빔이 빔분리기(8)를 거쳐 수광소자(PD)(18)에 의해 검출되며, 검출된 광신호의 최대파워는 핀홀(Pin hole)(19)을 이용하여 미세 조절을 확인하고, 이 값을 기준으로 스테이지 이동에 따른 파워의 변화를 묘화 공정 중 계속 검출하여 그 차이를 압전변환기(PZT)(20)에 피드백 시켜서 줌대물렌즈(16)의 위치를 순간적으로 미세 조정하여 항상 일정한 파워를 가지도록 하여 초점거리를 유지할 수 있도록 작용한다.The beam reflected from the surface of the polymer substrate 15 used for focusing in the state of maintaining the focus before the drawing process is detected by the light receiving element (PD) 18 through the beam separator 8, and the The maximum power is checked using the pin hole 19 to finely adjust the power, and based on this value, the power change according to the stage movement is continuously detected during the drawing process and the difference is detected in the piezoelectric transducer (PZT) 20. By feeding back to the focal length of the zoom objective lens 16 to adjust the instantaneous power to maintain a constant focal length to operate at all times.
도 6 은 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작 장치의 레이저빔을 나타낸 일실시예 설명도로서, 사용되는 레이저 광원의 레이저 도넛형 빔 모드(TEM01 mode) 형상을 나타낸다.FIG. 6 is an exemplary explanatory diagram showing a laser beam of a polymer planar optical waveguide fabrication apparatus according to the present invention, and shows a shape of a laser donut type beam mode (TEM 01 mode) of a laser light source to be used.
광도파로 코어의 굴절률 분포는 특정지점에서 광반응 고분자 재료가 받는 에너지의 총량에 의해 결정되며, 묘화에 사용된 빔의 강도분포를 빔의 진행방향에 대해 적분함으로써 구할 수 있다.The refractive index distribution of the optical waveguide core is determined by the total amount of energy received by the photoreactive polymer material at a specific point, and can be obtained by integrating the intensity distribution of the beam used for drawing with respect to the direction of the beam travel.
도 7 은 본 발명에 따른 레이저빔 모드의 종류에 따른 도파로 폭 방향의 노광량을 나타낸 일실시예 설명도이다.7 is an exemplary explanatory diagram showing an exposure amount in a waveguide width direction according to the type of laser beam mode according to the present invention.
단일 가우시안 빔, 도넛 형태의 빔에 의해 광도파로가 받는 에너지 분포를 모의 전산실험으로 계산하여 비교 도시한 그래프이다.It is a graph comparing the energy distribution received by the optical waveguide by the single Gaussian beam and the donut-shaped beam by simulation.
광반응 고분자의 굴절률 변화는 굴절률 변화의 포화 영역에 이르기 전에는 선형에 가까운 변화를 보이기 때문에 광도파로가 받는 에너지 분포는 굴절률 변화와 형태를 같이 한다. 따라서, 도넛 형태의 빔으로 광도파로 코어의 경계를 계단형에 가깝게 구현할 수 있다.Since the refractive index change of the photoreactive polymer shows a linear change before reaching the saturation region of the refractive index change, the energy distribution received by the optical waveguide has the same shape as the change of the refractive index. Therefore, the boundary of the optical waveguide core can be realized in a stepped shape with a donut-shaped beam.
구체적인 모의실험 조건을 살펴보면, 단일 가우시안 그래프는 지름 6㎛의 단일 가우시안 빔에 의해 형성된 광도파로의 굴절률 분포를 도시한 것이고, TEM01 모드를 나타내는 그래프는 종래 기술에 의하여 광도파로 측면 굴절률 분포를 개선하기 위하여, 도넛 형태의 빔(TEM01 mode)을 이용한 경우를 도시하고 있다.Looking at the specific simulation conditions, the single Gaussian graph shows the refractive index distribution of the optical waveguide formed by the single Gaussian beam having a diameter of 6 μm, and the graph showing the TEM 01 mode is used to improve the optical waveguide side refractive index distribution by the conventional technique. For example, a case of using a donut shaped beam (TEM 01 mode) is illustrated.
그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 도넛 형태의 빔에 의해 생성된 광도파로의 굴절률 분포는 단일 가우시안에 비해 탁월하게 계단 형에 가까운 굴절률 분포를 형성됨을 확인할 수 있으며, 빔 크기와 간격은 적당히 필요에 따라서 조절할 수 있다.As can be seen from the graph, it can be seen that the refractive index distribution of the optical waveguide generated by the donut-shaped beam forms an excellent step-shaped refractive index distribution compared to a single Gaussian, and the beam size and interval are appropriately needed. I can regulate it.
도 8 은 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작 장치를 이용한 다중모드 광도파로를 구현하는 방법에 대한 일실시예 설명도로서, 도파로 폭과 깊이에 따라 수회 빔의 위치와 초점거리를 압전변환기(PZT)(14)와 마이크로 스테이지(13)를 이용하여 컴퓨터(12)로 구동/제어하여 묘화함으로써 한번에 묘화한 광도파로보다 굴절률 분포가 개선된 다중모드 광도파로 구현이 가능하다.FIG. 8 is a diagram illustrating an embodiment of a method for implementing a multimode optical waveguide using the polymer planar optical waveguide fabrication apparatus according to the present invention, wherein the position and focal length of the beam several times according to the waveguide width and depth are piezoelectric transducers (PZT). It is possible to implement a multi-mode optical waveguide having an improved refractive index distribution than the optical waveguide drawn at one time by drawing by driving / controlling with the computer 12 using the 14 and the micro stage 13.
본 발명에서는 상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 기판 위에 클래드 재료를 코팅하는 단계와 클래드 재료 위에 코어층 재료로서 광반응성 고분자를 코팅하는 단계와 레이저빔을 이용하여 광도파로를 형성하는 직접묘화단계를 포함하여 구성하되 정밀하고 재현성 있는 광도파로의 구현을 위해 레이저빔의 스팟 사이즈(Spot Size) 조절기능과 공정 중 초점을 자동으로 유지할 수 있는 기능을 포함한 고분자 평면형 광도파로 제작 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention includes coating a clad material on a substrate, coating a photoreactive polymer as a core layer material on the clad material, and a direct drawing step of forming an optical waveguide using a laser beam. To provide a precise and reproducible optical waveguide, the present invention provides a method for manufacturing a polymer planar optical waveguide including a function of adjusting spot size of a laser beam and automatically maintaining focus during a process.
즉, 광도파로를 제작하기 위해 평면 기판 위에 클래드 재료를 코팅하고, 클래드 재료 위에 코어층 재료로서 광반응성 고분자를 요구되는 광도파로 단면의 높이 만큼 코팅한다. 그리고, 레이저 직접묘화를 위해 레이저빔을 코어층 재료 위에 집속시키고, 빔크기를 요구되는 도파로 크기만큼 조절한다.That is, the clad material is coated on the flat substrate to fabricate the optical waveguide, and the photoreactive polymer is coated on the clad material as the core layer material by the height of the required optical waveguide cross section. Then, the laser beam is focused on the core layer material for laser direct drawing, and the beam size is adjusted by the required waveguide size.
그리고, 고분자 기판이 놓여있는 스테이지를 움직여서 광도파로 패턴을 묘화 시킨다. 레이저빔에 노출된 패턴은 노출되지 않은 재료보다 굴절률이 높아지며, 전반사의 원리에 의해 광도파로 기능을 가진다.Then, the optical waveguide pattern is drawn by moving the stage on which the polymer substrate is placed. The pattern exposed to the laser beam has a higher refractive index than the unexposed material and functions as an optical waveguide by the principle of total reflection.
한편, 본 발명은 기존의 레이저 직접묘화 장치가 가지는 코어의 측면 굴절률 분포 개선을 위해 TEM01 모드의 레이저 광원을 사용하고, 묘화 장치를 구성함에 있어 정밀하고, 재현성 있는 광도파로 제작을 위해 레이저 광원에서 나오는 레이저빔을 평행광으로 유지할 수 있도록 만들고, 요구되는 광도파로의 폭에 따라 줌기능이 가능한 광학계를 이용, 레이저빔의 초점을 조절, 레이저빔의 스팟 사이즈(Spot Size)를 제어할 수 있도록 하였으며, 묘화공정 중 기판 표면의 굴곡에 의한 높이 차이를 보정해 주는 자동초점기능을 제공한다.On the other hand, the present invention uses a laser light source of the TEM 01 mode to improve the lateral refractive index distribution of the core of the conventional laser direct drawing device, and in the construction of the drawing device in the laser light source for producing a precise, reproducible optical waveguide The laser beam can be maintained as parallel light, and the optical system that can zoom in accordance with the required optical waveguide width can be used to adjust the focus of the laser beam and to control the spot size of the laser beam. In addition, it provides an auto focus function that corrects the height difference caused by the bending of the substrate surface during the drawing process.
또한, 본 발명에 따른 장치를 이용하여 적절한 빔의 스팟 사이즈(Spot Size)를 조절하여 50㎛ 이상의 다중모드 광도파로를 묘화하는데 있어 수차례 초점거리를 이동 조절, 중첩 묘화하여 굴절률 분포가 개선된 레이저 직접묘화기법을 제공한다.In addition, the laser according to the present invention improves the refractive index distribution by adjusting and overlapping the focal length several times in drawing a multimode optical waveguide of 50 μm or more by adjusting the spot size of an appropriate beam using the apparatus according to the present invention. Provide direct writing techniques.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
상기한 바와 같은 본 발명은, 리소그래피 공정에서와 같은 마스크나 노광 공정이 필요없고, 핫 엠보싱 기법에서와 같이 코어를 형성해야 하는 별도의 후공정이 필요 없게 된다. 또한, 설계된 형상을 따라 레이저빔을 직접 조사하여 도파로를 형성하기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있으며, 어떠한 복잡한 광도파로 형상도 짧은 시간 안에 경제적으로 구현할 수 있다. 따라서, 단일모드, 다중모드 형태의 직선, 곡선 광도파로 뿐만 아니라 파장분할다중화(WDM) 등 다양하고 복잡한 구조의 평면형 광도파로 소자를 간단하고, 정밀하게 제작할 수 있는 효과가 있다. As described above, the present invention eliminates the need for a mask or exposure process as in a lithography process and eliminates the need for a separate post process to form a core as in a hot embossing technique. In addition, since the waveguide is formed by directly irradiating the laser beam along the designed shape, the process can be simplified, and any complex optical waveguide shape can be economically realized in a short time. Accordingly, there is an effect that simple and precise manufacturing of planar optical waveguide devices having various and complex structures, such as single-mode, multi-mode linear and curved optical waveguides, as well as wavelength division multiplexing (WDM).
도 1 은 일반적인 레이저 직접묘화 방법에 대한 일실시예 설명도.1 is a diagram illustrating an embodiment of a general laser direct drawing method.
도 2 는 본 발명에 따른 레이저 묘화 기법을 이용한 고분자 평면형 광도파로 제작 장치의 일실시예 구성도.Figure 2 is a configuration diagram of an embodiment of a polymer planar optical waveguide fabrication apparatus using a laser drawing technique according to the present invention.
도 3 은 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작 장치의 평행광을 형성하기 위한 렌즈부를 나타낸 일실시예 상세구성도.Figure 3 is a detailed configuration diagram of an embodiment showing a lens unit for forming parallel light of the polymer planar optical waveguide fabrication apparatus according to the present invention.
도 4 는 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작을 위해 초점을 확인하기 위한 방법에 대한 일실시예 설명도.Figure 4 is an embodiment explanatory diagram for a method for confirming the focus for manufacturing a polymer planar optical waveguide according to the present invention.
도 5 는 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작을 위해 공정중 초점을 일정하게 유지하기 위한 방법에 대한 다른 실시예 설명도.5 is a diagram illustrating another embodiment of a method for maintaining a constant focus during a process for fabricating a polymer planar optical waveguide according to the present invention.
도 6 은 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작 장치의 레이저빔을 나타낸 일실시예 설명도.Figure 6 is an illustrative view showing a laser beam of the polymer planar optical waveguide fabrication apparatus according to the present invention.
도 7 은 본 발명에 따른 레이저빔 모드의 종류에 따른 도파로 폭 방향의 노광량을 나타낸 일실시예 설명도.7 is an explanatory diagram showing an exposure amount in a waveguide width direction according to the type of laser beam mode according to the present invention;
도 8 은 본 발명에 따른 고분자 평면형 광도파로 제작 장치를 이용한 다중모드 광도파로를 구현하는 방법에 대한 일실시예 설명도.8 is a diagram illustrating an embodiment of a method for implementing a multimode optical waveguide using the polymer planar optical waveguide fabrication apparatus according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 : 포스트 2 : 레일1: Post 2: Rail
3 : 레이저 광원 4 : 음향광학변조기(AOM)3: laser light source 4: acoustic optical modulator (AOM)
5 : 핀홀 6 : 렌즈5: pinhole 6: lens
7 : 반사경 8 : 빔분리기7: reflector 8: beam splitter
9 : CCD 카메라 11 : 수광소자9: CCD camera 11: light receiving element
12 : 컴퓨터 13 : 마이크로 스테이지12 computer 13: micro stage
14 : 압전변환기(PZT) 15 : 고분자 기판14: piezoelectric transducer (PZT) 15: polymer substrate
16 : 줌대물렌즈16: zoom objective lens
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