고효율의 광연결을 위한 미세렌즈배열에 대한 연구

Abstract

미세렌즈배열은 레이저 다이오드 어레이에서 발진되는 다채널 빔을 광섬유와 높은 효율로 결합해주는 집적광학 부품으로 활용범위가 매우 넓다. 최근 파장다중화(WDM) 광통신용 다채널 송수신 모듈, 보드간 연결 모듈, 칩간 연결모듈, 병렬 광스위칭 시스템, 광센서, 액정화면등에서 미세렌즈의 사용이 급증하고 있는 추세에 발맞추어 생산단가 측면에서 경쟁력을 가질 수 있고 또 신뢰성과 재현성을 높일 수 있는 최적의 구조와 제작방법을 찾기 위한 많은 시도들이 행해지고 있다.[1-3] 본 논문에서는 장파장 표면방출레이저와 광섬유의 결합에 적합한 높은 결합효율의 미세렌즈구조 설계 및 제작 그리고 이를 이용한 광연결 구도의 디자인에 중점을 두었다.[4-6] 미세렌즈는 볼록렌즈, 오목렌즈, Fresnel lens등의 형태로 제작되며 대부분이 광특성이 좋은 기저부분을 렌즈로 쓰기 위해서 RIE를 이용한 건식식각 방법이 많이 이용되고 있다.[10,11] 이 방법은 복잡한 공정과정과 미세한 공정조건들을 필요로 한다. 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기위해 광특성이 좋은 재료를 선정해 reflowing 방법으로 미세렌즈를 제작하였다. 다중 코팅방법으로 제작된 미세렌즈는 두께조절이 가능해 다양한 규격의 제작이 가능했고 비교적 간단한 공정을 거쳐 제작을 완료할 수 있었다. 그리고 SEM으로 관찰한 결과 깨끗하고 안정된 렌즈형태를 보여주었다. 일반적으로 광원과 광섬유와의 결합효율은 3dB를 넘기 힘들다.[12,13] AlAs 거울층을 사용하는 단파장(780nm - 980nm) VCSEL은 Al층의 oxidation-confined 구조로 수$\mum$ 직경의 작은 직경으로 만들 수 있기 때문에 butt coupling으로 80% 가까이 coupling efficiency를 얻은 보고가 있다.[4] 그러나 장파장(1.3$\mum$ - 1.55$\mum$)의 VCSEL구조에서는 oxide-confined 구조를 얻기 힘들기 때문에 레이저 직경이 10$\mum$를 넘게 되어 렌즈를 사용하지 않고는 높은 결합효율을 얻기 힘든 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 표면방출레이저와 광섬유의 결합에 적합한 고 결합효율 미세렌즈를 사용해 광연결 구도에 대한 디자인과 실험을 해보았다.[5,9] 연구에 사용된 optical component는 960nm 수직공진 표면광 레이저와 직경이 200$\mum$, 100$\mum$, 70$\mum$이고 pitch가 250$\mum$인 $8\times8$ 미세렌즈배열 그리고 core size가 10$\mum$인 FC connected single mode bare fiber이다. 초점거리 측정결과 디자인한 결과를 거의 만족하는 값을 얻을 수 있었고 spot size의 측정결과 각 미세렌즈에 따라 광섬유의 core size 내외의 값을 측정할 수 있었다. 수직공진 표면광 레이저와 광섬유와의 결합효율 측정에서는 butt coupling시 -9.8dB에 머물던 결합효율이 microlensed coupling시 -1.6dB에서 -1.2dB로 개선된 결과를 보여주었다.