광도파로용 고분자

김장주

광주과학기술원

Polymers for Optical Waveguides

Jang-Joo Kim

Kwangju Institute of Science and Technology

서론

미래의 광대역 통신망에서는 화상회의, 양질의 고화질 텔레비젼 화상전송과 같은 화상 통신이 전화 통신망과 결합될 것이고, 따라서 개인별 정보수요가 폭발적으로 증가하여 수백 Mbps 정도가 요구될 것이다.  그러므로 미래의 기간 정보통신 시스템은 Tbps (tera bit per second) 정도의 전송 속도가 요구되며 시간분할방식 대신에 파장분할이나 주파수분할 방식이 주된 역할을 할 것으로 예상된다.  이와 같은 방식에 요구되는 주된 광신호처리 기능으로서는 광대역 외부 광변조, 스위칭, 주파수 변경, 광출력 분할 및 결합, 파장 선택 등이다. 이제까지 대부분의 광도파로 소자들은 실리카나 LiNbO3에 의하여 구현되어 왔으나 지난 10여년간의 연구를 통하여 고분자가 새로운 물질로서 각광을 받고 있다. 본 발표에서는 선형 및 비선형광학 고분자의 연구현황에 대하여 논의하고자 한다.

능동 광신호처리 소자와 스위치

전기광학 변조기, 스위치등의 능동광신호처리 소자 구현에 사용되는 대표적인 물질로서는 LiNbO3와 전기광학 고분자를 꼽을 수 있다.  이 중에서 LiNbO3를 이용한 소자는  지난 40년 정도 연구되어 상당히 성숙되어 있으며 현재 대역폭 10 Gbps인 소자가 상용화되어 있다.  하지만 근년에 전기광학 고분자가 LiNbO3를 대체시킬 수 있는 물질로서 각광을 받고 있다.  유기 고분자의 가장 큰 장점은 아래 표 1에서 보는 바와 같이 고분자 소자의 속도(대역폭)가 LiNbO3 소자보다 10배이상 높다는 것이다.  간섭계형 전기광학 변조기의 대역폭은 광파와 초단전자파 (microwave)의 속도정합차이 (phase mismatching)에 의하여 주어진다.  고분자에서는 유전률이 작고 직류에서부터 광 주파수 영역까지 분산이 없기 때문에 속도정합차이가 거의 없는 반면에 LiNbO3의 경우 이 속도정합 차이가 크다.  이에 따라 표준 형태 소자의 경우 LiNbO3로서 이룰 수 있는 길이의 대역폭과 곱은 10 GHz-cm 인 반면에 유기 고분자의 경우는 120 GHz-cm 로서 10배 이상 크다.  최근 미국의 UCLA 대학에서 100 GHz-cm 이상의 고분자 광변조기를 =실제로 증명해 보였다.  따라서 배열된(poled) 고분자 소자의 대역폭 한계는 유기 고분자의 물질 한계보다는 전극에서의 RF (radio frequency) 손실에 의하여 주어질 가능성이 높다.

표 1. LiNbO3와 전기광학 고분자의 특성 비교

물리적 및 소자 특성	LiNbO3	유기고분자
전기광학계수 (pm/V) 유전상수 광손실 (dB/cm @1.3 □m) 대역폭·길이한계 (GHz-cm) 광도파로 공정온도, ℃ 다층막 가능성 제작 및 공정 열적, 광학적 안정성	32 28 0.1 10 1000 불가능 어려움 좋음	10 - 55 3 - 4 0.3 - 2 120 150-300 가 능 쉬 움 물질의존

소자의 성능지수 중의 하나인 스위칭/변조전압은 전기광학 계수에 반비례하는데 poling된 유기고분자의 경우 LiNbO3보다 거의 2배에 해당하는 55 pm/V 이상의 전기광학 계수가 발표되어 고분자 소자의 반파장 전압이 LiNbO3보다 낮은 소자가 가능할 것으로 보인다.

광도파로 제작 공정도 광표백, 전계배열,  reactive ion etching (RIE), embossing, 사출성형 등 다양한 방법이 적용될 수 있다. 이중에서도  최근에 연구되기 시작한 embossing과 사출성형 방법은 기존의 플라스틱 제품을 찍어내는 방식으로서 고분자의 특성을 살린 매우 독특한 방법이다.  이 방법들이 실용화하게 되면 매우 값싼 소자를 대량으로 제작할 수 있을 것이며, 이 방법은 수동소자 제작에 특히 유리할 것으로 생각된다.

광소자의 가격 요인 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 packaging에서도 단결정을 이용하는 LiNbO3에 비하여 고분자 광소자가 유리하다. 많은 고분자 광도파로 소자들은 실리콘 기판위에 스핀 코팅에의하여 제조되기 때문에 실리콘 기판에 V-groove를 형성하는 방법 등을 이용하게 되면 광섬유와의 packaging이 쉬워지리라 예상된다.

이 분야의 연구는 고성능의 비선형광학 고분자를 합성하는 것이 무엇보다도 중요하다.  이를 위해서는 광통신에 사용되는 1.3 또는 1.55□m 파장에서 광진행손실이 작고 80 ℃에서 수천시간 정도 안정하여야 하며 전기광학계수가 15 pm/V 이상으로 커야된다. 또한 사용파장에서 광학적으로 안정하여야 한다.  이제까지 다양한 물질이 합성되고 각각의 요구조건을 만족시키는 물질은 많이 발표되었으나 소자가 같추어야 할 전체적인 조건을 만족시키는 비선형광학 고분자는 많지 않다.  본 발표에서는 소자를 제작하기 위하여 갖추어야 할 조건들에 대하여 요약하고 structure property relationship에 대하여 논의한다.

비선형광학 고분자에 비하여 cladding 물질에 대한 연구는 매우 부족하며 이에 대한 연구도 필요하다.

수동 광도파로 소자

최근 광통신의 발달로 인하여 앞에서 언급한 변조기와 스위치 등의 능동형 광신호처리 소자와 함께 광출력 분할기나 파장분할다변화기 (wavelength division multiplexer), 광파장필터 등 다양한 수동 광도파로 소자들이 요구되고 있다.  실리카로 제작한 광도파로 회로들이 광진행 손실이나 안정성 면에서는 매우 적합하지만 표 2.에 나타난 바와 같이 고분자는 이 분야에서도 저렴한 가격과 재질의 유연성 그리고 다양한 광학적 성질 때문에 활발히 연구되고 있으며 그 잠재력이 매우 크다.

예를 들어 고분자의 열광학 효과는 유리에 비하여 10배 정도 크고 이에따라 열광학 스위치에서 요구되는 스위칭 파워가 실리카 유리에 비하여 100배 정도 적다. 이에 따라 NTT 등 많은 통신관련 회사에서 열광학 스위치를 만들려는 연구 개발이 많이 이루어지고 있으며 AKZO 회사에서는 현재 시판하고 있다.

이제까지 고분자 수동소자의 문제점은 광진행 손실이 큰 것이었다. 하지만 최근의 연구 결과로서 NTT나 Allied Signal 그리고 du Pont 등에서 광진행 손실이 1.3□ 파장에서 0.1 dB/cm 이하인 소자들이 발표되어 이 면에서도 문제가 되지 않을 정도로 많은 진전이 이루어졌다. 이 물질들을 이용하여 열광학 스위치, 방향성 결합기, 직선도파로 등이 제작되었다.

또한 고분자는 가공성이 좋기 때문에 여러 가지의 수동소자 (직선 광도파로, 파우어 분할기, 방향성 결합기, 필터, MUX, DEMUX 등)와 능동소자 (광변조기, 스위치, 파장선택 필터 등)의 집적화가 훨씬 용이한 장점을 지니고 있다.

예를 들면, 네트워크 설계에서 파장분할방식이 도입되면서 파장경로 조절기에 대한 관심이 높아지고 있다.  이 소자는 파장혼합기 또는 분리기 (MUX 또는 DEMUX)와 공간스위치로 구성된다.  여기에서 MUX나 DEMUX 기능은 이온확산유리, LiNbO3, 실리카 그리고 고분자 등 모든 수동도파로 시스템에서 직렬연결된 Mach-Zehnder나 phased-arrays 등을 이용하여 구현할 수 있다.  이 중에서 고분자만이 우수한 공간 스위치 기능과 DEMUX 기능을 동시에 가지고 있으며 하나의 chip에 집적할 수 있는 장점이 있다.

컴퓨터의 속도가 점점 빨라짐으로 인하여 chip과 chip, board와 board 사이의 신호연결도 전자기파의 간섭 등의 영향으로 앞으로 곧 문제가 될 것이다.  빛의 무간섭 현상과 고분자의 유연성 때문에 optical multiconnection 분야에서도 고분자 광도파의 소자의 상당히 많은 응용이 예상되고 있다.

수동광도파로 소자를 구현하기 위하여 갖추어야 할 광학적 성질로는 1.55 □m파장에서 광진행손실이 0.1-0.2 dB/cm 이하로 작고, 광학적이방성이 작아야하며, 열적으로 안정하여야 한다. 광진행손실을 증가시키는 요소는 여러 가지가 있지만광통신파장 특히 1.55 □m 파장에서 광진행손실을 줄이기 위해서는 C-H bond의 stretching 진동의 overtone에 의한 손실을 줄여주어야 한다. 이를 위하여 일반적으로 채택하는 방법은 H를 F로 대체시키는 것이다. 표2에서 알 수 있는 바와 같이 불소고분자를 사용하면 1.55 □m 파장에서 광손실을 한차원 낮출 수가 있다.

열적안정성을 높이기 위해서는 polyimide와 같이 열적으로 안정한 고분자를 사용하거나 가교를 시키는 방법 등이 사용되고 있다. 하지만 폴리이미드의 경우 고분자의 packing 때문에 굴절률 이방성이 큰 문제가 있다. 따라서 분자의 packing을 조절할 수 있는 분자의 설계가 중요하다. 가교법은 50 □m 정도의 두꺼운 막을 입혔을 때 균열이 발생할 소지가 있기 때문에 가교정도를 잘 조절하여 주는 작업이 필요하다.

표 2. 수동광도파로 고분자 소자와 실리카 소자의 비교

	ETRI	NTT (d-PFMA)	Allied Signal	Silica
진행손실 (dB/cm) 열광학계수 (K-1) 편광의존손실 광학적 이방성 습도광학효과 구부림 손실 비고	0.2 (1.55 □m) 0.002 가교성,	0.1 (1.3□) 1.5 (1.5□) 1×10-4 0.1 dB 6×10-6 10-5 % RH-1 0.1 dB/R=10mm	0.02 (840nm) 0.15 (1.3□) 0.45 (1.55□) 0.03 (1.3□)* 0.05 (1.5□)* * (불소고분자) 5.5×10-4	< 0.01 10-5

결론

광통신용 광도파로 소자의 제작을 위한 조건에 대하여 논의하였다. 현재 이분야의 연구는 상용화에 접근되어 있으며 앞으로의 가능성은 매우 높다.