Optimum formation method of curved core cross section of silica fiber

1 -5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 120 Et ch D e pt h (nm ) Etch Time(sec) HF25% w/o ARC HF25% ARC 1 time 0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 500 600 Et ch Depth(nm) Etch Time(sec) HF 25% w/o Arc HF 50% w/o Arc

실리카 광섬유 코어의 곡률단면 형성 최적화 방법

Optimum formation method of curved core cross section

of silica fiber

We report an optimum fabrication condition for formation of concave lens shaped core cross-section of silica single-mode fibers with hydrofluoric (HF) acid solutions and arc discharge. A desired depth of curved cross-section of the silica fiber core and its surface smoothness were obtained with optimized concentration of the HF solution, etching time, and arc discharge condition.

대략 10 μm 이하 크기의 단일 모드 광섬유 코어의 단면에 형성되는 곡률 면은 광섬유형 패브리-페로 간섭계 필터나 실리콘 광도파로와의 저손실 결합에 많이 사용되고 있다.[1,2] 특히 광섬유 코어의 단면 은 오목렌즈형의 곡률을 가져야 높은 광결합 효율을 기대할 수 있다. 그 동안 이러한 응용을 위해 곡률 반경 형성에 대한 소개는 있었지만, 원하는 곡률반경과 부드러운 식각 면을 얻기 위한 구체적인 제작 조건은 소개된 바 없다. 본 논문에서는 광섬유형 패브리-페로 간섭계 필터 제작에 필요한 곡률반경으로 0.15 mm 크기의 오목렌즈형 곡률반경을 가진 식각 면을 얻는 경우에 대해서 최적의 제작 조건으로 불 산 용액의 농도와 식각 시간 및 식각 조건, 아크 방전 조건들을 최적화하는 과정과 제작된 곡률 단면을 3차원 형상 분석기로 정밀 측정 및 분석한 결과를 소개하고자 한다. 식각해야 할 코어 단면에서의 깊이는 코어의 직경과 형성하고자 하는 곡률반경으로 간단히 계산할 수 있는데, 8 μm 크기의 코어 직경을 가진 광섬유에 대해서 곡률반경이 156 μm 일 경우 실제 식각 깊이는 약 51 nm가 되어야 한다. 이러한 깊이로 광섬유 코어를 식각하기 위해 불산 용액의 농도와 식각 시간, 그림 1(a) HF 농도에 따른 식각 시간과 식각 깊이 관계, (b) 25%HF에서 식각 시간대비 식각 깊이 288

2 -아크 방전 등에 의한 식각 깊이 변화를 측정하였다. 실리카 광섬유의 단면을 식각하기 위해 사용된 용액은 불산(HF) 용액을 증류수와 희석하여 25%와 50% 농도로 사용하였고, 각각의 경우에 대해 5초에서 30초까지의 식각 시간에 따른 식각된 깊이를 측정하였다. 측정에 사용된 기기는 Zygo사의 NV6200 3차원 표면 형상 측정기이며, 0.1 nm 정도의 수직 측정 분해능을 가지고 있다. 그림 1에서 보여지듯이 식각시간이 길수록, 농도가 높을수록 식각된 깊이가 깊어졌다. 여기서 50%농도에서 5초 식각했을 때와 25%농도에서 25～30초 식각했을 때는 그 식각깊이가 비슷함을 보여주고 있다. 그러나, 50% 농도의 불산에서는 식각되는 속도가 매우 빠르고, 식각된 광섬유 코어의 식각된 바닥 면이 거친 특성이 있었으나, 25%농도에서는 상대적으로 식각되는 속도가 빠르지 않고 시간에 따라 원하는 식각 깊이를 적절히 선택할 수 있다는 점에서 여러 번의 제작 시 25%의 불산 농도가 적절함을 알 수 있다. 그림 2. 아크 방전에 따른 식각된 광섬유의 코어 단면 변화 (a) 아크 방전 이전, (b) 1회 아크 방전 후, (c) 2회 아크 방전 후 불산 용액에 의한 실리카 광섬유의 코어 식각 공정 만으로는 그림 2(a)에 보여지는 바와 같이 곡면이 아닌 각이 진 모양이 되기 때문에, 곡률 면으로 만들기 위해 광섬유 융착에 사용되는 아크 방전을 이용 한 공정이 이루어졌다. 사용된 기기는 Fujikura사의 FSM-30s ver 04.04b 광섬유 융착 접속기(Splicer)이 며 표준 방전량은 최소 0 최대 200 가운데 40으로 설정하였다. 두 아크 전극 간 거리는 약 1.8 mm 였 으며, 두 아크 전극 중심으로부터 좌측 또는 우측으로 약 0.2 mm 떨어진 곳에 광섬유 단면이 오도록 놓고 아크 방전을 가했다. 아크 방전은 곡률 모양으로 바꾸어 줄 뿐만 아니라 식각 깊이가 아크 방전을 할 때마다 얕아지기 때 문에 아크 방전을 2회 하기 전에 목표한 식각 깊이보다 더 깊이 식각을 해야 한다.[그림 1(b)] 51 nm 깊이의 부드러운 곡률의 코어 단면을 얻기 위해서는 식각 후 약 90～100 nm의 깊이가 필요하고, 이에 아크를 2회 가하여 51 nm의 깊이를 가진 코어를 만들 수 있었다. 그림 2 (b)와 (c)는 동일 광섬유 샘플 에 대해 각각 아크 방전을 2회까지 가하면서 클래드 내 코어의 모양이 점점 곡률 면으로 변하는 모습의 예를 보여주고 있다. 25%농도의 불산으로 식각한 뒤 방전량 40으로 아크방전을 2회 가해 주었다. 결론적으로 광섬유형 패브리-페로 간섭계 필터에 필요한 오목렌즈 면을 형성하는 데에는 25%의 불산 농도에서 30초 식각한 후 각각 방전량 40의 설정값으로 2회의 아크 방전을 가했을 때, 156 μm의 곡률반 경과 51 nm의 깊이를 가지는 부드러운 광섬유 코어의 곡률 단면을 얻을 수 있었다. 참고문헌 1. 김종호, 예윤해, “광섬유 Fabry-Perot필터에서 광섬유 단면의 모양과 배치에 따른 결합 손실 변화,” 한국광학회지, 제 8권, 3호, 230-235 (1997).

2. K. Shiraishi, M. Kagaya, K. Muro, H. Yoda, Y. Kogami, and C. S. Tsai, “Single-mode fiber with a plano–convex silicon microlens for an integrated butt-coupling scheme,” Appl. Opt. 47, 6345-6349 (2008).