Near Infrared Laser Based on Polymer Waveguide Bragg Grating

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폴리머 광도파로 브래그 격자 기반의 근적외선 레이저

김경조ㆍ손남선ㆍ김준휘ㆍ오민철

우 609-735 부산광역시 금정구 장전동 산 30번지

(2011년 6월 27일 받음, 2011년 8월 1일 수정본 받음, 2011년 8월 1일 게재 확정)

근적외선 대역에서 동작 가능한 가변파장레이저 구현을 위하여 브래그 격자와 반도체 광증폭기로 구성된 외부 공진기 형태의 레이저를 제작하였다. 폴리머 광도파로는 굴절률이 1.462, 1.435 인 ZPU 폴리머를 이용하여 제작되었다. 근적외선 파장에서 반사

를 일으키는 브래그 격자의 제작을 위해서는 주기가 875 nm 로서 비교적 크고 제작이 손쉬운 3차 브래그 격자를 이용하였다.

폴리머 광도파로 브래그 반사기를 이용하여 제작된 근적외선 외부공진 레이저는 850 nm 파장에서 0 dBm의 출력 파워와 0.2

nm의 20-dB bandwidth, 40 dB 이상의 Side Mode Suppression Ratio을 가지는 단일 모드 레이저 특성을 보였다.

Near Infrared Laser Based on Polymer Waveguide Bragg Grating

Kyung-Jo Kim, Nam-Seon Son, Jun-Whee Kim, and Min-Cheol Oh^†

Nano-Bio Photonics Lab., Department of Electrical Engineering, Pusan National University, Busan 609-735, Korea

(Received June 27, 2011; Revised manuscript August 1, 2011; Accepted August 1, 2011)

An external cavity laser operating at near infrared wavelength is demonstrated by incorporating polymer waveguide Bragg reflectors. 3rd order Bragg grating and oversized rip waveguide structure were designed by using the effective index method and the transmission matrix method. The polymer waveguide was fabricated using polymer materials with refractive indices of 1.462 and 1.435 for the core and the cladding layers, respectively. The external feedback laser with 875-nm Bragg grating exhibits single mode lasing located at 850-nm wavelength with an output power of 0 dBm, a 20-dB bandwidth of 0.2 nm and a side mode suppression ratio of 40 dB.

Keywords: Polymeric optical waveguide, Bragg reflection grating, External cavity laser, NIR laser

OCIS codes: (130.5460) Polymer waveguides; (230.1480) Bragg reflectors; (140.3600) Lasers, tunable; (140.3070) Infrared and far-infrared lasers

†E-mail: [email protected]

Color versions of one or more of the figures in this paper are available online.

I. 서 론

최근 의료 산업의 발달과 질병의 조기 진단에 대한 관심이 높아지면서 미량의 바이오 분자를 측정하기 위한 연구가 주 목을 받고 있다

. 이러한 바이오 분자들은 대부분 체액에 녹아있는 형태로 존재하며, 800 nm ~ 1000 nm 정도의 근적 외선 파장은 체액에서의 흡수율이 낮으므로 생체 물질 검출 센서에 적합하다

. 또한 인체 내부를 절개 없이 확인할 수 있는 Optical Coherence Tomography(OCT)와 같은 의료기기 의 경우 인체 내부를 깊게 투과해 들어가기 위하여 근적외선 영역의 레이저를 사용해야 하며, 광신호 처리 효율을 향상시

키고 다양한 생체정보 획득을 위해 다수의 파장을 동시에 지 원하는 파장가변레이저를 이용한 방법도 연구되고 있다

. 이러한 근적외선 파장가변 레이저에 관한 연구는 염료 도핑 방법

과 반도체 물질을 이용한 방법

, 파장가변필터를 이용 한 방법

등 다양한 연구가 이루어져 왔다. 그러나 이러한 방법들은 그 제작 공정이 복잡하고 크기가 크며 파장 가변 범위가 좁다는 단점이 있다.

현재 파장가변 레이저에 대한 연구는 Wavelength Division

Multiplexing(WDM) 광통신 시스템에 적용하기 위한 연구가

활발히 이루어지고 있다. 특히 폴리머 재료의 우수한 열광학

효과와 유연성 및 탄성을 이용한 파장 가변 레이저에 관한

FIG. 1. Schematic diagram of external cavity NIR laser consists of the polymer Bragg grating and the SOA with a high reflection coating at one end.

FIG. 2. Transmission and reflection spectra of 3^rd order Bragg grating obtained from the design results by using transmission matrix method. The transmission dip of 17 dB and the reflectivity of 98

% were calculated at the Bragg grating with a grating length of 7 mm and a grating period of 863 nm.

소자는 기존의 실리카 기반의 광소자에 비하여 제작이 용이 하며 집적화가 쉽고 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있어 넓은 파장가변 범위를 지원하면서 소형 저가의 소자를 개발하는데 유리하다. 이러한 폴리머 광도파로 소자를 근적 외선 레이저에 적용하게 되면 기존의 소자들이 가지는 한계 점을 극복할 수 있는 해결책을 제시해 줄 것으로 예상된다.

본 논문에서는 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 집적하여 근적외선에서 동작하는 파장 필터를 제작한 후 반사형 semi- conductor optical amplifier(SOA)와 연결하여 외부공진 레이 저를 구성하였다. 유효굴절률법을 이용하여 oversized rib 구 조의 단일모드 광도파로를 설계하였고 전송행렬법을 이용하 여 3차 브래그 격자를 설계하였다. 제작된 폴리머 광도파로 소자와 반사형 SOA를 이용한 외부 공진기 구조를 완성하여 근적외선 레이저의 특성을 확인하였다. 본 연구 결과는 향후 폴리머 광도파로 기반 가변파장레이저 개발을 위하여 적용 될 것이다.

II. 브래그 격자 광도파로 소자 설계

본 연구의 근적외선 파장가변 레이저는 그림 1과 같이 폴 리머 브래그 격자 광도파로 소자와 한쪽 면이 고반사 코팅 처리된 SOA를 연결하여 브래그 격자에서 반사되는 파장이 SOA 내부로 feedback 되어 외부 공진기를 형성하게 된다.

브래그 반사를 위한 격자구조는 폴리머 광도파로의 하부 클 래딩과 코어층 사이에 형성되어 있다.

폴리머 광도파로의 코어층과 클래드층으로 ChemOptics에 서 제작한 fluorinated acrylate 기반의 저손실 폴리머인 ZPU 13-455(n = 1.462 @800nm)와 ZPU 13-430(n = 1.435 @800nm) 를 이용하였다. 코어와 클래딩의 큰 굴절률 차이는 브래그 격자의 높이가 동일하더라도 높은 반사율을 얻기에 유리하 다. 이처럼 코어-클래딩 간의 굴절률 차이가 커지게 되면 단 일모드 광도파로의 크기가 매우 작아져서 광섬유와 연결시 결합 손실을 증가시키는 단점이 생긴다. 그러나 큰 굴절률 차이를 가지면서도 광도파로 코어의 단면적을 넓히기 위한 방 법으로 oversized rib structure 광도파로를 이용할 수 있다

. 폴리머 광도파로 설계에는 유효굴절률법 (effective index method) 을 이용하였으며, rib 구조의 광도파로에서 코어 두께를 3.5

μm, 코어 폭을 6.0 μm, rib 부분의 깊이를 1.5 μm로 하였을 때 단일모드 광도파로 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있었 다 . 이 때 코어부분과 rib 부분의 유효굴절률차이(ΔN

)는 0.00376 으로 나타났다.

브래그 격자 광도파로에서 반사되는 브래그 반사 파장은 식 (1)로 주어진다.

m^B=2Neff

Λ (1)

위 식에서 m은 브래그 격자의 차수를 나타내며, Neff는 광 도파로의 유효 굴절률을, Λ는 브래그 격자의 주기를 나타낸 다. 본 연구에서는 442 nm 파장을 가지는 He-Cd 레이저를 사용하여 브래그 격자를 제작하였으며, 제작을 용이하게 하 기 위하여 3차 브래그 격자를 적용하였다. 레이저 간섭계를 이용하여 제작된 격자패턴의 두께가 200 nm 정도로 된다.

하부 클래딩 층에 제작된 격자 패턴은 코어층 재료가 덮게 되므로 격자에 의한 유효굴절률 변화는 코어층의 두께가 200 nm 정도 차이 나는 경우에 대하여 계산하여 나타낼 수 있다. 본 논문에서 제안한 광도파로 구조에 대하여 격자로 인한 유효굴절률 차이는 2.9×10

이 되었다.

계산된 값을 전송행렬법(transmission matrix method) 계산 에 대입하여 그림 2와 같은 브래그 격자의 반사, 투과 스펙 트럼을 구하였다. 주기 863.168 nm인 3차 브래그 격자가 광 도파로를 따라 7 mm 정도 형성되었을 때 투과 스펙트럼의 dip은 17 dB가 되었고 반사율은 98 % 가 되었다.

III. 폴리머 브래그 반사 광도파로 소자 제작 공정

본 연구에서의 폴리머 브래그 격자 광도파로 소자는 그림 3

FIG. 3. Schematic procedures for fabricating the polymer Bragg

grating waveguide. The device consists of the rib type wave- guide and the Bragg grating which located at between the core and low cladding layer.

(a)

(b)

FIG. 4. SEM image of fabricated device: (a) the polymer Bragg grating fabricated by laser interferometry and (b) the polymer waveguide core after O2 plasma dry etching.

과 같은 공정을 통하여 제작되었다.

우선 기판으로 사용될 Si 기판 위의 자연 산화막을 제거하 여 접착력을 향상시키기 위하여 buffered oxide etch(BOE) 용액에 1분간 담근 후 deionized(DI) water로 씻어 내고 100℃

에서 3분간 건조시켰다. Si 기판과 하부 클래딩 물질인 폴리 머와 접착력을 향상시키는 ZAP1020 adhesion promoter를 코 팅한 뒤 하부 클래딩인 ZPU13-430 폴리머를 10 μm 두께로 코팅하기 위해 1000 rpm, 30 초간 코팅을 하였다. UV 경화 전에 3분간 질소를 흘려 보내면서 폴리머 표면에 존재하던 산소를 제거하였으며 , 이후 질소 환경을 유지한 채 H-Lamp를 장착한 독일 Dr. K.Hönle 사에서 제작된 UVASPOT 400/T 라는 UV 챔버에서 3분간 UV경화시켰다. UV 챔버 내에서 샘플에 조사되는 UV의 세기는 9 mW/cm

정도이며 피크 파 장은 370 nm이다.

다음으로 하부 클래딩 층 위에 브래그 격자와 코어층, 그 리고 상부 클래드층을 제작하여 광도파로를 완성하였다. 브 래그 격자는 He-Cd laser(KIMMON, 442 nm) 광원을 이용한 holographic interference 방법으로 g-line photoresist 인 TSMR 을 감광시킨다. 브래그 격자 패턴이 나타나고 육안으로 뚜렷 한 회절 현상이 보일 때까지 현상을 한 후, O

플라즈마를 이용해서 PR에 형성된 격자 패턴을 하부 클래딩에 전사하여 브래그 격자를 완성한다. 본 연구에서 제작된 브래그 격자는 3차 브래그 반사 조건이 850 nm 파장에서 만족되는 875 nm 주기를 가지도록 제작되었다.

그림 4(a)에서는 제작된 브래그 격자의 전자주사현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진을 보이고 있으며 실제 샘플 에 제작된 구조보다 더 깊은 홈을 가진 브래그 격자의 모습 을 보이고 있다.

브래그 격자 제작 후 코어 층을 형성하기 위하여 ZPU13-455 물질을 3.5 μm 두께로 코팅한 후 경화 하였다. 경화된 코어 층에 AZ5214 photoresist를 이용하여 광도파로 패턴을 제작 한 후 O

플라즈마를 이용하여 그림 4(b)와 같이 1.5 μm 깊

이로 식각하여 광도파로 코어를 완성한다 . 이렇게 완성된 코 어층 위에 ZPU13-430을 10 μm 두께로 코팅한 후 경화하여 상부 클래딩 층을 형성하게 되면 폴리머 브래그 격자 광도파 로가 완성된다. 이후 광섬유 연결을 위하여 광도파로 끝부분에 유리 조각을 붙이고 도파로 단면을 폴리싱하였으며, 광도파로 의 입출력부에 광섬유를 피그테일하여 소자를 완성하였다.

IV. 외부공진 근적외선 레이저 소자의 특성 측정 결과

근적외선 SOA를 이용하여 제작된 브래그 격자 광도파로

소자의 특성을 측정하였다. 본 연구에 사용된 근적외선 SOA

는 Superlum 사에서 제작된 838.8 nm 중심파장과 55.7 nm의

3-dB bandwidth를 가지는 광원이다. SOA의 한쪽 면은 고반

사 코팅 처리가 되어있고 반대쪽은 무반사 코팅이 되어있으므

로 본 연구의 외부 공진 레이저를 구성하는데 적합하다. 우

선 제작된 소자의 브래그 반사 특성을 확인하기 위하여 입력

단에 isolator와 3-dB coupler를 사용하였으며, 브래그 반사되

어 돌아오는 빛을 optical spectrum analyzer(OSA)로 측정하

여 그림 5와 같은 스펙트럼을 얻을 수 있었다.

FIG. 5. The transmission and reflection spectra of polymer Bragg grating waveguide device: The TE0 mode of 852.26 nm and the TM0 mode of 851.52 nm are observed. Because the oversized rib waveguide could not satisfy a single mode condition, high order modes were additionally occurred which consist of the TE1 mode of 849.64 nm, the TM1 mode of 849.0 nm, the TE2 mode of 846.18 nm and the TM2 mode of 845.52 nm.

(a)

(b)

FIG. 6. A CCD image of the light propagating along the wave- guide: (a) when restrict the resonance at the external cavity using the isolator, (b) when the external cavity laser operating without isolator. The scattered light could be observed around the waveguide due to the high intensity of laser.

(a)

(b)

FIG. 7. Output spectrum of external cavity NIR laser with an initial lasing wavelength at 852.26 nm: (a) the spectrum shows an output optical power of 0.33 dBm, a 20-dB bandwidth of 0.2 nm, and a side mode suppression ratio of 40 dB. (b) The enlarged spectrum from 850 nm to 854 nm shows the resonant wavelength according to the TE and the TM mode polarization. The lasing wavelength for each polarization is located at the same position of the Bragg reflection spectrum.

폴리머 광도파로 브래그 격자 소자의 브래그 반사 파장은 TE mode에서 852.26 nm, TM mode에서 851.52 nm에서 나 타나는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 기본 모드 외에 2개 의 고차 모드 반사파장이 더 발생하는 것이 관측되었는데, 이는 제작된 공정과정에서 설계된 식각 깊이 보다 더 많이 식각되면서 oversized rib 광도파로에서 단일모드 조건을 만 족하지 못하고 다중모드 광도파로가 되었기 때문이다. 투과 특성 스펙트럼에서도 마찬가지로 반사파장과 동일한 위치에 dip이 발생하는 것을 확인하였다. 이와 같은 다중모드 현상 은 공정과정에서 식각 깊이를 조절함으로써 개선될 수 있다.

하지만 고차 모드에 비해서 기본 모드의 반사율이 충분히 높 기 때문에 레이저 케버티 속에서 단일 모드 발진이 가능하게 된다.

폴리머 브래그 격자 광도파로 소자에서 SOA 광원을 통과시 킬 때 광도파로를 진행하는 NIR 파장의 빛은 광도파로 표면 을 관찰하기 위한 일반적인 CCD에서 명확히 확인이 되었다.

레이징이 되기전 약한 광파워가 광도파로를 지나갈 때의 모습이 그림 6(a)에 나타나 있으며 그림 6(b)는 레이징이 되 어 강한 빛이 광도파로를 지날 때의 사진이다. 레이저 공진 기에서 형성된 강한 빛의 일부가 mode mismatch로 인해 광 도파로에 입력되지 못하고 주변으로 퍼져나가면서 산란을 일으키는 현상을 목격할 수 있었다.

외부 공진기 레이저 특성을 확인하기 위하여 SOA와 polarization controller를 브래그 격자 광도파로 소자에 연결하여 외부 공 진 구조를 형성하였고, 외부 공진에 의해 발생되는 빛을 OSA 로 관측하였다.

제작된 근적외선 레이저는 그림 7(a)와 같이 40 dB 이상의

SMSR을 보였으며, 20-dB bandwidth는 0.2 nm, 3-dB band- width는 측정장비인 OSA의 측정 한계인 0.05 nm로 나타나

는 것을 확인할 수 있었다 . 또한 좁은 파장 범위를 확대하여

보았을 때 그림 7(b)와 같이 TE 편광에서의 lasing peak은 852.26 nm에서 0.33 dBm의 output power로 측정되었으며, TM 편광에서는 851.52 nm에서 -0.31 dBm의 출력 파워로 단일 모드 레이징이 되는 것을 확인할 수 있었다.

V. 결 론

본 논문에서는 근적외선 영역에서 동작하는 브래그 반사기 를 폴리머 광도파로를 이용하여 제작하고 반사형 SOA와 연 결하여 외부 공진형 근적외선 레이저를 제작하였다. 브래그 반사 효율을 높이기 위해 굴절률 차이가 큰 코어와 클래딩 물질을 사용하여 코어 두께가 3.5 μm인 oversized rib 구조의 단일모드 광도파로를 제작하였으며, 주기 875 nm의 3차 브 래그 격자를 이용하였다. 제작된 소자는 TE와 TM 편광 모 두에서 약 0 dBm의 출력파워를 보였고 40 dB 이상의 SMSR 과 0.2 nm의 20-dB bandwidth 특성을 보였다. 본 연구 결과 는 근적외선 레이저를 구현함에 있어 최초로 폴리머 광도파 로를 도입함으로써, 바이오센서 및 의료용 광원을 소형화하 고 저가로 제작할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 또한 폴 리머 광도파로의 우수한 열광학 특성 및 유연성을 이용한 근 적외선 파장가변 레이저 개발을 위한 기본적인 발판을 마련 하였다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부 한국연구재단에서 지원하는 중 견연구자 지원사업(2009-0079553)의 연구비 지원으로 수행 되었습니다.

References

1. B. Cunningham, B. Lin, J. Qiu, P. Li, J. Pepper, and B.

Hugh, “A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiparallel detection of label-free biochemical interactions,”

Sens. Actuators B 85, 219-226 (2002).

2. D. Hradetzky, C. Mueller, and H. Reinecke, “Interferometric label-free biomolecular detection system,” J. Opt. A: Pure

Appl. Opt. 8, S360-S364 (2006).

3. J.-W. Kim, K.-J. Kim, J.-A. Yi, and M.-C.Oh, “Polymer waveguide label-free biosensors with enhanced sensitivity by incorporating low-refractive-index polymers,” IEEE J.

Select. Topics Quantum Electron. 4, 973-980 (2010).

4. L. L. Chan, B. T. Cunningham, P. Y. Li, and D. Puff, “Self- referenced assay method for photonic crystal biosensors:

application to small molecule analytes,” Sens. Actuators B

5. S. R. Chinn, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, “Optical coherence tomography using a frequency-tunable optical source,” Opt. Lett. 22, 340-342 (1996).

6. H. Lim, J. F. de Boer, B. H. Park, E. C. W. Lee, R. Yelin, and S. H. Yun, “Optical frequency domain imaging with a rapidly swept laser in the 815-870 nm range,” Opt. Express

7. S. W. Lee, C.-S. Kim, and B.-M. Kim, “External line-cavity wavelength-swept source at 850 nm for optical coherence tomography,” IEEE Photon. Technol. Lett. 19, 176-178 (2007).

8. F. Chen, J. Wang, C. Ye, W. Ni, J. Chan, Y. Yang, and D. Lo, “Near infrared distributed feedback lasers based on LDS dye-doped zirconia-organically modified silicate channel waveguides,” Opt. Express 13, 1643-1650 (2005).

9. R. K. Price, V. C. Elarde, and J. J. Coleman, “Widely tunable 850-nm metal-filled asymmetric cladding distributed Bragg reflector lasers,” IEEE J. Quantum Electron. 42, 667-674 (2006).

10. Be. Wenger, N. Tétreault, M. E. Welland, and R. H. Friend,

“Mechanically tunable conjugated polymer distributed feedback lasers,” Appl. Phys. Lett. 97, 193303 (2010).

11. Y.-O. Noh, H.-J. Lee, J.-J. Ju, M.-S. Kim, S.-H. Oh, and M.-C. Oh, “Continuously tunable compact lasers based on thermo-optic polymer waveguides with Bragg gratings,” Opt.

Express 16, 18194-18201 (2008).

12. K.-J. Kim, J.-W. Kim, M.-C. Oh, Y.-O. Noh, and H.-J. Lee,

“Flexible polymer waveguide tunable lasers,” Opt. Express

13. R. Moosburger and K. Petermann, “4 × 4 digital optical matrix switch using polymeric oversized rib waveguides,”

IEEE Photon. Technol. Lett. 10, 684-686 (1998).