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Summary
Contents
목차
제1장 연구개발과제의 개요 18
제2장 국내외 기술개발 현황 26
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 34
제1절 금속나노입자 분산형 나노혼합박막재료 제작 34
제2절 나노혼합박막 재료의 선형광학 특성 분석 38
제3절 나노혼합박막재료의 도파 특성 뷴석 63
제4절 나노혼합박막재료의 비선형 특성 분석 93
제5절 나노혼합박막재료의 광학적 비선형 응답특성 분석 102
제6절 프리즘 기반의 도파로 박막 제작 및 광 스위칭 특성 150
제7절 MZI기반 도파로 소자 제작 163
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 192
제5장 연구개발결과의 활용계획 194
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 196
제7장 참고 문헌 198
표 3-2-1. Au/SiO₂ 혼합박막의 제작조건 ( t=3000nm) 43
표 3-3-1. 교번증착법으로 제작한 박막을 m-LBL 모델을 사용하여 도파모드를 분석하여 구해진 파라메타들 93
표 3-5-7. Contact-mode AFM topography image ( scan area : 1 × 1㎛,256×256 pixel) 115
표 3-7-1. Photo-lithography 조건 172
표 3-7-2. MNCC 도파막 식각된 표면 EPMA 179
표 3-7-3. 1×1 MNCC 기반 스위치 소자 OSA 광 특성 190
그림 1-1. 정보통신 속도의 증가 추세 20
그림 1-2. 3차비선형 재로의 종류에 따른 비선형 굴절계수 및 반응속도 상관관계 23
그림 2-1. 구형의 금속입자가 유전체 기지상내에 분산된 Maxwell-Garnett 유효 매질 구조 31
그림 3-1-1. 교번증착법과 동시증착법의 개념도 35
그림 3-1-2. Au(10%)/SiO₂ 혼합박막의 증착직후의 TEM 사진;... 36
그림 3-1-3. Au(10%)/SiO₂ 혼합박막의 열처리 온도에 따른 흡광계수의 변화;... 37
그림 3-2-1. 금속입자 크기를 고려한 선형광학 해석 모델을 바탕으로 한 Au/SiO₂ 혼합박막의 전산모사;... 42
그림 3-2-2/3-2-7. Alternating sputtering으로 제작된 표 4-2 박막들의 흡수스펙트럼과 Co-sputtering으로 제작된 900도 3시간 열처리의 흡수스펙트럼 비교 45
그림 3-2-3/3-2-8. Co-sputtering으로 제작된 박막의 증착직후와 900도 3시간 열처리 후의 흡수스펙트럼 46
그림 3-2-4/3-2-9. Au 1.5 nm와 Au 2 nm인 시편에 대해 투과도와 반사도를 fitting한 그래프 47
그림 3-2-5/3-2-10. Fitting을 통해서 구해진 표 3-2-1 박막들의 광학상수 48
그림 3-2-6/3-2-11. Variable Angle Photometry의 개략도 49
그림 3-2-7/3-2-12. Au(t=2 nm, Vol.% : 1)/SiO₂ (total thick : 3000 nm) 혼합박막 대해 입사각의 변화에 따른 투과/반사를 측정하여 분석한 스펙트럼;... 51
그림 3-2-8/3-2-13. 입사평면(plane of incident)에 전기장이 평행한 편광을 p파, 입사평면(plane of incident)에 전기장이 수직한 편광을 s파라고 정의 53
그림 3-2-9/3-2-14. 다층구조모델(stratified planar-layer model) (a), 4상계 모델(공기/박막/기판/공기)(b) 55
그림 3-2-10/3-2-15. 체적분율이 1 %이고 입자크기가 3 nm인 Au 나노입자가 SiOxNy(이미지참조)에 분산된 혼합박막에 대해 Bruggeman effective medium Approximation(B-EMA)을 이용하여 Si3N₄의 체적분율에 따라 전산모사한 흡수 스펙트럼 58
그림 3-2-11/3-2-16. Glass(그림 3-2-16(a))와 quartz(그림 3-2-16(b)) 기판에 대해서 VAP 측정 및 분석을 통해 파장 632.8 nm와 1550 nm에서 광학상수를 구한 결과 60
그림 3-2-12/3-2-17. SiOxNy(이미지참조) 박막에 대해서 파장 1550 nm에서 측정 및 분석한 결과 61
그림 3-2-13/3-2-18. 제작한 모든 SiOxNy(이미지참조) 박막에 대해서 N₂ gas flow/Total gas flow에 따른 광학특성 결과 62
그림 3-3-1. 도파모드 각도 분석을 위한 프리즘 커플러 개요도 65
그림 3-3-2. 굴절율이 서로다른 세층으로 구성된 평판형 Slab 도파로에서의 TE, TM field의 분포 67
그림 3-3-3. 도파계수의(도파계수 의) 상대적 크기 함수로 표현한 각 영역별 모드 구분과 전자기파 세기분포 위 그림은 이에 상응하는 입사빔의 진행 ray picture. 68
그림 3-3-4. 박막내에 존재하는 모드의 전기장 분포곡선 및 노드수에 따른 모드 구분 70
그림 3-3-5. 그림 3-3-1에 표현한 형태의 평판형 slab 도파로에 대한 eigenvalue 방정식 (5-4)의 각 항이 그래프.... 71
그림 3-3-6. 프리즘 커플러에서 위상매칭 조건이 만족되는 상태에서 박막내로 입사빔이 커플링되어 도파하는 모식도. 72
그림 3-3-7. 커플링 프리즘과 박막 도파로와의 기하학적 구조 관계 모식도 73
그림 3-3-8. 프리즘 커플러의 광학계 구성 75
그림 3-3-9. SiOxNy(이미지참조) 박막의 도파특성 76
그림 3-3-10. Au: SiOxNy(이미지참조) 혼합박막의 도파특성 77
그림 3-3-11. 도파손실 측정은 그림 3-3-11과 같이 프리즘 커플러 장치와 CCD카메라를 구성하여 sliding detctor method를 이용 79
그림 3-3-12. SiOxNy(이미지참조) 박막의 632.8 nm와 1550 nm 파장에서의 도파모드를 측정한 스펙트럼 80
그럼 3-3-13. 도파손실 측정과 선형 전산맞춤 스펙트럼 81
그림 3-3-14. Au:SiO₂, Au:SiOxNy(이미지참조) 혼합박막에 대해서 1550 nm에서 도파모드를 측정한 스펙트럼 83
그림 3-3-15. Au:SiO₂ 혼합박막의 경우 -7.2˚, Au:SiOxNy(이미지참조) 혼합박막의 경우 -8.5˚에서 도파손실을 측정한 스펙트럼 84
그림 3-3-16. 교번증착법으로 제작한 박막의 단면 주사현미경 이미지, 삽입된 것은 (a) 단면과, (b) 분리된 Au 나노입자들과 그들의 분산을 보여주는 SiO₂(5 nm)/Au(2nm)/SiO2(5 nm) 시편의 평면을 보여주는 고 배율 투과 전자 현미경 이미지들이다.... 86
그림 3-3-17/3-3-16. (a) 흡수계수, 투과, 그리고 반사의 분광학적인 광 스펙트럼이고, (b) 동시증착법 (CS)과 교번증착법(AS)에 의해 제작 Au/SiO₂ 나노혼합박막의 TE 또는 TM 모드의 입사빔의 편광에 대한 1550 nm에서 측정된 도파 모드 프로파일 88
그림 3-3-18/3-3-17. 1550 nm에서 Au/SiO₂ 나노혼합박막의 세 가지 서로 다른 모델 구조들에 대해 전산모사된 편광에 의존하는 도퍼 모드 프로파일;... 90
그림 3-3-19/3-3-18. (a) 교번증착법으로 제작된 Au/SiO₂ 나노혼합박막에 대해 측정된 도파 모드 (열린 기호들)와 최적화로 전산 맞춤 (선들)한 스펙트럼들 (b) variable angle photometry에 의해 측정된 데이터 (열린 기호들)와 m-LBL 모델에 대해 전산 맞춤으로부터 얻어진 파라메타를 사용하여 계산된 데이터 (선들)들 사이의 비교 92
그림 3-4-1. two-temperature 모델을 이용한 금속입지내 표면플라즈몬 열적 완화기구 해석 프로그램 실행화면. 94
그림 3-4-2. 에너지 완화현상 관련 분광 스펙트럼 분석 프로그램 실행화면. 94
그림 3-4-3. 국부전기장의 효과를 설명하기 위해 Au 입자가 SiO₂ 기지상에 분산된 경우에 대한 계산결과 97
그림 3-4-4. 보완된 측정장치를 이용해 532 nm 펌프빔과 680 nm 신호빔을 이용하여 AU:SiO₂ 박막에 대해 two-color Z-scan 분석을 수행한 결과 98
그림 3-4-5. Au(1%):SiO₂ 복합체 박막에 대해 630 nm와 680 nm 파장의 30 ps 펄스레이저를 이용하여 입사빔의 에너지를 변화시켜 가며 투과된 빛의 에너지 변화를 관찰 100
그림 3-4-6. 1064 nm 파장의 레이저를 이용해 수행된 single beam Z-scan 분석;... 101
그림 3-5-1. Far-field 영역에서 비선형/ 광유도 측정장치 108
그림 3-5-2. Diagram and potograph of Near-field scanning optical microscope 109
그림 3-5-3/5-3-3. Dc and ac signals as a function of the distance between the NSOM probe and LD facet 110
그림 3-5-4. Resonance (a) and approach (b) characteristics for a coated fiber tip 111
그림 3-5-5. Diagram of sample arrangement 113
그림 3-5-6. Bare fiber를 투과한 beam profile의 NSOM측정 이미지. 114
그림 3-5-7. Contact-mode AFM topography image ( scan area : 1 x 1㎛, 256x256 pixel) 115
그림 3-5-8. Photograph of optical image of As₂S₃ without optical chopper(up) and optical chopper(up) 117
그림 3-5-9. As2S3 박막에서의 광유도 광팽창 이미지 및 diffraction ring pattern 118
그림 3-5-10. 샘플이 코팅된 fiber 단면의 현미경 이미지 -Topography(Left and middle) and optical image(right) 120
그림 3-5-11. SEM image of sample fiber. 121
그림 3-5-12. NSOM 측정결과 (a) chopper가 없을 때 (광조사 초기). (b) chopper를 사용한 후 변화된 투과된 빛살모양 및 표면번화 123
그림 3-5-13. 시간에 따른 투과된 빛살모양 변화 124
그림 3-5-14. Near field 및 far-field 영역에서 공간적 광 스위칭 효과 126
그림 3-5-15. Common-Path homodyne interferometer 128
그림 3-5-16. (a) Bright-field TEM images and (b) mean particle diameter and number density which are measured from TEM. 131
그림 3-5-17. Optical absorption spectra of MNCC thin films (Au:SiOxNy)(이미지참조) 132
그림 3-5-18. Optically induced linear birefringence as a function of pump intensity 133
그림 3-5-19. Normalized amplitude as a function of realative HWP angle. 135
그림 3-5-20. 3rd nonlinear refractive index, n₂ via NPs size. 137
그림 3-5-21. Position dependence of OILB of MNCC thin film 138
그림 3-5-22. Optical absorption spectrum of Au:SiO₂ with 1.5nm Au nominal thickness 140
그림 3-5-23. Scanning image (8 × 8 mm) of the multilayer MNCC thin film with 1.5nm nominal thickness.... 141
그림 3-5-24. Contour plots at different pump power 142
그림 3-5-25. Scanning image (8 × 8 mm) of another position of the multilayer MNCC thin film 144
그림 3-5-26. illustration of ttle sensor substrate 146
그림 3-5-27. Optical spectrum of the MNCC thin film 147
그림 3-5-28. Induced phase as a function of pump power varying DNA & target concentration.... 148
그림 3-6-1. 교번증착법에 의해 상온에서 실리카 기판위에 증착된 3 urn 두께의 Au(1vol. %):SiO₂ 나노혼합박막에 대한 광 흡수 스펙트럼.... 151
그림 3-6-2. (a)는 프리즘 커플링 된 광 스위치의 개략도이고, (b)는 SF1O 프리즘, 700 nm 두께의 MgF2 저 굴절율 커플링 층, 그리고 3 um 두께의 Au(1 vol. %):SiO2 나노혼합 도파 박막으로 구성된 모델 시스템에 대해 계산된 도파 모드 프로파일을 나타낸 이고, (b)에서 사각점선으로 표시된 0th 모드에 대해 나노혼합박막의 복소 굴절율에서 실수... 153
그림 3-6-3. (a)는 프리즘 커플링 된 Au(1 vol. %):SiO2 나노혼합박막에 대해 입사각의 함수로써 측정된 도파 모드 프로파일과 이론적으로 전산 맞춤한 커브를 나타낸 것이다.... 155
그림 3-6-4. (a)는 프리즘 커플링 된 MgF2 기반의 Au(1 vol. %):SiO2 나노혼합박막에 대해 입사각의 함수로써 TE 편광된 1550 nm 신호빔으로 측정된 도파 모드 프로파일들을 나타낸 것이고, (b)는 Au 기반의 Au(1 vol. %):SiO2 나노혼합박막에 대한 것이다.... 158
그림 3-6-5. 펌프 빔의 파워가 0에서 120 ㎽로 증가 되면서 펌프 빔이 조사되었을때 (a)는 MgF2 기반의 Au(1 vol, %):SiO2 나노혼합박막에 대해 측정된 TEO 모드 프로파일들의 변화를 나타낸 것이고, (b)는 Au 기반의 Au(1 vol. %):SiO2 나노혼합박막의 변화를 나타낸 것이다. 159
그림 3-6-6. 500 ms의 펄스폭을 가진 532 nm 펌프의 단일 샷에 대한 TEO 모드의 세 개의 고정된 각도(딥, 오른쪽, 그리고 왼쪽 지점)에서 반사된 세기의 시간적인 반응을 MgF2 기반의 Au(1 vol. %):SiO2 나노혼합박막에 대해 나타낸 것이 (a)이고 Au 기반에 대해 나타낸 것이 (c)이다.... 160
그림 3-6-7. 몇 개의 선택된 각도들에서 오실로스코프에 의해 측정된 크기 신호들을 초기 모드 프로파일에 대해 cw와 ns 펄스를 이용한 광 스위칭에서 입사각에 의존하는 반사도로 변환시킨 모드 프로파일들인데 MgF2 기반이 (a)이고 Au 기반의 Au(1 vol. %):SiO2 나노혼합박막에 대한 것이 (b)이다. 162
그림 3-7-1. BCW(buried channel Waveguide) 1.46 × 1.49 um의 beam size 164
그림 3-7-2. OCW(open channel Waveguide) 1.20 × 1.23 um의 beam size 164
그림 3-7-3. Field distribution at 1550nm - 도파로 사이의 거리 250um Propagation loss : 3.26㏈ 165
그림 3-7-4. 도파로 사이의 거리 250um 166
그림 3-7-5. mode convertor가 없는 경우 168
그림 3-7-6. mode convertor가 있는 경우 168
그림 3-7-7. 도파로 폭이 3um 일 때 mode convertor 유/무에 따른 coupling loss 비교 168
그림 3-7-8. 1×1 MZI 마스크 도면 169
그림 3-7-9. mode expander convertor를 적용한 2×2 MZI 마스크 도면 170
그림 3-7-10. Input pattern(2×2 all optical switch) 173
그림 3-7-11. MMI pattern 173
그림 3-7-12. CF4 gas 유량에 따른 식각률 175
그림 3-7-13. Chemical 효과에 따른 식각단면 175
그림 3-7-14. 최적화된 공정에서 얻어진 실리카 식각 도파로 Profile 175
그림 3-7-15. MNCC 식각 시간에 따른 식각률 177
그림 3-7-16. 식각된 표면 거칠기 - FESEM 177
그림 3-7-17. 도파로 sidewall 178
그림 3-7-18. MNCC 도파로 profile 178
그림 3-7-19. 식각된 MNCC 도파막 표면 분석 그래프 - ESCA분석 179
그림 3-7-20. MNCC 건, 습식 식각에 의한 식각률 변화 180
그림 3-7-21. 최적화 조건에서의 MNCC 도파로 180
그림 3-7-22. PECVD 이용한 Over clad 증착 후 도파로 단면 사진 182
그림 3-7-23. 에폭시 두께 조절 jig 및 두께 사진 184
그림 3-7-24. 8˚ 연마된 Lid 부착 도파로 소자의 단면(FE-SEM) 및 표면 거칠기(AFM) 185
그림 3-7-25. 제작 완료된 MNCC 기반 스위치 소자 사진 186
그림 3-7-26. Input FAB - Chip - Output FAB 정렬 및 측정 개략도 188
그림 3-7-27. Input FAB-Chip-Output FAB 정렬 및 본딩 개략도 189
그림 3-7-28. MNCC 기반 스위치 소자 투과 spectrum 191
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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