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Optimization of Slanted and Chirp IDT Configurations for Realizing and Propagating Surface Acoustic Wave with Wide Bandwidth
Optimization of Slanted and Chirp IDT Configurations for Realizing and Propagating Surface Acoustic Wave with Wide Bandwidth
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2013. Dec, 62(12): 1730-1736
Copyright © 2013, The Korean Institute of Electrical Engineers
  • Received : July 03, 2013
  • Accepted : November 14, 2013
  • Published : December 01, 2013
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About the Authors
태윤 이
Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea
첸 푸
Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea
기근 이
Corresponding Author : Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea E-mail :keekeun@ajou.ac.kr

Abstract
Slanted and chirp interdigital transducer(IDT) configurations were studied for generating the surface acoustic wave(SAW) with wide bandwidths on a piezoelectric substrate. These devices can be applied to manipulate optical path of light along the waveguide, ultimately used for optical switches and holographic image implementation. Prior to fabrication, the coupling of modes(COM) modeling and simulation were performed to extract optimal design parameters. The optimally designed wideband device showed wide bandwidth of 30MHz, low insertion loss of -25dB, and abrupt side suppression ratio (SSR). Several design conditions were determined during device implementation, such as slanted angle, aperture length, number of fingers, and central frequencies of IDTs. These factors were experimentally analyzed and described in details in this paper.
Keywords
1. 서 론
최근 고주파 송수신단 표면탄성파(surface acoustic wave, SAW) 필터, 음향광학 장치 등과 같은 응용분야에서는 광대역폭을 지니는 표면탄성파 빗살 변환기(interdigital transducer, IDT)의 설계를 요구하고 있다[ 1 - 2 ]. 특히 음향 광학 Bragg 회절기에서는 굴절각의 범위가 대역폭에 비례하여 변한다[3]. 따라서 넓은 굴절각 범위를 얻기 위해 기존에 사용 중인 단일 주파수로 설계된 협대역 IDT보다 대역 주파수로 설계된 광대역 IDT의 사용이 요구된다. 여기서 하지만 일반적으로 광대역 IDT는 협대역 IDT에 비해 큰 삽입 손실을 가진다. 광대역 IDT의 경우, 서로 다른 파장을 가진 핑거들 사이에 조화에 의해 광대역의 표면탄성파가 형성되므로 약한 에너지를 가지게 되고 이로 인해 보다 큰 삽입손실을 가지게 된다. 반면 협대역 IDT의 경우, 단일 중심주파수를 가지고 설계하므로 같은 파장을 가진 핑거들이 여러개가 중첩되면서 강한 에너지의 표면탄성파를 만든다. 이에 따라 광대역폭을 유지하면서도 삽입손실을 최소화하기 위한 연구가 많은 사람들에 의해 이루어지고 있다[ 4 ].
표면탄성파의 주파수, 파장, 에너지 등의 주요 특성은 압전기판 위에 패턴된 IDT의 영향을 크게 받는다. 사용할 주파수 혹은 주파수 대역이 정해지면 IDT의 기본 디자인 규칙인 λ = vph / f 0 의 관계를 이용하여 설계 규격을 정한다[ 5 ]. 여기서 λ는 표면탄성파의 파장, vph 는 압전기판의 전파속도, f 0 는 표면탄성파의 중심 주파수를 나타낸다. 광대역 IDT 설계의 경우, 여러 개의 연속적인 단일 중심주파수의 표면탄성파가 중첩된 것으로 볼 수 있기 때문에 마찬가지로 이 관계를 적용한다.
본 논문에서는 광대역 IDT 구조인 slanted 구조와 chirp 구조를 기반으로 광대역폭과 낮은 삽입손실을 만족하기 위한 변형 구조를 적용하였다. slanted 구조의 경우 내부 리플렉터를 구현함으로써 단방향 전파 특성을 강화하였고, chirp 구조의 경우 더미 핑거와 apodization을 사용하여 회절에 의한 삽입손실을 최소화하였다[ 6 ]. 여기에 coupling of modes(COM) 모델링을 적용함으로써 IDT의 slanted 각, aperture 길이, 핑거 수 등의 최적 파라미터들을 얻었다. 각각의 파라미터들을 적용하여 설계한 IDT들을 128°YX-LiNbO 3 , ST-quartz의 다른 종류의 두 기판에 구현하여 비교함으로써 최적의 광대역 특성을 가지는 조건을 찾아보았다.
2. 본 론
- 2.1 광대역 IDT 최적설계 및 모델링
- 2.1.1 slanted IDT
slanted IDT는 그림 1(a)와 같이 일반적인 단파장 IDT와 다르게 aperture 상단과 하단의 파장이 다르며, aperture 구간 내에서 연속으로 변하는 파장을 가진다. 따라서 입력 IDT와 출력 IDT 모두 기울어진 각을 가지게 되고, 입력 IDT의 윗부분은 짧은 파장이므로 높은 주파수를 가지는 표면탄성파를, 아랫부분으로 갈수록 긴 파장이므로 낮은 주파수를 가지는 표면탄성파를 발생시킨다. 출력 IDT에서 얻은 파형은 slanted IDT의 위에서 아래까지의 영역에 의해 전달되는 해당 주파수 구간의 광대역폭을 지닌다. slanted IDT의 설계는 기본적으로 아래 수식을 기반으로 한다.
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여기서 fh 는 설계하려는 광대역의 높은 주파수, fl 은 낮은 주파수, A0 는 aperture의 길이, N 은 총 분할된 수, i 는 분할된 구간 (i=1,2,3,…, N )을 의미한다. 분할 구간 i 가 많을수록 즉, N 이 클수록 정밀한 설계가 가능하며 A0 의 값에 따라 적절한 구간 i 가 결정된다. 이와 같이 설계된 slanted IDT는 fl 부터 fh 까지의 통과 대역을 갖는 광대역 IDT가 된다.
이번 설계에서 광대역 slanted IDT를 구현하기 위해 얻어진 파라미터는 표 1과 같이 입력 IDT를 기준으로 총 핑거의 수가 각각 255, 481개, aperture의 길이가 1.6, 2.4mm로 총 4 가지의 slanted IDT 구조를 설계함으로써 최적화 구조를 찾아보았다.
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(a) slanted 구조의 개념도. 표면탄성파 전파방향의 수직한 방향으로 파장이 연속적으로 변하는 구조로 다른 주파수를 가진 파형이 구간별로 동시에 전달된다. (b) chirp 구조의 개념도. 표면탄성파 전파방향으로 파장이 연속적으로 변하는 구조로 다른 주파수를 가진 파형이 시간차를 두고 전달된다. Fig. 1 (a) Schematics of slanted structure. The wavelength is continuously changed perpendicular to surface acoustic wave propagation. Each waves with different wavelengths are simultaneously transferred to output IDT. (b) Schematics of chirp structure. The wavelength is continuously changed parallel to surface acoustic wave propagation. Each waves with different wavelengths are sequently transferred to output IDT.
4 가지의 slanted 구조 모두 핑거의 폭이 상단 4.2μm에서 하단이 4.9μm이며, 128°YX-LiNbO 3 기판 위에서는 220MHz의 중심주파수와 ~15%(~33MHz)의 대역폭을, ST-quartz 기판 위에서는 175MHz의 중심주파수와 ~15%(~26MHz)의 대역폭을 목표로 한다.
설계한 slanted IDT의 총 핑거 수 및 aperture 길이Table 1 Total number of fingers and aperture length of the designed slanted IDTs
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설계한 slanted IDT의 총 핑거 수 및 aperture 길이 Table 1 Total number of fingers and aperture length of the designed slanted IDTs
- 2.1.2 chirp IDT
chirp IDT는 그림 1(b)와 같이 일반적인 단파장 IDT의 구조와 비슷해 보이지만 표면탄성파가 전파하는 방향 즉, aperture에 수직한 방향으로 파장이 연속적으로 변하는 핑거를 가지고 있다. 이렇게 여러 개의 핑거들로부터 동시에 다른 주파수를 가진 표면탄성파들이 생성되며, 이들 사이의 보강 하모니에 의해 광대역폭을 가진 표면탄성파가 입력 IDT에서 생성되어 출력 IDT로 전달되고 있다.
chirp IDT의 설계는 다음과 같은 수식을 기반으로 한다.
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여기서 tn 은 임펄스의 응답이 0이 되는 시간을 나타내며, f0 는 중심 주파수, T 는 분산, B 는 대역폭을 의미한다. 또한 xn 은 IDT 핑거의 위치를 나타내고, v 는 기판의 전달속도이다. n 의 범위와 총 핑거의 수 N 은 다음과 같이 한정된다.
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위의 이론을 바탕으로 설계를 진행하였으며, 표면탄성파의 반사와 회절로 인한 응답 특성 저하를 줄이기 위해 더미핑거를 추가하였고, 대역 통과 특성의 향상을 위해 apodization을 입력 chirp IDT 설계에 적용하였다. [8]
이번 설계에서 광대역 chirp IDT를 구현하기 위해 얻어진 파라미터는 핑거의 폭이 4.2 ~ 5.1μm로 변하며, 표 2와 같이 입력 IDT를 기준으로 총 핑거의 수가 각각 601, 801개, aperture의 길이가 0.7, 1.4 mm로 총 4 가지의 chirp IDT 구조를 설계하였다.
설계한 chirp IDT의 총 핑거 수 및 aperture 길이Table 2 Total number of fingers and aperture length of the designed chirp IDTs
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설계한 chirp IDT의 총 핑거 수 및 aperture 길이 Table 2 Total number of fingers and aperture length of the designed chirp IDTs
128°YX-LiNbO 3 기판 위에서는 215MHz의 중심주파수와 ~20%(~43MHz)의 대역폭을, ST-quartz 기판 위에서는 170MHz의 중심주파수와 ~20%(~34MHz)의 대역폭을 가지는 것을 목표로 하였다.
- 2.1.3 COM 모델링
coupling of modes (COM) 모델링은 IDT에서 양쪽으로 전파하는 두 SAW를 다루며, IDT 내에서 통과하는 반대방향의 두 SAW 사이의 커플링 상호 작용을 포함한다. 양방향 단파장 IDT에서 서로 반대방향으로 전파하는 두 SAW a ( x )와 b ( x )는 다음과 같은 관계를 가진다.
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여기서 R ( x )와 S ( x )는 기판에서의 에너지의 손실로 인해 천천히 감소하는 SAW의 진폭이며,의 관계를 가진다. p 는 단파장 IDT의 피치(pitch)를 의미한다. 이로부터 2개의 어쿠스틱 단자와 전류-전압 단자에 관한 3가지의 미분 COM 방정식을 얻을 수 있으며 다음과 같다.
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여기서 δ 는 이조(detuning) 파라미터이고, k12 는 상호 결합 상수를 나타낸다. 또한 ζ는 여기 상수이고, Cs 는 정전용량을 의미한다. [8]
slanted 구조의 경우 그림 1(a)와 같이 전파방향의 수직한 방향을 따라 여러 성분으로 분해될 수 있으며, 이 때 각각의 성분의 기울어진 각을 무시하면 여러 개의 단파장 IDT가 병렬로 연결된 것으로 볼 수 있으므로 각각의 성분에 대해 위의 COM 모델링을 사용할 수 있다. chirp 구조의 경우도 그림 1(b)와 같이 전파방향을 따라 한 주기씩 가지는 여러 성분의 단파장 IDT로 분해될 수 있으며 여러 성분이 직렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 따라서 각각의 성분에 대해 마찬가지로 위의 COM 모델링을 적용할 수 있다.
본 논문에서는 표 3에 나타나있는 128°YX-LiNbO 3 에 대한 파라미터들을 이용하여 COM 모델링을 한 후에, 이를 기준으로 128°YX-LiNbO3와 ST-quartz 두 기판에 소자를 구현하였다.
그림 2는 COM 모델링을 통해 얻은 최적의 slanted 및 chirp 구조의 시뮬레이션 결과를 보이고 있다. 그림 2(a) slanted 구조의 경우 약 215MHz의 중심주파수에서 약 30dB의 삽입손실과 약 35MHz의 대역폭을 가진다. 그림 2(b) chirp 구조의 경우 약 207MHz의 중심주파수에서 약 20dB의 삽입손실과 약 35MHz의 대역폭을 가진다.
128°YX-LiNbO3의 COM 모델링 파라미터Table 3 COM modeling parameters of 128°YX-LiNbO3
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128°YX-LiNbO3의 COM 모델링 파라미터 Table 3 COM modeling parameters of 128°YX-LiNbO3
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COM 모델링을 이용한 (a) slanted 구조의 S21 응답 시뮬레이션 결과. 사용된 파라미터는 255개의 핑거수와 1.6mm의 aperture 길이. (b) chirp 구조에서의 S21 응답 시뮬레이션 결과. 사용된 파라미터는 601개의 핑거 수와 0.7mm의 aperture 길이. Fig. 2 Simulation result for S21 response of (a) slanted (255 fingers, 1.6mm aperture) and (b) chirp (601 fingers, 0.7mm aperture) structure
- 2.2 광대역 IDT 제작 과정
전파속도 등의 매질 특성이 서로 다른 128°YX-LiNbO 3 , ST-quartz의 두 종류의 기판을 광대역 IDT 제작에 사용하였다. 전체적인 공정 과정은 그림 3와 같이 “lift-off” 방법을 이용하였으며 다음과 같다. 먼저 기판으로 사용할 웨이퍼에 포토레지스트(photoresist, PR)를 회전 코팅하고 ‘pre-baking’ 과정을 거친다. PR이 균일하게 덮인 웨이퍼 위에 패턴이 인쇄된 마스크를 진공 접촉시켜 자외선(ultraviolet, UV) 수은 램프에 노광한다. 노광된 웨이퍼는 ‘post-baking’ 과정을 거치고 다시 UV 수은 램프에 노광한다. 이 때 마스크는 제거된 상태로 노광을 하고 이를 ‘flood exposure’이라고 한다. 마지막으로 현상액(developer)에 담가서 PR 패턴을 완성한다. 여기에 금속 층으로 알루미늄을 증착시키고 PR stripper에 담가 PR층을 제거하면 IDT 패턴이 기판 위에 완성된다. 측정을 위해 다이싱 장비를 이용하여 기판을 개별 소자 단위로 절단한 뒤, 각각의 개별 소자를 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB) 위에 고정하여 도선 연결을 함으로써 측정용 패키지를 완성하였다.
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lift-off 공정도. (a) 준비된 기판 위에 (b) 회전 코팅 방법으로 균등하게 PR층을 만들어준 후, (c) UV 노광을 통해 패턴을 PR 층에 입힌다. (d) 현상을 통해 PR층에 패턴 틀이 형성되면 (e) 알루미늄을 증착시켜 패턴 틀을 채운 후 (f) PR 제거를 통해 IDT 패턴을 완성한다. Fig. 3 Lift-off process. (a) On the prepared substrate, (b) uniform PR coating by spinner. Then (c) transfer mask pattern to PR layer through UV exposure and (d) developing. And then (e) evaporate aluminum and (f) strip PR layer
- 2.3 측정 및 분석
그림 4은 electric network analyzer (ENA)를 이용한 측정 셋업을 보인다. 제작된 slanted 소자와 chirp 소자를 PCB 기판에 고정한 두 package에 각각 190MHz에서 240MHz, 160MHz에서 260MHz의 RF 신호를 인가하였다.
그 결과 일정 구간의 주파수 대역에서만 신호가 전달되는 대역통과 필터 특성을 확인할 수 있었다.
- 2.3.1. 제작된 소자 관찰
그림 5는 설계 및 공정 과정을 거쳐 얻어진 slanted 구조와 chirp 구조의 광학 측정 결과를 보이고 있다. slanted 구조의 경우, 그림 5(a), (b)와 같이 IDT 상단과 하단의 전극의 수가 같지만 전극의 폭이 다르기 때문에 사다리꼴 형태의 모양을 가지게 되며, 그림 1(a)의 개념도와 같은 모양을 가지는 것을 확인할 수 있다. chirp 구조의 경우, 그림 5(c), (d)에서 육안으로 식별할 수 없지만 그림 1(b)의 개념도와 같이 전파방향으로 전극의 폭이 변한다. 단, 광학 사진에서 apodization과 더미 핑거가 적용되었음은 확인할 수 있다.
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패키지 된 slanted IDT(왼쪽)와 chirp IDT(오른쪽)의 network analyzer 측정 모습. 소자의 S21 전달 응답 특성이 광대역으로 나타나고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 4 Measurement picture of packaged slanted(left) and chirp(right) devices utilizing network analyzer. S21 transmission response seems like a wideband filter characteristics.
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제작된 소자의 광학 사진. (a) 128°YX-LiNbO3 위에 제작된 slanted IDT (b) ST-quartz 위에 제작된 slanted IDT (c) 128°YX-LiNbO3 위에 제작된 chirp IDT (d) ST-quartz 위에 제작된 chirp IDT Fig. 5 Optical views of the completed devices. (a) slanted IDT on 128°YX-LiNbO3 (b) slanted IDT on ST-quartz (c) chirp IDT on 128°YX-LiNbO3 (d) chirp IDT on ST-quartz
- 2.3.2. slanted IDT 응답 결과
그림 6(a)는 128°YX-LiNbO 3 위에 제작된 slanted IDT로 부터 얻은 S21 전달 응답을 보이고 있다. 4 종류의 구조 모두 ~215MHz의 중심주파수와 ~30MHz의 대역폭을 가지고 있으며, 이들 중 가장 낮은 삽입 손실은 −25dB, 가장 높은 삽입 손실은 −45dB를 얻었다. 최적의 파라미터로 얻어진 slanted IDT의 side suppression ratio (SSR)가 ~40dB로 높은 대역통과 성능을 가지고 있다.
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(a) 128°YX-LiNbO3 기판과 (b) ST-quartz 기판 위에 형성된 slanted IDT의 S21 측정 결과. Fig. 6 S21 measurement results of the slanted IDT on the (a) 128°YX-LiNbO3 substrate and (b) ST-quartz substrate.
그림 6(b)는 ST-quartz 위에 제작된 slanted IDT에서 얻은 S21 전달 응답 특성을 보여주고 있다. 4 종류의 구조는 모두 ~175MHz의 중심주파수와 ~25MHz의 대역폭을 지니고 있으며, 이들 중 가장 낮은 삽입 손실은 −45dB, 가장 높은 삽입 손실은 −60dB를 얻었다. 최적의 조건을 만족하는 slanted IDT의 SSR은 ~35dB로 높은 대역통과 성능을 가진다.
표 4는 128°YX-LiNbO 3 , ST-quartz의 두 기판에서 얻은 최적의 결과를 비교하고 있다. 128°YX-LiNbO 3 에서 제작된 slanted IDT의 특성이 ST-quartz에서 제작된 IDT보다 높은 광대역 성능을 가지는 것을 볼 수 있는데 이는 128°YX-LiNbO 3 의 전기-기계적 결합 상수 K 2 가 5.3%로 ST-quartz의 K 2 값인 0.11%보다 매우 높은 값을 가지기 때문이다.
128°YX-LiNbO3기판과 ST-quartz 기판 위에 형성된 slanted IDT의 광대역 성능 비교Table 4 Wideband performance of slanted IDT on the 128°YX-LiNbO3substrate and ST-quartz substrate
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128°YX-LiNbO3 기판과 ST-quartz 기판 위에 형성된 slanted IDT의 광대역 성능 비교 Table 4 Wideband performance of slanted IDT on the 128°YX-LiNbO3 substrate and ST-quartz substrate
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128°YX-LiNbO3 기판 위에 형성된 slanted IDT의 핑거 수와 aperture 길이에 따른 삽입 손실 및 SSR 비교 Fig. 7 Insertion loss and side suppression ratio according to number of fingers and aperture lengths of slanted IDT on the 128°YX-LiNbO3 substrate
따라서 ST-quartz의 결과를 배제하고 128°YX-LiNbO 3 의 결과에 대해서만 파라미터에 따른 비교 분석을 실시하였다. 그림 7은 핑거 수 및 aperture 길이의 변화에 따라 나타나는 slanted IDT의 광대역 특성을 비교하고 있다. 핑거 수가 많아질수록 삽입 손실은 커지고 SSR이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 핑거 수가 증가하면 에너지가 중첩되면서 상대적인 손실이 적어지는 것처럼 보이지만 늘어난 핑거들이 이루는 커패시터의 성분이 늘어나면서 많은 에너지의 손실이 발생하기 때문에 이와 같은 결과를 얻게 되었다. 또한 aperture의 길이가 증가할수록 삽입 손실이 커지고 SSR은 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 aperture의 길이가 커질수록 핑거들이 이루는 커패시터의 면적이 커지면서 에너지 손실이 증가하기 때문이다. 하지만 많은 응용 분야에서는 aperture의 길이에 비례하여 얻을 수 있는 성능 파라미터들이 존재한다. 예를 들면 Bragg 음향광학 장치와 같은 응용 분야에서는 Bragg 대역폭이 aperture 길이에 비례하여 증가하는 관계를 가진다. 따라서 적절한 trade-off 지점을 찾아야 할 필요가 있다.
- 2.3.3. chirp IDT 응답 결과
그림 8은 128°YX-LiNbO 3 위에 제작된 chirp IDT에서 얻은 S21 전달 응답 특성을 보이고 있다. 4 종류의 구조 모두 ~210MHz의 중심주파수와 ~40MHz의 대역폭을 가지고 있으며, 이들 중 가장 낮은 삽입 손실은 −30dB, 가장 높은 삽입 손실은 −55dB로 나타났다.
최적의 조건에서의 chirp IDT의 SSR은 ~40dB의 높은 값을 가지는 것을 확인하였다. ST-quartz의 경우 chirp 구조에 대해서 상쇄 하모니가 발생하여 서로 다른 파라미터들로 부터 거의 일정한 결과를 얻었다. 따라서 본 논문에서는 ST-quartz 위의 chirp 구조에 대해서는 다루지 않았다.
그림 9은 핑거 수 및 aperture 길이 변화에 따라 나타나는 chirp IDT의 광대역 특성을 비교하고 있다. 핑거 수가 많아질수록 삽입 손실은 커지고 SSR이 줄어드는 것을 볼 수 있다. slanted 구조와 마찬가지로 핑거 수가 증가하면 에너지가 중첩되면서 상대적인 손실이 적어지는 것처럼 보이지만 늘어난 핑거들이 이루는 커패시터의 성분이 늘어나면서 많은 에너지의 손실이 발생하기 때문에 이와 같은 결과를 얻게 되었다. 또한 aperture의 길이가 증가할수록 삽입 손실이 커지고 SSR은 줄어드는 것을 확인할 수 있다. slanted 구조와 마찬가지로 이는 aperture의 길이가 커질수록 핑거들이 이루는 커패시터의 면적이 커지면서 에너지 손실이 증가하기 때문이다.
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128°YX-LiNbO3 기판 위에 형성된 chirp IDT의 S21 측정 결과. Fig. 8 S21 measurement results of the chirp IDT on the 128°YX-LiNbO3 substrate
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128°YX-LiNbO3 기판 위에 형성된 chirp IDT의 핑거수와 aperture 길이에 따른 삽입 손실 및 SSR 비교 Fig. 9 Insertion loss and side suppression ratio according to number of fingers and aperture lengths of chirp IDT on the 128°YX-LiNbO3 substrate
- 2.3.4. slanted IDT와 chirp IDT의 응답 결과 비교
그림 10에서 볼 수 있듯이, COM 모델링을 통한 시뮬레이션 결과와 비교하였을 때 전체적으로 중심주파수와 대역폭에서 약간의 오차가 나타났다. 이는 공정 과정에서 IDT 핑거의 폭이 설계한 값과 미세한 차이가 나도록 제작되었기 때문이며, 이 정도의 오차는 충분히 무시할 수 있다. 시뮬레이션 결과로 비교하였을 때에는 설계한 chirp 구조의 광대역 성능이 slanted 구조보다 높을 것으로 예상되었지만 실제로 제작하여 측정한 결과 그림 10(a)와 같이 slanted 구조의 측정결과는 시뮬레이션 결과와 거의 일치하는 반면 chirp 구조의 측정 결과는 그림 10(b)와 같이 시뮬레이션 결과에 비해 큰 삽입손실을 가지는 것을 확인할 수 있었다. chirp 구조의 경우 파장이 파의 진행방향으로 연속적으로 변하는 구조이므로 각 파장들 사이의 하모니가 중요하지만 설계 과정에서 이를 고려하였을지라도 공정 과정 중에 발생하는 핑거 폭의 미세한 변화로 인해 하모니의 일부가 깨지면서 위와 같이 삽입 손실이 크게 감소함을 확인할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 설계한 파라미터와 일치하는 소자를 제작할 수 있는 정밀한 공정 과정이 요구된다.
그림 10의 (a)와 (b)를 비교하였을 때, slanted 구조의 경우, 저지대역에서 통과대역으로, 통과대역에서 저지대역으로의 전이가 가파르게 일어나는 것에 비해, chirp 구조의 경우, 완만한 전이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 구조적으로 따라서 제작 조건에 크게 영향을 받지 않는 slanted 구조로 부터 가장 최적화된 광대역 성능을 얻을 수 있었다.
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최적의 광대역 특성을 지닌 (a) slanted2(255 fingers, 1.6mm aperture) 구조와 (b) chirp4(601 fingers, 0.7mm aperture) 구조에서의 시뮬레이션 결과와 측정 결과 비교. Fig. 10 Simulation and measurement results of (a) slanted2(255 fingers, 1.6mm aperture) and (b) chirp4(601 fingers, 0.7mm aperture), which have optimal wideband performances
3. 결 론
COM 모델링을 이용하여 광대역 IDT로 사용되는 slanted 및 chirp의 두 가지 구조에 대해 최적의 설계 및 제작 과정을 통해 소자를 얻었고, 그에 대한 측정 및 분석을 하였다. 그 결과 설계한 모든 광대역 IDT로부터 광대역폭을 가진 표면탄성파가 발생하였다. 하지만 slanted 구조의 경우 대역통과 특성이 명확하게 나타나는 반면, chirp 구조에서는 완만한 대역통과 특성을 보였다. 제작한 IDT 중에서 최적의 광대역 특성을 가지는 IDT는 128°YX-LiNbO 3 에 패턴된 255개의 핑거 수와 1.6mm의 aperture 길이를 가지는 slanted 구조였으며 215MHz의 중심 주파수에서 ~14%(30MHz)의 대역폭을 얻었고 통과 대역의 삽입 손실은 −25dB, side suppression ratio (SSR)은 ~40dB로 나타났다. 이로부터 slanted 구조가 chirp 구조보다 설계 과정이 쉬우면서도 공정 오차에 의한 설계 파라미터의 변화에 측정 결과가 크게 변하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
하지만 필터 분야에의 응용을 위한 상업성 확보를 위해서는 임피던스 매칭을 통한 삽입 손실 및 통과 대역 내의 리플(ripple)의 감소가 더욱 더 필요하다. 다만 본 연구 결과는 필터로 응용하기 위해 제작된 것이 아닌 AOM(acousto-optic modulator)에 대해 인가된 빛의 파장과 커플링되는 주파수 영역 내의 통과대역 및 해당 영역 외의 차단대역을 만족시키기 위해 설계되었기 때문에 간단한 설계과정을 통해 얻어진 충분히 최적의 결과라고 볼 수 있다. 또한 도파로을 이용한 음향광학 장치에서의 응용을 위해서는 기판의 굴절률이 도파로보다 낮아야 하며, 기판과 도파로 사이의 구조적 결함이 최소화되어야 하므로 128°YX-LiNbO 3 보다 ST-quartz를 사용하는 경우가 많다. 따라서 ST-quartz에서의 광대역 특성 제고가 이루어져야 할 필요가 있다. 비록 본 논문에서는 128°YX-LiNbO 3 의 파라미터를 기준으로 COM 모델링을 하여 이를 ST-quartz에 적용하였지만 ST-quartz의 전기-기계적 결합 상수가 매우 적은 값이므로 이번 광대역 IDT 설계 제작 및 측정 과정에서 얻은 경향을 바탕으로 연구를 진행해 나아감으로써 더욱 최적의 결과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 128°YX-LiNbO 3 에서의 결과에 대해서도 핑거 수의 다양화, 공정 파라미터의 변화 등을 가지고 추후 연구를 진행하여 상업적 성능을 갖추어야 할 것이다.
Acknowledgements
본 연구는 한국연구재단 국제공동연구 지원사업에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.
BIO
이 태 윤 (李 泰 潤) 1987년 10월 14일생, 2012년 아주대학교 전자공학부 졸업(학사), 2012년~현재 동 대학원 전자공학과 재학(석사과정), 관심분야 : SAW, 광통신, AO. E-mail : inj1414@ajou.ac.kr
Chen Fu 1982년 9월 2일생, 2005년 Chinese University of Geoscience, Beijing (CUGB) 졸업(학사), 2011년 Institute of Acoustics (IOA), Chinese Academy of Science 졸업(석박사), 2011~현재 아주대학교 전자공학과 박사후과정, 관심분야 : theory of SAW sensor. E-mail : fuchen92@hotmail.com
이 기 근 (李 基 根) 1968년 7월 25일생, 1993년 University of Florida 전자공학과 졸업, 2000년 Arizona State University 전자공학과 졸업(박사), 2004년~현재 아주대학교 전자공학과 교수, 관심분야 : MEMS, 센서, SAW, AO E-mail : keekeun@ajou.ac.kr
References
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Onaka Hiroshi , Miyata Hideyuki , Kai Yutaka , Yoshida Setsuo , Sone Kyosuke , Takita Yutaka , Tsunoda Yukito , Miyata Hiroshi , Nakagawa Goji 2008 “Compact photonic gateway for dynamic path control using acousto-optic tunable filter” Optical Switching and Networking 5 75 - 84    DOI : 10.1016/j.osn.2007.12.004
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Lee Kee-Keun , Wang Wen , Kim Tae-Hyun , Yang Sang-Sik 2007 “A novel 440 MHz wireless SAW microsensor integrated with pressure-temperature sensors and ID tag” J. Micromech. Microeng. 17 515 - 523    DOI : 10.1088/0960-1317/17/3/014
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