KR0138839B1

KR0138839B1 - 리튬탄탈레이트 결정의 분극반전방법

Info

Publication number: KR0138839B1
Application number: KR1019940024502A
Authority: KR
Inventors: 신상영; 이상윤
Original assignee: 심상철; 한국과학기술원
Priority date: 1994-09-28
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 1998-04-27

Abstract

본 발명은 준위상정합 방법에 의한 리튬탄탈레이트 청색광파 생성소자 제작에 요구되는 분극반전의 제작방법에 대한 것으로,-Z면 리튬탄탈레이트기판(1)위에 분극반전을 위한 선택적인 양자교환을 수행한 다음 기판(1)위에 양자외부확산 억제마스크를 덮은 상태에서 열처리를 행함으로써 상기 양자외부확산 억제마스크의 역할에 의해 기판(1)표면에 분극반전 미형성층의 형성을 억제시키며, 교환된 양자의 깊이방향 확산을 촉진하여 분극반전 깊이를 깊게 하고,분극반전을 위한 초기 양자교환율을 낮춤으로써 분극반전 격자와 수직하게 제작되는 광도파로제작을 용이하게 하는 효과를 제공하게 된다.

Description

리튬탄탈레이트 결정의 분극반전방법

제1도는 본 발명에서 제공하는 분극반전 형성방법을 도시한 것으로,(가)는 분극반전을 위한 선택적 양자교환을 나타낸 예시도 (나)는 (가)도에서 금속마스크 제거후 양자외부확산억제마스크를 제작한 상태의 예시도 (다)는 양자외부확산을 억제한 열처리 과정도

제2도는 종래 분극반전 형성방법을 도시한 것으로,(가)는 분극반전을 위한 선택적 양자교환을 나타낸 예시도 (나)는 (가)도에서 단순히 금속마스크 제거한 상태도 (다)는 양자외부확산을 포함한 열처리 과정을 나타낸 예시도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : -Z면 리튬탄탈레이트 기판(LiTaO₃),

2 : 선택적 양자교환을 위한 금속마스크,

3 : 양자교환된 곳, 4 : 양자외부확산 억제마스크,

5 : 본 발명에 의해 제작된 분극반전,

6 : 기존의 방법에 의해 제작된 분극반전,

7 : 기판표면에 형성된 미분극반전(未分極反轉 )층

본 발명은 준위상정합방법에 의한 리튬탄탈레이트 청색광파생성소자 제작에 요구되는 분극반전의 제작방법에 대한 것이다.

준위상정합방법(국어로는 準位相整合 ,영어로는 Quasi-Phase Matching ,일어로는 疑以位相整合으로 표기)된 비선형 결정에서 제2고조파 발생소자는 초소형 청색레이저 광원 제작의 유력한 기술의 하나이다. 그리고 이의 응용기술로는 고밀도 광자기 디스크 드라이브의 광원, 레이저 프린터, 총천연색 표시장치의 광원 등이 알려져 있고, 현재 국내외의 많은 연구진들에 의하여 이의 실용화가 진행되고 있으며, 90년대 후반에는 실용화될 전망이다.이의 제작을 위하여 연구되고 있는 비선형 결정으로는 리튬나오베이트(LiNbO₃),리튬탄탈레이트(LiTaO₃),KTP (KTiOPO₄)등이 대표적이다. 이들중 리튬탄탈레이트는 비선형 계수가 크며 가시광영역에서 흡수가 없고, 특히 임계광손상(optical damage :광파에 의하여 결정의 굴절율이 바뀌는 현상)파워가 큰 장점이 있어 청색광파 발생에 가장 적합한 비선형 결정으로 알려져 있다.

이와 같은 리튬탄탈레이트 결정을 이용한 제2고조파 발생소자의 제작공정은 분극반전과 광도파로 제작의 두과정으로 나뉘어지는데, 준위상정합을 위한 주기적 분극반전(결정의 자연분극의 반전)을 위해서는 선택적인 양자교환(proton exchange )과 결정의 큐리온도(Curie temperature)근방에서의 열처리를 이용한다.

그다음 제작된 분극바전 격자와 수직하게 채널광도파로를 제작하는데 이때에 광도파로 제작공정이 이미 제작한 분극반전격자에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 저온공정인 양자교환공정을 이용하고 있다.

양자교환과 열처리에 대한 분극반전공정에서 교환된 양자는 기판(1)내부의 리튬이온과 열확산 계수가 서로달라 공간전하가 유기되며,이로 인하여 양자확산 방향과 반대방향으로 전계가 유기된다.즉,-Z면 리튬탄탈레이트 기판(1)에서 유기된 전계의 방향은 자연분극의 방향과 반대가 되어 양자교환된 곳의 자연분극을 반전시킨다.

분극반전의 씨앗은 양자교환된곳(3)과 양자교환되지 않은 기판 내부사이에 형성되며 일련의 열처리시간 동안 분극반전 씨앗이 기판의 윗면쪽으로 자라올라감으로서 분극반전 모양을 형성하게 된다.

이것은 분극반전 형상이 교환된 양자의 확산분포와 매우 밀접한 관계가 있음을 말해준다. 양자교환된 리튬탄탈레이트 기판(1)의 열처리시간 동안 양자의 확산은 기판내부로의 확산 및 기판 외부로의 확산을 생각할 수 있다. 그런데 기판내부로의 확산은 기판내부에 분극반전 전계를 형성시키지만 기판 외부로의 확산은 기판표면에서 자연분극과 같은 방향의 전계를 형성시키므로 기판표면의 분극반전을 억제하는 역할을 한다. 즉, 양자의 외부확산에 의하여 기판표면까지 분극반전이 성장하기 못하여 제 2도의(다)와같이 표면에 미분극반전(未分極反轉)층(7)을 형성하게 된다. 표면 미분극반전층(7)의 두께는 양자외부확산 정도에 의하여 결정되는데 대략 0.5∼1μm정도가 된다. 또한 표면에서의 미분극반전층(7)은 때때로 기판내부로 향하는 바늘모양의 분극반전 씨앗으로 작용하여 기판내부의 분극반전된 곳의 분극을 다시 반전시키는 등의 악영향을 미치게 된다. 이와 더불어 양자의 외부확산은 기판내부로의 양자확산량을 줄이므로해서 분극반전 깊이를 감소시키는 역할을 한다. 그러므로 양자외부확산이 없는 가상적인 경우의 분극반전 깊이와 같은 깊이의 분극반전 깊이를 얻기 위해서는 초기에 많은 량의 양자교호나이 요구된다. 그러나 리튬나오베이트 결정에서와 마찬가지로 리튬탄탈레이트 결정에서도 과도한 양자교환을 하게 되면 결정의 비선형계수가 크게 감소할 뿐만아니라 분극반전후 분극반전격자와 수직하게 제작되는 광도파로의 특성을 크게 저하시키는 문제(예를 들어 도파모드의 집속도저하, 도파손실의 증가)가 발생하게 된다. 따라서 고효율의 청색광파 생성소자의 제작을 위해서는 양자교환의 정도를 감소시켜야 한다.

본 발명은 상기의 종래 분극반전방법에서 나타난 여러 가지 문제점을 감안하여 양자외부확산 억제마스크를 이용하여 기판표면에서의 분극반전 미형성층을 제거시키고, 또한 분극반전 깊이를 깊게 함으로써 초기 양자교환율을 낮추어 비선형계수의 감소를 예방하고, 나아가 리튬탄탈레이트 결정에서의 효율적인 청색광생성이 가능한 우수한 특성을 갖는 광도파로를 제작할 수 있는 분극반전방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

양자교환공정

제2도의(가)와 같이 -Z면 리튬탄탈레이트기판(1)위에 선택적 양자교환을 위한 금속마스크(2)를 형성한 후, 분극반전을 위한 선택적인 양자교환을 수행하면 기판(1)상에는 양자교환된곳(3)이 나타나게 된다.

분극반전형성공정

제 1도의 (나)와같이 양자교환이 진행된 기판(1)위의 금속마스크(2)를 제거함과 동시에 동 기판(1)위에 양자외부확산을 억제하는 마스크(4)를 덮은 상태에서 열처리를 수행한다. 이때 이용하는 양자외부확산 억제용마스크(4)로는 티타늄(Ti),탄탈륨(Ta)등과 같은 금속박막 및 실리콘질소화물(Si₃N₄)실리콘산화물(SiO₂)등과 같은 유전체박막 등을 사용할 수 있다. 이로인하여 형성되는 분극반전(5)은 양자외부확산 억제마스크없이 공정을 진행하여 얻은 분극반전(6)에 비하여 제 1도의 (다)의 예시와 같이 분극반전 깊이가 깊고, 또한 기판의 표면에 존재하는 미분극반전층(7)이 없기 때문에 실질적인 분극반전영역이 넓을 뿐만 아니라 바늘모양의 재분극반전을 줄일 수 있기 때문에 균일한 분극반전 구조를 유지할 수 있는 장점이 있고, 또한 양자외부확산 억제마스크없이 제작하는 분극반전공정에 비하여 초기 양자교환율을 낮출 수 있는 장점이 있다.

이와같이 본 발명에서는 준위상정합 방법에 의한 리튬탄탈레이트 청색광파 생성소자 제작에 요구되는 분극반전 제작을 함에 있어서 양자외부확산 억제마스크를 이용하여 기판표면에서의 분극반전 미형성층을 제거시킴으로써, 첫째로 분극반전 격자제작후 분극반전 격자에 수직으로 제작되는 광도파로의 도파모드의 고집속을 기대할 수 있으며, 둘째로 전체적인 양자교환량이 감소되므로 광도파로의 산란손실을 줄일 수 있고, 또한 비선형 계수의 감소를 예방함으로써 우수한 특성을 갖는 광도파로의 제작을 용이하게 하는 특징이 있는 것이다.

Claims

-Z면 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)기판(1)위에 선택적 양자교환을 위한 금속마스크(2)를 형성하여 분극반전을 위한 선택액적인 양자교환을 행한 후, 양자교환이 진행된 기판(1)위의 금속마스크(2)를 제거함과 동시에 동 기판(1)위에 양자외부확산 억제마스크(4)를 덮은 상태에서 열처리하여 분극반전을 얻는 리튬탄탈레이트 결정의 분극반전 방법.
제 1항에 있어서, 양자외부확산 억제마스크(4)로써 금속박막을 사용함을 특징으로 하는 리튬탄탈레이트 결정의 분극반전 방법.
제 1항에 있어서, 양자회부확산 억제마스크(4)로써 유전체박막을 사용함을 특징으로 하는 리튬탄탈레이트결정의 분극반전 방법.
제 1항에 있어서, 양자외부확산 억제마스크(4)를 사용하여 기판(1)표면에 분극반전미형성층의 형성을 억제시킴을 특징으로 하는 리튬탄탈레이트 결정의 분극반전 방법.
제 1항에 있어서, 양자외부확산 억제마스크(4)를 사용하여 교환된 양자의 깊이방향확산을 촉진하여 깊은 분극반전(5)이 형성되도록 함을 특징으로 하는 리튬탄탈레이트 결정의 분극반전 방법