KR0166907B1 - 제 2 고조파 발생소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제2고조파 발생소자에 관한 것으로, 제2고조파 발생효율을 증가시킴으로써 고밀도 초소형 광픽업장치의 광원으로 사용이 적합하도록 한 것이다.
본 발명에 따른 제2고조파 발생소자는 분극반전층이 형성된 기판위의 광도파로위에 굴절율이 큰 클래드층이 형성된 구성으로 되어 있다.
Description
제1도는 종래 제2고조파 발생소자의 개략도.
제2도는 종래의 제2고조파 발생소자에 있어서의 분극반전층 형태.
제3도는 종래의 제2고조파 발생소자에 있어서의 분극반전층 형성공정.
제4도는 종래의 제2고조파 발생소자에 있어서의 기판 깊이에 따른 굴절율 변화.
제5도는 종래의 제2고조파 발생소자에 있어서의 기판 깊이에 따른 빛의 강도(세기)의 변화.
제6도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자의 개략도.
제7도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자에 있어서의 기판 깊이에 따른 빛의 강도(세기)의 변화.
제8도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자에 있어서의 기판 깊이에 따른 모드 중첩변화.
제9도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자에 있어서의 분극반전 깊이에 따른 변환효율의 변화.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 기판 12 : 분극반전층
13 : 광도파로 14 : 클래드층(clad)
15 : 포커싱 렌즈(focusing lens)
본 발명은 제2고조파 발생장치에 관한 것으로서, 특히 제2고조파 발생효율을 증가시킴으로써, 고밀도 초소형 광픽업장치의 광원으로 적합하도록 한 제2고조파 발생소자에 관한 것이다.
상기 도면에 따르면 종래의 제2고조파 발생소자는 리튬나오베이트(LiNbO3) 또는 리튬탄탈레이트(LiTaO3) 물질로 된 기판(1)과, 상기 기판(1) 상면에 길이방향을 따라 등간격으로 형성된 분극반전층(2)과, 상기 기판(1) 상면에 상기 분극반전층(2)과 수직방향으로 형성된 광도파로(3)을 포함하여 구성된다.
상기 구성으로 된 종래의 제2고조파 발생소자에 있어서, 기판(1)을 구성하는 리튬나오베이트(LiNbO3), 리튬탄탈레이트(LiTaO3)와 같은 물질은 2차 비선형 계수가 큰 물질이다.
이와 같은 물질에 포커싱(focusing) 렌즈(4)를 통해 적외선 레이저빔을 입사하면, 비선형 효과에 의해 파장이 입사된 레이저 파장의 절반인 청색광이 발생된다.
즉, 이런 현상을 제2고조파 발생(second Harmonic Generation)이라고 한다.
이러한 제2고조파 발생효율은 물질내에서 입사파와 제2고조파의 위상속도가 일치할 때 가장 크게 얻어진다.
상기 두 파(즉, 입사파와 제2고조파)의 위상속도가 같지 않으면, 입사파가 매질을 진행하면서 만들어내는 제2고조파들이 서로 상쇄간섭을 일으키기 때문에 두 파의 위상속도가 차이가 나면 제2고조파의 세기가 매우 작아진다.
두 파의 위상속도가 일치될 때 위상정합(Phase matching)이 되었다고 한다.
보통 리튬나오베이트, 리튬탄탈레이트의 굴절율은 파장에 따라 다르고, 위상속도는 굴절율에 따라 다르기 때문에 파장이 서로 다른 입사파와 제2고조파의 위상속도는 같을 수 있다.
그러나 두 파의 위상차를 비선형 계수의 주기적 변조를 통해 보상할 수 있는데, 이를 준위상 정합(Quasi-phase matching)이라고 한다.
상기 준위상 정합은 분극의 방향을 주기적으로 교대로 배열함으로써 가능하며, 입사파의 파장에 따라 그 주기가 달라진다.
분극의 방향을 바꾸는 것을 분극반전이라고 하고, 제2고조파 발생효율을 크게 하기 위해서는 분극반전층이 깊고 균일해야 한다.
또한, 제2고조파의 세기는 입사파의 에너지 밀도가 클수록 크므로 에너지 밀도를 높이기 위해 광도파로를 이용한다.
한편, 분극을 주기적으로 반전시키기 위해 자연분극보다 큰 세기로 전기장을 걸어주어야 하는데, 직접 외부에서 자기장을 걸어주어 분극을 바꾸는 방법과 불순물 첨가후 열처리를 통해 내부적인 전기장을 형성하여 분극을 바꾸는 방법이 있다.
이들 중에서 외부전기장에 의해 형성된 분극반전층은 제2a도와 같이, 깊이가 깊고 결정특성을 크게 변형시키지 않는 장점이 있으나, 절연파괴가 일어날 정도로 강한 전기장을 걸어주어야 하고, 매우 정료하게 전기장을 조절해야만 하므로 구현이 쉽지 않다.
반면에 내부전기장을 이용한 방법은, 제2b도와 같이, 분극반전층의 깊이가 깊지 않다는 단점이 있으나 특별한 장치 없이도 구현이 가능하여 제작단가가 싸다는 장점이 있다.
더욱이 광도파로를 통과하는 입사파와 제2고조파의 공간적인 분포(모드:mode)와 분극반전층의 형태에 따라 제2고조파 발생효율이 결정된다.
입사파모드의 제곱과 제2고조파 모드의 곱(모드중첩: mode overlap)이 클수록 제2고조파 발생효율이 크다.
또한 분극반전층(2)의 모양이 수직에 가까울수록 제2고조파 발생효율이 크다.
한편, 내부전기장을 이용하여 분극반전층을 만들 경우, 분극반전층이 깊지 않기 때문에 모드중첩의 깊이와 분극반전층의 깊이와 모양이 제2고조파 발생효율에 많은 영향을 준다.
리튬나오베이트의 경우, 제3도와 같이, 분극반전층을 만들기 위해 +C 표면에 티타늄(Ti)박막을 주기적으로 입히고 약 1000도의 고온에서 열처리를 한다.
이때 형성되는 분극반전층의 모양은 삼각형이다.
리튬나오베이트에서 청색광파를 발생시키기 위해서는 분극반전층의 주기가 약 3㎛가 되는데, 상기 분극반전층이 삼각형일 경우에는 3㎛의 분극반전층 형성이 매우 어려우며, 그 형성이 되더라도 그 깊이가 1㎛ 미만으로 2㎛ 이상의 깊이를 가지는 모드중첩과 오버랩이 작기 때문에 효율적인 제2고조파 발생이 어렵다.
반면에 리튬탄탈레이트의 경우, 제3b도와 같이, -C 표면에 주기적인 보호막을 씌우고 뜨거운 벤젠산에 담그어 주기적으로 양자교환을 한 뒤 큐리온도보다 약간 낮은 온도에서 급속으로 열처리를 하여 주기적 분극반전층을 형성한다.
이때 형성되는 분극반전층은 반원 또는 사각형 모양이다.
이러한 리튬탄탈레이트의 경우, 청색파를 만들기 위한 분극반전 주기가 약 4㎛이며, 깊이 2㎛ 분극반전층 형성이 가능하다.
리튬탄탈레이트 기판(1)을 뜨거운 벤젠산에 담그고 열처리를 하면 굴절율이 제4도와 같이 깊이에 따라 변하게 된다.
이 굴절율 분포에 의해 광도파로안에 빛이 도파하게 된다.
제4도에서 깊이가 0인 곳이 리튬탄탈레이트 기판(1)의 표면이고, 0보다 큰 쪽이 공기, 0보다 작은 쪽이 기판내부이다.
이와 같이 굴절율이 형성되었을 때 광도파로를 통과하는 빛의 형태는 제5도와 같다.
즉, 파장에 따라 굴절율이 다르기 때문에 입사파와 제2고조파의 형태가 다르다.
입사파(점선)와 제2고조파(실선)의 모드를 완벽하게 일치시킬 수는 없지만 모드의 중심을 일치시켜서 모드중첩을 더 크게 할 수는 있다.
모드의 중심을 일치시키기 위해서는 깊이방향의 굴절율 분포를 대칭적으로 하면 되는데, 대칭형태를 만들기는 매우 어렵다.
제4도에서 기판 표면위 공기의 굴절율과, 기판내부의 굴절율의 차가 너무 커서 비대칭이 심하기 때문에 모드중심이 일치하지 않는 것이다.
상기에서 설명한 바와 같이, 종래 제2고조파 발생소자에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.
종래 제2고조파 발생소자에 있어서는 제2고조파 발생효율이 입사파와 제2고조파 모드의 중첩이 크게 좌우됨을 감안할 때, 입사파의 굴절율분포와 제2고조파분포가 다르기 때문에 입사파와 제2고조파의 모드중심이 서로 다르고, 모드중첩도 작아지게 된다.
따라서, 종래 제2고조파 발생소자는 제2고조파 발생효율이 낮음으로써 고밀도 초소형 광픽업장치의 광원으로 사용하기에는 적합하지 못하다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 청색광 발생효율을 높일 수 있도록 한 제2고조파 발생소자를 제공함에 그 목적이 있다.
또 다른 목적은 고밀도 초소형 광픽업장치의 광원으로 사용할 수 있는 제2고조파 발생소자를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자는 분극반전층이 형성된 기판위의 광도파로위에 굴절율이 큰 클래드층이 형성됨을 특징으로 한다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제6도는 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자를 이용한 제2고조파 발생장치의 개략도이다.
상기 도면에 따르면, 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자는 리튬나오베이트(LiNbO3) 또는 리튬탄탈레이트(LiTaO3) 물질로 된 기판(11)과, 기판(11)의 상면에 길이방향을 따라 등간격으로 형성된 분극반전층(12)과, 상기 광도파로(13)를 포함한 상기 기판(11)의 표면위에 형성되고, 상기 기판(11)보다 굴절율이 큰 Al2O3또는 리튬탄탈레이트(LiTaO3) 물질로 된 클래드(clad)(14)을 포함하여 구성된다.
상기 구성으로 된 제2고조파 발생소자에 있어서는 상기 기판(11)표면위에 굴절율을 기판(11)내부의 굴절율과 비슷하게 하여 비대칭을 줄이기 위해 상기 기판(11)표면위에 굴절율이 큰 클래드(14)을 형성한다.
제7도는 기판위에 클래드층으로써 벌크(bulk)리튬탈탈레이트를 입혔을 때의 모드분포를 나타낸 것이다.
상기 도면에 따르면, 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자에 있어서는 기판위에 아무층도 없을 때(종래기술)보다는 모드중심이 더 일치하고, 그 중심이 표면위에 위치함을 알 수 있다.
종래의 제2고조파 발생소자를 설명하면 다음과 같다.
제1도는 종래의 제2고조파 발생소자를 이용한 제2고조파 발생장치의 개략도이다.
또한 기판위에 아무층이 없을 때(종래기술)와 굴절율이 큰 물질을 입혔을 때(본 발명)의 모드중첩을 계산한 결과가 제8도에 나타나 있다.
제8도에서 알 수 있는 바와 같이, 기판(11)보다 굴절율이 큰 물질(즉, Al2O3, LiTaO3등)이 기판(11)표면에 입혔을 때(본 발명)가 기판위에 아무층이 없을 때(종래기술)보다 모드중첩이 더 크고, 깊이도 얕음을 알 수 있다.
한편, 상기 제8도에 나타낸 결과를 이용하여 분극반전층(12)의 깊이에 따른 제2고조파의 변환효율을 계산한 결과가 제9도에 나타나 있다.
제9도에서 알 수 있는 바와 같이, 기판위의 굴절율이 클 때(본 발명)가 기판위에 아무층이 없을 때(종래기술)보다 변환효율이 더 큼을 알 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제2고조파 발생소자에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 제2고조파 발생소자에 있어서는 기존의 준위상 정합 제2고조파 소자위에 알루미나(Al2O3), 또는 리튬탄탈레이트와 같은 굴절율이 큰 물질로 코팅하는 것만으로 제2고조파 발생효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명을 기존소자에 구현하기 위해서 간단한 증착장비를 이용하여 굴절율이 높은 물질을 기판표면 위에 증착하는 것만으로 가능함은 물론, 이로 인해 기존 소자의 제2고조파 발생효율을 약 20% 가량 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 높은 효율의 제2고조파 발생소자 제작이 쉽게 가능하고, 고밀도 초소형 광픽업장치의 광원으로 사용될 수 있다.
Claims (2)
- 분극반전층이 형성된 기판위의 광도파로위에 기판보다 굴절율이 큰 클래드층이 형성된 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생소자.
- 제1항에 있어서, 상기 클래드층은 Al2O3또는 리튬탄탈레이트 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 제2고조파 발생장치.
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| KR1019950069312A KR0166907B1 (ko) | 1995-12-30 | 1995-12-30 | 제 2 고조파 발생소자 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20190097940A (ko) | 2018-02-13 | 2019-08-21 | 효성화학 주식회사 | 난연성이 개선된 폴리케톤 복합 조성물 |
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1995
- 1995-12-30 KR KR1019950069312A patent/KR0166907B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20190097940A (ko) | 2018-02-13 | 2019-08-21 | 효성화학 주식회사 | 난연성이 개선된 폴리케톤 복합 조성물 |
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