KR0166937B1 - 제2고조파 발생소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 청색 레이저에 관한 것으로, 고출력 레이저 다이오드의 파장가변 및 고정에 적당한 제 2 고조파 발생소자를 제공하기 위한 것이다.
이를 위한 본 발명의 제 2 고조파 발생소자는 비선형 매질의 기판상에 주기적 분극반전 영역 형성을 위한 패턴을 형성하는 공정, 상기 패턴이 형성된 기판을 양자교환 및 열처리 하여 일정주기 및 폭을 갖는 주기적 분극반전 영역을 형성하는 공정과, 광도파로 형성을 위한 패턴 마스크를 이용하여 양자교환 및 열처리 공정을 통해 상기 주기적 분극반전 영역에 수직한 방향으로 직선형 광도파로 및 조각형 광도파로를 형성하는 공정, 상기 주기적 분극반전 영역 및 광도파로가 형성된 기판상에 절연막을 증착한 후, 상기 조각형 광도파로 상측의 절연막상에 금속전극을 형성하는 공정과, 단면 연마 및 AR 코팅하는 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

제 2 고조파 발생(SHG)소자
제1도는 종래 제 2 고조파 발생소자의 구조단면도.
제2도는 종래 레이저 다이오드의 파장가변 및 고정방법을 나타낸 도면.
제3도는 종래 DBR을 이용한 파장가변 및 고정방법을 나타낸 도면.
제4도는 본 발명의 제 2 고조파 발생소자의 구조단면도.
제5도 (a)∼(e)는 본 발명의 제 2 고조파 발생소자의 구조단면도.
제6도는 직선형, 조각형 광도파로 형성을 위한 패턴 마스크.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 비선형 매질의 기판 22 : Cr 패턴 마스크
23 : 주기적 분극반전 영역 24 : 직선형 광도파로
25 : 조각형 광도파로 26 : 절연막
27 : 금속전극
본 발명은 청색 레이저에 관한 것으로, 특히 제 2 고조파 발생을 이용한 청색 레이저에 사용되는 고출력 적외선 레이저 다이오드의 파장가변 및 고정에 관한 것이다.
일반적으로, KTP, LiNbO3, LiTaO3와 같은 비선형 물질에 파장이 860nm의 적외선 레이저를 입사하면 상기 입사파장의 절반인 430nm의 파장을 갖는 청색광(光)이 발생한다. 이를 제 2 고조파 발생이라고 한다.
한편, 초소형 청색 레이저를 구현하기 위해 SHG 청색 레이저에서 사용되는 입사파의 광원은 레이저 다이오드와 같이 매우 작은 크기의 레이저이어야 한다.
3mW 정도의 청색 레이저를 구현하기 위해서는 약 100mW의 고출력 적외선 레이저 다이오드가 필요하다.
SHG 청색 레이저에서 입사파의 파장과 파장의 밴드폭에 따라 청색 변환효율이 크게 바뀌는데 고출력 레이저 다이오드의 파장 스펙트럼은 밴드 폭(Band Width)이 매우 넓고, 피크(Peak)가 여러개인 멀티 모드(Multi Mode)이며 파장이 온도와 전류에 따라 변하기 때문에 효율적인 청색 레이저 구현이 어렵다.
따라서 파장의 밴드 폭(Band Width)을 감소시키고, 피크(Peak)가 1개인 싱글 모드(Single Mode)이며, 연속적인 파장가변이 가능하고, 온도나 전류가 변화하더라도 파장이 변하지 않는 레이저 다이오드가 필요하다.
이하, 첨부도면을 참조하여 종래 제 2 고조파 발생소자를 설명하면 다음과 같다.
제1도는 주기적 분극반전 구조(Periode Domain Inversion)를 갖는 종래의 제 2 고조파 발생소자를 나타내었다.
종래의 주기적인 분극반전 구조는 상온에서 입사파와 제 2 고조파의 위상 부정합(Phase Mismatehing)을 보정하기 위한 것이다.
적외선 레이저 광(光)을 효율적으로 청색광으로 변환하기 위해서는 비선형 매질 내에서 입사파(적외선 레이저)의 위상속도와 제 2 고조파(청색광)의 위상 속도가 일치해야 한다.
위상속도가 일치하지 않으면 생성된 청색광파가 매질을 진행하면서 소멸간섭을 일으켜 그 세기가 약해진다.
입사파와 그 청색광파의 위상속도를 일치시키는 것을 위상 정합(Phase Matching)이라고 하는데, KTP, LiNbO3, LiTaO3와 같은 매질들은 상온에서 위상 정합이 불가능하다.
따라서 위상 정합이 이루어지지 않으면 매질내에서 생성된 청색광파가 매질을 진행하면서 소멸간섭을 일으켜 그 세기가 증가하지 않는다.
그러나 위상 정합이 이루어지면 청색광파는 매질길이의 제곱으로 커진다.
즉, 제 2 고조파가 소멸가섭을 일으키는 부분마다 매질의 분극을 반대로 하면 다시 보강간섭을 일으킨다.
이때 마치 위상정합이 일어난 것과 같이 매질 길이의 제곱으로 제 2 고조파의 세기가 커진다.
이와 같이 주기적 분극반전 구조로 위상 부정합을 보정할 수 있으며, 이를 준위상 정합(Quasi-phase Matching)이라 한다.
여기서 파워 에너지 밀도를 높이고 입사파가 분극 반전구조에 수직하게 진행할 수 있도록 광도파로를 형성한다.
분극반전의 주기는 입사파와 제 2 고조파(청색광) 사이의 위상 부정합에 따라 달라진다.
그리고 위상 부정합의 정도는 입사파의 파장, 매질의 온도 등에 따라 변화한다.
위상 정합이 가능한 입사파의 파장은 매우 일정해야 하며 파장의 밴드 폭(Band Width)은 약 0.1nm 정도로 좁아야 한다.
따라서, 입사파 광원인 레이저 다이오드의 파장고정 및 가변이 매우 중요하다.
제2도는 레이저 다이오드의 파장을 가변 및 고정시키는 방법을 도시한 것이다.
즉, 파장을 가변 및 고정시키기 위해 외부 공진기를 이용하는 것으로, 레이저 다이오드(4)에서 발광되는 빛중 특정파장의 빛이 피드백(Feedback)되면 레이저 다이오드는 그 파장으로 발진하게 된다.
따라서 상기 피드백 되는 빛의 파장이 항상 일정하다면 상기 레이저 다이오드(4)는 온도와 전류가 변화하더라도 항상 피드백 되는 빛의 파장으로만 발진하게 된다.
제2도에서 빛을 피드백 시키는 그레이팅(Grating)(5)은 특정파장의 빛만 입사파의 진행방향과 반대 방향으로 반사시키는 반사형 그레이팅이다.
이때 상기 그레이팅(5)의 각도를 변화시키면 이에 따라 반사되는 빛의 파장이 바뀌게 된다.
따라서, 레이저 다이오드(4)로 피드백 되는 빛의 파장이 바뀌게 되므로 레이저 발진 파장도 변하게 된다.
한편 제3도는 상기 제2도의 그레이팅 대신에 DBR(Distributed Bragg Reflector)를 이용하여 레이저 다이오드의 파장을 가변 및 고정시키는 방법을 나타낸 것이다. 즉, 입사파의 진행방향에 따라 주기적으로 굴절률이 바뀌면 특정파장의 입사파가 진행방향의 반대 방향으로 반사된다.
이때 반사가능한 빛의 파장은 굴절율 변화의 주기, 듀티(Duty), 굴절율 등에 따라 변화하게 되고, 온도가 변화하면 굴절율도 변화하므로 반사되는 빛의 파장을 가변시킬 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 제 2 고조파 발생소자는 다음과 같은 문제점이 있었다. 첫째, 위상 정합 파장과 레이저 발진파장을 일치시키기 위해서는 별도의 광학적 구성을 필요로 하므로 소형화가 어렵다.
둘째, DBR은 굴절율 변화의 주기가 결정되면 파장가변이 쉽지 않다.
따라서 DBR의 파장과 위상 정합 파장의 일치가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 비선형 매질의 일렉트로-옵틱(Electro-optic) 현상을 이용하여 파장가변이 가능한 DBR(Distributed Bragg Reflector)를 구현하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 고조파 발생소자는 비선형 매질의 기판상에 주기적 분극반전 영역 형성을 위한 형성하는 공정, 상기 패턴이 형성된 기판을 양자교환 및 열처리 하여 일정주기 및 폭을 갖는 주기적 분극반전 영역을 형성하는 공정과, 광도파로 형성을 위한 패턴 마스크를 이용하여 양자교환 및 열처리 공정을 통해 상기 주기적 분극반전 영역에 수직한 방향으로 직선형 광도파로 및 조각형 광도파로를 형성하는 공정, 상기 주기적 분극반전 영역 및 광도파로가 형성된 기판상에 절연막을 증착한 후, 상기 조각형 광도파로 상측의 절연막상에 금속전극을 형성하는 공정과, 단면 연마 및 AR 코팅하는 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 제 2 고조파 발생소자를 설명하면 다음과 같다.
제4도는 본 발명의 제 2 고조파 발생소자의 구조단면도이고, 제5a도∼제5g도는 본 발명의 제 2 고조파 발생소자의 제조공정 단면도이다.
먼저, 본 발명의 제 2 고조파 발생소자는 일렉트로-옵틱(Electro-optic)을 이용하여 파장가변이 가능한 DBR을 구현하기 위한 것으로, DBR의 굴절율 변화의 주기와 반사빛의 파장의 관계는 다음과 같다.
따라서 DBR의 주기가 결정되면 반사가능한 빛의 파장 λm이 결정된다.
이때, DBR의 주기는 변하지 않지만 굴절율은 온도, 빛의 파장, 전기장의 세기 등에 의해서 변한다.
따라서 유효 굴절율을 바꾸면 반사되는 빛의 파장을 변화시킬 수 있다.
그리고 LiNbO3, LiTaO3등과 같은 비선형 매질은 대부분 강한 일렉트로-옵틱(Electro-optic) 효과를 보이므로 매질의 광축과 수직 또는 수평 방향으로 강한 전기장을 걸어주면 일렉트로-옵틱(Electro-optic) 현상에 의해 매질의 굴절율이 변화한다. 예를 들어 LiNbO3에서 광축과 같은 방향으로 전기장 E°를 인가하면 매질의 이상굴절율(Extrd Ordinary Index)은 다음과 같이 변한다.
그리고, 전기장에 의한 굴절율 변화에 따른 DBR의 반사 가능한 빛의 파장변화 Δλm은 상기 식(1)과 식(2)로부터 아래와 같은 식을 얻을 수 있다. 즉,
이때, 1nm 정도의 파장변화에 필요한 전기장의 세기를 예측하면 다음과 같다.
결과적으로 DBR의 반사가능한 파장을 1nm 변경시키는데 1㎛당 1v 정도의 전압이 필요하다.
보통 DBR은 광도파로 형태이며 광도파로의 크기는 수㎛ 이므로 수 볼트(Volt)의 전압만으로도 효율적인 DBR의 반사파장을 변화시킬 수 있다.
제4도는 본 발명의 제 2 고조파 발생소자의 구조단면도로서, 파장가변 DBR 영역(11)이 추가된 준위상 정합 제 2 고조파 발생 청색 레이저를 나타내었다.
즉, 주기적 분극반전 영역(12)에서 고효율로 청색파를 생성하고, DBR 영역(11)에서 반사된 빛이 레이저 다이오드의 파장을 고정시킨다.
이는 전극(13)의 전압을 변화시켜서 DBR 영역(11)의 반사 가능한 파장을 바꿀 수 있으며 DBR 영역(11)에 의해 레이저 다이오드에 피드백(Feedback)되는 파장을 변화시켜 레이저 다이오드의 파장을 가변시킨다.
따라서, 주기적 분극반전 구조의 위상 정합 파장과 레이저 다이오드의 파장을 전극의 전압을 조절함으로써 일치시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제 2 고조파 발생소자의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제 2 고조파 발생소자의 제조 공정은 제5a도에서와 같이 비선형 매질(LiNbO3)의 기판(21)상에 주기 4㎛의 Cr 박막을 300Å 두께로 형성한다.
이어 제5b도에 도시한 바와 같이, 상기 Cr 패턴(22)이 형성된 기판(21)을 260℃의 벤젠산에 10분간 담그어 양자교환(Proton Exchange)을 한 후 580℃에서 50초간 급속 열처리를 하여 제5c도에서와 같이, 주기적 분극반전 영역(23)을 형성한다.
이어 제5d도에서와 같이, 상기 주기적 분극반전 영역(23)에 수직한 방향으로 직선형 광도파로(24) 및 조각형 광도파로(25)를 기판에 형성한다.
기판위에 직선형 광도파로와 조각형 광도파로를 형성하기 위한 Cr 마스크 박막을 제6도와 같이 형성한다.
조각형 광도파로 Cr 마스크 주기가 약 2㎛이다.
상기 기판을 260℃ 벤젠산에서 15분간 담그어 양자교환을 한 후 400℃에서 60초간 열처리 한다.
조각형 광도파로서에 Cr 마스크 양자교환을 막으므로 양자교환이 된 곳은 굴절율이 높고, 안된 곳은 굴절율이 낮아 주기적인 굴절율 변환이 형성되어 DBR(Distributed Bagg Refector) 역할을 한다.
이어 상기 주기적 분극반전 영역(23), 직선형 광도파로(24) 및 조각형 광도파로(25)가 형성된 비선형 매질의 기판(21)상에 Al2O3(26)(또는 SiO2)를 증착한다.
여기서, 상기 Al2O3(26)(또는 SiO2)는 후공정에서 형성될 금속전극에 의해 광도파로를 진행하는 광파의 손실(Loss)을 방지한다.
이어 제5e도에서와 같이, 상기 조각형 광도파로(25) 상부의 Al2O3(26)(또는 SiO2) 상측에 금속전극(27)을 형성한 후 단면 연마 및 단면 AR 코팅을 실시하면 본 발명의 제 2 고조파 발생소자의 제조공정이 완료된다.
이와 같이 형된 제 2 고조파 발생소자의 한쪽 단면으로 860nm의 파장을 갖는 빛을 직선형 광도파로 집속하여 입사시키면 반대편에 430nm(입사파장의 반파장)의 파장을 갖는 청색광이 발생한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 제 2 고조파 발생소자는 DBR을 이용해 입사파 광원인 레이저 다이오드의 파장을 고정시켜 제 2 고조파 변환효율을 높일 수 있다.
기존의 DBR가 추가된 제 2 고조파 발생소자는 파장가변을 위해 소자의 온도를 바꾸므로 전력손실이 큰 반면 본 발명의 제 2 고조파 소자는 전압을 바꾸어 파자가변을 하므로 전력손실이 거의 없다.

Claims (4)

  1. 비선형 매질의 기판상에 주기적 분극반전 영역 형성을 위한 패턴을 형성하는 공정, 상기 패턴이 형성된 기판을 양자교환 및 열처리 하여 일정주기 및 폭을 갖는 주기적 분극반전 영역을 형성하는 공정과, 광도파로 형성을 위한 패턴 마스크를 이용하여 양자교환 및 열처리 공정을 통해 상기 주기적 분극반전 영역에 수직한 방향으로 직선형 광도파로 및 조각형 광도파로를 형성하는 공정, 상기 주기적 분극반전 영역 및 광도파로가 형성된 기판상에 절연막을 증착한 후, 상기 조각형 광도파로 상측의 절연막상에 금속전극을 형성하는 공정과, 단면 연마 및 AR 코팅하는 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 제 2 고조파 발생소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주기적 분극반전 영역 형성을 위한 양자교환 및 열처리 공정은 260℃의 벤젠산에서 10분간 담근후, 580℃에서 40초간 급속 열처리함을 특징으로 하는 제 2 고조파 발생소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광도파로 형성을 위한 양자교환 및 열처리 공정은 260℃ 벤젠산에서 15분간 담근 후 400℃에서 60초간 열처리함을 특징으로 하는 제 2 고조파 발생소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 절연막은 Al2O3또는 SiO2를 사용하는 것을 특징으로 하는 제 2 고조파 발생소자.
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