KR100270619B1 - 광도파로형 음향광학 편향기헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Y-절단 LinbO₃기판에 Ti를 확산시켜 제조된 광도파로형 AOD 또는 MgO:LiNbO₃기판에 Zn을 확산시켜 제조된 광도파로형 AOD로서, 상기 도파로의 입력 및 출력 위치에 2개의 실린더형 렌즈(1)를 구성하여 광도파를 모서리 밖에 출력빔이 촛점화 되도록 함으로써 레이저 빔에 의한 광도파로의 광손상을 줄일 수 있도록 한 것이다.

Description

광도파로형 음향광학 편향기헤드

제1도는 Ti 확산 도파로의 광손상 측정장치의 개략도이며,

제2도는 광손상에 의한 출력빔의 주피크 강도의 감소를 도시한 것이고,

제3도는 Ti 확산 도파로의 시간에 따른 광손상 측정 결과를 도시한 그래프이며,

제4도는 본 발명의 광손상 영향을 적게 받는 AOD 광학헤드의 구조를 나타낸 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

a : 입력광 b : 출력광

c : 스캐터(SCATTER) d : 프리즘 커플러

e : 광도파로

본 발명은 LiNbO₃를 이용한 광손상이 적은 광도파로형의 음향광학편향기(Acousto Optic Deflector, 이하 AOD라 칭함) 헤드에 관한 것이다.

최근 대용량, 고밀도의 기록을 만족시키기 위한 광기록 방식에 대한 요구가 증가되고 있는데 이러한 광영상 기록장치로 적합한 광기록 방식은 광 디스크 및 데이프가 알려져 있다. 그러나 현재까지 광 테이프에 영상신호를 기록, 재생할 수 있는 광학헤드(optical head)의 개발은 이루어지지 않았다. 현재 광 테이프에 영상신호를 기록, 재생할 수 있는 광학헤드는 벌크형 AOD를 사용하고 있으나, 벌크형 AOD는 광을 편향시킬 수 있는 변환기(transducer)의 주파수 범위가 수백 MHz로 한정되어 대역(field)의 각도가 작기 때문에 대용량의 기록에 적합하지 않다. 따라서 이를 해결하기 위해서는 도파로형(waveguide type) AOD를 사용해야 하며, 본 발명은 광손상의 영향을 적게 받는 광도파로형(optical waveguide) AOD의 구성에 관한 것이다.

1960년대말 광 섬유의 출현과 광도파로에 관심이 증대되면서 광집적 소자로 사용하기 위한 광전자 재료에 대한 수요가 크게 늘어났다. 이중 대표적인 물질인 LinbO₃는 우수한 광학적 성질을 갖고 있어 여러 특성에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 한편 LinbO₃를 이용한 도파로의 제작은 여러가지 방법이 시도되었다. 1973년 초에는 LinbO₃를 900∼1100℃에서 진공이나 가스중에서 외부확산시켜 도파로를 제작하였고, 최초의 내부확산 도파로는 1974년 Ti를 LiNb03 표면에 증착 후 100∼1100℃에서 확산하여 제작되었다. 즉 Ti⁺⁴같이 높은 분극(polarizability)의 이온을 LinbO₃표면에 확산시켜 TE(Transverse Electric) 및 TM(Transverse Magnetic) 모드를 만족시키며 정상굴절율 및 이상굴절율 변화가 0.01인 도파로를 제작할 수 있었다. 그 후 양성자교환(Proton Exchang, 이하 PE라 칭함) 도파로는 1982년 처음 저온(100∼250℃)에서 벤조산(C₆H₅COOH)을 사용하여 LinbO₃를 이온 교환하여 제조되었다. 이때 PE 도파로는 TE 모드만 가능하며 이상굴절율 변화는 0.12정도로 크다.

AOD의 형태는 일반적으로 직육면체의 벌크형과 광도파로상에 제작한 도파로형 AOD가 있다. 광 테이프상에 영상 신호를 기록, 재생할 수 있는 광학헤드로 벌크형 AOD를 사용할 경우에는, 광학계가 크고, 헤드의 제조 가격이 비싸다는 단점외에 대역의 각도(field angle)가 작아 대용량의 기록에 적합하지 않다. 반면, 도파로형 AOD는 광학계가 소형이고 신로성이 높고 IDT(Interdigital Transducer)의 전극 형태에 따라 대역폭을 조절할 수 있기 때문에 요구되는 편향각을 만족시키는 것이 가능하다.

광학 헤드를 이용하여 영상 신호를 기록, 재생하기 위한 도파로형 AOD 개발에 있어 LinbO₃광도파로는 필수적이며, 이런 LinbO₃광도파로의 AOD 제작을 위해서는 Ti 확산 및 PE 도파로가 동시에 사용되고 있는데, Ti 확산법에 의해 제작된 도파로의 경우, 레이저 빔의 조사를 받음에 따라 광손상(optical damage 또는 photorefractive effect)을 입는 단점이 있다. 이러한 광손상은 제작된 도파로의 광학손실을 크게 떨어뜨려 디바이스(device)의 효율에 큰 영향을 미치게 된다.

이러한 광손상 영향을 없애기 위한 연구가 최근 활발히 진행되고 있는데, 스탠포드(Ttandford)대학의 영(Young)등은 Optical letters, 16, 995(1991)문헌에서 MgO : LinbO₃기판을 이용하여 ZnO를 증착시켜 Zn확산 도파로를 제작하여 광손상을 크게 줄일 수 있음을 보고하였다. 그러나 MgO : LinbO₃의 경우에는, 결정 성장에 제한을 받고 가격이 고가인 단점이 있었다.

LinbO₃기판을 사용한 도파로형 AOD에서 Ti 확산 LinbO₃도파로는 광전송로로서 이용되고, PE도파로는 렌즈 재료로서 이용된다. 따라서 높은 효율의 AOD를 제작하기 위해서는 Ti 확산 LinbO₃도파로와 PE도파로 간의 결합 효율이 높아야 한다. 한편, LinbO₃또는 LinbO₃등의 전기광학 결정에 레이저 광을 조사하면 결정의 결함자리(defect center)가 이온화하는 현상이 생기며, 이때 생성된 자유전하(free charge)는 트랩핑 센터(trapping center)로 이동하여 국부적이고 부분적으로 변하는 공간전하 대역(space charge field)을 형성한다. 이러한 무질서한 대역(random field)에 의해서 입사 레이저 광이 산란되는 현상이 일어나는데, 불행히도 Ti 확산 도파로의 경우 벌크결정보다 Ti 확산에 의해 생긴 더 많은 결함자리를 갖고 있으므로 결국 광손상도 크다. 여기서, 광손상이란 광조사에 의한 굴절율의 변화를 의미하며 결정의 구조적 파괴를 말하는 것은 아니다. Ti 확산 도파로의 광손산 효과는 제1도와 같은 배열에 의해 측정되었는데, 제2도와 같이 3mW정도의 입력광에 의해 -Z방향으로 산란되는 광을 단일 광감지기(single photodetector)를 이용하여 측정하였고 출력 피크강도(output peak intensity)의 감소를 측정하였다. 이 결과 Ti 확산 도파로는 제3도와 같이 시간이 지남에 따라 레이저 광에 의해 광손상을 입는 것을 알수 있었다. AOD 광학헤드에 있어 레이저 다이오드에 의해 입사된 광은 IO렌즈를 통과하면서 기판의 모서리(edge)면에 초점화 되고 광 테이프에 기록을 한다. 본 발명에서는 통상 레이저 광에 의해 시간의 경과에 따른 도파로의 광손실을 위해 AOD의 모서리에 레이저빔을 초점화시키지 않고 제4도와 같이 레이저 다이오드(5)에서 나온 광을 실린더 형 렌즈(1)를 사용하여 도파로상에 확대시켜 입사시킨 후 도파로상의 IO 렌즈(2)와 도파로 밖의 또다른 실린더형 렌즈를 이용하여 출력 빔의 초점위치를 기판 밖에 위치시켜 Ti 확산 도파로의 광손상 영향을 줄일수 있었다. 이때 렌즈의 설계 변수로는 정상굴절율 2.2930, 이상굴절율 2.300을 사용하였다.

전술한 바와 같이 레이저 빔의 촛점을 광도파로의 모서리 밖에 있도록 하는 수단은 Ti 확산 LinbO₃단결정 기판이외에 Y-절단 MgO : LinbO₃단결정 기판에도 응용이 가능하다. 즉 이는 Optical letters, 16, 995(1991)문헌에서와 같은 방법으로 Y-절단 MgO : LinbO₃(5mol% MgO)에 ZnO를 증착한 후 Zn을 확산하여 두께가 1㎛인 도파로를 제조하여 이용 가능하다.

따라서 본 발명에서는 제4도와 같이 AOD 광도파로의 모서리(3⁶)에 레이저 빔을 촛점화 하지 않고 AOD 광도파로(3)밖에 촛점화 되도록 AOD의 렌즈를 설계하였다. 즉 레이저 다이오드(5)에서 나온 광을 실린더형 렌즈(1)를 통해 확대시켜 AOD 광도파로(3)에 입사 시킨 후 도파로상의 IO 렌즈(2)를 거쳐 광도파로 외부에 설치된 또다른 실린더형 렌즈(1)를 이용하여 AOD 밖에 촛점화 되도록 하였다. 한편 전술한 바와 같이 렌즈의 설계 변수로는 정상 굴절율 2.2930, 비정상 굴절율 2. 300을 사용하였다. 전술한 렌즈 설계 방정식고 설계 변수로부터 계산된 렌즈의 형태는 제4도와 같이 최소한 2개의 렌즈로 구성하였으며, 요구된 특성을 얻기 위해서 렌즈에 입사되는 빔의 각도를 X축에서 4.13°경사지게 하였다.

Ti 확산 도파로의 제작은 광학등급(optical grade)의 Y-절단 LinbO₃기판을 40(X)×2(Y)×12(Z)㎣ 크기로 준비하여 기판의 Y-절단면을 폴리싱(polishing)하였고 다른 면들은 G.C.#2000으로 연마시켰다. 40nm 두께의 Ti막을 기판에 종착 시킨 후 ±1℃의 오차를 갖는 3-조운튜브로(3-zone tube furnace)를 사용하여 Ti을 확산하였다. 이때 확산 온도는 1000℃이며, 확산 시간은 1시간 20분∼4시간, 확산 분위기는 습식 Ar을 이용하였다. 확산 공정이 끝난 Ti 확산 LinbO₃를 프리즘커플링(priam coupling)방법에 의하여 모드수, 유효굴절율, 투과율등을 측정하였고, 기판을 에지 폴리싱(edge polishing)한 후 버트 커플링(butt coupling)방법에 의해 도파로 두께를 결정하였다. 이에 대한 구체적인 조건 및 측정치는 하기 표 1과 같다. 한편 Ti 확산 도파로의 광손상 효과를 측정하기 위해 제1도와 같이 샘플을 위치시킨 후 시간에 따른 레이저 출력피크의 강도를 광감지기를 사용하여 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다. 이처럼 레이저의 출력 피크는 시간에 따라 저하됨을 알 수 있다. 이때 압력빔의 강도는 3mW이었다. 제3도는 시간에 따른 출력강도의 변화를 나타낸다. 본 발명에서는 도파로의 모서리 면에서 출력피크의 이러한 감소를 없애기 위해 두개의 실린더형 렌즈를 제4도와 같이 AOD헤드 도파로의 앞위에 배열시키고 최소한 2개의 렌즈를 제작하여 출력빔의 촛점위치를 기판밖에서 맺도록 조절하였다. 즉, 실린더형 렌즈를 사용하여 레이저 다이오드 광원에서 도파로 상의 IO 렌즈로 입사되는 레이저 빔을 확장시키고 렌즈에서 나오는 빔을 다른 실린더형 렌즈를 이용하여 촛점을 기판 밖에서 맺도록 함으로써 레이저 빔에 의한 Ti 확산 도파로의 광손상을 크게 줄일 수 있다. 이때 AOD 모서리를 통과하여 나오는 레이저 빔 폭의 크기를 최소한 6.4㎛로 조절하였다.

[표 1]

[표 2]

고효율의 AOD용 광학헤드 제조에 있어, Ti 확산 도파로 및 도파로의 결합은 매우 유효한 것으로 알려져 있으나, Ti 확산 도파로의 경우 레이저 빔에 의해 광손상을 입는 단점을 갖고 있다. 본 발명에서는 실린더형 렌즈를 사용하여 광도파로상에 입사되는 레이저 빔을 확장시킨 후 촛점을 기판 밖에서 맺도록 함으로써 레이저 빔에 의한 Ti 확산 도파로의 광손상을 크게 줄이고, 광 테이프에 영상신호를 기록, 재생하기 위한 8mW의 출력을 얻을 수 있었다.

또한, 도파로형 AOD용 기판으로는 Ti 확산 LinbO₃단결정 기판 대신 Y-절단 MgO : LinbO₃단결정을 사용하여 이 기판위에 Zn 확산 도파로를 형성한 후, 레이저 빔을 도파로형 AOD 밖으로 촛점화 하여 광 테이프에 영상 신호를 기로/재생하기 위해 8mW의 출력을 얻을 수 있었다.

Claims (3)

1. 최소한 2개의 실린더형 렌즈를 광도파로의 입력 및 출력위치에 구성하여, 광도파로 모서리 밖에 출력빔이 촛점화 되도록 구성된 광도파로형 AOD 헤드.
2. 제1항에 있어서, 상기 AOD용 광도파로의 모서리를 통과하는 레이저 빔의 폭이 최소한 6.4㎛인 것을 특징으로 하는 광도파로형 AOD 헤드.
3. 제1항에 있어서, 상기 광도파로가 Ti 확산 Y-절단 LinbO₃기판 또는 Zn 확산 MgO : LinbO₃기판으로 구성됨을 특징으로 하는 광도파로형 AOD 헤드.