KR100374345B1 - Method for manufacturing buried optical waveguide - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a buried optical waveguide is provided to prevent asymmetry in distribution of refractive index in depth direction by depositing the same material as the material of a substrate on the substrate. CONSTITUTION: A doping material(5) is deposited on a portion of the surface of lithium niobate substrate(3). Lithium niobate film(2) is formed on the surface of the doping material and an exposed portion of the surface of the substrate. The doping material is thermal-diffused into the substrate. The doping material is titanium or proton exchange material.

Description

매립형 광도파로 제작 방법Embedded optical waveguide manufacturing method

본 발명은 광도파로에 관한 것으로, 특히 매립형 리튬나이오베이트 광도파로제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical waveguide, and more particularly, to a method of manufacturing a buried lithium niobate optical waveguide.

리튬나이오베이트(Lithium Niohate:LiNbO3)는 인가전계에 의하여 굴절률이 변하는 특성인 전기광학효과(electro-optic effect)가 커서 이를 기판재료로 하여 광스위치, 광변조기 등의 광도파로 소자를 제작하는데 널리 이용된다. 이러한 광도파로 소자의 기본이 되는 광도파로는 주로 티타늄(Titanium:Ti) 내부확산과 양자 교환(Proton Exchange) 방법으로 제작된다. 제1(a),(b),(c)도에 종래 기술에 따른 티타늄 내부확산 광도파로 제작 공정 및 광도파로 깊이방향의 굴절률 분포를 보여주는 도면이다. 제 1(a),(b),(c)도를 참조하면, 리튬나이오베이트 기판 3 위에 포토리소그래피(Photolithography)방법으로 티타늄물질 5을 형성한 후(a) 약 1000℃ 근처의 고온에서 수시간 열확산하면 티타늄이 확산된부분의굴절률이 증가하여광도파로 7가형성된다(b). 그러나상기 광도파로 7는공기와 접촉하여 깊이 방향 굴절률 분포가 비대칭적인 형태가 된다(c), 제 2(a),(b),(c)도는 종래 기술에 따른 양자 교환 광도파로 제작 공정 및광도파로깊이 방향의 굴절률 분포를 보여주는 도면이다. 제2(a),(b),(c)도를 참조하면, 리튬나이오베이트 기판3에서 양자 교환 물질9만을 남겨두고 나머지 부분을 금속이나 유전체로 코팅(Coating)한 후 약한 산(Acid)에서리튬나이오베이트 기판 3 내의리튬이온 Li+을 교환하여 굴절률을 높여광도파로 7를 형성(a)하는 방법이다. 보통광도파로의특성개선을 위하여 양자 교환후 양자 교환시의 온도보다 높은 온도에서 열처리를 하여 양자 교환 광도파로7를만들게 된다(b). 이 경우에도 티타늄 내부확산과 마찬가지로 깊이 방향 굴절률분포(c)는 비대칭적인 형태가 된다. 제 3(a),(b),(c),(d)도는 종래 기술에 따른 산화 마그네슘(MgO) 이중 확산 제작 공정 및광도파로깊이방향의 굴절률 분포를 보여주는 도면이다. 제 3(a),(b),(c),(d)도를 참조하면, 종래 기술의 대칭적인 깊이방향 굴절률 분포를 얻기 위한 방법으로서 티타늄 확산(a)후 표면의 굴절률을 낮추기 위하여 상기 산화 마그네슘(MgO) 6과 같은 물질을 증착(b)하여 재확산(c)한형태인 광도파로7을 얻는 방법이 있다. 그러나 이 경우에도 정확히 대칭적인 깊이방향 굴절률 분포(d)를 얻기가 쉽지 않다. 제4도는 종래 기술에 따른 광도파로 도파모드의 세기분포를 나타내는 분포도이다. 제4도를 참조하면, 깊이방향 굴절률 분포의 비대칭에 의해 궁극적으로 도파모드의 깊이방향 분포는 기판 표면에서 경사가 급하고 기판내부에서 경사가 완만한 분포를 갖게 된다.Lithium Niohate (LiNbO 3 ) has a large electro-optic effect, which is a property of changing refractive index due to an applied electric field, and is used as a substrate material to manufacture optical waveguide devices such as optical switches and optical modulators. Widely used. The optical waveguide, which is the basis of the optical waveguide device, is mainly manufactured by titanium (Ti) internal diffusion and proton exchange. Figure 1 (a), (b), (c) is a view showing a refractive index distribution in the depth direction of the optical waveguide manufacturing process and the titanium inner diffusion optical waveguide manufacturing process according to the prior art. Referring to Figures 1 (a), (b) and (c), after forming titanium material 5 on a lithium niobate substrate 3 by photolithography, (a) water at a high temperature of about 1000 ° C The thermal diffusion of time increases the refractive index of the titanium diffused portion to form an optical waveguide 7 (b). However, the optical waveguide 7 is in contact with the air to have an asymmetrical distribution of the refractive index in the depth direction (c), the second (a), (b), (c) or the proton exchange optical waveguide fabrication process according to the prior art and the optical Figure showing the refractive index distribution in the waveguide depth direction. Referring to Figures 2 (a), (b), and (c), only the proton exchange material 9 is left in the lithium niobate substrate 3, and the remaining portion is coated with a metal or dielectric and then weakly acidic. (A) in which the optical waveguide 7 is formed by increasing the refractive index by exchanging lithium ions Li + in the lithium niobate substrate 3 at . In order to improve the characteristics of the optical waveguide , the proton exchange waveguide 7 is formed by heat treatment at a temperature higher than the temperature of proton exchange after proton exchange (b). In this case, as in the titanium internal diffusion, the depth-direction refractive index distribution c becomes asymmetrical. 3 (a), (b), (c), and (d) are diagrams showing a magnesium oxide (MgO) double diffusion fabrication process and a refractive index distribution in an optical waveguide depth direction according to the prior art. Referring to FIGS. 3 (a), (b), (c), and (d), the oxidation method for lowering the refractive index of the surface after titanium diffusion (a) is a method for obtaining a symmetrical depthwise refractive index distribution of the prior art. There is a method of obtaining an optical waveguide 7 in which a material such as magnesium (MgO) 6 is deposited (b) and re-diffused (c). However, even in this case, it is not easy to obtain exactly symmetrical depth refractive index distribution d. 4 is a distribution diagram showing the intensity distribution of the optical waveguide waveguide mode according to the prior art. Referring to FIG. 4, due to the asymmetry of the depth-direction refractive index distribution, the depth-direction distribution of the waveguide mode ultimately has a steep slope on the substrate surface and a gentle slope within the substrate.

전술한 종래 기술의 제작방법인 티타늄 내부확산 및 양자 교환 방법에서 깊이 방향 굴절률 분포의 비대칭에 의한 도파 광의 모드 분포의 비대칭은광도파로소자와 광섬유와의 결합에서광도파로소자의 도파 모드와 광섬유 모드와의 불일치에 의한 결합 손실을 야기하여 효율적인 결합을 저해하는 요인이 되는 문제점이 있다. 제6도는 광섬유의 도파모드 세기분포 혹은 본 발명에 따른광도파로의도파모드 세기분포를 나타내는 도면이다. 상기 문제점은광도파로의 도파모드가 상기 제4도와 같이 깊이방향으로 표면에서는 급경사를 이루고 기판 내부에서는 완만한 비대칭형태가 되고 광섬유의 경우 제6도와 같이 좌우 상하 대칭형의 도파 모드를 갖고 있으므로 결합시 모드간의 불일치에 의해 빛의 일부가 손실로 없어지게 된다. 이러한 문제의 해결 방법으로 등장한 상기 제3도의 굴절률을 낮추는 물질을 증착하여 확산하는 방법도 증착 두께, 확산시간등에 따라 굴절률 분포에 변화를 주므로 깊이방향으로 정확히 대칭인 굴절률 분포를 얻기가 쉽지 않은 문제점이 있다.Asymmetry of the guided light mode distribution due to asymmetry in the depth direction, the refractive index distribution in the method for manufacturing the prior art described above the titanium internal diffusion and proton exchange method of an optical waveguide device in combination with the optical waveguide device and the fiber-optic wave guide mode and a fiber mode, and There is a problem that causes a loss of coupling due to the mismatch of the factor to inhibit the efficient coupling. 6 is a diagram showing a waveguide mode intensity distribution of an optical fiber or a waveguide mode intensity distribution of an optical waveguide according to the present invention. The problem is that the waveguide mode of the optical waveguide has a steep inclination at the surface in the depth direction as shown in Fig. 4, has a gentle asymmetrical shape inside the substrate, and the optical fiber has a waveguide mode of right and left symmetrical waveguide mode as shown in Fig. 6 Some of the light is lost due to the mismatch. The method of depositing and diffusing the material that lowers the refractive index of FIG. 3, which appeared as a solution to this problem, also changes the refractive index distribution according to the deposition thickness and diffusion time, so that it is not easy to obtain a refractive index distribution that is exactly symmetric in the depth direction. have.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 광도파로 제작방법에서 발생하는 깊이방향 굴절률 분포의 비대칭성을 기판 물질과 같은 물질을 기판위에 증착하므로써 방지하는 매립형 리튬나이오베이트 광도파로 제작방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a buried lithium niobate optical waveguide fabrication method which prevents asymmetry of the depth-direction refractive index distribution generated in the prior art optical waveguide fabrication method by depositing a material such as a substrate material on a substrate. .

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 광파를 길이방향으로 전파시키는 전송로를 포함하는 매립형 광도파로의제작 방법에 있어서, 리튬나이오베이트기판 상의 일부표면에 기설정된두께로 도핑물질을 증착하는 제1과정과, 상기 도핑물질의 상부표면과외부에 노출된상기 기판의 상부표면에걸쳐 리튬나이오베이트를 기설정된두께로 형성하는 제2과정과, 상기 도핑물질을기설정된온도로 상기 기판내부에서 열확산시키는 제3과정을 특징으로 한다.According to the technical idea of the present invention for achieving the above object, in the manufacturing method of the buried optical waveguide including a transmission path for propagating light waves in the longitudinal direction, doped to a predetermined thickness on a portion of the surface on the lithium niobate substrate. A first process of depositing a material, a second process of forming lithium niobate to a predetermined thickness over an upper surface of the doping material and an upper surface of the substrate exposed to the outside, and a predetermined temperature of the doping material And a third process of thermal diffusion within the substrate.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다.DETAILED DESCRIPTION A detailed description of preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

도면들중 동일한 구성요소 및 부분들은 가능한한 어느곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다.It should be noted that like elements and parts in the figures represent the same numerals wherever possible.

제5(a),(b),(c),(d)도는 본 발명에 따른 매립형 광도파로의 제작 공정 및광도파로깊이방향의 굴절률 분포를 나타내는 도면이다. 제 5(a),(b),(c),(d)도를 참조하면, 굴절률을 증가시켜광도파로를형성하는 티타늄 물질 5을 확산전에 기판과 같은 재료인 리튬나이오베이트2를수마이크로 미터(㎛)정도 증착한 후 확산하므로써 깊이 방향으로 대칭인 굴절률 분포(d)를 얻고, 궁극적으로 상기 제6도와 같은도파 모드의 분포를 얻어 광섬유와의 결합시 도파 모드의 불일치에 의해 발생하는 결합 손실을 제거할 수 있는 효과가 있다. 본 발명은 제5도와 같이 종래 기술의 광도파로 제작방법인 티타늄 내부확산이나 양자 교환 방법과 마찬가지로 리튬나이오베이트 기판3 상에광도파로 형성을 위한도핑 물질(티타늄 물질 5 혹은 양자 교환 물질 9)을형성한다. 그 후 종래 기술과 달리 리튬나이오베이트 기판3 상의 도핑물질을 확산하기 전에 리튬나이오베이트2를증착(Sputtering) 방법으로 수 ㎛정도 올려 도핑물질 예를 들면 티타늄물질 5 혹은 양자 교환 물질 9이 상기 리튬나이오베이트 기판 3 및 리튬나이오베이트 2로 둘러싸인형태로 만든다. 그 후도핑 물질이 티타늄 물질 5인경우 1000℃정도의 고온에서 확산시켜 깊이방향으로 대칭인 굴절률 분포를 갖는 매립형 광도파로 7을 형성한다. 만약 도핑물질이양자 교환 물질 9인경우 300℃∼400℃정도로 확산시켜 깊이 방향으로 대칭인 굴절율 분포를 갖는 매립형 광도파로 7을 형성한다. 이렇게 제작된 광도파로에 빛을 도파하면 도파 모드는 깊이방향으로 광섬유의 도파 모드 분포와 같이 대칭이 되어 광섬유와의 결합시 결합손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.5 (a), (b), (c) and (d) are diagrams showing the manufacturing process of the buried optical waveguide and the refractive index distribution in the optical waveguide depth direction according to the present invention. Referring to the fifth (a), (b), (c) and (d), the titanium material 5 which increases the refractive index to form the optical waveguide is subjected to several microseconds of lithium niobate 2 which is the same material as the substrate before diffusion. By depositing about a meter (μm) and diffusing to obtain a symmetrical refractive index distribution (d) in the depth direction, and ultimately to obtain a waveguide mode distribution as shown in FIG. The effect is to eliminate the loss. According to the present invention, a doping material (titanium material 5 or proton exchange material 9) for forming an optical waveguide on a lithium niobate substrate 3 is similar to that of a titanium internal diffusion or proton exchange method, which is a conventional method for manufacturing an optical waveguide, as shown in FIG. Form. Then, unlike the prior art, before the diffusion of the doping material on the lithium niobate substrate 3, the lithium niobate 2 is raised by several micrometers by a sputtering method, and the doping material, for example, the titanium material 5 or the proton exchange material 9 is It is made in the form surrounded by the lithium niobate substrate 3 and lithium niobate 2 . Thereafter, when the doping material is titanium material 5, it is diffused at a high temperature of about 1000 ℃ to form a buried optical waveguide 7 having a refractive index distribution symmetric in the depth direction. If the doping material is a proton exchange material 9, it is diffused to about 300 ℃ ~ 400 ℃ to form a buried optical waveguide 7 having a refractive index distribution symmetrical in the depth direction. When the light is guided to the optical waveguide thus manufactured, the waveguide mode is symmetrical as the waveguide mode distribution of the optical fiber in the depth direction, thereby reducing the coupling loss when coupling with the optical fiber.

특히, 광스위치, 광변조기등의 광도파로 소자는 광섬유를 광도파로와 결합하여 사용하므로 이러한 소자의 입출력 도파로 부분에만 이러한 공정을 사용하며 스위칭을 위한 전극 영역에서는 도파 모드가 표면에 존재하는 형태를 가지게 되므로 효율적인 스위칭을 할 수 있고 입출력 결합손실이 적은 광도파로 소자의 제작이 가능한 효과가 있다. 또한 광도파로의 도파 손실은 기판 표면에 도파 모드가 존재함으로써 표면에 긁힘이 생기는 경우 이에의한 산란으로 도파 손실이 증가 할 뿐만아니라 심하게는 도파가 되지 않는 경우도 발생 할 수 있으므로 도파로 보호의 측면에서도, 본 발명의리튬나이오베이트를이용할 수 있다. 이 경우 기판의 연마상태가 나쁜 경우에도 같은 재질인 리튬나이오베이트를 증착함으로써 산란 손실을 줄여 결과적으로 저 손실 광도파로를 제작할 수 있는 효과가 있다.In particular, since optical waveguide devices such as optical switches and optical modulators use optical fibers in combination with optical waveguides, these processes are used only for the input and output waveguide portions of such devices, and the waveguide mode exists on the surface in the electrode region for switching. Therefore, it is possible to switch efficiently and to manufacture an optical waveguide device having a low input / output coupling loss. In addition, the waveguide loss of the optical waveguide may be caused by scattering due to the presence of the waveguide mode on the surface of the substrate. The lithium niobate of the present invention can be used. In this case, even if the polishing state of the substrate is bad, by depositing lithium niobate of the same material, it is possible to reduce the scattering loss, and as a result, it is possible to produce a low loss optical waveguide.

상기한 본 발명은 도면을 중심으로 예를들어 한정되었지만, 그 동일한 것은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 변화와 변형이 가능함이 본 분야의 숙련된 자에게 있어 명백할 것이다.Although the present invention described above has been limited to, for example, the drawings, the same will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.

제1(a),(b),(c)도에 종래 기술에 따른 티타늄 내부확산 광도파로 제작 공정 및 광도파로 깊이방향의 굴절률 분포를 보여주는 도면.Figure 1 (a), (b), (c) is a diagram showing a refractive index distribution in the depth direction of the optical waveguide fabrication process and the titanium inner diffusion optical waveguide manufacturing process according to the prior art.

제2(a),(b),(c)도는 종래 기술에 따른 양자 교환 광도파로 제작 공정 및광도파로깊이 방향의 굴절률 분포를 보여주는 도면.2 (a), (b), and (c) are diagrams showing a process of fabricating a proton exchange optical waveguide and a refractive index distribution in an optical waveguide depth direction according to the prior art.

제3(a),(b),(c),(d)도는 종래 기술에 따른 산화 마그네슘(MgO) 이중 확산 제작 공정 및 광도파로 깊이방향의 굴절률 분포를 보여주는 도면.3 (a), (b), (c), and (d) show a refractive index distribution in a depth direction of an optical waveguide and a magnesium oxide (MgO) double diffusion fabrication process according to the prior art.

제4도는 종래 기술에 따른 광도파로 도파모드의 세기분포를 나타내는 분포도.4 is a distribution chart showing the intensity distribution of the optical waveguide waveguide mode according to the prior art.

제5(a),(b),(c),(d)도는 본 발명에 따른 매립형 광도파로의 제작 공정 및광도파로깊이방향의 굴절률 분포를 나타내는 도면.5 (a), (b), (c), and (d) are views showing the manufacturing process of the buried optical waveguide and the refractive index distribution in the optical waveguide depth direction according to the present invention.

제6도는 광섬유의 도파모드 세기분포 혹은 본 발명에 따른광도파로의 도파모드 세기분포를 나타내는 도면.6 is a diagram showing a waveguide mode intensity distribution of an optical fiber or a waveguide mode intensity distribution of an optical waveguide according to the present invention.

Claims (4)

광파를 길이방향으로 전파시키는 전송로를 포함하는 매립형 광도파로의 제작 방법에 있어서,In the manufacturing method of the buried optical waveguide comprising a transmission path for propagating light waves in the longitudinal direction, 리튬나이오베이트 기판 상의 일부표면에 도핑물질을 증착하는 제1 과정과,A first process of depositing a doping material on a surface of a lithium niobate substrate, 상기 도핑물질의 상부표면과 외부에 노출된 상기 기판의 상부표면에 걸쳐 리튬나이오베이트를 형성하는 제2과정과,Forming a lithium niobate on an upper surface of the doping material and an upper surface of the substrate exposed to the outside; 상기 도핑물질을 상기 기판내부에서 열확산시키는 제3과정을 포함함을 특징으로 하는 매립형 광도파로의 제작 방법.And a third process of thermally diffusing the doping material in the substrate. 제1항에 있어서, 상기 도핑물질이 티타늄 물질 또는 양자 교환 물질임을 특징으로 하는 매립형 광도파로의 제작 방법.The method of claim 1, wherein the doping material is a titanium material or a proton exchange material. 제2항에 있어서, 상기 양자 교환 물질이 약한 산에서 이온을 교환함을 특징으로 하는 매립형 광도파로의 제작 방법.The method of claim 2, wherein the proton exchange material exchanges ions in a weak acid. 제1항에 있어서, 상기 제3과정이 상기 도핑물질을 깊이방향으로 대칭되는 구조로 확산함을 특징으로 하는 매립형 광도파로의 제작 방법.The method of claim 1, wherein the third process diffuses the doping material into a symmetrical structure in the depth direction.
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