KR100721318B1 - 유사위상정합 도파관의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LiNbO3, LiTaO3, MgO:LiNbO3, ZnO:LiNbO3 등과 같은 강유전체기판을 이용한 초소형 고효율 도파관을 제작하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유사위상정합 도파관의 제조방법은 강유전체 기판상에 일정간격으로 분극 영역을 형성하는 단계; 상기 분극 영역상에 건식식각공정을 통하여 도파관을 형성하는 단계; 상기 도파관에 더미기판을 접합하는 단계; 및 상기 강유전체 기판을 평탄화하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 강유전체 도파관은 종래의 열처리 공정을 생략함으로써, 비선형 특성의 손실을 막을 수 있으며, 순수 강유전체만을 도파관으로 이용함으로써, 파장변환소자의 고효율 및 소형화의 구현이 가능하다.
강유전체, 주기적 분극, 도파관

Description

유사위상정합 도파관의 제조방법{Fabricating method for quasi-phase- matched waveguides}
도 1(a)는 분극을 위한 패터닝된 전극이 형성된 x-컷 기판의 입체도,
도 1(b)는 건식식각공정으로 도파관이 형성된 x-컷 기판의 입체도,
도 2(a)는 분극을 위한 패터닝된 전극이 형성된 z-컷 기판의 입체도,
도 2(b)는 건식식각공정으로 도파관이 형성된 z-컷 기판의 입체도,
도 3은 도파관이 형성된 기판과 더미기판을 접합하기 위한 공정도,
도 4는 접합후의 도파관이 형성된 기판과 더미기판의 입체도,
도 5는 본 발명의 공정순서에 따라 완성된 유사위상정합 도파관의 입체도.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
100,200 : 강유전체 기판 120,220 : 도파관
300,410,500 : 더미기판
본 발명은 도파관의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 비선형광학결정인 강유전체를 사용하여 유사위상정합(quasi-phase-matching)방식 파장변조 장치에 사용되는 도파관을 제조하는 방법에 관한 것이다.
강유전체를 소재로 하는 유사위상정합(quasi-phase-matching:QMP) 도파관은 오랫동안 많은 연구가 진행 중이다. 이 기술을 이용한 주요 응용분야로는 광통신 시스템, 비선형 광학, 차세대 기록 매체를 위한 블루 레이져(blue laser) 및 디스플레이 등을 들 수 있다. 특히, 강유전체 결정의 구조를 주기적인 분극(periodically poled)형태로 형성하여 유사위상정합을 구현할 경우 고효율의 특성을 얻을 수 있다.
일반적으로 주기적인 분극에 있어서, 인접한 분극영역은 반전의 형태로 제작되며, 이를 지칭하여 주기적 분극 반전 강유전체라고 한다. 주기적 분극 반전 강유전체를 사용하여 도파관 제작을 위한 몇 가지 방법들이 있다.
그 중 대표적인 방법으로는 양자교환방법(annealed-proton exchange), 티타늄 확산(titanium diffusion) 및 이온주입(ion implantation) 등이 있다. 그러나 이러한 기술들은 위사유사정합을 위한 도파관 제조에 몇몇 제약이 따른다.
먼저, 양자교환법의 경우 강유전체 기판에 먼저 주기적인 분극 반전을 수행 한 후 양자교환을 통한 도파관을 형성시킨다. 이 경우 상대적으로 300 ~ 400℃의 낮은 온도에서 주기적 분극 반전된 강유전체 기판에 형성되며, 도파관 형성 후 분극을 반전시킴으로써 고품질의 주기적 분극 반전 구조를 구현하기가 힘들다는 문제 점이 있다. 그리고, 광굴절 손상(photorefractive damage)에 따른 저항성이 큰 반면, 이상모드(TE)에서만 사용할 수 있다. 또한, 양자교환에 의한 층은 기존 강유전체가 가지고 있는 비선형 계수를 감소시킴으로 여분의 열처리 공정을 필요로 하는 단점이 있다.
반면, 티타늄 확산법의 경우 도파관 형성 후 확산법을 적용하고 주기적인 분극 반전을 형성시킨다. 강유전체에 티타늄 확산 법을 통한 도파관의 제조는 약 1000 ~ 1060℃에서 이루어진다. 이렇게 제작된 도파관은 높은 전기-광 특성, 낮은 도파 광 손실, 정상모드와 이상모드를 모두 사용할 수 있으므로 유사위상정합을 사용하지 않는 일반적인 광 부품에 사용되어진다.
그러나, 확산공정은 주기적으로 반전되어있는 강유전체의 결정에 사용될 수 없다. 확산공정에는 열처리를 요하며, 이때 열처리 온도는 일반적으로 강자성체의 큐리온도(Curie Temperature)보다 높다. 이로 인하여, 도메인 내에 형성된 분극을 잃게 된다는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로는 강유전체 기판에 티타늄을 먼저 확산하고 도파관 형성한 후 주기적 분극 반전을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.
그러나 이렇게 형성된 도파관은 Ti4 + 이온들의 혼입 및 표면에서의 Li2O 외부확산으로 인해 광굴절 손상에 취약하며, 적외선 및 가시광 스펙트럼 영역을 이용하기 위한 소자의 응용에 한계가 있다. 이러한 문제 해결을 위해 도파관 형성을 위한 열처리 후 약 50nm 정도의 Li2O 외부확산 층을 제거해 주는 방법을 사용하기도 하나 원천적으로 형성된 도파관내의 Li2O 외부확산 층이 갖는 전기적 저항특성으로 인해 티타늄 확산 도파관에 균일한 분극반전의 형성이 어렵다.
낮은 온도에서의 도파관 제작 방법으로는 이온주입 방법이 있으나, 이 방법은 이온가속으로 인하여 기판이 손상되는 문제점 및 공정 단가가 고가라는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결 및 개선하기 위한 것으로, 건식식각 후 더미기판에 접합 및 연마를 수행하여 주기적으로 분극 반전 된 순수 강유전체를 광 진행로로 이용하고, 유사위상정합을 이용하여 고효율 초소형 파장변환 소자를 제작할 수 있는 방법을 제공함에 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유사위상정합 도파관의 제조방법은 강유전체 기판상에 일정간격으로 분극 영역을 형성하는 단계; 상기 분극 영역상에 건식식각공정을 통하여 도파관을 형성하는 단계; 상기 도파관에 더미기판을 접합하는 단계; 및 상기 강유전체 기판을 평탄화하는 단계를 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1(a) 및 도 2(a)는 각각 분극을 위한 패터닝된 전극이 형성된 x-컷 및 z-컷 기판의 입체도이다.
강유전체 소재로는 LiNbO3(LN), LiTaO3(LT), Mg:LiNbO3(MLN), Zn:LiNbO3(ZLN) 혹은 KTP 단결정 기판 등을 사용할 수 있으며, 이러한 복합 물질의 기판을 형성하기 위하여, LiNbO3의 결정성장을 위한 Li2CO3와 NbO5 파우더에 ZnO 또는 MgO파우더를 첨가해 성장시킨다.
먼저, 도 1(a)는 x-컷 강유전체 기판(100) 상부에 금속전극(101)을 형성한 후 외부전계를 +z에서 -z 축으로 인가해 주기적 분극 반전을 수행한다. x-컷 강유전체 결정을 이용하여 주기적 분극 반전을 수행할 경우, 분극 반전 구역이 깊지 않으나 분극반전에 필요한 강제전압(coercive field)이 낮다는 장점이 있다.
도 2(a) 역시 z-컷(cut) 강유전체 기판(200) 상부에 금속전극(210)을 형성한 후 외부전계를 +z면에 인가하여 주기적 분극 반전 구조를 형성한다. z-축 결정의 도메인 반전을 위해서는 21kV/mm이상의 강제전압(coercive field)이 요구되며, +z 면에서 -z 면까지 모든 영역에서 주기적 분극 구조를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 1(b) 및 도 2 (b)는 건식식각공정으로 도파관이 형성된 x-컷 및 z-컷 기판의 입체도이다. 주기적 분극 반전 구조가 형성된 강유전체 기판(100,200)을 식각하기 위해서 플로린(fluorine)을 기본으로 하는 가스, 수소 및 불활성 가스의 혼합가스를 이용하여 식각공정을 진행한다. 식각공정에 필요한 마스크의 소재로는 Ni, Ti, Cr, 감광제 등을 사용할 수 있다. 주기적 분극 강유전체 기판 위에 식각을 위한 마스크가 제작되면 약 3 ~ 15 마이크로의 깊이로 식각 공정을 수행한다. 식각된 강유전체는 측면 각도가 약 75° ~ 85° 정도이며, 밑면이 넓고 윗면이 좁은 사다리꼴 형상의 도파관(120,220)이 된다.
도 3은 도파관이 형성된 기판과 더미기판을 접합하기 위한 공정도를 도시한 것이다.
더미기판(300)의 소재로는 강유전체 기판(320)과 동일한 소재이거나 굴절률이 낮은 SiO2를 사용할 수 있다. 더미기판(300)위에 스핀 코팅 등을 이용하여 UV 또는 열처리에 의하여 경화되는 경화성 에폭시 또는 왁스(310)를 도포한다.
더미기판상에 에폭시 또는 왁스가 도포되면 강유전체 기판상에 식각된 면을 더미기판(300)에 접합시킨 후 자외선이나 열을 이용하여 두 기판의 접합면을 경화시킨다. 이때 두 기판 사이의 간격이 균일해야 하며, 기판 사이에 이물질이나 공공과 같은 결함은 사전에 제거해 주어야 한다.
도 4는 접합후의 도파관이 형성된 기판과 더미기판의 입체도이다.
에폭시 또는 왁스가 UV 조사 및 열처리에 의하여 경화되어 도파관(440)이 형성된 기판(430)과 더미기판(410)이 엑폭시 또는 왁스(420)에 의하여 접합되어 있다. 접합된 기판(400)은 세라믹 등을 이용한 지지대(도시안됨)에 더미기판(410)를 부착한다.
이때 더미기판(410)과 부착하는 지지대(도시안됨)는 강유전체 기판(430)을 균일하게 연마하기 위하여 1um 미만의 평탄도를 가지고 있어야 한며, 래핑 머신(도시안됨)과 화학적 기계연마기(도시안됨)를 이용하여 도파관(440)까지 강유전체 기판(430)을 연마한다.
도 5는 본 발명의 공정순서에 따라 완성된 유사위상정합 도파관의 입체도이다. 연마과정이 완료되면 더미기판(500) 상부에는 역 사다리꼴 모양의 강유전체 도파관(520)이 남게 된다. 이렇게 준비된 기판을 다시 건식 식각공정을 수행해 줌으로써, 엑폭시 또는 왁스(510)는 제거되고 직사각형에 가까운 도파관(520)이 형성된다.
본 발명의 유사위상접합 도파관의 제조방법은 강유전체만으로 구성되어있는 일정간격으로 반전되어 분극된 도파관의 형성이 가능하며, 열공정을 생략함으로써, 고온공정에 의한 분극반전의 특성저하 및 이종이온 주입에 따른 비선형 계수의 감소 등의 해소가 가능하다는 장점이 있다.
즉, 비선형 특성 감소에 따른 출력의 저하를 막을 수 있으므로 고효율의 소 형화된 파장가변 소자의 제작이 가능하다는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 강유전체 기판상에 일정간격으로 분극 영역을 형성하는 단계;
    상기 분극 영역상에 사진식각공정을 이용하여 도파관를 형성하는 단계;
    상기 도파관에 더미기판을 접합하는 단계; 및
    상기 강유전체 기판을 평탄화하는 단계
    를 포함하는 유사위상정합 도파관의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강유전체 기판의 재료는 LiNbO3, LiTaO3, Mg:LiNbO3, Zn:LiNbO3, 혹은 KTP의 단결정 기판인 유사위상정합 도파관의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 Mg:LiNbO3 및 Zn:LiNbO3 기판은 LiNbO3의 결정성장을 위한 Li2CO3와 NbO5 파우더에 ZnO 또는 MgO파우더를 첨가해 성장시키는 유사위상정합 도파관의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도파관과 상기 더미기판을 접합하기 위하여 UV 경화성 또는 열 경화성의 에폭시 및 왁스를 사용하는 유사위상정합 도파관의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 강유전체 기판을 평탄화한 후 건식식각공정을 더 포함하는 유사위상정합 도파관의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 더미기판은 강유전체와 동일한 소재의 동일한 소재이거나 굴절률이 낮은 SiO2 중 어느 하나를 사용하는 유사위상정합 도파관의 제조방법.
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