KR100734839B1 - 파장변환 광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초소형 레이저 컬러 디스플레이 용도의 청색 혹은 녹색 광원의 구현을 위해 레이저 다이오드와 QPM-SHG(Quasi Phase Matching-Second Harmonic Generation) 도파로 소자를 결합시킴에 있어서, TE(Transverse Electric)-모드 편광을 90°회전시켜서 TM(Transverse Magnetic) 편광으로 변환시키는 반파장판(Half-Wave-Plate) 소자를 사용하되, 특히 반파장판 소자의 절단 방향을 X-축 방향과 45°각도로 절단된 비선형 매질 기판을 Z-컷(cut) 비선형 매질 기판과 결합한 후에 두 기판에 걸쳐서 한번에 광도파로를 형성하여 앞단의 45° X-cut 기판은 TE 편광을 TM 편광으로 전환하는 역할을 하고 뒤의 Z-컷 기판은 QPM-SHG 도파로 소자 역할을 하도록 한다. 본 발명에 의한 파장변환 광소자는 기존의 반파장판 결합에 의해 생기는 손실을 최소화하여 청색 및 녹색 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

파장변환 광소자 및 그 제조 방법{Wavelength conversion optical device and method of fabricating the same device}
도 1a는 주기적으로 분극되어 QPM(Quasi Phase Matching) 방식으로 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation : SHG)이 가능한 QPM-SHG 도파로 소자의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 QPM-SHG 도파로 소자에 레이저 다이오드를 접착하여 제조한 파장변환 광소자의 사시도이다.
도 2는 QPM-SHG 도파로 소자와 레이저 다이오드를 평면 기저 기판 상에 부착하여 파장변환 광소자를 제조하는 방법을 보여주는 사시도이다.
도 3a는 종래 TE(Transverse Electric)-모드의 레이저 다이오드와 QPM-SHG 도파로 소자의 결합형태를 보여주는 단면도이다.
도 3b는 종래 TE-모드의 레이저 다이오드와 QPM-SHG 도파로 소자의 다른 결합형태를 보여주는 단면도이다.
도 4a 및 4b는 도 3b의 결합형태에서 QPM-SHG 매질 기판에 주기분극영역이 형성되는 모습을 보여주는 사시도 및 단면도이다.
도 5a 및 5b는 도 3b의 결합형태에서 QPM-SHG 매질 기판에 다른 형태의 주기분극영역이 형성되는 모습을 보여주는 사시도 및 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 광도파로 반파장판을 결합하여 구성한 파장변환 광소자의 사시도이다.
도 7은 반파장판과 주기분극영역이 형성되어 있는 QPM-SHG 매질 기판이 접착되는 모습을 보여주는 사시도이다.
<도면에 주요 부분에 대한 설명>
160:레이저 다이오드.......180:기저 기판
181:보조 기판.............200:QPM-SHG 도파로 소자
200a:QPM-SHG 매질 기판....210:비선형 매질 기판
220:광도파로 반파장판.....220a:반파장판
230:주기 분극 영역........250:광도파로
본 발명은 광소자에 관한 것으로, 특히 초소형 레이저 컬러 디스플레이 구현을 위한 초소형 저전력의 가시광 광원으로 이용될 수 있는 파장변환 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1a는 주기적으로 분극되어 QPM(Quasi Phase Matching) 방식으로 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation : SHG)이 가능한 QPM-SHG 도파로 소자(1)의 형상을 보여준다.
도 1a를 참조하면, QPM-SHG 도파로 소자(1)는 비선형 매질 기판(10) 안에 형 성된 광도파로(20) 및 광도파로(20)를 가로질러 주기적 분극을 일으킴으로써 광도파로(20)가 QPM 방식을 가지게 하는 주기분극영역(30)을 포함한다. 적외선(40)이 광도파로(20)에 입사하게 되면, 광도파로(20)에서 QPM 방식으로 SHG가 일어나 가시광(50)으로 변환되어 나올 수 있다.
도 1b는 도 1a의 QPM-SHG 도파로 소자(1)에 레이저 다이오드(60,Laser Diode :LD)를 접착하여 LD(60)의 파장이 가시광(50)으로 변환되어 출력되는 파장변환 광소자(70)의 기본 형태를 보여준다.
도 2는 도 1b의 파장변환 광소자(70)의 보다 실재적인 형태로, LD(60) 및 QPM-SHG 도파로 소자(1)가 실리콘 기판과 같은 평면 기저 기판(80) 상에 부착되어 있는 것을 보여준다. 평면 기저 기판(80) 상에는 전극(85)이 형성되어 있다. 일반적으로 LD(60)의 발진 편광은 전기장이 평면 기저 기판(80)과 평행한 TE(Transverse Electric)-모드이어서 QPM-SHG 도파로 소자(1)를 결합할 때에는 각별한 주의가 필요하다.
가장 대표적인 QPM-SHG 매질인 LiNbO3(LN)을 비롯한 많은 비선형 매질은 Z-축(또는 c-axis) 방향으로 분극을 형성하게 되므로 SHG 효과가 잘 나타나는 편광은 Z-축에 평행한 편광이 된다.
도 3a는 종래 TE(Transverse Electric)-모드의 레이저 다이오드와 QPM-SHG 도파로 소자의 결합형태를 보여주고 있는데, 도 2의 QPM-SHG 도파로 소자(1)에 반파장판(90, half-wave plate)을 결합한 후에 I-I 부분을 절단한 단면을 보여주고 있다. 여기서, LD(60)의 상부 빗금친 부분은 광이 통과하는 부분을 나타낸다.
도 3a와 같이, QPM-SHG 도파로 소자(1)를 Z-축에 수직하게 잘려진 Z-컷(cut) 비선형 매질 기판(10a)을 이용하여 형성하는 경우에는 수정(quartz) 혹은 폴리이미드(polyimide) 필름으로 형성된 반파장판(90) 등을 써서 편광을 수직으로 돌려주는 방식이 사용될 수 있다. Z-컷 기판(10a) 상부로 주기분극영역(30)이 형성된다. 그러나 이와 같은 구조의 경우, 일정한 두께의 반파장판(90)에서 빛이 자유전파한 후 QPM-SHG 도파로 소자(1)로 입사할 때에 회절 효과에 의해 상당량의 손실이 발생되는 문제점이 있다.
도 3b는 종래 TE-모드의 레이저 다이오드와 QPM-SHG 도파로 소자의 다른 결합형태를 보여주는 단면도로서, 도 2의 I-I 부분에 대한 단면이나, 반파장판이 결합되어 있지 않은 상태이다. 도 3a와 같은 구조에서 발생하는 손실을 극복하기 위해서, 반파장판을 사용하지 않고 비선형 매질 기판이 X-축 혹은 Y-축에 수직하게 잘려진 X-컷 또는 Y-컷 기판(10b)을 사용하고 여기에 Z-축으로 분극을 형성하여 주기분극영역(30)을 형성하게 된다.
그런데, 도 3a에서와 같이 Z-컷 기판(10a)에 분극을 형성하는 경우는 기판 상하에 전극을 형성해서 전장을 인가하는 간단한 구조이지만, 도 3b에서와 같이 X-컷 또는 Y-컷 기판(10b)에 Z-축으로 분극을 형성하는 경우는 복잡한 문제가 발생한다. 이하, 도 4a 및 4b를 이용하여 설명한다.
도 4a는 도 3b와 같은 방법에 의해 QPM-SHG 매질 기판에 주기분극영역이 형성된 모습을 보여주는 사시도이고 도 4b는 도 4a의 Ⅱ-Ⅱ의 부분을 절단한 단면도 이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, X-컷 또는 Y-컷 기판(10b) 상면에 전극(100)을 형성하여 전장을 가해 주기분극영역(30)을 형성한다. 이때, 주기분극영역(30)의 깊이(d)를 1㎛ 이상으로 하기가 어려워서 LD(도 3b의 60)의 빛을 집광하기에 용이한 도파로 높이인 3~4㎛에 크게 못 미치는 문제점이 발생한다.
도 5a는 도 3b와 같은 방법에 의해 QPM-SHG 매질 기판에 다른 형태의 주기분극영역이 형성된 모습을 보여주는 사시도이고 도 5b는 및 도 5a의 Ⅲ-Ⅲ의 부분을 절단한 단면도이다. 즉 도 5a는 도 4a의 단점을 극복하기 위한 구조이다
도 5a 및 5b를 참조하면, X-축 또는 Y-축에 대해 θ가 3°정도 경사진 오프-액시스(off-axis) X-컷 또는 Y-컷 기판(10c) 상면 및 옆면에 전극(100a)을 형성하여 주기분극영역(30)을 형성한다. 이 방법에 의하면 주기분극영역(30)의 깊이(d)를 2.5㎛ 정도로 형성할 수 있다.
그러나, 오프-액시스 컷을 이용하는 경우에는 개별 소자별로 다이싱을 한 후에 분극을 형성해야 하므로 대량 생산이 어렵고 분극 위치와 도파로 위치를 일치시켜야 하는 등의 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 파장변환 광소자에 있어서, SHG 효과가 잘 나타나고 대량 생산이 가능하며, 분극 위치와 도파로 위치의 정렬이 쉬운 파장변환 광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 TE-모드로 발진하는 레이저 다이오드, Z-축에 수직하게 잘려진 Z-컷 비선형 매질 기판에 주기분극영역이 형성되어 있는 QPM-SHG 도파로 소자 및 상기 레이저 다이오드와 QPM-SHG 도파로 소자 사이에 결합되어 TE 편광을 90° 회전시켜서 TM 편광으로 변환하는 반파장판을 포함하고, 상기 반파장판이 Z축과 X사이 또는 Z축과 Y축 사이로 45°로 컷팅되어 형성된 파장변환 광소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 반파장판과 QPM-SHG 매질 기판이 결합된 후 전체에 걸쳐 광도파로가 형성된다. 이와 같이 형성함으로써, 두 도파로 간에 완벽한 정렬을 할 수 있다. 한편, QPM-SHG 매질 기판과 반파장판을 동일 비선형 매질 기판을 사용하여 형성함으로써, 광도파로 형성이 용이하고 열팽창에 따른 스트레스를 최소화할 수 있도록 한다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, TE-모드로 발진하는 레이저 다이오드와 QPM-SHG 도파로 소자를 결합시킨 파장변환 광소자 제조방법에 있어서, Z-축에 수직하게 잘려진 Z-컷 비선형 매질 기판에 주기분극영역이 형성된 QPM-SHG 매질 기판을 형성하는 단계, 상기 레이저 다이오드와 QPM-SHG 매질 기판 사이에서 TE 편광을 90° 회전시켜서 TM 편광으로 변환하는 반파장판을 형성하되, Z축과 X사이 또는 Z축과 Y축 사이로 45°로 컷팅된 상기 반파장판을 형성하는 단계, 상기 반파장판과 상기 QPM-SHG 매질 기판을 결합하는 단계를 포함하는 파장변환 광소자 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 파장변환 광소자는 X(또는 Y)축과 Z축 사이 45° 각도로 컷 팅되어 복굴절 특성을 갖는 기판을 주기분극영역이 형성된 Z-컷 비선형 매질 기판(Z-cut QPM SHG 매질 기판)에 결합 후에 두 기판 전체에 걸쳐서 광도파로를 형성함으로써, 앞의 45°로 컷팅된 기판이 반파장판(half wave plate) 역할을 하여 TE 편광을 TM 편광으로 90°회전시키고 Z-컷 QPM SHG 도파로 소자는 반파장판 결합에 인한 SHG 출력의 손실을 줄일 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 파장변환 광소자 및 그 제조 방법에 관한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 도면에서 구성요소들의 일부분은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 개략적 또는 과장되어 표현되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시를 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 TE-모드의 레이저 다이오드와 광도파로 반파장판이 결합된 QPM-SHG 도파로 소자를 결합하여 제조되는 파장변환 광소자를 보여주고 있다. 이하, 반파장판에 광도파로가 형성된 반파장판을 '광도파로 반파장판'라 한다. 또한, 매질 기판에 광도파로가 형성된 경우는 'QPM-SHG 도파로 소자'라고 하고 주기 전극 영역만 형성된 경우는 'QPM-SHG 매질 기판'이라고 한다.
도 6을 참조하면, 파장변환 광소자는 레이저 다이오드(160), 45°컷팅된 기판을 이용한 광도파로 반파장판(220), Z-축에 수직하게 잘려진 Z-컷 비선형 매질 기판(210)에 주기분극영역(230)이 형성된 QPM-SHG 도파로 소자(200) 및 기저 기판(180)을 포함한다. 레이저 다이오드(160), 광도파로 반파장판(220) 및 QPM-SHG 도파로 소자(200)는 도시된 바와 같이 정렬마크(미도시)가 표시된 기저 기판(180)에 부착되게 된다. 비선형 매질 기판(210)은 LiNbO3(LN) 또는 MgO가 도핑된 LiNbO3로 형성될 수 있다.
QPM-SHG 도파로 소자(200)는 비선형 매질 기판(210) 내부에 광도파로(250)가 형성되어 있고, QPM 방식으로 SHG가 가능하도록 광도파로(250)를 가로질러 주기분극영역(230)이 형성되어 있다. 광도파로 반파장판(220)은 컷팅 축(또는 컷팅 평면)이 X(또는 Y)축과 Z축 사이에 45° 경사가 지도록 컷팅된 기판을 사용한다. 한편, 광도파로 반파장판(220)은 QPM-SHG 도파로 소자(200)와 결합 후 광도파로 형성이 용이하고 열팽창에 따른 스트레스를 최소화할 수 있도록 비선형 매질과 동일한 매질로 형성하는 것이 바람직하다.
LN과 같은 비선형 매질의 경우 X(또는 Y)축 방향 편광의 굴절률과 Z축 방향 편광에 대한 굴절률이 다른 복굴절 특성을 갖고 있다. 따라서 X(또는 Y)축과 Z축 사이에 45° 경사를 갖도록 컷팅된 기판에 TE 편광의 빛이 입사하여 일정한 길이를 진행하면 TM 편광으로 90° 회전될 수 있다. LN의 경우 예를 들면, 1.15 ㎛ 파장 기준에서 Z축 방향 편광에 대한 굴절률은 2.1515인 반면 X(또는 Y)축 방향 편광에 대한 굴절률은 2.2273로서 0.0758의 복굴절을 갖게 된다. 따라서 이 파장에서는 광도파로 반파장판(210)의 길이가 약 7.6 ㎛의 홀수 배수(1 배, 3 배, 5 배.. 등)이 면 반파장판 역할을 할 수 있게 된다. 이런 식으로 특정 파장에서 복굴절에 따른 적절한 길이를 유지하면 반파장판 역할을 하게 되어 편광의 회전이 가능하다.
도 7은 반파장판(220a)과 비선형 매질 기판(210a)에 주기분극영역(230a)이 형성되어 있는 QPM-SHG 매질 기판(200a)이 접착되는 모습을 보여주고 있다. 도 7을 참조하면, 반파장판(220a)과 QPM-SHG 매질 기판(200a)과의 결합은 두 기판을 최대한 밀착하여 보조기판(181) 상에 부착한 후 다이싱하고 이후 상하 면을 연마하는 것이 바람직하다. 기판 간의 결합에는 글라스프리트 본드(glass frit bond)나 에폭시 본드(epoxy bond)를 사용할 수 있다. 반파장판(220a)과 QPM-SHG 매질 기판(200a)에 LN 기판이 사용된 경우, 보조기판(181)도 반파장판(220a) 및 QPM-SHG 매질 기판(200a)과 열팽창 계수가 큰 차이 없는 LN 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 광도파로의 비정렬에 의한 손실을 줄이기 위해서는 QPM-SHG 매질 기판(200a)에 광도파로(도 6의 250)를 형성하는 공정 중에 반파장판(220a)에도 광도파로(250)를 함께 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 반파장판(220a)과 QPM-SHG 매질 기판(200a)을 결합하고 함께 광도파로(250)를 형성한다. 광도파로 형성 방법으로는 수소이온 주입법(proton injection), 별개 원소(Ti) 확산법(Ti-diffusion)이나 건식 식각이나 다이싱 방법으로 릿지 도파로(ridge waveguide)를 형성하는 방법 등이 사용될 수 있다.
위와 같이 방법에 의해 형성된 파장변환 광소자를 이용함으로써, LD의 TE편광 출력을 효율적으로 회전시켜 TM 편광을 만든 후 최소한의 손실을 가지고 SHG 출 력을 할 수 있고, 그러한 출력을 이용하여 초소형 고효율 가시광, 특히 청색 및 녹색 계통의 레이저 광원을 제조할 수 있다. 또한, 이러한 방법으로 제조된 초소형 고효율 가시광 레이저 광원은 초소형 저전력 레이저 디스플레이 등에 유용하게 응용될 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, X(또는 Y)축과 Z축 사이로 45° 컷팅된 반파장판을 Z-컷의 QPM SHG 도파로 소자에 결합시켜 LD의 TE편광 출력을 효율적으로 회전시켜 TM 편광을 만든 후 최소한의 손실을 가지고 SHG 출력을 하게 함으로써, 초소형 고효율 가시광, 특히 청색 및 녹색 계통의 레이저 광원을 제조할 수 있다.
또한, 이러한 방법으로 제조된 초소형 고효율 가시광 레이저 광원은 초소형 저전력 레이저 디스플레이 등에 유용하게 응용될 수 있다.

Claims (8)

  1. TE-모드로 발진하는 레이저 다이오드;
    Z-축에 수직하게 잘려진 Z-컷 비선형 매질 기판에 주기분극영역이 형성되어 있는 QPM-SHG 도파로 소자; 및
    상기 레이저 다이오드와 QPM-SHG 도파로 소자 사이에 결합되어 TE 편광을 90° 회전시켜서 TM 편광으로 변환하는 반파장판을 포함하고,
    상기 반파장판이 Z축과 X사이 또는 Z축과 Y축 사이로 45°로 컷팅되어 형성된 파장변환 광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반파장판은 비선형 매질 기판을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 파장변환 광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 반파장판은 상기 QPM-SHG 도파로 소자가 형성된 상기 Z-컷 비선형 매질 기판과 동일한 매질로 형성되는 것을 특징으로 하는 파장변환 광소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 비선형 매질 기판 및 반파장판은 LiNbO3 또는 MgO가 도핑된 LiNbO3 로 형성되는 것을 특징으로 하는 파장변환 광소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반파장판 결합으로 인한 손실을 최소화하기 위해서,
    상기 반파장판과 상기 Z-컷 비선형 매질 기판이 결합된 전체로 광도파로가 형성되는 것을 특징으로 하는 파장변환 광소자.
  6. TE-모드로 발진하는 레이저 다이오드와 QPM-SHG 도파로 소자를 결합시킨 파장변환 광소자 제조방법에 있어서,
    Z-축에 수직하게 잘려진 Z-컷 비선형 매질 기판에 주기분극영역이 형성된 QPM-SHG 매질 기판을 형성하는 단계;
    상기 레이저 다이오드와 QPM-SHG 매질 기판 사이에서 TE 편광을 90° 회전시켜서 TM 편광으로 변환하는 반파장판을 형성하되,
    Z축과 X사이 또는 Z축과 Y축 사이로 45°로 컷팅된 상기 반파장판을 형성하는 단계;
    상기 반파장판과 상기 QPM-SHG 매질 기판을 결합하는 단계를 포함하는 파장변환 광소자 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 반파장판은 QPM-SHG 매질 기판과 동일한 매질을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 파장변환 광소자 제조방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 광소자 제조방법은 상기 결합 단계 이후에 결합된 상기 반파장판 및 QPM-SHG 매질 기판 전체로 광도파로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환 광소자 제조방법.
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