KR100749539B1 - 광도파로 재료 및 광도파로 - Google Patents

Abstract

Ta와 Nb의 비를 바꾸지 않고 굴절률을 변화시킬 수 있는 광도파로 재료를 제공하는 것.

본 발명의 광도파로 재료가 적용되는 광도파로의 한 예로서, 언더클래드층(1)과, 언더클래드층(1)상에 형성되어 언더클래드층(1)보다도 굴절률이 높은 코어(2)를 갖는 광도파로를 나타낸다. 예를 들면 코어(2)로서 KTN(KTa_1-xNb_xO₃)을 이용하고, 클래드층으로서 구성원소의 일부가, Zr, Hf, Sn 중 적어도 하나의 원소에 의해 치환되며, KTN과 같은 페로브스카이트형 결정구조를 갖는 재료를 이용한다. KTN의 굴절률을 대폭으로 저하시킬 수 있어서 광도파로 디바이스의 설계 자유도가 넓어진다.

굴절률, 광도파로 재료, 언더클래드층, 코어, 광도파로 디바이스

Description

광도파로 재료 및 광도파로{OPTICAL WAVEGUIDE MATERIAL AND OPTICAL WAVEGUIDE}

본 발명은 광도파로 재료 및 광도파로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광통신용의 광도파로 디바이스에 사용하는 광도파로 재료 및 그의 제조방법, 및 이 광도파로 재료를 이용한 광도파로에 관한 것이다.

굴절률이 높은 물질을 그보다도 굴절률이 낮은 물질로 둘러싼 구조물은 고굴절률 영역의 근처에 광에너지를 가두어서 전파시키는 광도파로로 된다. 굴절률이 높은 부분을 코어, 낮은 부분을 클래드 또는 클래딩이라 부르고 있다. 광도파로는 광통신용을 비롯하여 여러 가지 광부품으로 응용되고 있다.

광도파로 재료의 한 예로서 탄탈산니오브산칼륨이 알려져 있다. KTa_1-xNb_xO₃(이하, KTN이라 한다)은 페로브스카이트형의 결정구조를 갖는 물질이며, 도 1에 KTN결정의 단위를 나타내었다. 칼륨이온을 격자점에 배치한 단순입방격자를 생각했을 때, 그 본체 체심 위치에 탄탈륨 또는 니오븀의 이온이 배치되고, 면심 위치에 산 소이온이 배치된다. KTN은 전계를 인가함으로써 굴절률이 변화하는 현상인 전기광학효과가 매우 큰 결정재료이다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 또 조성이 바뀌면 굴절률도 바뀌기 때문에, 조성을 바꾸어서 클래드와 코어를 제조함으로써 광도파로를 구성할 수 있다.

KTN을 이용한 광도파로는 적당한 전극을 설치함으로써 전기광학효과에 의하여 전파하는 빛의 위상을 변조할 수 있다. 이 때문에 개발이 선행되고 있는 LiNbO₃의 경우와 동일하게 광변조기 등의 광부품을 제작할 수 있다. KTN은 LiNbO₃과 비교하면 전기광학효과가 현저히 큰 것으로부터, 동작전압이 낮은 등, 보다 높은 성능의 광부품이 얻어진다는 잇점이 있다.

또 KTN의 K의 일부를 Li로 치환한 K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃(이하 KLTN이라 한다)도 KTN과 같은 페로브스카이트형의 결정구조를 갖고, KTN보다도 큰 전기광학효과를 갖는 유망한 재료이다.

그러나 상기한 KTN 및 KLTN은 Ta와 Nb의 비를 바꿈으로써 굴절률이 바뀌는 동시에, 전기광학계수나 유전률이 변화한다. 이 때문에 이들 패러미터를 독립적으로 변화시켜서 광부품의 특성을 최적화하는 것이 곤란했다.

예를 들면, 광도파로소자의 고성능화를 위해 코어와 클래드의 굴절률의 차를 0.011 이상으로 하면 양자의 유전률도 크게 틀려 버리기 때문에 광도파로에 유효하게 전계를 인가할 수 없어서, 큰 전기광학효과를 충분히 살린 광부품을 제작할 수 없었다.

KTaO₃(이하 KT라 한다)는 상기한 KTN, KLTN과 비교하여 전기광학효과는 작지만 고굴절률의 광도파로 재료로서 알려져 있고, 파장 350㎚까지의 빛에 대하여 투명하다. KT는 KTN과 KLTN의 말단 성분으로 이루어진 결정이며, KTN, KLTN과 동일한 페로브스카이트형 결정구조를 갖는다. 즉 KT의 Ta의 일부를 Nb로 치환하면 KTN으로 되고, KT의 Ta의 일부를 Nb로 치환하며, K의 일부를 Li로 치환하면 KLTN으로 된다. 따라서 KT는 KTN, KLTN 결정을 성장시키는 기판 재료로서 이용되고 있다. KT를 이용하여 광도파로를 구성하면 Nb가 포함되어 있지 않기 때문에 Ta와 Nb의 비를 바꾸어서 굴절률을 제어할 수 없다.

본 발명의 목적은, Ta와 Nb의 비를 바꾸지 않고, 굴절률을 변화시킬 수 있는 광도파로 재료를 제공하는 것에 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허 공개 제2003-35831호 공보

발명의 개시

본 발명은 이와 같은 목적을 달성하기 위해, KTaO₃(KT)인 조성을 갖는 결정으로 이루어지는 광도파로 재료이며, 구성원소의 일부가 Zr, Hf, Sn 중 적어도 하나의 원소에 의해 치환되고, KT와 같은 페로브스카이트형 결정구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

KT의 구성원소의 일부가 다른 원소로 치환된 조성을 가질 수도 있다. 또 Ta의 일부가 Nb로 치환된 조성을 갖는 결정(KTa_1-xNb_xO₃: KTN: 0≤x≤1)으로 할 수도 있다. 또한 K의 일부가 Li로 치환된 조성을 갖는 결정(K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃: KLTN: 0≤x, y≤1)으로 할 수도 있다.

발명을 실시하기 위한 최적의 형태

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.

도 2는 본 발명의 광도파로 재료가 적용되는 광도파로의 구성을 나타내는 사시도이다. 광도파로의 기본구조는 리지형 광도파로이며, 외부전계 인가기구의 한 예로서, 전극에 의하여 전계를 인가하는 구조를 갖는다. 기판은 언더클래드층(1)에 상당하고, 그 위에 기판보다도 굴절률이 높은 코어(2)가 형성되어 있다. 코어(2)의 윗면에는 전계를 인가하기 위한 전극(4)이 설치되어 있다. 또한 코어(2)를 덮는, 코어(2)보다도 굴절률이 낮은 오버클래드층(커버층)(6)을 설치하여, 매립형 도파로로 할 수도 있다. 언더클래드층(1), 코어(2) 및 오버클래드층(6)은 모두 KT, KTN 또는 KLTN 중 어느 하나의 재료로 이루어지도록 구성되어 있다.

여기에서, 코어와 클래드의 굴절률 차는 코어와 클래드가 동일한 조성의 결정으로 이루어져 있어도, 그 결정의 구성 원소의 일부를 치환하고 있는 Zr, Hf, Sn 중 적어도 하나의 원소의 양에 의해 제어할 수 있다. 후술하는 바와 같이, KT, KTN, 또는 KLTN의 구성 원소의 일부를, Zr, Hf, Sn 중 적어도 하나의 원소로 치환함으로써 굴절률을 저하할 수 있기 때문이다. 굴절률의 저하량은 치환하고 있는 Zr, Hf, Sn 중 적어도 하나의 원소의 양에 비례한다. 따라서 본 실시형태의 광도파로에 있어서는, Ta와 Nb의 비를 바꾸지 않고 코어와 클래드의 굴절률차를 제어할 수 있다.

이와 같은 구성에 의해 광입력신호(3)는 광도파로 말단면으로부터 입력되어 코어(2)로 전달된다. 코어(2)는, 전극(4)에 의하여 인가된 외부전압신호에 의한 굴절률 변화를 발생시킨다. 이에 따라 전파하는 광신호는 코어(2)를 통과할 때 위상이 변조된다. 변조를 받은 광신호는, 광출력신호(5)로서 대향하는 말단면으로부터 외부로 나오게된다. 상기한 광도파로의 구성은 한 예를 나타낸 것으로, 본 발명의 광도파로 재료가 이 광도파로의 구성에만 적용되는 것이 아닌 것은 명백하다.

본 발명의 한 실시형태에 있어서, 언더클래드층(1), 코어(2) 및 오버클래드층(6)의 적어도 하나에 KT, KTN, KLTN인 조성의 결정이며, 구성원소의 일부가 Zr, Hf, Sn 중 적어도 하나의 원소에 의해 치환되고, KT와 같은 페로브스카이트형 결정구조를 갖는 재료를 이용한다. 이하 본 발명의 광도파로 재료에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

결정재료에 미량의 첨가물을 가하는 것에 의하여, 임의의 투명매질의 굴절률을 제어할 수 있는 것이 잘 알려져 있다. 그런데 고분자재료, 유리, 세라믹스 등에서는 비교적 간단하게 첨가할 수 있는데, 단결정에의 첨가는 일반적으로는 간단하지는 않다. 왜냐하면 단결정이 성장할 때에 안정된 결정구조를 형성하는 것을 저해하는 불순물이 배제되기 때문이다.

KT, KTN, KLTN의 단결정은 산화칼륨(K₂O)을 플럭스로서 첨가하여 융해하고, 천천히 냉각함으로써 성장시킬 수 있다. 이 결정에 다른 원소를 첨가하는 데는, 그 원소를 원료와 함께 융해하고, 그 융액으로부터 결정을 성장시키는 것이 통례이다.

융액 속의 첨가물의 몰농도(X)에 대한 결정 속의 첨가물의 몰농도(x)의 비율(k＝x/X)을 편석계수라 부르고 있다. 상기한 바와 같이, 대개의 불순물은 결정 속에 받아들여지기 어려워서 k는 매우 작다. 예를 들면 구리(Cu)를 첨가하는 경우 조건에 따라 다르지만, k는 10^―3에서 10^―2 정도이다. 이것이 주요한 원인으로, 굴절률을 0.001 이상(0.05% 이상) 변화시키는 것은 어렵다. 일반적으로 어떤 투명매질에 어떤 첨가물이 받아들여지기 쉽고, 또 굴절률 변조에 효과가 있는지를 예측하는 것은 간단하지는 않다.

본 발명의 발명자들은, 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 주석(Sn)은 다른 첨가물과 비교하여 KT, KTN, 또는 KLTN계 재료의 단결정에 받아들여지기 매우 쉽고, 편석계수(k)는 1을 넘는 것을 발견했다. 이 때문에 이들 원소를 첨가하면 0. 01에 달하는 큰 굴절률 저하를 일으킬 수 있다.

KTN, KLTN을 포함하는 KT계 도파로재료의 굴절률은, 약 2.2이기 때문에, 이 굴절률 변화는 비율로는 0.5%가 된다. 이것은, 일반적인 광도파로에서의 코어-클래드 간의 굴절률 차와 동일한 정도이다. 즉 Ta와 Nb의 비를 바꾸지 않고도 이 발명을 실시하는 것으로 충분히 광도파로의 굴절률을 제어하는 것이 가능하고, 유전률 등의 전기적 성질과 동시에 최적화한 디바이스를 제작하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 이들 단결정을 이용한 광도파로 디바이스의 설계자유도가 넓어져서 동작전압이나 대역 등의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은, KTN결정의 단위세포를 나타내는 도면.

도 2는, 본 발명의 광도파로 재료가 적용되는 광도파로의 구성을 나타내는 사시도.

도 3은, Zr의 첨가량과 굴절률의 관계를 나타내는 도면.

도 4는, 첨가량 0.5mol.%인 때에 얻어지는 KTN결정의 굴절률을 나타내는 도면.

실시예 1

탄산칼륨(K₂CO₃)과 산화탄탈륨(Ta₂O₅)의 분말을 몰비 3:2로 혼합하고, 백금을 도가니에 충전, 전기로에서 1400℃까지 가열하여 충분히 반응시킨다. 그 후 800℃까지 10일간 서서히 냉각하여, KTaO₃의 결정을 석출시킨다. 꺼낸 단결정의 굴절률은, 파장 1550㎚에서 2.1542 이다.

마찬가지로 하여 탄산칼륨과 산화탄탈을 혼합한 분말에 몰비 1%의 ZrO₂를 혼합하여, KTaO₃의 결정을 성장시킨다. Zr이 첨가된 KTaO₃단결정의 굴절률은 파장 1550㎚에서 2.1407이다. 이에 따라 0.0135의 굴절률차를 만들 수 있다.

도 3에 Zr의 첨가량과 굴절률의 관계를 나타낸다. K₂CO₃과 Ta₂O₅의 원료에 혼합한 ZrO₂의 양을 가로축에, 얻어진 단결정의 굴절률을 세로축에 취한 것이다. 첨가량의 증가에 따라 일정하게 굴절률이 하강하는 것을 알 수 있다. 또한 Zr의 편석계수는 2.6이다.

다음으로 ZrO₂를 1mol.% 첨가한 원료로부터 석출시킨 단결정을 슬라이스하여 기판을 제작한다. 이 기판상에 아무 것도 첨가하지 않은 KTaO₃ 단결정으로 이루어지는 광도파로 코어부를 형성하고, 코어부를 덮도록 ZrO₂를 1mol.% 첨가한 KTaO₃ 단결정의 막을 성장시켜서 광도파로의 클래드로 한다. 제조한 광도파로는 설계대로 코어 주변에 빛을 가두어서 전파시킬 수 있다.

실시예 2

실시예 1에 따른 원료 중의 산화탄탈륨 일부를 산화니오븀(Nb₂O₅)으로 치환하여 KTN의 결정을 성장시켰다. 그 결과, KTa_1―XNb_xO₃의 조성비(x)의 값에 불구하고 ZrO₂를 1mol.% 첨가한 경우에는 굴절률이 대략 0.01 저하한다.

실시예 3

또한 실시예 2에 따른 있어서의 원료 속의 탄산칼륨의 일부를 탄산리튬으로 치환하여 KLTN의 결정을 성장시켰다. ZrO₂를 1mol.% 첨가함으로써 굴절률을 대략 0.01 저하시킬 수 있다. 또한 탄산리튬 대신에 탄산나트륨으로 치환하여 결정성장을 실시해도 ZrO₂를 첨가함으로써 결정의 굴절률변화는 똑같이 0.01 저하시킬 수 있다.

실시예 4

KT, KTN 및 KLTN의 각각에 대하여 ZrO₂ 대신에 HfO₂를 첨가한다. HfO₂를 1mol.% 첨가함으로써 0.015만큼 굴절률을 저하시킬 수 있다. 동일하게 하여 SnO₂ 를 첨가하는 경우는 같은 첨가량으로 0.006만큼 굴절률을 저하시킬 수 있다.

도 4에 첨가량 0.5mol.%인 경우에 얻어지는 KTN 결정의 굴절률을 나타낸다. 도 4에서 명백한 바와 같이, 다른 첨가물은 거의 KTN의 굴절률을 변화시킬 수 없는데, ZrO₂, SnO₂, HfO₂ 에 있어서는, 효과적으로 굴절률이 저하하고 있는 것을 알 수 있다.

본 발명은 광통신용의 광부품 등에 사용하는 광도파로 재료에 관한 것으로, Ta와 Nb의 비를 바꾸지 않고도 굴절률을 변화시킬 수 있는 광도파로 재료를 제공할 수 있다. 또 이들 단결정을 이용한 광도파로 디바이스의 설계 자유도가 넓어져서 동작전압이나 대역 등의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

1. K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃ (KLTN: 0<x, y<1)의 조성을 갖는 결정으로 이루어지는 광도파로 재료로서,

   구성원소의 일부가 Zr, Hf 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소로 치환되고, 상기 적어도 하나의 원소의 편석계수(segregation coefficient)가 1.0을 넘으며, 상기 KLTN과 같은 페로브스카이트형 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광도파로 재료.
2. K_1-yLi_yTa_1-xNb_xO₃ (KLTN: 0<x, y<1)인 조성을 갖는 결정으로 이루어지고, 페로브스카이트형 결정구조를 갖는 광도파로 재료의 제조방법으로서,

   K, Ta, Nb 및 Li를 포함하는 주원료에, Zr, Sn 및 Hf으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 재료를 혼합하는 제1 공정;

   상기 혼합된 원료를 가열하여 고온 융액을 제조하는 제2 공정; 및

   상기 고온 융액을 서냉하여 결정을 석출시키는 제3 공정;

   을 포함하며,

   상기 적어도 하나의 원소의 편석계수는 1.0을 넘는

   광도파로 재료의 제조방법.
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