KR100749871B1 - 광도파로와 광변조 전극이 융합된 파장가변기 - Google Patents

광도파로와 광변조 전극이 융합된 파장가변기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파장가변기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광도파로와 광변조를 위한 전극구조가 융합된 파장가변기에 관한 것이다.
본 발명의 파장가변기는 비선형 매질인 웨이퍼 강유전체 결정; 상기 강유전체 결정에 펌핑 광원으로부터 출력되는 광이 통과할 수 있는 광도파로 - 상기 광도파로는 분기되고, 분기된 광도파로에 전계를 가함으로써 위상이 변환되어 출력파워가 변조될 수 있도록 하는 적어도 하나 이상의 마흐 젠더 구조를 가짐-; 상기 강유전체 결정 내부에 연속적으로 형성된 복수의 분극 반전 패턴; 및 상기 복수의 분극 반전 패턴상에 위상변조를 위하여 형성된 유전체 박막과 광변조 전극을 포함한다.
파장가변기, 광도파로, 강유전체, 분극반전

Description

광도파로와 광변조 전극이 융합된 파장가변기{Wavelength conversion tunable device with optical waveguide and optical modulated electrode}
도 1은 종래기술에 의한 mid-IR 영역 파장가변 레이저의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 광도파로와 광변조를 위한 전극구조가 융합된 구성도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제1실시예에 따른 파장가변기이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 파장가변기이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 파장가변기이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 Zone-A의 DPSSL 내부에 분극반전된 강유전체 벌크결정을 삽입한 파장가변기이다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 다이오드 칩을 플립칩 본딩 기술을 적용한 파장가변기이다.
도 8은 본 발명의 제6실시예에 따른 DPSSL 구조의 펌핑레이저를 적용한 파장가변기이다.
도 9는 본 발명의 제7실시예에 따른 하나 이상의 마흐 젠더 광도파로 구조를 적용한 파장가변기이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 강유전체 결정
102 광도파로
103 광변조 전극
104, 105 분극구조
본 발명은 파장가변기 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광도파로와 광변조를 위한 전극구조가 융합된 파장가변기 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
분극반전된 비선형 칩을 사용하여 차주파수 믹서(Difference Frequency Mixer), 합주파수 믹서(Sum Frequency Mixer), 또는 광매개 공진기(Optical Parametric Oscillator) 소자를 제작할 수 있다. 특히, 광매개 공진기 소자의 경우 분극반전 주기와 온도 및 입력되는 빛의 파장에 변화를 줌으로써 넓은 범위에서의 파장변환이 가능토록 하는 소자 제작이 가능하다. 기존의 레이저 기술을 적용하여 구현 가능한 파장가변 레이저는 아르곤(Ar) 이온 펌핑 티타늄 사파이어 레이저 등이 있으나 파장변환 효율이 낮은 문제점을 갖고 있다. Mid-IR(Mid-Infrared Radiation) 영역의 경우 AgGaS2, AgGaSe2 및 레이저 다이오드를 이용한 복굴절 위상 정합기술을 이용한 적용사례와 LiNbO3 의사위상정합(Quasi Phase Matching) 기술을 이용한 적용사례 등이 있다. 이러한 기술들은 파장가변기를 구현하기 위해 W급 이상의 출력을 갖는 대용량 레이저 펌프광원을 필요로 하는 단점을 갖고 있다. 대부분 1.5W 이상의 펌핑파워를 필요로 하는 특징을 갖고 있다.
의사위상정합 기술을 이용한 파장가변기의 종래기술의 또 다른 사례는 가시광 파장범위에의 응용에서 찾을 수 있다. 가시광 영역의 파장을 갖는 소자를 제작하기 위해서는 주로 이차조화파 생성(Second Harmonic Generation) 기술이 주로 이용되어왔다. 이차조화파 생성기술은 합주파수 생성(Sum Frequency Generation) 기술의 특이사례중의 하나이다.
LiNbO3 또는 LiTaO3 등은 높은 전기광학, 압전 및 비선형 계수를 갖는 강유전체이다. 최근, 이러한 결정을 이용하여 주기적 분극 반전 구조를 만들고 이에 외부전계를 인가함으로써 결정내의 비선형 계수의 분극방향을 전환하는 기술이 개발되고 있다. 구체적인 예로 LiNbO3의 분극반전 기술(Periodically Poled Lithium Niobate, PPLN)을 이용한 optical storage 및 광매개 공진기 기술을 이용한 파장가변 레이저 제작 등의 연구가 진행되고 있다. 특히, Periodic Poling 기술을 이용한 소자는 입사된 빔이 결정 내를 진행하는 동안 의사위상정합에 의해 파장가변되는 특징을 갖고 있다. 의사위상정합의 격자 주기에 따라 다양한 파장으로의 전환이 가능하며 이러한 파장 가변기술의 응용 및 활용도가 아주 높다고 할 수 있다. 아직 이 분야의 대부분의 연구 및 발명은 벌크결정에서의 비선형 특성을 이용하고 있다. 이 경우 큰 에너지를 갖는 레이저가 필요하며 이로 인해 비교적 제품크기가 크고 높은 전력을 소모하는 파장가변 상용화 기술 개발 수준에 있다고 할 수 있다.
도 1은 종래기술 중 mid-IR 영역의 파장가변 레이저 제작에 관한 구성도를 나타낸다. 이 기술은 고출력 펌핑광원을 적용한 광대역 파장가변이 가능한 소자 제작을 목적으로 하고 있다. 입력 펌핑 광원으로 M-MOPA(monolithic master oscillator power amplifier, SDL Model Number 5760-A6) 레이저 다이오드 소스를 적용한 특징을 갖고 있다. 그 구성은 적어도 하나이상의 레이저 광원과 비선형 주파수 생성기로 의사위상정합 차주파수 생성기(QPM DFM) 또는 의사위상정합 광매개 공진기(QPM OPO)로 되어 있다.
도 1의 좌측은 의사위상정합 차주파수 생성기의 예를 나타내고 있다. 두 개의 서로 다른 주파수를 갖는 광원이 비선형주파수 생성기에 입사되고 이는 그 생성기를 통과한 후 입사된 두 주파수와 다른 새로운 주파수를 갖는 광원을 생성하게 된다. 도 1의 우측그림은 의사위상정합 주기를 서로 다르게 하여 동일 생성기에 제작하고 전동스테이지를 사용하여 비선형주파수 생성기의 위치를 변화시킴으로써 입사되는 펌핑광원이 지나는 경로가 변경되도록 한 구조를 나타낸다. 한 의사위상정합 주기에서 새로이 생성되는 파장가변 범위는 비선형주파수 생성기에 적용되는 온도와 펌핑광원의 파장에 의해 제한적이다. 따라서, 광대역 파장가변 레이저를 제작하기 위해서는 필수적으로 수개 또는 수십개의 서로 다른 주기를 갖는 의사위상정합 생성기가 필요하다. 도 1의 우측 그림은 이러한 문제점을 해결하기 위해 1개의 비선형 주파수 생성기에 다양한 주기를 분극반전이 되도록 제작한 예를 나타낸다.
상기 종래기술의 경우 비선형 파장가변을 위해서는 의사위상정합 주기가 형성된 벌크결정에 수 W의 높은 출력을 갖는 펌핑광원을 적용해야만 한다. 이 경우 비선형주파수 생성기의 제작단가와 그 크기에 비해 펌핑광원의 가격과 크기가 상대적으로 훨씬 큰 문제점이 있다. 이로 인해 소형, 경량 및 저가의 파장가변 레이저를 제작할 수 없었다. 이러한 문제점은 본 발명에서와 같이 광도파로를 적용하여 광이 지나는 경로를 수 마이크로 영역에 한정함으로써 비선형 효율을 극대화하는 방법을 통해 해결될 수 있다. 광도파로를 적용하는 경우 펌핑 입력 광원으로는 저가의 레이저 다이오드를 적용할 수 있는 장점을 갖게 된다. 광도파로를 적용할 경우 수 mW의 입력광원에서도 수 uW의 새로운 파장의 빛을 생성할 수도 있다.
또한, 종래기술의 경우 비선형 파장가변 기술에 의해 생성된 광원을 변조시키기 위해서는 별도로 외부에 고가의 변조기를 사용해야 하는 단점을 갖고 있다.
특히, 레이저를 이용한 소형 디스플레이를 구현하기 위해서는 저가의 적색광원과 청색광원을 필요로 한다. 아직 기존의 기술로는 가격 경쟁력이 있는 광원을 제작한 사례가 없다. 특히, 녹색광원의 경우 다이오드 펌핑에 의한 레이저광원 기술(Diode Pumped Solid State Laser)이 있으나 이 경우 광변조기술을 적용함에 있어서 문제점을 갖고 있다. 디스플레이용 레이저 광원은 광변조기술을 적용해야하는 특징을 갖고 있으나 종래의 기술로는 구현이 어려운 문제점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광도파로 기술과 분극반전기술을 접목함으로써 광도파로와 광변조기가 일체화된 파장가변기를 제공함에 있다. 광도파로가 형성된 비선형 결정에 의사위상정합 주기를 제작하고 이에 특수한 구조의 전극을 형성함으로써 광변조가 파장가변과 동시에 가능하도록 하였다. 또한, 본 발명은 웨이퍼 공정에 의한 광 도파로 제작과 분극반전 및 광변조 기술을 융합한 새로운 구조의 파장가변기 제작 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 비선형 매질인 웨이퍼 강유전체 결정; 상기 강유전체 결정에 펌핑 광원으로부터 출력되는 광이 통과할 수 있는 광도파로 - 상기 광도파로는 분기되고, 분기된 광도파로에 전계를 가함으로써 위상이 변환되어 출력파워가 변조될 수 있도록 하는 적어도 하나 이상의 마흐 젠더 구조를 가짐-; 상기 강유전체 결정 내부에 연속적으로 형성된 복수의 분극 반전 패턴; 및 상기 복수의 분극 반전 패턴상에 위상변조를 위하여 형성된 유전체 박막과 광변조 전극을 포함하는 파장가변기에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 (a) 강유전체 기판에 광도파로를 제작하는 단계; (b) 상기 강유전체 기판에 주기적인 분극반전을 형성하는 단계; (c) 전극으로 인한 광도파 손실을 줄이기 위한 박막필름을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 강유전체 기판에서 전극을 제작하는 단계를 포함하는 광도파로와 광변조 전극이 융합된 파장가변기 의 제작 방법에 의해 달성된다.
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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 광도파로와 광변조를 위한 전극구조가 융합된 구성을 특징으로 하며 이를 도 2에 나타내었다. 도 2를 살펴보면, 비선형 매질인 웨이퍼 강유전체 결정(101), 입력 펌핑광원과 파장변환기에서 생성된 광원이 통과할 수 있는 광도파로(102), 광도파로를 분기하고 분기된 광도파로에 전계를 가함으로써 위상이 변환되어 출력파워가 변조될 수 있도록 하는 마흐 젠더(Mach Zender) 광도파로 구조(102), 강유전체 결정의 전기광학효과에 의한 위상변조를 위한 전극(103), 강유전체 결정 내 주기적으로 변화된 분극 구조(104, 105)로 구성되어 있다.
비선형을 이용한 파장가변기는 복굴절을 이용하거나 본 발명에서와 같이 주기적 분극반전을 이용하는 방법이 주로 사용된다. 파장가변기의 의사위상정합 주기 는 생성할 목표 파장과 파장가변기에 적용되는 온도 및 입력 펌핑 광원의 파장을 적용하여 결정된다. 의사위상정합 주기의 결정은 간략하게 다음의 수학식 1과 수학식 2에 의해 결정된다.
Figure 112005078262475-pat00001
Figure 112005078262475-pat00002
여기서 n은 굴절률, λp는 펌핑광원의 파장, λs는 시그널 광원의 파장, λi는 아이들러 광원의 파장, ∧g는 분극반전 주기, m은 의사위상정합 차수 및 △k는 위상차를 나타낸다.
펌핑광원이 파장가변기를 통과하면서 새로운 파장으로 생성될 경우 그 변환효율을 높이는 것이 중요하다. 파장가변기를 이용한 이차조화파 생성시 변환효율(Pω/P2ω)은 비선형계수의 제곱, 파장변환기의 길이의 제곱 및 입력 펌핑광원의 파워에 비례하고, 파장변환기를 지나는 광원의 직경의 제곱에 반비례하는 특성을 갖고 있다. 따라서 도파로를 이용한 파장가변기를 제작할 경우 광원이 지나는 통로를 수마이크로 치수로 조절함으로써 파장가변에 필요한 입력 펌핑광원의 문턱파워를 최소화할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에서 목적으로 하는 소형이면서도 저가의 파 장가변 레이저를 제작할 수 있다.
본 발명의 구체적 실시 방법은 도 3과 같다. 본 발명에서 제안한 파장가변기 구조는 다양한 강유전체 기판에 적용될 수 있다. 다음의 상세 제작방법에서는 강유전체 기판중 LiNbO3를 예로 선택하였으며 이를 사용하여 그 제작 방법을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
(1) 강유전체 기판에 광도파로를 제작하는 단계(도 3a)
(2) 강유전체 기판에 주기적인 분극반전을 형성하는 단계(도 3b 내지 도 3c)
(3) 전극으로 인한 광도파 손실을 줄이기 위한 박막필름을 형성하는 단계(도 3d)
(4) 강유전체 기판이 Z-cut인 경우에서의 전극을 제작하는 단계(도 3e)
(5) 강유전체 기판이 X-cut(또는 Y-cut)인 경우에서의 전극을 제작하는 단계(도 3f)
(6) 강유전체 기판이 Z-cut인 경우에서의 전극 구조의 상세도(도 3g)
(7) 강유전체 기판이 X-cut(또는 Y-cut)인 경우에서의 전극 구조의 상세도(도 3h)
상기 제작방법의 자세한 설명은 다음과 같다.
(1) 강유전체 기판에 광도파로를 제작하는 단계(도 3a)를 살펴보면, 강유전체 기판에 도파로를 제작하기 위해서는 몇 가지 방법을 사용할 수 있다. 이러한 방 법으로는 양자교환방법(annealed-proton exchange), 티타늄 확산(titanium diffusion), 이온주입(Ion Implantation) 및 강유전체만으로 구성된 도파로 등이 있다. 일반적으로 주기적 분극 반전 강유전체 기판 위에 광도파로의 제작은 두 단계의 과정을 거친다. 이는 광도파로 형성 기술에 따라 다르다. 양자교환법을 사용시 강유전체 기판에 먼저 주기적인 분극 반전을 형성한 후 양자교환을 통한 광도파로를 형성시킨다. 반면, 티타늄 확산법의 경우 확산을 통한 도파로 형성 후 주기적인 분극 반전을 형성시킨다. 양자교환 도파로는 상대적으로 300-400℃의 낮은 온도에서 주기적 분극 반전된 강유전체 기판에 형성이 된다. 양자교환 도파로는 광굴절 손상 (photorefractive damage)의 저항성이 큰 반면에 단지 이상모드(TE)만을 사용할 수 있다. 또한, 양자교환에 의한 도파로 제작시 강유전체가 가지고 있는 비선형 계수를 감소시킴으로 여분의 열처리 공정을 필요로 한다.
강유전체 기판에 티타늄 확산 도파로의 제작방법은 다음과 같다. 먼저 강유전체 기판에 포토레지스트를 일정한 두께로 균일하게 스핀코팅을 한다(201). 즉, 도파로 패턴이 형성되어 있는 마스크를 노광기에 장착하여 도파로 패턴이 포토레지스트에 전사되도록 한다(201). 포토레지스트 현상액을 사용하여 도파로 형상의 포토레지스트를 제거하고 티타늄을 강유전체와 포토레지스트 사이에 E-beam등의 장비를 사용하여 증착한다(202). 남아있는 포토레지스트를 제거하고 티타늄 도파로 형상만이 강유전체 기판위에 남도록 제작한다(203). 약 1000~1060℃의 온도에서 제작된 강유전체 기판을 넣어 티타늄이 기판내에 확산되도록 하여 광도파로 제작을 완료한다. 이렇게 제작된 도파로는 높은 전기-광 특성, 낮은 도파 광 손실, 정상모드 와 이상모드를 모두 사용할 수 있다는 특징이 있다.
(2) 강유전체 기판에 주기적인 분극반전을 형성하는 단계(도 3b 내지 도 3c)를 살펴보면, 강유전체에 주기적인 분극 반전을 형성하는 방법은 일반적으로 다음의 두가지 방법으로 가능하다. 첫째는 절연 유전체 박막을 기판에 증착하고 사진식각공정을 통해 전극패턴을 형성한 후 그 위에 메탈전극을 증착하는 방법이다. 둘째는 포토레지스트를 기판에 스핀코팅하고 사진식각공정을 통해 전극패턴을 형성한 후 여기에 LiCl이 용해되어 있는 전해액을 사용하여 전극을 형성하는 방법이다. 이 중에서 도 3-5는 전해액을 사용하여 전계를 가하는 방법을 구체적으로 도시하였다. 도파로가 제작된 강유전체 기판위에 포토레지스트를 일정한 두께로 균일하게 스핀코팅을 한다(205). 주기적인 분극반전을 형성하기 위해서는 그 주기의 50%보다 다소 적은 패턴을 갖는 마스크를 사용하여 사진식각 공정에 의해 분극반전을 위한 전극패턴이 형성되도록 한다. 이 패턴에 전해액을 채우고 이를 전극으로 활용하여 전계를 가함으로써 분극반전 제작을 완료한다. 강유전체 결정 내부의 분극상태를 전환하기 위해서는 외부전계를 가해주어야 하며, 이 전계값은 강유전체 기판에 따라 결정되는 재료상수이다. 예를들어, LiNbO3의 경우 21 [KV/mm]이상의 전계를 가함으로써 분극반전 패턴을 제작할 수 있고, 다른 강유전체 기판으로는 Mg:LiNbO3, Zn:LiNbO3, 혹은 KTP를 사용할 수 있다.
여기서, 분극반전을 위한 전극을 형성하는 방법은 강유전체 기판의 축에 따라 따라 달리 적용될 수 있다. 예를들어, Z-cut 기판에 Z 방향 분극반전을 위한 전극은 기판의 상부와 하부에 제작되어진다. 반면, X-cut 기판에 Z 방향 분극반전을 위한 전극은 기판의 도파로가 형성되어 있는 평면에 평행하게 제작된다.
(3) 전극으로 인한 광도파 손실을 줄이기 위한 박막필름을 형성하는 단계(도 3d)를 살펴보면, 강유전체 기판의 전기광학계수를 이용한 광변조기술을 적용하기 위해서는 상기와 같이 제작된 광도파로 분극반전 유전체 기판위에 광변조를 위한 전극을 제작하여야 한다. 이때, 금속박막을 도파로가 제작되어 있는 강유전체 기판위에 바로 증착할 경우 광도파로에 손실이 발생한다. 이는 광학적으로 투명한 재질의 유전체 박막층을 먼저 도파로위에 제작하고 그 위에 전극을 제작함으로써 해결될 수 있다. 이러한 유전체 박막으로는 SiO2등이 사용될 수 있다. 도 3d에서 상기 설명의 이유로 주기적인 분극반전패턴과 광도파로가 제작되어 있는 강유전체 기판에 유전체 박막을 Sputter등과 같은 증착장비로 제작한 예를 나타낸다(208).
(4) 강유전체 기판이 Z-cut인 경우에서의 전극을 제작하는 단계(도 3e)를 살펴보면, 강유전체 기판에 유전체 절연막이 형성한 후 도 3e와 같이 포토레지스트(209)를 일정한 두께로 균일하게 스핀코팅 한다. 광변조용 전극 패턴이 형성되어 있는 마스크를 노광기에 장착하여 그 패턴이 포토레지스트에 전사되도록 한다. 포토레지스트 현상액을 사용하여 도파로 형상의 포토레지스트를 제거하고 Ti, Cr 또는 Ni-Cr과 같은 시드(Seed)를 접합층(adhesion layer)으로 증착하고 그 위에 다시 Au와 같은 금속을 증착 또는 도금하여 광변조용 전극 제작을 완료한다. 광변조의 구현원리는 다음과 같이 설명된다. 마흐젠더 구조로 되어 있는 광도파로 양단에 서로 다른 방향의 전압을 인가함으로써 강유전체 결정내의 굴절률을 변화시키게 된 다. 이로 인해 마흐 젠더 구조의 상부와 하부 도파로를 진행하는 광원의 위상이 서로 달라지게 된다. 이와같이 상부와 하부를 진행하는 도파로의 광원의 위상을 π만큼 변화시키면 마흐 젠더 구조를 빠져나오면서 서로 상쇄간섭을 일으켜 광의 세기가 없어지도록 할 수 있다.
Figure 112005078262475-pat00003
Figure 112005078262475-pat00004
수학식 3은 굴절률 변화에 따른 위상 변화량을 나타낸다. 또한, 굴절률 변화량은 n(굴절률), r(전기광학계수) 및 E(전계)의 함수로 표현됨을 나타낸다. 수학식 4는 수학식 3의 위상변화량이 π가 되도록 하기 위해서 전극에 가해야할 전압을 나타낸다. 이는 수학식 4와 같이 d(광도파로 크기), L(전극 길이), r(전기광학계수) 및 n(굴절률)로 표현됨을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 광변조 전극은 분극반전된 격자 주기의 50%의 영역에서 전압이 인가되도록 설계될 수 있다. 즉, 강유전체 기판에 + 또는 - 분극반전된 영역중 한쪽에 전압을 인가함으로써 광변조가 가능하게 할 수 있다. 본 발명에서의 전극 구조를 사용함으로써 의사위상정합을 사용한 파장가변기에 광변조 기술을 동일칩상에 구현할 수 있다. 이 경우 별도로 외부 광변조기를 사용하는 문 제를 해결할 수 있다. 따라서, 저가격과 고기능성을 동시에 만족하는 파장가변 레이저를 제작할 수 있다.
(5) 강유전체 기판이 X-cut(또는 Y-cut)인 경우에서의 전극을 제작하는 단계를 살펴보면, 강유전체 기판의 분극방향은 Z-cut의 경우에서와 달리 광도파로와 평행하도록 제작될 수 있다. 이 경우에 광변조 전극 구조는 도 3h에 나타난 바와 같이 광변조 전극이 도파로 사이에 위치한다(214). 이의 제작방법은 (4)단계에서 설명한 바와 동일하다.
(6) 강유전체 기판이 Z-cut인 경우에서의 광변조 전극 구조의 상세도(도 3g)이다.
(7) 강유전체 기판이 X-cut(또는 Y-cut)인 경우에서의 광변조 전극 구조의 상세도(도 3h)이다.
[제2 실시예]
도 4a 및 도 4b는 도 2의 구조를 2개의 구성부로 분리한 실시예를 나타낸다. 즉, 도파로와 분극반전 주기가 융합된 파장가변부와 마흐젠더 구조를 사용하여 제작된 광변조부로 구성되어 있다. 이러한 구조의 장점은 전극구조가 단순하여 광변조 특성 구현이 용이하다. 또한, 마흐젠더 구조의 광도파로를 새로 생성된 파장에 최적화함으로써 도파손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 반면, 이 구조는 도 2와 달리 소자의 길이가 상대적으로 늘어나게 되며 이로 인해 한 웨이퍼당 제작가능한 제품의 수가 대략 절반으로 줄어들게 된다. 즉, 생산단가가 높아지는 단점을 갖 고 있다. 도 4a에서 강유전체 기판(301), 광도파로(302), 마흐젠더 구조(303), 광변조 전극(304) 및 의사위상정합 분극반전(305)을 각각 나타낸다. 도 4b의 경우는 광변조 전극(306)이 광도파로 사이에 위치한다. 이는 앞에서 설명한 바와 같이 강유전체 기판의 결정방향에 따라 광변조 전극의 방향이 달리 적용되는 예를 나타낸다.
본 발명의 또 다른 실시예를 도 5에 도시하였다. 파장가변 레이저를 소형화하고 저가격화하기 위해서는 입력 펌핑광원의 선택이 중요하다. 예를 들어, 이차조화파 생성(Second Harmonic Generation)을 이용하여 녹색 또는 청색 광원을 제작시 필요한 펌핑광원의 파장은 각각의 경우에 있어서 1064nm 또는 970nm 근방의 광원을 필요로 한다. 현재 레이저 다이오드는 600-800nm 영역과 1310nm 또는 1550nm 영역에서 대량생산을 통한 저가격화가 진행되어 왔다. 반면, 1064nm 또는 970nm 영역의 경우 고출력 레이저 다이오드의 제작은 가능하나 그 생산가격이 아직 수백배에 달하고 있다. 이러한 펌핑광원의 가격문제를 해결하기 위해 가장 널리 사용하고 있는 방법이 600-800nm 영역의 저렴한 고출력 레이저 다이오드를 펌핑광원으로 사용하여 고체레이저 물질에 입사함으로써 이득파장을 생성하는 기술이며 이러한 레이저를 DPSSL(diode pumped solid state laser)라 일반적으로 명칭한다. 도 5에서 Zone-A로 표기한 부분이 이러한 구조의 예를 나타낸다. 예를 들어, 1064nm DPSSL의 경우 Zone-A는 808nm 다이오드(401), 초점렌즈(402), 입력반사경(403), 고체레이저 발생매질(404, Nd:YVO4등) 및 출력반사경(405)으로 구성되어 있다. 도 5에서의 같이 펌 핑광원으로 Zone-A(DPSSL)을 적용하고 Zone-B(촛점렌즈, 406)를 사용하여 본 발명에서 제안한 파장가변기인 Zone-C와 최소 광손실을 갖도록 정렬함으로써 저가격의 파장가변 레이저를 제작할 수 있다.
도 6은 도 5에서 설명한 바와 같이 Zone-A의 DPSSL 내부에 분극반전된 강유전체 벌크결정(501)을 삽입하여 DPSSL 내부에서도 파장가변이 발생하도록 한 펌핑광원을 적용하고 그 뒷단에 본 발명에서 제안한 파장가변기를 적용한 소자를 제작할 수 있다. 이 경우 Zone-A에서 출력되는 펌핑광원과 벌크결정에 의해 파장가변된 광원을 동시에 사용할 수 있는 장점을 갖게 된다.
도 7은 다이오드 칩(601)을 플립칩 본딩 기술을 적용하여 본 발명에서 제안한 파장가변기와 접합한 간략한 구조의 파장가변기의 일실시예를 나타낸다.
도 8은 도 5에서 설명한 바와 같이 DPSSL 구조의 펌핑레이저를 적용한 또 다른 실시예를 나타낸다. 하나 이상의 마흐 젠더 광도파로 구조가 형성되어 있으며 이들 각각에 광변조 전극과 서로 다른 주기의 분극 반전 패턴이 형성되어 있는 특징을 갖고 있다(701). 이러한 구조의 경우 광도파로 칩위에 하나 이상의 다이오드 칩을 구성하여 다양한 파장을 동시에 한 칩에서 구현하는 제품을 제작할 수 있다(702). 다이오드 칩은 플립칩 본딩 기술로 집적화할 수도 있으나 외부에 렌즈 또는 파이버 어레이등의 소자를 사용하여 정렬하는 광접속방법이 사용될 수도 있다. 이러한 구조는 다양한 파장을 동시에 생성하고 이를 광변조하는 응용에 적용될 수 있으며 특히, 레이저 디스플레이에 응용할 경우 적, 녹, 청의 삼원색을 동시에 구현하는 단일 소자를 제작하는 기술에 응용될 수 있다.
이러한 적용예를 구체적으로 설명하면, Zone-A의 DPSSL에서 808nm 펌핑광원에 의해 1064nm를 생성하고 Zone-B 앞단에 일부 808nm와 새로이 생성된 1064nm 광원이 출력된다. 이 두 광원은 다시 Zone-B를 통과하면서 1064nm 광원을 파워분할하여 일부는 직진하여 두번째 마흐 젠더 광도파로에 집속되고, 나머지는 반사되어 첫번째 마흐 젠더 광도파로에 집속된다. 이는 파워분할 광필터 등에 의해 구현될 수 있다. 첫번째 마흐 젠더 광도파로에 집속된 1064nm 광원은 이차조화파 생성을 위한 분극반전이 된 강유전체 도파로를 지나면서 532nm 녹색 광원으로 파장변환이 된다. 또한, 두번째 마흐 젠더 광도파로에 집속된 1064nm 광원은 광도파로 접속되어 있는 다이오드 레이저(702)의 808nm 광원과 함께 합주파수생성 파장가변기를 지나면서 460nm의 청색 광원으로 파장변환이 된다. 이때 808nm 광원을 별도로 사용하지 않고 Zone-A에서 출력되는 DPSSL 펌핑광원으로 사용된 808nm를 Zone-B에 파장분할 필터를 추가하여 광도파로 커플러에 집속함으로써 구현될 수도 있다. 이 경우 별도의 808nm 다이오드 레이저를 사용하지 않아도 되는 장점을 갖게 된다. 세 번째 마흐 젠더 광도파로에는 적색 다이오드 레이저를 바로 적용할 수 있다. 이로써 적, 녹, 청색의 레이저 광원을 한 소자에 집적화가 가능하며 또한, 동시에 광변조 기술을 적용함으로써 레이저 디스플레이 제품 제작이 가능하도록 구성될 수 있다. 이러한 파장가변기 구조는 디스플레이용 소자 제작의 응용뿐만 아니라 Zone-A의 펌핑 파장을 변화시키고 Zone-B의 파장분할기 및 Zone-C의 하나이상의 다이오드 레이저와 광변조기와 광도파로가 집적화된 강유전체 분극반전 기판을 필요한 응용 파장에 따라 달리 설계하여 적용함으로써 다양한 분야에 필요한 소자를 제작할 수 있는 장점을 갖고 있다.
도 9는 도 6에서 설명한 바와 같이 Zone-A의 DPSSL 내부에 분극반전된 강유전체 벌크결정(501)을 삽입하여 DPSSL 내부에서도 파장가변이 발생하도록 한 펌핑광원을 적용하고 그 뒷단에 본 발명에서 제안한 하나 이상의 마흐 젠더 광도파로 구조를 적용한 파장가변기의 실시예를 나타낸다. 이러한 소자 구조는 도 8에서 설명한 바와 동일한 응용이 가능하다. 반면, 도 9와 차이점은 Zone-A에서 생성되는 파장이 DPSSL의 펌핑파장과 벌크결정에서 생성된 합 또는 차주파수생성에 의해 발생된 광원이 출력되며 이를 이용하여 본 발명에서 제안된 기술에 적용하여 다양한 파장을 동시에 구현하고 이를 광변조하는 기술에 대한 적용 실시예를 나타낸다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명의 광도파로와 광변조 전극이 융합된 파장가변기는 강유전체 결정의 비선형 특성을 이용한 파장가변기를 제작함에 있어 광도파로를 적용하여 광이 통과하는 경로를 수 마이크로 영역에 한정함으로써 비선형 효율을 극대화하고 파장가변기의 문턱 펌핑파워를 수 mW로 낮출 수 있다. 광도파로를 적용하는 경우, 펌핑 입력 광원으로 저가의 레이저 다이오드를 적용할 수 있는 장점을 갖게 된다. 광도파 로가 형성된 비선형 결정에 의사위상정합 주기를 제작하고 이에 특수한 구조의 전극을 형성함으로써 광변조와 파장가변이 동일칩에서 구현이 가능한 효과가 있다. 또한 펌핑광원으로 다이오드 칩을 직접 정렬하고 본딩하는 구조를 적용함으로써 대량생산과 초소형 파장가변 레이저 제작이 가능하다.

Claims (8)

  1. 비선형 매질인 웨이퍼 강유전체 결정;
    상기 강유전체 결정에 펌핑 광원으로부터 출력되는 광이 통과할 수 있는 광도파로 - 상기 광도파로는 분기되고, 분기된 광도파로에 전계를 가함으로써 위상이 변환되어 출력파워가 변조될 수 있도록 하는 적어도 하나 이상의 마흐 젠더 구조를 가짐-;
    상기 강유전체 결정 내부에 연속적으로 형성된 복수의 분극 반전 패턴; 및
    상기 복수의 분극 반전 패턴상에 위상변조를 위하여 형성된 유전체 박막과 광변조 전극
    을 포함하는 파장가변기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분극반전 패턴은 의사위상정합(QPM)을 위한 것이며, 입력 펌핑광원과 출력광원의 파장에 따라 적어도 하나 이상의 주기를 포함하는 파장가변기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광변조 전극은 강유전체 기판에 분극 반전된 격자 주기의 50%의 영역인 + 또는 - 분극 반전된 영역중 한쪽만 전압을 인가함으로써 광변조가 가능한 것을 것을 특징으로 하는 파장가변기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광변조 전극은 강유전체 기판에 분극 반전된 격자 주기의 앞단 또는 뒷단에 위치하여 파장변환과 광변조가 발생하는 것을 특징으로 하는 파장가변기.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체 기판은 LiNbO3, LiTaO3, Mg:LiNbO3, Zn:LiNbO3 혹은 KTP의 단결정기판인 것을 특징으로 하는 파장가변기.
  6. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌핑 광원은
    다이오드; 초점렌즈; 입력반사경; 고체상태의 레이저 발생 매질; 및 출력반사경을 포함하는 파장가변기.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 펌핑 광원은
    상기 고체상태의 레이저 발생 매질과 출력반사경 사이에 강유전체 벌크 결정을 더 포함하는 파장가변기.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 펌핑 광원은
    상기 출력반사경과 광도파로 사이에 파장분할필터를 더 포함하는 파장가변기.
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