KR100878978B1 - Method of Manufacturing Periodic Poled Lithium Niobate Waveguide Device - Google Patents

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Abstract

비선형 특성을 가지는 PPLN(Periodic Poled Lithium Niobate) 도파로 소자의 제조 방법이 개시된다. PPLN에 극초단 레이저를 조사하여 내부에 도파로를 형성한다. 가공 장치를 이용하여 구동 스테이지를 이동하며, 레이저는 PPLN의 소정영역에 조사된다. 조사되는 레이저 광원의 펄스 세기를 조절하여 PPLN 내부에 형성된 도파로의 굴절율을 조절한다. 또한, 레이저의 세기, 빔의 사이즈, 초점 거리 등의 가공 조건을 조절하여 도파로의 굴절율 변화량과 형상을 조절할 수 있다.Disclosed is a method of manufacturing a PPLN (Periodic Poled Lithium Niobate) waveguide device having nonlinear characteristics. Ultra-short laser is irradiated to PPLN to form waveguide inside. The driving stage is moved using a processing apparatus, and a laser is irradiated to a predetermined region of the PPLN. By adjusting the pulse intensity of the irradiated laser light source to adjust the refractive index of the waveguide formed inside the PPLN. In addition, by adjusting the processing conditions such as the intensity of the laser, the size of the beam, the focal length, it is possible to adjust the amount and shape of the refractive index change of the waveguide.

Description

레이저를 이용한 피피엘엔 도파로 소자의 제조 방법{Method of Manufacturing Periodic Poled Lithium Niobate Waveguide Device}Method for manufacturing PPIEL waveguide device using laser {Method of Manufacturing Periodic Poled Lithium Niobate Waveguide Device}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 레이저를 이용한 PPLN 도파로 소자 제조장치의 일예를 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing an example of a PPLN waveguide device manufacturing apparatus using a laser according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 PPLN 도파로 소자의 측정사진이다.2 is a measurement photograph of a PPLN waveguide device according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 상기 극초단 펄스 레이저에 의해서 제작된 PPLN 도파로 소자를 이용한 2차 조화파 발생 실험 장치도이다.3 is a second harmonic wave generation experiment apparatus using the PPLN waveguide device manufactured by the ultra-short pulse laser.

도 4는 상기 도3의 2차 조화파 발생 실험 장치에서 외부공진기 레이저(400)의 파장을 변화 시켜, 측정한 2차 조화파 곡선이다. 4 is a second harmonic curve measured by varying the wavelength of the external resonator laser 400 in the second harmonic wave generation experiment apparatus of FIG.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100 : 레이저 광원 120 : 빔 전송계100: laser light source 120: beam transmission system

140 : 빔 분배기 160 : 집광기140: beam splitter 160: condenser

180 : 구동 스테이지 180: drive stage

200 : PPLN(Periodic Poled Lithium Niobate)200: PPLN (Periodic Poled Lithium Niobate)

210 : CCD 카메라 300 : PPLN 소자210: CCD camera 300: PPLN element

310 : PPLN 도파로 400 : 외부공진기 레이저310: PPLN waveguide 400: external resonator laser

410 : 컴퓨터 420 : 편광유지 광섬유410: computer 420: polarization maintaining optical fiber

430 : 렌즈 440 : 실리콘 detector430 lens 440 silicon detector

본 발명은 도파로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 이용한 도파로소자의 제작에 관한 것이다.The present invention relates to a waveguide, and more particularly to the manufacture of a waveguide device using a laser.

1990년대 초반 개발된 주기적 분극 반전 기술의 발전은 비선형 광학 연구의 새로운 전기를 마련하였다. 실온에서의 재현성있는 주기적 분극 반전 기술 개발은 1962년 암스트롱(Armstrong)등에 의해 제안된 준위상 정합(QPM: quasi-phase matching) 기술을 실현 가능하게 하였고, 특히 높은 비선형 계수에도 불구하고 분산 (dispersion)의 문제로 인해 사용되지 못하고 있던 LiNbO3의 비선형 계수 성분 d 33 의 이용을 가능케 하여, LiNbO3를 가장 많이 생산, 소비되는 비선형 광학 물질의 위치에 오르게 하였다. The development of periodic polarization reversal technology, developed in the early 1990s, paved the way for nonlinear optical research. The development of reproducible periodic polarization reversal techniques at room temperature enabled the quasi-phase matching (QPM) technique proposed by Armstrong et al. In 1962, especially in spite of high nonlinear coefficients. The use of the nonlinear coefficient component d 33 of LiNbO 3 , which had not been used due to the problem, was enabled, leading to the position of the non-linear optical material that is most produced and consumed LiNbO 3 .

최근에는 LiNbO3를 이용한 비선형 광학 집적소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. LiNbO3 집적소자는 도파로, 미세전극 등의 집적을 이용하여 소자의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 벌크(bulk) 비선형 소자에 비해 월등히 높은 비선형 효율을 가진다. 이러한 고효율 비선형 광학 집적 소자의 개발은 효율적인 광도파로 제작 기술에 의해 가능하였다. LiNbO3 사용되는 광도파 기술은 크게 APE(annealed proton exchange) 도파로와 티타늄(Ti: titanium) 확산 도파로가 있으며, 이중 Ti 확산 도파로는 TE와 TM 파를 동시에 도파할 수 있는 특성으로 인하여 비선형 광학 뿐만 아니라, 전기광학을 이용하는 여러 소자에 널리 이용되고 있다.Recently, research on nonlinear optical integrated devices using LiNbO 3 has been actively conducted. LiNbO 3 An integrated device can reduce the size of the device by using an integration of a waveguide, a microelectrode, etc., and has a significantly higher nonlinear efficiency than a bulk nonlinear device. The development of such high efficiency nonlinear optical integrated devices has been made possible by efficient optical waveguide fabrication technology. LiNbO 3 on The optical waveguide technology used is mainly an annealed proton exchange (APE) waveguide and a titanium diffusion waveguide, and the dual Ti diffusion waveguide can simultaneously wave TE and TM waves, and thus not only the nonlinear optical It is widely used for various elements using optical.

주기적으로 분극 반전된 Ti:LiNbO3 (Ti:PPLN: titanium-indiffused periodically poled LiNbO3) 도파로 소자는 다른 종류의 전광 신호 처리 소자들에 비해 데이터의 전송 속도나 형태에 독립적인 변환 효율, 낮은 cross talk과 광통신 파장대역에서 높은 투과도 등, 광섬유 통신에서 요구되는 많은 조건들을 충족시킬 수 있는 장점들을 가지고 있다. Ti:PPLN 도파로 소자를 이용한 전광 신호 처리 분야는 자기위상 변조와 펄스 압축 (self phase modulation and pulse compression), 광 샘플링 (optical sampling), 광매개 증폭 (optical parametric amplification), 광 코드분할 다중화 접속 (OCDMA), 파장변환 (wavelength conversion), 광 게이트 스위치 (optical gate switch), 양자정보처리 등에 걸처 매우 다양하다. Periodically polarized inverted Ti: LiNbO 3 (Ti: PPLN: titanium-indiffused periodically poled LiNbO 3 ) Waveguide devices have a higher conversion rate and form-independent conversion efficiency than other types of all-optical signal processing devices, such as low cross talk and high transmittance in the optical communication wavelength band. It has the advantages of meeting many of the requirements for fiber optic communications. All-optical signal processing using Ti: PPLN waveguide devices includes self phase modulation and pulse compression, optical sampling, optical parametric amplification, and optical code division multiplexing (OCDMA). ), Wavelength conversion, optical gate switch, and quantum information processing.

일반적인 Ti:PPLN 도파로 소자 제작은 0.5 mm 두께, 4” 직경을 가진 Z-cut LiNbO3 웨이퍼의 -c 면에 X-축을 따라 폭 7 m 의 Ti-stripe을 사진석판기술을 이용하여 만든 다음, 8.5 시간동안 1060℃에서 확산시켜 채널형 도파로를 제작한다. Ti 확산 중 발생하는 +c 면의 얇은 도메인 반전 층을 제거한 후에, LiNbO3의 분극 방향 을 반전시켜 Ti 도파로를 +c 면에 위치시킨 다음, 주기적인 포토리지스트 (photoresist) 패턴과 액체 전극 기술(liquid electric technique)을 이용하여 주기적 분극을 만든다. 일반적으로 분극 반전에 필요한 전압과 자발 분극은 각각 21 kV/mm 와 78 μC/cm2 정도이다. 최종적으로 전기적 분극 유도 도중 발생한 스트레스를 열처리 (annealing)를 통하여 제거한다. 최근 발전된 분극 반전 기술은 Ti:PPLN 도파로 소자의 2차 조화파 효율을 수천%/W 까지 끌어 올렸다. Ti 도파로는 일반적으로 4x5 μm2 의 단면적을 가지며, 광섬유를 이용하여 커플링 시킬 경우 -5 dB 이하의 손실을 가진다.A typical Ti: PPLN waveguide device is fabricated using photolithography with a Ti-stripe 7 m wide along the X-axis on the -c side of a 0.5 mm thick, 4 ”Z-cut LiNbO 3 wafer. Diffusion at 1060 ℃ for a time to produce a channel waveguide. After removing the thin domain inversion layer of the + c plane generated during Ti diffusion, the polarization direction of LiNbO 3 is reversed to place the Ti waveguide on the + c plane, followed by a periodic photoresist pattern and liquid electrode technology ( Periodic polarization is made using the liquid electric technique. In general, the voltage and spontaneous polarization required for polarization reversal are around 21 kV / mm and 78 μC / cm 2 , respectively. Finally, stress generated during the induction of electrical polarization is removed by annealing. Recent advances in polarization reversal technology have boosted the second harmonic efficiency of Ti: PPLN waveguide devices to thousands of percent / W. Ti waveguides generally have a cross-sectional area of 4x5 μm 2 and losses of less than -5 dB when coupled using optical fibers.

종래의 상기 APE(annealed proton exchange)와 티타늄(Ti: titanium) 확산 PPLN 도파로 제작은 공정이 복잡하고 3차원 소자 제작이 어렵다는 문제점이 있다.The fabrication of the conventional annealed proton exchange (APE) and titanium (Ti: titanium) diffusion PPLN waveguides has a problem in that the process is complicated and the production of three-dimensional devices is difficult.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 극초단 펄스 레이저를 이용하여 PPLN 도파로 소자를 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a manufacturing method capable of manufacturing a PPLN waveguide device using an ultra-short pulse laser.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 극초단 펄스 레이저를 발생하는 단계; 및 상기 극초단 펄스 레이저를 PPLN 내부에 조사하여 굴절율 변화를 유도하여 도파로를 형성하되, 상기 PPLN 에 도파로 소자를 이용하여 2차 조화파를 발생하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 PPLN 도파로 소자의 제조 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object, the step of generating an ultra-short pulse laser; And irradiating the ultra-short pulsed laser into the PPLN to induce a change in refractive index to form a waveguide, but generating a second harmonic wave using the waveguide device on the PPLN. To provide.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예Example

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 레이저를 이용한 PPLN 도파로 소자 제조장치의 일예를 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing an example of a PPLN waveguide device manufacturing apparatus using a laser according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, PPLN 도파로 소자 제조장치는 레이저 광원(100), 빔 전송계(120), 빔 분배기(140), 집광기(160) 및 구동 스테이지(180)로 구성된다.Referring to FIG. 1, the PPLN waveguide device manufacturing apparatus includes a laser light source 100, a beam transmission system 120, a beam splitter 140, a light collector 160, and a driving stage 180.

상기 레이저 광원(100)은 극초단 펄스 레이저를 사용함이 바람직하다. 본 발명에서는 레이저 광원(100)을 785nm, 1W, 184fs, 1kHz의 사양을 가지는 펨토초 레이저(femtosecond laser)를 사용하였다.The laser light source 100 preferably uses an ultra-short pulse laser. In the present invention, a femtosecond laser having a specification of 785 nm, 1 W, 184 fs, and 1 kHz is used for the laser light source 100.

레이저 광원(100)으로부터 발생되는 펄스 레이저는 빔 전송계(120)로 입사된다. 상기 빔 전송계(120)는 펄스 레이저의 광학계와 제어를 위한 장치들을 가진다. The pulse laser generated from the laser light source 100 is incident to the beam transmission system 120. The beam transmission system 120 has optical systems and devices for controlling the pulse laser.

빔 전송계(120)를 통과한 펄스 레이저는 빔 분배기(140)로 입사된다. 빔 분배기(140)는 입사되는 펄스 레이저를 반사하여 집광기(160)에 입사시키고, 카메라(210)가 필름(200)의 가공 상태를 확인할 수 있도록 가시광은 투과시킨다. The pulse laser beam passing through the beam transmission system 120 is incident to the beam splitter 140. The beam splitter 140 reflects the incident pulse laser to the light collector 160, and transmits visible light so that the camera 210 can check the processing state of the film 200.

집광기(160)는 빔 분배기(140)로부터 입사되는 펄스 레이저를 집광하여 가공물인 PPLN(200) 내부에 펄스 레이저를 조사한다.The collector 160 collects the pulsed laser beam incident from the beam splitter 140 and irradiates the pulsed laser beam into the PPLN 200, which is a workpiece.

집광기(160)로부터 펄스 레이저가 필름(200)에 조사될 때, 스테이지(180)는 연속적으로 이동하는 동작을 수행한다. 스테이지(180)의 이동에 의해 PPLN 도파로가 연속적으로 형성된다. 즉, 극초단 펄스 레이저를 조사하여 굴절률 변화를 유도 하여 PPLN 내부에 3차원 도파로를 형성할 수 있다. 따라서, 극초단 펄스 레이저를 지속적으로 조사하고, 스테이지(180)를 일정한 속도로 이동시키는 경우, 가공물인 PPLN(200) 내부에 일정한 크기의 도파로가 형성된다.When the pulse laser is irradiated from the light collector 160 onto the film 200, the stage 180 performs a continuous moving operation. The PPLN waveguide is continuously formed by the movement of the stage 180. That is, a three-dimensional waveguide can be formed inside the PPLN by inducing a refractive index change by irradiating an ultra-short pulse laser. Therefore, when continuously irradiating the ultra-short pulse laser and moving the stage 180 at a constant speed, a waveguide having a constant size is formed inside the PPLN 200 which is a workpiece.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 PPLN 도파로 소자의 측정사진이다.2 is a measurement photograph of a PPLN waveguide device according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 상기 도 1에서 스테이지의 이송 속도를 20 um/s로 하여 펨토초 레이저(1 kHz, 184 fs, 0.5 mJ @ 785 nm) 빔을 20배의 대물렌즈 (0.4 NA)로 집속하여 4.7 um의 폭을 갖는 도파로를 PPLN 표면에서 20 um 깊이에 형성하였다. 도파로 소자의 길이는 44.8 mm 였고, 도파로 전체 손실은 1550 nm의 TM 편광에서 -12.9 dB 였다. 또한 도파로의 모드 크기는 11.7 ㎛ X 8.7 ㎛ (FWHM) 로 측정되었다.Referring to FIG. 2, a femtosecond laser (1 kHz, 184 fs, 0.5 mJ @ 785 nm) beam is focused on a 20 times objective lens (0.4 NA) at a feed rate of 20 um / s of the stage in FIG. 1. A waveguide with a width of 4.7 um was formed at a depth of 20 um on the PPLN surface. The waveguide element was 44.8 mm long and the total waveguide loss was -12.9 dB at TM polarization at 1550 nm. The mode size of the waveguide was also measured to be 11.7 μm × 8.7 μm (FWHM).

본 발명에서는 레이저 광원의 펄스 세기를 조절하여 PPLN 내부에 형성된 도파로의 굴절률 변화량을 제어할 수 있다. 또한, 도파로를 일정 간격으로 겹쳐 제작함으로써 도파로의 폭도 제어할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 극초단 펄스 레이저를 이용하여 PPLN 도파로 소자를 제작하는 경우, 레이저의 세기, 빔의 사이즈, 초점 거리 등의 가공 조건을 조절하여 도파로의 굴절률 변화량과 형상을 조절할 수 있다.In the present invention, the amount of change in the refractive index of the waveguide formed inside the PPLN may be controlled by adjusting the pulse intensity of the laser light source. In addition, the width of the waveguide can be controlled by superimposing the waveguides at regular intervals. As described above, when the PPLN waveguide device is manufactured using the ultra-short pulse laser of the present invention, the processing conditions such as the intensity of the laser, the size of the beam, and the focal length may be adjusted to adjust the amount and shape of the refractive index change of the waveguide.

도 3은 상기 극초단 펄스 레이저에 의해서 제작된 PPLN 도파로 소자를 이용한 2차 조화파 발생 실험 장치도이다.3 is a second harmonic wave generation experiment apparatus using the PPLN waveguide device manufactured by the ultra-short pulse laser.

외부공진기 레이저(400)의 출력과 파장은 컴퓨터(410)로 제어되었고, 이때 샘플에 입사되는 빔의 편광은 리튬나오베이트(LN)의 2차 비선형 계수 d 33 의 효과를 극대화 하기위해 TM 편광(420)으로 고정되었다. 발생된 2차 조화파는 10배의 대물렌즈(430)와 실리콘 detector(440)를 이용하여 측정하였다.The output and wavelength of the external resonator laser 400 were controlled by the computer 410, where the polarization of the beam incident on the sample was the secondary nonlinear coefficient d 33 of lithium naobate (LN). In order to maximize the effect of the TM polarized light (420) was fixed. The generated second harmonic wave was measured using a 10-fold objective lens 430 and a silicon detector 440.

도 4는 상기 도3의 2차 조화파 발생 실험 장치에서 외부공진기 레이저(400)의 파장을 변화 시켜, 측정한 2차 조화파 곡선이다. 4 is a second harmonic curve measured by varying the wavelength of the external resonator laser 400 in the second harmonic wave generation experiment apparatus of FIG.

2차 조화파의 반치폭 (FWHM)은 약 0.25 nm 였고, 이와 같은 좁은 대역폭은 2차 조화파가 PPLN 도파로 길이 전체에서 발생하였다는 것을 나타낸다. 펨토초 레이저로 제작된 상기 PPLN 도파로 소자에서는 상기 도 4에서 볼 수 있는바와 같이 1560 nm 대에서 2차 조화파가 발생하였다.The full width at half maximum (FWHM) of the second harmonic wave was about 0.25 nm, indicating that this narrow bandwidth occurred throughout the length of the PPLN waveguide. In the PPLN waveguide device fabricated with a femtosecond laser, as shown in FIG. 4, a second harmonic wave is generated in the 1560 nm band.

PPLN 도파로 소자에서 발생되는 2차 조화파는 상기 PPLN 도파로 소자가 비선형 특성을 가지는 지를 알 수 있는 중요한 파라미터가 된다. 즉, 2차 조화파가 발생되는 경우, PPLN 도파로 소자는 목적하는 비선형 특성을 가짐을 알 수 있으며, 2차 조화파의 크기가 큰 경우, PPLN 도파로 소자가 양질의 비선형 특성을 가짐을 나타낸다.The second harmonic wave generated in the PPLN waveguide device is an important parameter to know whether the PPLN waveguide device has nonlinear characteristics. That is, when the second harmonic wave is generated, it can be seen that the PPLN waveguide device has a desired nonlinear characteristic, and when the magnitude of the second harmonic wave is large, the PPLN waveguide device has a good nonlinear characteristic.

본 발명에 따르면, 극초단 펄스 레이저를 이용하여 PPLN 도파로 소자를 형성한다. 또한, 레이저 광원의 펄스 세기를 조절하여 PPLN 내부에 형성된 도파로의 굴절률 변화량을 제어할 수 있다. 따라서, PPLN 도파로 소자를 용이하게 형성할 수 있다.According to the present invention, a PPLN waveguide device is formed by using an ultra-short pulse laser. In addition, the amount of change in the refractive index of the waveguide formed inside the PPLN may be controlled by adjusting the pulse intensity of the laser light source. Therefore, the PPLN waveguide device can be easily formed.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 비선형 특성을 가지는 PPLN 도파로는 극초단 펄스 레이저를 이용하여 PPLN 내부에 도파로를 형성할 수 있다. 따라서, 기존의 방법에 비해 매우 간단한 방법으로 비선형 PPLN 도파로 소자를 제작할 수 있다.According to the present invention as described above, a PPLN waveguide having a nonlinear characteristic can form a waveguide inside the PPLN using an ultra-short pulse laser. Therefore, it is possible to fabricate the nonlinear PPLN waveguide device in a very simple method compared to the conventional method.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

Claims (3)

극초단 펄스 레이저인 펨토초 레이저를 발생하는 단계; 및Generating a femtosecond laser which is an ultra-short pulse laser; And 상기 펨토초 레이저를 PPLN 내부에 조사하여 굴절율 변화를 유도하여 도파로를 형성하되,Irradiating the femtosecond laser inside the PPLN to induce a change in refractive index to form a waveguide, 상기 PPLN 에 도파로 소자를 이용하여 2차 조화파를 발생하고,Generating a second harmonic wave using a waveguide element in the PPLN; 상기 도파로를 일정 간격으로 겹쳐 제작하여 상기 도파로의 폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 PPLN 도파로 소자의 제조 방법.The method of manufacturing a PPLN waveguide device, characterized in that for controlling the width of the waveguide by overlapping the waveguide at a predetermined interval. 제1항에 있어서, 상기 펨토초 레이저의 펄스 세기를 조절하여 상기 PPLN 내부에 형성된 도파로의 굴절율을 제어하는 것을 특징으로 하는 PPLN 도파로 소자의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the refractive index of the waveguide formed inside the PPLN is controlled by adjusting a pulse intensity of the femtosecond laser. 삭제delete
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