KR100923458B1 - 광파장 변환 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파장 변환 효율을 높일 수 있는 광도파로 구조를 가진 광파장 변환 소자 및 그 제조 방법에 대한 것으로서, 기판의 두께 편차의 기울기 방향에 수직인 방향으로 형성된 복수의 광도파로 및 상기 복수의 광도파로 중 일부 또는 전부의 표면에 형성되는 굴절률 제어 박막층을 포함한다.

광도파로, 광파장 변환, 두께 편차, 굴절률 제어

Description

광파장 변환 소자 및 그 제조 방법{A optical wavelength converter apparatus and a method thereof}

본 발명은 광파장 변환 소자 및 그 제조 방법에 대한 것으로서 특히, 파장 변환 효율을 높일 수 있는 광도파로 구조를 가진 광파장 변환 소자 및 그 제조 방법에 대한 것이다.

분극반전된 비선형 칩을 사용한 레이저 광원 기술은 다양한 방법으로 접근이 시도되고 있다. 예를 들어 차주파수(Difference Frequency Mixig), 합주파수(Sum Frequency Mixing), 또는 광매개공진기(Optical Parametric Oscillator) 디바이스를 제작할 수 있다. 이 중에서도 가시광 대역의 파장 광원을 제작하기 위해서는 합주파수의 특수한 형태인 2차조화파 생성 기술이 적용이 된다. 이는 낮은 주파수를 갖는 펌핑광원이 비선형 특성을 갖는 분극반전된 광도파에 입사된 후 변환되어 2배수의 주파수를 갖는 광원으로 변환되는 기술을 말한다. 이론적으로는 입사되는 펌핑광원의 제곱과 비선형 칩의 길이의 제곱에 비례하여 2차조화파 광원의 파워가 결 정되지만 도파 손실 및 흡수손실 및 광접속 손실등으로 인해 100%의 변환효율을 가질 수 없게 된다. 비선형을 이용한 2차 조화파 생성 기술은 다양한 문헌에서 언급이 되고 있다.

비선형을 이용한 파장가변의 의사위상정합 주기는 생성할 목표 파장과 파장가변기에 적용되는 온도 및 입력 펌핑 광원의 파장을 적용하여 결정된다. 의사위상정합(Quasi Phase Matching) 주기의 결정은 간략하게 다음의 1)과 2)식에 의해 결정될 수 있다.

여기서 n은 굴절률, λp는 펌핑광원의 파장, λs는 시그널 광원의 파장, λi는 아이들러 광원의 파장, ∧g는 분극반전 주기, m은 의사위상정합 차수 및 △k는 위상차를 나타낸다. 여기서, 2차조화파 생성은 λs와 λi가 같은 파장을 갖고 있으며 이 파장을 입력 펌핑광원으로 사용하여 λp의 새로운 파장을 생성하는 특수한 경우에 해당된다. 상기 2)식에서와 같이 파장을 고정하고 분극반전 주기를 고정하고 △k를 0이 되게 하기 위해서는 굴절률이 조절되어야 함을 알 수 있다. 이러한 굴절률 조절을 위해 소자의 온도를 제어하는 방법이 사용된다.

또한, 비선형 변환 효율 이론식에서와 같이 위상차 △k는 비선형 변환효율에 Sin(△k)²/△k² 의 기울기로 변화를 주게 된다. 따라서, 광이 진행하는 길이 방향으로 도파로의 형상이 바뀌도록 소자가 제작될 경우 △k는 0이 아닌 구간이 늘어남에 따라 진행방향에 따른 비선형 변환효율이 줄어들게 된다.

도파로형 소자를 제작함에 있어 정밀하게 가공 공정을 수행하더라도 기판의 위치에 따른 두께 변화를 소자의 특성에 무관할 정도의 값으로 줄이는 것은 거의 불가능하다. 이러한 기판의 두께 변화에 따른 기판 표면 경사로 인해 기판상에 형성되는 광도파로는 광이 진행하는 길이 방향으로 형상이 바뀌게 되어 소자의 변환 효율을 현저히 저하시키게 된다.

아울러 광도파로가 광이 진행하는 길이 방향으로 형상이 바뀌게 된다면 굴절률 조절을 위한 최적화된 소자의 온도 범위도 넓어지게 되어 온도 제어에 의한 굴절률 조절에도 한계가 있게 된다.

본 발명의 목적은 광도파로의 길이방향에 대한 도파로 형상 변화를 최소화하여 광파장 변환 효율을 높일 수 있는 광도파로 구조를 가지는 광파장 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 광도파로에 대한 굴절률 변환 박막층을 더 포함하여 최종 제작된 소자의 사용온도 변화 범위를 50% 이상 줄여 광파장 변환 효율을 극대화할 수 있는 광파장 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 상기 목적은 기판의 두께 편차의 기울기 방향에 수직인 방향으로 형성된 복수의 광도파로 및 상기 복수의 광도파로 중 일부 또는 전부의 표면에 형성되는 굴절률 제어 박막층을 포함하는 광파장 변환 소자에 의해 달성된다. 이때 굴절률 제어 박막층은 상기 기판의 두께에 따라 둘 이상의 영역으로 나뉘고, 상기 각 영역의 상기 굴절률 제어 박막층을 이루는 물질이 각각 다르도록 형성할 수 있다. 이러한 굴절률 제어 박막층은, 상기 기판의 두께 편차의 기울기의 아래 방향으로 점차 저굴절률 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 굴절률 제어 박막층은 상기 기판의 두께가 가장 얇은 부분의 영역에서는 형성되지 않거나 저굴절률 물질로 형성되고, 상기 기판의 두께가 가장 두꺼운 영역에서는 고굴절률 물질로 형성될 수 있다. 굴절률 제어 박막층은 상기 기판의 두께가 가장 얇은 영역과 상기 기판의 두 께가 가장 두꺼운 영역의 사이에의 중간 영역은 적어도 하나 이상의 영역으로 나뉠 수 있으며 중간 굴절률 물질로 형성될 수 있다. 중간 영역은 복수의 영역일 수 있으며, 이 경우 중간 영역들은 기판의 두께가 두꺼워지는 영역일수록 상기 중간 굴절률 물질의 굴절률이 높아지는 것이 바람직하다. 굴절률 제어 박막층이 하나 이상의 영역으로 나뉠 경우 그 영역의 수는 기판 두께 편차의 기울기가 커질수록 많아지는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적은 광파장 변환 소자를 형성하기 위한 기판을 준비하는 기판 준비 단계, 상기 기판의 두께를 측정하여 두께 편차의 기울기 및 방향을 결정하는 두께 측정 단계, 상기 기판에 분극반전영역을 형성하는 분극반전영역 형성 단계 및 상기 두께 편차의 기울기 방향에 대해 수직으로 적어도 하나 이상의 광도파로를 형성하는 광도파로 형성 단계를 포함하는 광파장 변환 소자 제조 방법에 의해 달성된다.

광도파로가 복수인 경우 상기 광도파로 형성 단계 이후에 상기 광도파로 중 일부 또는 전부의 표면에 굴절률 제어 박막층을 형성하는 박막층 형성 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 박막층 형성 단계에서 상기 굴절률 제어 박막층은 상기 기판의 두께에 따라 둘 이상의 영역으로 나뉠 수 있으며, 상기 각 영역의 상기 굴절률 제어 박막층을 이루는 물질이 각각 다르도록 형성되는 것이 바람직하다. 이때 박막층 형성 단계는 상기 굴절률 제어 박막층의 각 영역을 위한 각각의 마스크를 사용하여 상기 각 영역을 순차적으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 광파장 변환 소자 및 그 제조 방법은 광 도파로의 길이방향에 대한 도파로 형상 변화를 최소화하여 광파장 변환 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 이때 광파장 변환 효율 증대에 따라 동일파워 광출력 소자를 제작함에 있어 펌핑광원의 소비 전력이 작아지고 펌핑광원의 사용 수명이 증대되는 효과를 갖게 된다.

또한 본 발명에 따른 광파장 변환 소자 및 그 제조 방법은 박막층 형성에 의해 최종 제작된 소자의 사용온도 변화 범위를 50% 이상 줄여 광파장 변환 효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 광파장 변환 소자의 측면도이다. 기판(101)은 준비 단계에서의 가공 공정에서 일정한 표면 경사를 갖게 되며, 광도파로(102)는 기판(101) 표면의 경사에 대해 수직인 방향으로 형성된다. 이때 각 도파로들(102)은 기판(101)의 경사로 인해 서로 간에 높이 차가 발생될 수는 있으나, 도파로(102) 각각에서는 광이 진행되는 방향으로 도파로(102)의 높이가 변화하지 않는다. 이를 통해 광도파로(102)의 길이방향에 대한 형상 변화를 최소화할 수 있게 되어 광파장 변환 소자의 변환효율이 극대화된다.

도 1b은 도 1a의 각 도파로(102) 상에 굴절률 제어 박막층(103)을 형성한 구조의 측면도이다. 도 1a에서 기판(101)의 두께 조절을 도파로의 단면 방향으로 형 성함에 따라 광파장 변환 변환효율은 극대화되지만 이로 인해 각 도파로(102)간의 파장가변 최적화 위상정합 사용온도 범위가 증가하는 문제점을 갖게 된다. 파장가변 최적화를 위한 위상정합 온도는 도파로(102)의 형상에 따라 다르며 이로 인해 최종 제작된 소자의 사용온도를 달리 적용해야되는 문제점을 갖게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 도 1b와 같이 도파로(102) 상부에 서로 다른 임의의 굴절률을 갖는 A, B, C 박막층(103)을 형성하여 도파로(102)에서 진행되는 광의 유효 인덱스를 변화시킬 수 있다. 이 박막층(103)에 의한 도파로(102)의 유효 인덱스 변화 효과는 최종 제작된 소자의 사용온도 변화 범위를 50%(예를 들어, 30℃~50℃의 사용온도 범위를 30℃~40℃의 범위로 제작) 이상 줄일 수 있는 효과를 갖게 한다. 도 1b에서 A는 air 또는 MgF₂ 등과 같은 저굴절률을 가지는 물질이 적용될 수 있으며, B는 SiO₂등과 같은 중굴절률을 가지는 물질이 적용될 수 있고, C는 Ta₂O₅, TiO₂, Nb₂O₅ 등과 같은 고굴절률을 가지는 물질이 적용될 수 있다. 도 1b는 예시적인 것으로서 실제적으로 A, B, C 박막층(103) 물질의 선택은 도파로(102)의 높이 차이 정도에 따라 달리 적용될 수 있다. 또한 높이 차이가 적은 경우 2가지의 박막층(103)만을 형성할 수도 있으며, 이와 반대로 높이 차이가 큰 경우 4가지의 박막층(103)을 형성하여 소자의 사용온도 범위를 최적화를 할 수 있다.

도 2의 (a) 내지 (m)은 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로 제조방법을 나타낸 개념도이다.

도 2의 (a)에서는 비선형 파장변환 소자 기판과 더미기판과의 접합공정을 나 타낸다. 비선형 파장변환 소자를 제작할 기판과 더미기판(같은 기판 또는 유사한 기계적 특성을 갖는 기판을 적용)을 접합하여 기판 가공을 준비하며 기판 접합 공정은 UV 또는 열처리에 의하여 경화되는 경화성 에폭시, 왁스 및 확산(diffusion)과 표면처리에 의한 직접 접합(direct bonding) 등의 다양한 방법을 적용될 수 있다.

도 2의 (b)는 접합된 기판의 두께를 가공하는 단계로 분극반전 영역 제작을 위한 준비 공정을 나타낸다. 본 공정은 기판 가공 장비를 사용하여 수행되며 그라인딩, 폴리싱 및 래핑 공정에 의해 수행되어 진다. 가공 후의 두께는 사용되는 기판의 종류와 분극주기 설계에 따라 달리 적용될 수 있다.

도 2의 (c)는 도 2의 (b)에서 가공된 비선형 변환 칩 제작 기판의 두께를 측정하는 단계를 나타낸다. 두께 편차를 측정하는 방법으로는 비파괴 방식에 의한 두께 측정기를 적용할 수 있으며, 대표적인 측정 사례로 광학식 두께 측정기를 적용하여 측정을 수행할 수 있다. 이때 도 3에서와 같이 기판의 두께를 다양한 측정점에서 측정을 수행하고, 그 측정된 두께 데이터를 사용하여 원의 방정식과 절단면 방정식을 구하며, 이로부터 두께 편차 기울기 값과 그 방향을 확인할 수 있다. 바람직하게는 산출된 방정식을 이용하여 가공된 기판의 두께 편차가 최대가 되는 주축을 산출하고, 그 기울기를 계산할 수 있다. 도 3에서 예시한 경우의 절단면 방정식은 y값이 0일때 2의 높이를 z축 방향으로 갖게 되고 y값이 10일때 1이고 -10일때 3을 z축 값으로 갖는 경우를 나타낸다. 이 경우는 y축 방향으로 높이 경사를 갖고 있고 그 기울기는 -1/10이다.

도 2의 (d)는 상기에서 기술한 방법으로 측정한 기판의 두께 편차 기울기 방향을 찾고 이를 기판에 마킹하여 다음 공정시 두께 편차의 기울기가 어느 방향에 있는지를 알 수 있도록 한 준비 공정을 나타낸다. 이를 통해 다음 공정에서 패터닝의 방향을 결정할 수 있게 된다.

도 2의 (e)는 기판의 두께 편차 기울기 방향을 고려하여 분극반전영역을 형성하기 위한 절연막을 기판상에 형성하는 단계이다. 절연막은 감광제법, 졸-겔법 및 박막증착법과 같은 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

도 2의 (f)는 위 절연막을 마스크로 하여 분극반전주기를 생성하는 공정 단계를 나타낸다. 이 단계는 절연막의 선택에 따라 달라질 수 있다. 감광제법 적용시 강유전체에 주기적인 분극 반전을 형성하는 방법은 일반적으로 다음의 두가지 방법으로 가능하다. 첫째는 절연 감광제막을 기판에 코팅하고 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. 전극 구조 형성시 강유전체 기판위에 감광제를 일정한 두께로 균일하게 스핀코팅을 하는 것이 중요하며 주기적인 분극반전을 형성하기 위해서는 그 주기의 50%보다 다소 작은 패턴을 갖는 마스크를 사용하여 사진식각 공정을 수행하여야 한다. 이와 같이 생성된 분극 주기 반전용 전극과 절연 패턴에 외부에서 전압소스 장비를 사용하여 전압을 인가함으로써 강유전체 기판에 분극반전주기 제작을 완료한다. 강유전체 결정 내부의 분극상태를 전환하기 위해서는 외부전계를 가해주어야 하며, 이 전계값은 사용하는 강유 전체 기판에 따라 결정되는 재료상수이므로 기판에 따라 달리 적용될 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 제작되어 진다. 반면, X-cut 기판에 Z 방향 분극반전을 위한 전극은 기판의 도파로가 형성되어 있는 평면에 평행하게 제작이 되어질 수도 있다.

도 2의 (g)는 분극반전영역 형성을 완료한 기판에 대해 도파로 제작에 앞서 도파로 설계 높이에 맞게 재가공하는 단계이다. 이때, 중요한 것은 앞서 설명한 가공된 기판의 두께 높이 편차 기울기 방향과 가급적 동일한 방향으로 기판이 가공이 되도록 장비세팅을 해야 한다. 이러한 단계를 제거하는 방법으로 X-cut 기판 폴링이 적용될 수도 있다. X-cut 기판의 경우 도파로 제작 설계 높이에 맞게 가공을 한 후 분극반전주기 제작이 가능한 장점을 갖고 있다. 이러한 이유는 X-cut(또는 Y-cut)기판의 전극형성은 가공면 상부에 양극과 음극을 동시에 생성하여 폴링을 하고 이를 제거할 수 있는 구조를 갖고 있기 때문이다.

도 2의 (h)는 기판상에 광도파로를 형성하는 단계를 나타낸다. 광도파로의 형성은 다음과 같은 공정에 의해 수행된다. 강유전체 기판 상부에 시드층(Seed layer)과 감광막을 순차적으로 형성한 후, 사진 식각공정을 수행하여 감광막 패턴을 형성한다. 감광막 패턴사이 공간에 Ni등과 같은 금속막을 형성하고 감광막 패턴을 제거한다. 금속막을 마스크로 하여 기판을 건식 또는 습식식각방법을 통해 약 1-10 um의 깊이로 식각함으로써 리지 광도파로 제작 공정을 완료한다.

도 2의 (i) 내지 (m)은 굴절률 제어 박막층 형성 공정을 나타낸다. 도 2의 (i)와 (j)는 A 물질 마스크를 사용하여 A 물질을 증착하는 과정 및 결과이며, 도 2의 (k)와 (m)은 B 물질과 C 물질을 순차적으로 각각의 마스크를 사용하여 도파로 상부에 증착하는 과정 및 결과 나타낸다. 본 단계에서 형성된 굴절률 제어 박막층을 통해 각 도파로에서 위상정합 최적화 사용온도 범위의 폭을 최소화할 수 있는 동시에 파장가변 변환효율을 최대화할 수 있다는 것이다.

<실험예>

상기의 A, B, C 박막층 증착에 따른 효과를 설명한 개요도를 도 4a에 나타내었다. 도 4a는 광도파로의 단면방향으로 각 도파로에서의 높이 차이가 최대 (h1-h2)가 발생하는 것으로 표기하고 이때 그 값이 대략 1미크론인 것으로 가정하였다. 또한, 이러한 최대 높이 차이로 인해 파장가변 소자의 최적 분극반전주기의 최대변화값은 (Q1-Q2)가 되는 것으로 표기하고 이때 그 값이 대략 0.024미크론 발생함을 앞서 설명한 분극반전주기 계산 이론식 1)과 2)를 적용하여 산출하였다. 여기서, 실제 분극반전주기 제작용 마스크의 주기는 일정하므로 이를 보정하여 최대의 변환효율을 얻기 위해서는 소자의 사용온도를 최적화하여야 한다. 이때 사용온도 변화 범위는 15℃임을 이론식 1)과 2)를 적용하여 산출하였다. 이러한 소자에 A, B, C 박막층을 도파로 상부에 증착하고 이때 발생하는 굴절률 변화량을 고려하여 분극반전주기 최대변화값 (Q1-Q2)를 다시 계산하면 대략 0.015미크론 발생함을 알 수 있다. 이를 적용하여 다시 소자의 사용온도 범위를 계산하면 대략 5~7℃ 변화량을 갖 고 있음을 확인할 수 있다. 이 계산에 적용한 기판은 Z-cut MgO:LiNbO₃이고 기준 파장은 1064nm와 532nm이다.

도 4b는 각 도파로의 높이 차이를 광도파로의 단면방향으로 함에 따라 파장변환 파워가 향상되는 효과를 설명하는 그래프이다. 도파로의 높이차이가 도파로의 단면방향으로 발생되고, 길이 방향의 도파로의 높이 차이가 없다고 가정할 경우의 파워를 1로 설정하였다. 길이방향으로 도파로의 높이 차이가 발생함에 따라(Thickness error->大) 지수적으로 광파장 변환 파워가 감소함을 알 수 있다. 본 발명의 구조와 1um 길이방향으로 두께 편차를 갖는 경우를 비교하였을 때 500%의 광파장 변환 파워를 얻을 수 있는 장점을 갖고 있음을 알 수 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 광도파로들의 배열 형상을 나타내는 측면도,

도 1b는 본 발명에 따른 광도파로들의 배열 형상 및 굴절율 제어 박막층을 나타내는 측면도,

도 2는 원의 방정식과 절단면 방정식을 이용하여 두께 기울기 방향을 측정하는 개념도,

도 3은 본 발명에 따른 광파장 변환 소자의 제조방법을 나타내는 공정도,

도 4a는 본 발명에 따른 광파장 변환 소자에서 박막층 증착에 따른 효과를 설명한 개요도,

도 4b는 각 도파로의 높이 차이를 광도파로의 단면방향으로 함에 따라 파장변환 파워가 향상되는 효과를 설명하는 그래프이다.

Claims (8)

1. 기판의 두께 편차의 기울기 방향에 수직인 방향으로 형성된 복수의 광도파로; 및

   상기 복수의 광도파로 중 일부 또는 전부의 표면에 형성되는 굴절률 제어 박막층

   을 포함하는 광파장 변환 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 굴절률 제어 박막층은 상기 기판의 두께에 따라 둘 이상의 영역으로 나뉘고, 상기 각 영역의 상기 굴절률 제어 박막층을 이루는 물질이 각각 다른 것을 특징으로 하는 광파장 변환 소자.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 굴절률 제어 박막층은,

   상기 기판의 두께 편차의 기울기의 아래 방향으로 점차 저굴절률 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광파장 변환 소자.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 영역의 수는 상기 기판의 두께 편차의 기울기가 커질수록 많아지는 것을 특징으로 하는 광파장 변환 소자.
5. 광파장 변환 소자를 형성하기 위한 기판을 준비하는 기판 준비 단계;

   상기 기판의 두께를 측정하여 두께 편차의 기울기 및 방향을 결정하는 두께 측정 단계;

   상기 기판에 분극반전영역을 형성하는 분극반전영역 형성 단계; 및

   상기 두께 편차의 기울기 방향에 대해 수직으로 적어도 하나 이상의 광도파로를 형성하는 광도파로 형성 단계

   를 포함하는 광파장 변환 소자 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 광도파로는 복수이고, 상기 광도파로 형성 단계 이후에,

   상기 광도파로 중 일부 또는 전부의 표면에 굴절률 제어 박막층을 형성하는 박막층 형성 단계

   를 더 포함하는 광파장 변환 소자 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 박막층 형성 단계에서,

   상기 굴절률 제어 박막층은 상기 기판의 두께에 따라 둘 이상의 영역으로 나뉘고, 상기 각 영역의 상기 굴절률 제어 박막층을 이루는 물질이 각각 다르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광파장 변환 소자 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 박막층 형성 단계는,

   상기 굴절률 제어 박막층의 각 영역을 위한 각각의 마스크를 사용하여 상기 각 영역을 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광파장 변환 소자 제조 방법.

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