KR100238167B1 - 광편향장치와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 편향장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서 특히 LiNbO₃광 도파로 제조방법에 관한 것이다.

본 발명 광편향 장치는 LiNbO₃기판을 사용한 도파로 타입 AOD에서 Ti 확산 LiNbO₃도파로는 광전송로로 TIPE 도파로는 렌즈 재료로 사용하며, 상기 도파로의 두께는 각각 1μm 정도이며, 상기 Ti 확산 도파로는 단일 모드이며, 최대 굴절율 변화값인 Δn_max~0.01, 상기 TIPE 도파로는 3 모드이며, 최대 굴절률 변화값이 Δn_max~0.11인 점에 그 특징이 있다. 이를 위한 제조방법은 Ti 확산 도파로는 Ti막 두께 40nm로 하며, 이의 확산은 1000℃에서 2시간동안 실시하고, TIPE 도파로는 벤조익산을 사용하여 245℃에서 30분간 양자 교환시키는 점에 그 특징이 있다.

이러한 본 발명의 광편향 장치는 95% 이상의 높은 결합 효율을 갖는다.

Description

광편향장치와 그 제조방법

제1도는 AOD의 개략적 사시도이며,

제2도 내지 제8도는 일반적인 AOD의 제조공정을 보이는 단면도.

제9도는 도파로 두께 변화에 따른 Ti 확산 도파로와 TIPE 도파로 사이의 결합 효율 곡선.

제10도는 Ti 확산 공정의 온도 및 분위기 스케쥴.

본 발명은 광편향장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서 특히 LiNbO₃광 도파로 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 정보의 대용량, 대규모화에 따라 이에 부응하는 기록 매체가 요구되고 있고, 이에 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 매체로 광기록 방식이 채택되어 사용되고 있다.

그러나, 현재 일반 가정용으로 사용될 수 있는 광기록장치, 예를 들어 광 영상 기록장치는 아직 개발되어 있지 않은 실정이다. 가정용으로 적합한 광기록 방식은 광 테이프 기록방식이 가장 적합함이 일반적인 견해이나 현재 이를 위한 광 헤드(Optical Head)도 개발되어 있지 않고, 다만 상당한 크기를 가지고 있는 벌크형 어커스틱 광편향장치(AOD; Acousto Optic Deflector)가 있어서 주로 사용되고 있으며, 최근에는 도파로 형 AOD에 대한 연구가 진행되고 있다.

상기 벌크형 AOD는 직육면체의 결정체가 사용되기 때문에 광학계의 규모가 크고 또한 그 제조가격이 비싸다는 단점이 있고, 특히 편향 필드 앵글이 작아 대용량의 기록에 적합하지 않다. 그러나 도파로형 AOD는 광학계를 소형화할 수 있음은 물론 IDT(Interdigital transducer)의 전극 형태에 따라 대역폭을 조절할 수 있기 때문에 요구되는 편향각을 쉽게 얻을 수 있다.

상기 도파도형 AOD는 광도파로와 1960년 말의 광파이버(Fiber)의 출현 이후 관심이 집중되면서 연구가 진행되고 있다.

이를 위한 대표적인 물질인 LiNbO₃는 우수한 광학적 성질을 갖고 있어서, 여러 특징에 관한 다양한 연구가 시도되었다. 1973년 초에는 LiNbO₃를 900-1100℃에서 진공이나 가스 중에서 외부 확산(Out Diffusion)시켜 도파로를 제작하였다. 최초의 내부 확산 도파로는 1974년 높은 편극성(Polarizability)의 Ti 이온을 LiNbO₃표면에 확산시켜 TE(Transverse Electric) 및 TM(Transverse Magnetic) 모드를 만족시키며 정상 굴절율 및 이상 굴절율이 0.01 정도 증가된 도파로를 제작하였다. PE(Proton Exchange) 도파로의 제작은 1982년 처음 100-250℃에서 벤조익 산(Benzoic Acid: C₆H₅COOH)을 사용하여 LiNbO₃를 이온 교환함으로서 발견되었다. PE도파로는 TE모드만 가능하며, 이상 굴절율 변화가 0.12 정도로 크다. TIPE(Titanium In-diffusion Proton Exchange)방법은 LiNbO₃에 광도파로를 제작하는 비교적 새로운 방법으로 이 방법은 Ti확산 방법이나 PE방법만으로는 얻을 수 없는 특성을 나타낼 수 있다.

제1도는 도파로형 AOD의 전체 구조를 개략적으로 보인다.

Y축에 직교되는 평면이 커팅된 LiNbO₃기판(일반적으로 이를 Y커팅 기판이라함: 10)의 표면에 도파층(11)이 마련되고, 그 중앙에 도파층(11)을 통과하는 광을 집속하는 모드 인덱스형 렌즈층(20)이 그리고 그 오른편에 입사광(60)을 도파층(11)의 X축 방향으로 주입하는 삼각 프리즘(30), 그리고 기판(10)의 중간부위 일측에 마련되어, 별도의 드라이브(40)에 의해 Z방향으로의 초음파를 발생하는 IDT 전극을 갖는 초음파 발생소자(50)가 마련된다.

이상의 구조에 있어서, 상기 모드 인덱스형 렌즈층은 AOD에서 사용되는 두 개의 도파층 중의 하나로서, 그 주위의 다른 도파층, 즉 Ti 확산 도파층의 그것과는 다른 실효 굴절률을 가짐으로서 렌즈역할을 하게 된다.

이러한, 모드 인덱스형 렌즈를 가지는 종래 AOD의 일반적인 제조 공정은 다음과 같다.

먼저, 요약하면, 결정의 Y축에 직교되는 방향으로 LiNbO₃의 기판을 먼저 마련하고, 이에 Ti 이온을 확산하여 기판을 표면에 도파층을 형성하고, 그리고, 이 도파층의 중간에 렌즈층(20)과 IDT층을 마련한다.

제2도 내지 제9도는 AOD의 제조 단계별 기판(10)에 대한 가공상태를 보인다.

1. 제2도에 도시된 바와 같이 기판(10)을 마련한다.

2. 제3도에 도시된 바와 같이 상기 기판(10)의 표면에 전자빔 증착법등을 통해 Ti 층(11’)을 형성한다.

3. 제4도에 도시된 바와 같이, 고온으로 열처리하여 상기 Ti가 기판의 표면층으로 확산하여 Ti 확산층(11)을 형성한다.

4. 제5도에 도시된 바와 같이, 상기 확산층(11)의 표면에 중간 금속층(21)을 형성하고, 이 위에, 렌즈층을 위한 개공(221)을 갖는 위가 오픈된 소정 패턴의 포토레지스터층(22)을 형성한다.

5. 제6도에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스터층의 개공(221)통해 노출된 중간 금속층(21)의 일부를 에칭한 후 상기 포토 레지스터층(22)을 제거한다.

6. 제7도에 도시된 바와 같이, 약 245℃의 벤조익 산(Benzoic Acid)에서 10분 정도 양자교환을 실시하여 상기 Ti 확산층의 일부에 TIPE 도파층, 즉, 렌즈층(20)을 형성한다.

7. 그리고 후속공정을 통해 IDT층을 기판(10)상에 마련한다.

이상과 같은 공정을 통해 Ti 확산 도파층과 TIPE 도파층 및 IDT층을 갖는 제1도에 도시된 바와 같은 기판(10)을 얻게 된다.

이상과 같은 광학 헤드를 이용하여 영상 신호를 기록, 재생하기 위한 AOD(Acousto Optic Deflector)개발에 있어서, LiNbO₃광도파로는 필수적이다. 현재까지 LiNbO₃광도파로 제작은 여러 가지 방법에 의해 활발히 연구되어 왔으며, 이중 대표적인 방법인 전술한 Ti 확산 및 PE 법이다. 이러한 AOD에는 Ti 확산 및 TIPE 도파로가 공존하게 되는데, 굴절율이 다른 두 도파로의 결합 효율은 도파로의 모드(Mode) 수, 두께 등에 의해 좌우되므로 높은 결합 효율(Coupling Efficiency)를 갖는 AOD를 제작하려면 두 도파로 간의 적정 조건을 결정해야 하나, 현재 이에 대한 연구 결과가 미진하다.

본 발명은 AOD로 이용하기 위한 도파로의 제작에 있어서, 95% 이상의 높은 결합 효율을 갖도록 Ti 확산 도파로와 TIPE 도파로의 두께, 굴절율, 모드 수를 결정하는 제작 조건을 제공한다.

따라서, LiNbO₃기판을 사용한 도파로 타입 AOD에서 TI 확산 LiNbO₃도파로는 광전송로로, TIPE 도파로는 렌즈재료로 사용되는데, 상기 도파로는 두께가 1μm 정도이며, 단일 모드이며, 최대 굴절율 변화값인 Δn_max~0.01인 점에 그 특징이 있다.

그리고 본 발명의 제조방법은, Y-cut 단결정 LiNbO₃단결정에 Ti 확산 LiNbO₃도파로와 TIPE LiNbO₃도파로가 마련된 어커스틱 광편향장치를 제조함에 있어서, 단일모드를 가지고, 굴절율 변화가 0.01정도이며, 도파로 두께가 1μm 정도인 Ti 확산 도파로를 얻기 위한 조건은 Ti막 두께 40nm로 하며, 이의 확산은 1000℃에서 2시간동안 실시하는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 PE를 제조하는 공정은 245℃에서 30분동안 이루어지는 점에 그 특징이 있다.

이러한 구조를 통해 본 AOD는 광손실 외에 Ti 확산 및 TIPE 도파로간의 이용효율이 높으므로 그 효율이 높다.

이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 제9도는 도파로 두께 변화에 Ti 확산 도파로와 TIPE 도파로 사이의 결합 효율 곡선도이며, 제10도는 Ti 확산공정의 온도 및 분위기 스케줄 선도이다.

먼저, 이론적으로 본 발명의 AOD를 접근한다.

기판의 도파층을 이루는 두 개의 다른 굴절률의 도파로 사이의 경계에서 TE 모드간 결합효율 η는 TE 필드 프로파일 (Field Profile)의 적분 값인 다음식에 의해 표현될 수 있다.

이때 El(x)와 Eh(x)는 저굴절율의 도파로와 고굴절률의 도파로의 각 가이딩 모드(Guiding Mode)의 전기장 프로파일(Electric Field Profile)이다. 또한 평면 도파로의 전기장 프로파일 E(x)는 다음 관계에 의해 구해진다.

여기에서, n(x) : 굴절율 프로파일

n_e=β/k : 가이드 유효 굴절율

β : 전파상수

k=2π/λ₀: 자유공간에서의 파수(Wave Number)

λ₀: 자유공간에서의 파장

계산에 의하면, 저굴절율의 전기장 분포가 고굴절율의 분포와 비슷할 때, 결합효율이 양호하다. 제9도는 계산에 의해 구한 Ti 확산도파로와 TIPE 확산도파로 사이의 결합 효율을 나타낸 것으로서 TIPE도파로의 두께가 약 1μm 정도 일 때 가장 큰 효율을 보임을 알 수 있다. 한편, Ti 확산 도파로의 경우 단일 모드 작용(Single Mode Operation)이 필요한데, 최대 굴절율 변화값인 Δn_max~ 0.01에서 단일모드 Ti 확산 도파로의 두께는 약 1μm이다. 그러므로, 약 1μm의 두께를 갖는 TIPE 도파로가 필요하다.

본 발명에서는 다음 두 조건을 만족하는 도파로 제작을 위한 Ti 확산 공정과 TIPE공정 조건을 결정하였다.

1. Ti 확산 도파로의 제작

Δn : ~0.01

도파로 두께 : ~1μm(single mode)

손실(loss) : < 0.5dB/cm

2. TIPE 도파로의 제작

Δn : ~0.11

도파로 두께 : ~1μm(3mode)

손실(loss) : <3dB

먼저, Ti 확산 도파로를 제작하기 위해 광학적 그레이드(Optical Grade)의 Y-cut LiNbO₃기판을 X, Y, Z축의 길이가 각각 40, 2, 12 mm가 되게 준비한다. 이때에, Y-cut 면은 평면도가 λ₀/10(λ₀: 633nm)가 되게 경면 연마하고, 다른 면들은 G.C#2000등과 같은 연마제로 연마한다.

한편, Ti 확산 도파로 제작시 고려해야 할 변수로는 Ti막 두께, Ti 확산시 온도 및 시간, Ti 확산 분위기 및 Ti 확산 후 냉각시간등이 있다. 준비된 Y-cut LiNbO₃기판에 Ti 막은 전자빔 증착(Electron Beam Evaporation)법을 통해 형성한다. 이때에 Ti 막 두께 편차를 30-60nm 범위내에 있게 한다.

Ti 증착 LiNbO₃기판을 제10도에 도시된 바와 같이 ±1℃의 오차를 갖는 로를 사용하여, Ti를 확산하되, 이때에 시간경과에 따르는 로내의 온도 스케줄은 제10도에 도시된 바에 따른다.

즉, 시료를 150℃ 핫존(Hot Zone)을 통과시킬 때 로내의 분위기를 건조한 Ar에서 습한 Ar(Flow Rate : 6ℓ/min)으로 바꾸어 주며, 600℃에서 퓨록스(Purox : Al₂O₃) 보오트(Boat)에 장입한 시료를 석영관(Quartz Tube)내로 밀어 주고, 1000℃로 가열후 2시간동안 Ti 확산을 진행한다. 확산 후 습한 O₂분위기로 바꾼 후 상온까지 냉각시킨다.

이상의 과정을 통해 확산 공정이 끝난 Ti 확산 LiNbO₃기판을 프리즘 결합방법에 의하여 모드 수, 유효굴절율, 투과율 등을 측정하였고, 기판을 에지 폴리싱한 후 버트 커플링(Butt Coupling)에 의해 도파로 두께를 결정하였다. 아래의 -표 1-은 Ti 막 두께, 확산 온도 및 시간의 변화에 따라 각 샘플에서 측정한 굴절율 및 모드수이다.

이러한 결과에 비추어, 단일모드를 가지고, 굴절율 변화가 0.01정도이며, 도파로 두께가 1μm 정도인 Ti 확산 도파로를 얻기 위한 조건은 Ti 막 두께 40nm 일때이며, 확산 조건은 1000℃, 2시간이다.

[표 1]

한편, 프로톤 익스챈지 방법은 굴절율 변화가 큰 LiNbO₃도파로 제작에 있어서 매우 빠르고 편리한 기술로 알려져 있다.

본 발명에서는 Ti 확산 LiNbO₃기판에 벤조익 산을 사용하여 프로톤 익스챈지 공정을 실시하여 TIPE 도파로를 제작하였다.

Ti 확산 도파로의 두께와 같은 1μm의 도파로를 갖고 유효 굴절율 변화 Δn이 0.11인 3 모드의 도파로를 얻기 위한 조건 및 Δn의 감소가 크기 않은 TIPE 광 도파로의 열처리 조건을 확립하였다.

먼저, 글래스 튜브에 벤조익 액시드 분말을 채운 후 시료를 기판 홀더에 넣고, 튜브의 중간에 위치시킨 상태에서, 글래스 튜브를 밀봉한 수 PE용 오븐에 넣는다.

오븐을 가열한 후 메탈 하우스를 뒤집어 벤조익 액시드 용액에 원하는 시간 동안 시료를 담구어 프로톤 익스챈지가 이루어 지도록 한다.

다시 메탈 하우스를 뒤집고, 냉각시킨 후 시료를 꺼내어 에탄올로 크리닝한다.

그리고 -표 2-는 Ti 확산 LiNbO₃시료를 시간과 온도를 변화시키며 프로톤 익스챈지하여 측정한 도파로의 두께 및 굴절율 모드 수이다.

[표 2]

이론적으로 Ti 확산 LiNbO₃도파로와 TIPE 도파로가 약 1μm 정도의 도파로 두께를 가질 때, 제9도에 도시된 바와 같이, 대부분의 광에너지가 커플링된다. 이 두께에서, TIPE도파로는 3 모드로 나타내었다.

본 발명에 의한 PE공정의 적정조건은 245℃, 30분이며, 이때 측정한 유효 두께는 1.04μm로 Ti 확산 도파로 층과 거의 비슷하다.

이와 같은 과정을 거친 시료에 대한 안정성 실험 결과, 제조후 23일이 경과한 후 측정한 시료 및 200℃, 30분 열처리한 시료 모드 굴절율 변화가 거의 없이 안정되었음을 확인한 바 있다.

다음의 -표 3-은 본 발명 AOD의 특성 실험 결과 데이터이다.

[표 3]

AOD에 있어서, 렌즈 시스템의 효율은 Ti 확산 도파로 및 TIPE 도파로 사이의 기본 모드의 결합 효율에 의해서 제한된다. 본 발명에 의하여 제작된 도파로의 경우 Ti 확산 및 TIPE 도파로의 유효 두께가 약 1μm 정도이고, 각각의 모드는 단일 모드 및 3개의 모드를 갖는다. 한편, 이때 두 도파로 사이의 결합 효율 η는 95% 이상으로 AOD용 광 헤드 제작에 유리하다.

Claims (3)

1. Y-cut 단결정 LiNbO₃단결정에 Ti 확산 LiNbO₃도파로와 Ti 확산 LiNbO₃도파로의 일부상에 TIPE LiNbO₃도파로가 마련된 어커스틱 광편향장치에 있어서, 상기 Ti 확산 LiNbO₃도파로와 TIPE LiNbO₃도파로의 두께가 각각 1±0.1μm 인 것을 특징으로 하는 어커스틱 광편향장치.
2. Y-cut 단결정 LiNbO₃단결정에 Ti 확산 LiNbO₃도파로와 Ti 확산 LiNbO₃도파로의 일부상에 TIPE LiNbO₃도파로가 마련된 어커스틱 광편향장치를 제조함에 있어서, 단일모드를 가지고, 굴절율 변화가 0.01정도이며, 도파로 두께가 1μm 정도인 Ti 확산 도파로를 얻기 위한 조건은 Ti 막 두께 40nm로 하며, 이의 확산은 1000℃에서 2시간동안 실시하는 것을 특징으로 하는 어커스틱 광편향장치의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 TIPE를 제조하는 공정은 상기 확산 LiNbO₃도파로의 일부상에 3모드를 가지고 유효굴절률 변화가 0.11 정도이며, 도파로의 두께가 1μm 정도인 TIPE LiNbO₃도파로를 얻기 위한 공정은 벤조익산을 이용하여 245℃에서 30분동안 열처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광편향 장치의 제조방법.