[논문]LiNbO3 광도파로 제작에 관한 연구

김선엽

doi:10.5762/kais.2015.16.9.6221

LiNbO3 광도파로 제작에 관한 연구
A Study on the Fabrication LiNbO3 Optical Waveguide 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.9, 2015년, pp.6221 - 6226

초록
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광통신시스템에서 효율적인 광전송을 위해서는 광섬유와 필름 도파로사이에 효율적인 결합이 필요하다. 광섬유와 필름 도파로를 직접연결하면 광섬유와 필름 도파로간의 크기 및 모양의 차이로 인한 필드 프로필의 불일치로 인하여 연결부위에서 많은 광손실이 발생하기 때문에 광효율이 저하된다는 문제점이 존재한다. 이에 본 논문에서는 광섬유와 광도파로의 직접 연결 시 발생하는 효율의 저하를 막기 위해 광섬유와 광도파로를 연결하는 Y-branch를 설계하고 제작하였다. Y-branch의 해석방법으로는 많은 광도파로의 해석법 중 가장 간단하고 적용이 쉬운 섭동궤환방법을 사용하였다. 해석된 결과를 이용하여 $LiNbO_3$ 에 Ti를 확산시키는 방법을 통하여 Y-branch를 제작하여 측정을 실시하였다. 측정은 $1550{\mu}m$ LD레이저 광원을 이용하여 커플러를 통하여 광이 입사하도록 구성한 후 출련단에서 광신호의 near field mode를 측정하였다. 이를 통하여 Y-branch를 통해 입사하는 광의 입사조건을 변화시켜도 고차모드들은 모두 제거되고 기본 모드만 유지되고 있는 특성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, waveguide analysis was interpreted as an optical waveguide using the feedback perturbation method simple and easy to apply compared to the analysis method, while the other almost identical to the numerical calculation method. In addition, efficient coupling with an optical transmission line of optical fiber and the waveguide form the thin film of different functional elements is required in order to achieve the full optical communication system. However, problems arise, such as the light field (field) and the decrease of the access efficiency due to inconsistency in the distribution characteristics of the connection surface by the difference in size of the cross section thereof when connecting the optical fiber and the waveguide directly to the combination of a thin film. Therefore propose a new type of connector structure to increase the efficiency of the connection when connecting the optical fiber waveguide and the thin film was analyzed by applying a coupled mode theory, the binding efficiency of the modified contactor. And by diffusing Ti on the $LiNbO_3$ substrate and a wide range of applications in the manufacture of integrated optical material made of a current low-loss Ti: $LiNbO_3$ optical waveguide and making the Y-branch waveguide, and the properties were confirmed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 암과 암 사이의 거리는 두 암 사이의 모드결합을 방지하기 위하여 15㎛로 설정하였다. 또한 Y-branch의 분리각은 산란손실을 최소화하는데 비중을 두어 작게 할수록 좋으나 이 또한 마스크 제작상 관계가 있기 때문에 위에서 언급한 바와 같이 여러 문헌에서 발표된 내용을 검토하여 분리각을 0.

가설 설정

Y-branch의 분기 각도는 정상모드의 이론이 성립하기 위해서 아주 작은 각도 2°이하로 가정한다.

제안 방법

Fig. 1에 보인 Y-branch 구조는 집적광학에서 간섭계, 분파기, 합파기등에 사용되며 본 논문에서는 단일 모드 Y-branch에 대해서 고려하였다. 동작 형태는 정상모드(normal mode)에 의해서 설명 할 수 있다.
Ti 내부 확산공정을 통해서 LiNbO₃에 단일모드 광도파로 및 Y-branch를 제작하였다. Z-cut LiNbO₃ 기판에 950Å의 Ti를 증착시킨 후 1030℃에서 8시간 동안 Ti를 확산시켜 단일모드 광 도파로 및 Y-branch를 형성시켰다.
Ti 확산공정을 통해서 제작된 광 도파로의 도파특성을 Fig. 6과 같은 광 도파 실험장치를 이용하여 1.55㎛의 입력광에 대하여 광 도파로의 단일모드 도파특성을 확인 하기 위해 출력광의 전력 및 그거리 모드를 관찰하였다.
Ti 확산은 1000℃ ～ 1150℃의 확산온도에서 8시간 동안 Ti를 LiNbO₃에 확산시키는 과정을 통해 Y-branch 를 제작하였다.
광원인 1.55㎛ 가변 레이저와 He-Ne 레이저가 2×1커플러를 통하여 광 도파로에 동시에 입사할 수 있게 구성하였고 출력단에는 출사되는 광원을 40배 렌즈로 확대한 다음 global image program을 내장하고 CCD 카메라 부착한 컴퓨터로 근거리 모드 및 모드형상을 측정하였다.
확산 과정에서 Ti는 깊이 및 측면으로 확산하게 되는데 확산 표면은 매끄럽고 삼각형 모양의 기복이 발생하지 않는 것이 광 도파 손실을 더욱 줄일 수 있어 조건 분석이 필요하다. 그리고 제작된 광 도파로와 Y-branch에 대해 단일모드 특성을 확인하기 위해 도파로가 제작된 기판을 잘라서 입, 출력단을 폴리싱한 뒤 입력단에 광섬유를 end-fire 결합시킨후 Fig. 6과 같은 광 도파 실험장치를 이용하여 근거리 모드를 관찰하였다. 도파 실험장치의 구성은 1.
또한 Y-branch의 분리각은 산란손실을 최소화하는데 비중을 두어 작게 할수록 좋으나 이 또한 마스크 제작상 관계가 있기 때문에 위에서 언급한 바와 같이 여러 문헌에서 발표된 내용을 검토하여 분리각을 0.35°로 결정하였다.
35°로 결정하였다. 본 논문에서 기존 문헌들을 참고하여 제작한 1.55㎛ 대역 단일모드 광도파로 제작조건으로 Ti 박막증착 두께는 950Å, Ti 선폭은 7㎛, 확산온도는 1030℃, 확산시간을 8시간으로 하여 식(2)를 이용하여 굴절율 분포를 측정한 결과가 Fig. 3에 보인다.
본 논문에서는 강유전체인 LiNbO₃에 Ti를 확산시키는 방법을 통해 Y-branch를 제작하였다. LiNbO₃ 에 Ti 를 확산시키는 과정에서는 LiNbO₃표면에 있는 산소와 Li가 결합하여 Li₂O를 발생시켜 굴절율을 증가시키기 때문에 새로운 도파모드가 형성되어 광손실이 발생한다.
확산온도 세팅(setting)은 3단계로 주어 처음 1030℃ 까지는 2시간, 확산시간은 8시간으로 고정하고 마지막으로 확산시간이 종료된 후에는 자연냉각을 시켰다. 실제 확산실험을 한 확산시각에 따른 확산온도도를 변화시켰다.
이러한 확산을 방지하기 위해 Ar 기체 속에서 LiNbO₃ 기판과 Ti를 확산시켜 냉각시키는 방법을 이용 하였다.
채널형 광 도파로의 폭은 7㎛이고, 전체 길이는 66,000㎛이며 Y-branch에 대해서도 측정에 사용될 광파의 파장이 1.55㎛이기 때문에 이 파장에서 단일모드 광 도파로를 제작하기 위해서 도파로폭을 7㎛, 전체길이도 광 도파로와 마찬가지로 66,000㎛, 전체 평행 암 길이는 56,910㎛, Y-branch의 길이는 9,090㎛로 설계하였다.
55㎛ 광원과 연결하여 임의로 편광되어 있는 광을 정확하게 TE 또는 TM 모드으로 편광시키기 위함이다. 출력단에서도 편광 유지광섬유와 광 도파로간의 축방향 부정합으로 인한 원치않는 상이한 편광모드를 제거하기 위해서 CCD 카메라 바로 앞에 Glan-Thomson형 편광기를 설치하였으며 도파로 입력단의 축과 정확히 맞추기 위하여 X-Y-Z stage를 사용하였다.
Z-cut LiNbO₃ 기판에 950Å의 Ti를 증착시킨 후 1030℃에서 8시간 동안 Ti를 확산시켜 단일모드 광 도파로 및 Y-branch를 형성시켰다. 확산은 전기로에서 수행하였으며 1000℃ 이상의 확산 온도에서 Ti 확산과 동시에 기판으로부터의 Li 의 외부 확산으로 인해 형성되는 일종의 기생 도파로의 형성을 억제하기 위해서 젖은 O₂분위기 속에서 Ti를 확산시켰다.

성능/효과

광도파 측정 실험시 입사파의 조준 위치를 상하좌우로 변화시킬 때 출사빔 패턴은 그대로 인채 크기만 변화 하면 단일모드 도파로이고 출사빔 패턴이 이리저리 변화 하면 다모드 도파로라 단정지을 수 있는데 실험에서는 입사조건을 어떻게 변화시켜도 기본모드만이 유지됨을 확인 할 수 있었다.
6과 같은 광 도파 실험장치를 이용하여 근거리 모드를 관찰하였다. 도파 실험장치의 구성은 1.550㎛ LD 레이저 광원과 633㎚ He-Ne 레이저 광원이 2×1 커플러를 통하여 광 도파로에 동시에 입사할 수 있도록 구성하여 출력단에는 40배 렌즈와 CCD 카메라를 통하여 출력 광파의 근거리 모드 및 모드 형상을 관찰하였는데 도파 광의 입사 조건을 어떻게 변화시켜도 기본모드만이 유지 되며 그 형태도 매우 양호함을 확인할 수 있었다.
또한 횡모드 종모드 형상에서도 횡모드는 가우시안 분포를 갖고 종모드는 헬밋 가우시안 분포로 그 형태도 양호하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Y-branch란 무엇인가?	이러한 광 결합장치 중 가장 간단하면서 효율이 장치에 Y-branch 있다. Y-branch는 입력된 광을 분배하거나 또는 결합하는데 이용되는 소자로서 광통신시스템에서 그 응용분야가 매우 넓은 소자이다[1,2][10-11].
	광 도파로 제작 과정 중 절단은 어떻게 이루어지는가?	절단은 광 도파로가 생성된 후 광 도파실험을 하거나광 도파로 위에 전극을 형성하여 전극특성 측정이나 피그테일링(pigtailing)을 할 경우에 이루어지는 것으로 절삭기를 사용하여 원하는 크기로 절단하게 된다. 절단이 끝나는 후에는 연마를 한다.
	손실이 작고 전기광학 효과가 우수한 강유전체를 이용한 Y-branch 제작이 요구되는 이유는?	Y-branch를 제작하는데 사용되는 재료로는 GaAs나 InP등의 반도체가 많이 사용되고 있는데 이는 같은 기판에 광원 및 광 검출장치를 함께 구성할 수 있다는 장점이 있으나 전기광학효과가 강유전체에 비해 작다는 단점 또한 지니고 있다. 따라서 손실이 작고 전기광학 효과가 우수한 강유전체를 이용하여 Y-branch를 제작에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.

참고문헌 (11)

I. P. Kaminow and J. R. Carruthers, "Optical waveguiding layers in $LiNbO_3$ and $LiTaO_3$ ", Appl. Phys. Lett., Vol.22, No.7, pp.326-328, 1973

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Manhar L. shah, "Optical waveguides in $LiNbO_3$ by ion exchange technique", Appl. Phys. Lett., Vol.26, No.11, pp.652-653, 1975

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J. M. Hammer and W. Phillips, "Low-loss single-mode optical waveguides and efficient high-speed modulator of $LiNbxTa1-xO_3$ on $LiTaO_3$ ", Appl. Opt. Lett., Vol.24, No.11, pp.545-547, 1974

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R. V. Schmidt and Kaminow, "Metal-diffused optlcal waveguides in $LiNbO_3$ ", Appl. Phys. Lett., Vol.25, No.8, pp.458-460, 1974

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J. K. Jackel, C. E. Rice and J. J. Veselka, "Proton exchange for high-index waveguides in $LiNbO_3$ ", Appl. Phys. Lett., Vol.41, No.7, pp.607-608, 1982

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M. D. Micheli, D. B. Ostrowsky, J. P. Bareky, C. Canali, "Crystalline and optcal quality of proton exchanged waveguides", IEEE J. Lightwave Tech., Vol.4, No.7, pp.743-745, 1986

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M. Fukuma, "Optical properties in titanium-diffused $LiNbO_3$ strip waveguide", J.Appl. Phys., Vol.49, pp.3693-3698, 1978

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R. C. Alferness, "Characteristics of Ti-diffused $LiNbO_3$ optcal directional couplers", Appl. Opt., Vol.18, pp.4012-4018, 1979

상세보기
J. L. Jackel, "Suppression of outdiffusion in titanium diffused $LiNbO_3$ : a review", J.Opt. Comm., Vol.3, No.3, pp.82-85, 1982
B.-J. Lee, Y.-W. Kim, K.-S. Kim, "Received Power Optimization applying Adaptive Genetic Algorithm in Visible light communication," The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, VOl. 13, No. 6, pp. 147-154, Dec. 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2013.13.6.147

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M. S. Rahman, B.-Y. Kim, M.-S. Bang, Y.G. Park, K.-D. Kim, "Color Space Mapping and Medium Access Control Techniques in Visible Light Communication," The Journal of The Institute of Webcasting, Internet Television and Telecommunication, Vol. 9, No. 4, pp. 100-107, 2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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