Proton diffusion method using a self-aligned $SiO_2$-cladding structure for optical channel waveguide fabrication is proposed and the behavior of proton exchange and diffusion is investigated by infrared spectroscopy. Furthermore, electrooptic modulators with self-aligned electrode structure are fabricated and characterized.
First, proton exchange is performed by using either pure benzoic acid or distilled water as a proton source. The microscopic behavior of proton exchange is investigated based on the O-H stretching region. Infrared spectroscopy in the O-H stretching region has been used to determine the extent of proton exchange in Y and Z-cut lithium niobate. We propose a chemical model for proton exchange and diffusion, and it explains process mechanism such as proton exchange in dilute melt composition and annealed proton exchange. According to this model, the proton exchange is composed of two types of reaction and infrared absorption data support it. To examine a surface reaction by water molecules, proton exchange is performed in distilled water as a proton source. The result shows that a surface reaction by water molecules should be considered as a part of proton exchange process.
To improve the optical quality, the proton diffusion method is proposed. The proton diffusion (PD) method is composed of proton exchange at low temperature (150℃) and subsequent proton diffusion with a $SiO_2$ cap at higher temperature (400℃). The role of $SiO_2$ cap is inhibition of proton out-diffusion and promotion of indiffusion of protons. Consequently, the rate of initial proton exchange at the surface can be lowered due to proton conserving property of $SiO_2$ cap. The proton conserving property of $SiO_2$ cap is proved by infrared absorption measurement. Based on the proton conserving property, proton-diffused waveguides without surface damage are fabricated on Y-cut $LiNbO_3$ substrates.
Channel waveguides are fabricated in $LiNbO_3$ by proton diffusion with a self-aligned $SiO_2$-cladding structure. A self-aligned $SiO_2$ cladding is formed by the back-illumination which provides a perfect overlap of proton-exchanged region and $SiO_2$-clad region. Proton diffusion in width and depth directions is amenable to process parameters, so that it provides a simple method for control of mode profiles. Using this method, we have achieved symmetric depth mode profile and an aspect ratio of 1.15 at λ = 0.6328 ㎛ for efficient fiber-to-waveguide coupling.
As an application for electrooptic modulators, an electrooptic cutoff modulator with self-aligned electrodes utilizes a single-mode proton-diffused channel waveguide in Y-cut X-propagation $LiNbO_3$ is fabricated. Over 20 dB extinction has been achieved with applied voltage of 15V. A guided-wave electrooptic Mach-Zehnder interferometric modulator is fabricated on X-cut $LiNbO_3$ and tested at λ = 0.6328 ㎛. Its modulation depth with $V_π$ of only 3. 5V is 85%
본 논문에서는 채널 광도파로 제작을 위해 자기정렬된 $SiO_2$ 클래딩 구조를 이용하는 양자확산방식을 제안하고 양자교환 및 확산 반응을 적외선 스펙트럼 분석으로 고찰하였다. 그리고 자기정렬된 전극구조를 갖는 전기광학 변조기를 제작하고 특성을 측정하였다.
먼저 순수한 안식향산(benzoic acid)이나 증류수를 양자원(proton source)으로 사용하여 양자교환 반응을 관측하였다. 미세한 양자교환 반응은 O-H stretching 영역에서 흡수파장의 위치와 모양에 기초를 두고 고찰하였다. O-H stretching 영역에서의 적외선 흡수 스펙트럼 분석으로 Y와 Z-cut 리튬나오베이트 (lithium niobate) 기판에서의 양자교환 정도를 측정하였다. 양자교환 및 확산 반응을 나타내는 화학식 모델을 제안하여 완충용액과 annealing에 의한 효과를 비롯한 양자교환의 구조를 설명하였다. 제안한 화학식 모델에 따르면 양자교환은 두가지 종류의 반응으로 되어 있으며 적외선 흡수 스펙트럼 분석으로 이를 증명하였다. 물분자에 의한 표면에서의 양자교환 반응을 알아보기 위해 증류수를 양자원으로 사용하여 양자교환을 수행하였다. 실험 결과 물분자에 의한 표면에서의 반응은 양자교환 과정의 일부분으로 고려되어야 한다는 것을 보였다.
광도파로의 성능을 향상시키기 위해 자기정렬된 $SiO_2$ 캡을 이용하는 양자확산방식을 제안하였다. 양자교환방식은 150℃의 낮은 온도에서 양자교환 후 400℃의 높은 온도에서 $SiO_2$ 캡을 이용하여 확산시키는 방법이다. $SiO_2$의 역할은 양자의 외부확산을 억제하고 내부확산을 향상시키는 것이다. 결과적으로 기판표면에서의 양자교환을 $SiO_2$ 캡의 양자 보존 특성에 의해 낮출 수 있다. $SiO_2$ 캡에 의한 양자보존 특성을 적외선 흡수 스펙트럼 측정으로 증명하였다. 양자보존특성을 기반으로 종래의 양자교환방식으로는 광도파로의 제작이 어렵던 Y-cut 기판위에 표면손상이 없는 채널 광도파로를 제작하였다. 따라서 기판표면에서 적은 농도의 양자교환으로 광도파로의 성능을 향상시킬 수 있음을 증명하였다.
자기정렬된 $SiO_2$ 클래딩 구조를 지닌 양자확산방식을 이용하여 채널 광도파로를 제작하였다. 너비와 깊이 방향으로의 양자확산은 공정의 매개변수에 잘 따르므로 도파모드의 특성을 조절하는 방법으로 유용하다. 이 방법으로 파장 0.6328 ㎛에서 대칭형 깊이 방향 모드와 aspect ratio 1.15를 얻어 광섬유와의 모드결합효율을 높일 수 있음을 보였다.
양자확산방식을 확장하여 전기광학 소자 제작에 응용하기 위해 양자교환에서 마스크로 사용한 금속패턴을 제거하지 않는 방법으로 자기정렬된 전극 구조를 제안하였다. 이러한 전극형태의 응용으로 가장 간단한 형태의 차단 변조기를 제작하였다. 채널폭 3 ㎛의 소자를 Y-cut 기판에서 제작하여 15V의 전압으로 20 dB의 소멸비를 얻었다. 그리고 가장 널리 알려진 Mach-Zehnder 간섭계 구조의 전기광학 변조기를 X-cut 기판에 제작하고 광변조 특성을 측정하였다. 3.5 V의 전압으로 85 %의 변조도를 얻었다. 또한, 자기정렬의 장점을 이용하여 전극의 정전용량을 직렬연결로 줄여 고속변조가 가능한 방향성 결합기 형태의 광변조기 구조를 제안하였다.
