(
= ⋅⋅⋅)
=2 0,1,2, ) ( 2 2 m m L noλ
π
λ
π
Z-cut LiNbO3 패브리-페롯 에탈론의 전기광학계수 측정
Measurement of the Electro-Optic Coefficient of Z-cut
LiNbO
3Fabry-Perot Etalon
이승훈, 김승환, 임재인, 이민희, 김경헌 인하대학교 물리학과
본 논문에서는 Z-cut Congruent LiNbO3 패브리-페롯 에탈론에서 다중빔간섭에 의한 간섭무 늬의 위상변화 분석을 이용한 넓은 파장영역에서의 전기광학계수 rT13 측정방법을 소개한다. 광통 신파장 영역의 넓은 파장대역을 갖는 SLD를 광원으로 사용하여 전기광학계수의 분산을 측정하 였으며 마하젠더 간섭계 구조에서 벌크형태의 샘플로 측정한 결과 값과 비교하였다. 2차 비선형 물질은 고속 광변조기 및 광 스위치, 파장 변환기 등에 널리 이용된다. 근래에는 낮은 전 압에서 고속으로 동작하는 소자의 개발을 위해 큰 2차 비선형계수를 갖는 물질의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 신물질들의 신속한 개발 및 검증을 위해서는 전기광학 효과를 간단히 측정하는 것이 매 우 중요하다. 현재까지 알려진 전기광학 효과의 측정방법으로는 마하젠더 간섭계 및 페브리-페롯 간섭 계 방법, 샘플에서의 반사파의 타원편광 분석 방법 등으로 다양하지만 소개된 모든 방법은 단일 파장에 서의 전기광학 계수를 얻는 방법이다. 우리는 낮은 가간섭성의 광대역 광원을 이용한 마하젠더 간섭계 구조로 분광 간섭무늬의 위상변화 측정을 통한 전기광학계수의 분산을 측정하는 새로운 방법에 의해 이 러한 단점을 해결한 바 있다.(1) 본 논문에서는 매우 얇은 수 마이크론 정도의 박막형 샘플까지 측정이 가능하도록 하기 위해 마하젠더 간섭계 구조 대신에 패브리-페롯 간섭계 방식으로 전기광학 계수의 색 분산 특성을 측정하는 방법의 제안과 실험적 검증과정을 소개한다. 실험 장치는 그림1과 같다. 중심파장 1530 nm과 반치폭 80 nm를 갖는 SLD(Superluminescent diode)의 빔이 서큘레이터를 통과한 후 그린렌즈에서 평행빔으로 출사되어 샘플에 수직으로 입사된다. 샘플의 양쪽 표면에서 다중 반사되는 빔들을 다시 그린렌즈로 받아 서큘레이터를 통과하여 광스펙트럼 분석기로 파장에 따른 세기 분포를 측정한다. 샘플은 Z-cut Congruent LiNbO3로 Z-축 오차는 5' 이하
이며 분해능이 1.2 μm 인 마이크로미터로 측정한 두께는 178 μm 이다. 샘플의 양쪽 표면에는 ITO 를 약 50 nm 두께로 코팅하여 투명 전극으로 사용하였으며, ITO 양단에 직류 전압의 크기를 바꾸어 가며 간섭무늬를 측정하여 전기광학 계수를 얻었다. 측정이론을 간단히 설명하면 다음과 같다. 빔이 샘플표면 에 수직으로 진행하는 경우 패브리-페롯 에탈론에서 반사빔의 세기가 최소인 조건은 (1) 이 된다. 샘플에 전기장 E을 가하면, 전기광학 효과에 의한 굴절률의 변화 Δno(λ)와 역압전 효과에 의 한 두께의 변화 ΔL가 발생하여 반사빔의 세기가 최소인 조건은 다음 식 (2)와 같게 된다.
2
{
(
(
)
+
Δ
(
)
)(
+
Δ
)
}
=
2
+
Δ
(
=
0
,
1
,
2
,
⋅
⋅
⋅
)
2
m
m
L
L
n
n
oλ
oλ
π
φ
λ
π
(2) 363V d L L V d L E d L= 33 3 = 33 = 33 Δ L L V n r E n r n T o o T o =− =− +Δ Δ 3 13 3 13 2 1 2 1 ) (λ 2 33 3 13
2
)
(
1
2
o o Tn
d
V
n
r
=
−
Δ
φ
+
λ
π
λ
그림 1. 실험장치 및 샘플의 구조 그림 2 전기광학계수의 측정결과 여기서 역압전 효과에 의해 두께 변화 ΔL 과 전기광학 효과에 의한 굴절률의 변화 Δno(λ) 의 크기는 (3) (4) 이다(2). 이 식들 (3), (4)을 대입하여 식 (2)에서 (1)을 빼고 정리하면 (5) 이 된다. 즉, 전기광학 계수는 전기장이 있을 때와 없을 때의 위상변화로 얻을 수 있다. 본 실험에서는 샘플의 압전변형계수 d33는(2)과 굴절률 Δno(λ)(3)은 알려진 값을 사용하였으며 샘플에 인가하는 직류전압 의 크기에 따른 간섭무늬의 위상변화를 측정하였다. 그림2는 전기광학계수 r13T 의 측정값이다. 검은색 실 선은 마하젠더 간섭계 구조의 측정구도에서 전기장의 방향(Z-축)과 빛의 진행방향(Y-축)이 서로 수직인 경우의 측정결과이며, 파형의 선과 점선은 본 실험의 패브리-페롯 에탈론 샘플에서 전기장 방향(Z-축) 과 빛의 진행방향(Z-축)면이 나란한 경우에 대해 각각 측정한 결과이다. 현재 같은 샘플의 두 측정 결과 의 차이가 약 1 pm/V 정도이다. 이 차이는 샘플의 준비과정에서 샘플의 양면이 평행하지 않게 폴리싱 된 것을 그 주요 원인으로 생각할 수 있다. 차후 이 오차를 줄이기 위하여 평행도가 뛰어난 샘플을 준 비하여 실험을 반복할 것이며, 나아가 수 μm 정도 두께로 스핀코팅하여 제작된 얇은 두께의 전기광학 폴리머 필름의 전기광학계수 측정에 적용이 가능하다.1. Seoung hun Lee, et al, "A novel method for measuring continuous dispersion spectrum of electro-optic coefficients of nonlinear mataerals", Opt. Express 17, 9828-9833 (2009).
2. R.T. Smith and F.S. Welsh, "Temperature Dependence of the Elastic, Piezoelectric, and Dielectric Constants of Lithium Tantalate and Lithium Niobate," J. Appl. Phys. 42, 2219-2230 (1971)
3. D.E. Zelmon, D.L. Small and D. Jundt, "Infrared corrected sellmeier coefficients for congruently grown lithium niobate and 5 mol. % magnesium oxide-doped lithium niobate," J. Opt. Soc. Am. B, 14 3319-3322 (1997)
