가변 미세 광학 강유전체소자
편집부(외신)

레이저 빔의 각 위치(angular position)와 점 크기를 고속으로 컨트롤하는 것은 광통신, 광데이터 저장, 레이저 프린팅, 아날로그-디지털 컨버전, 디스플레이 기술 등의 여러 분야에서 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.
리튬 니오베이트(LiNbO3)와 리튬 탄탈레이트(LiTaO3)와 같은 강유전체 기반의 고체 전자 소자와 비교했을 때 광학 소자는 기계적, 다른 시스템 적으로 많은 장점을 지니고 있다. 움직이는 부품이 없고, 소자 크기가 작으면서 고속 동작속도를 갖는(기가 헤르츠 범위) 등의 장점이 그것이다. 또한 이들 광학 소자는 광학 스캐닝, 모양 형성, 초점, 주파수 변환이 한 칩 내에서 균일하게 일어날 수 있어 다양한 형태의 미세 광학 소자로 사용될 수도 있다.
전기광학 효과는 가해준 전기장에 따라 재료의 굴절률을 변화시킨다. 전기광학 효과는 전계 가변 굴절률이라고도 불리는데, 수십 기가 헤르츠 속도의 빛 변조분야에서 큰 관심을 얻고 있다. 재료의 굴절률은 재료 내부를 통과하는 빛의 속도를 결정짓는다. 전기장이 재료에 가해질 때 굴절률이 변화된다.
전기 광학 효과와 뛰어난 광학 특성을 가진 두 물질은 LiNbO3과 LiTaO3이다. 이 물질들은 강유전성 물질로, 외부 전계를 걸어주면 재배열 되는 지속적인 격자분극을 가지고 있다.
재료 내부에서 동일한 분극을 가진 부분들은 도메인(domain)이라고 부른다. 그리고 도메인과 도메인 사이의 경계를 도메인 벽(domain wall)이라고 부른다. LiNbO3과 LiTaO3은 두 가지 도메인 방향이 가능하다. z 결정 축을 따라 양의 방향으로 되어있는 것을 up 도메인이라 하며, 이 방향과 180。인 부분 즉 z 결정 축을 가진 부분을 down 도메인이라고 한다.
전기 광학 계수의 부호는 이들 도메인의 방향에 따라 달라진다. 그렇기 때문에 균일한 전기장 하의 결정을 통과하는 빛은 한 도메인 방향의 굴절률이 감소하고 다른 도메인 방향에서는 굴절률이 증가하게 된다. 따라서 도메인 벽에서는 두 배의 굴절률 변화가 발생하게 된다. 레이저 빔의 능동 회절과 빔의 모양 형성은 이들 물질의 도메인을 특별한 모양으로 패턴하여 얻을 수 있게 된다.

스캐너 디자인
도메인 벽에서의 가변 굴절률은 도메인을 일련의 프리즘으로 패턴하여 빛을 회절 시키거나 광학 스캐너를 만드는 데 사용될 수 있다. 첫번째 스캐너 디자인은 1968년 Lotspeich에 의해 제안되었다. Lotspei
ch에 의해 제안된 디자인에서는 동일한 프리즘이 직렬로 연결되어 있었다. 회절 광이 전기 광학 재료에서 공기로 나올 때, 나오는 회절은 스넬의 법칙에 의해 더욱더 향상되게 된다.
그와 같은 스캐너의 빔 전파 방법(beam propaga
tion method, BPM) 시뮬레이션 결과를 그림 1(a)에 나타내었다. 빔은 최대 회절을 위해 스택에 포함되어 있어야 한다. 그렇기 때문에 이 일련의 세트는 지속적으로 폭을 줄이고 길이를 늘림으로써 각도를 늘리는데 한계가 있다.
이 디자인을 개선하여 입력부에서 스캐너의 폭을 빔 직경이 허용 가능한 한 작게 할 수 있도록 하였다. 또한 빛의 궤적에 맞출 수 있도록 점차적으로 크게 늘릴 수도 있다. 이것이 소위 뿔 모양 스캐너이다. 왜냐하면 스캐너의 폭이 장치의 끝으로 갈수록 추가 빔 회절에 맞추어져 가기 때문이다. LiTaO3 스캐너를 그림 1(b)에 나타내었다.
케스케이드 뿔 모양 스캐너라고 불리는 디자인 컨셉이 제안되었다. 이 디자인은 스택에 있는 개별 스캐너가 이전 스캐너의 피크 회절에 맞추어질 수 있도록 일렬로 배열되어 있다. 2단계 케스케이드 스캐너를 그림1(c)에 나타내었다. 피크 작동 전계에서, 첫번째 스캐너는 주어진 각도를 통해 빔을 회절시켜 주어진 방향으로 가게 해준다. 두 번째 스캐너는 이 방향으로 향해져 있어 전계가 가해지면 더 많은 회절이 일어나도록 해준다.
모든 스캐너는 같은 작은 전기 광학 결정 조각으로 만들어진다. 스택 내의 각 스캐너는 케스케이딩 스케너에서 개별적인 전기장 공급을 받도록 설계되어 있다. 이 디자인의 장점은 최종 목표 회절을 얻을 때까지 스테이지를 계속해서 추가할 수 있고 요구되는 전기장이 주어진 스캔 각도에 대해서도 (스테이지 수를 늘림에 따라) 감소시킬 수 있다는 것이다. 각 스캐너가 직렬로 연결되어 있기 때문에 여러 요구 사항들 중에서 절충 점을 찾는 것은 복잡한 일이다.
현재까지 제안된 스캐너 디자인 중에서 비교해보면, 입력 조리개, 가해진 전기장과 계면 수가 사각형, 뿔 모양, 케스케이드 뿔 모양 스캐너의 경우 모두 같았다. 각 스캐너를 지나는 거리의 함수로서의 회절 빔의 경로가 결정되었다. 뿔 모양 스캐너가 사각형 형태의 스캐너보다 더 나은 성능을 보인다는 것은 자명한 사실이다. 또한 케스케이드 뿔 모양 스캐너가 훨씬 더 뛰어난 성능을 보였다.

렌즈 디자인
반전되어 있는 강유전체 물질의 도메인에서의 스캐너와 유사하게 렌즈 형태로 패턴된 도메인은 렌즈 역할을 하여 결정을 지나가는 빔을 모으거나 퍼트릴 수 있다. 도메인은 단순하게 생긴 얇은 렌즈의 적층 구조로 만들 수 있다.
가변 초점 렌즈 스택의 BPM 시뮬레이션 결과를 그림 2에 나타내었다. 예를 들어 매우 분산되어 있는 빛이 들어왔을 때에도 광섬유로의 출력이 가능하도록 초점을 맞출 수가 있다. 하지만 굴절 상수가 작기 때문에 그렇게 하기 위해서는 많은 수의 렌즈가 필요하다.
제작과정
소자제작의 핵심은 단결정 내에 도메인 영역을 형성하고 모양을 만드는 것으로서 보통 도메인 마이크로 패터닝이라고 부른다. 이 과정에서 상업적으로 판매되는 0.3mm 두께의 결정을 20×20mm의 크기로 자른다. 사진 식각 공정을 통해 이 결정의 표면에 탄탈륨 금속 패턴을 형성한다. 이 패턴은 원하는 소자, 예를 들면 프리즘(혹은 렌즈)이 형성될 부분을 제외한 나머지 영역에 금속이 형성되는 뿔 모양의 스캐너 등의 소자 모양을 따서 만들어진다.
균일한 물 전극을 결정 하부표면에 접촉되도록 배치한다. 재료의 보자력(coercive field:21kV/mm 혹은 0.3mm 두께의 재료에 있어 6000V)보다 큰 외부 전기장을 패턴된 탄탈륨 박막에 인가한다. 이 과정은 상부 금속 전극과 하부 물 전극사이 영역의 도메인 방향을 반전시킨다.
도메인 이동을 정확하게 조정하는 것은 회로에 흐르는 외부 전류를 모니터링하여 이루어진다. 또한 전기광학 이미지 현미경(electrooptic imaging microsco
py: EOIM)을 통하여 도메인의 핵생성과 성장을 실시간으로 관찰할 수 있다. 이 공정은 전기장을 인가하였을 때 발생하는 도메인 벽의 굴절률 차이를 이용한다. 이것은 전기광학 스캐너 동작 개념과 유사한 것이다.
결정내부에서 도메인 벽의 굴절률 차이는 전달되거나 반사되는 빛의 산란을 일으킨다. 이것은 광학 현미경(편광기는 있거나 없을 수도 있음)을 이용하여 두께 방향으로 잘려진 시편의 두께 방향의 도메인 벽 이미지를 얻는데 이용될 수 있다. 이 방법을 이용하면 180도 도메인의 움직임을 도메인 패터닝 과정 중에 직접적으로 확인할 수 있다.
프레임은 소자 제작 중에 폴링 프로세스를 실시간으로 관찰하여 선택하였다.(그림 3) 연속되는 프레임간의 간격은 3s 이다. 각 프레임에 있는 흰색의 삼각형의 부분은 탄탈륨 박막이 없는 프리즘 삼각형들 중 한 개의 꼭지점이다. 각 프레임의 나머지 부분은 탄탈륨 전극이다. 핵 생성은 전극 모서리에서 발생하여 탄탈륨 전극쪽으로 진행되어 나간다.

테스트
도메인 패터닝한 후에 입력 및 출력면을 다이아몬드 현탁액을 이용하여 광학 품질로 폴리싱한다. 이후 소자의 각각의 면에 균일한 금속 전극을 스퍼터링으로 증착하고 이 전극에 구리 테이프를 부착하여 소자의 리드선을 형성한다. 입력과 출력면을 제외한 전체 소자는 소자 동작중의 절연파괴를 방지하기 위하여 실리콘 젤을 사용하여 보호한다.
이 소자에 파장이 632.8nm인 헬륨-네온 레이저를 조사한다. 레이저 광선은 렌즈를 이용하여 초점을 맞춤으로써 온전히 소자를 통과하여 CCD 카메라에 비춰지도록 한다. 소자에 다른 전압을 인가하면 스캐너를 통과하는 소자의 면 위에서 광선이 휘거나 렌즈를 통과하는 광선의 초점거리가 변하게 된다.
정확한 각 변위(a
ngular displacement) 정보는 광선의 휘어짐이나 CCD카메라상의 광선의 점 크기를 측정함으로써 알 수 있다. 광선의 초점에 대한 소자의 상대적인 위치와 결정의 출력면에 대한 CCD 카메라의 상대적인 위치는 렌즈를 테스트하기 위하여 변화된다. 다양한 위치에 대한 광선의 beam waist를 측정하여 분석식을 데이터에 적용시킬 수 있다.

소자 특성
여러 종류의 소자 디자인을 제작하고 테스트하였다. 이중 하나의 소자는 집적화된 렌즈와  스캐너 소자를 갖고 있는 것이다.(그림  4(a)) 하나의 렌즈 묶음은 32개의 양면 볼록 렌즈로 구성되어 있다. 이것은 광섬유로부터 나와 입력면을 비추는 출력과 같은 매우 분산되는 빛을 모아주고 다시 그것을 평행한 빛으로 바꾸어 스캐너 부분으로 통과하도록 설계된다. 구체적인 성능을 측정하였다. (그림 4(b),(c))
X축의 고정된 한 지점에서 다양한 인가 전압에 따른 다양한 광선의 크기를 얻을 수 있다. 변위는 인가 전압에 따라 선형적으로 변화하였으며 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다. 편광된 입력광에 있어서 측정된 굴절각의 전압 상관관계는 31.45mrad/kV(1.80
2O/kV)였으며 최대 굴절각은 ±4.05kV에서 ±7.44O (총 14.88O)였다. 시뮬레이션 결과에서는 굴절각의 전압 상관관계가 31.41mrad/kV(1.80O/kV)였으며 최대 굴절각은 ±4.05kV에서 ±7.295O(총 14.59O)였다.  
계단식 전기 광학 스캐너를 제작하여 평가하였다. 첫 번째와 두 번째 단계의 스캐너는 동시에 동작한다. 첫 번째, 두 번째 단계의 스캐너가 최대 전압일 때 최대 굴절에 도달한다. 두개의 스캐너에 적당한 전압 파형을 일정하게 인가할 수 있는 연속 스캐닝을 위해서는 전압 구동회로가 필요하다. 스캐너는 최대 출력 전압이 1.1kV인 고속 전압 공급기로 동작되도록 설계되었다. 고전압 증폭기로 출력을 내보내는 FPGA(field programmable gate array)에 기반하여 특별히 설계된 임의 파형 신호의 생성은 Universi
ty of Delaware와 공동으로 제작하였다.
굴절각은 인가전압에 대한 함수로 측정하였다. 특별히 (강유전 분극 방향으로)편광된 입력광에 있어서, 굴절각의 전압에 대한 상관관계는 첫번째 스캐너의 경우 102.0 mrad/kV이고 두 번째 스캐너의 경우 99.5mrad/kV이다. 소자의 최대 굴절각은 두개의 스캐너 모두에 대하여 ±1.1kV에서 ±12.7O(총 25.4O)이다. BPM 시뮬레이션으로 계산된 이론적인 평가치를 그래프에 나타내었다.
시뮬레이션에 의하면 굴절각과 전압의 상관관계는 첫 번째 스캐너의 경우 104.7mrad/kV, 두 번째 스캐너의 경우 102.2 mrad/kV로 예상된다. 또한 두 스캐너 모두에 있어 최대 전장에서 최대 굴절각은 ±13.04O(총 26.8O)로 예상된다. 이 소자에 있어 식별 가능한 점의 최대 개수는 최대 총 굴절에서 29.75개로 평가된다. 마지막으로 스캐너의 동작을 5kHz의 주파수 영역까지 테스트 해보았다. 주목할 만한 스캔 각도의 열화는 발견되지 않았으며 높은 전력 구동회로를 사용하면 빠른 스캔 속도도 가능할 것이다.

향후 발전 
향후 본 소자는 비관성(非慣性) 광선 굴절을 필요로 하는 우주 통신 시스템 등과 같은 차세대 광학 소자 및 시스템으로 개발, 사용될 수 있다. 본 소자를 현재 강유전체를 이용하여 제작되고 있는 2차 하모닉 생성 구조와 같은 다른 구조와 집적하면 여러 가지 중요한 광학적 기능을 집적할 수 있게 된다. 예를 들어 광선 굴절, 광선 모양 형성, 주파수 배가 등을 하나의 광학 칩에 집적하는 것이다.  (Ceramic Bulletin)

LiTaO3를 사용한 다양한 전기 광학 스캐너 디자인의
BPM 시뮬레이션 결과 (a)사각형, (b)뿔 형태 그리고
(c)케스케이드뿔 모양. 회절 각도는 각각 5.25O, 8.45O
그리고 14.77O이다. 모든 단위는 밀리미터이다. 각 소자는 같은 길이(15mm), 동작 전계(15kV/mm), 계면 개수(10개)
그리고 빔 크기(100㎛)를 가지고 있다. 삼각형 내부의
도메인 방향은 주변 부분에 대해 역으로 180O이다.

32개의 볼록렌즈 적층의 BPM 시뮬레이션. 렌즈는 5㎛ 간격으로 떨어져 있다. 적층 구조는 8kv/mm의
외부 전기장이 가해진 상태에서 4~100㎛ 크기로 분산된 빛을 모으도록 설계되어 있다.

(a) 페니 옆의 집적한 렌즈와 스캐너장치. 스캐너 부분은 왼쪽에 보이는 작은 직사각형이고, 스캐너는 오른쪽의 직사각형이다. 적층된 렌즈의 특성을 (b)에 나타내었는데, 다양한 전압에 대하여 빔 웨이스트가 나타남을 볼 수 있으며, 레이저의 초점과 관련된 소자의 위치에 따라 ABCD 이론에 의한 계산과 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 가해진 전압에 따른 빔의 회절정도와 BPM 시뮬레이션 결과 얻은 결과를 (c)에
나타내었다. 가해진 전압과 회절 정도가 선형이라는 것에 주목할 만 하다.

패턴된 LiTaO3의 도메인을 in-situ로 관찰한 선택된 프레임. (f)프레임에 라벨이 붙여진 세 영역이 있는데, (3)은 탄탈륨 필름 전극의 아래에 있는 원래 결정이고 (2)는 탄탈륨 필름 전극 아래부분에 있는 반전된 도메인, (1)은 프리즘 패턴을 형성한 탄탈륨 필름 전극이 없는 원래 결정이 부분이다. 어두운 부분은 도메인 사이의 경계에서의 명조차이로 나타난 것이다. 도메인 성장은 전극 가장자리에서 시작되었으며 전극 방향을 향해 전진하였다. 프레임은 각 3초마다 촬영한 것이다.