KR100441139B1 - 쿼지상태 다중모드 간섭을 이용한 광분리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중모드 간섭기형 광분리기에 관한 것으로, 입력 도파로(1), 다중모드 간섭기(2) 및 2개의 출력 도파로(3, 4)를 구비한 다중모드 간섭기형 광분리기에 있어서, 다중모드 간섭기(2)가 결상 길이가 짧은 쿼지상태(Quasi-State)의 다중모드 간섭상태를 이용하도록 함으로써 광소자의 길이를 기존 대비 1/5 정도로 줄일 수 있으며, 쿼지상태의 다소 불완전한 단일상의 특성에 의한 약간의 추가 손실을 보상하기 위하여, 입력 도파로(1)의 폭을 다중모드 간섭기(2) 폭의 1/3로 함으로써 다중모드 간섭기(2) 내의 4개의 저차모드에 대한 여기계수가 대칭적으로 분포되게 하여 쿼지상태의 소멸비 특성을 개선하고, 도파로의 코어와 클래딩의 굴절률 차이를 매우 크게 하거나 매우 작게 하여 다중모드의 위상오차를 커지게 함으로써 쿼지상태의 손실을 줄이는 것을 요지로 한다.

Description

쿼지상태 다중모드 간섭을 이용한 광분리기 {OPTICAL BEAM SPLITTER BASED ON THE QUASI-STATE MULTI-MODE INTERFERENCE}

본 발명은 광도파로형 광분리기에 관한 것이다.

일반적으로 광도파로형 광분리기는 크게 Y-분기형, 마하젠더 간섭기형, 그리고 다중모드 간섭기형으로 나눌 수 있다.

대한민국 특허 제281736호는 Y-분기형 광도파로 편광 분리기에 대한 것으로, 광학적 복굴절성을 가지는 폴리머를 Y-분기(Y-branch) 형 광도파로의 일부분에 집적하여 제작 가능하며, 모드 진화(Mode Evolution) 원리를 이용한 새로운 형태의 폴리머 광도파로 편광 분리기의 구조를 제안하고 있다. 그러나, Y-분기형이나 마하젠더 간섭기형의 경우 광학적 비대칭 도파구조를 만들기 위한 부가적 공정들이 필연적으로 수반되어야 하며, 광소자의 길이 또한 매우 길어지게 된다.

반면에 다중모드 간섭기를 이용하면 이러한 광학적 비대칭 구조가 필요하지 않으므로 보다 공정이 간단한 장점을 가진다. 그러나 다중모드 간섭기를 이용하는 경우에도 다소 광소자의 길이가 길어 광집적화에 어려움이 있으며, 간섭기의 길이에 비례하여 모드간 위상오차가 증가하므로 광분리 특성이 저하되는 단점이 있어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 쿼지상태(Quasi-State) 다중모드 간섭을 이용한 새로운 다중모드 간섭기형 광분리기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 다중모드 간섭현상으로부터 쿼지상태를 고안하고 이를 이용함으로서 광분리 길이를 1/5로 줄일 수 있으며 이로부터 광회로의 고집적화에 기여하고, 종래 기술에 비하여 공정오차에 덜 민감하여 보다 안정적인 소자를 구현하며, 또한 부가적인 공정이 수반되지 않으면서도 고집적화가 가능하므로 단가를 낮추고 대량생산을 가능하게 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광분리기의 개략도,

도 2는 쿼지상태(Quasi-State)와 일반적 단일상인 정상상태(Normal-State)를 비교 도시한 그래프,

도 3은 도파로 1의 폭에 따른 4개 다중모드로의 여기계수 변화를 도시한 그래프,

도 4는 도파구조 또는 굴절률 차이에 의한 위상오차 분포를 비교 도시한 그래프,

도 5는 쿼지상태(Quasi-State), 위상오차를 이용하여 개선된 쿼지상태, 정상상태(Normal-State)를 비교 도시한 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 3, 4 : 단일모드 도파로

2 : 다중모드 간섭기

w : 단일모드 도파로의 폭

Wm : 다중모드 간섭기의 폭

nr : 도파코어부의 굴절률

nc : 클래딩의 굴절률

본 발명은 상기 목적의 달성을 위해, 입력 도파로(1), 다중모드 간섭기(2) 및 2개의 출력 도파로(3, 4)를 구비한 다중모드 간섭기형 광분리기에 있어서, 상기 다중모드 간섭기(2)가 결상 길이가 짧은 쿼지상태(Quasi-State)의 다중모드 간섭상태를 이용하는 것을 특징으로 하는 광분리기를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 입력 도파로(1)의 폭을 상기 다중모드 간섭기(2) 폭의 1/3로 함으로써 상기 다중모드 간섭기(2) 내의 4개의 저차모드에 대한 여기계수가 대칭적으로 분포되게 하여 쿼지상태의 소멸비 특성을 개선하거나, 상기 상기 입력 도파로(1), 상기 다중모드 간섭기(2)의 도파로 및 상기 출력 도파로(3, 4)의 코어와 클래딩의 굴절률 차이를 매우 크게 하거나 매우 작게 하여 다중모드의 위상오차를 커지게 함으로써 쿼지상태의 손실을 줄인 것을 특징으로 하는 광분리기를 제공한다.

본 발명에서는 간섭기 내에 존재하는 4개 모드의 간섭조건으로부터 쿼지상태(Quasi-State)의 표현을 위한 관계식을 정의하였고, 이때 쿼지상태는 다소 불완전한 단일상의 형태를 가진다.

다중모드 간섭기 내에 존재하는 4개의 모드가 αL_π의 거리를 진행한 후의 간섭현상을 다음 수학식 1과 같이 기술할 수 있다.

여기서, Ψ는 각 모드의 함수를 나타내며, c는 각 모드로의 여기계수를 의미한다. 위 식에서 진행거리에 대한 비례상수 α가 3n±3/5의 값을 가질 때 쿼지상태가 형성되며, 아래 표 1에서와 같이 정상상태의 표현식과는 ζ의 값에 의해 구분되어 진다.

위 식에서 4개 모드의 여기계수들이 대칭적인 분포를 가질 때(즉 c₀=c₃, c₁=c₂), 두 모드함수의 곱으로 표현되는 모든 항들의 계수가 같아지며, 이로부터 반대부호를 가지는 항들 간에 상쇄가 효과적으로 이루어져 소멸비 특성의 개선이 가능함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 쿼지상태의 결상 길이는 3L_π/5로서, 자아결상원리로부터 계산되는 일반적인 결상 길이인 3L_π의 1/5 에 지나지 않는 대폭 축소된 길이를 가지며, 이렇게 광분리 길이를 1/5로 대폭 줄이는 획기적인 장점으로 인하여, 평판광회로의 구현에 있어 광소자의 길이로 인해 야기되었던 제반 문제점을 해결한다.

이와 같은 설계 방법에 따라 설계된 광분리기는, 쿼지상태의 다소 불완전한 단일상의 특성에 의해 약간의 추가 손실이 유발되기도 하지만, 후술하는 바와 같이 도파로 구조에 따르는 모드간 위상오차를 적절히 이용하는 방법 등에 의해, 쿼지상태의 단일상 형성 특성을 최적화함으로서 광분리 특성을 개선하고 추가 손실을 극소화할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 원리를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중모드 간섭기형 광분리기를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에서 1, 3, 4는 단일모드를 가지는 도파로를 가리키며, 다중모드 간섭기 영역은 2로 표시하였다. 또한, w는 단일모드 도파로의 폭, Wm은 다중모드 간섭기의 폭을 의미한다.

다중모드 간섭기는 일반적인 광소자의 재료로서 반도체 화합물, 폴리머, SOI(Silicon On Insulator), 졸겔(Sol-gel), Glass 계열의 재료들이 사용될 수 있다. 또한, 동일한 재료에 대하여도 도파 구조를 다르게 하여 도파 코어부와 클래딩의 유효한 굴절률을 변화시킬 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, A와 B라는 서로 다른 두 빛이 도파로 1로 입사된 후 영역 2를 지나게 되면, 3, 4 도파로로 각각 분리되어 빠져나가게 된다. 이때 영역 2의 z축 방향으로의 길이가 전체적인 소자 크기를 결정하게 하는데, 이 길이를 줄이기 위하여 쿼지상태를 아래와 같이 도입한다.

도 2는 도파로 1로 입사된 하나의 빛에 대하여 영역 2의 길이에 따라 도파로 3과 4로 나누어지는 광세기를 의미한다.

상기 도면에서 정상상태(Normal-State) 라고 표시한 부분은 일반적으로 다중모드 간섭을 이용한 광분리시 사용되는 단일상의 형태를 나타내며, 이것은 자아결상원리로부터 설명되어진다. 그리고, 쿼지상태(Quasi-State)라고 표시한 부분이 본 발명에서 제안하는 새로운 다중모드 간섭상태를 의미한다.

도시된 바와 같이, 처음 형성되는 쿼지상태는 정상상태에 비하여 1/5의 길이를 가짐을 볼 수 있다. 이러한 쿼지상태의 특성을 이용하여 기존 대비 1/5 길이를 가지는 광분리소자의 구현이 가능하다. 그러나, 정상상태에 비해 그 세기가 미약하여 손실이 크고, 소멸비 특성도 안 좋음을 알 수 있다.

따라서, 다음과 같이 쿼지상태의 특성을 개선하기 위한 두 가지 방안을 강구하였다.

첫 번째 방안은 도 3과 같이 다중모드 간섭기 내에 존재하는 4개 저차모드에 대하여 대칭적인 여기계수(c₀=c₃, c₁=c₂)를 가지게 함으로서 소멸비 특성을 개선하는 방법에 관한 것이다. 도시된 바와 같이 도파로 1의 폭을 영역 2의 1/3 정도로 하여 이러한 조건을 만족시킬 수 있다.

두 번째 방안은 도 4와 같이 도파구조에 따른 다중모드의 위상오차를 이용하여 손실을 줄이는 방법에 관한 것이다. 즉 도파 코어부와 클래딩의 굴절률 차이가 너무 크거나 작으면 다중모드의 위상오차가 커지게 되는데, 이러한 위상오차는 정상상태의 특성을 저하시키나 쿼지상태의 특성을 개선시키게 된다.

이러한 특성을 이용하여 도 5에서와 같이 쿼지상태의 출력 광세기를 향상시킬 수 있다. 도 5는 각각 쿼지상태, 위상오차를 이용하여 개선한 쿼지상태, 정상상태의 출력을 비교 도시한 것이다.

상술한 두 가지의 쿼지상태 개선 방법을 이용함으로서 광분리 길이를 1/5로 줄이는 장점을 살리는 동시에 이로부터 발생하는 문제점들을 최소화 할 수 있다. 또한, 소자의 길이가 길어지면 다중모드의 위상오차로 인하여 광분리 특성이 크게 저하되는데, 본 발명에서는 쿼지상태를 이용함으로서 이러한 현상을 줄일 수 있고, 따라서 공정허용 오차도 보다 개선되어진다.

본 발명에 따르면, 다중모드 간섭기형의 광분리기에서 쿼지상태(Quasi-State)를 이용함으로써 광분리 길이를 기존 대비 1/5로 줄일 수 있으며, 이로부터 광집적도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 길이를 대폭 줄임으로써 전파손실 및 도파모드간의 위상오차로 인한 성능저하를 현저히 줄일 수 있다.

더욱이, 본 발명은 단순히 새로운 다중모드 간섭현상을 이용한 것으로서 다른 추가적인 공정이 요구되지 않으며, 일반적인 설계 방식에 비하여 공정허용 오차가 커 보다 안정적인 제작이 가능하다.

특히 편광분리의 경우처럼 분리하고자 하는 두 빛에 대한 유효굴절률이 유사하면 광분리 길이가 매우 길어지므로 본 발명과 같은 쿼지상태를 이용한 설계 방법이 매우 효과적이다.

Claims (3)

1. 입력 도파로(1), 다중모드 간섭기(2) 및 2개의 출력 도파로(3, 4)를 구비한 다중모드 간섭기형 광분리기에 있어서,

   상기 다중모드 간섭기(2)는 결상 길이가 짧은 쿼지상태(Quasi-State)의 다중모드 간섭상태를 이용하는 것을 특징으로 하는 쿼지상태 다중모드 간섭을 이용한 광분리기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력 도파로(1)의 폭을 상기 다중모드 간섭기(2) 폭의 1/3로 함으로써, 상기 다중모드 간섭기(2) 내의 4개의 저차모드에 대한 여기계수가 대칭적으로 분포되게 하여 쿼지상태의 소멸비 특성을 개선한 것을 특징으로 하는 쿼지상태 다중모드 간섭을 이용한 광분리기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력 도파로(1), 상기 다중모드 간섭기(2)의 도파로 및 상기 출력 도파로(3, 4)의 코어와 클래딩의 굴절률 차이를 매우 크게 하거나 매우 작게 하여 다중모드의 위상오차를 커지게 함으로써 쿼지상태의 손실을 줄인 것을 특징으로 하는 쿼지상태 다중모드 간섭을 이용한 광분리기.