KR0138850B1 - 고분자 도파로형 te-tm 모드변환기 - Google Patents

고분자 도파로형 te-tm 모드변환기

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Abstract

본 발명은 비선형 광도파 매질로 사용되고 고분자 박막의 poling시 나타나는 광학적 이방성과 전기광학효과를 이용한 도파로형 편광변환기에 관한 것이다.
고분자 박막의 poling시 형성되는 광축은 인가하는 poling 전장의 방향에 의하여 결정되므로 poling 전극을 적절하게 설계하면 TE모드와 TM모드의 전장방향에 대하여 모두 45°의 각도를 갖는 광축을 고분자 박막내에 형성시킬 수 있고, 이러한 구조의 도파로에 TE(또는 TM)모드가 입사하면 형성된 광축과 그에 수직한 축사이의 유효굴절율 차이에 의하여 TE(또는 TM)모드가 TM(또는 TE)모드로 변환될 수 있으며, 도파로의 poling 길이 및 유기되는 이등방성을 조절하면 그외의 여러가지 편광상태로의 변환도 가능하다.
또한 poling된 박막은 전기광학효과를 가지므로 도파로에 전압을 인가하면 poling에 의해 유기된 이방성의 크기를 변화시킬 수 있다. 이와같은 전기광학효과를 이용하면 바이어스전극으로 도파로의 출력상태를 TE 또는 TM모드로 적절하게 조절할 수 있고, 이와같이 조절된 도파로에 스위칭전극으로 전압을 인가하면 TE-TM 모드스위칭을 얻을 수 있다.

Description

고분자 도파로형 TE-TM 모드변환기(TE-TM mode converter in polymer waveguide)
제1도는 본 발명에 의해 폴링(poling)된 도파로를 구비한 편광변환기의 단면구도이다.
제2도는 45°광축을 만들기 위해 설계된 poling 전극에 의한 전장 분포도의 한예이다.
제3도는 본 발명의 편광변환 동작 특성의 한예를 벡터 BPM에 의한 전산시늉에 의해 조사한 결과를 나타낸 도표.
제4도는 제3도 구조의 도파로에서 a-축을 따라 전장을 가하여 a-축을 따른 굴절율 변화를 0.0005 만큼 변화시켰을 때 전기광학 효과에 의해 나타나는 특성변화를 나타낸 도표.
제5도는 본 발명에 의한 도파로형 TE-TM 모드변환기의 구조를 도시한 것으로서, (A)는 단면도를, (B)는 평면도를 각각 나타낸다.
[발명의 기술분야]
본 발명은 최근 전기광학 변조기등 광도파로 소재로 많은 연구가 되고 있는 비선형 고분자 박막의 poling 시 나타나는 광학적 이방성(optical bifringence)과 전기광학효과(electro-optic effect)를 이용하여 도파로 구조에서는 새롭게 제안되는 편광변조기의 구조 및 동작원리에 관한 것이다.
[발명의 배경 및 종래기술의 문제점]
종래의 TE-TM 모드변환기는 L=NbO3및III-VWHR EEHSMS II-VI족 복합 반도체 등에서 주로 제작이 되어왔다.
L=NbO3에서의 TE-TM 모드 변환기는전기광학적으로 유기된 비축 유전상수를 이용하는 경우와 탄성파와 광파와의 작용을 이용하는 경우등이 있으나 후자의 경우는 실용적이지 못하고 주로 전자의 경우가 사용된다.
그러나 전자의 비축유전 상수를 이용하는 경우는 변환효율을 크게하기 위하여 노말모드간의 위상정합이 필요하며 이를 위해 복잡한 전극구조가 필요하다(R.C.Alterness, IEEE.J.Quantum Eledron., vol QE-17, PP 965-969, 1981 참조).
또한 이 경우는 TE-TM 모드변환이 가능한 파장영역이 ∼5Å 정도의 대역폭 밖에 갖지 못하는 단점이 있다.
복합 반도체의 경우는 III-V 경우와 같이 위상정합이 필요없는 경우도 있고, II-VI와 같이 위상정합이 필요한 경우도 있다.
그러나 두 경우 모두 제작공정이 복잡하고 편광변환 효율도 그리 높지 못하다.
또한 복합 반도체 경우는 TE-TM 변환기를 이용한 또다른 광도파로 소자(예로서 편광안정기, 광세기 변조기 등)들을 제작하는데 필요한 편광기, TE-TM 위상변환기 등과의 집적화가 매우 어려운 단점이 있다(H.K.Reinhart, R.A.Loganm, and W.R.Sinclair 참조).
본 발명은 노말모드간의 위상정합이 필요없고, 다른 광도파로 소자와 집적화가 용이하며, 제작공정이 비교적 간단하고, 값이 싼 고분자 도파로에서의 TE-TM 모드 변환기에 관한 것이다.
비선형 고분자란 광학적으로 선형(optical linearity)인 고분자 매트릭스(matrix)에 2차 비선형 특성(nonlinearity)을 갖는 분자들이 여러가지 형태로 도핑되어 있는 물질을 가리키는 것이다.
그러나, 단순히 고분자내에 도핑되어 있는 분자들의 비선형성이 박막의 거시적인 비선형으로 연결되기 위해서는 임의의 방향으로 배열되어 있는 비선형 분자의 전기 쌍극자들을 한 방향으로 배열시켜 박막의 비대칭성을 유지시키는 절차가 필요하며, 이는 고분자 매트릭스의 유리전이 온도(glass transition temperature) 이상에서 폴링(poling)이라는 단계를 거침으로해서 가능하다.
폴링(poling)은 고분자의 유리전이 온도 이상에서 비교적 움직임이 자유로운 상태에 있는 비선형 분자들의 전기 쌍극자를 외부에서 전장을 가하여 인위적으로 전장방향으로 배열시킨 후 온도를 내려 고정시키는 방법이다.
일반적으로 이러한 비선형 분자들은 막대 형태를 띠고 있어 막대축(director)을 따른 선형 분극과 수직방향의 선형분극의 큰 차이로 인하여 poling후의 박막들은 전기광학 효과를 가질뿐만 아니라 광학적 이방성(optical bifringence) 또한 매우 크게 된다.
비선형 고분자의 광학적 이방성은 폴링(poling)전장의 제곱에 비례하고, 전기 광학 계수는 선형적으로 증가한다.
[발명의 목적]
본 발명은 이러한 기술적 배경하에서 안출된 것으로서, 그 목적은 비선형 고분자만의 독특한 폴링특성과 폴링시 유기되는 광학적 이방성 및 전기광학효과를 이용하여 새로운 개념의 도파로형 TE-TM 모드 변환기를 제공하는데 있다.
[발명의 개요]
제1도는 본 발명의 편광변환기의 비선형 고분자 도파층인 코아층(1)을 상, 하부폴링전극(4, 3)에 의해 소정 각도로 폴링시킨 도파로 구조를 도시한 것으로서, 제1도의 띠도파로 구조는 많은 띠 도파로 구조중의 한가지 예이며, 실제 사용되는 띠도파로의 구조는 물질의 종류에 따라 광표백된 도파로(photo-bleached waveguide), 스트라이프-로우디드 도파로(stripe-loaded waveguide), 마루형 도파로(ridge waveguide) 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
제1도에서 도파로의 코아층(1)은 비선형 고분자이며, 그 주위는 광학적으로 등동방성인 물질 또는 상기 코아층과 같이 전기광학 계수 및 광학적 이방성을 가지나 굴절율이 코아보다는 낮은 비선형 물질로 된 클래드층(2)이다.
폴링전장의 방향을 도파로부근에서 제1도의 x-축에 대하여 평균 θ=45°가 되게 하면 비선형 고분자 코아층내에 도핑되어 있는 비선형 분자들이 전장방향으로 배열하여 거시적인 비선형 고분자의 광축이 x-축에 대하여 평균 45°의 각을 갖고 형성이 된다.
먼저, 본 발명의 편광변환의 원리는 다음과 같다.
Ex(TE)의 편광을 갖는 빛이 입사하면, 도파로 내부의 노말모드(normal mode)의 편광방향은 폴링(poling)에 의하여 형성된 a-축 및 이에 수직한 b-축이므로 Ex성분은 Ea와 Eb의 성분으로 나누어 생각할 수 있다.
도파로를 진행하면서 Ea와 Eb성분은 서로 간섭없이 독립적으로 진행하나 도파로의 광학적 이방성 때문에 도파로의 끝단에서는 입사때와는 서로 다른 위상을 갖게 된다.
도파로의 출력단에서 Ea와 Eb의 두 성분을 Ex와 Ey성분으로 다시 변환시키면 Ea및 Eb성분의 도파로 끝단에서 위상차이에 따라 다양한 형태의 출력 편광상태가 가능하다.
출력단에서 Ea와 Eb성분의 수학적 표현은 다음과 같다.
Ex= Ex0cos2(δβL/2) (식 1)
Ey= Excis2(δβL/2)
여기서, L은 도파로의 폴링 길이이며, δβ는 Ea및 Eb성분의 유효전파 상수의 차이로서 다음과 같이 표현된다.
δβ = (2π/λ) (Na- Nb)(식 2)
여기서 Na와 Nb는 노말모드인 Ea와 Eb의 유효 굴절율이며, λ는 빛의 파장이다.
도파로의 노말모드 사이의 유효굴절율 차이는 상기 코아층(1) 및 클래드층(2)의 굴절율과 도파로 코아층(1)의 크기 등에 의존하며, 일반적으로는 유효굴절율법으로 계산할 수 있지만 제안된 소자와 같이 코아층(1)이 광학적 이방성을 갖는 경우는 해석적으로 구하기 힘들고 벡터BPM(Bector Beam Propagation)이라는 수치해석을 통하여 가능하다.
(식 1)에서 δβL/2이 π의 정수배가 되면 도파로의 초기출력상태는 TE(Transverse Electric)가 TE로 그대로 나오는 것이 되며, δβL/2이 π/2의 기수 정수배가 되면 (식 1)에서 Ex가 Ey로 변환됨을 알수 있다.
(식 1)과 (식 2)를 이용하여 TE 출력과 TM 출력의 조건을 수식으로 표현하면 다음의 (식 3)과 같다.
TE - TE : δβL/2 = mπ, (m=0, 1, 2, …) (식 3-1)
TE - TM : δβL/2= m(π/2), (m=1, 3, 5, …) (식 3-2)
여기서 (식 3-1)의 m=1의 조건을 만족하는 길이 L 을 도파로의 비트(beat)길이(Lb)라고 하며 다음과 같이 표시된다.
Lb= π/(Na/Nb) (식 4)
비트길이를 사용하여 (식 3-1)과 (식 3-2)의 조건들을 다시 나타내면 (식 5)와 같다.
TE - TE : L/Lb= m (m=0, 1, 2, …) (식 5-1)
TE - TM : L/LB= m/2 (m=1, 3, 4, …) (식 5-2)
(식 3)과 (식 5)에 의하여 표현되는 경우 이외의 출력상태는 일반적으로 타원편광 상태에 있다.
도파로의 길이(L) 또는 유효굴절율(Na, Nb)들을 (식 3) 또는 (식 5)의 조건들을 만족하게 조절하면 도파로의 초기출력상태를 선편광인 TE 또는 TM 상태에 맞출 수 있다.
TE-TM 모드변환은 초기출력이 TE 또는 TM인 선편광상태를 유지해야 한다.
한편, poling된 상기 코아층은 전기광학효과를 가지므로 제1도의 poling시 사용한 상, 하부 폴링전극(4, 3)을 제거하고, 이 위치에 형성된 소정의 변조전극(후술됨)을 이용하여 소정의 전압을 인가하면 a- 및 b-축을 따른 유효굴절율 Na와 Nb가 변화하여 노말모드의 유효전파 상수의 차이 δβ의 크기를 (식 6)과 같이 바꿀 수 있다.
δβ = (2π/λ) (Na- Nb)0+ C(π/λ)n0 3(γ33-γ13)(Va/t) (식 6)
여기서, (2π/λ) (Na- Nb)0는 전압인가하기 전의 유효전파상수의 차이이며, C(π/λ)n0 3(γ33-γ13)(Va/t)는 인가된 전압에 의해 유기된 유효 전파상수의 차이이다.
n0는 poling 전 코아의 굴절율이고 γ33과γ13는 poling된 박막의 전기광학계수로서 광축(a-축)을 따라 전장을 인가할 때 고분자의 a- 및 b-축을 따른 굴절율 변화를 주는 비선형 고분자의 전기광학 계수들이다.
γ33는γ13에 비하여 3배 큰 값을 갖는다.
(식 6)에서 t는 도파로의 두께이고, C는 비례상수이다.
비례상수 C 는 광파와 인가되는 전장과 광파의 오버랩(overlap)등에 관계되는 양이다.
(식 6)에서 보면 γ33와 γ13의 값 차이에 의하여 도파로에 전압을 인가할 경우 도파로의 유효전파 상수의 차이가 변하게 된다.
δβ/2를 π/2 만큼 변화시키면 TE편광에서 TM편광으로의 TE-TM 모드 스위칭이 가능하다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
i)poling 전극구조
먼저, 본 발명의 모드변환기에서 가장 중요한 부분은 poling 전장을 45도로 만들어 주는 poling 전극의 설계이다.
제1도에 나타낸 바와같이, 상, 하부 poling용 전극들(4, 3)은 수직 및 수평으로 적당히 떨어져 비선형 고분자 도파층인 코아층안에서 poling 전장의 방향이 약 45도의 각도를 갖게끔 설계되어져야 한다. 주어진 도파로의 두께(t)에 대해 도파로 중심에서 약 45°의 광축방향을 주는 여러가지 요소로서, 전극들(4, 3)의 폭(w) 및 상부폴링전극(4)과 하부폴링전극(3)의 중심에서 중심까지의 거리인 수평간격(s)의 값들이 존재하며, 제작상의 용이성 및 소자의 동작속도 등을 고려해 적절한 값들을 선택할 수 있다.
제2도는 45도 광축을 만들기 위해 설계된 폴링전극들(4, 3)에 의한 전장분포도를 도시한 도표로서, 도파로의 두께가 t=10㎛이고, poling 전극의 폭이 w=10㎛, poling 전극의 중심에서 중심까지의 거리가 s=14㎛일 때, 도파로 내부의 전장분포를 6㎛×6㎛내에서 계산하여 나타낸 것이다.
제2도에서 실선은 동전위선이며, 화사표는 전장의 방향이다.
도파로 중심에서 전장의 방향은 45°이나 중심에서 벗어날수록 45°에서 조금씩 벗어남을 알 수 있다.
도파로의 중심으로부터 6㎛×6㎛ 범위안에서 평균전장 배열 각은 약 46°이다.
대부분의 광도파로 크기는 6㎛×6㎛ 이하이므로 poling 전극(4, 3)의 적절한 설계에 의하여 코아층의 광축을 제1도의 x-축과 약 45°가 되게 만들 수 있음을 알 수 있다.
ii)광학적 이방성을 갖는 도파로에서의 모드변환 효과
실제 소자의 작동 특성을 알아보기 위해서는 (식 2)에 나타난 노말모드의 유효전파 상수 Na와 Nb를 알아야 하나 해석적으로 이들을 구하기는 매우 어렵다.
본 발명에서는 상기 유효전파 상수를 구하기 위하여, 벡터 BPM에 의한 전산시늉(simulation)을 사용하였다.
제3도는 본 발명에 의해 45°각도로 폴링된 도파층을 구비한 도파로 구조의 편광변환 특성을 알아보기 위해 벡터 BPM에 의한 전산시뮬레이션의 결과를 예시한 도표이다.
전산시늉에 사용한 광도파로의 구조는 제1도와 같다.
도파로의 코아층 크기는 3㎛×3㎛ 이며 사용한 파장은 1.3㎛이다.
poling 전장의 분포는 제2도의 것을 이용하였으며, 클래드층(2)은 등방성이며 선형물질로 가정하였다.
사용한 클래드층(2)의 굴절율은 1.612이고, 코아층(1) 중심에서 a-축을 따른 매질의 굴절율은 1.627 그리고 b-축을 따른 굴절율은 1.622로 하였다.
즉, 고분자 박막에 유기된 굴절율 이방성의 크기를 0.005로 하였다.
제3도에서 알 수 있는 바와같이, Ex(TE)편광의 입력광의 세기 즉, TE모드의 세기(Ix)는 도파로를 진행함에 따라 작아지고 처음에는 존재하지 않던 Ey(TM)성분이 생겨남을 알 수 있다.
진행거리가 220㎛에서는 TE모드의 세기, Ix는 최소가 되고 TM(Ey)모드의 세기, Iy는 최대가 됨을 알 수 있다.
진행거리가 440㎛에서는 다시 Ex모드가 최대가 됨을 알 수 있다.
즉, (식 1)에 의한 Ex와 Ey의 변화와 같은 경향을 나타냄을 알 수 있다.
이와같은 경향은 도파로를 진행함에 따라 계속 반복되는데 일반적으로 그 주기를 (식 4)에 언급한 비트(beat) 길이(LB)라고 한다.
위의 예에서 비트길이는 약 440㎛이고 (식 4)로부터 도파로내의 광학적 이방성의 크기(Na-Nb)는 약 0.0029 정도로 실제 비선형 고분자의 광학적 이방성의 0.005보다 작은 값임을 알 수 있다.
iii)전기광학 효과에 의한 TE-TM 모드스위칭
전장을 가했을 때 전기광학효과에 의한 δβ값이 변화를 해석적으로 구하는 것은 노말모드의 유효굴절율을 구하는 것과 같이 매우 어렵기 때문에 벡터 BPM을 이용하여 전장의 효과를 계산하여 보았다.
제4도는 제3도의 특성을 갖는 소자에 전압을 인가하여 도파로 중심에서 a-축을 따라 0.0005 정도의 굴절율 변화를 주었을때 입력광 Ex성분의 도파길이에 따른 특성변화를 예시한 도표이다.
제4도에서는 600㎛ 진행후 전장을 인가한 경우와 인가하지 않은 경우의 Ex위상의 변화는 0.875 rad임을 알 수 있다.
즉, 인가된 전압에 의하여 도파로 노말모드들 사이의 유효전파 상수 차이가 변조됨을 알 수 있다.
TE-TM 모드 스위칭을 위해서는 도파로의 초기 출력상태를 TE 또는 TM 상태로 만들어야 한다.
즉, (식 3) 또는 (식 5)의 조건을 만족하게끔 도파로의 초기상태를 먼저 조절하여야 한다.
출력광의 초기 편광상태를 조절할 수 있는 방법으로는 위에서 언급한 바와같이 (식 3) 또는 (식 5)의 조건을 만족하게끔 도파로의 poling 전극의 길이를 조절하거나, 또는 주어진 poling 길이에 대하여 광학적 이방성의 크기를 poling 전장의 세기를 통하여 조절하는 방법이 있다.
그러나 일반적으로 도파로의 poling 길이조절 및 이방성의 크기를 조절하여 출력광의 편광상태를 조절하는 것은 제작상의 어려움이 있으므로 스위칭용 전극외에 바이어스(bias)전극을 추가로 이용하는 것이 소자를 좀더 현실적인 것으로 만들어 준다.
제5도는 이와같이 바이어스(bias)전극 및 변조전극들을 이용하여 TE-TM 모드변환이 가능한 소자의 구조를 나타낸 것으로서, 제5A도는 측단면도를, 5B도는 평면구조를 각각 나타낸다.
상술한 바와같이, 제1도의 폴링전극들(4, 3)에 의해 코아층의 비선형 고분자들이 45°각도로 배열되고 나면, 폴링전극들(4, 3)은 제거되고, 제5도에 도시한 바와같이, 상, 하부 바이어스전극(14, 13)과 상, 하부 변조전극(24, 23)이 형성된다.
이 바이어스 전극들(14, 13)과 변조전극(24, 23)들이 전기적으로 절연되어 있음은 물론이다.
상기 상, 하부 바이어스전극(14, 13)은 상술한 바와같이, 도파로의 초기 출력편광 상태를 조절하기 위한 것이며, 상기 상, 하부 변조전극(24, 23)은 (식 3)과 같은 TE-TM 모드 스위칭을 제어하기 위한 것이다. 즉, 상기 바이어스 전극들(14, 13)에 인가되는 bias전압 V을 조절하여 소자의 초기 출력편광 상태를 TE 또는 TM 상태에 있게끔 한 후, δβ/2의 변화가 π/2가 되게 상기 변조전극들(24, 23)에 인가되는 전압 Va을 조절하면 TE-TM 모드 스위칭을 얻을 수 있다.
[발명의 효과]
이상 설명한 바와같이 본 발명에 의하면, 비선형 고분자만의 독특한 poling 특성과 poling에 의하여 유기된 광이방성(optical birefr-ingence) 및 전기광학 효과를 이용하여 종래에 비해 제작공정이 상대적으로 간단하며 가격이 싼 도파로형 TE-TM모드 변환기를 제공함으로써 기존의 모드 변환기들을 대체할 수 있는 효과를 발휘한다.
또한, 편광기등 다른 광도파로 소자와 집적화가 용이하여 광세기 변조기, 편광안정기 등을 만들기 위한 기본 소자로서 중요한 활용이 기대된다.

Claims (3)

  1. 광도파 매질로서 비선형 고분자 물질로 이루어지고, 상기 임의 방향으로 배열되어 있는 비선형 고분자들의 전기 쌍극자들을 한쌍의 폴링용 전극에 의해 인위적으로 경사진 전장방향으로 배열, 고정시켜 광학적 이방성과 전기광학 효과를 나타낼 수 있도록 폴링(poling)된 코아층; 상기 코아층을 개재하여 형성되고, 상기 코아층보다 상대적으로 굴절율이 낮은 물질로 이루어진 클래드층; 상기 코아층 출력광의 초기편광상태를 미세하게 조절하기 위하여 상기 클래드층의 상부 및 하부에 각각 형성된 한쌍의 바이어스(bias)전극; 및 상기 바이어스 전극에 인가된 바이어스전압(Vb)에 의해 TE(또는 TM)모드로 설정된 초기출력상태를 TM(또는 TE)모드로 스위칭시키기 위하여 상기 클래드층의 상, 하부에 형성되며 바이어스 전극과는 전기적으로 절연된 한쌍의 변조전극으로 구성된 도파로형 TE-TM모드 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴링(22)된 코아층의 비선형 고분자들의 광축이 x-축에 대하여 평균 45°의 각도로 폴링된 것을 특징으로 하는 도파로형 TE-TM모드 변환기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴링용 전극에 의한 폴링전장의 방향이 x-축과 45°의 각도를 갖도록 하기 위하여, 한쌍의 폴링전극이 서로 수직 및 수평방향으로 소정거리 이격되고, 폴링전극의 폭(w)과 폴링전극간의 수평간격(s)을 조절하여 구성된것을 특징으로 하는 도파로형 TE-TM모드 변환기.
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