KR0162756B1 - 고분자 도파로형 일반 편광 변환기 - Google Patents

고분자 도파로형 일반 편광 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비선형 고분자 박막의 폴링시 나타나는 광학적 이방성과 전기 광학 효과를 이용한 고분자 도파로형 일반 편광 변환기에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 일반 편광 변환기는 입력광을 수신하며, 그 입력광의 TE 모드와 TM 모드간의 상대적인 진폭비와 상기 두 모드간의 상대적인 위상차를 조절함으로써, 상기 두 모드들을 선택적으로 변화시키는 TE-TM 모드 변환기와, 상기 TE-TM 모드 변환기의 출력광을 받아 이 출력광의 TE 모드와 TM 모드사이의 위상차이를 변조시켜, 소정의 편광상태를 갖는 출력광을 출력하는 TE/TM 위상 이동기가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하며, 위상정합이 필요 없으므로 넓은 광신호 파장 대역폭이 가능하고 고속 동작이 쉽게 이루어진다는 장점이 있다.

Description

고분자 도파로형 일반 편광 변환기
제1도의 (a) 및 (b)는 TE/TM 위상 이동기의 단면 구조도.
제2도는 TE/TM 편광 변환기의 단면 구조도.
제3도는 본 발명에 따른 일반 편광 변화기의 전체 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 비선형 고분자 도파층 2 : 클래딩 층
3,4 : 전극 5 : 기판
S : 상하 폴링 전극의 중심에서 중심까지의 거리
ab 축 : 폴링에 의해 코아축에 형성된 주축계
xy 축 : 도파로 좌표계 6 : 일반 편광 변환기
7,9 : TE/TM 위상 이동기 8 : TE/TM 모드 변환기
본 발명은 광 통신용 고분자 도파로형 일반 편광 변조기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 비선형 고분자의 폴리특성과 폴링에 의해 유기된 광학적 이방성 및 전기 광학 효과를 이용한 일반 편광 변조기에 관한 것이다.
일반 편광 변조기는 광섬유로 전송되는 임의 편광 광통신 신호를 편광 의존적인 광소자로도 신호 처리가 가능하게 만들어 주는 매우 유용한 소자이다.
일반 편광 변환기는 「R. C. Alferness, Elector-optic guided-wave device for general polarization transformation, IEEE J. Quantum Electron, vol. QE-17, pp.965-969, 1981년 7월」과 「M. Schalk, H. P. Nolting, D. Franke, U. Niggebrugge, F. Schmitt, Integrated-optic polarization conbertor on (001)-InP substrate, Electron. Lett. vol. 22, pp.883-885, 1986년」에 공지되어 있는 바와 같이 LiNbO3나 2-4족 복합 반도체 등에서 제작되었으나 이러한 무기물 재료에서는 위상정합 조건 때문에 광신호 파장 대역폭이 매우 좁거나 일반 편광 변환기에 필요한 여러 소자들을 하나의 기판위에 집적화하는 데에 어려움이 많았다.
비선형 고분자 박막은 광학적으로 선형인 고분자 매트릭스에 2차 비선형 특성을 갖는 분자들이 여러 가지 형태로 도핑되어 있는 박막을 폴링(poling)이라는 과정을 거쳐 만들게 된다.
이때, 생성되는 박막의 광축은 폴링 전장과 같은 방향으로 형성되며, 폴링이 끝난 후 형성된 광축 방향으로 전장을 인가하면 전장에 수직 및 수평한 방향으로 굴절률이 변하는 전기-광학 효과를 나타나게 된다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 비선형 고분자의 폴링시 나타나는 광학적 이방성(optical birefringence)과 전기 광학효과(Electro-optic effect)를 이용하여 고분자 광도파로 구조에서 가능한 집적화된 일반 편광 변환기(general polarizatio transformer)의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 제공하는 일반 편광 변환기는 입력광을 수신하며, 그 입력광의 TE 모드와 TM 모드간의 상대적인 진폭비와 상기 두 모드간의 상대적인 위상차를 조절함으로써, 상기 두 모드들을 선택적으로 변화시키는 TE/TM 모드 변환기와, 상기 TE/TM 모드 변환기의 출력광을 받아 이 출력광의 TE 모드와 TM 모드 사이의 위상차이를 변조시켜, 소정의 편광상태를 갖는 출력광을 출력하는 TE/TM 위상 이동기로 구성된다.
이러한 고분자 도파로에서의 일반 편광 변환기는 위상정합 조건이 필요없고, 집적화하기가 쉬우며 고분자의 낮은 유전율 때문에 덩어리혀(lumped type) 전극을 가지고도 수 ㎓의 변조 대역폭을 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에서 예로서 사용하는 띠 도파로 구조는 매몰 채널(buried channel) 구조이나 이것은 많은 띠 도파로 구조 중의 한 가지 예일 뿐이며, 실제 사용될 수 있는 띠 도파로의 구조는 제작 공정 및 물질 종류에 따라 광표백에 의한 도파로 구조, 스트라입로우디드 도파로(stripe-loaded waveguide), 마루형 도파로(ridge-waveguied) 등 다양한 형태의 구조를 가질 수 있다.
본 발명을 구성하고 있는 요소는 크게 TE/TM 모드 위상 이동기와 TE/TM 모드 편광 변환기이다.
먼저, TE/TM 위상 이동기에 대해서 간략하게 알아본다.
TE/TM 위상 이동기는 TE 모드와 TM 모드가 서로간에 결합이 없는 노말모드일 때 두 모드 사이의 위상차이를 전기 광학 효과를 통하여 변조시키는 기능을 한다.
제1도의 (a)는 수직 폴링된 TE/TM 위상 이동기의 구조이며, 제1도의 (b)는 수평 폴링된 구조의 TE/TM 위상 이동기이다. 제1도에 나타낸 전극들 (3,4)은 폴링 전극으로도 사용될 수 있고, 폴링 후 소자에 신호를 인가하기 위한 전극으로도 사용될 수 있다. 제1도에서 도파로의 코아(core) 부분은 비선형 고분자(1)이며, 그 주위는 굴절률이 코아보다 낮고 광학적으로 등방성인 물질 또는 코아와 같은 전기 광학 계수 및 광학적 이방성을 갖는 비선형 물질 등으로 이루어진 클래딩층(2)이 있다.
이러한 클래딩층(2)은 코어에서 빛의 전반사가 일어나도록 코어의 굴절률과 그 굴절률이 다르게 한 층이다.
이 구조에서 사용되는 기판(5)은 예컨대, Si, GaAs, InP 등으로 이루어진 기판이다.
TE/TM 위상 이동기로 작동하기 위해서는 띠 도파로 구조에서 폴링 후 TE와 TM 모드 모두가 도파로를 따라 진행할 수 있게 도파로가 설계되어야 함은 물론이다.
위상 변조의 원리를 다음과 같다.
예를 들면, 제1도의 (a) 구조에서 전압이 인가되었을 경우 TE 모드와 TM 모드간의 위상차이는 다음과 같다.
여기서,는 전압을 인가하기 전에 TE와 TM 모드간의 위상차이며,는 인가된 전압에 의해 유기된 두 모드 사이의 위상차이다.
및는 폴링 후 주축을 따르는 고분자 박막의 실질 굴절률이고,과은 폴링된 고분자 박막의 전기 광학 계수들이다.
신호 전압이 인가되면,에 의해 수평 방향의 굴절률이 변하게 된다.
은에 비하여 3배 큰 값을 갖는다.
d는 도파로의 두께이고, CA는 비례상수이다.
비례상수 CA는 광파와 인가되는 전압의 전장의 오버랩(overlap) 및 도파로의 구조에 관계되는 값이다.
(식1)에서 보면 도파로에 전압을 인가할 경우과의 값의 차이에 의해 두 모드간의 위상차이가 변하게 됨을 알 수 있다.
제1도의 (b)의 수평 폴링된 구조에서도 TE 모드와 TM 모드에 대한 굴절률 변화량만 서로 반대가 될 뿐 위상차이는 동일한 원리에 의하여 변조된다.
다음으로 고분자 도파로에서의 TE-TM 모드 변환기에 대해서 설명한다.
제2도는 고분자 도파로에서의 TE-TM 모드 변환기의 단면 구조를 보여준다.
제1도의 위상 변조기와는 달리 폴링 전장의 방향을 도파로의 코아 부근에서 x-축에 대하여 평균 45°근처가 되게 하면 고분자 내에 도핑되어 있는 비선형 분자들이 전장 방향으로 배열하여 거시적인 고분자 코아의 광축이 x-축이 대하여 평균 45°의 각을 갖고 형성이 된다.
이러한 구조에서의 TE-TM 모드 편광 변환의 원리는 다음과 같다.
예를 들어서, 만약 Ex(TE)의 편광을 갖는 빛이 입사하면 도파로 내부의 노말모드(normal mode)의 편광방향은 폴링에 의하여 형성된 a-축 및 이에 수직한 b-축으로 입사광 Ex는 노말 모드인 Ea성분과 Eb성분으로 나누어 생각할 수 있다.
도파로를 진행하면서 Ea성분과 Eb성분은 서로 간섭 없이 독립적으로 진행하지만 도파로의 광학적 이방성 때문에 도파로의 끝단에서 두 모드는 초기 입사 때와는 서로 다른 위상을 갖게 된다.
도파로의 출력단에서 Ea성분과 Eb성분을 다시 Wx(TE)와 Ey(TM) 성분으로 변환시키면 Ea성분과 Eb성분의 도파로 끝단에서 위상차이에 따라 다양한 크기의 Ex(TE)와 Ey(TM) 성분을 얻을 수 있다.
출력단에서 Ex와 Ey 성분의 수학적 표현은 다음과 같다.
여기서는 Ea및 Eb성분 사이의 위상차이로서 다음과 같이 표현된다.
여기서,는 전압을 인가하기 전에 노말모드인 Ea와 Eb사이의 위상차이며,는 인가된 전압 Tm에 의해 유기된 노말 모드 사이의 위상차이다.
na및 nb는 폴링 후 a-축 및 b-축을 따르는 고분자 박막의 굴절률이다.
(식2)에서가 π의 정수배가 되면 도파로의 출력상태는 초기의 Ex(TE)가 Ex(TE)로 그대로 나오는 것이 되며,가 π/2의 기수 정수배가 되면 Ex가 Ey(TM)로 변환됨을 알 수 있다.
TE 출력과 TM 출력의 조건을 수식으로 표현하면 다음의 (식4)와 같다.
(식4-1)과 (식4-2)에 의하여 표현되는 경우 이외의 출력상태는 일반적으로 타원 편광 상태에 있다.
입력광이 Ey(TM)인 경우도 위와 동일한 방법으로 해석이 가능하다.
제2도에 나타낸 전극들은 폴링 전극으로도 사용될 수 있고, 소자에 신호를 인가하기 위한 전극으로도 사용될 수 있다.
다음으로 위의 두 가지 소자를 집적하여 작동하는 일반 편광 변환기에 대하여 설명한다.
제3도는 본 발명에 의한 일반 편광 변환기의 전체 구조를 보여준다. 입력단은 TE-TM 위상 이동기(7)이고, 중간에는 TE-TM 모드 변환기(8), 그리고 최종적으로 다시 TE-TM 위상 이동기(9)가 직렬로 연결되어 있다.
일반 편광 변환기의 작동 원리를 다음과 같다.
TE 모드와 TM 모드가 노말모드 상태인 도파로 내에서 임의의 편광을 갖는 일반적인 빛의 상태는 (식5)와 같이 표현된다.
여기서, θi는 빛이 선편광인 경우 x-축에 대한 편광 각도이며 이는 TE 모드와 TM 모드간의 상대적인 진폭비와 관계되고, φi는 두 모드간의 상대적인 위상차이를 나타낸다.
θi는 ψi를적절하게 조절함으로써 모든 종류의 편광 상태를 얻을 수 있다.
예를 들어서, θi=0인 경우는 TE 모드가 되고, θi=π/2인 경우에는 TM 모드가 된다.
θi=π/2이고 θi는 π/4인 경우에는 우선 원편광 상태가 된다.
따라서 임의의 입력 편광상태(θi, ψi)로 변환될 수 있음을 보이면 제안된 소자가 일반 편광 변환기로 동작할 수 있음을 증명하는 것이다.
(식5)로 표시되는 입력광이 제3도에 나타낸 TE/TM 위상 이동기(7), TE-TM 모드 변환기(8), TE-TM 위상 이동기(9)를 차례로 거치면 최종 출력광의 편광 상태는 (식6-1)과 (식6-2)에 의하여 표현된다.
여기서,
φO는 입력광의 경우와 같이 출력광이 선편광일 대, X-축으로 부터 편광된 편광각이며 TE 모드와 TM 모드간의 진폭비와 같게 된다. φO는 두 모드간의 위상차이로서 수식적인 표현은 입력단 위상 변조기와 동일하다.
φi=θi+δφA는 TE-TM 위상 이동기를 거친 후 TE-TM 모드 변환기에 입사되는 빛의 두 모드 사이의 위상차이로서 이 값을 첫번째 위상 변조기에 인가되는 전압 VA를 조절하여 φi= ±π/2로 조절하면 (식6-2)는 (식7)과 같이 간단하게 표현된다.
(식7)에서 보변 출력광의 TE와 TM 모드간의 진폭비에 관계되는 θO는 주어진 θi에 대하여 TE-TM 모드 변환기에서의 위상 δθB를 통하여 선형적으로 연결되어 있으므로 TE-TM 모드 변환기에 인가되는 전압 VC를 통하여 조절할 수 있음을 알 수 있다.
한편 출력되는 TE와 TM 사이의 위상차이는 (식7)에서 보듯이 출력단의 TE/TM 위상 이동기에서의 두 모드 사이의 위상차이 δφC와 같으므로 출력단 TE/TM 이동기에 인가되는 전압 VC를 조절하여 두 모드 사이의 위상차이를 조절할 수 있다.
다시 말해서, 진행하는 광파의 두 독립 성분인 TE 모드와 TM 모드 사이의 진폭비 및 상대적인 위상차이는 φi= ±π/2 의 조건을 만족하게 하는 첫 번째 TE/TM 위상 이동기의 전압 VA에서 TE-TM 모드 변환기의 전압 VB와 최종 TE/TM 위상 이동기의 전압 VC를 이용하여 임의로 조절할 수 있음을 알 수 있다.
편광 조정의 예로서 입력광의 경우와 같이 θO= 0 인 경우는 TE 모드가 되고, θ0= π/2 인 경우는 TM 모드가 된다.
그리고, θO= ±π/2 이고, θO= π/4인 경우는 우선 및 좌선 원평광 상태가 된다.
그 이외의 상태는 타원 편광 상태에 있다.
특별히 TE 또는 TM 상태의 빛이 입사하여 임의 출력 편광을 얻고자 하는 경우는 제3도에서 입력단의 위상 변조기가 필요 없고 TE-TM 모드 변환기와 출력단의 위상 변조기만으로 충분하다. 또한 임의 입력 편광에 대하여 TE나 TM의 출력광을 얻고자 할 경우는 두 모드가 독립이므로 출력단의 TE/TM 위상 이동기가 필요 없다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명은 비선형 고분자만의 독특한 폴링특성과 폴링에 의해 유기된 광학적 이방성 및 전기 광학 효과를 이용한 것으로 단순히 폴링 전극의 구조를 변화시켜 일반 편광 변환기에 필요한 TE/TM 위상 이동기와 TE-TM 모드 변환기를 하나의 기판 위에 집적할 수 있게 한다.
또한 위상 정합이 필요 없기 때문에 넓은 광신호 파장 대역폭이 가능하며, 고분자의 낮은 유전율 때문에 덩어리형으로도 ㎓대의 고속동작이 쉽게 가능하다는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 입력광을 수신하고, 이 입력광을 소정의 편광상태를 갖는 츨력광으로 변환하는 일반 편광 변환기에 있어서, 상기 입력광을 수신하며, 그 입력광의 TE 모드와 TM 모드간의 상대적인 진폭비와 상기 두 모드간의 상대적인 위상차를 조절함으로써 상기 두 모드들을 선택적으로 변화시키는 TE-TM 모드 변환기와, 상기 TE-TM 모드 변환기의 출력광을 받아 이 출력광의 TE 모드와 TM 모드 사이의 위상차이를 변조시켜, 소정의 편광상태를 갖는 출력광을 출력하는 TE/TM 위상 이동기가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 일반 편광 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 일반 편광 변환기는 상기 TE-TM 모드 변환기의 앞단에 상기 일반 편광 변환기로 입력되는 광을 수신하여, 이 입력광의 TE 모드와 TM 모드 사이의 위상차이를 변조시키는 TE/TM 위상 이동기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일반 편광 변환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 TE-TM 모드 변환기와 TE/TM 위상 이동기는 반도체 기판 위에 형성되며, 그 내부에 굴절률이 큰 비선형 고분자 도파층이 매몰 형성되고, 그 상부 및 하부에 폴링용 전극이 형성된 클래딩층으로 구성되되, 상기 TE-TM 모드 변환기는 상기 비선형 고분자 도파층이 45°의 각도로 전장을 갖도록 상기 폴링용 전극을 형성하며, 상기 TE/TM 위상 이동기는 상기 비선형 고분자 도파층이 수직 또는 수평 방향의 전장을 갖도록 상기 폴링용 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 일반 편광 변환기.
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