KR0179037B1 - 광 스위치 - Google Patents

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Abstract

광 스위치는 소정의, 즉 선택된 방향으로 입사파를 편향시키는 역활을 한다. 전계를 인가함으로써 3차원적인 회절 패턴을 생성하며 파동 방향을 변화시킬 수 있는 투명체 물질이 광 스위치의 일부로서 적합하다.
본 발명에 따른 광 스위치는 3차원적인 회절 패턴을 형성하는 비선형 광학특성을 갖는 물질을 포함하고 있다. 상기 물질은 기판(1)위에 부착된 적어도 하나의 단일 층(2)을 형성한다. 전극(3 내지 6)이 층(2)에 부착되어 있는데, 이들 전극에 전계를 인가함으로써 층(2)에서 생성되는 회절 패턴을 변화시킬수 있다. 층(2)으로 입사된 입사파중 일부는 전극(3 내지 6)사이에 인가된 전계세기에 따라 편향된다.

Description

광 스위치
제1도는 단일 층만을 갖는 광 스위치를 도시한 도면.
제2도는 페브리페로 공진기(Fabry-Perot resonator)를 갖는 광 스위치를 도시한 도면.
제3도는 복수개의 층을 갖는 광 스위치를 도시한 도면.
제4도는 단일 층에 복수개의 전극이 부착된 광 스위치를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2, 15~19 : 층
3~6,9~14,20~33 : 전극 7,8 : 반사경
본 발명은 빛의 회절이 가능하며 3차원적 회절 패턴이 기록되어 있는 투명 물질을 포함하는 광스위치에 관한 것이다.
가장 간단한 경우에 있어서, 광 스위치는 A 방향 또는 B방향 중 어느 한 방향으로 단일의 광빔을 편향시키는데 사용된다. 스위칭 동작에 의해, 광빔은 A방향의 수신기 A' 또는 B 방향의 수신기 B' 쪽으로 향하게 된다. 따라서, 광빔은 수신기 A'와 B' 사이에서 전환 될 수 있다. 또 다른 더 간단한 스위치에서는, 광빔이 단일 수신기 A'의 방향으로 통과하거나 또는 반사되도록 턴 온되거나 턴 오프 될 수 있다. 광빔을 제1방향 또는 제2방향으로 편향시키는 상기 스위치의 일종으로서는 홀로그램이 특히 적합하다.
액정 셀, 편광빔 분할기(polarizing beam splitter)의 정렬 뿐만 아니라 홀로그램의 평면 배열 등을 포함하고 있는 광 스위치[홀로스위치(Holoswitch)]에 대한 내용은 1988년 간행된 APPLIED OPTICS통권 제27호, 페이지 4244 내지 4250에 기술되어 있다.
광 스위치에 있어서, 각각의 하나의 액정 셀, 하나의 빔 분할기 및 하나의 홀로그램은 상호 결합한다. 홀로그램은 불변성의 미리 설정된 회절 패턴을 형성한다.
각각의 액정 셀은 예를 들어 복수개의 레이저원으로부터 발생된 복수개의 광빔군을 하나의 홀로그램을 향하도록 편향시키는 한편, 광빔을 대응 검출기 쪽으로 편향시킨다.
액정 셀은 전기적으로 제어 가능한 소자이다. 액정 셀은 인가 전압에 따라 광빔에 대해 두 가지의 상호 수직인 편광 상태 사이에서 전환된다. 광빔의 전송 방향으로 액정 셀 다음에 배치된 빔 분할기는 편광 상태에 따라 광빔을 전송 또는 반사한다. 따라서, 광빔은 액정 셀과 빔 분할기를 통과한 다음 각각의 홀로그램에 도달한다.
종래 기술의 광 스위치는 지지 구조체를 포함하는 19×19×23㎝ 치수의 알루미늄 박스 내에 구성된다. 이것은 광 스위치가 상당한 공간을 차지하고 있음을 의미한다.
더욱이, 액정 셀 내에서 두 가지의 편광 상태로의 전환은 광 스위치의 스위칭 속도를 제한한다.
따라서, 본 발명의 목적은 고속의 광 전송 속도에 적합한 광 스위치를 제공함에 있다.
상기 목적은 특허 청구의 범위 제1항에 기재된 바에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 광 스위치는 전기적으로 개별적으로 제어되어야만 하는 액정 셀과 빔 분할기가 필요하지 않기 때문에 제조하는데 용이한 잇점을 갖고 있다.
본 발명의 추가의 장점은 종속항에 기재된 바에 의해 달성된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
광 스위치(제1도)는 기판(1)과 이 기판 상부에 형성된 층(2)을 구비하고 있다. 예를 들어, 기판(1)은 유리 등의 유전 물질로 이루더진 것이 좋다. 층(2)의 물질은 비선형 광학 특성을 갖는데, 무기물 또는 유기물 결정, 중합체 또는 비선형 특성을 갖는 적어도 하나의 중합체가 포함된 혼합물이다. 층(2)은 1㎛또는 수 ㎛의 두께를 갖는 것이 좋다. 층(2)에 증착된 전극(3, 4, 5, 6)은 투명체일 수 있으며, 예를 들어 인듐-주석 산화물로 되어 있다. 이러한 전극에 전압이 인가된다. 그 결과, 전계가 각 전극들 사이, 예컨대 전극(3)과 전극(4)사이 및 전극(5)과 전극(6)사이에 형성되어 층(2)에 3차원적 회절 격자(diffraction grating)를 발생시킨다. 예를들어, 전계는 전극들 사이의 영역 내의 물질의 굴절율을 변환 시킴으로써 인가되는 전압에 따라 변화될 수 있는 간섭 패턴을 층(2)에 발생시킨다. 응집성(coherent)이 좋은 광의 파(wave)가 층(2)의 내부로 바람직하게 그 상부로부터 진입할 경우, 그 광파는 간섭 패턴과 충돌한다. 다음에 그 광파는 전체가 어느 일정한 방향으로 편향되거나 파의 일부가 각각 다른 방향으로 편향된다. 층(2)의 전계에 의해 층의 굴절율과 흡수도가 변화될 수 있다.
층(2)에는 2차 비선형 광 중합체가 특히 적합하다. 그러한 중합체는 예를 들어 Quantum Electronics(1985년 IEEE J 간행, 통권 제21호, 페이지 1286-1295)에 공지되어 있다. 예를 들어, 이러한 중합체는 본 명세서에서 언급하고 있는 공간적 배향을 갖는 염료 분자(dye molecules)를 포함하고 있다. 이러한 방향은 극성 조정(poling)에 의해 구현되는 것이 좋다. 이를 위해서, 층(2)은 연화점(softening point)근처의 온도로 열처리한 다음 전계에 노출시키고 인가된 전계와 함께 냉각시키는 것이 좋다.
극성 조정에 의해 염료 분자의 배향은 중합체의 굴절율에 영향을 미친다. 그러므로, 간섭 패턴은 층(2)내에 형성될 수 있고, 형성 된 후에도 전계의 인가에 의해 굴절율을 변화시킴으로써 변경될 수 있다.
전극은 제1도에 도시한 바와 같이 층(2)상부에 증착시키는 대신에 기판(1)과 층(2)사이에 제공될 수 있다. 제2도의 실시예에 보인 광 스위치는 페브리페로공진기(Fabry-Perot resonator)를 포함하고 있다. 기판(1)과 층(2)이외에도, 광 스위치는 예를 들어 유전 물질로 제조된 반사경(7,8)을 포함하고 있다. 반사경(7)은 기판(1)과 층(2)사이에 배치되며, 반사경(8)은 층(2)의 상부에 배치되어 있다. 반사경(7)의 상부에는 전극(9~12)이 증착되어 있다.
반사경(7)의 상부에 전극(9~12)을 증착시키는 대신에 기판(1)과 반사경(7)사이에 부착시킬 수도 있다. 반사경(8)은 파동이 그 상측부 위에 입사할 수 있도록 부분적으로 투명하게 되어 있으며, 그리고 반사경(7)은 부분적으로 투명하거나 반사 가능하도록 되어 있다.
제3도는 기판(1)상에 단일 패턴으로 구성된 전극(13)을 갖는 광 스위치에 관한 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 층(2)상의 추가의 층(15~19)은 각각 층(2)과 동일한 두께를 갖도록 배치되는 것이 좋다.
최상부층인 층(19)은 마찬가지로 단일 패턴 전극(14)으로 덮여 있다. 전극(13, 14)중 적어도 하나의 전극은 전환되는 빛에 대해 투명하다.
또 다른 실시예(도시되지 않음)에서, 제3도의 광 스위치는 2개의 투명한 전극(13, 14)을 가지며 제2도에 보인 바와 같은 반사경(7, 8)이 기판(1)과 전극(13)사이에 제공되는 동시에 전극(14)상에도 각각 제공된다.
반사경(7, 8)때문에, 반사결(8)을 통해 층(2)으로 진입한 광은 층(2)을 복수회로 가로지르며, 그 결과 전계에 의해 형성된 회절 패턴 효과가 증가하게 된다. 이것은 광 스위치로 하여금 낮은 구동 전압에서 동작하게끔 한다.
마지막에 언급한 2개의 실시예에 있어서, 층(2)과 층(15~19)은 2차 비선형 광중합체로 형성되는 것이 좋다. 층들은 극성 조정되므로, 서로의 상부에 놓여 있는 층들은 서로 다른 비선형 광 특성을 갖는다. 특히, 광학적 비선형 염료와 코로나 극성 조정(corona poled)의 상이한 레벨로 도핑된 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate)등의 중합체는 층의 형태로 배열될 수 있다. 코로나 극성 조정(corona poling)은 예를 들어 Appl. Phys(1990년 J 간행, 통권제67호 페이지 1037-1041)에 공지되어 있다. 극성 조정된 비선형 광학층의 굴절율은 전극(13)과 전극(14)사이에 생성된 전계에 의해 변화될 수 있으며, 중첩된 층의 굴절율에서의 변화는 서로 상이하다.
마지막에 언급한 2개의 구조는 층(2, 15~19)의 굴절율이 극소의 전게에서는 서로 동일하고 전계의 영향 하에서는 반대 방향으로 변화할 경우, 특히 효율적일 수 있다. 이를 위해서, 중첩된 층 내의 염료 분자가 극성 조정 동안, 즉 구성 조정이 반대일 동안 반대 방향으로 배향되어야 한다.
예를 들어, 상이한 연화점을 갖는 두개의 중합체가 층(2, 15~19)에 번갈아 사용되어 다른 방식으로 극성 조정된 층을 형성할 수 있다. 층을 연속적으로 형성한 후 최초의 극성 조정을 보다 높은 연화 온도에서 실행하면, 모든 층(2, 15~19)에 있는 염료 분자가 일정한 방향으로 배열된다. 보다 낮은 연화 온도에서 반대 극성의 전계를 인가하여 두번째 극성 조정 과정을 실행하면, 저온으로 인해 격층에서만 염료 분자의 방향이 재배열된다.
상이한 연화 성질을 갖는 두개의 NLO 중합체를 사용하는 대신에 연화 성질이 변할 수 있는 NLO 중합체를 사용할 수 있다. 특히, 염료 분자의 배향이 극성 조정 동안 또는 극성 조정 후에 가교(Cross-linkage)에 의해 고정되는 가교식 NLO 중합체가 적합하다. 각각의 층(2, 15~19)은 증착 후에 극성 조정 및 가교처리되며 극성 조정 기술은 코로나 극성 조정을 이용하는 것이 좋다.
제3도의 광 스위치 상에 비스듬하게 입사하는 빛의 파동이 층(2, 15~19)을 횡단할 경우에 그리고 모든 층(2, 15~19)이 동일한 굴절율을 가질 경우, 빛의 일부만이 전극(13,14)과 기판(1)의 게면에서 반사된다. 하지만, 연속적으로 중첩된 층의 굴절율이 모두 다르고 브라그(Bragg)의 회절 조건
[여기서, z ＝차수(정수), λ ＝ 파장, d ＝ 개별적인 층의 두께, φ ＝ 반사각] 이 만족될 경우, 광빔의 높은 반사가 발생한다. 광 스위치는 전극(13, 14)에 인가되는 전압 차에 의해 두 개의 광학 상태 사이에서 스위칭 될 수 있다.
그 상태 중 어느 한 상태에 있어서 인가 전압은 제로가 될 수 있다.
전극 (13, 14)중에서 적어도 하나가 복수개의 영역으로 이루어져 있을 경우, 상이한 반사율을 갖는 영역이 적당한 전기적 제어에 의해 형성될 수 있다.
비선형 광 중합체의 극성 조정 동안에 복굴절(birefrigence)은 굴절율의 변화에 기인하여 발생하게 된다. 이러한 굴절율의 변화를 통해, 연속 층(2, 15~19)은 극소 전계의 존재에서 브라그의 반사 조건에 따라 제조될 수 있다. 이러한 방법에 있어서, 굴절 패턴은 전계 없이도 효과적으로 형성할 수 있고 전계에 의해서 수정될 수 있다.
또 다른 광 스위치(제4도)는 기판(1)상에 층(2)을 포함하지만 더 이상의 층은 포함하지 않는다. 광 스위치에는 복수개의 전극, 즉 기판(1)과 층(2)사이의 전극(20~26)과 층(2)상의 전극(27~33)이 구비되어 있다. 이러한 배치로 인하여, 고정 또는 가변 간섭 패턴이 광 스위치의 제조 동안이나, 제조와 동작 동안, 또는 동작 동안에 전기적으로 생성될 수 있다. 특히, 전극들은 극성 조정 동안 순차적으로 에너지를 공급받을 수 있다. 예컨대, 임의의 경사된 극성 조정 존(zone)의 형성을 가능하도록 전계는 소정 시간에서 2개의 전극 마다에 인가될 수 있다.
예컨대, 전극쌍 21,27;22,28;23,29;24,30;25,31;26,32는 순차적으로 에너지를 공급받는다.
이러한 방식으로, 정상적으로 입사하는 빛에 대해 또한 효과적인 간섭 패턴을 형성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 빛의 회절이 가능하며 3차원적 회절 패턴이 기록되어 있는 투명 물질을 포함하는 광 스위치에 있어서; 상기 투명 물질은 비선형 광학 특성을 가지며 기판(1)상부에 제1층(2)으로서 연장하여 형성되며; 적어도 하나의 제1전극(3)과 하나의 제2전극(4)을 포함하고, 상기 전극들을 통해 인가된 전압에 따라 상기 회절 패턴이 변화되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  2. 제1항에 있어서, 전극들(3~6)이 상기 제1층(2)상부에 정렬되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1층(2) 상부에 형성되는 제1유전체 반사경(8)과; 상기 제1층(2)과 상기 기판(1)사이에 형성되는 제2유전체 반사경(7)을 포함하며; 상기전극들(9~12)은 제1층(2)과 상기 제2반사경(7)사이에 정렬되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1층(2) 상에 추가의 층(15~19)이 형성되며; 상기 제1 전극(13)은 상기 제1층(2)과 상기 기판(1)사이에 위치되고; 상기 제2전극(14)은 상기 추가의 층(15~19)중 최상단층(19)상에 위치되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1층(2) 하부에 적어도 하나의 제3전극(21)이 추가로 형성되며; 상기 최상단층(19)상부에 적어도 하나의 제4전극(28)이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 특정한 내부 배향을 갖는 중합체인 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  7. 제6항에 있어서, 각 층(2, 15~19)의 상기 중합체는 그 상부에 놓인 층의 배향 및 그 하부에 놓인 층의 배향과 상이한 내부 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  8. 제6항에 있어서, 각 층(2, 15~19)의 상기 중합체는 그 상부에 놓인 층의 배향 및 그 하부에 놓인 층의 배향과는 정반대의 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질은 비선형 광학 특성을 갖는 유기물 또는 무기물 결정인 것을 특징으로 하는 광 스위치.
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