KR0182254B1 - 광 차단체 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광차단체

제1도는 종래의 패러데이 효과 광차단체의 개략도.

제2도는 본 발명의 원리에 따른 구조물의 한 실시예를 도시하는 개략도.

제3도는 공명 공동을 도시한 도면.

제4도는 본 발명의 광차단체를 사용하는 한 장치의 개략도.

제5도는 본 발명의 광차단체를 사용하는 다른 장치의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 입력편광기 12 : 자이로트로픽매체

14 : 출력편광기 30 : 공명 공동

34, 36 : 반사표면 42 : 제1편광변환수단

44 : 제2편광변환수단 54 : 기판

60 : 제1광섬유 62 : 제2광섬유

66, 68 : 광섬유단부 70 : 슬리브

72 : 링자석 90 : 단일모드섬유

본 발명은 광차단체 특히, 실제의 크기를 감소시키기 위해 공명 공동을 사용하는 광차단체에 관한 것이다.

광차단체는 반사된 광이 레이저와 같은 광장치로 다시 들어오는 것을 막기 위해 필요하다. 광통신시스템에 있어서, 광에너지의 레이저로의 반사는 진폭 변동, 모드분배, 진동수 이동 및 선폭 협소를 야기하여 레이저의 작동을 불량하게 한다. 현재의 광통신 시스템은 레이저 안으로 빛이 반사되는 것을 방지하도록 레이저 출력부에 광차단체를 사용한다. 이러한 차단체는 일반적으로 패러데이 차단체이며, 패러데이 회전과 조합된 선형 편광된(즉, 평면 편광된) 전자가 에너지의 원리를 이용한다. 60dB의 차단을 제공하기 위해 대개 2개의 차단체가 직렬로 사용된다. 전형적으로 1.5㎛의 파장의 광에너지를 작동시키도록 설계되면, 광차단체는 수 ㎝의 길이를 갖게 되며 8개의 광표면을 필요로 한다. 현재의 광차단체는 광섬유에 비해 크고 다루기가 어려워서 칩안에 합체되거나 광섬유의 일체부가 되기 어렵다.

본 발명은 한 방향으로 광에너지를 통과시키고 반대방향으로 광에너지를 실제로 차단하기에 적합한 광차단체에 관한 것이다. 종래 설비에서, 광차단체는 레이저 출력부에 위치하여 레이저에 의해 발생된 광에너지를 광섬유와 같은 수용장치로 통과시킨다. 한 실시예에서, 광차단체는 차단체의 입력부 및 출력부에 위치하는 두개의 선형 편광기를 구비할 수 있다. 입력부의 선형 편광기와 출력부의 선형 편광기의 사이에는 페브리-페롯 공동과 같은 공명 공동내에 위치한 자이로트로픽 매체가 있다. 차단체의 입력부에 있는 선형 편광기와 공명 공동의 사이에는 상기 선형 편광기로부터 수용된 평면편광된 광에너지를 원형편광된 광에너지로 변환시키는 제1편광변환수단이 위치하며, 공명 공동과 차단체의 출력부에 있는 선형 편광기의 사이에는 공명 공동으로부터 수용된 원형 편광된 광에너지를 평면 편광된 광에너지로 변환시키는 제2편광변환수단이 위치한다. 한 실시예에서, 자이로트로픽매체를 포함하는 공명 공동은 반사된 광방사를 차단하는 필터링 매체가 된다.

제1도에는, 한 방향으로 광에너지를 통과시키고 다른 방향으로는 차단하기 위해 수용된 평면편광된 광에너지와 패러데이 회전효과를 이용하는 광차단체가 도시되어 있다. 이 장치는 입력부의 선형 편광기, 즉, 평면편광기(10)와 출력부의 선형 편광기, 즉, 평면편광기(14)의 사이에 배치된 자이로트로픽매체(12)를 포함한다. 자이로트로픽매체(12)는 화살표(16)로 도시된 바와 같이 가해진 종방향 자장내에 위치한다. 자이로트로픽 매체는 단위길이당 광에너지의 편광평면의 회전으로 정의되는 가해진 자장의 단위당 버딧(Verdet) 상수 V에 의해 특징지워진다. 자이로트로픽매체를 통과하는 평면편광된 광에너지의 회전은 다음식

로 주어지는데 여기에서, V는 버딧상수이고 H는 자장이다. 이트륨철가넷(YIG)과 같은 몇몇 재료에 있어서의 패러데이 회전은 어떠한 가해진 자장에서 포화되는데, 이 경우의 회전은

로 주어지며 여기에서 a_F는 포화된 특정 회전이고 L은 자이로트로픽 매체의 길이이다. 전형적으로 1.5㎛의 파장과 약 1K 가우스의 자장(사마라움-코발트자석으로부터 용이하게 얻을 수 있는)에서 2.6㎛의 길이는 YIG의 45°회전을 부여하는데, 가장 많이 사용되는 차단체 재료는 1.3 내지 1.5°의 스펙트럼 영역에 있다.

광차단체를 통해 후방으로 이동하는 빛(18)은 일정한 각도를 이루고 지향된 선형 편광기(14)를 통과하는데, 편광기(14)에서 나오는 후방으로 선형 편광된 광에너지는 상기 각을 갖는다. 그러면, 선형 편광된 광에너지는 패러데이회전자(12)에 들어가 일정한 각(θ_F)으로 선형 편광된 광에너지평면을 회전시킨다. 그 다음에, 패러데이회전자로부터 선형 편광된 광에너지는 패러데이회전자로부터의 빛을 차단하는 방향을 갖는 편광기(10)에 들어간다. 대부분의 차단체에서 패러데이회전자는 편광된 광에너지평면이 45°회전하도록 설계된다.

전방 방향에서, 빛(18)은 편광기(10)를 통과하며 편광기(10)의 각으로 선형 편광된다. 그 다음에, 우측으로 이동하는 상기 빛은 좌측으로 이동하는 광에너지의 편광평면의 회전과 동일하게 회전하는 패러데이회전자를 통과한다. 패러데이회전자가 선형 편광된 광에너지의 편광평면을 45° 회전시키도록 설계되면, 패러데이회전자(12)로부터 나오는 광에너지는 편광기(14)에 평행하게 편광되어 완전히 전달된다.

YIG 또는 유사한 가넷을 포함하는 광차단체는 낮은 손실(1dB 정도)을 가지며, 이상적인 차단(-30dB)을 제공한다. 그러나, 차단체들은 패러데이회전자에 필요한 ½ 내지 3㎜의 통로길이로 인해 비교적 크다.

본 발명에서, 공명장치내에 위치한 자이로트로픽매체는 단일패스 패러데이회전자로 대체된다. 즉, 자이로트로픽매체내에서 수 회에 걸쳐 전후로 반사된 광에너지를 가짐으로써, 매체의 전체길이는 전체 패러데이회전이 각 통로에 의해 야기된 각 회전의 축적된 것이기 때문에 감소될 수 있다. 표면상에 위치된 두개의 거울(절연 또는 금속 거울)의 사이에 자이로트로픽매체를 위치시킴으로써 또는 도파관 구조물에 분배회절격자 반사기를 사용함으로써 다중 반사를 얻게 된다. 광에너지통로의 왕복 광길이가 파장의 적분수이면, 장치는 공명되며 손실이 없는 경우에는 투과시킨다.

예를 들어, 거울로 반사가 얻어지는 경우에 구조물의 전달은 공명으로 이는

로 주어지며 여기에서 L은 공명기내의 단일통로손실, R은 거울의 반사율이다.

노출비임을 위한 통로의 수(N)는 ½로 감소되며 제1비임의 통로수는

로 주어진다. 따라서, 공명은 패러데이 효과를 높이기 위해 사용될 수 있다.

광에너지가 단 1회보다는 수회에 걸쳐 자이로트로픽매체를 교차하게 하는 공명 공동내의 자이로트로픽매체를 갖는 상술한 광차단체는 기본 작동원리로 제공된 선형 편광된 광에너지를 사용할 수 있다. 특히, 자장이 제공된 자이로트로픽 매체의 선형 편광된 광에너지는 각각 원형편광된 광에너지이며 대향하게 회전하는 두 성분의 합으로 간주될 수 있다. 두 성분은 동일한 진폭을 갖는다. 자이로트로픽매체에서, 정회전하는 광에너지성분은 역회전하는 광에너지와는 다른 비율로 이동하며 입사편광된 광에너지는 더 빠른 비율을 갖는 성분의 회전으로 회전한다.

다시 말하면, 패러데이매체의 선형 편광된 광에너지의 편광평면의 회전은 좌측 및 우측방향의 원형편광을 위해 매체의 굴절률 차이에 기인한다. 따라서, 자이로트로픽매체를 교차할 때에 하나의 성분은 다른 것에 대해 지연된다. 이 지연이 90°의 위상차이를 갖게 되면 빛은 광에너지의 원래의 편광평면으로부터 45°로 회전된 편광각을 갖는 선형 편광된 광에너지로서 나타난다. 명확히 말해서, 이를 위해서는 두 성분의 진폭이 같아야 한다. 그것들이 다르면 노출되는 빛은 타원형으로 편광되며 차단체는 상술한 것처럼 작동하지 않게 된다.

따라서, 공명 공동을 갖는 차단체가 선형 편광된 광에너지를 사용할 때에는 좌우측으로 원형편광된 성분들의 유효 굴절률이 다르고 공명 공동이 두 파동에 대해 동시에 공명되지 못하기 때문에 문제가 발생된다.

상기 문제를 해결하는 한 방법은 공동의 공명진동수가 좌우측의 원형평광된 광에너지의 공명진동수의 사이의 중간점에 있도록 공명 공동을 회전시키는 것이다. 이 때에, 전달된 강도는 좌우측의 원형편광된 광에너지와 동일하며 선형으로 편광된다. 편광평면의 회전은

로 주어지는데, 여기에서 F는 피네스이고 R은 거울의 반사율이다. 근사값으로,

가 유효하다. 공명 공동이 공명 작동을 수행하지 않기 때문에 삽입 손실이 있는 것을 알 수 있다. 전달손실은 45°의 회전각을 얻을 때 거의 50% 정도가 된다.

좌우측의 원형편광된 광에너지를 유효 굴절률을 각각 갖는 두 개의 별도의 공명구조물에서 작동시키는 다른 시도가 있었다. 이 작동모드에서의 손실은 최소이다. 그러나 공명 공동의 길이는

로 선택되어야 하며, 여기에서 n_L및 n_R은은 좌우측의 편광의 굴절률, N은 정수, λ는 파장이다.

상술한 것처럼, 광차단체의 손실은 최소인 반면에, 공명 공동의 길이는 비공명 광차단체에 필요한 길이의 약2배이다.

더 양호한 작동모드는 원형편광된 광에너지를 갖는 장치를 사용하여 공명 공동을 좌측의 원형편광된 광에너지 또는 우측의 원형편광된 광에너지의 공명정점으로 회전시키는 것이다. 제2도는 이러한 작동모드 원리에 따라 작동하는 구조물을 도시한다.

광차단체는 반사표면(34, 36)들의 사이에 위치한 자이로트로픽매체(32)로 구성되는 공명 공동(30)을 포함한다. 도면에서, 자이로트로픽매체는 지지부재상에 있는 박막형태이다. 반사표면은 두 단부면상에 위치한 부도체 또는 금속성 거울일 수 있거나, 또는 도파관구조의 분배된 반사기일 수 있다. 거울(34, 36)들의 사이의 거리는 광차단체의 입력단부로부터 수용된 원형편광된 광에너지용 공명 공동을 제공하도록 조정된다. 제1선형 편광기(38)는 광차단체의 입력단부에 위치하며 제2선형 편광기(40)는 광차단체의 출력단부에 위치한다. 제1선형 편광기(38)와 공명 공동(30)의 사이에는 ¼파장판과 같은 제2편광변환수단(44)이 있다.

제2도에 도시된 새로이 개선된 광차단체의 기본작동모드는 제1도에 도시된 종래의 광차단체의 기본 작동모드와 다르다. 제2도에서 좌측으로부터 이동하는 광에너지(46)는 예정된 각으로 제1선형 편광기(38)를 전방으로 통과하며, 편광기(38)로부터 나오는 선형 편광된 광에너지는 이 각으로 방향이 설정된다. 그러면 선형 편광된 광에너지는 선형 편광기(38)의 축에 대해 약 45°의 각의 고정축을 갖는 ¼ 파장판을 통과함으로써 원형편광된 광에너지로 변환된다. ¼ 파장판으로부터의 원형편광된 광에너지는 부분적으로 반사되는 거울(34)을 통과해서 편광을 위해 공명되는 공명 공동안에 들어간다. 공동내에서 수회에 걸친 전후방반사가 이루어진 후에 광에너지는 공명 공동의 부분적으로 반사되는 거울(36)을 통해 나타난다. 이 광에너지는 공동에 들어갈 때와 같은 원형편광을 갖는다. 공명 공동(30)으로부터의 원형편광된 광에너지는 적당한 각의 고정축을 갖는 제2의 ¼ 파장판(44)을 통과함으로써 선형 편광된 광에너지로 변환된다. 그 다음에, 그러한 제2의 ¼ 파장판(44)으로부터의 선형 편광된 광에너지는 수용된 광에너지를 통과하도록 방향설정된 제2선형 편광기(40)를 향하게 된다.

우측에서 좌측으로 이동하는 광에너지는 선형 편광기(40)을 우방으로 통과하며, 편광기(40)와 같은 각도로 방향설정된 선형편광된 광에너지로 나타난다. 그러면 빛은 ¼ 파장판을 통과해서 광차단체의 축을 따르는 동일한 방향에서 볼 때 좌측에서 우측으로 이동하는 광에너지의 회전방향에 대향하는 회전방향을 갖는 원형 편광된 광에너지로 나타난다. 따라서, 후방 방향으로 이동하는 원형편광된 광에너지는 전방 방향으로 이동하는 원형편광된 광에너지와는 다른 방향을 갖는다. 하나의 회전방향을 갖는 원형편광된 광에너지의 장(field)은 자장(16)의 방향에 의존하여 패러데이 재료의 자석모멘트의 진행방향과 동일한 방향으로 회전하며, 다른 회전방향을 갖는 원형편광된 광에너지의 장은 자석 모멘트의 진행방향의 반대방향으로 회전하게 된다. 따라서, 좌측으로부터 공명 공동을 통해 이동하는 원형편광된 빛의 굴절률은 우측으로부터 공명 공동을 통해 이동하는 원형편광된 광에너지의 굴절률과 다르다. 이는 편광기 및 ¼ 파장판의 조합이 다른 방향으로 이동하는 빛에는 다른 회전방향으로 부여하기 때문이다. 우측으로부터의 광에너지가 좌측으로부터의 광에너지에 대해 다른 속도로 공명 공동을 통과하기 때문에 두개의 원형편광된 비임의 공명진동수가 다르게 된다. 제2도의 실시예에서, 공명 공동은 좌측에서 우측으로 이동하는 원형편광된 광에너지를 공명시키도록 설계되어 있다. 따라서, 우측에서 좌측으로 이동하는 원형편광된 광에너지에 대해서는 공명되지 않으며, 우측으로부터의 광에너지는 공명피네스에 따른 양으로 공명진동수와는 다른 일정한 양으로 감소된다. 따라서, 제3도의 장치는 좌측에서 우측으로 이동하는 광에너지를 통과시키며 우측에서 좌측으로 이동하는 광에너지는 차단시킨다.

제3도에는 본 발명의 원리를 이용하는 장치에 사용가능한 형태의 공명 공동이 도시되어 있다. 이 공명 공동은 가돌리늄 갈륨가넷(GGG)기판(54)상에 생성되는 Bi 도포된 YIG 결정박막으로 구성된다. 박막은 2㎛의 두께이며, 약 97.5%의 R을 갖는 다층 부도체 거울(50, 52)을 지지한다. 포화자화상태에서 두개의 박막을 수직하게 통과하는 빛의 전체회전은 통로당 대략 1/3°정도이다. 선형 복굴절이 패러데이 회전에 해로운 영향을 미칠 수 있기 때문에 박막에 현저한 선형 복굴절이 없도록 해야한다.

제4도는 공명 공동이 섬유 페브리-페로 간섭계의 공동인 본 발명의 원리에 따른 광차단체의 다른 실시예를 도시한다. 제1광섬유(60)는 제2광섬유(62)와 나란하게 이격 배치된다. 두개의 광섬유단부의 사이에는 Bi 도핑된 YIG 박막이 위치한다. 광섬유의 단부(66, 68)는 반사거울을 부분적으로 지지하며, 슬리브(70)는 조립 배열상태를 유지하도록 두개의 섬유단부 및 자이로트로픽매체(64)의 주위에 활주가능하게 배치된다. 편리함을 위해, Bi 도핑된 YIG 박막은 부분 반사 거울 중의 하나에 고정될 수 있다. 링자석(72)은 필요한 자장을 제공하도록 슬리브의 주위에 배치된다. 제1부재(74)는 한 단부에서 섬유(60)에 고정되며, 제2부재(76)는 또다른 섬유(62)에 고정된다. 전위 적용크기로 변하는 피에조 전기부재(78)는 두 부재(74, 76)의 사이의 간격을 조절하도록 제1 및 제2부재(74, 76)에 고정 결합된다. 피에조 전기부재(78)에 적합한 전위를 적용시킴으로써 크기가 변화하며 이로써 두 부재(74, 76)의 사이의 간격이 변한다. 따라서, 피에조 전기부재(78)에 적합한 전위를 적용시킴으로써 두 섬유(60, 62)의 단부들간의 간격은 필요한 길이의 공동을 제공하도록 증가되거나 감소될 수 있다. 편광기 및 ¼ 파장판은 섬유형태로 제조될 수 있으므로 어떤 위치(80)의 섬유(60) 및 또 다른 위치(82)의 섬유(62)에 합체될 수 있다. 따라서, 본 발명의 원리를 이용함으로써 모든 섬유의 광차단체를 제공할 수 있다.

1845년 미카엘 패러데이는 유리 차단체가 표류자계가 부가될 때 광학적으로 작용하는 즉, 원형 복굴절성을 갖게 되는 것을 발견했다. 평면편광된 빛이 가해진 자장에 평행한 방향으로 유리를 통하게 보내지면, 편광평면은 회전한다. 일찌기 패러데이가 이러한 현상을 발견한 이래로 많은 고체와 액체 및 기체에서 관찰되었다. 따라서, 본 발명의 원리를 이용함으로써 공명 공동은 실리카 단일 모드 섬유로 제조될 수 있다. 예를 들어 제5도에서, 단일 모드 섬유(90)는 두개의 반사표면(92, 94)과 96에 있는 제1선형 편광기의 ¼ 파장판 및 98에 있는 제2선형편광기에 ¼ 파장판을 포함하는 구조를 갖는다. 공명 공동영역의 섬유에 고정결합된 두개의 아암(102, 104)으로 구성될 수 있는 신장부재(100)는 필요한 진동수에 대해 공명 공동의 길이를 조정할 수 있도록 광섬유를 전자식 또는 기계식으로 신장 시키도록 선택적으로 조절된다. 링자석(106)은 필요한 자장을 제공하도록 자이로트로픽 매체로서 섬유자체를 사용하는 공명 공동주위에 배치될 수 있다. 섬유에 선형 복굴절이 존재하면 보상수단이 필요하다.

Claims (8)

1. 입력평면편광기, 출력평면편광기, 상기 입력평면편광기와 출력평면편광기의 사이에 배치된 공명 공동 및, 공명공동내에 자이로트로픽 매체를 포함하며, 상기 공명 공동은 입력평면편광기에 의해 편광된 빛이 출력평면편광기를 통해 나오기 전에 한번 이상 자이로트로픽 매체를 통과시키는 것을 특징으로 하는 광차단체.
2. 제1항에 있어서, 상기 공명 공동은 자이로트로픽매체의 선형 편광된 빛의 두 공명진동성분의 사이의 거의 중간점에서 공명되도록 회전가능한 것을 특징으로 하는 광차단체.
3. 제1항에 있어서, 상기 입력평면편광기와 공명 공동의 사이에 배치되어 상기 입력평면편광기로부터 나오는 평면편광된 광에너지를 원형편광된 광에너지로 변환시키는 제1편광변환수단과, 상기 공명 공동과 출력평면편광기의 사이에 배치되어 공명 패러데이부재로부터 나오는 원형편광된 광에너지를 평면편광된 광에너지로 변환시키는 제2편광변환수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광차단체.
4. 제3항에 있어서, 상기 공명 공동이 두 개의 부분반사부재의 사이에 배치된 자이로트로픽매체를 갖는 것을 특징으로 하는 광차단체.
5. 제4항에 있어서, 상기 공명 공동이 필요한 진동수로 조정할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 광차단체.
6. 제5항에 있어서, 상기 자이로트로픽매체가 광섬유인 것을 특징으로 하는 광차단체.
7. 공급원으로부터의 광에너지를 제1방향으로 통과시키며 반대방향으로 이동하는 반사된 광에너지가 상기 공급원에 도달하지 못하게 차단하는 광차단체의 사용방법에 있어서, 상기 공급원으로부터 나오는 광에너지를 평면편광기를 통해 통과시키고, 상기 평면편광기로부터 나오는 평면편광된 광에너지를 자이로트로픽매체를 갖는 공명 공동을 통해 통과시키고, 공명 공동을 예정된 진동수로 회전시키는 것을 특징으로 하는 광차단체의 사용 방법.
8. 공급원으로부터 나오는 광에너지를 제1방향으로 통과시키며 반대방향으로 이동하는 반사된 광에너지가 상기 공급원에 도달하지 못하게 차단하는 광차단체의 사용 방법에 있어서, 상기 공급원으로부터 나오는 광에너지를 평면편광된 광에너지로 변환시키고, 상기 평면편광된 광에너지를 원형편광된 광에너지로 변환시키고, 상기 원형편광된 광에너지를 자이로트로픽매체를 갖는 공명 공동을 통해 통과시키고, 상기 공명 공동으로부터 나오는 원형편광된 광에너지를 평면편광된 광에너지로 변환시키고, 평면편광된 광에너지를 평면편광기를 통해 통과시키는 것을 특징으로 하는 광차단체의 사용 방법.

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