KR100193218B1 - 전기광학 폴리머 광도파로를 이용한 편광-비의존 광변조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기광학 플러머를 이용한, 광측이 엇갈린 광도파로 편광변환기와 통상의 위상변조기를 함께 집적한 편광-비의존 광변조기에 관한 것으로서, 입력광의 편광상태를 조절하지 않고도 광신호의 세기를 변조시킬 수 있는 편광-비의존 광변조기에 관한 것으로서, 입력광의 편광상태를 조절하지 않고도 광신호의 세기를 변조시킬 수 있는 편광-비의존 광변조기 전기광학 폴리머를 이용하여 구현한 것이다. 본 발명에 따른 편광-비의존 광변조기는 전기 폴리머를 사용하여 제작한 광축이 엇갈린 편광변환기와 통상의 위상변조기를 마흐-젠더형 광도파로 형태로 집적한 것이다. 입사된 광신호는 두 경로로 갈라져 한쪽은 편광변환기만 통과하여 편광변환되고, 다른 쪽은 위상변조기와 편광변환기를 모두 통과하여 위상변조 및 편광변환된다. 변조된 광신호는 최종적으로 다시 합쳐져 보강간섭 또는 상쇄간섭되어, 결과적으로 편광에 무관한 광변조가 달성된다.

Description

전기광학 폴리머 광도파로를 이용한 편광-비의존 광변조기

본 발명은 전기광학 폴리머를 이용한, 광축이 엇갈린 광도파로 편광변환기와 통상의 위조변조기를 함께 집적한 편광-비의존 광변조기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 출력광의 강도를 변조시키는 소자로서 입력광의 편광상태를 조정하지 않고도 광신호 세기를 변조시킬 수 있는 편광-비의존 광변조기를 전기광학 폴리머를 이용하여 구현한 것이다.

광통신 시스템에 있어서 일반적으로, 송출할 광신호의 강도를 변조하기 위하여 광변조기가 쓰인다. 그러나 종래에, 광섬유를 통하여 원격지에 전송된 광신호는 편광상테가 일정하게 유지되지 못하고 시간에 따라 변환다. 그러므로 광가입자가 서버에게 메시지를 전하는 경우, 즉, 광섬유를 통하여 광신호를 변조하여 송신할 때에, 종래의 편광-의존형 광변조기를 사용하는 경우에는 신호의 편광정도를 검출하는 편광을 조절하는 광학계, 광신호의 편광을 설정값으로 유치하는 피드백제어기 등이 필요하다. 이는 전체 시스템을 복잡하게 하여 신뢰성을 떨어 뜨리고 전체 가격을 상승시키는 요인이 되어 왔다.

상술한 단점을 보완하기 위하여 편광-비의존 광변조기가 개발되었다. 이로써 광신호의 편광에 관계없이 본래의 광변조 가능만 수행할 수 있게 되어 편광을 검출하고 제어할 필요가 없어지게 되었다. 이런한 이점을 가진 편광-비의존 광변조기는 LiNbO₃나 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체 재료(Gap, InP 등)를 이용하여 연구 제작되어 왔다.

그러나 상기 Nb은 희소물질로서 그 제조단가가 높고, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 재료 또한 아직까지 보편화되지 못하여 그 제조기술면이나 가격면에서 불리하다는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 종래의 편광-비의존 광변조기가 갖는 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 전기광학 폴리머를 이용하여 편광-비의존 광변조기를 제작하게 되었다.

전기광학 폴리머는, 전계를 이용하여 폴링을 시켜주면 빛에 대한 굴절률이 증가하고 광학적 단출 매질로 변하는 특성을 갖고 있다. 그러므로 폴링 공정을 이용하면 한가지 편광성분만을 도파시키는 광도파로를 손쉽게 제작할 수 있다. 더욱이 폴링용 전극을 적절히 설계하면 폴링된 광도파로의 광축이 진행방향을 따라 가며 서서히 회전하는 구조를 만들 수 있으며 이러한 단축 광도파로를 지니는 도파광의 편광은 광도파로의 광축방향을 따라서 변환하게 된다. 폴링에 의해 형성된 광도파로의 광축방향을 기판에 대하여 수평방향에 시작하여 수직방향으로 변환하게 만들면 도피광의 편광을 TE모드에서 TM모드로 바꿀 수 있는 편광변환기가 된다. TE모드란 도파관내의 광파 중에서 도파관의 축방향에 대해 전기장은 수직이나, 자기장은 수직이 아닌 축방향 성분을 갖는 것을 말한다. TM모드란 도판관내의 광파중에서 도파관의 축방향에 대해 자기장은 수직이나, 전기장은 수직이 아닌 축방향 성북을 갖는 것을 말한다.

본 발명에 따른 편광-비의존 광변조기는 전기광학 폴리머를 기판으로 이용하여 편광변환기(광축이 뒤틀린 광도파로 편광변환기, 후술함)와 통상의 위조변조기를 마흐-젠더형 광도파로 형태로 직접하여 구현한 것이다.

결국 본 발명의 주된 목적은 광통신 시스템의 광변조기에 있어서 편광 관계없이 광변조를 할 수 있는, 전기광학 폴리머를 이용한 편광-비의존 광변조기를 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 폴리머 광도파로 이용 편광-비의존 광변조기에 이용되는 광축 엇갈린 광도파로(Twisted Optic-Axis Waveguide : TOW) 편광변환기의 개략적인 형태를 보이고 있다.

제2도는 상기 TOW 편광기와 전기광학 위상변조기를 마흐-젠더형 광도파로에 집적하여 구현한, 본 발명에 따른 폴리머 광도파로 편광-비의존 광변조기에 대한 개략도이다.

제3도는 제2도에 도시된 편광-비의존 광변조기의 평면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광표백층 2 : 광표백층에 의해 형성된 광도파로

3 : 상부전극 4 : 하부전극

5 : 광입력부 6 : 광출력부

7 : 광축이 엇갈린 광도 파로(Twisted Optic-Axis Waveguide : TOW) 편광변환기

8 : 위상변조기

본 발명에 따른 편광-비의존 광변조기는 광축이 엇갈린 광도파로(Twisted Optic-Axis Waveguide : TOW) 편광변환기(이하, TOW 편광기라 한다와 전기광학 위조변조기를 마흐-젠더(Mach-Zehnder)형 광도파로 형태로 집적하여 구성된다.

먼저 TOW 편광기에 대해 설명하기로 한다. TOW 편광기는 폴링(Poling)으로 형성되는 단출(單軸)매질 광도파로에서 광축의 각도가 진행방향에 따라서 서서히 변화하는 구조를 가지기 때문에 광축이 엇갈린 광도파로 편광변환기라고 명명하였다. TOW 편광기의 개략적인 형태는 제1도에서 보이고 있다.

대한민국 특허출원 제95-19838호에는 상기 제1도의 TOW 편광기 구조와 유사한 편광기가 개시되어 있다. 그러나 상기 특허출원 명세서에 개시된 편광기에서는 광도파로가 폴링에 의해 형성되지만, 본 발명에 적용하기 위한 TOW 편광기에서 광도파로가 광표백측에 의해 형성되고 폴링은 단지 복굴절성을 일으키는 목적으로만 이용된다.

제1도를 보면, 본 발명에 따른 편광-비의존 광변조기에 적용한 TOW 편광기는 4층, 전기광학 폴리머 기판의 내부층에 광표백층(1)을 두어 광도파로(2)를 형성하고 상기 광도파로(2)의 상하로 폴링용 전극으로서 상부전극(3)과 하부전극(4)이 광도파 방향으로 형성된다. 제1도에는 폴리머 기판의 각 단면부위별 광도파로(2)와 상, 하부 전극(3, 4)의 위치가 바뀌어 폴링 전개 방향이 바뀌고 있음을 나타내고 있다.

이와 같이 광표백된 광도파로를 이용하면 TE, TM 두가지 편광성분을 모두 도파시킬 수 있으며 또한 두 성분을 한꺼번에 그 반대의 성분으로 각각 편광변환할 수 있다. 즉 입력광 중에 TM모드 성분은 폴링된 광축(빠른축, fast axis)을 따라서 TE모드 성분으로 변혼되고, TE모드 성분은 광축에 수직한 느린축(slow axis)을 따라 회전하여 출력단에서 TM모드 성분으로 변환된다. 이상적인 경우에 이 두 편광 성분간 편광결합(polarization coupling)은 일어나지 않는다.

이상에서 설명한 TOW 편광기와 통상의 위조변조기를 함께 집적하여 새로운 형태의 편광-비의존 광변조기를 만들었다. 본 발명에 따른 광변조기의 구조는 제2도에 나타내었으며 그 평면도를 제3도에 개념적으로 나타내었다.

제2도를 보면, 폴리머 기판의 광입력부(5)와 광출력부(6)에 각각 위조변조기(8)가 직접되고, 상기 광입력부(5)와 광출력부(6) 사이에 TOW 편광기(7)가 위치한다. 광도파로(2)는 광입력부(5)에서 두 갈래로 갈라지는데(이하, Y형 광분할기), 하나는 TOW 편광기(7)만 거치고 다른 하나는 위조변조기(8)와 TOW 편광기(7)를 모두 거쳐 광출력부(6)에서 모이는 형태로 된다.

광도파로(2)는 전술한 바와 같이 광표백층(1)에 의해 형성되는데, 일반적인 마흐-젠더(Mach-Zehnder : MZ)형 광도파로의 경우와 동일하다. 위조변조기(8)의 형태는 매우 단순하여 광도파로의 아래 위로 전극이 존재하는 것에 불과하며 추가적인 제작공정이 필요없이 TOW 편광기를 만드는 과정 중에 함께 제작할 수 있다.

제2도에 도시된, 본 발명에 따른 편광-비의존 광변조기의 동작원리는 다음과 같다. TE모드와 TM모드가 결합된 입력 도파광 Y형 광분할기에 반씩 갈라져 MZ 광도파로의 두 경로를 지나게 된다. 이때 TOW 편광기(7)만 있는 경로를 지나는 빛은 한번의 편광변환이 일어나고, 두 개의 위조변조기가 함께 집적된 다른쪽 경로를 지나는 빛은 편광변환과 더불어 위조변조가 된다. 위상변조기(8)는 전계수가 수직방향인 TM모드에 대해서 ΔΦ의 위조변조를 일으키고 전계가 수평방향 TE모드에 대해서는의 위조변조를 일으킨다. 이는 각각의 모드에 작용하는 전기광학계수가 서로 다르며,이라는 관계를 갖기 때문이다. 일반적을 α값은 3정도의 상수이다. 그러므로 입력광의 TM모드 성분은 첫 번째 위조변조기에서 ΔΦ만큼 위조변조되고, 이후 편광변환기를 지나면서 편광변환되어 TE모드 성분으로 바뀌고, 두 번째 위조변조기에서만틈 추가로 위조변조되어, 결국 전체적인 위조변조량은가 된다. 입력광의 TE모드 성분도 앞에서 설명한 TE모드 성분의 경우와 유사한 과정으로 위조변조 되어 전체적으로만큼 위상변조 된다.

따라서 제안된 구조에서는 입력광의 편광상태에 무관하게만큼 위조변조시킬 수 있다. 이와같이 편광에 무관하게 위항변조되어 한쪽 경로를 지나온 빛은 다른쪽 경로를 지나온 빛과 Y형 광결합기에서 합쳐진다. 합쳐진 빚은 위항 변조된 크기에 따라 보강간섭 또는 상쇄간섭을 일으켜 결과적으로 편광에 무관한 광변조가 이룩된다.

제안된 TOW 편광기르 이용한 폴리며 광도파로 광변조기의 동작 특성을 해석하기 위하여 존스행렬(Jones Matrix) 방법을 이용하였다(참조 : A. Yariv and P. Yeh, Optical Waves in Crystals, New York : John Wiley, 1984, pp. 143-147). 해석결과 본 발명의 따른 편광-비의존 광변조기는 입력광의 편광에 관계없이 동작하는 변조특성을 나타내었고, 편광기에 길이가 3㎜이고 폴링으로 유기된 유효굴절률의 복굴절성이 0.005인 경우 30dB 이상의 변조 소멸비(extinction ration)를 얻을 수 있음을 확인하였다.

본 발명에 따른 상술한 TOW 편광기는 종래의 Nb 화합물 대신 전기광학 폴리머를 이용하므로 저가의 소자구현이 가능하다. 또한 전기광학 폴리머에서는 마이크로파와 광신호간의 속도 정합성이 우수하기 때문에 Si이나 GaAs 등의 상용기판에 편광기와 전자회로를 함께 구성할 수 있어 성능상 효율과 신뢰성이 향상되고 가격감축 효과가 더 커질 수 있다. 한편 TOW 편광기를 전용한 편광-비의존 광변조기는 상기 TOW 편광기가 갖는 효과를 포함하는 도파광의 편광에 관계없이 변조 긴능을 수행할 수 있다.

Claims (7)

1. 다층의 전기광학 폴리머 내의 광표백에 의해 형성되는 광도파로 ; 상기 광도파로와 비스듬한 방향으로 전기광학 폴리머 상면에 형성된 두 개의 상부전극 ; 및 상기 상부전극과 상호 엇갈리도록 전기광학 폴리머 하면에 두 개의 하부전극으로 구성된 광축이 엇갈린 광도파로 편광변환기.
2. 제1항에 있어서 상기 광도파로를 통과하는 광신호가 상기 상부전극과 하부전극에 인가하는 전계에 따라 TE모드 성분으로, TM모드 성분은 TE모드 성분으로 변환되는 것을 특징으로 하는 광축이 엇갈린 광도파로 편광변환기.
3. 다층의 전기광 폴리머의 내부 광표백층에 형성되는 광도파로 ; 상기 광도파로의 일측으로 광신호가 입사된는 광입력부 ; 상기 광도파로와 비스듬한 방향으로 전기광학 폴리머 상면에 형성된 두 개의 상부전극과 상기 상부전극과 상호 엇갈리도록 전기광학 폴리머 하면에 형성된 두 개의 하부전극으로 구성된 편광변환기 ; 및, 상기 편광변환기에서 편광편환된 광신호가 출사되는 광출력부로 구성된 편광-비의존 광변조기.
4. 제3항에 있어서, 상기 광도파로가 상기 광입력부에서 두 경로로 갈라진 후 상기 편광변환기를 통고한 상기 광출력부에서 다시 합쳐지는 것을 특징으로 하는 편광-비의존 광변조기.
5. 제3항에 있어서, 상기 편광변환기를 통과하는 광신호가 상기 상부전극과 하부전극에 인가하는 전계에 따라 TE모드 성분은 TM모드 성분으로, TM모드 성분은 TE모드 성분으로 변환되는 것을 특징으로 하는 편광-비의존 광변조기.
6. 두 경로로 갈라진 광도파로의 한쪽 경로로 입사된 광신호가, 입사된 광신호의 위상을 변시시키는 위조변조기, 상기 편광변환기, 또 다른 위조변조기를 차례로 통과하여 출사되는 것을 특징으로 하는 편광-비의존 광변조기.
7. 두 경로로 갈라진 광도파로의 다른 한쪽 경로로 입사된 광신호가, 편광변환기를 통과하여 출사되는 것을 특징으로 하는 편광-비의존 광변조기.