KR100205831B1 - 광섬유 복굴절 변조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형 압전소자 위로 광섬유를 감고 그 원통형 압전소자에 걸어주는 교류전압의 크기를 통해 복굴절 변조의 진폭을 결정하고 , 광섬유 내의 복굴절 상태를 광섬유 내에서 변조시킬 수 있도록 한 광섬유 복굴절 변조기에 관한 것으로 종래의 복굴절 변조기에 있어서는 집적 광학 회로를 사용하는 방식등을 채용하므로 빛을 광섬유 밖으로 끄집어 내야 하며, 빛의 손실이 크고 구조가 복잡해지는 등의 문제점이 있었다. 이러한 점을 감안하여, 교류전압을 발생하는 함수 발생기와, 상기 함수 발생기에서 발생되어 인가되는 교류전압에 따라 벽이 진동하는 원통형 압전소자와, 상기 원통형 압전소자에 권회되어, 그 원통형 압전소자의 벽이 진동함에 따라 복굴절 상태를 변조하는 광섬유로 광섬유 복굴절 변조기를 구성함으로써 , 빛을 광섬유 밖으로 끄집어 내지 않아도 되고, 구조를 간단히 하여 편광 변조 진폭을 쉽게 결정할 수 있으며, 편광변조기, 스클램블러, 광세기 변조기 및 편광 스위치등으로 이용할 수 있게 한다.

Description

광섬유 복굴절 변조기

제1도는 본 발명 복굴절 변조를 설명하는 기본 개념도.

제2도는 진동판의 진동수의 따른 응력변화를 보인 그래프.

제3도는 본 발명 광섬유 복굴절 변조기의 기본 구성도.

제4도는 본 발명 광섬유 복굴절 변조기의 복굴절 변조를 주파수 변화에 따라 측정한 결과 그래프.

제5도는 본 발명 광섬유 복굴절 변조기의 응용으로 복굴절 변조를 증가시키기 위한 기본 구성도.

제6도는 본 발명의 광섬유 복굴절 변조기를 응용한 편광 변조기 또는 스크렘블러(scrambler) 의 기본 구성도.

제7도는 x, y 두 선편광간의 위상차가 0°, 90°, 180°, 270°, 360°일때의 편광상태의 변화 설명도.

제8도 및 제9도는 본 발명의 광섬유 복굴절 변조기를 응용한 스크렘블러(scrambler) 의 기본 구성도.

제10도는 본 발명의 광섬유 복굴절 변조기를 응용한 광세기 변조기의 기본 구성도.

제11도는 제10도의 광세기 변조기의 세기변조의 컴퓨터 모의실험 결과 파형도.

제12도는 본 발명의 광섬유 복굴절 변조기를 응용한 편광스위치의 기본구성도.

제13도는 본 발명의 광섬유 복굴절 변조기를 응용한 편광변조기의 편광 변조를 감소시키는 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 광원 20 : 대물렌즈

21,22 : 편광기(Polarizer) 25,26 : 편광 조절기(Polarizer controller)

30 : 보통광섬유 31 : 보통 원형 코어 광섬유

32 : 반파장판(Half wava plate) 40 : 진동판

41 : 원통형 압전소자 45 : 보강재

50 : 함수 발생기(Function generator)

51 : 광펄스 발생기(Optical pulse generator)

61, 61 : 복굴절 변조부 65 : 편광 변조부

본 발명은 광섬유 내에서 빛의 복굴절 상태를 주기적으로 바꿔주는 광섬유 복굴절 변조기에 관한 것으로, 특히 원통형 압전소자 주위로 광섬유를 감고 상기 원통형 압전소자에 걸어주는 교류전압의 크기를 통해 복굴절 변조의 진폭을 결정할 수 있도록 하고, 광섬유 내의 복굴절 상태를 광섬유 내에서 직접 변조시킬 수 있도록 한 광섬유 복굴절 변조기에 관한 것이다.

복굴절 변조란 서로 수직한 두 편광이 보는 굴절률을 다르게 변조시켜 빛이 경험하는 위상변화를 편광에 따라 달라지게 하는 것으로 편광 변조를 수반한다.

종래의 복굴절 변조기에 있어서는 집적광학회로를 사용하는 방식등을 채용하므로 빛을 광섬유 밖으로 끄집어 내야 하며, 빛의 손실이 크고 구조가 복잡해지는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여, 광섬유의 한쪽 면을 주기적으로 흔들어서 두 고유편광에 대한 굴절률이 서로 다르게 변조되도록 함으로써 빛을 광섬유 밖으로 끄집어 내지 않아도 되도록 하고, 구조를 간단히 하여 편광변조 진폭을 쉽게 결정할 수 있고, 수십㎑에서 수㎒까지 동작가능하고, 낮은 전압으로도 구동 가능하도록 창안한 것으로, 이를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명의 복굴절 변조의 원리를 설명하는 기본 개념도로서, 이에 도시한 바와 같이 주기적으로 진동하는 진동판(40)위에 보통 광섬유(30)가 올라가 있는 형태이다. 진동판(40)의 진동방향은 화살표로 표시되어 있으며, 진동판(40)의 면에 대해 수직이다. 진동판(40)이 진동하면 보통광섬유(30)도 같이 진동하며 변형되는데, 이때 보통광섬유(30)의 원형 대칭성이 깨지고 x방향과 y 방향으로 고유축이 형성되며 서로 다른 응력(strain) ε_x, ε_y가 발생한다.

제2도는 상기 진동판(40)의 진동수에 따른 응력변화를 보인 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 각각의 응력(εx,εy)을 진동판(40)의 진동진폭(uo)으로 나눈 값 εx/uo와 εy/uo를 계산하여 나타낸 것이며, 진동수가 증가할수록 응력이 증가하게 된다.

한편, 빛의 굴절률은 응력이 있으면 바뀌게 되는데, x방향과 y방향의 응력이 다르면 그 방향의 편광에 대한 굴절률(nx),(ny)도 서로 다르게 바뀐다. 그리고 두 방향의 편광에 대한 굴절률 차이(nx-ny)는 두방향의 응력 차이(εx-εy)에 비례한다.

제3도는 상기에서 설명한 바와 같은 복굴절 변조의 원리를 실현시키기 위한 기본 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 보통의 원형 코어 광섬유(31)를 원통형 압전소자(41) 주위에 수 십 바퀴 감은 구조이다. 원통형 압전소자(41)에는 내벽과 외벽 사이에 함수 발생기(50)를 이용하여 교류전압을 걸어줄 수 있도록 되어 있는데, 그 원통형 압전소자(41)는 걸어준 전압에 비례해서 그 길이를 바꿀수 있는 것으로 원통형의 경우 그 반경이 바뀌게 된다. 한편 원통형 압전소자(41)와 원형 코어 광섬유(31)의 접촉을 국부적으로 보면 상기에서 설명한 제1도와 같은 형태이다. 따라서, 함수 발생기(50)에서 걸어준 교류전압에 따라 원통형 압전소자(41)벽이 진동하면서 원형 코어 광섬유(31)에서의 복굴절 상태를 변조시킬 수 있다. 그리고 이 구조에서 고유 편광측은 제1도와 비교할 때 원통형 압전소자(41)의 대칭축과 평행한 방향(x편광)과 원통형 압전소자(41)의 벽에 수직한 방향(y편광)이 된다.

한편, 제3도의 본 발명 광섬유 복굴절 변조기는 광섬유 위상변조기와 유사한 형태이며, 그 차이는 동작원리와 걸어주는 교류전압의 주파수에 있다. 위상 변조기는 압전소자의 반경변화에 의한 광섬유의 길이 변화를 통해 위상을 변조시키며, 수 십㎑ 이하의 주파수 영역에서 사용되지만, 복굴절 변조기는 광섬유의 측면에서의 진동에 의한 광섬유의 변형을 통해 굴절률을 변화시키는 것을 동작원리로 하며, 수 십 ㎑ 이상의 주파수 영역에서 사용된다. 이 점은 제4도의 실험결과로부터 설명된다.

제4도는 제3도 구조의 복굴절 변조기의 복굴절 변조를 주파수 변화에 따라 측정한 결과 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 x편광에 대한 위상 변조 진폭(ø_X)과 y편광에 대한 위상 변조 진폭(øy)을 측정한 결과로부터 얻은 그래프이다. 수직축은 규격화된 복굴절로 복굴절 변조 진폭(øy-øx)을 평균 위상 변조 진폭(øx+øy)/2 로 나눈 값이고, 수평축은 원통형 압전소자(41)에 걸어준 교류전압의 주파수이다. 제4도에서 +,□,▲는 각각 원통형 압전소자(41)의 반경이 1.27㎝, 1.9㎝, 3.8㎝ 일 때의 측정결과이다. 이와 같은 측정결과는 원통형 압전소자(41)의 반지름이 클수록 그리고 교류전압의 주파수가 높을수록 복굴절 변조가 잘 일어남을 보여주고 있다. 제4도에서 세 실선은 각각의 반지름에 대한 이론적인 계산치이다. 또한 제4도의 결과에서 변조 주파수가 수백 ㎑ 이상이면 복굴절 변조 진폭이 위상 변조 진폭의 수 십 퍼센트에 달하는 매우 큰 값임을 알 수 있다. 그리고 변조 주파수가 수 십㎑ 이하에서는 그 값이 매우 작아서 효과적인 복굴절 변조를 수행할 수 없다. 따라서 상기에서 설명한 제3도의 기본 구성은 수 십㎑ 이하의 영역에서는 위상 변조기로 작동하고, 수 백 ㎑ 이상에서는 복굴절 변조기가 된다. 또한 복굴절 변조 진폭 자체는 원통형 압전소자(41)에 걸어주는 교류전압의 진폭에 비례하므로 전압을 조정하여 원하는 복굴절 변조 진폭을 얻을 수 있게 된다.

제5도는 본 발명 광섬유 복굴절 변조기의 응용으로 복굴절 변조를 향상시키기 위한 기본구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 원형 코어 광섬유(31) 바깥쪽에 딱딱한 보강재(45)를 더하여 원통형 압전소자(41)에 걸어준 전압에 따라 그 원통형 압전소자(41)의 반경이 진동하여 원형 코어 광섬유(31)에 변형이 유도되고, 이에 따라 원형 코어 광섬유(31)의 변형을 증가시키도록 구성한 것이다.

제6도는 본 발명 광섬유 복굴절 변조기를 응용한 편광 변조기의 기본 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(10)에서 나온 빛은 우선 편광기(21)를 지나고 대물렌즈(20)를 통과한 후 편광 조절기(25)를 지나 복굴절 변조부(61)의 원형 코어 광섬유(31)에 입사되게 구성한다. 여기서, 편광기(21)와 편광조절기(25)를 사용하는 이유는 복굴절 변조부(61)에 입사되는 빛이 복굴절 변조부(61)의 두 고유편광 즉, 상기 제1도에서 설명한 x 편광과 y편광 성분을 같은 크기로 갖도록 하여 편광 변조 효율을 극대화시키기 위한 것으로, 만약 광원(10)이 편광이 되어 있다면 편광기(21)는 없어도 된다. 한편 크기가 같은 두 고유편광이 복굴절 변조기에서 서로 다른 위상차를 경험할 때 출력되는 편광방향이 바뀌게 되는데, 제7도는 두 고유 편광간에 위상차가 0°, 90°, 180°, 270° 360°일 때의 출력편광을 나타낸 것이다.

한편, 제6도의 편광 변조기는 출력되는 편광상태가 심하게 변화하므로 편광 스크렘블러(scrambler)로 이용될 수 있다.

제8도와 제9도는 본 발명의 광섬유 복굴절 변조기를 응용한 스크램블러의 기본 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기에서 설명한 제3도 구성의 복굴절 변조부(61),(62)를 2개 사용하여 제6도에 비하여 더욱 강력한 편광 스크램블러로 구성하고, 입력단에 편광기를 사용하지 않아도 되는 특징이 있다. 제8도는 복굴절 변조부(61),(62)의 두 원통형 압전소자(41),(41)가 나란하게 놓여 있으며, 그 사이에 반파장판(32)이 원통형 압전소자(41)의 대칭축에 대해 22.5° 기울어져 있고, 제9도는 복굴절 변조부(61),(62)의 두 원통형 압전소자(41),(41)의 대칭축이 45°의 각을 이루도록 기울어져 있다. 제8도와 제9도의 구조는 모두 첫 번째 복굴절 변조부(61)의 고유편광이 두 번째 복굴절 변조부(62)에 입력될 때는 두 번째 복굴절 변조 부(62)의 고유편광에 대해 45° 기울어지도록 한 것이다. 따라서 입사광의 편광이 첫 번째 복굴절 변조부(61)의 고유편광과 일치하여 첫 번째 복굴절 변조부(61)에서 편광 스크렘블(scramble)이 일어나지 않는다 하여도 두 번째 복굴절 변조부(62)에서 편광 스크렘블(scramble)을 일으킬 수 있도록 한 것이다. 그리고 좀 더 완전한 스크렘블(scramble)을 위해서 두 복굴절 변조부(61),(62)에 가해 주는 교류전압의 주파수를 서로 다르게 할 수 있다.

제10도는 본 발명 광섬유 복굴절 변조기를 응용한 광세기 변조기의 기본 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 제6도에서 설명한 바와 같은 편광변조기의 출력단에 편광조절기(26)와 편광기(22)를 설치하여 구성한다. 따라서 편광상태에 따라 출력단의 편광기(22)를 통과할 수 있는 빛의 세기가 달라지므로 편광변조부(65) 이후의 편광기(22)는 빛의 세기를 변조할 수 있다. 이때 편광기(22)의 전단에 설치된 편광조절기(26)는 이 편광기(22)를 가장 잘 통과할 수 있는 편광상태를 결정하는 것으로, 편광조절기(26)의 상황에 따라 세기변조의 주파수가 교류전압의 주파수와 같거나 두배가 되게 한다. 예를 들어 제11도는 제10도의 광세기 변조기의 세기 변조의 모의 실험 결과 파형도로서, 제11도의 (a)는 원통형 압전소자(41)에 걸어준 전압이 0볼트일 때의 편광이 제10도 출력단자의 편광기(22)를 가장 잘 통과하도록 편광조절기(26)를 조정했을 때의 투과율 즉, 출력세기를 입력세기로 나눈 값을 나타낸 것이다. 여기서 원통형 압전소자(41)에 걸어준 교류전압의 크기는 편광 변조 진폭이 180°가 되도록 하였으며, 이 경우 투과율 곡선의 주파수는 교류전압 주파수에 비해 두배가 됨을 알 수 있다. 제11도의 (b)는 편광 변조 진폭을 90°가 되도록 하고, 편광조절기(26)의 상태를 전압이 최대일 때의 편광상태가 편광기(22)를 가장 잘 통과하도록 하였을 경우로, 이때는 세기 변조 주파수가 교류전압의 주파수와 같아진다.

제12도는 본 발명의 광섬유 변조기를 응용한 편광 스위치의 기본 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 펄스 발생기(51)는 짧은 광펄스를 만들 수 있는 장치로 상기에서 설명한 제10도 구성의 편광 변조부(65)에 걸어주는 교류전압이 최대일 때와 최소일 때 펄스를 발생시킬 수 있도록 동기화 되어 있다. 교류전압의 크기는 편광 변조 진폭이 90°가 되도록 하여 전압이 최대일 때와 최소일 때의 편광이 서로 수직이 되도록 한다. 이 경우 편광 변조기를 지나온 펄스의 편광상태를 이웃하는 펄스간에 서로 수직한 상태가 된다.

한편, 상기 제3도에서 설명한 본 발명의 복굴절 변조기의 구조가 위상 변조기로 사용될 때는 위상 변조를 동반하는 편광 변조는 위상 변조기의 효과를 감소시키는 역할을 한다. 따라서 위상 변조기로 사용하고자 할 경우에는 편광 변조를 막아 줄 장치가 필요하다.

제13도는 본 발명의 복굴절 변조기를 응용한 편광 변조기의 편광 변조를 감소시킬 수 있는 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 위상 변조기를 구성하는 광섬유(31)의 정중앙에 편광방향을 바꿔줄 수 있는 반파장판(32)을 추가로 부착한 것이다. 이 반파장판(32)은 상기에서 설명한 제1도의 x방향 편광을 y방향 편광으로, 그리고 y방향 편광을 x방향 편광으로 바꿔 줄 수 있도록 원통형 압전소자(41)의 대칭축에 대해 45°방향으로 기울어져 있다. 따라서 입사하는 빛의 편광방향에 관계없이 위상 변조기를 지나는 동안 x방향 편광과 y방향 편광을 반반씩 거치므로 편광 변조 없이 위상 변조만 일어나게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 광섬유 복굴절 변조기는 압전소자에 인가하는 교류전압에 따라 광섬유의 두 고유 편광에 대한 굴절률이 서로 다르게 변조되도록 하므로 빛을 광섬유 밖으로 끄집어 내지 않아도 되고, 구조를 간단히 하여 편광 변조 진폭을 쉽게 결정할 수 있으며, 수십 ㎑에서 수 ㎒까지 동작가능하고, 긴 길이의 광섬유를 사용하므로 수볼트(Volt)의 낮은 전압으로도 구동 가능하며, 보다 실용적이며 동작특성이 뛰어나며, 편광 변조기, 스크렘블러, 광세기 변조기 및 편광 스위치등으로 이용할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (11)

1. 교류전압을 발생하는 함수 발생기와 , 상기 함수 발생기에서 발생되어 인가되는 교류전압에 따라 벽이 진동하는 원통형 압전소자와, 상기 원통형 압전소자에 권회되어, 그 원통형 압전소자의 벽이 진동함에 따라 복굴절 상태를 변조하는 광섬유로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
2. 제1항에 있어서, 빛을 편광시키는 편광기와, 이 편광기를 통과한 빛을 집속하는 대물렌즈와, 이 대물렌즈를 통과한 빛의 편광상태를 조절하여 상기 광섬유에 입사시키는 편광 조절기를 포함하여 , 빛의 편광 상태를 변조시키는 편광 변조기로 구성한 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광섬유의 바깥쪽 주위에 덧불여 복굴절 변조나 편광 변조를 보강하는 보강재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 빛의 편광상태를 심하게 변화시킴에 따라 스크램블러로 동작하게 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
5. 제1항에 있어서, 동일하게 구성한 2개의 복굴절 변조기를 연결하여 편광 스크램블러로 동작되게 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
6. 제5항에 있어서, 제2개의 복굴절 변조기의 원통형 압전소자 사이에 설치되는 반타장판을 포함하여 구성된 것을 특징을 하는 광섬유 복굴절 변조기.
7. 제6항에 있어서, 반파장판은 원통형 압전소자의 대칭축에 대하여 22.5° 기울어지게 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
8. 제5항에 있어서, 제2개의 복굴절 변조기의 원통형 압전소자가 그 원통형 압전소자의 대칭축에 대해 45°기울어지게 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
9. 제2항에 있어서, 광섬유의 출력단에 설치한 편광 조절기와, 이 편광조절기를 통과한 빛을 편광시키는 편광기를 포함하여, 광세기 변조기로 동작하게 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
10. 제2항에 있어서, 편광기의 출력측에 설치하고, 함수 발생기에서 발생되는 교류전압이 최대일 때와 최소일 때 편광을 서로 수직이 되도록 하는 펄스 발생기를 포함하여, 편광스위치로 동작하게 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.
11. 제1항에 있어서, 광섬유의 중간에 덧붙여 복굴절 변조를 감소시키는 반파장판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 복굴절 변조기.