KR100237894B1 - 음향 정상파의 존재시 형성된 광 도파로를 가진 광학 장치 - Google Patents

음향 정상파의 존재시 형성된 광 도파로를 가진 광학 장치 Download PDF

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Abstract

전자 음향 변환기 (6b) 는 광학 재료의 블록 (6a) 에 부착되어, 블록내에 음향 정상파를 발생시키며; 음향 정상파는 광학 재료의 굴절 인덱스를 주기적으로 바꾸며, 저 굴절 인덱스 부분 (6d) 과 번갈아 나타나는 고 굴절 인덱스 부분 (6c) 을 형성하고; 고 굴절 인덱스 부분은 광 도파로로 사용하고, 전자 음향 변환기는 광 도파로를 블록내에 쉽게 형성시킨다.

Description

음향 정상파의 존재시 형성된 광 도파로를 가진 광학 장치.
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로, 특히, 음향 정상파의 존재시 형성된 광 도파로를 가진 광학 장치에 관한 것이다.
광 도파로의 전형적인 예는 광 화이버이다. 광을 광 화이버내에 제한하기 위해, 광 화이버는 도 1 에 도시된 다층 구조를 갖는다. 코어 (1a) 는 클래드 (1b) 에 둘러싸여지고, 코어 (1a) 와 클래드 (1b) 는 예를 들면 석영 유리 및 합성 유리로 각각 형성된다. 석영 유리는 합성 유리보다 굴절 인덱스가 더 크고, 입사광 (L1) 은 코어 (1a) 와 클래드 (1b) 사이의 경계상에서 전체적인 반사를 반복한다. 결과적으로, 광 (L1) 은 코어 (1a) 를 따라 진행하고, 다른 단부에서 방사된다. 다층 구조는 이중 도가니 풀링 다운 방법 (double crucible pulling down method) 등에 의해 얻어진다.
광 도파로의 또다른 예는 "분산형 광 도파로" 로 불린다. 분산형 광 도파로는 단결정 재료를 또다른 소자로 교체시켜 큰 굴절 인덱스를 가진 연장된 부분을 갖는다. 도 2 는 분산형 광 도파로를 도시한다. LiNbO3의 단결정 화합물의 부분 (2a) 은 분산형 광 도파로로 사용가능하고, 단결정 재료의 Li 위치는 해칭선으로 표시된 연장 부분 (2b) 에서 H+또는 Ti3+로 교체된다. 연장 부분 (2b) 은 단결정 합성물의 나머지 부분 (2c) 보다 굴절 인덱스가 더 높으며, 도파로로 사용한다. 입사광 (L2) 은 연장된 부분 (2b) 또는 도파로를 따라 전파되어 다른 단부에서 방사된다.
광 도파로의 또다른 예가 도 3 에 도시되어 있다. 광 도파로는 박막 도파로로 분류되고, 액체 상태 에피텍시를 사용하여 성장된 활성 재료의 평면 도파로를 갖는다. 박막 도파로는 활성 재료에서 발생된 광학적으로 주입된 레이저 광/발진광의 에너지 밀도를 증가시키고, 따라서, 발진 한계 및 슬루프 효과 또는 입력 및 출력 특성을 개선시킨다.
1995년 발간된 광학 통신, 115 권의 491 에서 497 쪽의 "다이오드 주입되고 에피텍셜 성장된 Yb:YAG 도파로 레이저의 고 경사 효과 및 저 한계" 에서, D. Pelenc 외에 의해 개시된 박막 도파로 또는 광 도파로가 도 3 에 도시되어 있다. 해칭선으로 표시된 평면 도파로 (3a) 는 Yb-도핑된 YAG (3b 및 3c) 사이에 끼여진다. Al3+위치는 부분적으로 Ga3+로 대체되고, 활성 재료는 Yb 도핑된 YAG 기판 (3b) 상에서 에피텍셜 성장되어 평면 도파로 (3a) 를 형성한다. Ga3+를 가진 Yb 도핑된 YAG 는 평면 도파로 (3a) 상에 성장되고, 평면 도파로 (3a) 는 Yb 도핑된 YAG 층 (3c) 으로 덮혀진다.
여러 광학 장치가 개발되었으며, 몇몇의 광학 장치는 "음향 광학 장치" 로 알려져 있다. 광학 재료 및 음향파사이의 상호작용은 음향 광 효과로 알려져 있으며, 음향 광 효과는 광학 장치에 이용가능하다.
일본 특개평 제 50-143547 호에 개시된 전자 음향 소자와 유사한 광 편향 장치가 도 4 에 도시되어 있다. 광 편향 장치는 광학 재료의 블록 (4b) 에 부착된 전자 음향 변환기를 갖는다. 전자 음향 변환기 (4a) 는 초음파 (4c) 를 발생시킨다.
레이저 광 (L3) 은 블록 (4b) 상에 경사지게 입사되고, 블록 (4b) 을 통과하여 전파된다. 전송된 광 (L4) 은 블록 (4b) 으로부터 방사된다. 전자 음향 변환기 (4a) 가 초음파 (4c) 의 발생을 위해 구동될 때, 전자와 음향 양자사이의 반응으로 인한 초음파 (4c) 에 의해 브래그 반사 (bragg reflection) 가 발생한다. 전자 음향 변환기 (4a) 가 초음파 (4c) 의 주파수를 바꾼다면, 레이저광 (L3) 은 회절되어 L4' 로 표시된 바와 같이 블록 (4b) 으로부터 방사된다.
이 경우에, 음향파는 진행파로 적용된다. 음향파가 진행파로 사용되지 않는다면, 광자와 음향 양자사이의 상호작용이 회절을 발생시키기 때문에, 회절 세기는 극적으로 감소된다.
표면 음향파는 광학 재료에 또한 사용가능하다. 도 5 는 입사 레이저광 (L5) 의 스펙트럼 분포를 바꾸기 위한 광학 필터를 도시한다. 광학 필터는 일본 특개평 제 62-257133 호에 개시된 빗모양의 전자 음향 변환기를 가진 광 편향 장치와 유사하다. 필터는 광학 재료로 된 블록 (5a) 과, 블록 (5a) 상에 형성된 광 도파로 (5b) 와, 빗모양의 전자 음향 변환기 (5c) 를 포함한다. 빗모양의 전자 음향 변환기 (5c) 는 초음파 (5d) 를 발생시키고, 레이저 광 (L5) 은 초음파 (5d) 를 교차하는 방식으로 광 도파로 내로 전파된다. 레이저 광 (L5) 은 전송된 광 (L6) 으로서 측면에서 방사된다. 그러나, 레이저 광 (L5) 이 초음파 (5d) 에 의해 간섭될때, 초음파 (5d) 는 소정의 주파수 성분 (L6') 을 회절시킨다. 전자 음향 변환기 (5c) 가 초음파 (5d) 의 간격 (5d) 을 변화시킨다면, 필터는 회절된 주파수 성분을 바꾼다.
종래 기술의 광 도파로 장치는 제조 비용면에서 문제에 부딪힌다. 전술된 바와 같이, 광 도파로는 다른 부분보다 높은 굴절 인덱스를 필요로 하며, 높은 굴절 인덱스는 다른 재료들을 서로 결합시키고, 광학 재료의 소자를 또다른 소자로 교체시키며, 도팬트를 광학 소자로 분산시키거나 다른 에피텍시를 사용하여 성취된다. 이러한 변경 기술은 광학 재료의 일부상에서 수행되고, 마스킹 단계 및/또는 리소그라피는 선택적으로 변경하기 위해 필요하다. 이는 제조과정을 복잡하게 하는 결과를 낳는다. 복잡한 제조 과정은 예를 들면, 스퍼터링 장치, 박막 성장 장치, 에칭 장치, 세척 장치 및 어니일링 장치와 같은 여러 종류의 장치를 필요로 한다. 그러므로, 광 도파로를 가진 종래 기술의 광학 장치는 상당히 고가이다.
종래 기술의 광학 장치에 있는 두번째 문제점은 재생성이 나쁘다는 것이다. 광학 재료의 일부는 화학 반응을 통해서 고 굴절 인덱스 부분으로 변환되고, 여러 변수가 화학 반응을 좌우한다. 모든 한정 요소를 정확하게 제어하는 것은 불가능하다. 이런 이유로, 재생성이 나빠진다.
세 번째 문제점은 종래 기술의 광 도파로는 모든 광학 재료에서 형성될 수 없다는 것이다. 어떤 광학 재료는 굴절 인덱스를 넓게 변화시키지 않으며 또다른 광학 재료의 결정 구조는 선택적인 변경에 의해 파괴된다.
그러므로, 본 발명의 중요한 목적은 저가이며, 신뢰성있으며, 종래 기술의 광 도파로에서 사용불가능한 광학 재료로 형성되는 광 도파로를 가진 광학 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 성취하기 위해서, 본 발명은 음향 정상파를 사용하여 광학 재료의 굴절 인덱스를 부분적으로 변화시킬 것을 제안한다.
본 발명에 따라서, 광학 재료의 블록과, 블록내의 정상파로서 존재하는 음향파를 발생시키기 위한 하나이상의 음향파 발생기를 포함하는 광학 장치가 제공되고, 정상파는 음향 광 효과를 통해 블록의 일부의 굴절 인덱스를 변화시켜 블록내에 광 도파로를 형성시킨다.
본 발명에 따른 광학 장치의 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조로 한 하기 설명에 의해 더 명확히 이해될 것이다.
도 1 은 종래 기술의 광 화이버의 구조를 도시한 횡단면도.
도 2 는 LiNbO3의 단결정으로 형성된 종래 기술의 박막 도파로의 구조를 도시한 사시도.
도 3 은 액체 상태 에피텍시를 사용하여 형성된 평면 도파로를 가진 또다른 종래기술의 박막 도파로의 구조를 도시한 사시도.
도 4 는 음향 광 효과를 사용한 종래 기술의 광 편향장치의 구조를 도시한 사시도.
도 5 는 음향 광 효과를 사용한 종래 기술의 광 필터의 구조를 도시한 사시도.
도 6 은 본 발명에 따른 광학 장치의 구조를 도시한 사시도.
도 7 은 광학 장치내의 음향 정상파에 의해 형성된 굴절 인덱스의 분포를 도시한 그래프
도 8 은 본 발명에 따른 또다른 광학 장치의 구조를 도시한 사시도. 도 9 는 본 발명에 따른 광 편향장치의 구조를 도시한 사시도.
도 10 은 광 편향장치로 입사하는 레이저 광의 편향을 도시한 평면도.
도 11 은 본 발명에 따른 광 필터에 의해 성취된 주파수 필터링을 도시한 평면도.
도 12 는 종래 기술의 비선형 광학 소자의 구조를 도시한 사시도.
도 13 은 본 발명에 따른 비선형 광학 소자의 구조를 도시한 사시도.
도 14 는 본 발명에 따른 고체 레이저 발진기의 구조를 도시한 사시도.
도 15 는 본 발명에 따른 광학 스위치를 도시한 정면도.
도 16 은 광학 스위치의 준 1 차원 광 도파로를 도시한 정면도.
도 17 은 준 1 차원 광 도파로가 형성되지 않는 세그먼트를 도시한 사시도.
도 18 은 준 1 차원 광 도파로가 형성되는 또다른 세그먼트를 도시한 사시도.
도 19 는 본 발명에 의해 제조된 광학 스위치의 구조를 도시한 사시도.
*도면의 주요부분에대한 부호의 설명*
1a : 코어 1b : 클래드
L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8 : 광 2b : 연장 부분
3a, 5b, 5d :도파로 3b, 3c : Yb-도핑된 YAG
4a, 5c, 7b, 7c, 8b, 8c : 전자 음향 변환기 4b, 5a, 6a, 7a, 8a :블록
4c : 초음파 6d, 7e, 7g, 8e : 저 굴절 인덱스 부분
6c, 6d, 7d, 8d, 7f : 고 굴절 인덱스 부분 7h : 교차부
8f : 음향파
제 1 실시형태
도면의 도 6 을 참조로, 본 발명을 실시한 광학 장치는 광학 재료의 블록 (6a) 과 블록 (6a) 에 부착된 전자 음향 변환기 (6b) 를 포함한다. 전자 음향 변환기 (6b) 는 음향파를 발생시키고, 음향파는 블록 (6a) 내에 전파된다. 블록 (6a) 은 음향파의 파장의 배수와 같은 길이 (L0) 를 가지며, 정상파는 블록 (6a) 내에서 발생한다. 정상파는 안정 상태이며, 도 7 에 도시된 바와 같은 굴절 인덱스 분포를 형성한다. 도 7 의 L1 에서 L7 은 도 6 의 거리 L1 에서 L7 까지의 거리에 해당한다. 정상파는 해칭선으로 표시된 고굴절 인덱스 부분 (6c) 과 저 굴절 인덱스 부분 (6d) 을 주기적으로 번갈아 형성하고, 고 굴절 인덱스 부분 (6c) 은 블록 (6a) 에서 안정 상태이다. 고 굴절 인덱스 부분 (6c) 과 저굴절 인덱스 부분 (6d) 은 번갈아 박막화되고, 고 굴절 인덱스 부분 (6c) 은 평면 광 도파로에 사용가능하다.
광 (L7) 이 고굴절 인덱스 부분 (6c) 중 하나상에 입사될 때, 광 (L7) 은 고 굴절 인덱스 부분 (6c) 을 통과하여 전파되어, 다른 단부에서 방사된다.
굴절 인덱스의 분포는 모든 광학 재료에서 측정되고, 따라서, 본 발명에 따른 광학 장치에 사용되는 광학 재료에는 제한이 없다. 음향 광 효과로 인한 굴절 인덱스의 변화 delta-n 은 수학식 1 로 표현된다.
[수학식 1]
delta-n2= 1/2 (P2n6/rho v3) p
여기서, P 는 변형 광학 계수이며, n 은 굴절 인덱스이며, rho 는 밀도이며, v 는 음향 속도이며, p 는 음향파의 에너지이다.
(P2n6/rho v3) 은 메릿 M 의 수자로 알려져 있으며, 수학식 1 은 하기와 같이 다시 표현된다.
[수학식 2]
delta-n2= M x p x 1/2
여러 광학 재료에 대한 메릿 M 의 수자의 값은 예를 들면, Amnon Yariv 에 의한 "광학 전자학의 기본" 의 330 쪽에 나타나 있다. 이 수자의 값은 또한 Ogawa 외에 의한 "결정 물리학 및 공학" 에도 나타나 있다.
수학식 2 에서 알수 있듯이, 고 굴절 인덱스 부분 (6c) 과 저굴절 인덱스 부분 (6d) 사이의 굴절 인덱스의 차의 제곱은 메릿 M 의 수자와 음향파의 세기 p 의 곱에 비례하고, 메릿 M 의 수자가 큰 광학 재료는 고 굴절 인덱스 부분 (6c) 과 저 굴절 인덱스 부분 (6d) 사이의 굴절 인덱스 델타-n 의 큰 차이를 성취한다. 굴절 인덱스의 차가 10-3의 차수일 때, 고굴절 인덱스 부분 (6c) 은 평면 광 도파로에 사용가능하다. 광학 재료가 상대적으로 작은 수자의 메릿 M 을 갖더라도, 음향파의 큰 입력 전력은 10-3차수의 굴절 인덱스 델타-n 의 차를 성취한다.
예를 들면, 블록 (6a) 이 광학 스위치와 광 파장 변환 소자로 사용되는 LiNbO3로 형성된다면, 메릿 M 의 수자는 7.0 (x 10-18s3/g) 이다. 전자 음향 변환기 (6b) 가 1 kilo-watt/mm2에서 음향파를 공급한다면, 음향파의 에너지밀도는 1 x 109watt/m2= 1 x 1012g/s3이다. 수학식 2 에서, 이 값은 M 및 p 로 대체된다.
delta-n2= 1/2 x (7.0 x 10-18) x (1 x 1012)
그러므로, delta-n 은 1.8 x 10-3이고, 고 굴절 인덱스 부분 (6c) 은 평면 광 도파로에 이용가능하다.
한편, 블록 (6a) 이 광 편향장치에 사용가능한 PbMoO4또는 TeO2로 형성된다면, 메릿 M 의 수자는 PbMoO4에 대해 73 이며 TeO2에 대해 793 이다. 그러므로, 평면 광 도파로는 각각 100 watt 및 10 watt 의 음향파 에너지하에서 블록 (6a) 내에서 형성된다.
전술한 설명에서 알수 있는 바와 같이, 음향 정상파는 광 재료의 블록 (6a) 에서, 광 도파로로 사용하는 고 굴절 인덱스 부분과 저굴절 인덱스 부분 (6d) 을 번갈아 형성시키며, 소자의 선택적 교체 및 선택적 분산은 광 도파로에 필요하지 않다. 고굴절 인덱스 부분의 위치는 음향파의 파장과 길이 (L0) 에 의해 결정되고 재생가능하다. 이런 이유로, 본 발명에 따른 광학 장치는 저가이며 신뢰성있다. 마지막으로, 음향 광 효과는 모든 광학 재료에서 측정된다. 광학 재료가 비교적 작은 수자의 메릿을 갖더라도, 광 도파로는 전자 음향 변환기 (6b) 의 입력 전력을 증가시킴으로서 광학 재료내에 형성된다.
제 2 실시형태
도면의 도 8 로 돌아가서, 본 발명을 실시한 또다른 광학 장치는 광학 재료의 입방체 블록 (7a) 과, 서로 수직으로 입방체 블록 (7a) 의 두 표면에 부착된 전자 음향 변환기 (7b 및 7c) 를 포함한다. 전자 음향 변환기 (7b) 는 제 1 음향 정상파를 발생시키고, 제 1 음향 정상파는 제 1 음향 인덱스 부분 (7d) 이 제 1 저 굴절 인덱스 부분 (7e) 과 번갈아 나타나게 한다. 제 1 고굴절 인덱스 부분 (7d) 은 오른쪽에서 왼쪽으로 아래로 그려진 해칭선으로 표시된다. 한편, 다른 전자 음향 변환기 (7c) 는 제 1 음향 정상파의 방향과 수직 방향의 제 2 음향 정상파를 발생시킨다. 제 2 음향 정상파는 제 2 고굴절 인덱스 부분 (7f) 이 제 2 저굴절 인덱스 부분 (7g) 과 번갈아 나타나게 한다. 제 2 고굴절 인덱스 부분 (7f) 은 왼쪽에서 오른쪽으로 아래로 그려진 해칭선으로 표시된다.
제 1 고굴절 인덱스 부분 (7d) 과 제 2 고굴절 인덱스 부분 (7f) 은 두개의 해칭선으로 나타내어진 교차부 (7h) 를 형성하고, 교차부 (7h) 는 준 1 차원 광 도파로로 사용된다. 광 (L8) 이 준 1 차원 광 도파로 (7h) 중 하나로 입사할 때, 광은 분산없이 준 1 차원 광 도파로를 통과하여 전파되고, 다른 측면에서 방사된다.
입방체 블록 (7a) 이 광학 장치로 사용되더라도, 광학 장치는 변환기 (7b) 와 수직 방향으로 측정되는 한 길이와 다른 전자 음향 변환기 (7c) 와 수직 방향으로 측정되는 다른 길이가 같을 필요가 없다. 한 길이와 다른 길이는 파장의 배수와 서로 다른 파장의 또다른 배수와 같을 수 있다. 도 8 에 도시된 광학 장치는 또한 저가이며, 신뢰성있으며, 대부분의 광학 재료가 광학 장치에 사용가능하다.
실시예
도 7 에 도시된 광학 장치와 도 8 에 도시된 광학 장치는 본 발명에 따른 광학 장치의 두 종류의 기본 구조이다. 여러 종류의 광학 장치가 하기와 같은 두종류의 기본 구조를 바탕으로 제조된다.
실시예 1
광 편향장치가 도 9 및 10 에 도시되어 있다. 광 편향장치는 광학 재료의 블록 (8a) 과 블록 (8a) 의 상부면에 부착된 제 1 전자 음향 변환기 (8b) 및, 블록 (8a) 의 측면에 부착된 제 2 전자 음향 변환기 (8c) 를 포함한다. 제 1 전자 음향 변환기 (8b) 는 제 1 음향파를 발생시키며, 제 1 음향파는 블록 (8a) 에 공급된다. 블록 (8a) 은 제 1 음향파의 여러 파장과 같은 높이를 가지며, 정상파는 높이 방향으로 발생한다. 정상파는 블록의 굴절 인덱스를 주기적으로 바꾸고 고굴절 인덱스 부분 (8d) 은 저굴절 인덱스 부분 (8e) 과 번갈아 나타난다. 고굴절 인덱스 부분 (8d) 은 해칭선으로 표시된다.
제 2 전자 음향 변환기 (8c) 는 평면 광 도파로로 사용하는 고굴절 인덱스 부분 (8d) 중 하나와 정렬되어, 제 2 음향파 (8f) 를 발생시킨다. 진행파는 정상파의 방향과 수직 방향으로 발생한다. 레이저광 (L9) 이 평면 광 도파로 (8d) 로 입사할 때, 레이저광 (L9) 은 평면 광 도파로 (8d) 를 통해서 전파되고, 레이저 광 (L10) 은 다른 측면에서 방사된다. 그러나, 제 2 전자 음향 변환기 (8c) 가 제 2 음향파의 주파수를 바꿀 때, 진행파는 브래그 반사로 인해 레이저광 (L9) 이 방향을 바꾸도록 하고, 레이저광 (L10') 은 도 10 에 도시된 바와 같이 다른측으로부터 방사된다.
본 발명자는 PbMoO4의 블록 (8a) 을 형성하고, 제 1 및 2 전자 음향 변환기 (8b 및 8c) 는 도 9 및 10 에 도시된 바와 같이 블록 (8a) 의 상부면과 측면에 부착된다. 제 1 전자 음향 변환기 (8b) 는 30 MHz 에서 제 1 초음파를 발생시키고, 파장은 100 미크론이다. 블록 (8a) 의 높이는 100 미크론의 배수로 조절되고, 굴절 인덱스의 분포는 100 미크론의 간격으로 반복된다.
본 발명자는 하기의 현상을 확인했다. 제 2 전자 음향 변환기 (8c) 가 이상적이라면, 입사 레이저광 (L9) 은 직선으로 진행하고, 레이저광 (L10) 은 다른측에서 방사된다. 브래그 조건이 만족되면, 입사 레이저광 (L9) 은 편향되고, 레이저광 (L10') 은 다른측에서 방사된다.
실시예 2
본 발명에 따른 광학 주파수 필터는 도 9 에 도시된 광 편향장치와 구조가 유사하고, 도 11 에 도시된 바와 같이, 광학 재료의 블록 (9a) 과, 블록 (9a) 의 상부면에 부착된 제 1 전자 음향 변환기 (9b) 및, 블록 (9a) 의 측면에 부착된 제 2 전자 음향 변환기 (9c) 를 구비한다. 블록 (9a) 의 높이는 제 1 전자 음향 변환기 (9b) 에 의해 발생된 음향파의 파장의 배수와 같다. 그러므로, 음향파는 음향 정상파로서 존재하고, 음향 정상파는 블록 (9a) 내에 고굴절 인덱스 부분과 저굴절 인덱스 부분을 형성시킨다. 고굴절 인덱스 부분은 저굴절 인덱스 부분과 번갈아 나타나고, 제 2 전자 음향 변환기 (9c) 는 광 도파로로 사용되는 고굴절 인덱스 부분중 하나와 정렬된다. 제 2 전자 음향 변환기 (9c) 는 초음파를 발생시키고, 초음파는 진행파 (9d) 로서 존재한다.
파장이 다른 광 성분이 광 빔 (L10) 을 형성한다고 가정하면, 광 빔 (L10) 은 광 도파로로 입사되고, 광 도파로를 따라 전파된다. 광 성분은 브래그 조건을 만족시키고, 도트-앤-대시 선 (L11) 으로 표시된 것처럼 회절된다. 그러나, 다른 광 성분 (L11') 은 브래그 조건을 만족시키지 않고, 다른 측에서 방사된다.
본 발명은 도 11 에 도시된 광 주파수 필터를 제조하고, 블록 (9a) 은 MoPbO4로 형성된다. 본 발명자는 진행파의 주파수를 바꾸고 회절된 광 성분 (L11) 의 파장을 측정한다. 본 발명자는 회절된 광 성분 (L11) 이 브래그 조건을 만족시킨다는 것을 확인했다.
실시예 3
본 발명은 비선형 광 도파로에 적용된다. 비선형 광학 재료는 파장 변환 장치에 사용가능하다. 입사 레이저광의 에너지 밀도를 증가시킬때, 변환 효과는 증가된다. 이런 이유로, 입사 레이저광 (L12) 은 렌즈 장치 (미도시) 를 사용하여 보통 초점이 맞추어지고, 높은 에너지 밀도 영역 (10a) 이 비선형 광 도파로 (도 12 에 도시되어 있음) 내에 형성된다. 그러나, 다른 영역은 에너지 밀도가 높지 않다. 이는 비선형 광 도파로의 작은 부분만이 파장 변환기에 사용되는 결과를 낳는다.
각 위상 매칭 기술이 사용될 때, 각의 배치 불량이 발생하고, 각 AGL1 은 기본파와 고조파의 위상을 다르게 한다. 이런 이유로, 입사 레이저 광 (L12) 은 평행광으로 전파되는 것이 바람직하다.
도 13 은 비선형 광학 재료로 형성되며, 본 발명을 실시한 파장 변환 장치를 도시한다. 파장 변환 장치는 비선형 광학 재료의 블록 (11a) 과, 블록 (11a) 의 상부면에 부착된 제 1 전자 음향 변환기 (11b) 및, 블록 (11a) 의 측면에 부착된 제 2 전자 음향 변환기 (11c) 를 포함한다.
비선형 광학 재료 (미도시) 의 본체는 모서리의 위상 매칭 조건하에서 블록 (11a) 으로 절단된다. 제 1 전자 음향 변환기 (11b) 는 제 1 음향파를 발생시키고, 블록 (11a) 은 제 1 음향파의 파장의 배수와 같은 높이를 갖는다. 제 2 전자 음향 변환기 (11c) 는 또한 제 2 음향파를 발생시키고, 블록 (11a) 은 제 2 음향파의 파장의 또다른 배수와 같은 넓이를 갖는다. 제 1 음향파는 제 1 정상파로서 존재하고, 높은 굴절 인덱스 부분과 낮은 굴절 인덱스 부분은 높이 방향으로 번갈아 형성된다. 유사하게, 제 2 음향파는 제 2 정상파로서 존재하고, 높은 굴절 인덱스 부분은 넓이 방향으로 열 굴절 인덱스 부분과 번갈아 형성된다. 제 1 정상파로 인한 높은 굴절 인덱스 부분은 도 13 의 오른쪽에서 왼쪽까지 아래로 그려진 해칭선으로 표시된다. 한편, 제 2 정상파로 인한 높은 굴절 인덱스 부분은 도 13 의 왼쪽에서 오른쪽까지 아래로 그려진 해칭선으로 표시된다. 제 1 정상파로 인한 높은 굴절 인덱스 부분은 제 2 정상파로 인한 높은 굴절 인덱스 부분과 교차되고, 교차부는 준 1 차원 광 도파로로 사용된다.
렌즈 장치 (미도시) 가 레이저 광 빔 (L13) 의 초점을 준 1 차원 광 도파로중 하나에 맞춘다고 이제 가정하면, 준 1 차원 광 도파로는 분산없이 레이저 빔 (L13) 을 전파하고, 레이저 빔 (L13) 은 준 1 차원 광 도파로내의 평행광으로 추측된다. 그러므로, 레이저빔 (L13) 은 준 1 차원 광 도파로에 대해 높은 에너지 밀도를 유지하고, 레이저 빔 (L13) 의 파장은 다른 파장을 가진 광 빔 (L14) 으로 효과적으로 변환된다.
본 발명자는 도 13 에 도시된 광 파장 변환기를 제조했다. 블록 (11a) 은 Li2B4O7으로 형성된다. Li2B4O7은 자외선 영역까지 파장을 변환시킬 수 있다. 파장 변환기는 532 밀리미터의 YAG 레이저의 제 2 고조파를 266 밀리미터의 FHG 광으로 변환시킬 것으로 예상되며, Li2B4O7의 본체는 각 위상 매칭을 위해 AGL1=45 도에서 절단된다. 제 1 전자 음향 변환기 (11b) 와 제 2 전자 음향 변환기 (11c) 는 블록 (11a) 의 상부면 및 측면에 결합된다. 제 1 전자 음향 변환기 (11b) 및 제 2 전자 음향 변환기 (11c) 는 스퍼터링을 사용하여 상부면 및 측면에 부착될 수 있다.
음향 속도는 Li2B4O7의 결정에서 초당 5000 미터이고, 제 1 및 제 2 전자 음향 변환기 (11b/11c) 는 5 MHz 에서 발진한다. 그후에, 굴절 인덱스의 변화가 100 미크론의 간격으로 발생한다. 제 1 및 제 2 전자 음향 변환기 (11 b 및 11c) 는 제 1 및 제 2 음향파의 발생동안 1 kilo-watt 로 구동된다. 높은 굴절 인덱스 부분은 저굴절 인덱스 부분보다 굴절 인덱스가 3 에서 10 만큼 더 크다.
본 발명자는 또한 도 12 에 도시된 종래 기술의 광 파장 컨버터를 제조했다. 동일한 비선형 광학 재료가 사용되고, 종래 기술의 광 파장 변환기는 또한 YAG 레이저의 제 2 고조파를 FAG 광 빔으로 변환시킬 것으로 또한 예상된다.
렌즈 장치 (미도시) 는 도 12 및 13 에 도시된 바와 같이 YAG 레이저 소스 (미도시) 와 광 파장 변환기 사이에 제공되고, 100 밀리미터의 초점 길이를 갖는다. 입사 레이저 빔 (L13) 은 초점에서 50 미크론의 직경을 갖는다.
YAG 레이저 소스는 10 Hz 의 레이저광을 방사하고, 532 nanometer 의 제 2 고조파의 전력은 평균적으로 10 nano-second 동안 8 milli-watt 이다. 본 발명에 따른 광 파장 변환기는 1 micro-watt 에서 266 nanometer 파장의 FHG 광 빔을 방사한다. 한편, 종래 기술의 광 파장 변환기는 100 micro-watt 에서 FHG 광 빔을 방사한다. 그러므로, 본 발명에 따른 광 파장 변환기는 종래 기술의 광 파장 변환기의 변환 효과보다 10 배 큰 높은 변환 효과를 성취한다.
본 발명자는 또한 또다른 비선형 광학 재료의 광 파장 변환기를 제조했으며 변환 효과의 개선을 확인했다.
실시예 4
레이저 다이오드가 광 주입을 통해서 여기되는 동안, 광 공진기는 여기되고/발진된 광의 에너지 밀도를 증가시킨다. 에너지 밀도의 증가는 발진 한계의 감소와, 경사 효과의 증가로 귀결된다. 특히, 3 레벨 레이저 발진의 경우에, 발진 한계가 높기 때문에, 이러한 현상은 감지된다.
도 14 는 본 발명을 실시한 레이저 발진을 도시한다. 레이저 발진기는 Yb 도핑된 YVO 의 블록 (12a) 과, 블록 (12a) 의 상부면에 부착된 전자 음향 변환기 (12b) 및 레이저 다이오드/발진된 레이저 광을 위한 Ar 코팅/HR 코팅 (12c) 을 포함한다. Yb 도핑된 YVO4는 3 레벨 레이저 발진 재료이고, 높은 발진 한계를 가지며, Yb 는 900 nanometer 파장의 광 성분을 흡수한다.
음향 속도는 YVO4의 결정에서 초당 5000 미터이고, 전자 음향 변환기 (12b) 는 100 MHz 의 음향파를 발생시킨다. 블록 (12a) 은 음향파의 파장의 배수와 같은 높이를 갖는다. 음향파는 정상파로 존재하고, 고 굴절 인덱스 부분 (12b) 과 저굴절 인덱스 부분 (12e) 은 블록 (12a) 에서 번갈아 나타난다. 고굴절 인덱스 부분 (12d) 은 해칭선으로 표시되고, 50 미크론 두께의 광 도파로로 사용된다. 발진된 광 (L16) 의 일부는 출력 미러 (13) 를 통해서 반대쪽면으로부터 받아들여진다.
레이저 다이오드가 여기된 레이저광 (L15) 을 고 굴절 인덱스 부분 (12d) 중 하나에 방사할 때, 여기된 레이저 광/발진된 레이저 광 (L15/L16) 은 고 굴절 인덱스 부분 (12d) 내에 제한되어, 에너지 밀도를 증가시킨다. 레이저 발진기는 계속해서 발진되고, 흡수 효과와 발광 효과는 개선된다.
본 발명자는 여기 설명된 레이저 발진기를 제조했으며, 레이저 다이오드는 500 milli-watt 에서 여기된다. 레이저 발진기는 50 milli-watt 의 1.03 미크론 발진 광의 출력을 성취한다.
본 발명자는 다른 레이저 재료를 사용하여 동일한 효과를 확인했다.
실시예 5
도 15 는 본 발명을 사용한 광학 스위치를 도시한다. 광학 스위치는 광학 재료의 블록 (13a) 과, 블록 (13a) 의 상부/하부면에 부착된 제 1 전자 음향 변환기 (13b1/13b1', 13b2/13b2', 13b3/13b3' 및 13b4/13b4') 및, 블록 (13a) 의 측면에 부착된 제 2 전자 음향 변환기 (13c1/13c1', 13c2/13c2', 13c3/13c3' 및 13c4/13c4') 를 포함한다. 블록 (13a) 의 치수는 제 1 및 제 2 전자 음향 변환기 (13b1/13b1' 에서 13b4/13b4'까지) 와 제 2 전자 음향 변환기 (13c1/13c1' 에서 13c4/13c4'까지) 가 서로 수직인 방향으로 정상파를 발생시키도록 조절된다. 제 1 및 제 2 전자 음향 변환기 (13b1/13b1' 에서 13b4/13b4'까지) 와 제 2 전자 음향 변환기 (13c1/13c1' 에서 13c4/13c4'까지) 는 도 16 에 도시된 바와 같이 블록 (13a) 내에 세그먼트 매트릭스 SG11, .. , SG14, ... 및 SG44 를 형성하고, 각각의 세그먼트 (SG11 에서 SG44) 는 블록 (13a) 의 정면에서 후면사이에 뻗어있다. 고굴절 인덱스 부분은 세그먼트 SG11 에서 SG44 까지의 중앙선으로 정렬되고, 준 1 차원 광 도파로는 세그먼트 SG11 에서 SG44 까지에서 선택적으로 형성된다.
제 1 전자 음향 변환기 (13b2) 와 제 2 전자 음향 변환기 (13c3') 가 정상파를 발생시키기 위해 구동될 때, 제 1 전자 음향 변환기 (13b2) 와 제 2 전자 음향 변환기 (13c3') 는 오른쪽에서 왼쪽까지 아래로 그려진 해칭선으로 표시된 고굴절 인덱스 부분과 왼쪽에서 오른쪽까지 아래로 그려진 해칭선으로 표시된 고굴절 인덱스 부분을 형성시키고, 준 1 차원 광 도파로는 세그먼트 SG32 에서 형성한다.
준 1 차원 광 도파로가 세그먼트 SG32 에서 형성되지 않으면, 세그먼트 SG32 상에 초점이 맞추어진 입사 레이저 광 빔 (L17) 은 도 17 에 도시된 바와 같이 분산되고, 레이저 광 빔 (L17) 은 다른 단부에서 방사되지 않는다. 한편, 준 1 차원 광 도파로 (13d) 가 세그먼트 SG32 에서 형성되면, 레이저 빔 (L17) 은 준 1 차원 광 도파로 (13d) 를 통해서 전파되고 도 18 에 도시돤 바와 같이 다른 단부에서 방사된다.
본 발명자는 도 19 에 도시된 광학 스위치를 제조했다. 블록 (13a) 은 Te 유리로 형성된다. Te 유리는 30 차수의 메릿의 큰 음향 광학 수자를 가지며, 광학적으로 등방성이다. 블록 (13a) 은 4 밀리미터 x 4 밀리미터로 측정되는 정면 및 후면을 가지며, 정면은 후면과 30 밀리미터의 간격을 두고 떨어져 있다. 음향 속도는 Te 유리내에서 초당 3400 미터이며, 제 1 전자 음향 변환기 (13b1/13b1' 에서 13b4/13b4') 와 제 2 전자 음향 변환기 (13c1/13c1' 에서 13c4/13c4') 는 3.4 MHz 에서 구동된다. 준 1 차원 광 도파로는 1 평방 밀리미터의 세그먼트 SG11 에서 SG44 까지에서 선택적으로 형성된다.
마이크로 렌즈 장치 (미도시) 는 레이저 다이오드 (미도시) 와 광학 스위치사이에 제공되고, 마이크로 렌즈 장치는 레이저 광을 세그먼트 SG11 에서 SG44 까지의 중앙 영역상에 초점을 맞춘다. 본 발명자는 4 x 4 광학 스위치의 스위칭 동작을 확인했다.
본 발명의 특정예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 이론과 범위에서 벗어나지 않은 다양한 변화 및 변경이 본 기술분야의 당업자들에 의해 행해질 수 있음은 분명하다.
예를 들면, 전자 음향 변환기의 수는 예에서와 다를 수 있으며, 제 1 에서 제 5 까지의 예는 본 발명에 따른 광학 장치의 치수를 제한하지 않는다.
전술한 설명에서 알수 있는 바와 같이, 음향 정상파는 광 재료의 블록 (6a) 에서, 광 도파로로 사용하는 고 굴절 인덱스 부분과 저굴절 인덱스 부분 (6d) 을 번갈아 형성시키며, 소자의 선택적 교체 및 선택적 분산은 광 도파로에 필요하지 않다. 고굴절 인덱스 부분의 위치는 음향파의 파장과 길이 (L0) 에 의해 결정되고 재생가능하다. 이런 이유로, 본 발명에 따른 광학 장치는 저가이며 신뢰성있다. 마지막으로, 음향 광 효과는 모든 광학 재료에서 측정된다. 광학 재료가 비교적 작은 수자의 메릿을 갖더라도, 광 도파로는 전자 음향 변환기 (6b) 의 입력 전력을 증가시킴으로서 광학 재료내에 형성된다.

Claims (11)

  1. 광학 재료의 블록 (6a; 7a; 8a; 9a; 11a; 12a; 13a) 과, 상기 블록내에 음향파를 발생시키기 위한 하나이상의 음향파 발생기 (6b; 7b; 8b; 9b; 11b; 12b; 13b1/13b1'-13b4/13b4') 를 포함하는 광학 장치에 있어서,
    상기 음향파은 정상파로서 존재하여, 음향 광 효과를 통해 상기 블록의 일부 (6c; 7d; 8d; 12d; 13d) 의 굴절 인덱스를 바꾸어, 상기 블록내에 광 도파로를 형성시키는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 광학 재료의 상기 블록 (6a; 7a; 8a; 9a; 11a; 12a; 13a) 은 상기 정상파와 평행한 방향으로 측정되는 길이를 가지며, 상기 길이는 상기 음향파의 파장의 배수인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광 도파로 (6c: 8d) 는 상기 정상파에 실제로 수직한 평면 광 도파로인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 진행파로서 존재하는 또다른 음향파를 발생시키기 위해 또다른 음향파 발생기 (8c; 9c) 를 추가로 포함하며,
    상기 진행파는 상기 평면 광 도파로를 통과하여 전파되어 입사광 (L9; L10) 을 편향시키는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 입사광 (L10) 은 서로 파장이 다른 복수의 광 성분을 포함하고, 상기 진행파는 브래그 조건하에서 상기 복수의 광 성분 (L11) 을 선택적으로 편향시키는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 블록 (11a) 은 비선형 광학 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 정상파의 방향과 수직 방향으로 상기 블록내에 또다른 정상파로서 존재하는 또다른 음향파를 발생시키기 위해 또다른 음향파 발생기 (11c) 를 추가로 구비하며,
    상기 정상파와 상기 또다른 정상파는 상기 정상파와 상기 또다른 정상파가 둘다 상기 굴절 인덱스를 증가시키는 상기 블록의 부분에서 하나이상의 준 1 차원 광 도파로를 형성하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 블록 (11a) 은 각 위상 매칭 조건하에서 상기 비선형 광학 재료의 본체에서 절단되고, 상기 준 1 차원 광 도파로는 입사 레이저광 (L13) 을 상기 입사 레이저 광과 파장이 다른 또다른 광 빔 (L14) 으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 재료는 레이저 발진에 이용가능하고, 여기된 레이저 광과 발진된 레이저 광의 에너지 밀도를 증가시키기 위해 코팅막 (12c) 은 상기 블록에 부착되어 그의 외측으로부터 공급된 여기된 레이저 광 (L15) 을 상기 광 도파로 (12d) 내로 제한하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 광학 재료는 Yb 도핑된 YVO4인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 음향파를 발생시키기 위해 독립적으로 구동되는 복수의 제 1 음향 보조 발생기 (13b1/13b1'-13b4/13b4') 는 조합하여 상기 하나이상의 음향파 발생기를 형성하며,
    상기 광학 장치는 상기 블록내의 상기 정상파와 수직한 또다른 정상파가 존재하는 또다른 음향파를 발생시키기 위해 독립적으로 구동되는 복수의 제 2 음향 보조 발생기 (13c1/13c1'-13c4/13c4') 를 추가로 포함하며,
    상기 복수의 제 1 음향 보조 발생기와 상기 복수의 제 2 음향 보조 발생기는 세그먼트 매트릭스 (SG11-SG44) 를 하나이상의 준 1 차원 광 도파로가 선택적으로 형성되는 상기 블록내에 형성하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
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