KR100293295B1

KR100293295B1 - 2차비선형광학재료를제조하는방법,이방법에의해얻어진재료및이재료를포함하는광변조장치

Info

Publication number: KR100293295B1
Application number: KR1019980010738A
Authority: KR
Inventors: 히사시 미네모토; 노부키 이토; 다이스케 이시코; 사토시 이시즈카
Original assignee: 모리시타 요이찌; 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2001-07-12
Also published as: EP0881528A3; US6215576B1; EP0881528A2; EP0881528B1; JPH10325969A; JP4097763B2; DE69830099D1; KR19980080785A; DE69830099T2

Abstract

제2차 비선형 광학재료는 서로 다른 제1방향과 제2방향으로부터 자극된 유리본체를 구비하여 이 유리본체가 상기 제1방향과 상기 제2방향에 실질적으로 수직한 제3방향으로 전파된 비임에 대해 약간의 복굴절을 나타내어 상기 유리본체는 SiO₂의 주비(major proportion)와 게르마늄의 보조비(minor proportion)를 포함한다. 재료를 제조하고 이 재료를 포함하는 광변조장치가 설명되어 있다.

Description

2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법, 이 방법에 의해 얻어진 재료 및 이 재료를 포함하는 광변조장치{METHOD FOR MAKING A SECOND-ORDER NONLINEAR OPTICAL MATERIAL, THE MATERIAL OBTAINED BY THE METHOD, AND AN OPTICAL MODULATION DEVICE COMPRISING THE MATERIAL}

본 발명은 제2차 비선형 광학효과를 지니고 비임의 전송방향을 따라 거의 복굴절(birefringence)을 나타내지 않는 제2차 비선형 광학재료에 관한 것이고, 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기광학소자(electrooptic element)로서 전기장(전압)의 변동을 측정하는데 유용하고, 또는 전기통신용 광학스위치로서 그리고 위상 또는 기타 변조기 및 온도변조기 등으로서 비선형 광학재료를 포함하는 광학변조소자에 관한 것이다.

광학변조소자로 이용되는 공지된 제2차 비선형 광학재료는, 예를 들어, LiNbO₃(이하, LN이라고 함), Bi₁₂SiO₂₀(지금부터 BSO라고 함), Bi₁₂GeO₂₀(지금부터 BGO라고 함), Bi₄Ge₃O₁₂등의 광학결정을 포함한다. "광학섬유센서"(published by Ohm Co., Ltd, and edited by Takayosi Ohkoshib (1986), pp.149∼153)에 따르면, 이들 비선형 광학재료를 이용한 광변조장치는 광통신시스템 및 고전압을 측정하는 광섬유센서로서 개발되어 왔다.

최근에, 광섬유센서에 이용되는 광학소자의 수를 감소하기 위해 렌즈와 거울이 센서로부터 제거되고 대신 자기광학소자(magnetooptic element) 또는 전기광학소자가 광섬유의 광로에 조립된 형태의 광섬유센서에 대한 연구가 이루어지고 있었다. 예를 들면, 센서의 이러한 형태는 일본 특개평5-297086호, 6-74979호 및 8-219825호에 개시되어 있다. 매우 최근에, 광섬유가 분극(pole)될 때, 제2차 비선형 광학효과가 발생한다는 것이 알려졌다. 분극된 광섬유를 이용하는 광변조장치는, 예를 들어, A.C. Liu et al in Opt. Lett. Vol.19 pp.466∼468 (1994), T.Fujiwara et al in IEEE Photonics Lett. Vol.7, pp.1177 to 1179 (1995), 그리고 일본 특개평9-230293호에서 설명되는 바와 같이 만들어진다.

그러나, 예를 들어, 큰 자연복굴절(spontaneous birefringence)을 지닌 Ln이 사용되는 광섬유센서를 포함하는 광변조장치에 있어서, 축편향각(angle of axial deviation)을 약 0.1∼0.2 또는 그 이하로 되도록 입력비임을 제어해야 한다. 이것은 비임의 입사각이 축방향으로 편향되는 경우, 다음과 같은 두 개의 문제점을 지니고 있기 때문이다.

(1) 입사비임을 결정의 주축(principal axis)으로부터 편향시킴으로써 야기된 자연복굴절은 전기광학효과(electrooptic effect)에 의해 야기된 복굴절보다 커져서, 그 결과 변조도(modulation degree)가 소정의 값으로부터 크게 변한다.

(2) 자연복굴절 및 비선형 광학상수(전기광학상수)의 온도 의존성으로 인해 변조도가 온도특성에 크게 의존한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 자연복굴절이 대체로 없는 결정을 사용하는 것이 있을 수 있다. 복굴절을 거의 나타내지 않는 공지된 비선형 광학재료 또는 결정은 BGO, BSO, Bi₄Ge₃O₁₂등을 포함한다. 그러나 BGO 및 BSO 모두는 선광성(optical rotary power)(즉, 편광면이 결정의 길이에 비례하여 회전하게 되는 효과)을 지녀서 결정길이가 크게 만들어질 수 없고, 비임의 변조도가 임의로 설정될 수 없고, 위에서 언급한 T. Ohkoshi씨의 "광섬유센서"에서 설명했듯이 변조도가 충분히 증가될 수 없다는 문제를 안고 있다. 한편, Bi₄Ge₃O₁₂는 바람직하지 않게도 고온에서 DC드리프트(drift)를 수반하므로, 광변조기로 이용될 때 이러한 재료는 안정한 온도특성을 보장하지 못한다. 이것은 특히, 예를 들어, O. Kamada(Appl. Phys. Vol. 32 (1993), pp.4288∼4291)에 의해 기술되어 있다.

통상의 전기광학소자가 광섬유에 위치적으로 설정된 형태의 광섬유센서에서는 어떠한 렌즈도 사용되지 않는다. 여기서, 축편향각에 대한 작은 허용범위를 지닌 LN이 전기광학소자로서 사용되는 경우에, 바람직하지 않게도 결과적인 장치의 성능은 온도에 크게 의존한다는 문제가 발생한다. 대안적으로, 액정이 이용되면 응답속도가 매우 낮게 되고 전압의 갑작스런 변경이 정확히 측정될 수 없고, 액정이 저온에서 이용될 때 응고될 수도 있다는 문제점이 내포되어 있다.

광섬유의 일부가 분극되고 전기광학소자로 이용되는 경우에, LN 결정이 전기광학소자로서 이용되고 입사비임이 광축(Z축)으로부터 편향되는 센서의 경우에 경험하는 문제가 있었다. 특히, 광섬유가 부분적으로 분극되면, 비선형 광학효과(전기광학효과)뿐만 아니라, 굴절률의 이방성(anisotropy)(자연복굴절)이 발생한다. 이러한 분극된 섬유가 광섬유센서에 이용될 때는, 의도한 특성을 지닌 광섬유센서를 얻기가 어렵다. 이러한 문제는 유전주축(principal dielectric axis) 중 하나의 전기광학효과를 기반으로 한 굴절률의 변화가 이용되는 공지의 광변조기에서는 발생하지 않으며, 사실상 인식되지 않고 있다.

예를 들어, 일본 특개평9-230293호에서 제안된 광변조기에서는, 전기광학효과만이 고려되고, 자연복굴절을 이용하는 광학장치는 언급되어 있지 않다. 따라서, 결과적으로 변조기는 나쁜 선형성(linearity)을 지닌다. 이 경우에, 전극에 끼우기위해 두 개의 구멍이 광섬유의 클래드부(clad portion)에 형성되어 있다. 그 결과, 광섬유의 단면구조의 이방성에 기인하는 그리고 분극처리(poling treatment)에 따라 발생된 자연복굴절보다 매우 큰 자연복굴절이 발생된다. 이러한 광섬유는 소위 "편광보존섬유(polarization preserving fiber)"로서의 기능을 가지며, 유전주축(principal dielectric axis)(즉, 두 쌍의 구멍을 연결하는 직선 및 그 선에 수직한 방향) 이외의 부분으로부터 입력된 비임의 편광상태는 매우 불안정하게 된다. 이러한 광섬유가 변화하는 온도조건에 있거나 이 광섬유에 외부압력이 가해지면, 비임의 편광상태가 크게 변화한다. 이러한 광섬유가 전기광학소자로 이용되고, 유전주축과 다른 편광방향을 지닌 비임이 광섬유에 입력되면, 온도를 변화함으로써, 예를 들면, 섭씨로 수도까지만 변경함으로써 변조도는 크게 변화한다. 따라서, 전기광학소자는 매우 온도특성이 나쁘고 왜곡률(distortion rate)이 크다.

본 발명의 목적은 간단한 방법으로 비임의 전파방향을 따라 거의 또는 전혀 복굴절을 나타내지 않는 2차 비선형 광학재료를 만드는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 비임의 전파방향에 대한 각도의 허용범위가 큰 광변조기 또는 광섬유전압(전기장)센서를 제조하는 데 유용한 2차 비선형 광학재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 편광에 대한 입력비임의 의존성이 거의 또는 전혀 없는 광변조기 또는 광위상변조기(optical phase modulator)를 제조하는데 유용한 2차 비선형 광학재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 위에서 언급한 형태의 광변조기장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 Bi₄Ge₃O₁₂결정과 같은 공지된 광학적 등방성 결정을 이용하는 장치에 내포된 문제들 중 하나였던 DC 드리프트에 대한 문제가 없는 광변조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 서로 상이한 제1방향 및 제2방향으로부터 분극된 유리본체를 포함하여, 상기 유리본체는 제1방향 및 제2방향 각각에 대체로 수직인 제3방향으로 전파되는 비임에 대해 거의 복굴절을 나타내지 않으며, 유리본체는 SiO₂를 포함하는 합성물로 되어 있는 2차 비선형 광학재료에 의해, 위 목적들이 달성될 수 있다.

바람직하기로는, 제1방향 및 제2방향이 90°±10°의 범위내에서 서로 대략 직각으로 교차하도록 유리본체는 분극되어 있다. 또한, 제3방향은 90°±10°의 범위내에서 제1 및 제2방향에 대략 직각으로 교차하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,

SiO₂를 포함하는 유리합성물로 만들어지는 유리본체를 제공하는 단계와;

유리본체가 제1방향과 제2방향 각각에 대략 수직한 제3방향으로 전파되는 비임에 대해 거의 복굴절을 나타내지 않도록, 제1방향으로부터 유리본체가 분극되게 한 다음 제2방향으로부터 분극되게 하기에 충분한 전기장을 인가함으로써 상기 유리본체에 분극처리를 하는 단계를 포함하는 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법이 제공된다.

선형적으로 편광된 비임이 제3방향을 따라 전달되고 전달된 비임의 편광면이 제1 또는 제2방향에 대하여 45°의 각도로 설정될 때 전달된 비임이 선형적으로 편광된 비임으로 구성될 때까지, 제1방향 또는 제2방향을 따라 분극이 반복되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 방법에 의해 얻어진 2차 비선형 광학재료가 또한 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 위에 형성된 유리본체와, 상기 본체의 양쪽에 서로 떨어지게 부착된 한 쌍의 전극을 포함하는 광변조장치가 제공되며, 상기 변조기는 광위상변조기로 작용한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 편광자(polarizer), 전기광학소자 및 검광자(analyzer)를 이러한 순서로 순차적으로 배열하여 이루어지는 광변조유닛을 포함하여, 편광자, 전기광학소자 및 검광자의 광축이 정렬되는 광변조장치가 제공되며, 이 전기광학소자는 앞서 형성된 유리본체로 구성되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 비임을 반으로 나눌 수 있는 제1반거울(half mirror)과 이들 반중에 하나를 변조한 후 반을 결합할 수 있는 제2반거울을 갖는 거울계와, 상기 반중에서 하나를 변조하기 위해 상기 거울계에 조립된 전기광학소자를 포함하는 광변조장치가 제공되어 있으며, 이 전기광학소자는 앞서 형성된 유리본체로 만들어져서, 비임이 제1반거울을 경유하여 편광 후 통과할 때 상기 광변조장치는 간섭계(interferometer)로 작용하고, 상기 비임은 제1반거울에 의해 반으로 나누어지며, 반중에서 하나는 전기광학소자로 통과되고, 상기 소자에서 전기광학적으로 변조되고, 나머지 반과 결합되어 수광소자(light-receiving element)에 통과된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광섬유, 상기 광섬유를 고정하기 위한 홈을 갖는 기판 및, 편광자와 전기광학소자와 검광자를 이러한 순서로 순차적으로 배열하여 이루어지며, 광섬유의 광경로에 상기 홈에 수직으로 만들어진 적어도 하나의 홈에 설치된 변조유닛을 포함하는 광변조장치가 제공되며, 상기 전기광학소자는 앞서 형성된 유리본체로 만들어진다.

편광자, 전기광학소자 및 λ/4판을 지니거나 지니지 않은 검광자가 일체로 결합되거나, 이들 소자의 광학축이 적절히 조정되면 그들 사이에 간격이 두어지도록 별도로 제공될 수 있다. 전자의 경우, 소자들을 설치하는데 하나의 홈만으로 충분하다. 후자의 경우에는, 편광자, 전기광학소자 및 검광자를 각각 수용하기 위해 3개의 홈이 광섬유에 형성되어 있다.

바람직하게는, 광섬유가 의도하는 형태로 형성되어 있다. 보다 구체적으로, 광섬유는 변조유닛이 적절한 위치에 설치되어 있는 평평한 저부(flat bottom)를 갖는 U 형태로 형성되며, 홈 패턴은 U 형태이다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 2차 비선형 광학재료를 도시한 개략도이고, 도 1b는 분극처리 후의 굴절률변화를 도시한 도면.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법을 각각 도시한 개략도.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 도시한 개략도.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 간섭계로서 사용되는 광변조기를 도시한 개략도.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광변조기의 배치를 도시한 개략도.

도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 제조하는 순서를 각각 도시하는 도면.

이제, 도 1a 및 도 1b를 참조하면서 본 발명을 설명할 것이다.

지금까지 보고된 2차 비선형 광학재료는 한 방향으로만 유리를 분극함으로써 얻어진 재료이다. 더 큰 2차 비선형 광학특성 또는 전기광학상수(electroopticconstant)를 얻기 위해 이러한 방식으로 더 큰 정도로 분극된 유리는 더욱 큰 자연복굴절을 나타낸다. 이것은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 더욱 상세히 도시되어 있다. 도 1a에, 비선형 광학재료의 정육면체 블록 형태로 전기광학소자(B)가 도시되어 있고 x, y, z축은 도시된 바와 같이 나타내어 있다. x축 및 y축이 서로 직각으로 교차하는 것으로 도시되어 있지만, 직각의 교점이 항상 필요하지는 않다. 그러나, 이와 관련하여, x 및 y축이 90°±10°의 범위내에서 직각으로 교차하는 경우, y축을 따른 분극처리가 x축을 따른 초기분극처리의 결과에 영향을 받지 않을 수 있어서, y축을 따른 분극처리의 제어를 쉽게 할 수 있다. z축은 x 및 y축 각각에 대해 대략 직각으로 교차된다.

분극처리를 위해, 정육면체 블록이, 예를 들어, 150∼300℃의 온도로 가열된 다음, 1×10⁴에서 1×10⁶V/m의 전기장이 가해진다. 분극처리가 x축을 따라 수행될 때, x축을 따른 전자편광은 커진다. 그 결과, x축 방향으로 편광된 비임(즉, x축을 따라 전기장이 발진하는 광비임)에 대한 굴절률 nx가 증가한다. 한편, 위에서 언급한 비임에 수직하게 편광된 광비임에 대한 굴절률 ny, nz은 도 1b에 도시되어 있듯이 각각 낮아진다. 따라서, 분극처리가 한 방향으로부터만 실행되는 경우, z축을 따라 전파하는 비임은 필연적으로 자연복굴절을 나타낸다. LN을 이용하는 선행기술의 경우와 같이, 한쪽 방향으로 분극된 광학재료가 사용되면, 그 결과 만들어지는 변조장치가 주위온도에 크게 영향을 받고 의도한 것과 다른 변조도를 나타낸다.

x축을 따라 분극된 정육면체 본체가 y축을 따라 정육면체 본체에 전기장을인가함으로써 더 한층 폴링처리 될 때, 그 결과 만들어지는 본체는 y축 방향으로 편광된 비임에 대해 더 큰 굴절률 ny를 나타낸다. 이것은 도 1b에 특히 도시되어 있다. 분극시간과 분극전위의 적절한 선택에 의해 nx≒ny가 된다. 이에 따라, z축 방향을 따라 전파되는 비임(즉, x축을 따라 편광된 비임, y축을 따라 편광된 비임 또는 x와 y축 사이에 편광방향을 지닌 비임)에 대해, 상기와 같이 분극된 본체는 매우 작거나 제로(zero)에 가까운 복굴절을 나타낸다. 또한, x 및 y축 양쪽의 방향을 따라 분극처리하는 것은 z축 방향의 굴절률을 작게 한다.

일반적으로, 광학적으로 등방성인 유리가 분극되면, 굴절률의 변동은 약0.001 또는 그 이하이다. 한편, LN의 복굴절 정도(최대 굴절률과 최소 굴절률 사이의 차)는 약 0.09이고, 이는 본 발명의 비선형 광학재료의 복굴절보다 약 2자릿수(order)만큼 더 크다. 이것에 의해 LN에 의해 얻어지는 정확도보다 약 2자릿수만큼 더 큰 비선형 광학재료에 입력되는 비임각도의 정밀도가 달성된다. 따라서, ±10°범위내의 축편향각을 유지할 수 있게 된다. 이에 의해 광학변조기의 제조가 용이하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 서로 다른 제1방향과 제2방향으로부터 분극된 유리본체를 포함하는 2차 비선형 광학재료가 제공되어서, 유리본체는 제1방향 및 제2방향에 대략 수직한 제3방향으로 전파되는 비임에 대해 거의 복굴절을 나타내지 않으며, 여기서 유리시이트(glass sheet)는 SiO₂를 포함한다.

위에서 설명한 바와 같이, 유리본체는 SiO₂를 포함해야 하며, x 및 y축의 상이한 축으로부터 분극될 수 있다. 바람직하기로는, 유리합성물은 SiO₂의 80∼95wt%이고, GeO₂의 5∼20wt%이다.

유리합성물은 Te, Bi, Pb 및 Sn 등의 산화물(oxide) 및 플루오르화물(fluoride)과 같은 부가적인 성분을 더 포함할 수 있다. 이들 성분은 단일 또는 결합으로 이용될 수 있고, 부가적인 성분의 총량(total amount)은 합성물을 기준으로 최고 40wt%의 범위이다. 부가적인 성분이 40wt%를 초과하는 양으로 첨가되면, 그 결과 만들어지는 유리가 연화점(softening point)이 너무 낮아지거나, 기계적인 강도가 낮아지거나, 또는 주위온도가 변할 때 전달된 광의 양이 바람직하지 않게 크게 변동할 수도 있다.

위에서 언급했듯이, 이러한 바람직한 유리합성물(glass composition)이 분극되면, 그 결과 만들어지는 유리본체는 더 양호한 광학적 비선형성(optical nonlinearity)을 나타낸다.

일반적으로, 이 본체는 정육면체(cubic) 또는 직육면체 형태(rectangular parallelepiped form) 또는 원통 형태(cylindrical form)이다.

제1 및 제2방향은 90°±10°의 범위내에서 서로 대략 직각으로 교차되어야 하는 것이 바람직하다. 이와 마찬가지로 제3방향은 90°±10°범위내에서 직각으로 제1 및 제2방향과 각각 교차되어야 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비선형 광학재료의 제작은 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명된다.

처음에, 위에서 정의된 바와 같은 그러한 합성물을 지닌 유리시이트(glass sheet)가 제공된다. 이러한 유리시이트는 그 상측 및 하측에서 광학적으로 연마된다.

유리시이트는 연마된 쪽에 알루미늄 전극으로 각각 진공증착(vacuum deposition) 되며, 그 다음에, 유리시이트는 주위 공기가 건조질소(dry nitrogen)로 대체된 전기로에 위치되며, 시이트가, 예를 들어, 250℃의 온도에 도달할 때까지 이 온도로 유지된다. 이 온도는 100∼400℃의 범위로 될 수도 있다. 이 건조질소는 아르곤(Ar)과 같은 비활성 기체(inert gas)로 대체될 수 있다.

이러한 상태에서, 1kV∼10kV 범위의 적절한 전압, 예를 들어, 5kV를 이 시이트에 약 10∼300분, 예를 들어, 100분 동안 인가함으로써 이 시이트는, 예를 들어, 도 2a에 도시된 x축의 제1방향으로 분극된다. 이러한 분극처리는 도 2a에 도시되어 있다.

그 다음에, 예를 들어, 화학적인 에칭(chemical etching)에 의해 유리시이트에 증착된 전극은 완전히 제거되며, 도 2b에 의해 도시되어 있듯이, 회전날톱(rotary blade saw)에 의해 폭이 0.6mm인 조각으로 절단된다.

이러한 절단 후, 이들 조각이 도 2c에 도시된 y축의 제2방향으로 다시 한번 분극처리가 된다. 이를 위해, 각 조각의 절단면 또는 절단면들이 z축 주위로 회전하고, 이 축은 90°±10°의 범위내에서 x 및 y축에 대략 수직하여 각각의 조각의 y축은 도 2c에 도시되어 있듯이 대략 위쪽으로 회전한다. 이 상태의 조각들은 에폭시수지 접착제(epoxy resin bonding agent) 또는 세라믹 염기제(ceramic basedagent)에 의해 함께 접착된다. 따라서, 접착된 시이트는 전체 0.1mm까지 그 상하측이 광학적으로 연마되어 시이트 두께를 0.5mm로 하게 한다.

다음으로, 알루미늄 전극은 접착된 시이트의 양쪽에 진공증착되고, 리이드 와이어가 부착된 다음, 시이트를 건조질소의 주변 공기 상태인 전기로에 위치시키고, 도 2d에 도시되어 있듯이, 30분 동안 5kV의 전위를 인가한다. 이에 따라 분극된 시이트가 실내온도로 냉각된다.

선형적으로 편광된 비임은 제1 및 제2분극방향(즉, x축 및 y축)에 수직한 방향(즉, z축)을 따라 이 시이트에 전달되어, 비임의 타원율(ellipticity)을 측정한다. 이러한 측정을 위해, 입력비임의 편광면은 x축에 대해 45°의 각도로 설정된다. 전달된 비임이 타원 편광된 비임(elliptically polarized beam)으로 구성되는 경우에, 타원 편광된 비임이 대략 선형 편광된 비임(linearly polarized beam)으로 전환될 때까지 위에서 언급한 분극처리가 반복된다.

분극처리의 정도에 의존하지만, x와 y축 사이의 각도가 90°±10°의 범위에 있고, z축과 각각의 x 및 y축 사이의 각도가 90°±10°의 범위에 있을 때, 이 시이트는 복굴절이 거의 없다.

이 분극된 시이트가 전기광학소자로서 적용될 때, 이 시이트는 회전날톱과 같은 적절한 수단에 의해 바람직한 크기를 갖는 조각으로 절단된다. 이 조각은 그 양쪽에서 z축(비임이 전송되는 방향)을 따라 광학적으로 연마되어 전기광학소자를 얻는다. 이 조각의 크기는 최종 용도의 목적에 의존한다.

앞선 설명에서, 분극처리는 유리시이트를 가열하고 소정의 시간 동안 앞서정의된 바와 같은 높은 전압을 인가함으로써 수행된다. 분극은 자외선 광(ultraviolet light)에 노출하면서 1×10⁴∼1×10⁶V/cm의 높은 전기장이 유리시이트에 인가될 때 분극은 마찬가지로 진행할 수도 있다. 대안적으로, 코로나 분극법(corona poling method) 또는 앞서 정의된 바와 같은 높은 전압이 진공에서 인가되는 방법을 포함하는 기타 방법이 이용될 수도 있다.

위에서 얻어진 전기광학소자를 광변조기에 적용하는 것에 대해 설명된다.

도 3은 광변조기 시스템(M)을 도시한 것으로, 도 3에 도시되어 있듯이, 이 시스템은, 발광다이오드(light emitting diode)와 같은 비임소오스(beam source)(31), 시준렌즈(collimator lens)(32), 예를 들어, 편광비임분리기(polarizing beam splitter)로 된 편광자(33)와 수정(quartz)으로 된 λ/4판(34)과 전기광학소자(35)와 검광자(analyzer)(36)를 포함하는 광변조유닛(U), 촛점렌즈(37) 및 수광소자(light-receiving element)(38)를 이 순서대로 배열하여 이루어진다. 편광자(33), λ/4판(34), 전기광학소자(35) 및 검광자(36)를 포함하는 이들 소자의 광축은 정렬되어 있다. 이 전기광학소자는 위에서 설명했듯이 두 개의 상이한 방향으로부터 분극된 유리재료의 블록으로 되어 있다. 주지해야 할 것은, 도 3에 도시된 이러한 배치는 전기광학소자가 두 방향으로부터 분극된 블록(block)으로 되어 있다는 점을 제외하고는 선행기술에서 공지되어 있다는 것이다.

작동할 때, 소오스(31)로부터의 비임은 시준렌즈(32)를 통해 전달되어 평행비임(parallel beam)을 얻은 다음, 유닛(U)을 통과한다. 검광자(36)를 통해 전달된 비임은 초점렌즈 (37)에서 초점이 맞추어지고 수광소자(38)에서 전기신호로 변환된다. 1000V의 AC 전압이 전기광학소자(35)의 전극(도시하지 않음)에 인가되면, 1%의 변조도를 지닌 AC 파형신호가 얻어진다. 이러한 방식으로, 전기광학변조기가 얻어질 수 있다.

더구나, 비임이 전달되는 전기광학소자의 면에 수직한 입사각으로부터 ±1°의 입사각을 변경함과 동시에, 광변조기(M)에서 조립된 비선형 광학블록 또는 조각에 비임이 인가될 때, 변조도의 변화(비임이 수직방향으로 입사될 때 100으로 가정한 변조도에 대하여)가 ±3% 또는 그 이하임이 실험적으로 밝혀졌다. 이와 유사하게, 입사각이 ±10°내에서 변경될 때, 이러한 변화는 ±10% 이내임이 밝혀졌다.

본 발명의 전기광학소자를 포함하는 광변조기 시스템(M)은, 온도의 변화에 따른 변조도의 변화를 측정하기 위해, -20℃∼+80℃ 범위의 온도를 변경함과 동시에 건조분위기에 놓여진다. 그 결과, 100으로 간주된 실내온도(room temperature)에서의 변조도에 대한 변조도의 변화는 ±2% 이내로 양호하다는 것이 밝혀졌다. 더구나, 변조기 시스템(M)이 70℃ 또는 그 이상의 고온에 놓여질 때, Bi₄Ge₃O₁₂의 결정판(crystal plate)을 포함하는 광변조기와는 달리, 비임 양(beam quantity)에 있어서의 DC 드리프트(drift)가 관찰되지 않아서, 안정한 변조신호를 제공한다.

도 3의 실시예에서, λ/4판(34)은 광변조소자로서 이용된다. 이것은 입사한 선형 편광된 비임이 원형 편광된 비임으로 변환되고, 이로 인해 광학적으로 바이어스(bias)되어서 아날로그(강도) 변조신호가 양호한 선형성으로 추출되기 때문이다. 디지털변조의 경우에서처럼, 비임이 On-OFF 변조를 받는 경우, 이 판은 제거될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 도 4를 참조하여 설명된다.

이하에 예시된 도 2a∼도 2e의 절차에 따라 얻어진 전기광학소자는 마크-젠더(Mach-Zehnder)형의 간섭계(interferometer)를 제공하기 위해 광변조소자 또는 비임 위상변조소자로 이용된다.

도 4에서, 검광자(46)와 거울계(mirror system)(S)를 포함하는 간섭계(I)가 도시되어 있다. 거울계(S)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1반거울(half mirror)(41a), 제1전반사거울(total reflection mirror)(43a), 제2전반사거울(43b) 및 제2반거울(41b)을 지닌다. 전기광학소자(45)는 제1반거울(41a)과 제1전반사거울(43a) 사이에 위치되어 있다. 이 경우에, 소자(45)는 광변조기소자로서 역할을 한다. 수광소자(48)는 제2반거울(41b)로부터 비임을 받아들이도록 제공되어 있다.

동작에 있어서, 양호한 코히어런스(coherence)를 지닌 He-Ne 레이저비임이 입사비임으로 사용된다. 도면에서, 입사비임의 편광은 x축의 방향을 따라 전달되도록 설정되어 있다. 사용되는 전기광학소자(45)는 전극이 y축을 따라 소자의 양쪽에 형성되어 있는 것이다.

레이저비임은 편광자(46)에서 편광되고, 반으로 나누어져 있는 제1반거울(41a)로 통과된다. 1500V의 전압이 x축을 따라 있는 소자(45)에 인가되는경우, 반으로 나누어진 하나의 입사광의 위상이 변조된다. 한편, 나머지 반은 반거울(41b)과 제2전반사거울(43b)을 경유하여 위상의 변조없이 제2반거울(41b)에 통과한다. 위상변조광(phase modulated light)과 비변조광(non-modulated light)은 제2반거울(41b)에서 함께 합성되어 수광소자(48)에서 변조신호를 얻을 수 있다.

그 다음, 전극이 x 및 y축을 각각 따라 전기광학소자(45) 양쪽에 부착된다.1500V의 전압이 x 및 y축의 방향으로부터 상기 전극에 동시에 인가된다. 이 때, 입사비임의 분극방향이 편광자(46)의 사용에 의해 회전될 때, 변조도에 있어서의 뚜렷한 차이는 볼 수 없다. 또한, 편광자(46)가 제거될 때, 변조신호는 수광소자(48)에서 관찰될 수 있다. 따라서, 본 발명의 전기광학소자는 광변조소자로서 이용될 수 있으며, 입사비임의 편광 의존성이 거의 없다. 이 광변조소자는 편광자를 필요로 하지 않는다.

비교를 위해, 다음 실험을 통해 실험적으로 이것이 확인되었다. 한 방향(또는 x축 방향으로)만 분극된 공지의 비선형 광유리재료가 제공되어 있고, x 및 y축을 따라 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 분극된 재료의 블록의 양쪽에 전극이 형성되어 있다. 이 소자는 도 4에 도시된 간섭계의 전기광학소자로서 조립된다. 편광자(46)의 투과편광면이 회전할 때, 수광소자(48)에서 관측된 변조신호는 입사비임의 편광면의 회전과 함께 크게 변한다. 이것은 한쪽 방향으로만 분극된 비선형 광학재료로 된 전기광학소자가 이용될 때, 편광된 평면의 회전은 분극에 의해 야기된 자연복굴절로 인해 투과한 광의 위상에 있어서의 변화로 이르게 되기 때문이다. 그 결과, 수광소자(48)에서 관찰된 광강도(light intensity)가 전압의 인가없이 변한다. 또한, 비선형 광학특성이 y축 방향을 따라 거의 나타나지 않으므로 광강도는 변한다.

또한, 비임이 전기광학소자(45)를 통과되게 하는 편광면이 y축을 따라 있을 때, 전압을 인가함에 의한 광의 변조신호는 거의 관찰될 수 없다. 또한, 편광자 (46)가 제거될 때, 바람직한 레벨을 지닌 변조신호가 얻어질 수 없다. 따라서, 이 장치는 광변조기로 이용될 수 없다.

이제, 본 발명의 2차 비선형 재료로 된 전기광학소자를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 관해 도 5가 참조된다.

본 실시예의 광변조장치(D)는 재킷(jacket)이 입혀진 광섬유(53)를 고정하기 위한 홈(52)을 지닌 기판(51)을 포함한다. 또한, 기판(51)은 홈(52)에 대해 수직으로 형성된 3개의 홈(54)을 지닌다. 광섬유(53)는 재킷이 없는(jacket-free) 또는 드러난(bare) 부분(55)을 갖는다. 클래딩층(cladding layer)과 버퍼층(buffer layer) 사이의 밀접한 접촉을 유지하기 위해 사용되는 바와 같은 표면처리제(surface treating agent)가 클래딩층에 증착될 수도 있지만, 상기 부분(55)은 코어(core)와 클래드층(cladding layer)으로 구성되어 있고, 재킷(jacket) 및 버퍼층(buffer layer)이 없다.

광섬유(53)의 광경로에서, 편광자 +λ/4판(56), 전기광학소자(57) 및 검광자(58)는 도시된 바와 같이 홈(54)에 위치해 있다.

광변조장치의 제작을 위해 기판(51)이 제공되어 있고, 이 기판은 유리, 세라믹(ceramics) 또는 수지(resin) 등과 같은 절연재료(insulating material)로 되어있다. 양호한 절연특성과 양호한 처리능력을 지닌 유리-에폭시 수지 기판(glass-epoxy resin substrate)이 사용되는 것이 바람직하다. 기판(51)에는 회전날톱(rotary blade saw)의 이용에 의해 홈(52)이 형성된다. 도면에 표시된 부분에서 광섬유의 재킷은 드러난 부분(55)을 만들기 위해 제거된다. 이 드러난 부분(55)은 홈(52)에 접착된다.

이 다음에, 홈(54)은 또한 도시된 바와 같이 회전날톱의 사용에 의해 만들어진다.

편광자 및 λ/4판으로 된 소자(56), 전기광학소자(57) 및 검광자(58)는 각각 홈(54)에 설치되어 기판(51)에 접착된다. 본 실시예에서 사용된 접착제는, 예를 들어, 세라믹 기반의 접착제를 포함한다.

리드와이어(60a)는 은 페이스트(silver paste)의 사용에 의해 전기광학소자(57)의 전극(도시되어 있지 않음)에 직접 연결되어 있다. 또 다른 리드와이어(60b)는 소자(57)의 다른 쪽을 노출시키기 위해 구멍을 기판(51)에 형성함으로써 소자(57)의 다른 쪽에 직접 연결되어 있다. 전기광학소자(57)는 본 발명의 방법에 따라 만들어지며, 비임의 전송방향을 따라, 예를 들어, 1.5mm의 두께를 갖는다.

편광되지 않은 비임이 입력비임으로서 광섬유의 한 단부(end)로부터 통과되고 1000V의 전위가 전기광학소자(57)에 인가될 때, 변조도가 0.7%인 AC 변조신호가 얻어질 수 있다.

전기광학소자(57)의 온도특성이 측정되고, 여기서 실내온도에서의 변조도가100%로 가정될 때, 변조도의 변화는 -20∼80℃의 온도 범위에서 ±3.5%이다.

더구나, 70℃ 또는 그 이상의 고온에서는, Bi₄Ge₃O₁₂결정으로 만들어진 전기광학소자의 경우에 경험되는 바와 같은 DC 드리프트가 관찰되지 않는다. 따라서, 본 발명의 전기광학소자는 안정한 온도특성을 보장한다.

주지해야 할 것은 본 실시예의 광변조장치는 일렬로 배열된 비임의 입력 및 출력방향을 가지며, 광섬유는 굴절된 부분 또는 부분들을 가지지 않는다는 것이다. 따라서, 변조기장치는 광통신을 위해 특히 유용하다.

이제, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광변조장치를 개략적으로 도시한 도 6a 내지 도 6d가 참조된다. 도 6d에 도시된 장치(D1)는, 서로 평행하게 배열된 홈(71a, 71b)과, 이 홈(71a, 71b)에 수직하게 형성된 홈(71c)으로 만들어진 홈 패턴(groove pattern)(71)을 갖는 기판(70), 홈(75a, 75b, 75c)에 각각 이러한 순서로 설치된 편광자 +λ/4판으로 된 소자(72), 전기광학소자(73) 그리고 검광자(74) 및, 홈 패턴(71)에 설치된 광섬유(76)를 포함하여, 도 6d에 도시되어 있듯이, 하이브리드(hybrid) 방식의 광변조장치(D1)를 형성한다.

장치(D1)의 제작을 위해 기판(70)이 우선 제공된다. 그 다음에, 회전날톱을 사용하여 홈(71a, 71b, 71c)이 만들어진다. 이 기판(70)은 유리-에폭시 수지와 같은 절연재료로 이루어진다.

광섬유(76)가 제공되며, 드러난 부분(76a)을 제공하기 위하여 그 일부는 재킷(jacket)이 제거되어 있다. 광섬유(76)의 드러난 부분(76a)은 열기송풍기(hotair blower)에 의해 열처리되거나 굴절되어, 평평한 바닥을 갖는 U 형상을 만든다. 이러한 U 형상 광섬유를 만드는 방법은, 예를 들어, 미국특허 제5,699,461호(일본 특개평8-219825호에 대응)에 설명되어 있다.

이와 같이 형성된 광섬유(76)는 도 6b에 도시되어 있듯이, 홈 패턴(71)에 설치되고 접착되어 있다.

그 다음에, 회전날톱을 사용하여 홈(75a, 75b, 75c)이 형성된다. 광소자의 두께에 의존하지만, 이들 홈은 대개 0.05∼5mm의 폭을 가진다.

λ/4판에 부착된 편광자(72), 전기광학소자(73) 및 검광자(74)는 접착제에 의해 홈(75a, 75b, 75c)에 각각 고정되어 있다. 전기광학소자(73)는 전에 설명한 소자이다. 편광자, λ/4판 및 검광자는 선행기술에 각각 공지되어 있다.

소자(73)가 비임전송의 방향을 따라 약 1mm의 두께를 가지고 1000V의 전압이 인가되는 경우, 0.4%의 변조도를 갖는 AC 변조신호가 얻어진다.

본 실시예의 광변조장치에서는, 입력비임과 출력비임은 서로 평행하게 전송될 수 있고, 이 장치는 크기에 있어서 컴팩트하게 배치될 수 있고, 그 길이를 따라 연장되지 않는다. 따라서 이 장치는 광섬유전기 또는 전압센서로 유용하다.

광변조장치의 온도특성이 측정될 때, 실내온도에서의 변조도가 100%로 간주되면 -20℃∼+80℃의 온도변화에서의 변조도의 변화에 대해 ±3%의 양호한 결과가 얻어 진다.

광손실이 가능한 작게 감소될 수 있으면, 광섬유의 굴절부분은 이 굴절부분에서 비임을 효과적으로 반사시키기 위하여 금속으로 진공증착되거나, 금속 페이스트(metallic paste)로 피복된다.

이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 간단한 방법으로 비임의 전파방향을 따라 거의 또는 전혀 복굴절을 나타내지 않는 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

또한, 비임의 전파방향에 대한 각도의 허용범위가 큰 광변조기 또는 광섬유 전압(전기장)센서를 제조하는 데 유용한 2차 비선형 광학재료를 제공할 수 있다.

그리고, 편광에 대한 입력비임의 의존성이 거의 또는 전혀 없는 광변조기 또는 광위상변조기(optical phase modulator)를 제조하는데 유용한 2차 비선형 광학재료를 제공할 수 있으며, Bi₄Ge₃O₁₂결정과 같은 공지된 광학적 등방성 결정을 이용하는 장치에 내포된 문제들 중 하나였던 DC 드리프트에 대한 문제가 없는 광변조장치를 제공할 수 있다.

Claims

서로 다른 제1방향과 제2방향으로부터 분극된 유리본체를 포함하여, 상기 제1방향 및 상기 제2방향에 각각 수직한 제3방향으로 전파되는 비임에 대하여 복굴절의 발생이 억제되도록 하며, 상기 유리본체는 SiO₂를 포함하는 2차 비선형 광학재료.
제1항에 있어서, 상기 제1방향 및 제2방향은 90°±10°의 범위내에서 서로 대략 직각으로 교차하는 2차 비선형 광학재료.
제1항에 있어서, 상기 제3방향은 90°±10°의 범위내에서 상기 제1방향과 상기 제2방향에 대해 대략 직각으로 교차하는 2차 비선형 광학재료.
제1항에 있어서, 상기 유리본체는 SiO₂의 80∼95wt%와, 이에 대응하여 GeO₂의 20∼5wt%을 포함하는 합성물로 된 2차 비선형 광학재료.
제4항에 있어서, 상기 합성물은 상기 합성물의 최대 40wt%의 총량에서 Te, Bi, Pb 및 Sn의 산화물 및 플루오르화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물을 더 포함하는 2차 비선형 광학재료.
SiO₂를 포함하는 유리합성물로 된 유리본체를 제공하는 단계; 및

제1방향 및 제2방향 각각에 대략 수직인 제3방향으로 전파된 비임에 대해 복굴절의 발생이 억제되도록 하기 위해, 상기 유리본체가 상기 제1방향 그리고 그 다음에 상기 제2방향으로부터 분극되게 하기에 충분한 전기장을 인가함으로써 상기 유리본체가 분극되도록 하는 단계를 포함하는 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법.
SiO₂를 포함하는 유리합성물로 된 유리본체를 제공하는 단계; 및

제1방향 및 제2방향 각각에 대략 수직인 제3방향으로 전파된 비임에 대해 복굴절의 발생이 억제되도록 하기 위해, 상기 유리본체가 상기 제1방향 그리고 그 다음에 상기 제2방향으로부터 분극되게 하기에 충분한 전기장을 인가함으로써 상기 유리본체가 분극되도록 하는 단계를 포함하는 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법에 의해 얻어진 2차 비선형 광학재료.
제6항에 있어서, 상기 제1방향 및 상기 제2방향은 90°±10°의 범위내에서 서로 대략 직각으로 교차하는 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 제3방향은 90°±10°의 범위내에서 상기 제1방향 및상기 제2방향에 대해 대략 직각으로 교차하는 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 제1방향 또는 제2방향을 가로질러 상기 유리본체에 1×10⁴∼1×10⁶V/cm의 전기장을 인가함으로써, 상기 유리본체는 상기 제1방향 또는 제2방향으로 분극되는 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법.
제6항에 있어서, 선형 편광된 비임이 상기 제3방향을 따라 전달되고 상기 전달된 비임의 편광면이 상기 제1방향 또는 제2방향에 대해 45°의 각도로 설정되어 있을 때, 전달된 비임이 선형 편광된 비임으로 이루어질 때까지 상기 제1방향 또는 제2방향을 따라 분극이 계속되는 2차 비선형 광학재료를 제조하는 방법.
서로 다른 제1방향과 제2방향으로부터 분극되어 상기 제1방향 및 상기 제2방향에 각각 수직한 제3방향으로 전파되는 비임에 대하여 복굴절의 발생이 억제되는 유리 본체와, 상기 제1방향 또는 제2방향을 따라 상기 유리본체의 양쪽에 부착된 한 쌍의 전극을 포함하며, 위상변조기로서 역할을 하는 광변조장치.
광원으로부터의 광경로에 배열된 편광자, 전기광학소자 및 검광자로 이루어진 광변조유닛을 포함하며,

상기 전기광학소자는 서로 다른 제1방향과 제2방향으로부터 분극되어 상기 제1방향 및 상기 제2방향에 각각 수직한 제3방향으로 전파되는 비임에 대하여 복굴절의 발생이 억제되는 유리본체로 이루어져 있는 광변조장치.
제13항에 있어서, 상기 광변조유닛의 광경로상 전단(upstream)에 시준렌즈가 위치되어 평행광선이 상기 광변조유닛에 통과하게 되는 광변조장치.
제13항에 있어서, 상기 편광자와 상기 전기광학소자 사이에 λ/4판을 더 포함하는 광변조장치.
비임을 정확히 반으로 나눌 수 있는 제1반거울과 상기 나누어진 반들 중 하나의 변조 후에 그 반들을 결합할 수 있는 제2반거울을 적어도 갖는 거울계 및, 상기 나누어진 반들 중에서 하나를 변조하기 위해 상기 거울계에 조립된 전기광학소자를 포함하는 광변조장치에 있어서,

상기 전기광학소자는 서로 다른 제1방향과 제2방향으로부터 분극되어 상기 제1방향 및 상기 제2방향에 각각 수직한 제3방향으로 전파되는 비임에 대하여 복굴절의 발생이 억제되는 유리본체로 이루어져서, 비임이 상기 제1거울을 경유하여 분극된 후 통과될 때 상기 광변조장치는 간섭계로 역할을 하며, 상기 비임은 상기 제1거울에 의해 반으로 나누어지고, 이 반들 중 하나는 전기광학적으로 변조되어, 나머지 반과 결합되어 수광소자를 통과하게 되는 광변조장치.
제16항에 있어서, 상기 전기광학소자에는 상기 비임의 전송방향에 수직한 두 개의 상이한 방향으로부터 변조전압이 인가되는 광변조장치.
광섬유와,

상기 광섬유를 고정하는 홈을 지닌 기판과,

상기 광섬유의 광경로에서 상기 홈에 수직으로 형성된 3개의 홈에 순차적으로 배열되고 설치되는 편광자, 전기광학소자 및 검광자를 포함하며,

상기 전기광학소자는, 서로 다른 제1방향과 제2방향으로부터 분극되어 상기 제1방향 및 상기 제2방향에 각각 수직한 제3방향으로 전파되는 비임에 대하여 복굴절의 발생이 억제되는 유리본체로 된 광변조장치.
제18항에 있어서, 상기 기판은 홈 패턴을 가지며, 상기 광섬유는 평평한 바닥을 지닌 U 형태로 형성되고 상기 홈 패턴에 설치되며, 상기 3개의 홈은 상기 평평한 바닥에 형성되는 광변조장치.