KR100322120B1

KR100322120B1 - 장주기격자필터제조장치

Info

Publication number: KR100322120B1
Application number: KR1019980033626A
Authority: KR
Inventors: 장주녕
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-08-19
Filing date: 1998-08-19
Publication date: 2002-03-08
Also published as: KR19980087591A

Abstract

본 발명은 장주기 격자 필터 제조 장치에 관한 것으로, 레이저 광원; 레이저 광원에서 생성된 레이저 광을 반사시켜서 그 경로를 변경하는 미러; 미러에 의해 반사된 레이저 광을 포커싱하는 렌즈; 렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부; 및 분산된 레이저 광을 장주기 격자가 형성될 광섬유에 선택적으로 주사하는 진폭 마스크를 포함하고, 진폭 마스크에 의해 결정된 장주기 격자의 주기에 따라 광섬유의 굴절률이 변화되어 광섬유를 통과하는 광의 코아모드가 클래딩모드로 커플링됨을 특징으로한다.

본 발명에 의하면, 광섬유에 주사되는 레이저 빔의 크기를 조절하여 장주기 격자 필터의 대역폭을 조절할 수 있다. 또한 마스크의 제조가 쉽고 제조비용이 저렴하며 한계손상파워가 크다

Description

장주기 격자 필터 제조 장치{Apparatus for manufacturing long-period grating filter}

본 발명은 장주기 격자 필터 제조 장치에 관한 것이다.

통상적으로 장주기 격자 필터는 광섬유의 코아(core)로 진행하는 코아 모드(core mode)를 클래딩 모드(cladding mode)로 커플링(coupling)시키는 소자로서, 자외선에 민감(sensitive)한 광섬유의 코아에 주기적으로 굴절율 변화를 주어 제작한다. 즉, 자외선에 노출된 부분은 굴절율이 증가하고 그렇지 않는 부분은 변화가 없어 주기적인 굴절율 변화가 발생한다. 상술한 코아 모드를 클래딩 모드로 커플링시키기 위하여는 다음의 수학식 1을 만족하여야 한다.

여기서, β_co는 코아 모드의 전달 상수(propagation constant)이고, {β}`_ {cl} ^{n} 는 n차 클래딩 모드의 전달 상수(propagation constant)이고, Λ는 격자 주기(grating period)이다.

그런데, 수학식 1에서 β= 2πn/λ(여기서, n은 굴절율)을 대입하면 코아 모드와 클래딩 모드의 굴절률 차는 n_co- n_cl= λ/Λ가 된다. 따라서, 어떤 파장을 클래딩 모드로 변경시키려면 주기(Λ)와 굴절율차(n_co- n_cl)을 정하면 된다. 굴절율차는 자외선에 민감한 광섬유에 자외선 레이저를 적절히 감광시켜 얻을 수 있다.

자외선 레이저를 주사하여 장 주기 격자 필터를 제조하는 장치에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 종래의 장 주기 격자 필터 제조 장치를 도시한 것이다. 도 1에 따른 장주기 격자 필터 제조장치는 자외선 레이저를 주사할 수 있는 고출력의 엑시머(excimer) 레이저 광원(100)과, 엑시머 레이저 광원(100)에서 방출된 레이저 광의 경로를 변경하는 미러(102)와, 미러(102)에 의하여 변경된 레이저 광을 포커싱하여 광섬유(108)에 초점을 맞추는 원통형 렌즈(Cylindrical Lens, 104)와, 렌즈를 통과한 레이저 광을 선택적으로 통과시키는 진폭 마스크(106)와, 진폭 마스크(106)를 통과한 레이저 광이 주사되어 코아에 장주기 격자가 형성되는 광섬유(108)로 구성된다.

상술한 구성에 따른 장 주기 격자 필터의 제조 과정은 다음과 같다. 레이저 광을 원통형 렌즈(104)에 통과시켜 진폭 마스크(106)와 접촉되어 있는 광섬유(108)에 주사되도록 한다. 이때, 광섬유(108)에는 레이저광이 주사되어 굴절률이 다른 장주기 격자가 형성되는데, 광섬유(108)에 광원(110)에서 출력되는 광을 통과시키고 검출기(112)로 광을 검출하여 원하는 특성을 갖도록 한다.

이 때, 마스크는 정확한 주기를 갖는 것이 중요하다. 마스크가 정확한 주기를 갖게하기 위해 여러 방법이 사용되었는데, 그 중 하나가 단일 슬릿을 위치이동 스테이지(translation stage)에 장착하여 원하는 주기만큼 슬릿 혹은 광섬유를 이동시켜서 레이저 광을 주사한다.

그러나, 이 방법은 정확한 주기가 가능하고 주기를 조절할 수 있다는 장점이 있으나, 슬릿의 폭이 고정되어있어서 주기를 변경하는 경우 광이 투과하는 부분과 투과하지않는 부분의 비를 나타내는 듀티 사이클(duty cycle)이 일정하지않다는 단점이 있다. 또한, 포인트 단위로 굴절률 변화를 주므로 시간이 많이 걸리며, 큰 빔 사이즈를 효율적으로 사용하지 못한다. 원하는 필터 스펙트럼을 정확히 디자인하기 위해서는 펄스당 굴절률변화값을 정확히 알아야한다. 또한, 고가의장비인 위치이동 스테이지가 필요하다.

마스크의 주기를 정확하게하기위한 방법으로 실리카위에 패턴을 뜬 후 크롬을 도핑하여 마스크를 제작하는 방법이 있다. 이 방법으로 제작된 마스크의 경우, 정확한 주기를 가지는 마스크를 제조할 수 있으나 마스크 제조과정이 복잡하고 비용이 많이 들며, 주기가 고정되어 있으므로 하나의 마스크로 디자인하고자하는 스펙트럼은 하나만 가능하다. 또한, 이 경우 한계손상파워(damage threshold power)가 낮아서 고출력의 엑시머 레이저를 효율적으로 이용할 수 없다는 단점이 있다.

마스크의 주기를 정확하게하는 또 다른 방법으로는 다중 슬릿(multi-slit)을 사용하는 방법은 격자가 형성되는 부분의 전체에 레이저 광을 동시에 주사하는 방법으로 마스크를 준비하는 과정이 간단하고 제조비용이 적으나 레이저 가공시 발생하는 오차가 ±5μm로 매우 커서 정밀한 스펙트럼 디자인이 어려우며 마찬가지로 주기가 고정되어 있으므로 디자인할 수 있는 스펙트럼이 한정되어 있다.

또한, 종래의 방법으로 장주기 격자 필터 제조시 주문 제작하는 경우 마스크를 새로이 제작해야하므로 장시간과 고비용이 요구된다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 입사광을 분산시키는 오목렌즈와 소정 주기를 갖는 진폭마스크를 구비하여 진폭마스크의 위치를 변경함으로써 광섬유상에 맺히는 격자의 주기를 조절하는 장주기 격자 필터 제조 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 장 주기 격자 필터 제조 장치를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 장주기 격자 필터 제조 장치에 대한 구성도이다.

도 3은 도 2의 진폭 마스크에 대한 실시예를 도시한 것이다.

도 4는 진폭 마스크의 위치 조절에 의한 필터격자 주기 결정과정을 설명하는 도면이다.

도 5a는 x+y=700mm일 때, x값의 변화에 따른 격자주기를 도시한 것이다.

도 5b는 x+y=430mm일 때, x값의 변화에 따른 격자주기를 도시한 것이다.

도 6a 내지 도 6d는 x+y=430mm일 때, x값의 변화에 대해 다양한 파장에서 소정의 소광비를 갖는 장주기 격자 필터의 스펙트럼을 나타낸다.

상기 기술적 과제를 달성하기위한, 본 발명에 따른 장주기 격자 필터 제조 장치는 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 광을 반사시켜서 그 경로를 변경하는 미러; 상기 미러에 의해 반사된 레이저 광을 포커싱하는 렌즈; 상기 렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부; 및 상기 분산된 레이저 광을 장주기 격자가 형성될 광섬유에 선택적으로 주사하는 진폭 마스크를 포함하고, 상기 진폭 마스크에 의해 결정된 장주기 격자의 주기에 따라 상기 광섬유의 굴절률이 변화되어 상기 광섬유를 통과하는 광의 코아모드가 클래딩모드로 커플링됨을 특징으로한다.

상기 기술적 과제를 달성하기위한, 본 발명에 따른 장주기 격자 필터 제조 장치는 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 광을 반사시켜서 그 경로를 변경하는 미러; 상기 미러에 의해 반사된 레이저 광을 포커싱하는 렌즈; 상기 렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부; 상기 분산된 레이저 광을 장주기 격자가 형성될 광섬유에 선택적으로 주사하며, 그 위치에 따라 상기 광섬유에 형성되는 장주기 격자의 주기를 결정하는 진폭 마스크; 상기 광섬유에 형성된 장주기 격자 필터의 커플링 피크를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부에서 측정된 커플링 피크시의 파장에 따라 원하는 커플링 피크 파장을 얻도록 상기 진폭 마스크의 위치를 조절하는 제어부를 포함함을 특징으로한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 장주기 격자 필터 제조 장치에 대한 구성도이다. 도 2에 따른 장치는 자외선 레이저 광원(200), 자외선 레이저 광원(200)에서 생성된 자외선 레이저 광을 반사시키는 미러(202), 미러(202)에 의해 경로가 변경된 레이저 광을 포커싱하는 원통형 렌즈(204), 원통형 렌즈(204)에 의해 초점이 맞춰진레이저 광을 분산시키는 분산부(206), 분산부(206)를 통과한 광을 선택적으로 통과시키는 진폭 마스크(208), 진폭 마스크(208)를 통과한 레이저 광이 광섬유(212)에서 장주기 격자가 형성될 부분에만 주사되도록하는 슬릿(210), 슬릿(210)을 통과한 레이저 광이 주사되는 광섬유(212), 광원(214), 광섬유(212)를 통과한 광의 특성을 측정하는 측정부(216) 및 측정부(216)에서 측정되는 커플링 피크에 따라 진폭 마스크(208)의 위치를 결정하는 제어부(218)를 포함한다.

상술한 구성에 따른 동작은 다음과 같다. 미러(202)는 자외선 레이저 광원(200)에서 생성되어 입사된 레이저 광을 반사시킨다. 원통형 렌즈(204)는 반사된 레이저 광을 한 축으로 모으는데, 초점은 광섬유(212)에 맺히도록 한다. 분산부(206)는 원통형 렌즈(204)를 통과한 레이저 광을 분산시키는데, 대표적인 예로서 오목렌즈(Concave Lens)가 적절하다.

진폭 마스크(208)는 분산부(206)를 통과한 광을 선택적으로 투과시킨다. 슬릿(210)은 장주기 격자의 대역폭을 결정하는 격자 길이만큼의 폭을 갖는다. 슬릿(210)을 통과한 광이 광섬유(212)에 주사되면, 측정부(216)는 광원(214)에서 생성되어 광섬유(212)를 통과한 광에 대해 파장에 따른 커플링 피크를 측정한다. 여기서, 광섬유(212)는 자외선에 민감한(UV photosensitive) 광섬유가 적절하다.

제어부(218)는 장주기 격자 필터가 원하는 파장에서 커플링이 일어나도록 진폭 마스크(208)의 위치를 조절함으로써 장주기 격자의 주기를 조절한다.

도 3은 진폭 마스크(208)의 실시예를 도시한 것이다. 도 3에 따른 진폭 마스크는 0.2mm 정도의 얇은 금속 기판(300), 예컨대 스테인레스 스틸 기판에 수백 ㎛의 주기(Λ₀)로 광을 통과시킬 수 있는 통과영역(302)과 그 외의 비통과영역(304)으로 구성된다. 통과영역(302)은 이산화탄소 레이저를 이용한 가공 또는 화학적 식각(chemical etching) 등의 방법으로 가공된다. 금속 기판(300)의 사용은 손상 한계의 제한을 없애므로 고파워 자외선 레이저를 소스로 사용할 수 있다는 잇점이 있다. 통과영역(302)으로는 레이저가 통과하여 광 도파로의 굴절률을 높이게 되며, 비통과영역(304)은 금속부분으로 자외선 레이저를 차단한다.

도 4는 진폭 마스크의 위치 조절에 의한 격자 주기 결정과정을 설명하는 도면이다. 도 4에 따르면, 원통형 렌즈(400)를 통과한 레이저 광은 오목 렌즈(402)에 의해 분산하고, 진폭 마스크(404)에 의해 마스킹되어 광섬유(406)에 맺히게 된다. 여기서, 설명의 편의를 위해 오목렌즈(402)의 초점으로부터 진폭 마스크(404)까지의 거리를 x라 하고, 진폭 마스크(404)와 광섬유(406)까지의 거리를 y라 하자. 도시된 바와 같이 진폭 마스크의 반주기를 a라 하고, 수평방향의 레이저 광(408)에 대해 오목 렌즈(402)의 초점으로부터 진폭 마스크(404)를 지나 광섬유(406)에 도달하는 레이저 광의 각도를 각각 γ, β, α라 하며, 경로에 따라 광섬유(406)에 맺히는 레이저 광의 길이를 각각 C, B, A라 하면, 다음과 같은 식이 성립한다.

Δ를 광섬유(406)에 형성된 격자의 주기라 할 때, Λ(=B)는 수학식 2로부터 다음과 같이 구해진다.

여기서, Λ₀는 진폭 마스크의 주기이고 2a이다.

즉, 오목 렌즈(402)와 광섬유(406)와의 거리가 조정되었을 때, 진폭 마스크(404)의 위치에 따라 광섬유(406)상에 맺히는 장주기 격자의 주기가 조절된다.

도 5a는 x+y=700mm일 때, x값의 변화에 따른 격자주기를 도시한 것이고, 표 1은 그 값을 도표로 나타낸 것이다. 여기서, 마스크의 주기는 420μm이다.

x(mm)	격자주기(μm)
700	420.0
690	426.1
680	432.4
670	438.8
660	445.5
650	452.3
640	459.4
630	466.7
620	474.2
610	482.0
600	490.0
590	498.3
580	506.9
570	515.8
560	525.0
550	534.5
540	544.4
530	554.7
520	565.4
510	576.5
500	588.0
490	600.0
480	612.5
470	625.5
460	639.1
450	653.3

도 5b는 x+y=430mm일 때, x값의 변화에 따른 격자주기를 도시한 것이고, 표 2은 그 값을 도표로 나타낸 것이다. 여기서, 마스크의 주기는 420μm이다.

x(mm)	격자주기(μm)
430	420.0
420	430.0
410	440.5
400	451.5
390	463.1
380	475.3
370	488.1
360	501.7
350	516.0
340	531.2
330	547.3
320	564.4
310	582.6
300	602.0
290	622.8
280	645.0
270	668.9
260	694.6
250	722.4
240	752.5
230	785.2
220	820.9
210	860.0
200	903.0
190	950.5
180	1003.3

오목렌즈의 초점과 광섬유 사이의 거리 x+y가 클수록 x의 변화량에 대한 주기의 변화정도가 작아서 정밀주기 조절에 유리하다. 즉, 원하는 스펙트럼을 디자인할 경우, 대역폭을 슬릿 폭으로 조절하고 오목렌즈와 진폭 마스크간 거리 x와 진폭 마스크와 광섬유간 거리 y를 조절하여 커플링 피크 파장 및 커플링 피크를 조절한다.

도 6a 내지 도 6d는 x+y=430mm일 때, x값의 변화에 대해 다양한 파장에서 5.4dB의 소광비를 갖는 장주기 격자 필터의 스펙트럼을 나타낸다. 도 6a 내지 도 6d는 각각 x=400mm, 395mm, 385mm 그리고 355mm에 진폭 마스크를 위치시킨 경우의 커플링 피크를 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, x를 355≤x≤400mm의 범위에서 이동시켰을 때 커플링 피크 파장은 1300nm 에서 1500nm까지 250nm 영역에 걸쳐 연속적으로 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, 광섬유에 주사되는 레이저 빔의 크기를 조절하여 장주기 격자 필터의 대역폭을 조절할 수 있다. 또한 마스크의 제조가 쉽고 제조비용이 저렴하며 한계손상파워가 크다. 광섬유상의 격자주기가 정밀하게 조절되므로 하나의 마스크로 원하는 특성을 갖는 필터를 간편하게 제조할 수 있다.

Claims

레이저 광원;

상기 레이저 광원에서 출력되는 레이저 광을 포커싱하는 렌즈;

상기 렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부; 및

광이 통과되는 영역과 통과되지않는 영역이 소정 주기로 반복되고 상기 분산부에서 분산된 광을 상기 광이 통과되는 영역으로 통과시키는 진폭 마스크를 포함하고,

상기 분산부와 상기 진폭 마스크간 거리를 조절하여 상기 진폭 마스크를 통과하는 광이 광섬유에 조사되는 간격을 조절하고, 상기 간격에 따라 상기 광섬유중 광이 조사된 부분의 굴절률이 변화되는 간격이 결정되는 것을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 분산부는

오목렌즈임을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 광이 광섬유에 조사되는 간격은

Λ₀가 상기 진폭 마스크의 주기이고, x가 상기 오목렌즈의 초점과 상기 진폭 마스크간 거리, y가 상기 진폭 마스크와 상기 광섬유간 거리라 할 때, 다음의 수학식

[수학식]

과 같이 결정됨을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 진폭 마스크의 재질은

금속임을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 광섬유는

자외선에 민감한(UV photosensitive) 광섬유임을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
제1항에 있어서,

상기 진폭 마스크와 상기 광섬유 사이에 상기 장주기 격자의 길이를 그 폭으로하는 슬릿을 더 구비함을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
레이저 광원;

상기 레이저 광원에서 출력되는 레이저 광을 포커싱하는 렌즈;

상기 렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부;

광이 통과되는 영역과 통과되지않는 영역이 소정 주기로 반복되고 상기 분산부에서 분산된 광을 상기 광이 통과되는 영역으로 통과시키는 진폭 마스크;

상기 진폭 마스크를 통과한 광에 의해 소정 간격으로 굴절률이 변화된 광섬유의 커플링 피크를 측정하는 측정부; 및

상기 측정부에서 측정된 커플링 피크시의 파장에 따라 원하는 커플링 피크 파장을 얻도록 상기 진폭 마스크와 상기 분산부간 거리를 조절하는 제어부를 포함함을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.