KR100350413B1 - 외부 조절이 가능한 광도파로형 고차모드 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 고차 모드 발생기는 도파로에서 0차 이상의 고차 모드로 0차 기본도파 모드를 변환시키기 위한 것이다. 도파로는 굴절율이 인가되는 전력에 따라서 변화되는 열 광학 물질로 만들어진다. 도파로는 온도 또는 전기장으로 인한 굴절율 섭동을 주도록 적어도 2개 이상의 도파 모드 및 선형 히터 또는 선형 전극을 가지는 한편, 도파로에 대해 일정 틸트각(α)으로 도파로를 가로질러 놓인다. 히터에 인가되는 외부 전력이 없을 때, 도파로의 0차 단일모드 광은 고차모드로의 어떠한 변환없이 도파로를 통하여 진행되게 된다. 그러나, 전류가 히터를 통하여 흐르 때, 히터 하부의 도파로의 굴절율은 낮아지거나(폴리머) 또는 높게 된다(실리카). 그러므로, 히터 하부에서 진행하는 광의 일부는 히터에서 반사된다. 반사광의 진행각이 적어도 고차 모드 발생기의 1차 도파 모드의 진행각보다 크면, 고자 모드가 외부 제어에 의하여 여기되게 된다.

Description

외부 조절이 가능한 광도파로형 고차모드 발생기{Externally controllable waveguide type higher order mode generator}

본 발명은 0차의 기본 모드 도파광을 외부 조절을 통하여 고차 도파 모드로 변환시킬 수 있는 고차 모드 발생기에 관한 것이다.

광도파로 소자에서 상이한 차수의 도파 모드들의 결합은 매우 어렵고 또한 근본적인 문제들을 가진다. 이러한 것을 해결하면, 광도파로 소자는 스위치 또는 감쇄기와 같은 다양한 장치에 적용할 수 있다. 기본 모드를 고차모드로 결합할 수 있는 수동 소자로서, 단지 상이한 폭을 가지는 모드 진화 Y 분기(adiabatic Y branch)로 구성된 수동 소자가 보고되었다. 외부 전압 또는 전류를 사용하는 결합양을 조절할 수 있는 장치는 없다. 모드 진화 Y 분기형 도파로를 사용하는 경우에, 2×2 스위치들 및 광 감쇄기와 같은 광소자의 제조는 마흐-젠더 간섭계의 형태로 2개의 Y 분기들을 결합하는 것에 의하여 가능하다.

그러나, 이러한 경우에, Y 분기의 분기각이 매우 작기 때문에 제조가 어렵고, 또한 길이가 매우 길게 늘어나기 때문에 광손실이 매우 크다.본 발명의 목적은 0차 기본 도파 모드를 1차 모드 이상의 고차 모드 도파로 변환시키기 위하여 직선 도파로 및 전극으로 구성되는 매우 간단한 구조의 고차 모드 발생기를 제공하는데 있다.본 발명의 또 다른 목적은 광소자의 구조 및 그 구동 방법을 매우 간단화할 수 있는 고차 모드 발생기를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 고차모드 발생기 소자의 개략도.

도 2는 도 1에 도시된 고차모드 발생기 소자에 있어서 도파광의 모드 차수에 따라서 광이 도파되는 경로를 도시한 도면.

도 3은 도파광의 차수에 따른 파수 벡터와 코어 및 클래드의 파수 벡터의 관계를 도시한 그래프.

도 4는 본 발명의 고차모드 발생기를 이용한 하나의 실시예로서 가변 광감쇄기의 구조를 도시한 도면.

도 5a 내지 도 5c는 파장 λ₀=1.55㎛, n₁=1.4397, n₂=1.4856, d=40㎛, L_tap=3200㎛, L_mmr=3800㎛, w=7㎛일 때, 도 4의 실시예의 BPM(Beam Propagation Method) 시뮬레이션 결과를 도시한 도면으로서, 도 5a 및 도 5b는 각각 열선에 의한 도파로의 온도 증가가 0℃ 및 30℃인 경우를 도시한 것이고, 도 5c는 온도에 따른 도파로의 감쇄 특성을 BPM으로 수치 계산한 것을 도시한 도면이다.

도 6은 도 4에 도시된 가변 광감쇄기를 실제 제작하여 인가 전력에 따른 감쇄 특성을 측정한 결과를 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 코어 층 2 : 상부 클래드 층

3 : 하부 클래드 층 4 : 히터

5 : 다중모드 발생기 영역 6, 9 : 단일 모드 광도파로

7, 8 : 테이퍼 영역

상기된 바와 같은 목적들은, 상부 및 하부 클래드 층 및 0차 이상의 고차모드를 지지하는 코어 층을 구비하는 직선 도파로와, 상기 도파로에 대하여 틸트각(α)으로 상기 도파로를 가로질러 배치되는 선형 히터를 포함하고, 0차 광도파 모드를 m차 광도파 모드로 변환시키기 위하여, 상기 히터의 틸트각(α)과 m차 모드 진행각 θ_m이 α> θ_m/2의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 고차 모드 발생기에 의해 달성될 수 있다.상기에서, 상기 코어 층 및 클래드 층들은 실리카 또는 폴리머로 만들어지며, 외부 조절은 상기 히터를 통해 전류가 흐르게 하는 것에 의한 온도 변화에 따른 굴절율 변화를 이용하여 수행된다.또한, 도파로 물질은 LINBO₃또는 전기광학 폴리머로 만들어지고, 외부 조절은 상기 히터에 인가되는 전압에 따른 굴절율 변화를 이용하여 수행될 수도 있다.이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.도 1은 본 발명의 고차모드 발생기 소자의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같은 광 도파로 소자는 직선 코어 층(1) 및 0차 이상의 고차 모드를 지지할 수 있는 클래드 층(2,3)로 구성되는 다중모드 광 도파로와, 일정 틸트각(α)으로 다중 모드 광 도파로를 가로질러 배치되는 선형 히터(4, 전극)을 포함한다.본 발명에 따른 고차모드 발생기를 보다 상세하게 설명하기 위하여, 3층 광 도파로에서의 광도파 특성을 도 2를 참조하여 설명한다.

도파로를 따라서 진행하는 광에 대하여, 코어 층(1)의 굴절율(n₁)은 클래드 층(2,3)의 굴절율(n₂)보다 커야만 되고, 광은 기본적으로 전반사 조건 및 수직 방향으로의 정상파 조건을 만족시켜야 한다. 전반사 조건은 도파로에서의 코어 층(1)으로부터 각각의 클래드 층(2,3)을 향하여 진행하는 광이 코어 층(1)과 클래드 층(2,3)의 경계에서 완전히 반사되는 조건이다. 따라서, m차 모드 진행각(θ_m)에 의하여 결정되는 상부 클래드 층(2)에 대한 입사각(ψ_m)은 도파로의 굴절율 차이에 의해 결정되는 전반사각(ψ_c)보다 작아야만 되고, 전반사각은 다음과 같이 정의된다:

그러나, 전반사각을 만족시키는 모든 광이 도파로를 따라서 진행하는 것이 아니고, 단지 정상파 조건을 만족시키는 일부 광이 도파로를 따라서 진행한다.수직 방향으로의 정상파 조건은 다음과 같다:

여기에서, d는 도파로 코어 층(1)의 두께, k₀= 2π/λ₀은 광의 파수 벡터, λ₀는 진공에서의 파장, φ_r은 코어 층(1) 및 클래드 층(2,3)의 경계에서 반사된 광의 위상 변화, m은 정수이다. m=0은 0차 기본 도파모드이며, m=1은 1차 도파모드, m=2는 2차 도파모드이다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 도파모드의 차수가 커질수록, 진행각이 크게 된다. 도파로에서의 총 도파모드 수는 코어 층(1)의 두께(d)와 코어 층(1)과 클래드 층(2,3)들 사이의 굴절율 차이에 의하여 결정되고, 다음과 같이 설명된다.

도 3은 도파로에서의 도파모드들 사이의 진행 방향 특성을 비교하기 위하여 파수 벡터 평면에서 도파될 수 있는 모든 고차모드들을 동시에 도시한다. 진행 방향(z축)에서의 파수 벡터는 도파로의 유효 전파상수가 되며, 도파모드가 고차 모드로 될수록 보다 작게 된다. 즉, 도파모드가 고차 모드로 됨으로써, 광 진행각(θ_m)이 보다 크게 되어서, 광 진행 속도가 보다 느리게 된다.

상기된 바와 같은 기본 이론에 기초하여, 본 발명의 고차모드 발생기의 작동원리를 상세하게 설명하면 다음과 같다:먼저, 0차 기본 모드를 m차 도파모드로 변환시키기 위하여, 히터(4)와 도파로 사이의 각도는 α=θ_m/2이다. 전력이 히터(4)에 인가될 때, 히터(4) 하부의 도파영역의 온도가 증가하여서, 도파 영역의 굴절율은 증가하거나(실리카의 경우) 또는 감소한다(폴리머의 경우). 그러므로, 진행하는 광은 히터의 경계에서 히터(4)에 대해 α의 각도로 반사되어, 도파 진행 방향에 대해 2α의 각도로 진행한다. 이 때, 각도(2α)가 진행각(θ_m)과 동일하면, 반사광의 진행 방향은 m차 도파모드의 방향과 일치하고, 0차 도파모드는 m차 도파모드로 변환된다. 그리고, 히터에 인가된 전력이 증가되었을 때, 히터 하부 영역의 온도가 증가하므로, 도파로 굴절율에서의 변화량이 증가한다. 그러므로, 반사된 광의 양이 증가하여서, 0차 모드로부터 m차 모드로의 고차모드 변환량이 증가된다.

[실시예]

도 4는 광학 소자의 예시로서, 입력광 세기가 외부전력에 의하여 조절될 수 있으며 본 발명에 따른 고차 모드 발생기를 이용하여 제조될 있는 가변 광감쇄기의 구조를 도시한다. 본 실시예에서, 폴리머 물질이 도파물질로서 사용되었으며, 상기된 바와 같이, 폴리머는 온도가 증가함으로써 굴절율을 감소시키는 열광학 효과를 가진다.

도 4에 도시된 가변 광감쇄기의 작동 원리는 다음과 같다: 입력부의 단일 모드 광도파로(6)를 통과한 광은 어떠한 광손실없이 테이퍼 영역(7)을 통하여 다중모드 발생기 영역(5)으로 입사될 수 있다. 히터(4)에 인가되는 외부 전력이 없는 경우에, 다중모드 발생기 영역(5)을 통과한 광은 어떠한 광파워의 손실없이 테이퍼 영역(8) 및 단일모드 광도파로(9)를 통과한다. 그러므로, 광은 광감쇄없이 소자를 통과할 수 있다.그러나, 전류가 히터를 통해 흐를 때, 히터(4) 하부의 도파로의 굴절율은 온도에 비례하여 감소된다. 그러므로, 히터 하부를 진행하는 광의 일부는 히터에서 각도(α)로 반사된다. 그 결과, 반사된 광은 도파로 진행 방향에 대해 각도(2α)로 진행한다. 반사광의 각도(2α)가 적어도 고차 모드 발생기의 1차 모드의 진행각보다 크면, 보다 높은 차수의 모드들이 여기되게 되고, 이러한 보다 높은 차수의 모드들은 테이퍼 영역(8) 및 출력부의 단일모드 영역(9)에서 제거되어, 입력광의 감쇄가 따른다.그러므로, 히터를 흐르는 전류량이 증가하면, 반사된 광 세기의 양이 증가하므로, 보다 많은 입력광이 감쇄된다. 결국, 장치는 가변 광감쇄기로서 작동하고, 출력광 세기는 히터를 흐르는 전류(또는 전압)의 양에 따라서 조절될 수 있다.

도 5는 도 4의 실시에의 BPM 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 열선에 의한 도파로의 온도 증가가 0℃ 및 30℃인 경우를 도시한 것이다. 여기에서, -1.2×10^-4℃의 도파로의 열광학 계수가 사용된다. 시뮬레이션에서, 입력부 도파로(6)의 폭 w=7㎛, 테이퍼 영역의 길이 L_tap= 3200㎛, 고차모드 발생기의 폭 d=40㎛, 및 고차모드 발생기의 길이 L_mmr=3800㎛가 사용된다. 코어 층(1)과 클래드 층(2,3)의 굴절율은 파장 파장 λ₀=1.55㎛,에서 각각 n₁=1.4397, n₂=1.4856이다. 온도 증가가 없을 때, 0차 단일모드 입력광의 대부분은 출력부의 0차 단일모드로서 통과하고, 단지 작은 양의 광손실이 출력포트의 테이퍼 영역(8)에서 발생하는 것을 알 수 있다. 그러나, 온도가 30℃까지 증가하였을 때, 광은 히터의 경계에서 반사되고, 그런 다음 고차 모드들이 여기되는 것을 알 수 있다. 이러한 경우에, 대부분의 광은 테이퍼 영역(8)과 출력부의 단일모드 영역(9)에서 제거된다. 도 5c는 가변 광감쇄기에서 히터 하부의 온도 증가에 따른 출력 광파워의 감쇄 특성의 시뮬레이트된 결과를 도시한다. 30℃의 온도 증가에서 30dB 이상의 감쇄가 발생하는 것을 알 수 있다.

도 6은 도 5에 도시된 바와 같이 제작된 실제 가변 광감쇄기에서 히터에 인가된 전력에 다른 감쇄 특성의 예시적인 결과를 도시한다. 온도 변화가 히터에 인가되는 전력의 양에 비례하기 때문에, 도 6에 예시적으로 측정된 결과는 도 5c에서 나타난 바와 같은 시뮬레이트된 결과와 일치하는 경향을 보이는 것을 알 수 있다.

본 발명의 고차모드 발생기는 구조에 있어서 매우 간단하여 제조가 매우 용이하며, 그러므로, 가변 광감쇄기와 같은 가변 도파로형 광학 소자의 제조를 용이하게 할 수 있으며, 또한 대량 생산에 있어서 이점을 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 상부 및 하부 클래드 층 및 0차 이상의 고차모드를 지지하는 코어 층을 구비하는 직선 도파로와, 상기 도파로에 대하여 틸트각(α)으로 상기 도파로를 가로질러 배치되는 선형 히터를 포함하고, 0차 광도파 모드를 m차 광도파 모드로 변환시키기 위하여, 상기 히터의 틸트각(α)과 m차 모드 진행각 θ_m이 α> θ_m/2의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 고차 모드 발생기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코어 층 및 클래드 층들은 실리카 또는 폴리머로 만들어지며, 외부 조절은 상기 히터를 통해 전류가 흐르게 하는 것에 의한 온도 변화에 따른 굴절율 변화를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고차 모드 발생기.
3. 제 1 항에 있어서, 도파로 물질은 LINBO₃또는 전기광학 폴리머로 만들어지고, 외부 조절은 상기 히터에 인가되는 전압에 따른 굴절율 변화를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고차 모드 발생기.