KR100401109B1 - 가변 광감쇄기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빛을 송신하는 전송 파이버와; 상기 전송 파이버와 동축으로 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버와; 상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에 위치되어 상하 변위에 따라 빛을 차단 또는 통과시킴으로써 감쇄량을 제어하는 것으로서, 초기 위치에서 감쇄량이 최대가 되도록 빛을 차단하는 가변 차단막과; 상기 변위는 구동전압의 제곱에 비례하도록 상기 가변 차단막을 구동하는 콤 액츄에이터와; 상기 가변 차단막이 초기 위치로 되돌아가도록 복원력을 부여하는 것으로서 상기 콤 액츄에이터의 구동 전압이 걸리지 않은 초기에는 감쇄량이 최대이고 복원력이 작용하지 않다가 이후 상기 가변 차단막이 구동되면 복원력이 작용하기 시작하는 스프링; 및 이를 포함하는 기판으로 구성되는 가변 광감쇄기에 관한 것으로서, 전압에 따라 빛의 감쇄량이 기하급수적으로 증가하지 않고 분해능 측면에서도 우수한 새로운 액츄에이터의 구동방식을 제공함을 목적으로 한다.

Description

가변 광감쇄기{VARIABLE OPTICAL ATTENUATOR}

본 발명은 광감쇄기에 관한 것으로서, 특히 정전력(Electrostatic force)을이용한 콤 구동 액츄에이터(Comb drive Actuator)에 관한 것이다.

일반적으로 광감쇄기(Variable Optical Attenuator :VOA)의 구동 방식은 정전력을 이용한 구조가 많이 사용되고 있다.

미합중국의 캘리포니아 대학(the University of California)에서 제안된 콤 액츄에이터(Comb Actuator)는 미합중국 특허 제 5025346호에 잘 나타나 있으며, 상기 구조는 제작 방식이나 구조적인 특성에서 다른 구동방식에 비하여 간단하기 때문에 특히 많이 채용되고 있다.

또한 국제특허 제 98/12589호는 2단 콤 구동 액츄에이터를 사용한 구조로 빛을 차단할 때 사용하는 콤 액츄에이터부와 빛을 차단하지 않을 때 사용하는 콤 액츄에이터부를 달리하여 구성하고 있다.

또한 미합중국특허 제6229640호는 단일 콤 액츄에이터(Single Comb Actuator)의 구조로 구동하는 방식을 개시하는 것으로서, 빛을 차단 및 통과시키기 위하여 콤 액츄에이터의 구동력과 스프링의 복원력을 이용하고 있다.

상술한 바와 같은 액츄에이터를 이용한 최근의 MEMS 가변 광감쇄기로는 차단막(shutter)형이 주로 이용되고 있다.

일반적으로, 차단막(shutter)형 가변 광감쇄기(VOA)는 한 쌍의 송수신 파이버 사이에 차단막을 위치시켜 차단막의 변위에 따라 두 파이버간의 접속 면적을 조절함으로써 삽입 손실인 감쇄량을 제어하게 되는데, 빛을 1차원 가우시안(Gaussian)분포로 가정할 경우, 감쇄량[dB단위]은 빛 차단 거리(light block distacne)에 따라 도 1에 도시된 그래프와 같이 크게 감소하는 것으로 나타난다. 만약 빛을 2차원 가우시안 분포로 가정한다면 그 현상은 더욱 심하게 나타나게 될 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 빛 차단 거리가 증가할수록 감쇄량은 거리의 3제곱에 비례하는 함수 형태로서 더욱 감소함을 알 수 있다.

또한, 빛 차단 거리는 다음의 수학식에서 나타난 바와 같이 구동 전압의 제곱에 비례하게 된다. 결국 감쇄량은 구동전압의 5제곱에 비례하는 결과를 얻게 된다.

(수학식1)

(수학식2)

여기서 f는 콤 액츄에이터에서 발생하는 힘인 구동력을 나타내며,는 변위를 나타낸다. 또한 V는 전압(voltage)을 나타내며, epsilon 은 유전률(permittivity)로서F/m이며, n_c는 콤의 갯수를 의미하며, t는 구조물의 두께, d는 콤의 gap을 의미하고, k는 스프링 상수를 나타낸다.

수학식2에서 액츄에이터의 변위는 다른 구조물이 일정할 경우에 인가되는 전압의 제곱에 비례하게 된다. 본 발명에서는 최대 변위를 일으키는 전압을 24V로 고정하기로 한다.

한편 감쇄량(Attenuation)은 변위()의 3제곱에 비례하는 것으로 나타났으므로 이를 수학식으로 정리하면 다음과 같이 3차식의 함수로 표현 가능하다.

(수학식3)

여기서, a, b, c, d는 상수이다.

또한 변위()가 구동전압의 제곱에 비례하므로, 감쇄량은 결국 다음과 같은 고차식의 함수로 표현될 수 있다.

(수학식4)

여기서,α,β,γ,d는 상수이다.

상기 수학식4에서 알 수 있듯이 감쇄량은 구동전압의 최고 5차 이상의 함수로 주어지며 최종적으로 그래프의 형상은 더욱 급속한 변화를 이루게 된다. 이러한 그래프의 최종 결과를 도 2는 잘 나타내고 있다.

즉 상술한 바와 같이 종래의 차단막형 광 감쇄기는 광파장의 가우시안 분포와 상기 콤 액츄에이터의 구조로 인한 전압 변위 특성으로 인해 데이터 전송시 선형성이 확보되지 않아 성능상의 문제가 발생하게 되는 문제점이 있다.

즉 종래 구조의 경우에서, 빛 차단 거리는 구동 전압의 제곱에 비례하고, 감쇄되는 빛의 양은 빛 차단 거리에 따라서 기하급수적으로 증가하는 형태이므로 결국에는 구동 전압과 감쇄량의 관계는 도 3의 세 번째 도면에서와 같은 그래프 형태를 가지게 된다.

이는 도 3에 도시된 바와 같이 빛의 분포가 가우시안(Gaussian)분포를 가짐으로 인해 차단 거리에 따른 빛의 감쇄 역시 거리에 따라 비선형적으로 증가하게 된다. 이 두 그래프를 합성하게 되면 최종적으로 전압에 따라 감쇄되는 양은 전압이 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하게 되어 분해능 측면에서 큰 문제점을 갖게 된다.

즉 광파장의 가우시안 분포 및 콤 액츄에이터의 구조로 인한 전압 변위 특성으로 인해 데이터 전송시 선형성이 확보되지 않아 성능상의 문제점이 발생하게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 기존의 MEMS 콤 구동 가변 광감쇄기에서 발생하는 성능 문제를 해결하기 위해 새로운 구동방식으로서 가변 차단막이나 가변 거울의 초기 위치를 변경하고 보조적으로 차등회로를 부가하여 데이터 전송시 선형성을 확보하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 일반적인 차단막형 MEMS 가변 광감쇄기에서의 감쇄량과 차단거리 사이의 관계를 나타내는 도면이며,.

도 2는 종래의 일반적인 차단막형 MEMS 가변 광감쇄기에서의 감쇄량과 구동전압 사이의 관계를 나타내는 도면이며.

도 3은 종래의 일반적인 차단막형 MEMS 가변 광감쇄기에서의 차단거리와 전압, 감쇄량과 차단거리 및 감쇄량과 전압 사이의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이며.

도 4는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 MEMS 가변 광감쇄기의 구성을 나타내는 도면이며.

도 5는 본 발명에 의한 일 실시예에서의 가변 차단막의 초기 위치를 나타내는 도면이며.

도 6은 본 발명에 의한 일 실시예에서의 스프링의 복원력이 작용되어 빛의 양을 조절하는 동안의 가변 차단막의 위치를 나타내는 도면이며.

도 7은 본 발명에 의한 다른 실시예에 따른 MEMS 가변 광감쇄기의 구성을 나타내는 도면이며.

도 8은 본 발명에 의한 다른 실시예에서의 가변 거울의 초기 위치를 나타내는 도면이며.

도 9는 본 발명에 의한 다른 실시예에서의 스프링의 복원력이 작용되어 빛의 양을 조절하는 동안의 가변 거울의 위치를 나타내는 도면이며.

도 10은 본 발명에 의한 차단막형 MEMS 가변 광감쇄기에서의 차단거리와 전압, 감쇄량과 차단거리 및 감쇄량과 전압 사이의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이며.

도 11은 본 발명에 의한 차단막형 MEMS 가변 광감쇄기에서의 삽입손실에 의한 감쇄량과 구동 전압 사이의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이며.

도 12는 본 발명에 따른 구동 전압 차등회로에 의한 감쇄량과 구동 전압 사이의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이며.

도 13은 본 발명에 의한 구동 전압 차등회로를 개략적으로 나타난 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1,11 : 전송 파이버 2,12 : 수신 파이버

3 : 가변 차단막 4,14 : 콤 액츄에이터

5,15: 스프링 6,16 : 기판

13 : 가변 거울: 변위

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 빛을 송신하는 전송 파이버와; 상기 전송 파이버와 동축으로 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버와; 상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에 위치되어 상하 변위에 따라 빛을 차단 또는 통과시킴으로써 감쇄량을 제어하는 것으로서, 초기 위치에서 감쇄량이 최대가 되도록 빛을 차단하는 가변 차단막과; 상기 변위는 구동전압의 제곱에 비례하도록 상기 가변 차단막을 구동하는 콤 액츄에이터와; 상기 가변 차단막을 초기 상태로 되돌아가도록 복원력을 부여하는 것으로서 상기 콤 액츄에이터의 구동 전압이 걸리지 않은 초기에는 감쇄량이 최대이고 복원력이 작용하지 않다가 이후 상기 가변 차단막이 구동되면 복원력이 작용하기 시작하는 스프링; 및 이를 포함하는 기판으로 구성되는 가변 광감쇄기에 관하여 개시하고 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 구성으로서 이하 첨부된 도면을 참조하여 설명하고자 한다.

전송 파이버(1)를 통과한 빛은 상기 전송 파이버와 동축으로 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버(2)에 전달되는데 이 때 상기 전송 파이버(1) 및 수신 파이버(2) 사이에 위치된 가변 차단막(3)의 변위에 의해 빛이 차단 또는 통과됨으로써 감쇄량을 제어하게 된다.

또한 상기 가변 차단막(3)을 구동하기 위하여 콤 액츄에이터(4)가 설치되는데 이때 상기 콤 액츄에이터는 상기 변위가 구동전압의 제곱에 비례하는 특성을 가지게 된다.

상기 가변 차단막(3)을 최초의 상태로 돌아가게 하려는 복원력을 부여하기 위하여 스프링(5)이 설치되는데, 이 때 상기 스프링(5)은 상기 콤 액츄에이터(4)의 구동 전압이 걸리지 않은 초기에는 복원력이 작용하지 않다가 이후 상기 가변 차단막(3)이 구동되면 복원력이 작용하기 시작하는 특징을 가진다.

미설명 부호 6은 기판을 나타낸다.

본 발명에서 제안된 구동 방식의 기본 조건은 다음과 같다.

첫째, 변위가 전압의 제곱에 비례하는 콤 액츄에이터(Comb Actuator)의 구조이다.

둘째, 수신 파이버(2)가 콤 액츄에이터(4)와 스프링(5)에 의한 초기 조건에서 빛을 전혀 받지 않는 상태이어야 한다. 즉 초기 조건에서 감쇄량이 가장 큰 구조이어야 한다. 초기 구동 전압이 없을 경우 빛을 전부 차단한 구조로 스프링(5)의 복원력이 전혀 작동하고 있는 않으나, 전압이 인가됨에 따라 상기 가변 차단막(3)이 점차적으로 열려 빛을 전달하는 양이 증가하게 되는 구조이다.

이러한 특징을 첨부된 도면인 도 5를 참조하여 설명하고자 한다. 도 5는 본 발명에 따른 가변 차단막의 초기 위치를 나타내는 도면이다.

즉 초기에는 상기 가변 차단막(3)이 완전히 상방에 위치하여 스프링(5)의 복원력이 없는 상태가 되며, 수신 파이버(2)측에 빛을 전혀 전달하지 않는 상태가 된다. 이 후 상기 가변 차단막(3)은 상기 콤 액츄에이터(4)의 구동에 의하여 점진적으로 하방으로 이동하여 빛을 통과시키게 되며, 상기 스프링(5)의 복원력이 발휘되어 빛의 양을 조절할 수 있게 되는 구조이다.

한편, 상기 스프링(5)의 복원력이 작용되어 상기 가변 차단막(3)이 빛의 양을 조절하는 동안의 위치를 도 6에 나타내었다.

즉, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 종래의 광 감쇄기와는 달리 가변 차단막의 초기 위치를 변경하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 다른 실시예로서 빛을 송신하는 전송 파이버와; 상기 전송 파이버와 일정 경사를 두고 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버와; 상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에 위치되어 상하 변위에 따라 빛을 반사시킴으로써 감쇄량을 제어하는 것으로서, 초기 위치에서 감쇄량이 최대가 되도록 빛을 반사시키는 가변 거울과; 상기 변위는 구동전압의 제곱에 비례하도록 상기 가변 거울을 구동하는 콤 액츄에이터와; 상기 가변 거울이 초기 위치로 되돌아가도록 복원력을 부여하는 것으로서 상기 콤 액츄에이터의 구동 전압이 걸리지 않은 초기에는 감쇄량이 최대이고 복원력이 작용하지 않다가 이후 상기 가변 거울이 구동되면 복원력이 작용하기 시작하는 스프링; 및 이를 포함하는 기판으로 구성되는 가변 광감쇄기를 개시하고 있다.

도 7은 이러한 구성을 나타내는 도면으로서 도시된 바와 같이, 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

초기에는 가변 거울이 완전히 하방으로 빠져있고 스프링(15)의 복원력이 없는 상태로서, 전송 파이버(11)로부터 수신 파이버(12)측으로 빛이 전혀 전달되지 않는 상태가 된다. 이 때 가변 거울(13)이 점진적으로 상방으로 이동하여 빛을 반사시키게 되어 상기 스프링(15)의 복원력이 발휘되며 빛의 양을 조절할 수 있게 되는 구조이다. 미설명 부호 16은 기판을 나타낸다.

또한, 상기 스프링(15)의 복원력이 작용되지 않는 초기의 상기 가변 거울의 위치 및 스프링(15)의 복원력이 작용하는 동안의 위치를 각각 도 8 및 9에 나타내었다.

상술한 바와 같이 상기 가변 차단막(3) 및 가변 거울(13)의 초기 위치와 스프링의 복원력이 작용하는 동안의 위치 사이의 차인 변위()와 콤 액츄에이터의 구동전압 사이에는 다음과 같은 수학식5가 성립한다.

(수학식5)

또한 본 발명의 실시예에서 빛 차단 거리(x)는 아래와 같은 수학식으로 얻어진다.

(수학식6)

여기서, δ_max는 콤 액츄에이터(Actuator)의 빛 차단용 최대 거리를 나타내는 것으로서 상기 수학식에서 빛 차단거리는 전압에 대하여 음의 부호를 가진 2차식으로 나타낼 수 있다.

따라서, 수학식6을 통해 차단거리와 전압 사이에 도 10의 첫 번째 도면과 같은 결과를 나타내는 그래프를 얻게 된다.

또한 빛 차단 거리에 따른 감쇄량은 도 10의 두 번째 도면과 같이 나타나게 됨을 알 수 있다. 따라서 상기 두 개의 그래프를 합성하면 최종적으로 구동 전압에 따른 감쇄량이 도 10의 세 번째 도면과 같이 나타나게 된다. 즉 구동 전압에 따라서 기하 급수적으로 증가하는 기존의 형태와는 달리 초기에 최대값을 가지다가 점진적으로 감소하는 형태를 나타내게 된다.

즉 본 발명에 따른 광감쇄기는 콤 액츄에이터가 초기 전압을 인가하지 않을 때 수광부가 빛을 받지 못하는 구조이므로 초기에 감쇄량이 최대로 나타나다가, 구동 전압이 증가함에 따라 서서히 변화하는 특징을 나타낸다.

이러한 경우 전압과 감쇄량의 관계를 나타내는 그래프는 높은 구동전압일 때에 보다 높은 해상도를 가지게 되며, 전체적으로 보다 선형적인 감쇄곡선을 가지게 된다.

도 11은 빔(Beam)을 가우시안(Gaussian)분포로 하여 콤 액츄에이터(Comb Actuator)의 변위 특성에 의해 얻은 그래프이다. 도 11의 감쇄량과 구동 전압 곡선에서 알 수 있듯이 최고 구동 전압에서 감쇄량이 적게 나타나는 것을 알 수 있다.

따라서, 최고 구동 전압에서 감쇄량을 최고로 하려면, 도 13에 도시된 바와 같은 회로를 부착하여 간단히 해결할 수 있다. 일반적으로 제어 구동 전압와 최대 전압는 다음의 수학식과 같은 관계를 가진다.

(수학식7)

이 때 상기 제어 구동 전압에 의해 감쇄량은 도 12에 도시된 바와 같이,가 선형적으로 증가함에 따라 감소하는 형태를 보여준다. 그런데 상기 수학식7과 같은 관계를 갖는 이유는 다음의 수학식을 통해 알 수 있다.

(수학식8)

수학식7에 의하면 실제 구동 전압(V)에 대한 감쇄량을 나타내는 그래프는 도 12와 같이 나타나게 되어, 실제 구동 전압과 제어 구동 전압이 각각 24V 및 0V로 나타나며 이는 도 11과는 그 값이 서로 바뀌는 형태를 가지게 된다.

또한 본 발명의 바람직한 실시를 위하여, 일반적인 구동전압이 증가함에 따라 감쇄되는 양도 많아지게 될 경우에 차등 회로를 부착함으로 데이터 전송의 선형성을 확보함으로써 종래의 문제점을 쉽게 해결할 수 있다.

본 발명에 의한 경우 감쇄량이 선형성을 많이 가지게 되며 분해능도 일정 한도 이상으로 나빠지지 않는 특징을 보이게 되는데 이는 직선 회귀 수식에 의해 알 수 있다. 종래의 방식을 사용할 경우 회귀 직선의 기여율(coefficient of determination)은이고, 본 발명의 경우의 값을 가진다. 또한최대 구동 전압의 중간부분에서의 분해능이 최소 분해능을 가지는 특징이 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예 및 적용 분야와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하며 그 적용에 있어서도 다양한 형태로 구현 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 기존의 가변 광감쇄기에서 발생하는 성능 문제를 해결할 수 있는 새로운 구동방식을 제안함으로써, 전압에 따라 감쇄되는 양이 전압의 증가에 따라 기하급수적으로 증가하지 않고 분해능 측면에서도 우수한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 빛을 송신하는 전송 파이버와;

   상기 전송 파이버와 동축으로 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버와;

   상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에 위치되어 상하 변위에 따라 빛을 차단 또는 통과시킴으로써 감쇄량을 제어하는 것으로서, 초기 위치에서 감쇄량이 최대가 되도록 빛을 차단하는 가변 차단막과;

   상기 변위는 구동전압의 제곱에 비례하도록 상기 가변 차단막을 구동하는 콤 액츄에이터와;

   상기 가변 차단막이 초기 위치로 되돌아가도록 복원력을 부여하는 것으로서 상기 콤 액츄에이터의 구동 전압이 걸리지 않은 초기에는 감쇄량이 최대이고 복원력이 작용하지 않다가 이후 상기 가변 차단막이 구동되면 복원력이 작용하기 시작하는 스프링; 및

   이를 포함하는 기판으로 구성되는 가변 광감쇄기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 콤 액츄에이터는 구동전압의 증가에 따라 빛의 감쇄량이 선형적으로 나타나도록 차등회로가 부가된 것을 특징으로 하는 가변 광감쇄기.
3. 빛을 송신하는 전송 파이버와;

   상기 전송 파이버와 일정 경사를 두고 위치하여 빛을 수신하는 수신 파이버와;

   상기 전송 파이버 및 수신 파이버 사이에 위치되어 상하 변위에 따라 빛을 반사시킴으로써 감쇄량을 제어하는 것으로서, 초기 위치에서 감쇄량이 최대가 되도록 빛을 반사하는 가변 거울과;

   상기 변위는 구동전압의 제곱에 비례하도록 상기 가변 거울을 구동하는 콤 액츄에이터와;

   상기 가변 거울을 초기위치로 되돌아가도록 복원력을 부여하는 것으로서 상기 콤 액츄에이터의 구동 전압이 걸리지 않은 초기에는 감쇄량이 최대이고 복원력이 작용하지 않다가 이후 상기 가변 거울이 구동되면 복원력이 작용하기 시작하는 스프링; 및

   이를 포함하는 기판으로 구성되는 가변 광감쇄기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 콤 액츄에이터는 구동전압의 증가에 따라 빛의 감쇄량이 선형적으로 나타나도록 차등회로가 부가된 것을 특징으로 하는 가변 광감쇄기.