KR100408679B1 - 가변 광감쇠기 및 이를 이용한 광감쇠방법 - Google Patents

Abstract

인가되는 전압을 가변하여 광세기(intensity)를 제어할 수 있는 광감쇠기에 관한 것으로서, 하나의 렌즈에 입력광섬유 및 출력광섬유가 평행하게 인입되도록 구성된 듀얼 광콜리메이터(Dual Optical Collimator)와, 상기 광콜리메이터에 대응되는 위치에 구성되며 입력광섬유로부터 전달되어 상기 듀얼 광콜리메이터를 거쳐 제공되는 빛을 반사시켜 상기 듀얼 광콜리메이터의 출력광섬유로 전달하는 반사체와, 인가되는 전압에 비례하여 상기 반사체를 틸트시키는 액튜에이터(Bender Actuator)를 포함하여 이루어지며 빠른 응답속도를 가지며 부피가 작게 구성할 수 있는 효과를 가진다.

Description

가변 광 감쇠기 및 이를 이용한 광 감쇠 방법{A variable optical attenuator and the method thereof}

본 발명은 광감쇠기(Optical attenuator)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인가되는 전압을 가변하여 광세기(intensity)를 제어할 수 있는 광감쇠기 및 감쇠방법에 관한 것이다.

광감쇠기(optical attenuator)는 입력광 신호의 세기를 감쇠 시켜주는 역할을 한다. 가변 광감쇠기(variable optical attenuator)는 전기적 또는 기계적인방법으로 광신호의 감쇠 정도를 외부에서 조절해 줄 수 있는 광감쇠기(optical attenuator)를 말한다. 광감쇠기(optical attenuator)의 용도는 시스템 또는 소자의 광세기(intensity)에 대한 특성분석 등에서부터, 최근의 파장분할다중(wave-length division multiplex, WDM) 기반 광 교차접속(cross connect)에 이르기까지 다양하다. WDM 기반의 전송 및 전달망 등에서는 다수의 파장이 다중화되어 전송되며, 광세기(intensity)는 각 파장별로 특정 범위내로 균일하게 유지되어야 한다. 그러나 광신호 처리 과정에서 각 파장별로 소자의 증폭 및 손실특성이 다르다. 따라서 가변 광감쇠기(variable optical attenuator)를 사용하여 각 파장별 출력광의 세기를 균일하게 만들기 위한 과정이 필요하기 때문에 감쇠의 정도를 외부에서 쉽게 조절할 수 있는 가변 광감쇠기(variable optical attenuator)가 필요하다. 또한 다파장을 동시에 병렬로 처리하여야 하기 때문에 여러 개의 광감쇠기(optical attenuator)가 병렬로 집적화되기 쉬운 구조를 요구하고 있다.

광섬유에서 사용되어 온 광감쇠기(optical attenuator)로는 크게 기계적으로 이동시키는 방법과 전력을 인가하여 감쇠하는 방법이 있으며, 그 중 기계적인 방법으로는 도 1에서 나타난 바와 같이, 광섬유(11, 14) 종단에 렌즈(12, 13)를 달아서 광섬유에서 공기중으로 출사될 때 평행광이 되도록 제작한 광콜리메이터(Optical Collimator)를 사용하고 있다. 이는 역으로 평행광으로 입사된 광을 광섬유 내로 집광시키기도 한다. 광축이 일직선으로 정렬된 마주보는 두 개의 광 콜리메이터 사이에 완전 불투명한 물체(15)를 삽입하여 회전시키거나 이동시켜 두 개의 광 콜리메이터 사이에서 평행하게 지나가는 광량을 적당량 차단함으로써 광의 세기를 조절하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법은 광량을 최소에서 최대로 변화시키는 데 소요되는 시간이 수초(second) 정도 소요되어 매우 늦은 편이다. 또한, 상기 불투명한 물체를 회전시키기 위한 모터(motor) 때문에 부피가 커지게 된다.

전력을 인가하여 가열하는 방법으로는 도 2에 도시된 바와 같이, 광 도파로에 열을 인가하여 굴절률을 변화시키는 방법이 있다. 실리콘 웨이퍼위에 실리카(SiO₂)나 폴리머(Polymer)등으로 광이 지나갈 수 있는 인접한 두 개의 광도파로를 제작하고 그 위에 히터를 형성시킨다. 전력을 인가하여 히터를 가열하면 그 주변의 온도도 상승하게 된다. 이때, 광도파로의 굴절률이 변화되고 이에 따라 인접한 두 도파로 간의 커플링(Coupling Coefficient)정도가 변화된다. 따라서, 인접한 도파로(B→B*)로 광이 이전되어 입력 및 출력부와 연결되어 있는 (A→A*)광량을 조절할 수 있게 된다. 그러나 이러한 방법 또한 광도파로를 제작하는 비용이 많이 들고, 광도파로와 광섬유를 연결하기 위한 공정(Pigtail)이 필요하며, 인접한 두 도파로 간의 커플링(Coupling Coefficient) 정도가 파장(Wavelength)에 의존하므로 파장의존특성(Wavelength Dependency)이 나쁜 단점이 있다.

본 발명은 응답속도가 빠른 가변 광감쇠기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 부피가 작은 가변 광감쇠기를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전압으로 제어되는 가변 광감쇠기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 제작이 용이한 가변 광감쇠기를 제공하는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 구성상 특징은 하나의 렌즈에 입력광섬유 및 출력광섬유가 평행하게 인입되도록 구성된 듀얼 광콜리메이터(Dual Optical Collimator)와, 상기 광콜리메이터에 대응되는 위치에 구성되며 입력광섬유로부터 전달되어 상기 듀얼 광콜리메이터를 거쳐 제공되는 빛을 반사시켜 상기 듀얼 광콜리메이터의 출력광섬유로 전달하는 반사체와, 그 일부가 상기 듀얼 광콜리메이터의 하단부에 광섬유의 길이방향과 평행하게 연결되고, 타측부가 상기 반사체의 반사면에 수직되게 연결되어, 인가되는 전압에 비례하여 고정되지 않은 부분이 휘어 상기 반사체를 틸트(tilt)시키는 압전소자 밴더 액튜에이터(PZT Bender Actuator)를 사용하여 이루어지는 점이다.

본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 다른 특징으로는 상기 액튜에이터가, 상기 반사체의 반사되는 면의 배면에 설치되며, 인가되는 전압에 따른 수축 과 팽창동작으로 상기 반사체를 회전(tilt)시키는 압전소자 틸트 액튜에이터(PZT Tilt Actuator)를 사용하여 이루어지는 점이다.

도 1은 종래 기술에 따른 광감쇠기의 예시도,

도 2는 다른 종래 기술에 따른 광감쇠기의 예시도,

도 3a 내지 도 3b는 일반적인 광 경로의 설명을 위한 예시도,

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 원리를 나타낸 예시도,

도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일 실시에 따른 광 감쇠기의 구성을 나타낸 예시도,

도 6은 본 발명의 다른 실시에 따른 광 감쇠기의 구성을 나타낸 예시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 가변 광감쇠기의 구성과 그에 따른 동작을 설명하기로 한다.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 가변 광 감쇠기의 동작 개념을 나타낸 예시도이다. 도 3a는 입사각(a1)과 출사각(b1)의 관계를 나타낸 것이다. 빛이 입사각(a1)으로 경계면을 향해 입사될 때, 반사되어 출사되는 출사각(b1)은 스넬의 법칙(Snell's Law)에 따라 a1=b1 서로 동일하다. 만일, 도 3b와 같이 입사광(a2)은 고정시키고 반사체를 각도 k 만큼 회전시키게되면 출사각은 b2+2k가 된다. 즉, 반사체 회전량(k)의 2 배만큼 더해지게 된다. 다시 말해서 반사체를 적게 회전시켜도 출사되는 광의 회전각은 2 배가 된다.

이러한 원리를 이용한 본 발명에 적용한 기본 동작을 도 4a 내지 도 4b를 통해 살펴본다. 도 4a는 입력광섬유, 출력광섬유, 렌즈(20) 그리고 반사체(30)를 나타내고 있다. 빛은 입력광섬유 ⇒ 렌즈 ⇒ 반사체 ⇒ 렌즈 ⇒ 출력광섬유의 경로를 지나게 된다. 여기에서 도 4b와 같이, 광축이 정렬된 상태에서 반사체를 미소하게 회전(Tilt)시키면 반사체의 회전에 따른 반사광의 각도가 변화되어 출력 광섬유로 인입되는 광량이 적어지고(각 어긋남 효과), 또한 입력 및 출력 광섬유 모두 고정되어 있기 때문에 축 어긋남 (Offset) 효과도 발생되어 출력 광섬유로 인입되는 광량은 더욱 더 적어지게 된다.

즉, 상기 도 4b와 같은 구조에서 반사체가 회전하면

1) 광 콜리메이터로 입력되는 광의 각도 어긋남(angle offset) 효과.

2) 광 콜리메이터로 입력되는 광의 축 어긋남(axis offset) 효과 등을 통해 두 어긋남 효과가 더해져 광량의 변화량은 더욱 커지게 된다. 그러므로 반사체의 회전 각도를 적절히 제어함으로써 출력 광섬유로 인입되는 광량을 최대로부터 최소량까지 제어가 가능하다.

이러한 원리를 이용하여 전압으로 상기 반사체를 회전(tilt)시키는 본 발명의 일 실시에 따른 가변 광 감쇠기(Variable Optical Attenuator)가 도 5a 내지 도 5b에 도시되어 있다. 본 실시예에서는 압전소자 밴더 액튜에이터(PZT Bender Actuator: 이하 PZT로 약칭함)를 사용한 것이다. 압전소자(PZT)는 Plumbum chloride (PbCl₂), Zirconium oxychloride (ZrOCl₂.8H₂O) and Titanium tetrachloride (TiCl₄)등으로 구성된 세라믹으로서 압력을 받으면 전압이 발생되고 역으로 전압을 인가하면 부피가 팽창 또는 수축하는데 이러한 특성을 이용하여 휘어짐 특성이 좋게 또는 팽창이나 수축 특성이 좋게 제작되어 미세한(수 ㎛) 변위로 이동하는데 널리 사용되고 있다.

일반적으로 광 콜리메이터(Optical Collimator)는 광섬유의 코아(core) 직경이 수 10㎛로 매우 작기 때문에 광섬유로 광을 삽입하기가 어렵다. 광콜리메이터는 광섬유 끝단에 렌즈(Grade Index Lens)를 부착한 것으로 평행하게 입사되는 광을 모아 광섬유 내로의 삽입을 용이하게 하고 동시에 광섬유로부터 공기중으로 광이 출사될 때 퍼지지 않고 평행하게 출사되도록 하는 소자이다. 본 발명에서는 듀얼 광콜리메이터(Dual Optical Collimator)를 사용한다. 이는 전술한 광콜리메이터(Optical Colliminator)와 동일한 기능을 수행하며 하나의 렌즈(Grade Index Lens)에 두 개의 광섬유를 나란히 결합하여 제작된 것이다.

반사체는 평면으로 연마된 얇은(무게를 가볍게 하기 위해)유리판 위에 무기물(SiO₂, TiO₂등)을 얇게 입혀(Thin Film Coating) 넓은 파장영역에서 높은 반사율을 갖도록 제작된 것이며 일반적으로 전반사 코팅 거울을 사용한다.

도 5a에서 보는 바와 같이, 하나의 렌즈에 입력광섬유 및 출력광섬유가 평행하게 인입되도록 구성된 듀얼 광콜리메이터(Dual Optical Collimator)와, 상기 광콜리메이터에 대응되는 위치에 구성되며 입력광섬유로부터 전달되어 상기 듀얼 광콜리메이터를 거쳐 제공되는 빛을 반사시켜 상기 듀얼 광콜리메이터의 출력광섬유로 전달하는 반사체(30)와, 인가되는 전압에 비례하여 상기 반사체(30)를 틸트시키는 압전소자 밴더 액튜에이터(PZT Bender Actuator)로 이루어진다. 상기 PZT는 듀얼 광콜리메이터의 하단부에 광섬유의 길이방향과 평행하게 일부가 고착되고, 타측부가 상기 반사체(30) 광경로의 반사면에 수직을 이루고 연결된다.

도 5b는 상기 액튜에이터에 전압을 인가하였을 때 나타나는 동작예시도이다. 도시된 바와 같이, 인가되는 전압에 비례하여 액튜에이터의 고정되지 않은 부분이 휘게 되고 액튜에이터가 휘는 양 만큼 반사체(30) 역시 틸트(tilt)시키게 된다. 도 3a 내지 도 4b에서 설명한 바와 같은 원리에 따라 광경로가 변경되고 입력광섬유로부터 출력되어 출력광섬유에 인입되는 광량을 최대량으로부터 최소량까지 연속적으로 변화시킬 수 있다. 또한, 전압의 인가에 따른 광감쇠 반응이 빠르게 나타난다.

도 6은 본 발명의 다른 실시에 따른 가변 광감쇠기의 구성을 나타낸 예시도이다. 도 5a 내지 도 5b의 예와 달리 PZT 틸트 액튜에이터(PZT Tilt Actuator)에 반사체(30)를 부착한다. PZT에 전압을 인가하게 되면 PZT 틸트 액튜에이터에 고정되어 있는 중심축(50)을 기준으로 PZT A는 팽창시키고 PZT B는 수축하게 한다. 반대로 PZT A는 수축되고 PZT B는 팽창시킬 수도 있다. 즉, PZT A, B에 전압을 인가하면 인가되는 전압에 비례하여 반사체도 회전(Tilting)하게 되고 위의 도 3a 내지 도 4b에서 설명된 바와 같은 원리에 의해 출력광섬유에 인입되는 광량이 최소량부터 최대량까지 연속적으로 변화될 수 있다. 따라서, 전압으로 제어가 가능하며 이 또한, 위의 도 5a 내지 도 5b의 일 실시에서와 같이 적은 부피로 구성이 가능하고 동작 응답 속도가 빠르게 나타난다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 가변 광감쇠기는 빠른 응답속도를 가지며 부피가 작게 구성할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 하나의 렌즈에 입력광섬유 및 출력광섬유가 평행하게 인입되도록 구성된 듀얼 광콜리메이터(Dual Optical Collimator)와,

   상기 광콜리메이터에 대응되는 위치에 구성되며 입력광섬유로부터 전달되어 상기 듀얼 광콜리메이터를 거쳐 제공되는 빛을 반사시켜 상기 듀얼 광콜리메이터의 출력광섬유로 전달하는 반사체와,

   그 일부가 상기 듀얼 광콜리메이터의 하단부에 광섬유의 길이방향과 평행하게 연결되고, 타측부가 상기 반사체의 반사면에 수직되게 연결되어, 인가되는 전압에 비례하여 고정되지 않은 부분이 휘어 상기 반사체를 틸트(tilt)시키는 압전소자 밴더 액튜에이터(PZT Bender Actuator)를 포함하여 이루어지는 가변 광 감쇠기.
3. 하나의 렌즈에 입력광섬유 및 출력광섬유가 평행하게 인입되도록 구성된 듀얼 광콜리메이터(Dual Optical Collimator)와,

   상기 광콜리메이터에 대응되는 위치에 구성되며 입력광섬유로부터 전달되어 상기 듀얼 광콜리메이터를 거쳐 제공되는 빛을 반사시켜 상기 듀얼 광콜리메이터의 출력광섬유로 전달하는 반사체와,

   상기 반사체의 반사되는 면의 배면에 설치되어, 인가되는 전압에 따른 수축 과 팽창동작으로 상기 반사체를 회전(tilt)시키는 압전소자 틸트 액튜에이터(PZT Tilt Actuator)를 포함하여 이루어지는 가변 광 감쇠기.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 기술된 가변 광감쇠기를 이용하여 상기 액튜에이터(Actuator)에 인가되는 전압의 크기를 가변하여 반사체를 회전(Tilt)시킴으로써 듀얼 광콜리메이터의 출력광섬유에 인입되는 광량을 제어하는 것을 특징으로 하는 가변 광 감쇠방법.