KR100439479B1 - Photonic crystal waveguide devices - Google Patents
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Abstract
광자결정 광소자 및 이의 응용에 대해 개시한다. 본 발명의 광자결정 광소자는, 도파로 중심(center) 주변에 도파로 방향으로 형성되어 있는 한 개 이상의 공기층(홀)에 대해 도파로를 따라서 임의의 영역마다 외부에서 압박하여 도파로를 변형시킴으로써 압박 유무, 압박 위치 및 압박 크기에 따라 도파로의 광 손실, 도파 방향 및 투과 스펙트럼 특성이 변화하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 광자결정 광소자의 일정한 부분에 압박을 조절하는 경우 쉽게 도파특성, 분산특성 등 여러 가지 특성이 쉽게 조절이 될 수 있기 때문에 광통신, 광전자분야에 많이 기여할 수 있다.A photonic crystal optical device and its application are disclosed. The photonic crystal optical device according to the present invention is pressed against one or more air layers (holes) formed in the waveguide direction around the center of the waveguide by externally deforming the waveguide along any of the regions along the waveguide to depress the presence or absence of a compression. And the light loss, the waveguide direction, and the transmission spectral characteristics of the waveguide vary according to the pressing size. According to the present invention, when the pressure is adjusted to a certain portion of the photonic crystal optical device, since various characteristics such as waveguide characteristics and dispersion characteristics can be easily adjusted, it can contribute a lot to the optical communication and optoelectronic fields.
Description
본 발명은 광자결정 광소자 및 이의 응용에 관한 것으로, 특히 투과스펙트럼, 광손실, 도파특성, 분산특성 및 모드 패턴을 용이하게 변화시키기 위해 광자결정 광도파로에 외부에서 적당한 위치에 힘을 가해줌으로써 광 감쇄기, 광필터, 광센서, 분산보상기 등을 구현할 수 있는 광자결정 광소자 및 이의 응용에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to photonic crystal optical devices and their applications, and in particular, by applying a photonic crystal optical waveguide to a suitable position from outside to easily change the transmission spectrum, light loss, waveguide characteristics, dispersion characteristics and mode patterns. A photonic crystal optical device capable of implementing an attenuator, an optical filter, an optical sensor, a dispersion compensator, and the like, and an application thereof.
광자결정 광도파로는 도파로 주변에 한 개 이상의 공기층이 있는 도파로 이며, 도파로의 구조에 따라서 평면도파로 형태를 갖는 광자결정 평면도파로와 도파로의 형태가 광섬유처럼 원통형으로 된 광자결정 광섬유(PCF)로 구분된다. 이들 광자결정 도파로는 기존의 도파로와 다른 도파 및 분산 특성 등이 있기 때문에 광통신 분야에서 많은 주목을 받고 있으며, 클래딩 영역 내에 길이 방향으로 일정하게 정렬된 다수의 공기층 또는 공기구멍(air hole)이 존재하는 것을 특징으로 하고 있다.The photonic crystal optical waveguide is a waveguide having one or more air layers around the waveguide. The photonic crystal optical waveguide is divided into a photonic crystal optical fiber (PCF) having a cylindrical shape like an optical fiber according to the structure of the waveguide. . These photonic crystal waveguides have attracted much attention in the field of optical communication because they have waveguides and dispersion characteristics different from the conventional waveguides, and there are many air layers or air holes uniformly aligned in the longitudinal direction in the cladding region. It is characterized by.
광자결정 광도파로 중에서 특히, 광자결정 광섬유(PCF)의 특징을 요약하면 넓은 파장범위에 대해서 단일모드로 동작할 수도 있으며, 가시광선영역과 근적외선 영역에서 anomalous GVD특성이 있다. 이러한 새로운 특징 때문에 PCF는 광 솔리톤 통신, 고출력 광섬유 레이저, 광측정 및 임상진단 등 여러 분야에 폭넓은 응용이 전 세계적으로 시도되고 있다. 현재 국내외에서 PCF에 대한 연구수준은 기초연구 단계에 있으며, 앞으로는 PCF를 기반으로 하는 광자결정 광소자에 대한 연구 개발이 크게 활성화 될 것으로 예상된다.Among the photonic crystal optical waveguides, in particular, the characteristics of the photonic crystal optical fiber (PCF) can be summarized to operate in a single mode over a wide wavelength range, and have anomalous GVD characteristics in the visible and near infrared regions. Because of these new features, PCFs are being tried worldwide for many applications, including optical soliton communications, high power fiber lasers, optical measurements and clinical diagnostics. At present, the level of research on PCF at home and abroad is in the basic research stage, and it is expected that the research and development of photonic crystal optical devices based on PCF will be greatly activated in the future.
이렇듯 PCF를 포함하는 광자결정 도파로를 기반으로 하는 광자결정 광소자에 대한 전망이 밝으나 이를 광감쇄기, 광필터, 광센서를 포함하는 다양한 소자로 상품화하기 위해서는 광자결정 도파로를 이용하여 소자를 만드는 기술이 개발되어야 한다. 현재 기존의 광도파로로 이루어진 광감쇄기는 주로 마이크로 벤딩에 근거하고 있고, 광필터는 주로 광도파로에 UV 빔을 조사해 줌으로써 쉽게 광도파로 격자와 같은 광필터를 제작하고 있다. 그러나 광자결정 도파로의 내부 구조가 다르기때문에 기존의 도파로와 다르기 때문에 같은 방법으로는 광자결정 도파로 소자를 제작하기가 어려울 뿐만 아니라 제작을 해도 같은 성능을 기대하기가 어렵다.As such, the prospects for photonic crystal optical devices based on photonic crystal waveguides including PCFs are bright, but in order to commercialize them into various devices including optical attenuators, optical filters, and optical sensors, technology for making devices using photonic crystal waveguides has been developed. Should be developed. Currently, the optical attenuator made of the existing optical waveguide is mainly based on micro bending, and the optical filter mainly makes an optical waveguide grating such as an optical waveguide grating by irradiating UV light to the optical waveguide. However, since the internal structure of the photonic crystal waveguide is different from that of the conventional waveguide, it is difficult to manufacture the photonic crystal waveguide device by the same method, and it is difficult to expect the same performance even if it is manufactured.
따라서, 본 발명의 목적은 공기층이 있는 광도파로에 외부로부터 압력을 가해 줌으로써 공기층의 두께를 변형시켜줌으로써 광감쇄 및 광필터를 포함하는 여러 가지 광소자의 기능을 구현하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to implement the functions of various optical elements including optical attenuation and optical filters by modifying the thickness of the air layer by applying pressure from the outside to the optical waveguide with the air layer.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입사된 빛을 전송하는 도파영역인 코어와, 상기 코어의 주변영역인 클래딩 사이에 빛의 도파진행방향으로 적어도 하나 이상의 홀을 갖는 도파로로 이루어진 광자결정 광소자에 적용되는데, 본 발명의 광자결정 광소자는 상기 빛이 코어에서 클래딩으로 홀을 통해 빠져나가는 FTIR을 겪을 수 있도록, 상기 홀의 직경을 감소시켜 임의의 영역에서 코어와 클래딩 사이를 근접시켜서 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 빛이 코어에서 클래딩으로 홀을 통해 빠져나가는 FTIR을 겪을 수 있도록 함과 동시에 상기 FTIR을 겪으면서 클래딩으로 빠져나간 광파중 일부가 선택적으로 코어로 다시 결합되어 감쇄정도, 투과스펙트럼을 포함한 도파로의 특성을 변화시킬 수 있도록, 임의의 간격마다 상기 홀의 직경을 감소시켜 코어와 클래딩 사이를 근접시켜서 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object of the present invention is a photon consisting of a waveguide core for transmitting the incident light and a waveguide having at least one hole in the waveguide propagation direction of light between the cladding which is a peripheral region of the core It is applied to a crystalline optical device, wherein the photonic crystal optical device of the present invention is formed by reducing the diameter of the hole to close the core and the cladding in an arbitrary area so that the light may experience FTIR exiting through the hole from the core to the cladding. It is characterized by. In addition, while allowing the light to experience FTIR exiting the hole from the core to the cladding, at the same time, some of the light waves exiting the cladding while undergoing the FTIR are selectively recombined back to the core to provide attenuation, transmission spectrum including transmission spectrum. In order to be able to change the characteristics of, the diameter of the hole is reduced by any interval, characterized in that made by close proximity between the core and the cladding.
한편, 압박크기 및 압박위치에 따라 상기 코어에서 클래딩으로 홀을 통해 빠져나가는 FTIR의 크기를 변화시킴과 동시에 상기 FTIR을 겪으면서 클래딩으로 빠져나간 광파중 일부가 압박위치 간격에 따라 선택적으로 코어로 다시 결합되어 감쇄정도, 투과스펙트럼을 포함한 도파로의 특성을 변화시킬 수 있도록, 상기 도파로를 압박하여 홀을 변형시키는 압박수단을 도파로를 따라 형성시키되, 상기 압박수단은 상부압박판과 하부압박판으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 상부압박판 또는 하부압박판에는 선택적으로 요철을 형성시킬 수 있다. 이 요철은 주기적인 간격으로 산과 골이 형성되거나, 비주기적인 간격으로 산과 골이 형성될 수 있다.On the other hand, depending on the compression size and the compression position, the size of the FTIR exiting through the hole from the core to the cladding is changed, and at the same time, some of the light waves exiting the cladding undergoing the FTIR are selectively returned to the core according to the compression position interval. Combining means is formed along the waveguide to press the waveguide to change the characteristics of the waveguide including the degree of attenuation, transmission spectrum coupled to the waveguide, the pressing means is formed of the upper pressing plate and the lower pressing plate Preferably, the upper pressing plate or the lower pressing plate may be selectively formed irregularities. The irregularities may be formed in the valleys and valleys at regular intervals, or the hills and valleys at non-periodic intervals.
이와 같은 이론을 적용하여 광감쇄기, 압력센서, 광필터, 광스위치 등에 적용될 수 있다.This theory can be applied to optical attenuators, pressure sensors, optical filters, optical switches, and the like.
그리고, 상기한 도파로는 광섬유 또는 평면도파로를 모두 포함한다.The waveguide includes both an optical fiber or a planar waveguide.
도 1a는 가압에 따른 변형을 주지 않았을 때의 동일 크기 및 형상의 공기구멍 또는 공기층(홀)을 갖는 광자결정 광도파로의 단면도,1A is a cross-sectional view of a photonic crystal optical waveguide having air holes or air layers (holes) of the same size and shape when no deformation due to pressure is applied;
도 1b는 가압에 따른 변형을 주지 않았을 때의 동일 크기 및 형상의 공기구멍 또는 공기층(홀)을 갖지 않는 광자결정 광도파로의 단면도,1B is a cross-sectional view of a photonic crystal optical waveguide having no air holes or air layers of the same size and shape when no deformation due to pressure is applied;
도 2a는 도 1a에 대해 외부에서 도파로 방향과 수직으로 압력 또는 힘을 가하여 광자결정 도파로의 공기층의 형태와 크기를 변형시켰을 때의 광자결정 광도파로의 단면도,FIG. 2A is a cross-sectional view of a photonic crystal waveguide when the shape and size of the air layer of the photonic crystal waveguide are modified by applying pressure or a force to the waveguide direction from the outside with respect to FIG. 1A;
도 2b는 도 1a에 대해 외부에서 도파로 방향과 수직으로 도 2a와 비교하여 더 큰 압력 또는 힘을 가하여 광자결정 도파로의 공기층의 형태와 크기를 변형시켰을 때의 광자결정 광도파로의 단면도,FIG. 2B is a cross-sectional view of the photonic crystal optical waveguide when the shape and size of the air layer of the photonic crystal waveguide are modified by applying a greater pressure or force than in FIG. 2A perpendicularly to the waveguide direction from the outside with respect to FIG.
도 3a는 외부에서 도파로의 방향과 수직으로 광자결정 광도파로에 힘을 가하는 개념을 나타낸 도면,3A is a view showing a concept of applying a force to a photonic crystal waveguide perpendicular to the direction of the waveguide from the outside;
도 3b는 외부에서 도파로의 방향(Z축)과 수직으로 광자결정 광도파로에 힘을 가하지 않았을 때에 광섬유 코어를 통해서 광파들이 내부전반사(TIR; Total Internal Reflection)을 통해서 손실 없이 전송되어가고 개념을 나타낸 도면,FIG. 3B illustrates the concept that light waves are transmitted without loss through TIR (Total Internal Reflection) through the optical fiber core when no external force is applied to the photonic crystal optical waveguide perpendicularly to the waveguide direction (Z axis). drawing,
도 3c 및 도 3d는 외부에서 도파로의 방향(Z축)과 수직으로 광자결정 광도파로에 도 3a처럼 힘을 가했을 때 코어 외부의 공기층이 얇아져서 TIR이 일부 깨지고 이 때문에 코어 내부로 전송되어 가는 광파 중 일부가 외부층으로 빠져나가는 개념을 나타낸 도면,3C and 3D show that the TIR is partially broken due to thinning of the air layer outside the core when the photonic crystal optical waveguide is applied to the photonic crystal optical waveguide perpendicularly to the waveguide direction (Z axis) from the outside, as shown in FIG. 3A. Drawing showing the concept that some of the exit to the outer layer,
도 4a는 외부에서 도파로의 방향과 수직으로 광자결정 광도파로에 다수 영역에 힘을 가하는 개념을 나타낸 도면,4A is a view illustrating a concept of applying a force to a plurality of regions on a photonic crystal optical waveguide perpendicular to the direction of the waveguide from the outside;
도 4b는 외부에서 도파로의 방향과 수직으로 광자결정 광도파로에 도 4a처럼 힘을 가했을 때 코어 외부의 공기층이 얇아져서 TIR이 일부 깨지고 이 때문에 코어 내부로 전송되어 가는 광파 중 일부가 외부층으로 빠져나간 다음 일부가 다시 코어로 결합되는 과정을 나타낸 도면,FIG. 4B shows that when a force is applied to the photonic crystal waveguide from outside to the direction of the waveguide as shown in FIG. 4A, the air layer outside the core becomes thinner, so that part of the TIR is broken and some of the light waves transmitted into the core fall into the outer layer. Drawing showing the process of joining the core back out
도 5는 외부에서 압력 또는 힘을 가해서 도파로의 공기층의 두께에 변화를 줄 수 있도록 한 압박판의 일실시예이다.Figure 5 is an embodiment of the pressure plate to change the thickness of the air layer of the waveguide by applying pressure or force from the outside.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 광자결정 광도파로10 photonic crystal optical waveguide
12 : 광자결정 광도파로의 클래딩 또는 주변영역12: cladding or peripheral region of the photonic crystal waveguide
14 : 광자결정 광도파로의 코어 또는 도파영역14: core or waveguide region of the photonic crystal waveguide
20 : 도파로 방향으로 뚫려있는 공기층(홀) 또는 공기구멍20: Air layer (hole) or air hole opened in waveguide direction
22, 24 : 도파로 방향으로 뚫려있는 구멍의 크기와 형태가 서로 다른 공기층 또는 공기구멍22, 24: Air layers or air holes having different sizes and shapes of holes drilled in the waveguide direction
26, 28 : 압력 또는 힘을 받음으로써 공기구멍(20)이 변형된 모습26, 28: deformed air hole 20 by the pressure or force
30, 32, 34 : 외부로부터 인가되는 압력 또는 힘30, 32, 34: pressure or force applied from the outside
36 : 광자결정 도파로 코어에각으로 진행하는 광파36: photonic crystal waveguide core Light waves traveling at an angle
38 : 광파(36)가 TIR을 겪으면서 코어를 통해서 진행하는 광파38: Light waves traveling through the core while the light waves 36 undergo TIR
40 : 코어에 입사하는 빔40: beam incident on the core
44 : 압박에 의해서 공기층이 얇아짐으로 TIR이 깨지면서 클래딩으로 새 나가는 광파44: Light wave leaking into cladding as TIR breaks due to thinning of air layer by pressure
42, 48 : 압박에 의해서 일부 손실이 생기고 남아있는 광파42, 48: some of the remaining light waves due to compression
50 : 코어에서 클래딩으로 빠져나간 광파 중에서 코어로 다시 결합되는 광파50: light waves recombined into the core among the light waves exiting the core from the cladding
52 : 클래딩으로 진행하는 광파와 재결합한 후 코어로 진행하는 광파52: light waves traveling to the core after recombination with light waves proceeding to the cladding
60 : 압박판60: pressure plate
62 : 요철부62: uneven portion
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 원리 및 바람직한 실시예에 대해 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the principle and preferred embodiment of the present invention.
먼저, 광섬유 또는 평면도파로와 같은 광도파로를 형성하기 위해서 광도파로 주변에 공기층 또는 공기구멍을 도파로 방향으로 형성시켜주게 되면 도 3과 도 4에서처럼 코어(14)를 통해서 빛이 도파하게 된다. 이렇게 형성된 도파로를 광자결정 광도파로라고 하고 특별히 광섬유구조를 한 것을 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber)라고 한다. 본 발명은 이러한 광자결정 광도파로로 간단히 만들 수 있는 광자결정 광도파로 소자에 대한 발명으로 본 발명의 동작 원리에 대해서 설명하고자 한다.First, when an air layer or air hole is formed in the waveguide direction in order to form an optical waveguide such as an optical fiber or a planar waveguide, light is guided through the core 14 as shown in FIGS. 3 and 4. The waveguide thus formed is called a photonic crystal optical waveguide, and the optical fiber structure is called a photonic crystal fiber. The present invention will be described with respect to the operation principle of the present invention as an invention for a photonic crystal optical waveguide device that can be easily made with such a photonic crystal optical waveguide.
본 발명인 광도파로 소자의 동작원리는 광자결정 도파로의 코어(14) 주변에 있는 공기층(20)을 외부에서 압박함으로써 공기층의 두께가 충분히 얇아져 코어 내부에서 내부전반사가 깨짐으로써, 주변층인 클래딩(12)으로 도파하는 빔의 일부가 새어나가는 원리에 근거하고 있다. 코어에서 클래딩으로 빠져나가는 정도는 공기층의 두께가 얇을수록 그리고 얇은 층의 길이가 길면 길수록 커지기 때문에 외부에서 압박하는 힘의 정도와 압박 부위의 길이를 조절하는 경우 외부층으로 빠져나가는 빔의 크기를 조절할 수 있다. 그런데 이렇게 외부층 또는 클래딩층으로 새어나가는 빔은 손실이 매우 크기 때문에 외부의 인가하는 힘의 크기와 인가부위의 길이를 조절함으로써 손실을 조절시켜줄 수 있는 튜닝이 가능한 광자결정 광도파로 감쇄기를 구현할 수 있다.The operation principle of the optical waveguide device according to the present invention is to press the air layer 20 around the core 14 of the photonic crystal waveguide from the outside, so that the thickness of the air layer is sufficiently thin and the internal reflection is broken inside the core, so that the cladding 12 is the peripheral layer. It is based on the principle that part of the beam guiding with) leaks out. The degree of escape from the core to the cladding increases as the thickness of the air layer is thinner and as the length of the thin layer is longer, so when controlling the degree of external compressive force and the length of the compression site, the size of the beam exiting to the outer layer is controlled. Can be. However, since the beam leaking to the outer layer or cladding layer has a large loss, it is possible to implement a tunable photonic crystal waveguide attenuator that can control the loss by adjusting the magnitude of the externally applied force and the length of the applied portion. .
같은 원리로 구현할 수 있는 광자결정 광도파로 소자에는 손실이 큰 외부층 또는 클래딩층으로 새어나가는 빔의 양이 외부의 압박정도에 따라서 달라지기 때문에 손실정도로 압박 정도 또는 압력 또는 외부 힘을 감지할 수 있는 광자결정 광도파로 압력센서를 구현할 수도 있다.In the same principle, the photonic crystal waveguide device can detect the amount of compression or pressure or external force due to the loss because the amount of beam leaking into the lossy outer layer or cladding layer depends on the external compression. Photonic crystal waveguide pressure sensors may be implemented.
뿐만 아니라, 이렇게 압박을 하여 클래딩으로 빠져나간 빔들은 이러한 압박이 광도파로를 따라서 다시 있게 되면, 다시 코어로 들어올 수 있으며 코어로 진행하던 빔들과 다시 결합하게 된다. 이러한 압박이 광도파로를 따라서 계속 반복되면 이러한 재결합 과정도 계속된다. 이 때, 빔이 결합되는 양은 광도파로의 굴절률, 반경, 공기층의 두께와 같은 여러 가지 파라미터에 따라서 달라지며, 특히, 빔의 파장에 따라서 크게 달라지기 때문에 적당한 투과 스펙트럼특성을 갖는 광자결정 도파로 필터로 구현할 수도 있다. 특히, 압박 정도와 압박부위의 길이를 쉽게 조절할 수 있기 때문에 튜닝이 가능한 광자결정 도파로 필터가 가능하다.In addition, the beams that escaped into the cladding by this compression are able to reenter the core and recombine with the beams that have traveled back to the core when this compression is again along the optical waveguide. This recombination process continues if this pressure is repeated along the optical waveguide. In this case, the amount of beam coupling depends on various parameters such as the refractive index of the optical waveguide, the radius, and the thickness of the air layer. In particular, the amount of beam coupling varies greatly depending on the wavelength of the beam. It can also be implemented. In particular, since the degree of compression and the length of the compression region can be easily adjusted, a tunable photonic crystal waveguide filter is possible.
본 발명은 상기한 바와 같이 광자결정 광섬유소자와 광자결정 평면도파로 소자 모두 본 별명에 귀속되나 일실시예로서 편의상 도파로가 광섬유인 것에 대해서 설명한다. 또한 도면의 설명에 있어서, 참조번호를 장치적인 지시 뿐만 아니라 동작상태 및 이의 변화상태에 대해서도 지시하여 동작의 변화를 명확하게 구분지어 표기하기로 한다.As described above, both the photonic crystal optical fiber element and the photonic crystal planar waveguide element belong to the present nickname, but as an example, the waveguide is described as an optical fiber for convenience. In addition, in the description of the drawings, reference numerals are indicated not only in terms of apparatuses but also in operation states and changes thereof, so that changes in operations are clearly distinguished and described.
광자결정 광도파로의 종류인 광자결정 평면도파로와 광자결정 광섬유 중에서 도 1a와 도 1b는 광자결정 광섬유(PCF)의 절단면을 보여주는 것으로서, 도 1a는 광도파로에 동일 크기 및 형상의 공기층 혹은 공기구멍 혹은 홀(20)을 갖는 광자결정 광섬유(PCF)의 단면도이고, 도 1b는 광도파로에 서로 다른 크기 및 형상의 홀(22, 24)을 갖는 광자결정 광섬유(PCF)의 단면도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 참조번호 10은 광자결정 광도파로, 12는 광자결정 광도파로의 클래딩 또는 주변영역, 14는 광자결정 광도파로의 코어 또는 도파영역, 20은 도파로 방향으로 뚫려있는 공기층(홀) 또는 공기구멍(이하, 홀이라 함), 22 및 24는 도파로 방향으로 뚫려있는 구멍의 크기와 형태가 서로 다른 공기층 또는 공기구멍을 각각 나타낸다.Among the photonic crystal planar waveguides and photonic crystal optical fibers, which are types of photonic crystal optical waveguides, FIGS. 1A and 1B show cross-sectional views of a photonic crystal optical fiber (PCF), and FIG. 1A shows air layers or air holes having the same size and shape in an optical waveguide or FIG. 1B is a cross-sectional view of a photonic crystal optical fiber PCF having holes 22 and 24 of different sizes and shapes in the optical waveguide. Referring to FIGS. 1A and 1B, reference numeral 10 denotes a photonic crystal waveguide, 12 a cladding or peripheral region of the photonic crystal waveguide, 14 a core or waveguide region of the photonic crystal waveguide, and 20 an air layer bored in the waveguide direction. (Holes) or air holes (hereinafter referred to as holes), 22 and 24 denote air layers or air holes having different sizes and shapes of holes drilled in the waveguide direction, respectively.
상기 광자결정 광도파로의 클래딩 또는 주변영역(12)과 광자결정 광도파로의 코어 또는 도파영역(14)는 각각 일반 광섬유의 코어와 클래딩에 해당한다. 주로 PCF를 만들 수 있는 재질로는 실리카, 플라스틱, 유리와 같이 빛에 투명한 물질이 이용된다.The cladding or peripheral region 12 of the photonic crystal optical waveguide and the core or waveguide region 14 of the photonic crystal optical waveguide correspond to the core and cladding of the general optical fiber, respectively. PCF is mainly made of materials that are transparent to light such as silica, plastic, and glass.
광자결정 광도파로 또는 PCF 광섬유의 모드의 도파특성, 분산특성, 투과스펙트럼 특성 및 모드 패턴은 PCF의 홀(20, 22, 24)의 크기 및 형태에 따라서 달라진다. 이에 따라 다음과 같은 방법을 이용하여 상기한 모드의 각 특성변화를 달성하고자 한다.The waveguide characteristics, dispersion characteristics, transmission spectrum characteristics, and mode patterns of the photonic crystal optical waveguide or the PCF optical fiber are different depending on the size and shape of the holes 20, 22, and 24 of the PCF. Accordingly, it is intended to achieve each characteristic change of the above mode by using the following method.
도 2는 외부에서 도파로 방향과 수직인 방향으로 광자결정 광도파로(도 1a)에 압력 또는 힘을 가했을 때 예상되는 PCF의 단면도를 나타내고 있으며, 압력의 크기에 따라서 공기층의 두께와 공기층의 모양이 변형될 수 있음을 나타낸 개념도이다. 도 2a의 공기층(26)의 장반경보다 도 2b의 공기층(28)의 장반경이 훨씬 얇은데 이것은 도 2b의 경우 더 큰 힘으로 압박했기 때문이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 외부에서 PCF에 도파로 길이 방향과 수직으로 한 곳 또는 두 곳 이상에 압박을 할 수도 있고, 또는 도파로 길이 방향으로 길이마다 주기적으로 압력, 압박, 힘(Press)을 가해줌으로써 PCF에 주기적인 변형을 줄 수도 있다. 이때 충분한압박(Press)이 가해져서 홀의 두께가 심하게 줄어들거나 크게 찌그러질수록, 광자결정 광도파로의 코어 또는 도파영역(14)에서 광자결정 광도파로의 클래딩 또는 주변영역(12)으로 프러스트레이티드 내부전반사(Frustrated TIR ; FTIR)에 의해서 광파가 새어나가며, 도파모드의 유효굴절률에 큰 변화가 생기기 때문에 PCF의 도파특성, 손실특성, 분산특성, 모드패턴 및 투과스펙트럼 특성이 더욱 더 많이 변하게 된다. 여기에서 압박에 의해서 이들 특성이 변하는 정도는 일반 광섬유에 비해서 훨씬 크게 제작하는 것이 좋다.FIG. 2 is a cross-sectional view of a PCF expected when a pressure or a force is applied to a photonic crystal waveguide (FIG. 1A) in a direction perpendicular to the waveguide direction from the outside, and the thickness of the air layer and the shape of the air layer are deformed according to the magnitude of the pressure. It is a conceptual diagram showing that it can be. The long radius of the air layer 28 of FIG. 2B is much thinner than the long radius of the air layer 26 of FIG. 2A because of the greater pressure in FIG. 2B. As shown in FIG. 2, the PCF may be externally pressurized at one or two places perpendicular to the waveguide length direction, or may be periodically pressurized with pressure, pressure, and pressure in the waveguide length direction for each length. It can also give the PCF a periodic deformation. At this time, as the thickness of the hole is severely reduced or greatly crushed due to sufficient press, the inside of the frosted surface is clad with the photonic crystal waveguide 14 or the cladding or peripheral region 12 of the photonic crystal waveguide. Due to the leakage of light waves by the totally reflected TIR (FTIR) and the significant change in the effective refractive index of the waveguide mode, the waveguide characteristics, loss characteristics, dispersion characteristics, mode patterns, and transmission spectrum characteristics of the PCF change more and more. Here, the degree of change of these characteristics due to the pressing is better to make much larger than the general optical fiber.
도 3은 광자결정 광섬유에 압박을 가했을 때 어떻게 FTIR이 일어나며, 따라서 손실이 증가하는지를 보여주기 위한 도면들이다. 도 3b는 광자결정 광섬유에 압박을 가하지 않았을 때, 코어(14)를 따라서각으로 도파하는 광파 또는 빔(36)이 임계각(sin-1(n2/n1), 여기서 n1=코어의 굴절률, n2=1)보다 크기 때문에 TIR을 하면서 광파(38)가 손실 없이 도파되는 것을 보여준다. 도 3c 및 도 3d는 도 3a처럼 PCF에 압박(30)하였을 때 FTIR에 의해서 광파(36)이 얇은 공기층을 통해서 클래딩층(12)로 새어나가는 것을 나타내는 도면으로서, 압박에 의해서 공기층이 얇아짐으로 TIR이 깨지면서 클래딩으로 새 나가는 광파(44)의 양은 증가하게 된다. 또는 상기 빠져나가는 광파(44)의 양이 도파되는 광파(48)의 양 보다 커질 수도 있다. 그런데 이렇게 외부층 또는 클래딩층으로 새어나가는 빔은 손실이 매우 크기 때문에 외부의 인가하는 힘의 크기와 인가부위의 길이를 조절함으로써 손실을 조절할 수 있는 튜닝이 가능한 광자결정 광도파로 감쇄기를 구현할 수 있다. 또한 손실이큰 외부층 또는 클래딩층으로 새어나가는 빔의 양이 외부의 압박정도에 따라서 달라지기 때문에 손실정도로 압박 정도 또는 압력 또는 외부 힘을 감지할 수 있는 광자결정 광도파로 압력센서도 구현할 수도 있다. 참조번호 40은 코어에 입사되는 빔이다.FIG. 3 is a diagram to show how FTIR occurs when a pressure is applied to the photonic crystal optical fiber, and thus the loss increases. 3B is along the core 14 when no stress is applied to the photonic crystal optical fiber. It shows that the light wave 38 is waveguided without loss due to TIR because the light wave or beam 36 guiding at an angle is larger than the critical angle (sin −1 (n 2 / n 1), where n 1 = refractive index of the core, n 2 = 1). . 3C and 3D are diagrams showing that the light wave 36 leaks to the cladding layer 12 through the thin air layer by FTIR when pressed 30 to the PCF as shown in FIG. 3A. As the TIR breaks, the amount of light waves 44 leaking into the cladding increases. Alternatively, the amount of light waves 44 exiting may be greater than the amount of light waves 48 being guided. However, since the beam leaking to the outer layer or the cladding layer has a large loss, it is possible to implement a tunable photonic crystal waveguide attenuator that can control the loss by adjusting the magnitude of the externally applied force and the length of the applied portion. In addition, since the amount of beams leaking into the lossy outer layer or cladding layer depends on the degree of external compression, a photonic crystal waveguide pressure sensor that can sense the degree of compression or pressure or external force may be implemented. Reference numeral 40 is a beam incident on the core.
도 4a는 외부에서 도파로의 방향과 수직으로 광자결정 광도파로에 여러 군데에 힘을 가하는 것을 보여주는 도면이고, 이 때 힘(32)을 가하는 위치는 주기적일 수도 있고, 비주기적일 수도 있다. 도 4b는 외부에서 도파로의 방향과 수직으로 광자결정 광도파로에 도 4a처럼 힘을 가했을 때 코어 외부의 공기층이 얇아져서 TIR이 일부 깨지고 이 때문에 코어 내부로 전송되는 광파 중 일부가 외부층으로 빠져나간 다음 일부, 즉 코어에서 클래딩으로 빠져나간 광파 중에서 코어로 다시 결합되는 광파(50)가 다시 코어로 결합되는 것을 보여주는 도면이다. 이때 결합되는 양은 광도파로의 굴절률, 반경, 공기층의 두께, 압박 간격과 같은 여러 가지 파라미터에 따라서 달라지며, 특히, 빔의 파장에 따라서 크게 달라지기 때문에 이러한 파라미터 값들을 적당히 조절하면 원하는 투과 스펙트럼특성을 갖는 광자결정 도파로 필터를 구현할 수도 있다. 특히 압박 정도와 압박부위의 길이를 쉽게 조절할 수 있기 때문에 튜닝이 가능한 광자결정 도파로 필터가 가능하다. 참조번호 42는 압박에 의해서 일부 손실이 생기고 남아있는 광파이고, 참조번호 52는 클래딩으로 진행하는 광파와 재결합한 후 코어로 진행하는 광파이다.FIG. 4A is a view showing the force applied to the photonic crystal optical waveguide in several places perpendicularly to the direction of the waveguide from the outside, where the force 32 may be periodic or aperiodic. FIG. 4B shows that when a force is applied to the photonic crystal waveguide from outside to the direction of the waveguide as shown in FIG. 4A, the air layer outside the core becomes thinner, so that the TIR is partially broken, and thus, some of the light waves transmitted into the core are lost to the outer layer. Next, a portion of the light waves exiting the cladding from the core, that is, the light wave 50 that is combined back to the core is coupled to the core again. In this case, the amount of coupling depends on various parameters such as the refractive index of the optical waveguide, the radius, the thickness of the air layer, and the compression spacing. In particular, the amount of coupling varies greatly depending on the wavelength of the beam. The photonic crystal waveguide filter may be implemented. In particular, the degree of compression and the length of the compression region can be easily adjusted, enabling a tunable photonic crystal waveguide filter. Reference numeral 42 denotes an optical fiber remaining after some loss due to compression, and reference numeral 52 denotes a light wave traveling to the core after recombination with the light waves proceeding to the cladding.
도 5는 외부에서 압력 또는 힘(34)을 압박판(60)에 가해서 도파로의 공기층의 두께를 변화줄 수 있도록 한 일실시예이다. 참조번호 60은 광자결정 광도파로의일정한 부위를 압박하기 위한 압박판(60)이고, 이 압박판(60)에 형성된 62는 압박판을 누룰 때 실제로 도파로를 압박하는 요철부(62)이다. 요철부(62)의 모습은 둥글게되어 있을 수도 있고 도 5처럼 평평할 수도 있으며, 물론 V자 모양을 할 수도 있다. 압박판(60)에서의 요철부(62) 간의 간격과 요철부(62)의 수는 광자결정 소자의 기능에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어서 광필터를 구현할 때는 주기적으로 요철부(62)가 여러개 이상있는 압박판(60)을 사용하는 것이 좋겠고, 압력센서나 감쇄기를 구현할 때는 요철부(62)가 두 개 이상인 것이 좋으며, 측정하고자하는 압력이나 감쇄시키고자 하는 감쇄량에 따라서 여러 가지 파라미터를 조절하면 된다. 압박판(60)의 형태는 도5 이외에 여러 가지가 가능하다. 즉, 상부 및 하부에서 각각 가압이 이루어지거나, 어느 일측에서만 가압이 이루어질 수도 있다.5 is an embodiment in which the pressure or force 34 is applied to the pressure plate 60 from the outside to change the thickness of the air layer of the waveguide. Reference numeral 60 denotes a pressing plate 60 for pressing a predetermined portion of the photonic crystal optical waveguide, and 62 formed in the pressing plate 60 is an uneven portion 62 that actually presses the waveguide when the pressing plate is pressed. The uneven portion 62 may be rounded or flat as shown in FIG. 5, or of course, may have a V shape. The spacing between the uneven parts 62 and the number of the uneven parts 62 in the pressing plate 60 may vary depending on the function of the photonic crystal element. For example, when implementing an optical filter, it is preferable to use a pressure plate 60 having more than one uneven portion 62 periodically. When implementing a pressure sensor or attenuator, it is preferable to have two or more uneven portions 62. You can adjust various parameters according to the pressure to be attenuated or the attenuation to be attenuated. The shape of the pressure plate 60 may be various in addition to FIG. That is, pressurization may be performed at each of the upper and lower portions, or may be at only one side.
본 발명에 대한 설명은 주로 도파로로서 광섬유에 대해서만 설명했으나, 광섬유 대신 평면도파로 로된 광자결정 광소자의 경우도 상기한 압박이 동일하게 이루어질 수 있음은 주지의 사실이다.Although the description of the present invention mainly described only the optical fiber as the waveguide, it is well known that the above-mentioned pressure can be equally applied to the photonic crystal optical device having the planar waveguide instead of the optical fiber.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광자결정 광소자 및 이의 응용는, 기존의 광도파로에 비해서 광자결정 광도파로는 광도파로 중심 주변에 광도파로 길이 방향으로 다수의 구멍이 있기 때문에 외부의 압박에 인해서 도파특성과 감쇄특성 및 투과스펙트럼 특성이 크게 일어나기 때문에 광자결정 광도파로의 일정한 압박부위를 압박하는 경우, 감쇄 정도를 가변할 수 있는 광감쇄기, 튜닝이 가능한 광필터 및압력센서 등과 같은 광소자를 구현할 수 있다. 본 발명은 외부에서 광자결정 도파로에 비주기적 또는 주기적으로 힘이나 압력을 가함으로써 여러 가지 특성을 쉽게 조절할 수 있으므로 그 구현이 쉽고 상품화도 용이하여 광통신 및 광센서 분야에 많이 기여할 수 있다.As described above, the photonic crystal optical device and its application according to the present invention, compared with the conventional optical waveguide, the photonic crystal optical waveguide is waveguided due to external pressure because there are a plurality of holes in the optical waveguide longitudinal direction around the optical waveguide center Since the characteristics, attenuation characteristics, and transmission spectrum characteristics are large, optical devices such as an optical attenuator, a tunable optical filter, and a pressure sensor, which can vary the degree of attenuation, can be realized in the case of pressing a certain compression portion of the photonic crystal optical waveguide. . Since the present invention can easily adjust various characteristics by applying force or pressure to the photonic crystal waveguide aperiodically or periodically from the outside, the present invention can be easily implemented and easily commercialized, thereby contributing much to the optical communication and optical sensor fields.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it will be apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
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