KR100507134B1 - 광변조기 및 그의 ｒｆ 신호위상속도산출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광변조기 및 그의 RF위상속도산출방법에 관한 것으로서, 광변조기의 강도변조부를 구성하는 전극의 전체영역중에서 강도변조영역에 해당되는 영역의 선단부와 후단부 각각에 임피던스 부정합이 발생되도록 반사벽을 형성하여, 이를 통해 반사된 소정의 RF신호들의 출력시간차를 이용해 강도변조영역에서의 RF위상속도를 정확히 산출하도록 한다.

Description

광변조기 및 그의 ＲＦ신호위상속도산출방법{Optical modulator and method for measuring phase velocity of ＲＦ signal thereof}

본 발명은, 광변조기의 강도변조부를 이루는 전극의 전체영역중에서 강도변조영역에 해당되는 영역의 선단부와 후단부 각각에 임피던스 부정합이 발생되도록 반사벽을 형성하여, 이를 통해 반사된 소정의 RF신호들의 출력시간차를 이용해 강도변조영역에서의 RF위상속도를 정확히 산출하도록 하는, 광변조기 및 그의 RF위상속도산출방법에 관한 것이다.

일반적으로, 광 변조기는 외부로부터 인가되는 RF(radio frequency)신호 등에 의해 발생되는 전계에 따라 광신호를 강도변조(Intensity Modulation)시켜 송신하는 장치로, 장거리 광 통신에 대한 수요가 증대되고 있는 최근의 상황에서, 광 통신 시스템이나 광 정보 처리 시스템 등에서 필수적인 소자로 각광받고 있는데, 도 1은 이러한 일반적인 광 변조기가 도시된 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 광 변조기는, LiNbO₃로 이루어진 기판(100)과 기판(100) 상면에 광도파손실을 줄이기 위해 형성된 유전체층(110), 유전체층(110)으로 덮여진 기판(100) 상부 일부에 금속확산으로 형성되어, 외부로부터 입사된 광을 분기하고 두 개의 도파관을 통해 각기 도파시킨 후 이들을 다시 합파하는 광도파로(120)와, 유전체층(110)의 상부영역에 3개의 전극(131, 132, 133)으로 이루어져, 외부에서 인가하는 RF신호에 따라 두 개의 도파관 각각에 가변적으로 전계를 공급하여 광을 강도변조시키는 강도변조부(130)로 이루어지는데, 통상적으로는 이렇게 광을 강도변조시키는 소정의 구간을 강도변조영역이라 하며 광도파로(120)에서 도파관에 대응되는 영역 대부분이 여기에 해당된다.

한편, 이렇게 이루어지는 광 변조기는, 외부로부터 입사된 광을 효율적으로 광 변조시키기 위하여 그 도파관을 도파하는 광의 속도와 거기에 전계를 공급하는 소스(source)인 RF신호의 위상속도가 가능한 동일해야 한다는 것이 공지된 사실이 다.

따라서, 효율적인 광변조를 위해, 고정된 광속도에 비해 소자의 구조에 따라 조금씩 상이한 RF신호의 위상속도를 정확히 알아낼 필요가 있는데, 이에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 광변조기의 강도변조부(130)를 구성하는 전극들(131, 132, 133) 각각의 양단에 프로브 팁(probe tip)(140A, 140B)을 접촉한다. 그런 후, 일단(140A)으로 RF신호를 입력하면, 타단(140B)에는 그 전극들(131, 132, 133)을 통과한 RF신호가 출력되는데, 그 출력되는 RF신호에는 프로브팁과 접촉하는 테이퍼영역들(150, 151, 152, 153, 154, 155) 각각에서 입력RF신호의 일부를 주기적으로 반사한 신호도 포함되어 있다. 한편 이러한 RF신호들이 출력되면, 이 신호들의 평균 출력시간차를 계산하여, 그 평균 출력시간차와 전극의 고정된 총길이를 연산함으로써 RF신호의 위상속도를 산출할 수 있게 된다.

하지만, 이렇게 평균적으로 산출된 RF신호의 위상속도는, 실질적으로 필요한 강도변조영역(L)에서의 RF신호위상속도와는 현저한 차이를 나타낸다.

이는, 강도변조부를 이루는 전극이, 실제 광변조에 영향을 미치는 강도변조영역뿐만 아니라, RF신호의 원활한 입/출력을 위해 그 입/출력단에 도파관의 폭(W1)보다 폭(W2)이 큰 테이퍼 영역이 형성되어 있기 때문이다.

하지만, 통상적으로 대략 12㎛정도로 상당히 작은 테이퍼 영역의 폭을 더욱 줄이는 것이 가능할 수는 있으나, 도파관의 폭과 동일할 정도로 더 작게 줄일 경우에는, 프로브 팁과 접촉시키는 것이 물리적으로 상당히 어렵다.

따라서, 프로브 팁과의 접촉을 위해 테이퍼영역의 크기를 변형하지 않고도, 강도변조영역에서의 RF위상속도를 정확히 산출할 수 있는 산출방법과 그에 따른 개량된 구조의 광변조기가 필요하다.

이에 본 발명은 상기한 필요성을 만족시키기 위하여 개발된 것으로, 강도변조영역에서의 RF신호위상속도를 정확히 산출할 수 있도록 하는 광변조기 및 그의 RF위상속도산출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적에 따라 본 발명은, 강도변조부를 이루는 전극의 전체영역중에서 강도변조영역에 해당되는 영역의 선단부와 후단부 각각에서 임피던스 부정합이 발생되도록 반사벽을 형성하여, 그를 통해 발생된 소정의 RF신호들의 출력시간차를 이용해 RF신호의 위상속도를 산출하고자 한다.

이를 위해, 본 발명의 광변조기는, 유전체층으로 덮여지는 기판 상부에 형성되어, 강도변조를 위해 외부로부터 입사된 광을 분기하고 제1도파관과 제2도파관을 통해 각기 도파시킨 후 합파하는 광도파로와, 상기 유전체층의 상부영역에 형성되어 상기 제1도파관과 제2도파관을 통해 도파되는 각각의 광에 외부에서 인가하는 RF신호에 따라 전계를 공급하여 강도변조시키는 강도변조부로 이루어지는, 광변조기에 있어서,

상기 강도변조부를 제1도파관과 제2도파관 사이, 제1도파관의 외측과 제2도파관의 외측에 대응되는 각각의 영역에, 강도변조용 브릿지가 형성된 전극으로 구성하되,

상기 전극을, 브릿지의 제1측단부와 제2측단부 각각에 상기 RF신호의 일부 반사가 시간차를 두고 발생되도록 형성된 제1반사벽과 제2반사벽; 및

상기 제1반사벽과 제2반사벽 각각을 외부와 전기적으로 연결하는 제1연결로와 제2연결로가 포함되어 이루어지도록 한 개량된 구조의 광 변조기를 제안한다.

특히, 본 발명은 입력 RF신호의 일부 반사가 시간차를 두고 주기적으로 발생되도록 하기 위해, 상기 브릿지의 제1측단부와 제2측단부에 각기 전기적으로 연결되며 연결된 해당 브릿지의 폭보다 넓게 제1반사벽과 제2반사벽을 형성하도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 또 다른 본 발명인 광변조기의 RF위상속도측정방법은, 광도파로의 강도변조영역과 대응되도록 형성된 브릿지에 전계를 공급하여 상기 강도변조영역을 도파하는 광을 강도변조시키는 소정의 전극에 RF신호를 입력하는 제1과정;

상기 제1과정에 따라 입력된 RF신호가 상기 브릿지의 일단에 형성된 제1반사벽을 통해 반사된 제1RF반사신호와, 타단의 제2반사벽을 통해 반사된 제2RF반사신호를 검출하는 제2과정;

상기 제2과정에서 검출한 제1RF반사신호와 제2RF반사신호의 주기를 검출하여 하기의 수학식 1을 통해 RF위상속도를 산출하는 제3과정을 통해, RF신호의 위상속도를 측정하도록 한다.

[수학식 1]

(Vph = RF신호의 위상속도, = 제1RF반사신호와 제2RF반사신호의 주파수스펙트럼상의 주기차, L은 강도변조영역의 총길이)

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 광 변조기의 바람직한 실시예를 설명하는데, 상기 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기의 사시도이다.

여기에서, 부호 100은 기판이며, 부호 110은 기판(100) 상면에 형성되어 광도파손실을 줄이는 유전체층이다.

그리고, 부호 120은 기판(100) 상부 일부에 Ti와 같은 금속이 확산되어 형성되며, 강도변조(Intensity Modulation)를 위해 외부로부터 입사된 광을 분기관(121)을 통해 분기하고, 분기된 소정의 광들을 각기 제1도파관(122)과 제2도파관(123)을 통해 도파시킨 다음, Y형의 합파관(124)을 통해 합파하여 외부로 출력하는 광도파로이다.

마지막으로, 부호 300은 상기 유전체층(110)의 상부영역에 형성되어 제1도파관(122)과 제2도파관(123)을 통해 도파되는 각각의 광에, 외부에서 인가하는 RF신호에 따라, 전계를 공급하여 강도변조시키는 강도변조부인데, 본 발명의 기술적 사상에 대한 요지인 강도변조부에 대해 도 4를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.

본 발명의 강도변조부는, 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 광 도파로(120)의 제1도파관(122)과 제2도파관(123) 사이에, 제1도파관의 외측(122)과 제2도파관(123)의 외측 각각에 대응되는 영역, 즉 광의 강도변조가 이루어지는 강도변조영역마다 평행하게 브릿지(311, 321, 331)가 형성된 부호 310, 320, 330의 전극으로 이루어진다.

더불어, 상기 전극(310, 320, 330) 각각에는 브릿지(311, 321, 331)의 일측단부와 타측단부에, 외부로부터 입력된 RF신호의 일부 반사가 시간차를 두고 적어도 2번 이상 발생되도록, 제1반사벽(312, 322, 332)과 제2반사벽(313, 323, 333)이 형성된다.

바람직하게는, 외부로부터 입력되는 RF신호의 일부 반사를 위해, 가능한 제1반사벽(312, 322, 332)과 제2반사벽(313, 323, 333)을, 상기 브릿지(311, 321, 331)의 일측단부와 타측단부 각각에 전기적으로 연결되고, 연결된 브릿지(311, 321, 331)각각의 상면 높이보다 높게, 그리고 그 폭보다 넓게 형성하도록 한다.

덧붙여, 본 발명은 상기 제1반사벽(312, 322, 333)과 제2반사벽(313, 323, 333) 각각을 외부의 프로브 팁(probe tip)과 전기적으로 연결하는 제1연결로(314, 324, 334)와 제2연결로(315, 325, 335)가 형성되어, 상기 제1연결로(314, 324, 334)를 통해 외부의 RF신호입력용 프로브 팁(probe tip)으로부터 RF신호를 입력받고, 제2연결로(315, 325, 335)를 통해 상기 제1반사벽(312, 322, 332)과 제2반사벽(313, 323, 333)에서 반사된 각각의 RF신호를 외부의 프로브 팁(probe tip)으로 전달한다.

그 결과, 이렇게 반사된 RF신호들의 시간차, 즉 제1반사벽(312, 322, 332)과 제2반사벽(313, 323, 333)을 통해 시간차를 두고 일부 반사되어 출력된 RF신호들을 검출하고, 이를 이용해 RF신호들간의 출력시간차와 기설정되어 그 값을 알 수 있는 광 도파로의 강도변조영역 길이를 통해 RF신호의 위상속도를 정확히 산출할 수 있게 되는데, 이하에서는 또 다른 발명인 이러한 RF신호의 위상속도산출 방법에 대해 도 5를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.

상기 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 전극의, 즉 광도파로의 강도변조영역과 대응되도록 형성된 브릿지(321)에 전계를 공급하여 상기 강도변조영역을 도파하는 광을 강도변조시키는 전극(320)의, 제1연결로(324)에 프로브 팁(probe tip)을 이용해 RF신호를 입력한다.

그러면, 제1연결로(324)를 통해 입력된 RF신호는 브릿지(321)와 제2연결로(325)를 통과하여 타측의 프로브팁으로 전달

되는데, 이 때 브릿지(321)의 선단부에 형성된 제1반사벽(322)과 그 후단부에 형성된 제2반사벽(323) 사이에서 공진현상, 즉 입력RF신호의 일부가 일정한 시간을 두고 방향을 변환해가면서 주기적으로 반사되고, 또 다른 일부는 투과되어 제2연결로(325)를 통해 출력되는 현상이 발생된다.

그 결과, 브릿지(321)의 선단부와 후단부에서 발생되는 공진현상으로 인해 투과되어 제2연결로(325)를 통해 출력되는 다수의 RF신호들의 주기를, 주파수 스펙트럼상에서 직접 측정하여 RF신호의 주기차를 검출함으로써, 하기의 수학식1을 통해 RF위상속도를 산출할 수 있게 된다.

(Vph = RF신호의 위상속도이고, = 제1RF반사신호와 제2RF반사신호의 주파수스펙트럼상의 주기차이며, L은 강도변조영역의 총길이다.)

본 발명에 사용되는 상기의 수학식1은 후술할 수학식등을 이용해 산출하였는데, 그 산출 과정은 다음과 같다.

먼저, 하기의 수학식2에서와 같이, 전극의 반사계수(R)와 투과계수(T)는 다음과 같다.

(여기서, Z₀는 강도변조영역에 대응되는 브릿지의 임피던스이고, Z₁은 브릿지의 선단과 후단 각각의 등가임피던스)

그리고, 수학식 3은 임피던스 부정합을 위해 형성된 반사벽을 통해 제1, 제2, ... , 제n 반사되어 출력된 RF신호의 크기이다.

(L은 강도변조영역의 총 길이, 는 전파상수, 는 감쇄상수, U₀는 입력된 RF신호의 크기, U_T는 출력되는 RF신호의 크기)

전술한, 수학식2와 수학식3을 조합하면, 전극을 통해 출력되는 RF신호의 총 파워를 수학식3과 같이 산출할 수 있다

(I₀는 입력된 RF신호의 총파워, I_T는 출력되는 RF신호의 총파워, = 의 공액복소수)

상기의 수학식4를 통해 하기의 수학식5와 조합하여 주파수와 위상속도의 함수로 나타내면 수학식 6과 같다.

(Vph는 RF신호의 위상속도이다)

이와 같이, 상기의 수학식6은 그 크기가 감쇄하는 주기함수로, 소정의 반사벽의 반사계수와 투과계수를 나타내는 수학식1과, 임피던스 부정합을 위해 형성된 그 소정의 반사벽을 통해 제1, 제2, ... , 제n 반사되어 출력된 RF신호의 크기를 이용하여 도출되며, 2πfL/Vph=nπ, n=1,2,3, ... 일 때, 최대값을 갖기 때문에, 주파수 스펙트럼상의 주기차 로부터 본 발명에 사용되는 상기의 수학식, 즉 을 도출할 수 있게 되는데, 이러한 상기 산출 과정은 본 발명을, 본 발명이 속하는 기술분야에서 당업자가 용이하게 발명할 수 없는 진보된 발명임을 보여주는 하나의 표징이 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광변조기 및 그의 RF위상속도산출방법은, 광변조기의 강도변조부를 구성하는 전극의 전체영역중에서 강도변조영역에 대응되는 영역의 선단부와 후단부 각각에 임피던스 부정합이 발생되도록 하여, 이를 통해 반사된 소정의 RF신호들의 출력시간차를 이용해 강도변조영역에서의 RF위상속도를 정확히 산출할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 일반적인 광변조기를 도시한 사시도,

도 2는 도 1의 광변조기의 RF신호위상속도측정방법을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 광변조기를 도시한 사시도,

도 4는 도 3의 강도변조부를 좀 더 상세히 설명한 도면,

도 5는 도 3의 RF신호위상속도측정방법을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 기판 110 : 유전체층

120 : 광도파로 300 : 광 분산/변조부

310, 320, 330 : 전극 311, 321, 331 : 브릿지

312, 322, 332 : 제1반사벽 313, 323, 333 : 제2반사벽

314, 324, 334 : 제1연결로 315, 325, 335 : 제2연결로

Claims (4)

1. 기판 상부에 형성되어, 외부로부터 입사된 광의 강도변조를 위해 입사된 광을 분기하고 제1도파관과 제2도파관을 통해 각기 도파시킨 후 합파하는 광도파로와, 상기 광도파로가 형성된 기판 상부 전면에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층의 상부영역에 형성되어 상기 제1도파관과 제2도파관을 통해 도파되는 각각의 광에 외부에서 인가하는 RF신호에 따라 전계를 공급하여 강도변조시키는 강도변조부로 이루어지는, 광변조기에 있어서,

   상기 강도변조부는 제1도파관과 제2도파관 사이, 제1도파관의 외측과 제2도파관의 외측에 대응되는 각각의 영역에, 강도변조용 브릿지가 형성된 전극으로 이루어지되,

   상기 각각의 전극은, 브릿지의 제1측단부와 제2측단부 각각에 상기 RF신호의 일부 반사가 시간차를 두고 발생되도록 형성된 제1반사벽과 제2반사벽;

   상기 제1반사벽과 제2반사벽 각각을 외부와 전기적으로 연결하는 제1연결로와 제2연결로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 광 변조기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1반사벽과 제2반사벽은;

   상기 브릿지의 제1측단부와 제2측단부에 각기 전기적으로 연결되며, 연결된 해당 브릿지의 폭보다 넓게 형성되어 입력 RF신호의 일부 반사가 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는, 광 변조기
3. 광도파로의 강도변조영역과 대응되도록 형성된 브릿지에 전계를 공급하여 상기 강도변조영역을 도파하는 광을 강도변조시키는 소정의 전극에 RF신호를 입력하는 제1과정;

   상기 제1과정에 따라 입력된 RF신호가 상기 브릿지의 선단부에 형성된 제1반사벽을 통해 반사된 제1RF반사신호와, 후단부의 제2반사벽을 통해 반사된 제2RF반사신호를 검출하는 제2과정;

   상기 제2과정에서 검출한 제1RF반사신호와 제2RF반사신호의 주기를 이용해 RF신호위상속도를 산출하는 제3과정으로 이루어지는, 광변조기의 RF신호위상속도산출방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제3과정은;

   하기의 수학식1을 통해 상기 RF신호위상속도를 산출하는 것을 특징으로 하는, 광 변조기의 RF신호위상속도산출방법.

   [수학식1]

   (Vph = RF신호의 위상속도이고, = 제1RF반사신호와 제2RF반사신호의 주파수스펙트럼상의 주기차이며, L은 강도변조영역의 총길이이다.)