KR100568504B1

KR100568504B1 - 공진 구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치

Info

Publication number: KR100568504B1
Application number: KR1020040021105A
Authority: KR
Inventors: 김종배; 주정진; 김민수; 이병하
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2006-04-07
Also published as: US20050213194A1; KR20050096247A; US7209282B2

Abstract

본 발명은 펌프광의 이차 조화파가 공진가능 하도록 구성하여 이차 비선형 광학 현상의 변환 효율을 향상시킬 수 있는 순차적 차주파수 생성장치에 관한 것으로, 펌프광과 신호광을 입력 받아 상기 펌프광의 이차 조화파를 생성하고 신호광과 이차 조화파의 비선형 결합을 통하여 차주파수를 갖는 변환광을 생성하는 비선형 매질과, 비선형 매질을 기준으로 이차 조화파가 공진할 수 있도록 하는 공진구조를 포함하는 순차적 차주파수 생성장치를 제공한다.

순차적 차주파수 생성, 공진 구조, 이차 조화파 생성, 이차 비선형 광학

Description

공진 구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치{APPARATUS FOR ENHANCING CASCADED DIFFERENCE FREQUENCY GENERATION USING RESONANT STRUCTURE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 순차적 차주파수 생성장치의 개략적인 구성도이다.

도 2 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치에서 이용가능한 공진 구조의 예들을 설명하기 위한 도면들이다.

본 발명은 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펌프광의 이차 조화파가 공진하도록 구성하여 이차 비선형 광학 현상의 변환 효율을 향상시킬 수 있는 순차적 차주파수 생성장치를 제공한다.

이차 비선형성과 관련된 광현상의 최초 발견 이후 오늘날까지의 오랜 연구에 있어서 주요 관심 사항 중의 하나는, 그 현상론적인 과정에서의 변환 효율을 더욱 향상시키는 것이었다. 비선형성이 높은 구조의 물질을 찾아내거나 새로운 물질을 합성하는 것, 다양한 형태의 위상 정합 방법, 혼합되는 3 광파의 상호 작용을 높이기 위하여 비선형 물질을 광도파로의 형태로 공정하는 것 등의 일련의 과정들이 실제 더 높은 변환 효율을 얻기 위한 시도들이다.

차주파수 생성이란 이차 비선형 매질에 두 종류의 주파수를 가진 신호광(Ws)과 펌프광(Wp)을 혼합하여, 이차 비선형성에 의한 3 광파 상호 작용에 의하여 두 입사광의 주파수 차이 만큼에 해당하는 새로운 변환광 (Wi)을 얻는 것이다 (J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, and P. S. Pershan, ``Interactions between light in a nonliner dielectric," Phys. Rev., vol. 127, pp. 1918--1939, 1962. 참조). 이와 같은 이차 비선형 차주파수 생성 과정은 전기적 작용이 배제된 전광적 상호 작용이기 때문에 초고속 광통신의 파장 변환에 이용될 수 있으며, 이때 생성되는 변환광은 이차 비선형 상호 작용의 특성상 위상이 반전된 형태이기 때문에 역시 초고속 광통신의 분산 보상에 이용될 수 있다.

한편, 직접적 차주파수 생성이란 이차 비선형 매질에 신호광(Ws)과 함께 펌프광(Wp)을 직접 입사시켜 차주파수(Wi=Wp-Ws)에 해당하는 변환광을 얻는 것이고, 순차적 차주파수 생성이란 신호광(Ws)과 함께 펌프광(Wp)을 입사시켜 이차 조화파 생성에 의하여 주파수가 배가된 광파를 발생시킨 후(Wp+Wp=2Wp), 이 펌프광의 이차 조화파와 입사된 신호광의 동시적인 상호 작용에 의하여 순차적으로 차주파수에 해당하는 변환광(Wi=2Wp-Ws)을 얻는 것이다 (B. Zhou, C. Q. Xu, and B. Chen, "Comparison of difference frequency generation and cascaded based wavelength conversion in LiNbO3 quasi-phase-matched waveguides," J. Opt. Soc. Am. B. 20, pp. 846--852, 2003. 참조). 광통신의 통신 파장 영역 근처에서 변환광(Wi)의 파장이 입사된 신호광(Ws)과 많이 다르지 않을 경우(Wi∼Ws), 직접적 차주파수 생성에는 2Wp의 주파수에 해당하는 완전히 새로운 광원이 필수적인 반면, 순차적 차주파수 생성에는 펌프광의 주파수가 신호광과 많이 다르지 않아도 가능하므로(Wp∼Wi∼Ws), 2Wp의 주파수에 해당하는 또 다른 광원이 불필요하며 통신 파장내의 동일한 종류의 광원을 펌프광으로 이용할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 순차적 차주파수 생성의 경우, 입사된 펌프광과 신호광이 비선형 매질을 통과하면서 먼저 펌프광이 비선형 과정에 의하여 이차 조화파를 생성하고, 그 다음 이 펌프광의 이차 조화파가 역시 비선형 과정에 의하여 신호광과 결합하여 변환광을 생성하는 연속적인 이차 비선형 상호 작용에 의한 순차적 (χ⁽²⁾:χ⁽²⁾) 과정 이므로 변환 효율이 떨어지고, 따라서 신호광이나 펌프광, 펌프광의 이차 조화파의 많은 부분이 비선형 상호 작용에 참여하지 못하고 변환광과 함께 그대로 출력되는 문제점이 있었다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 이차 비선형 광학 현상의 순차적 차주파수 생성 변환 효율을 향상시키기 위하여 새로운 공진 구조를 이용한 순차적 차주파수 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공진형 순차적 차주파수 생성을 위한 여러 형태의 다양한 공진 구조를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로써, 본 발명의 일측면은 펌프광과 신호광을 입력 받아 상기 펌프광의 이차 조화파를 생성하고 상기 신호광과 상기 이차 조화파의 결합을 통하여 차주파수를 갖는 변환광을 생성하는 비선형 매질과, 비선형 매질을 기준으로 상기 이차 조화파가 공진하도록 하는 공진구조를 포함하는 순차적 차주파수 생성장치를 제공한다.

한편, "공진 구조"라 함은 상기 신호광, 상기 펌프광, 상기 변환광에 대해서는 투과시키고, 상기 이차 조화파에 대해서는 반사하여 외부로 투과되어 나가지 못하고 내부에서 왕복 또는 순환하여 공진하도록 구성하는 구조이면 특별히 한정되지 않고 모든 형태의 구조를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 이러한 공진 구조는 2 개의 반사 거울이나 비선형 매질 자체에 의한 격자 거울, 광섬유 격자 거울, 광섬유 고리형 거울, 광섬유 고리형 공진기 등으로 구성될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치를 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되 는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 순차적 차주파수 생성장치의 개략적인 구성도이다.

순차적 차주파수 생성장치(1)는 펌프광(Wp)과 신호광(Ws)을 입력받아 상기 펌프광(Wp)의 이차 조화파(2Wp)를 공진시키는 공진 구조(20,30)와, 공진 구조(20,30) 내부에 포함되어 이차 조화파(2Wp)를 생성하고 순차적으로 신호광(Ws)과 이차 조화파(2Wp)의 결합을 통하여 차주파수에 해당하는 변환광(Wi)을 생성하는 비선형 매질(10)을 포함하여 구성된다. 도 1에서는 공진구조가 유전체 거울을 이용한 구조인 경우를 예를 들어 도시하고 있으나 본 발명이 이에 한정되지 않음은 자명하다.

도 1을 참조하면, 공진 구조는 비선형 매질(10)의 일면에 장치된 제1 유전체 거울(20)과, 비선형 매질의 타면에 장치된 제2 유전체 거울(30)을 포함하여 구성된다. 또한, 제1 유전체 거울(20) 및 제2 유전체 거울(30)은 마주 보며 평행하게 배열되어 펌프광(Wp)의 이차 조화파(2Wp)에 대하여만 선택적으로 전반사하고, 펌프광(Wp)의 이차 조화파(2Wp)가 제1 유전체 거울(20) 및 제2 유전체 거울(30) 사이만을 왕복하면서 공진하도록 공진 구조를 형성한다. 제1 유전체 거울(20)에는 신호광(Ws) 및 펌프광(Wp)을 입사되고, 제2 유전체 거울(30)에서는 변환된 변환광(Wi), 신호광(Ws) 및 펌프광(Wp)이 출력되도록 구성된다. 펌프광(Wp)과 신호광(Ws)은 광원으로부터 직접 또는 광섬유에 인도되어 공진구조 외부에서 입출력가능하다.

비선형 매질(10)은 광파들이 진행하는 동일 경로 상에 위치하며, 결정체나 반도체, 실리카 또는 폴리머 등 이차 비선형성이 고유하게 존재하거나 분극 등에 의하여 이차 비선형성이 유도될 수 있는 물질이면 특별히 한정되지 않고 모든 종류가 가능하며, 이 비선형 매질(10)은 광파의 진행 손실을 줄이고 비선형 상호 작용의 효율을 향상시키기 위하여 광도파로나 광섬유의 형태로 제작가능하며, 혼합되는 세 광파에 요구되는 위상 정합(R. L. Sutherland, "HANDBOOK OF NONLINEAR OPTICS," Marcel Dekker, Inc. 1996. 참조)의 조건을 만족되도록 구성된다.

이차 비선형 감수율이 χ⁽²⁾로 정의된 비선형 매질은 펌프광에 의한 이차 조화파 생성 및 생성된 이차 조화파와 입사된 신호광과의 결합을 통한 차주파수 생성에 대한 위상 정합의 조건을 동시에 만족하며(J. M. Yarborough and E. O. Ammann, "Simultaneous optical parametric oscillation, second harmonic generation, and difference frequency generation," Appl. Phys. Lett., vol. 18, pp. 145--147, 1971. 참조), 공진 구조의 역할을 하는 유전체 거울은 펌프광, 신호광, 변환광은 투과시키고 펌프광의 이차 조화파에 대하여는 선택적으로 전반사하도록 하여 내부에서 반복적으로 왕복하도록 구성된다.

이 때, 신호광과 동일한 방향으로 진행하는 이차 조화파 및 변환광의 세 광파에 대하여 차주파수 생성에 대한 위상 정합의 조건이 결정되어 일단 만족하게 되면, 공진기 출력 부분에서 반사되어 신호광의 진행 방향과 반대 방향으로 진행하는 이차 조화파와의 경우에는, 세 광파 사이의 위상 정합의 조건이 동일 방향으로 진행하는 세 광파에 대한 위상 정합 조건과 달라지므로, 차주파수에 해당하는 변환광 이 생성되지 않는다. (I. Brener, M. H. Chou, D. Peale, and M. M. Fejer, "Cascaded chi ^{ (2) } wavelength converter in LiNbO3 waveguides with counter-propagating beams," Electron. Lett., vol. 35, pp. 1155--1157, 1999. 참조).

한편, 실제 비선형 매질에서 χ⁽²⁾의 이차 비선형성 크기와 L의 상호 작용의 길이를 가진 매질에 외부에서 입사되는 신호광 및 펌프광의 세기가 각각 Ps와 Pp이고 차주파수 생성 현상에 의하여 변환되어 외부로 출력되는 변환광의 세기를 Pi라고 하면, 손실이 없는 경우를 가정할 때, 직접적 차주파수 생성의 경우에는 식(1)의 관계가 성립한다.

(1)

또한, 순차적 차주파수 생성의 경우에는, 식 (1)에 표현된 2Wp의 주파수를 가진 광파가 다음과 같은 식 (2)에 의하여 표현될 수 있다.

(2)

또한, Wp의 주파수를 가진 외부 펌프광의 이차 조화파 생성에 의하여 제공되므로, Pi(Wi)는 다음과 같은 식(3)으로 표현된다. (G. P. Banfi, P. K. Datta, V. Degiogio, and D. Fortusini, "Wavelength shifting and amplification of optical pulses through cascaded second-order processes in periodically poled lithium niobate," Appl. Phys. Lett., vol. 7, pp. 136--138, 1998. 참조).

(3)

따라서, 직접적 차주파수 생성에 의한 변환광은 신호광 및 펌프광의 세기에 선형적으로 비례하고 작용 길이에 이차적으로 비례하지만, 순차적 차주파수 생성에 의한 변환광의 세기는 신호광 및 펌프광의 세기에 각각 선형적 및 이차적으로 비례하고 작용 길이에 사차적으로 비례하므로 펌프광의 세기나 작용 길이의 변화에 더 민감하게 변화한다.

다음으로, 도 1을 참조하여 순차적 차주파수 생성장치(1)의 동작원리를 상세히 설명한다.

먼저, 입사된 펌프광(Wp)과 신호광(Ws)이 제1 유전체 거울(20)을 투과하여 비선형 매질(10)을 진행하게 되면, 펌프광(Wp)은 위상 정합 조건이 만족되어 이차 조화파로 변환되며 (Wp + Wp -> 2Wp), 배가된 2Wp의 주파수를 가진 이차 조화파는 진행 중인 신호광(Ws)과 위상 정합 조건이 동시에 만족되어 차주파수를 가진 변환광(Wi)을 순차적으로 생성하며 (2Wp - Ws -> Wi), 이때 생성된 주파수(Wi)의 변환광은 이차 비선형 상호 작용에 참여하지 못하고 그대로 진행하는 나머지의 펌프광(Wp)과 신호광(Ws)과 함께 출력 부분의 공진 구조를 투과하여 외부로 출력된다.

한편, 비선형 매질(10)을 진행하는 동안에도 차주파수 생성 작용에 참여하지 못한 이차 조화파(2Wp)는 공진 구조 출력 부분의 제2 유전체 거울(30)에 전반사되 어 진행하던 경로를 따라 반대편으로 되돌아가게 되며, 이 경우 입사된 신호광(Ws)과는 서로 반대 방향으로 진행하므로 위상 정합 조건이 달라져서 차주파수 생성 현상이 발생하지 않으며, 공진구조 입력 부분의 제1 유전체 거울(10)에 다시 전반사되어 처음 입사 방향으로 진행하면서, 새로이 입사되는 신호광(Ws)과 결합하여 차주파수를 가진 변환광(Wi)으로 변환된다.

따라서, 순차적 차주파수 생성에 관한 종래 기술과 본 발명의 차주파수 생성 장치의 주된 차이점을 살펴보면, 전자의 경우는 펌프광(Wp)이 비선형 매질(10)을 통과하면서 생성되는 주파수가 배가된 이차 조화파 가운에 차주파수를 생성하는 비선형 상호 작용에 참여하지 못한 나머지 양의 이차 조화파가 외부로 그대로 출력되어 나오지만, 후자의 경우는 전자의 경우에서 차주파수 생성 작용에 참여하지 못하고 그대로 출력되어지는 이차 조화파 전부가 출력 부분의 공진 장치에 의하여 입력 부분으로 다시 되돌아와서, 입력 부분의 공진 장치에 의하여 또 다시 되돌아가면서 새로이 생성되는 이차 조화파와 함께 더하여져, 입사되는 신호광(Ws)과 상호 작용하여 변환광(Wi)을 생성시킬 수 있다.

따라서 이와 같이 반복되어 왕복 또는 순환되는 이차 조화파의 공진은 비선형 매질 내부에서 신호광(Ws)과 비선형 상호 작용할 수 있는 유효한 이차 조화파의 세기를 효과적으로 증대시키는 역할을 하여, 결과적으로 차주파수를 가진 변환광(Wi)의 세기를 향상시킬 수 있다.

전술한 바와 같은 순차적 차주파수 생성장치의 실제 제작은 예컨대 주기 분 극 LiNbO₃(리튬나이오베이트)의 광도파로를 이용하여 구현할 수 있다. 이 경우, 적절한 QPM(Quasi-Phase matching)의 격자 주기를 채택하여 펌프광에 의한 이차 조화파 생성과, 생성된 이차 조화파와 입사된 신호광과의 결합을 통한 차주파수 생성에 대한 위상 정합의 조건을 동시에 만족하도록 구성할 수 있다.

한편, 광도파로의 입력부와 출력부에 각각 유전물질 또는 금속(예컨대 Al₂O₃와 실리콘의 적층)으로 이루어진 유전체를 E-beam등의 증착방식을 이용하여 코팅하여 유전체 거울을 형성할 수 있다. 이 경우, 적층하는 유전체의 두께, 물질의 종류 등을 조절하여 입력된 펌프광의 이차 조화파(2Wp)는 전반사하도록 하고 신호광(Ws), 펌프광(Wp) 및 변환광(Wi)은 반사되지 않고 출력되도록 구성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치에서 이용가능한 공진 구조들을 상세히 설명한다. 순차적 차주파수 생성장치의 기본적인 원리 및 동작은 전술한 바와 유사하고, 광학적 장치의 종류에 따라 다른 공진 구조를 가지도록 할 수 있다. 도 2 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치에서 이용 가능한 공진 구조의 예들을 설명하기 위한 도면들이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치에서 광섬유 격자 거울로 구성된 공진구조를 가지는 경우를 설명하기 위한 도면이다.

이 공진 구조는 비선형 매질(100)의 일면에 장치된 제1 광섬유 격자 거울(110)과, 비선형 매질(100)의 타면에 장치된 제2 광섬유 격자 거울(120)을 포함하여 구성된다. 이 공진구조는 선택적 투과 및 반사를 성질을 가진 도 1의 공진 거울이 광섬유 격자 거울(Fiber Grating Mirror)로 바뀌었을 뿐 동일한 역할을 한다. 바람직하게는, 입출력되는 광파들은 광섬유(130)에 의해 인도된다.

한편, 이와 같은 공진 구조를 구성하는 광섬유 격자 거울은 그 특성상 거울이 광섬유 내부에 자체적으로 존재하도록 구성가능하여 상대적으로 손실을 줄이고 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

제1 및 제2 광섬유 격자 거울(110,120)은 광섬유 코어 내의 굴절률이 주기적으로 변하는 형태를 가지도록 구성한 광소자이다. 예컨대, 광섬유 내에 위상 마스크와 진폭 마스크를 이용하여 광섬유 도파로에 UV(Ultra-Violet)빔을 조사해 샘플격자를 갖는 광섬유 격자 거울을 제작할 수 있다. 이와 같이 제작된 광섬유 격자 거울의 경우, 격자들의 주기를 적절하게 조절하여 반사 및 투과 스펙트럼을 본 발명에 적용가능하도록 구성하여야 한다. 즉, 신호광, 펌프광은 제1 광섬유 격자 거울(110)을 투과시키고, 펌프광의 이차 조화파에 대해서는 반사하도록 하고, 변환광은 제2 광섬유 격자 거울(120)을 투과시키고 펌프광의 이차 조화파에 대해서는 반사하도록 하여 공진기 내부에서 왕복하여 공진할 수 있는 구조를 갖도록 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치에서 광섬유 루프 거울로 구성된 공진구조를 가지는 경우를 설명하기 위한 도면이다.

이 공진 구조는 비선형 매질(200)의 일면에 장치된 제1 루프 거울(210, 240) 과, 비선형 매질(200)의 타면에 장치된 제2 루프 거울(220, 250)을 포함하여 구성된다. 제1 루프 거울(210, 240)은 입력되는 광신호를 일정 비율(예컨대, 50:50)로 분기하는 제1 결합기(240, 예컨대 WDM 광결합기)와, 제1 광결합기(240)에서 분기되어 입력되는 광신호의 이동경로인 제1 광섬유(210)를 구비하여 구성된다. 제2 루프 거울(220, 250)은 제2 광결합기(250)와 제2 광섬유(220)를 구비한다. 바람직하게는, 입출력되는 광파들은 광섬유(230)에 의해 인도된다.

순차적 차주파수 생성에 관한 광학적 과정은 도 1의 동작원리에 대한 설명과 유사하며, 공진기를 구성하는 광섬유 루프 거울의 특성상 거울이 광섬유와 직접적으로 연결가능하여 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 공진구조에 의하면, 신호광과 펌프광은 제1 루프 거울(210, 240)을 투과시키고, 펌프광의 이차 조화파에 대해서는 반사하도록 하고, 변환광은 제2 루프 거울(220, 250)을 투과시키고 펌프광의 이차 조화파에 대해서는 반사하도록 하여 공진기 내부에서 왕복하여 공진할 수 있는 구조를 갖는다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치에서 다수의 광학 거울을 이용한 공진구조를 가지는 경우를 설명하기 위한 도면이다.

본 공진구조는 제 1 내지 제 4 광학거울(310,320,330 및 340)를 포함하여 구성되어, 펌프광(Wp)의 이차 조화파(2Wp)에 대하여만 선택적으로 전반사하고, 마주 보며 비스듬하게 배열되어 펌프광(Wp)의 이차 조화파(2Wp)가 제1 내지 2, 3, 4 광학거울(310,320,330,340)을 거치며 순환하면서 단일 방향으로만 공진하도록 구성된 다. 선택적 투과 및 반사를 성질을 가진 제2 광학거울(320)이 출력 부분에서 펌프광(Wp)의 이차 조화파(2Wp)를 제3 및 제4 광학거울들(330,340)을 이용하여 비선형 매질(300)의 외부로 우회시키고, 제1 광학 거울(310)을 이용하여 재입력하는 일방성의 공진 구조를 가지며, 비선형 매질(300)은 입사광들의 진행 방향에 위치한다.

즉, 차주파수 생성에 참여하지 못하고 그대로 진행하는 이차 조화파(2Wp)를 출력 부분에서 비선형 매질(300)의 외부로 거울을 이용하여 반사 순환시켜 입력 부분으로 다시 인도하는 공진 구조을 유도하는 구조이며, 순차적 차주파수 생성에 관한 나머지의 광학적 과정은 도 1에서의 설명과 일치한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치에서 광섬유 링 공진기를 이용한 공진구조를 가지는 경우를 설명하기 위한 도면이다.

도 5의 공진구조는 비선형 매질(400)에 장치된 광섬유 링 공진기(410)과, 광섬유 링 공진기(410)에 장치된 적어도 하나의 아이솔레이터(420)와, 광섬유 링 공진기(410)에 장치된 입출력 결합기(440; 예컨대 WDM 광결합기)와, 입출력 결합기와 연결된 광섬유(430)를 포함하여 구성되며, 입출력 결합기(440)는 광섬유(430)를 따라 입사되는 신호광 및 펌프광을 광섬유 링 공진기(410)로 유도하며, 비선형 매질(400)을 지나 광섬유 링 공진기(410)를 따라 진행하는 변환된 변환광, 신호광 및 펌프광을 광섬유(430)로 유도하여 외부로 출력하며, 펌프광의 이차 조화파에 대하여만 선택적으로 광섬유 링 공진기(410)로 다시 유도하여 펌프광의 이차 조화파 가 광섬유 링 공진기(410)를 순환하면서 단일 방향으로만 공진하도록 공진 구조를 형성한다. 아이솔레이터(420)는 필수적으로 포함되는 구성요소는 아니지만 광파를 한방향으로 진행시키는 역할을 한다.

한편, 도 6의 공진구조는 비선형 매질(500)에 장치된 광섬유 링 공진기(510)과, 광섬유 링 공진기(510)에 장치된 적어도 하나의 아이솔레이터(520)와, 광섬유 링 공진기(510)에 장치된 파장 다중 및 입력 결합기(540; 예컨대 WDM 광결합기)와, 입력 결합기(540)와 연결된 광섬유(530), 광섬유(530)와 연결된 출력 결합기(550)를 포함하여 구성된다.

도 5의 공진구조와의 차이점은 도 5의 공진구조는 입출력 부분이 파장 다중 및 입출력 결합기로 공진기와 결합되어 있는 반면, 도 6의 공진구조는 입력 부분 및 출력 부분이 각각의 결합기로 공진기와 결합된 경우이다.

한편, 도 5와 도 6의 공진구조를 도 4의 공진구조와 비교했을 때, 다수의 공진 거울 대신에 광섬유와 결합기를 이용하여 단일 방향성 공진기를 구성하여 입사되는 펌프광과 신호광은 결합기에서 광섬유 링 공진기로 진행하며 매질 내부에서 비선형 상호 작용을 하고, 변환광과 함께 다시 결합기를 거쳐 공진기 외부로 빠져나오지만, 펌프광의 이차 조화파는 광섬유 링 공진기 내부에서 한 방향으로 계속 순환하여 공진하도록 하는 구조이며, 나머지의 광학적 과정은 도 4에서의 설명과 동일하다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적 차주파수 생성장치에서 비 선형 매질 내부에 격자 거울을 형성하는 방식의 공진구조를 도시한 도면이다. 이와 같은 방식에 의하면 예컨대 LiNbO₃ (리튬나이오베이트) 등의 비선형 매질(600)의 내부 양측에 제 1 및 제 2 격자구조의 거울(610, 620)을 형성한다. (B. K. Das, H. Suche and W. Sohler, "Single frequency Ti:Er:LiNbO3 distributed Bragg reflector waveguide laser with thermally fixed photorefractive cavity," Appl. Phys. B, vol. 73, pp. 439--442, 2001. 참조). 거울의 역할을 수행하는 비선형 물질 자체에 의한 격자는 홀로그래픽 장치와 아르곤-이온 레이저를 사용하여 만들 수 있다. 주기적인 간섭 패턴은 파동 전치부 경계선과 후속되는 중첩에 의하여 생성되며, 이러한 광의 입사는 주기적 공간 전하에 의한 전기장의 분포를 야기하고 굴절율을 변화시켜 브래그 반사 격자를 만든다. 이 격자는 상온에서 형성되면 안정하기 않기 때문에 섭씨 180 도 정도의 고온에서 공정이 진행된다.

한편, 상술한 도 1 내지 4 및 도 7의 각 공진구조들은 서로 조합으로 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 광신호의 입력부에는 유전체 미러, 광섬유 격자 거울, 루프 미러 또는 비선형 매질 내부에 형성된 격자 거울을 배치하고, 출력부에는 입력부의 공진구성요소와는 다른 공진 구성요소를 배치하여 이를 조합으로 방식으로 공진구조를 구성할 수 있다. 도 8은 도 1의 공진 구성요소와 도 2의 공진구성요소를 서로 조합한 일예를 도시하고 있는 개략적인 구성도이다. 이 공진 구조는 비선형 매질(700)의 일면에 장치된 유전체 거울(710)과, 비선형 매질(700)의 타면 에 장치된 광섬유 격자 거울(720)을 포함하여 구성되고, 광섬유 격자 거울(720)은 광섬유(730)에 연결되어 있다.

한편, 공진 구조를 구성함에 있어 위에서 상술한 구조들의 구성 요소들을 상호 조합하여 공진기를 구성하는 등, 본 발명의 사상이나 범위로부터 이탈됨이 없이 본 발명의 다양한 변경이 가능해질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 구현 예에 대한 상기의 설명은 예시의 목적으로만 제공될 것이며, 첨부된 청구 범위 및, 그것의 등가물에 의해서 한정되는 본 발명을 제한하기 위한 목적을 위해서 제공되는 것은 아니다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는, 물리적 관점에서 공진 구조를 이차 비선형 광학 현상의 순차적 차주파수 생성 과정에 이용하여, 종래의 단순한 순차적 차주파수 생성 과정과 비교했을 때, 향상된 변환 효율을 얻을 수 있는 공진형 순차적 차주파수 생성 기술을 제공한다.

또한, 순차적 차주파수 생성 과정과 결합된 공진 구조를 분류하여 분석함으로써 다양한 형태의 공진형 순차적 차주파수 생성 장치를 제공 가능하게 되어, 필요와 적용예에 따라서 다양한 공진 구조를 갖는 순차적 차주파수 생성 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

펌프광과 신호광을 입력 받아 상기 펌프광의 이차 비선형 상호 작용을 통하여 이차 조화파를 생성하고, 상기 신호광과 상기 이차 조화파의 이차 비선형 상호 작용을 통하여 차주파수를 갖는 변환광을 생성하는 비선형 매질; 및

상기 비선형 매질을 기준으로 상기 이차 조화파가 공진하도록 하는 공진구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공진구조는 상기 신호광, 상기 펌프광, 상기 변환광에 대해서는 투과시키고, 상기 이차 조화파에 대해서는 반사를 하여 외부로 투과되어 나가지 못하고 내부에서 왕복 또는 순환하여 공진하도록 하는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공진 구조는,

상기 비선형 매질의 일면에 장치된 제1 유전체 거울; 및

상기 비선형 매질의 타면에 장치된 제2 유전체 거울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공진 구조는,

상기 비선형 매질의 일면에 장치된 제1 광섬유 격자 거울; 및

상기 비선형 매질의 타면에 장치된 제2 광섬유 격자 거울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 4 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 광섬유 격자거울에 입출력되는 광신호들은 광섬유에 의해 인도되는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공진 구조는,

상기 비선형 매질의 일면에 장치된 제1 광섬유 고리형 거울; 및

상기 비선형 매질의 타면에 장치된 제2 광섬유 고리형 거울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광섬유 고리형 거울은 결합기와 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 6 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 광섬유 고리형 거울에 입출력되는 광신호들은 광섬유에 의해 인도되는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공진 구조는,

상기 비선형 매질의 내부 일면에 장치된 제1 격자 거울; 및

상기 비선형 매질의 내부 타면에 장치된 제2 격자 거울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 1 항에 있어서, 상기 공진 구조는,

상기 비선형 매질의 일면에 장치된 제1 광학 거울; 및

상기 비선형 매질의 타면에 장치된 제2 광학 거울; 및

상기 비선형 매질의 외부에 장치된 제3 광학 거울 및 제4 광학 거울을 포함하여 구성되며,

상기 제1 내지 4 광학 거울은 상기 신호광, 상기 펌프광, 상기 변환광에 대해서는 투과시키고, 상기 펌프광의 이차 조화파에 대하여만 선택적으로 상기 비선형 매질의 외부로 우회시켜 공진하도록 하는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 1 항에 있어서, 상기 공진 구조는,

상기 비선형 매질에 광신호의 광로가 배치된 광섬유 링 공진기;

상기 광섬유 링 공진기에 상기 광신호를 입출력하기 위하여 광섬유; 및

상기 광섬유와 상기 광섬유 링 공진기에 결합된 입출력 결합기를 포함하여 구성되며,

상기 입출력 결합기는 광섬유를 따라 입사되는 신호광 및 펌프광을 광섬유 링 공진기로 유도하며, 비선형 매질을 지나 광섬유 링 공진기를 따라 진행하는 변환된 변환광, 신호광 및 펌프광을 광섬유로 유도하여 외부로 출력하며, 펌프광의 이차 조화파에 대하여만 선택적으로 광섬유 링 공진기로 다시 유도하여 펌프광의 이차 조화파가 광섬유 링 공진기를 순환하면서 단일 방향으로만 공진하도록 공진 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 11 항에 있어서,

상기 광섬유 링 공진기에는 적어도 하나의 아이솔레이터가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 1 항에 있어서, 상기 공진 구조는,

상기 비선형 매질에 광신호의 광로가 배치된 광섬유 링 공진기;

상기 광섬유 링 공진기에 상기 광신호를 입출력하기 위하여 광섬유;

상기 광섬유와 상기 광섬유 링 공진기에 결합되어 광신호를 입력하기 위한 입력 결합기; 및

상기 광섬유와 상기 광섬유 링 공진기에 결합되어 광신호를 출력하기 위한 출력 결합기; 및

상기 입력 결합기는 광섬유를 따라 입사되는 신호광 및 펌프광을 광섬유 링 공진기로 유도하며, 상기 출력 결합기는 비선형 매질을 지나 광섬유 링 공진기를 따라 진행하는 변환된 변환광, 신호광 및 펌프광을 광섬유로 유도하여 출력하며, 이들 입출력 결합기는 펌프광의 이차 조화파에 대하여만 선택적으로 광섬유 링 공진기로 다시 유도하여 펌프광의 이차 조화파가 광섬유 링 공진기를 순환하면서 단일 방향으로만 공진하도록 공진 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.
제 13 항에 있어서,

상기 광섬유 링 공진기에는 적어도 하나의 아이솔레이터가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공진 구조는,

상기 비선형 매질의 일면 내부에 장치된 유전체 미러, 광섬유 격자 거울, 루프 미러 및 비선형 매질 일면의 내부에 형성된 격자 거울 중 임의의 하나인 제1 공진구성요소; 및

상기 비선형 매질의 타면에 장치된 유전체 미러, 광섬유 격자 거울, 루프 미러 및 비선형 매질의 타면 내부에 형성된 격자 거울 중 다른 하나의 공진구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진구조를 이용한 순차적 차주파수 생성장치.