KR100608634B1 - 집적광학형 실시간 지연 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집적광학형 실시간 지연 장치에 관한 것으로, 종래 광학적 실시간 지연 장치는 광섬유 선로에 브래그 격자를 형성한 후, 지연시간을 조절하기 위해 무선주파(RF) 신호가 실려있는 광신호의 파장을 가변하거나 브래그 격자가 형성된 부분을 기계적으로 변형시키는 방법을 사용하므로 파장을 가변하는 경우에는 고가의 파장가변 광원이 필요하여 비용이 높아지며, 기계적인 변형을 실시하는 경우 부피가 큰 구동부가 필요한 것은 물론이고 기계적 피로에 의해 재연성과 신뢰성이 낮으며 연속적인 고속 구동이 어려운 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 온도 변화에 따라 유효 굴절율이 변화되는 도파로형 균일 브래그 격자를 형성하고, 점진적으로 인접 거리가 변화되도록 히터 전극을 배치하여 상기 전극에 전압이 인가되어 온도 분포가 달라지면 상기 균일 브래그 격자가 쳐핑된 브래그 격자로 동작하도록 구성한 후, 인가 전압의 크기에 따라 전체적인 브래그 격자의 유효굴절율을 변화시켜 입력광의 반사 위치를 조절하도록 함으로써, 단순한 전압 조절을 통해 실시간 지연시간을 결정할 수 있어 신뢰성이 높아지고, 제어가 용이하며, 크기를 줄인 집적광학형 실시간 지연 장치를 낮은 비용으로 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

집적광학형 실시간 지연 장치{INTEGRATED OPTIC TRUE-TIME DELAY APPARATUS}
도 1은 일반적인 광학적 무선주파신호를 위한 위상 배열 안테나 시스템 구성도.
도 2는 본 발명 일 실시예의 실시간 지연 장치 구조를 보인 상부 평면도 및 단면도.
도 3은 도 2에 인가되는 전극 온도에 따른 도파로 유효굴절율 분포도.
도 4는 도 2에 인가되는 전극 온도에 따른 입력광의 반사 위치 분포도.
도 5는 본 발명 다른 실시예의 전극 구조를 보인 상부 평면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 전기광학 변조기 20: 광섬유 선로
30: 광지연부 40: 광검출기
50: 요소 안테나 100: 도파로 구조물
110: 히터 전극 120: 폴리머 브래그 격자
130: s자 히터 전극
본 발명은 집적광학형 실시간 지연 장치에 관한 것으로, 특히 열광학 효과를 가지는 도파로 광소자를 이용하여 무선주파(RF)신호가 실린 광신호의 전달 시간을 제어할 수 있도록 한 집적광학형 실시간 지연 장치에 관한 것이다.
이동통신 단말기, 무선랜, 홈네트워크, 전자상거래, 전자회의 등이 실생활에 급속히 퍼져나감에 따라 무선 통신량이 폭발적으로 증가하게 되었다. 이러한 무선통신 시스템 및 단말기의 성능은 주변의 통신 환경에 민감하게 반응하는 경우가 많기 때문에 주변 통신 환경의 변화에 대응할 수 있는 안테나 시스템에 대한 요구가 급증하게 되었다. 특히, 이동통신 단말기, 무선랜의 경우 통화 품질은 인접 사용자에 의한 통화량이나 위치 등과 같은 주변 환경에 영향을 받기 쉬우므로, 주변의 통신 환경 변화에 대응하여 우수한 통신 품질을 유지하기 위해 통신 요구에 따라 능동적으로 전파의 송수신 분포를 조절 할 수 있는 배열형 안테나가 사용되고 있다. 이러한 배열형 안테나의 경우 다수의 요소 안테나들에 인가되는 RF 신호를 차등하게 지연시킴으로써 방출되는 RF 신호빔의 지향각을 조절할 수 있으므로, 신호를 적절하게 지연시킬 수 있는 지연 장치는 배열형 안테나의 핵심 소자이다.
종래에는 이러한 지연장치를 위상 제어 방식의 전기적 스위치를 이용하기 때문에 부피와 정밀도에서 크게 불리했으나, 최근에는 광학 효과를 이용하여 이러한 실시간 지연부를 구성하고 있다.
도 1은 광학적 실시간 지연부를 이용하는 일반적인 위상 배열 안테나 시스템의 구성을 간략히 보인 것으로, 도시한 구성은 광학적 RF 실시간 지연선로를 이용한 배열형 안테나 구조이다. 도시한 바와 같이 4개의 요소 안테나(50a~50d)가 각각 광학적 실시간 지연부(30a~30d)와 연결되어 있다.
상기 구조를 감안하면서 광학적으로 RF 신호의 송수신 분포를 조절하는 방법을 알아보면, 전송하고자 하는 RF 신호(fRF)를 전기 광학 변조기(10)에 인가하여 전송자(carrier)로 사용되는 광신호(fo)에 실어 상기 광 지연부(30a~30d)와 연결된 광섬유 선로(20)에 제공하면서, 상기 광 지연부(30a~30d) 각각에 설정된 지연 시간(Δτ단위)을 조절한다. 이렇게 지연된 광 신호들은 광 검출기(40a~40d)에 의해 다시 RF 신호로 복원된 후 상기 요소 안테나(50a~50d)를 구동하여 이들로부터 송수신되는 RF 신호빔의 분포를 조절할 수 있다
여기서, 상기 광 지연부(30a~30d)는 광섬유 선로(20)의 일부분에 형성된 지연선로로서, 각각 Δτ를 단위로 하는 시간 지연을 가지도록 구성되며, 이들에 의해 상기 요소 안테나(50a~50d)를 통해 송수신되는 RF 심호빔의 주사 방향이 결정된다.
상기와 같은 광 지연부(30a~30d)는 특정한 광파장의 신호만을 반사시키는 특성을 가지는 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating)를 이용하는 것이 일반적인데, 기존의 방법은 광섬유 자체에 브래그 격자 구조를 도입한 형태로 사용된다. 즉, 고정된 파장에 대응하는 브래그 격자 구조를 광 선로에 형성하여 인가되는 파장이 소정의 위치에서 반사되도록 하고, 이렇게 반사되는 광을 다시 받아들여 지연이 발생하도록 하는 방식이다.
상기 종래의 브래그 격자 구조를 이용하는 지연 선로는 크게 두가지 방법으 로 사용되는데, 하나는 광신호의 진행 방향으로 격자의 주기가 변하여 각 지점에서 반사되는 광파장이 달라지는 쳐핑된 브래그 격자(Chirped fiber bragg grating)를 이용하는 것이다. 이는 입력되는 광파장을 변화시킴으로써 상기 광파장이 브래그 격자 구조로 진행하다가 격자 구조에 의해 반사되는 반사 지점을 변경시켜 상기 광파장에 실린 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 방식이다. 이는 RF 신호가 실리는 광신호의 파장을 변화시켜 상기 브래그 격자에서 상기 광 신호가 반사되는 위치를 조절하는 것으로 지연 시간을 변화시키기 때문에 파장 가변 광원이 필수적이다. 그러나 이러한 파장 가변 광원은 상당히 고가이므로 제조 비용이 높아지는 문제점이 있었다.
다른 방법은, 파장을 가변시키는 방법이 아니라, 브래그 격자가 형성된 선로를 물리적으로 변형(선로를 휘거나 누르는 등)시켜 격자의 구조를 가변함으로써 반사되는 광신호의 지연시간을 조절하는 방법인데, 이는 기계적인 움직임이 필요하므로 지연부의 부피가 커지고 기계적인 피로에 의해 재현성 및 신뢰성이 낮은 문제점과 함께, 연속적으로 고속 구동이 어렵다는 문제점 또한 가지게 된다.
상기한 바와 같이 종래 광학적 실시간 지연 장치는 광섬유 선로에 브래그 격자를 형성한 후, 지연시간을 조절하기 위해 무선주파(RF) 신호가 실려있는 광신호의 파장을 가변하거나 브래그 격자가 형성된 부분을 기계적으로 변형시키는 방법을 사용하므로 파장을 가변하는 경우에는 고가의 파장가변 광원이 필요하여 비용이 높아지며, 기계적인 변형을 실시하는 경우 부피가 큰 구동부가 필요한 것은 물론이고 기계적 피로에 의해 재연성과 신뢰성이 낮으며 연속적인 고속 구동이 어려운 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 온도 변화에 따라 유효 굴절율이 변화되는 도파로형 균일 브래그 격자를 형성하고, 점진적으로 인접 거리가 변화되도록 히터 전극을 배치하여 상기 전극에 전압이 인가되어 온도 분포가 달라지면 상기 균일 브래그 격자가 쳐핑된 브래그 격자로 동작하도록 구성한 후, 인가 전압의 크기에 따라 전체적인 브래그 격자의 유효굴절율을 변화시켜 입력광의 반사 위치를 조절하도록 한 집적광학형 실시간 지연 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 이격 거리가 점진적으로 변화되도록 배치된 히터 전극과; 열광학 폴리머 물질과 실리카 물질을 포함하는 열에 의해 유효 굴절율이 변화되는 광학 물질들 중 적어도 하나로 이루어져 상기 히터 전극에 인가되는 전압에 의해 발생되는 열에 의해 유효 굴절율이 변화되는 도파로형 균일 브래그 격자와; 상기 브래그 격자가 내부에 위치하며 상기 히터 전극을 지지하는 도파로 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 히터 전극은 상기 도파로형 균일 브래그 격자가 내부에 형성된 육면체 구조의 도파로 구조물 상부에 배치되며, 상기 균일 브래그 격자와의 거리가 점진적으로 이격되도록 상기 균일 브래그 격자의 배치에 대해 비스듬하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 브래그 격자는 열광학 폴리머로 이루어지며, 상기 히터 전극은 인가되는 전압에 따라 상기 균일 브래그 격자가 선형적인 광 반사 특성을 가지는 쳐핑된 브래그 격자로 동작하도록 곡선 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 방법으로 실시되는 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명 일 실시예의 구조를 보이는 열광학 폴리머 도파로형 브래그 격자를 이용한 실시간 지연 장치의 상부 평면도 및 단면도이다.
먼저, 도시된 도 2a와 도 2b의 구조를 보면, 도파로 구조물(100) 내부에 열광학 폴리머로 이루어진 도파로형 균일 브래그 격자(120)가 위치되어 있다. 그리고, 상기 도파로형 브래그 격자(120)의 외부에 형성된 도파로 구조물(100) 상부에 상기 도파로형 균일 브래그 격자(120)의 구조에 대해 비스듬한 방향으로 히터 전극(110)이 형성된다. 상기 히터 전극(110)의 비스듬한 배치로 인해 상기 히터 전극(110)과 도파로형 균일 브래그 격자(120) 사이의 이격 거리는 점진적으로 변화된다.
상기 도파로형 브래그 격자(120)는 유효 굴절율이 다른 폴리머 물질이 서로교번하도록 배치되는데, 제 1유효 굴절율을 가지는 격자와 제 2유효 굴절율을 가지는 격자가 계속 반복되어 균일 브래그 격자(120)를 형성한다. 이를 용이하게 형성하기 위해서 본 실시예에서는 열광학 폴리머로 도파로를 형성한 후, 두 종류의 자외선에 의해 발생하는 간섭 현상을 이용하여 상기 형성된 도파로를 광표백시켜 도파로의 굴절율이 광의 진행방향에 따라 일정한 주기를 가지고 변하는 균일 브래그 격자(120)가 되도록 한다.
비록 도시되지는 않았지만, 각 격자의 초기 유효 굴절율을 결정하는 방법은 식각을 통해 실시될 수도 있는데, 식각되지 않은 폴리머와 식각된 폴리머가 교번하여 배치되도록 열광학 폴리머를 식각함으로써 균일 브래그 격자를 형성할 수 있다. 이 경우 식각에 사용되는 마스크층의 패턴을 정의하기 위해 상기 설명한 두종류의 자외선 간섭을 이용할 수 있다.
이렇게 형성된 균일 브래그 격자(120)는 고정된 파장에 대해서만 동작하게 되므로 상기 설명한 바와 같이 상기 균일 브래그 격자(120)와 이격 거리가 점진적으로 변화하도록 히터 전극(110)을 배치한 후, 상기 히터 전극(110)에 전압을 인가하여 상기 열광학 폴리머로 이루어진 균일 브래그 격자(120)에 가해지는 열이 점진적으로 변화하도록 함으로써, 상기 열광학 폴리머로 이루어진 균일 브래그 격자(120)의 유효 굴절율이 점진적으로 가변하게되고, 이는 상기 균일 브래그 격자(120)가 쳐핑된 브래그 격자(120)로 동작할 수 있게 한다. 다시 말해서, 히터 전극(110)에 전압을 인가하는 것 만으로 균일 브래그 격자(120)를 쳐핑된 브래그 격자(120)로 변화시켜 여러 종류의 광파장에 대응하도록 한다.
상기 열광학 폴리머 브래그 격자(120)에 의해 반사되는 광신호의 파장은 다음과 같은 식을 통해 얻을 수 있다.
Figure 112004020215626-pat00001
여기서, neff는 도파로 유효 굴절율이고, Λg는 격자의 주기이다.
도 3은 상기 도 2에 도시한 본 발명 일 실시예의 유효 굴절율 분포를 보인 것으로, 히터 전극에 인가하는 전압에 따른 온도 상승에 의한 도파로 브래그 격자 진행방향으로의 유효 굴절율 분포를 보이고 있다. 여기서 L은 도파로 격자의 길이이고, n0는 초기 유효 굴절율이다. 따라서, 가해지는 열에 의해 온도가 높아지는 격자 부분의 유효 굴절율은 작아지며, 발생되는 열이 전달되지 않아 온도 상승이 낮아지는 격자 부분으로 갈수록 초기 유효 굴절율에 근접하게 된다. 따라서, 반사되는 광파장이 진행 방향에 따라 연속적으로 변하는 쳐핑된 브래그 격자를 형성할 수 있다.
도 4는 상기 설명한 바와 같이 쳐핑된 브래그 격자를 이용하여 소정의 광파장을 가지는 광신호를 반사시켜 지연 시간을 조절하는 방식에서, 지연 시간 조절을 위한 광의 반사위치와 브래그 격자의 온도 사이의 관계를 보이는 반사위치 분포도이다. 도시한 바와 같이 소정의 광파장(λs)을 인가한 경우 히터 전극에 가하는 전압(즉, 그에 따른 온도의 변화)에 따른 반사 위치가 도시되어 있다. 예를 들어, 온도가 T1인 경우 반사되는 위치는 z1이 되고, 온도가 Tn인 경우 반사되는 위치는 zn이 되므로 가해지는 열에 의해 온도가 높아질 수록 반사되는 위치가 더 깊어져, 지연 시간이 길어지게 된다. 즉, 히터 전극에 인가되는 전압을 조절하여 제공되는 열의 크기를 조절함으로써 인가되는 광이 반사되는 위치를 조절할 수 있으며, 그에 따라 입력되는 광신호가 반사될때 까지의 지연 시간을 결정할 수 있게 된다.
따라서, 도 2에 도시한 본 발명 일실시예의 구조는 히터 전극에 인가하는 전압의 크기에 따라 임의의 광파장에 대한 지연 시간을 조절할 수 있다. 이는 여러 신호들이 상이한 광파장에 실려 인가되는 경우에 그에 대한 지연시간 조절을 인가 전압 만으로 실시할 수 있다는 것을 의미하므로 작은 부피의 도파로형 실시간 지연 장치를 쉽게 구현할 수 있으며, 비교적 제어가 용이한 전압 조절 만으로 실시간 지연 장치의 지연 시간을 결정할 수 있다.
도 5는 본 발명 다른 실시예의 구조를 보인 평면도로서, 도시한 바와 같이 열광학 폴리머를 이용한 브래그 격자(120)의 온도를 가변하기 위해 배치하는 히터 전극(130)의 구조를 변경한 것이다.
도 2에 도시한 구조에서 히터 전극(110)은 단순히 열광학 폴리머로 이루어진 균일 브래그 격자(120)와 비스듬하게 형성한 직선 형태를 가짐으로써, 상기 열광학 폴리머 균일 브래그 격자(120)에 차등한 열을 가할 수 있는 형태였다. 하지만, 상기 히터 전극(110)에 가하는 전압에 의해 발생되는 열과 그에 따른 광 신호 지연 시간은 선형적인 특성을 가지지 않음은 이미 도 4를 통해 확인한 바가 있다.
하지만, 이러한 비선형적 특성은 정확한 지연시간 제어에 여려움을 주게 되므로 히터 전극에 인가되는 전압과 그로인해 발생되는 열로 인한 입사광의 반사 위치(즉, 지연 시간) 사이의 선형적인 동작 특성을 얻어야할 필요가 있다. 만일 인가 전압과 지연 시간 사이의 선형성을 얻을 수 있다면, 제어 및 캘리브레이션(calibration)이 용이해지게 된다.
따라서, 히터 전극(130)에 의해 형성되는 열 분포를 계산 및 시뮬레이션 한 결과 전극으로부터의 거리에 따른 온도 변화는 근사적으로 가우스 함수 모양으로 가변됨을 알 수 있었다. 그로인해, 도시된 바와 같이 S자와 유사한 곡면을 가지는 전극 구조를 도입하면 히터 전극(130)에 인가되는 전압과 인가되는 광 신호의 지연 시간 사이에 선형적인 특성을 얻을 수 있게 된다.
상기 설명된 본 발명의 실시예들에서는 브래그 격자를 형성하는 물질로 열광학 폴리머를 사용했지만, 본 발명은 열광학 폴리머로 브래그 격자 구조물의 재질을 한정하지 않는다. 즉, 실리카 등과 같이 온도 변화에 따라 유효 굴절율이 변화되는 특성을 가지는 다른 광학 물질의 사용도 충분히 가능하다는 것에 주의한다. 단지, 이러한 물질들은 열광학 폴리머에 비해 열광학 계수가 크게 작아지기 때문에 이를 감안하여 히터 전극의 발열 용량이나 인가 전력등이 결정되어야 한다.
상기한 바와 같이 본 발명 집적광학형 실시간 지연 장치는 온도 변화에 따라 유효 굴절율이 변화되는 도파로형 균일 브래그 격자를 형성하고, 점진적으로 인접 거리가 변화되도록 히터 전극을 배치하여 상기 전극에 전압이 인가되어 온도 분포가 달라지면 상기 균일 브래그 격자가 쳐핑된 브래그 격자로 동작하도록 구성한 후, 인가 전압의 크기에 따라 전체적인 브래그 격자의 유효굴절율을 변화시켜 입력광의 반사 위치를 조절하도록 함으로써, 단순한 전압 조절을 통해 실시간 지연시간을 결정할 수 있어 신뢰성이 높아지고, 제어가 용이하며, 크기를 줄인 집적광학형 실시간 지연 장치를 낮은 비용으로 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 이격 거리가 점진적으로 변화되도록 배치된 히터 전극과; 열광학 폴리머 물질과 실리카 물질을 포함하는 열에 의해 유효 굴절율이 변화되는 광학 물질들 중 적어도 하나로 이루어져 상기 히터 전극에 인가되는 전압에 의해 발생되는 열에 의해 유효 굴절율이 변화되는 도파로형 균일 브래그 격자와; 상기 브래그 격자가 내부에 위치하며 상기 히터 전극을 지지하는 도파로 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 히터 전극은 상기 도파로형 균일 브래그 격자가 내부에 형성된 육면체 구조의 도파로 구조물 상부에 배치되며, 상기 균일 브래그 격자와의 거리가 점진적으로 이격되도록 상기 균일 브래그 격자의 배치에 대해 비스듬하도록 형성된 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 도파로형 균일 브래그 격자가 내부에 형성된 도파로 구조물은 상부 면이 비스듬한 테이퍼 구조를 가지며, 상기 히터 전극은 상기 테이퍼 구조의 도파로 구조물 상부에 상기 도파로형 균일 브래그 격자와 나란한 방향으 로 형성되는 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 브래그 격자는 열광학 폴리머로 이루어지며, 유효 굴절율이 다른 두 종류의 격자가 교번하면서 위치되도록 두 종류의 자외선 간섭을 이용한 광표백을 통해 형성되거나 격자 구조에 따라 폴리머 격자의 일부를 식각하여 형성된 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 브래그 격자는 열광학 폴리머로 이루어지며, 상기 히터 전극은 인가되는 전압에 따라 상기 균일 브래그 격자가 선형적인 광 반사 특성을 가지는 쳐핑된 브래그 격자로 동작하도록 곡선 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
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