KR100843430B1 - 솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법 - Google Patents

솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 도파로를 제조하기 위해 준비된 광 도파관 매질에 대해 광 도파 방향으로 광을 입사시키는 단계; 상기 광 도파관 매질에 따라 상기 입사광의 세기(intensity)를 조절하여 상기 광 도파관 매질 내에 솔리톤을 발생시키는 단계; 상기 광 도파관 매질 내에 솔리톤이 발생한 상태에서, 상기 솔리톤을 발생시키는 입사광의 세기를 높여 재입사시키는 단계; 및 상기 재입사된 입사광에 의해 상기 솔리톤 발생 영역의 굴절율(Refractive index)을 증가시켜 광 도파로를 형성하는 단계를 포함하는 광도파로 제조 방법에 관한 것이다.
솔리톤, 광도파로, 입사광의 세기(intensity)

Description

솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법{Method for optical waveguide manufacturing by use of optical soliton}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법을 설명하기 위한 구성도.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 펨토초 레이저 20: 집광 렌즈
30: 광 도파관 매질 40: 솔리톤
50: 광 도파로
본 발명은 광도파로 제조 방법에 관한 것으로, 특히 광 도파관 매질에서 발생한 솔리톤을 이용하여 광 도파로를 제조하는 솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방 법에 관한 것이다.
광 도파로(optical waveguide or optical fiber)란 광이 어떤 매질을 전파할 때 퍼지지 안고 한 방향으로 광을 전송해주는 광학 부재를 말한다. 가장 널리 쓰이는 예로 광 통신에 사용되는 광 섬유(optical fiber)를 들 수 있고, 이러한 광도파로는 현대 정보사회에 있어서 없어서는 안될 중요한 부품 중에 하나이다. 특히 광통신 분야에서는 광도파로 제작 기술이 전체 시스템의 성능을 좌우한다고 해도 과언이 아닐 정도로 그 중요성이 높아 가고 있다.
　광 도파로의 원리는 굴절율이 높은 매질에서 낮은 매질로 전파할 때 어떤 임계각 이상인 광은 투과되지 않고 전부 반사하는 광의 전반사 성질을 이용하는 것이다. 종래의 광도파로 제조 방법은 글라스(glass) 또는 LiNbO3　등의 도파관 재질 내에 Ge 또는 Ti 등의 이온을 확산시켜 국부적으로 굴절율을 높여 광을 유도(guiding)하는 방법을 사용하였다.
그러나, 이러한 방법은 첨가된 Ge 또는 Ti 이온의 확산 깊이가 깊지 않아 도파관의 표면에서만 광 도파로를 형성시킨다는 단점 뿐만 아니라, 제조 과정이 복잡하다는 문제를 가지고 있다.
본 발명은 비선형 매질에 발생한 솔리톤을 이용하여 광 도파로를 간편하게 형성할 수 있는 광 도파로의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광 도파관 매질에 대해 광 도파 방향으로 광을 입사시키는 단계; 상기 광 도파관 매질에 따라 상기 입사광의 세기(intensity)를 조절하여 상기 광 도파관 매질 내에 솔리톤을 발생시키는 단계; 상기 광 도파관 매질 내에 솔리톤이 발생한 상태에서, 상기 솔리톤을 발생시키는 입사광의 세기를 높여 재입사시키는 단계; 및 상기 재입사된 입사광에 의해 상기 솔리톤 발생 영역의 굴절율(Refractive index)을 증가시켜 광 도파로를 형성하는 단계를 포함하는 광도파로 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 광 도파 방향으로 광을 입사시키는 단계는 상기 광 도파관 매질로부터 이격된 펨토초 레이저(femto-second Ti sapphire laser), 및 상기 광 도파관 매질과 상기 펨토초 레이저 사이의 집광 렌즈를 이용하여, 상기 펨토초 레이저 광을 상기 집광 렌즈에 의해 집광하여 상기 광 도파관 매질의 도파 방향으로 입사시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 광 도파관 매질은 LiNbO3, LiTaO3, KTP, AlGaAs, ZnSe, Al2O3 및 SiO2 유리 재질로 이루어진 군중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 솔리톤을 발생시키는 단계는 상기 광 도파관 매질의 비선형성 특성(optical kerr effect)에 따라 상기 입사광의 세기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 광 도파관 매질이 SiO2 유리 재질인 경우, 상기 솔리톤을 발생시키는 입사광의 세기는 1011~1012W/cm2　인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 광 도파 방향으로 광을 입사시키는 단계 내지 상기 솔리톤 발생 영역의 굴절율(Refractive index)을 증가시키는 것에 의해 광 도파로를 형성하는 단계를 반복적으로 다수 수행하여, 상기 광 도파관 매질 내에 다수의 광 도파로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법은 예를 들어, 펨토초 레이저(femto-second Ti sapphire laser: 10)와 집광 렌즈(20)를 사용하여 광 도파관 매질(30)에 솔리톤을 발생시키고, 발생한 솔리톤을 이용하여 광 도파로(50)를 제조하는 방법을 제안한다.
본 발명의 실시예에 따른 솔리톤을 이용한 광 도파로 제조 방법은 광도파로를 제조하기 위해 준비된 광 도파관 매질(30), 예를 들어 LiNbO3, LiTaO3, KTP, AlGaAs, ZnSe, Al2O3, 및 SiO2의 유리 재질 등으로 이루어진 광 도파관 매질(30)에 대해 광 도파 방향으로 레이저 광을 입사시키는 펨토초 레이저(10) 및 광 도파관 매질(30)의 입사면 일측에 펨토초 레이저(10)에서 발생한 레이저 광을 집광하여 입사하는 집광 렌즈(20)를 이용하여 광 도파관 매질(30) 내부에 광 도파로(50)를 다수 제조한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 솔리톤을 이용한 광도파로 제조 방법에 이용 되는 솔리톤(soliton) 현상에 대해 설명한다.
일반적으로 광이란 진공 혹은 어떤 매질 내를 전파하면서 퍼져 나가게 된다. 비록 레이저 빔이라 할지라도 먼 거리를 진행하거나 또는 렌즈로 광을 집광시킨 후에는 반드시 퍼지게 되어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 펨토초 레이저(10)로부터 발생된 광을 렌즈(20)로 모아 광 도파관 매질(30)에 입사 시켰을 때, 광이 비선형 매질인 광 도파관 매질(30)에서 자연스럽게 다시 퍼지게 된다.
그러나, 광이 어떤 매질 내를 진행하면서 퍼지지 않고 본래의 광 크기를 유지하는 현상이 발생하는데, 이를 공간 솔리톤(Optical spatial soliton) 현상이라하고, 구체적으로 도 2b에 도시된 바와 같이 렌즈(20)로 집광시킨 광이 비선형 광 도파관 매질(30) 내에서 더 이상 퍼지지 않고 집광된 광 크기를 유지하면서 매질(30) 내를 전파해 나가게 되며 그 메카니즘은 다음과 같다.
도 1에 도시된 펨토초 레이저(10)에서 발생된 광은 일반적으로 가우시안 분포를 가진다. 즉, 광의 세기가 가운데 부분이 강하고 바깥으로 갈수록 약해지는 모양을 가지며, 이러한 광이 비선형 광 도파관 매질(30)에 입사되면 매질(30)의 3차 비선형성으로 유발된 광 케르 효과(optical kerr effect)에 의해 광의 세기가 센 가운데 부분의 굴절율은 많이 변하게 되고, 바깥 부분으로 갈수록 굴절율 변화는 적어진다.
따라서, 렌즈에서와 같은 효과를 가지게 되며 이를 자기 집속(self-focusing) 현상이라고 하며, 이러한 자기 집속 현상과 광의 고유 성질인 퍼지는 현상(diffraction)이 서로 균형을 이루면, 도 2b에 도시된 바와 같이 광이 더 이상 퍼지지도 모아지지도 않는 솔리톤(40)이 발생할 수 있다.
이러한 솔리톤 현상을 이용하여 광 도파로를 만드는 방법은 먼저, 솔리톤(40)을 발생시키기 위해 광 도파관 매질(30)의 광 도파 방향, 즉 광 도파관 매질(30)의 길이 방향으로 펨토초 레이저(10)의 광을 렌즈(20)에 의해 집광하여 입사시키는 것에서 시작된다(S31).
이와 같이 입사된 펨토초 레이저(10)의 광에 의해 광 도파관 매질(30) 내에 공간 솔리톤(Spatial soliton)이 발생하도록, 펨토초 레이저(10)의 입사광 세기를 조절하여 입사시킨다(S32).
광 도파관 매질(30) 내에 솔리톤을 발생시키는 솔리톤 발생 조건은 광 도파관 매질(30)의 비선형성 특성 및 펨토초 레이저(10)의 광 세기(intensity)에 따라 설정되는데, 예를 들어 광 도파관 매질(30)이 SiO2 유리 재질인 경우 펨토초 레이저(10)에서 1011~1012W/cm2　정도 세기의 광이 입사되어야 광 도파관 매질(30) 내에 솔리톤이 발생할 수 있다.
구체적으로, 공간 솔리톤의 형성 조건을 살펴보면, 우선 Maxwell wave equation인 식 (1)에
　　
Figure 112007026162378-pat00001
　(1)
입사광에 관한 아래의 E(r,t)와 매질의 비선형 특성을 나타내는 PNL에 관한 식을 입력하여 계산하면,
Figure 112007026162378-pat00002
(여기서, E: 전기장(Electric field), U: 전기장 진폭(Electric field amplitude), r: 위치, t: 시간, m0: 진공의 투자율(Permeability of the vacuum), e: 매질의 절연 상수(Dielectric constant in material), e0: 진공의 유전율, PNL: 비선형 분극(Nonlinear Polarization) 함수, χ(3): 3차 감수율(Third order susceptibility), k: 파동 벡터(Wave vector)) 　
식 (2)와 같은 비선형 슈래딩거 식(Nonlinear Schrodinger equation)이 도출된다.
Figure 112007026162378-pat00003
　(2)
여기서,　　　
Figure 112007026162378-pat00004
Figure 112007026162378-pat00005
이므로, 식 (2)의 해는 아래와 같이 식 (3)으로 도출된다.
Figure 112007026162378-pat00006
　 (3)
Figure 112007026162378-pat00007
즉, 광 도파관 매질(30) 내에서 솔리톤이 Sech 함수 형태로 진행하는 것을 알 수 있다.
또한, 광 도파관 매질(30)이 예를 들어, n2 = 2.6x10-16cm2/W 인 용융 실리카(fused silica)와 같은 비선형 매질로 이루어진 경우에는 솔리톤 형성을 위한 입사 광의 세기는 1011~1012W/cm2　정도임을 알 수 있다.
이와 같이 광 도파관 매질(30) 내에 솔리톤을 발생한 상태에서, 펨토초 레이저(10)의 광 세기를 솔리톤 형성을 위한 광의 세기보다 증가시켜 광을 입사시킨다(S33).
구체적으로, 광 도파관 매질(30) 내에 솔리톤을 발생한 상태에서, 펨토초 레이저(10)의 광 세기를 솔리톤 형성을 위한 1011~1012W/cm2　의 광 세기보다 높여 예를 들어, 1013~ 1015W/cm2의 범위, 바람직하게는 1014W/cm2의 광 세기로 펨토초 레이 저(10)의 광을 입사하면, 광 도파관 매질(30) 내에서 솔리톤이 발생 전파된 영역을 따라 입사광의 다중 포톤(Multi photon)이 비선형 흡수되어 광 분해(Optical breakdown)가 발생하여, 마이크로플라즈마(Microplasma)가 형성된다.
따라서, 형성된 마이크로플라즈마에 의해 광 도파관 매질(30)의 격자구조가 변경되므로, 솔리톤이 발생 전파된 영역의 굴절율(Refractive index)이 주변의 굴절율보다 예를 들어, 0.003 만큼 증가하고, 이에 따라 광 도파관 매질(30) 내에 솔리톤이 발생 전파된 영역을 따라 광도파로(50)가 형성될 수 있다(S34).
이러한 본 발명의 실시예에 따라, 이와 같은 과정을 반복적으로 수행하여 광 도파관 매질(30) 내에 광도파로(50)를 간편하게 다수 형성할 수 있고, 펨토초 레이저(10)와 렌즈(20)를 이용하여 입사광의 세기 및 크기를 조절하면 다양한 종류의 굴절율 및 크기를 가지는 광 도파로(50)를 균일하게 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 광 도파관에 솔리톤을 발생시키고, 솔리톤이 발생한 상태에서 입사광의 세기를 강화시켜 광 도파로를 형성하므로, 균일한 굴절율을 가진 광 도파로를 간편하게 다수 형성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 광 도파관 매질에 대해 광 도파 방향으로 광을 입사시키는 단계;
    상기 광 도파관 매질에 따라 상기 입사광의 세기(intensity)를 조절하여 상기 광 도파관 매질 내에 솔리톤을 발생시키는 단계;
    상기 광 도파관 매질 내에 솔리톤이 발생한 상태에서, 상기 솔리톤을 발생시키는 입사광의 세기를 높여 재입사시키는 단계; 및
    상기 재입사된 입사광에 의해 상기 솔리톤 발생 영역의 굴절율(Refractive index)을 증가시켜 광 도파로를 형성하는 단계
    를 포함하는 광도파로 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파 방향으로 광을 입사시키는 단계는
    상기 광 도파관 매질로부터 이격된 펨토초 레이저(femto-second laser) 및 상기 광 도파관 매질과 상기 펨토초 레이저 사이의 집광 렌즈를 이용하여, 상기 펨토초 레이저 광을 상기 집광 렌즈에 의해 집광하여 상기 광 도파관 매질의 도파 방향으로 입사시키는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파관 매질은
    상기 입사광에 대해 투명한 비선형 매질인 것을 특징으로 하는 광도파로 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파관 매질은
    LiNbO3, LiTaO3, KTP, AlGaAs, ZnSe, Al2O3 및 SiO2 유리 재질로 이루어진 군중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광도파로 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리톤을 발생시키는 단계는
    상기 광 도파관 매질의 비선형성 특성에 따라 상기 입사광의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 도파관 매질이 SiO2 유리 재질인 경우, 상기 솔리톤을 발생시키는 입사광의 세기는 1011~ 1012W/cm2　인 것을 특징으로 하는 광도파로 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 입사광의 세기를 높여 재입사시키는 단계에서
    상기 재입사된 입사광의 세기는 1013~ 1015W/cm2의 광 세기인 것을 특징으로 하는 광도파로 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파 방향으로 광을 입사시키는 단계 내지 상기 솔리톤 발생 영역의 굴절율(Refractive index)을 증가시키는 것에 의해 광 도파로를 형성하는 단계를 반복적으로 다수 수행하여,
    상기 광 도파관 매질 내에 다수의 광 도파로를 구비하는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리톤 발생 영역의 굴절율을 증가시켜 광 도파로를 형성하는 단계는
    상기 재입사된 입사광이 비선형 흡수되어 형성된 마이크로플라즈마(Microplasma)에 의해 상기 솔리톤의 발생 영역의 격자구조를 변경하여 굴절율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조 방법.
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