KR100879143B1 - 가변 광학 부품의 편광 의존 영향 감소를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

가변 광학 부품의 편광 의존 영향 감소를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

폴리머 겔 표면 변조과 프리즘 디자인에 기초한 다이나믹 광학 부품에서의 편광 의존 영향은, 상기 부품을 이용하는 빛 또는 정보 전달체에 대하여 광학적 영향을 감소시킨다. 본 발명은 이러한 편광 영향을 상쇄시키는 방법 및 장치를 제공한다.
편광 의존 영향, 폴리머 겔

Description

가변 광학 부품의 편광 의존 영향 감소를 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR REDUCTION OF POLARIZATION-DEPENDENT EFFECTS IN A TUNABLE OPTICAL COMPONENT}
본 발명은 일반적으로 폴리머 겔 또는 막(polymer gel or membrane)의 표면 변조에 기초한 다이나믹 광학 부품(dynamic optical component)에서의 편광 의존 영향을 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 특히 상기 광학 부품과 연통하는 입사광 또는 정보 전달체에서 불필요한 반사광을 조절하거나 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
부품들 특히, 많은 소부품을 포함하는 더욱 진보된 부품들의 고비용으로 인해 광통신 시스템의 배치와 전 광 네트워크(all-optical network)의 도입이 늦어지고 있다. 따라서, 필요한 사양(스펙)을 보유하면서도 저비용의 조립과 생산방법을 이용할 수 있게 하는 비용 대비 성능이 우수한 부품을 개발할 필요가 있다.
다이나믹(dynamic) 또는 가변적인(tunable) 부품은 광섬유 통신 시스템 및 상기 시스템을 구비하는 모듈에서 특히 요구된다. 폴리머 겔(또는 막)의 표면 변조(surface modulation)에 기초한 실행가능하고 저비용이며 높은 확장성의(highly scalable) 다이나믹 광학 부품은 노르웨이 특허 출원 제 2002 4265호 에 상세히 기록되어 있다.
광통신 시스템에서 빛의 편광 상태는 그 시스템 부품(특히 광섬유)에 대한 환경적인 영향으로 인해 시간에 따라 변동하며 상기 시스템의 구조적 특징에 따라 변화한다. 그러므로, 상기 시스템을 구성하는 각 부품과 모듈의 성능은 들어오는 빛의 편광 상태에 가능한 한 독립적이어야 하며, 편광 상태를 가능한 한 적게 변화시켜야 한다. 이러한 요건들은 최대 전송 거리, 최대 정보 전송률, 그리고 네트워크 내에서 통과되는 최대 노드 수를 갖게 한다.
몇몇 광 시스템이 광 섬유 부품에 적용되는 가변 회절 격자용으로 제안되었다. 잘 알려진 방법 중의 하나는 '라이트 컨넥트 (Light Connect)'사 및 '실리콘 라이트 머신스 (Silicon Light Machines)' 사와 같은 회사에서 출시된 '회절 엠이엠에스 (diffractive MEMS (D-MEMS))'이다. 상기 장치는 적어도 두 개의 분리된 부품으로 구성된 이동가능한 회절 격자에 기초를 둔 것이다. 고정된 반사 바닥 표면과, 식각된 실리콘으로 만들어진 이동가능한 얇은 블레이드 세트, 격자가 제공된다. 상기 블레이드는 적절한 전기장의 인가에 의해 상하로 이동이 가능하다. 그 결과로 회절 격자가 되며, 격자의 효과적인 위상 변이는 블레이드와 그 아래에 있는 반사 표면의 상대적인 위치에 의하여 주어진다. 이러한 배치는 효율적인 가변 광 감쇠기(variable optical attenuator)를 만드는데 사용될 수 있으나, 블레이드 세 트는 실리콘으로 가공되어야 한다. 이 공정은 고가이며, 공정 수율이 시스템의 크기가 증가할수록 급격하게 감소한다. 따라서 '디-엠이엠에스(D-MEMS)'로 제조된 부품은 효과적이며 성능이 좋으나 고가이다.
미국 특허 제 3,527,522호에는 무반사 유리 배면판이 부착된 유리 프리즘, 투명 전극 및 실리콘 고무와 같은 변형가능한 재료를 구비하는 광-조절 장치가 개시 되어 있다. 어드레스 가능한(addressable) 전극을 갖는 기판은 상기 변형가능한 실리콘 고무와 평행으로 배치되어 있고, 상기 재료와 기판 사이에는 에어 갭(air gap)이 있다.
가변 회절 격자 기술
본 발명은, LCD 나 LCOS 제조 방법에서 얻을 수 있는 바와 같은 제조의 용이성과 함께 D-MENS 솔루션의 성능을 갖고자 하는 데에 그 목적이 있다. 본 발명은 가변 표면 회절 격자를 기초로 한다. 이러한 격자의 예는 각종 문헌과 특허에서 개시되었다. 예를 들어, 바람직한 실시예는 노르웨이 특허 출원 제 2002 4265호에 설명된 구성 배열에 기초를 둔다.
제조 및 조립에 관련된 재료 또는 공정에 의해 초래되는 제한을 상쇄하기 위하여, 예를 들어, 노르웨이 특허 출원 제 2002 4265호에 나타난 바와 같은 가변 회절 격자 장치 및 시스템에서 편광-의존 영향(polarization-dependent effect)를 감소시키는 본 발명에 따른 방법과 장치를 제안한다.
본 발명은 노르웨이 특허출원 제 2002 4265호에서 예시된 것과 같은 다이나믹 광학 부품상의 입사광이나 정보 전달체(information carrier)의 편광 직교 상태에 대한 영향 차이를 최소화하는 방안을 제공하며, 폴리머 겔 필름이나 막의 표면 변조에 의하여 광학적 조정 능력이 이루어진다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 단일 채널을 가진 이중 패스 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다중 패스 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 반사광들의 간섭 영향을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘 디자인의 예들을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리즘 디자인의 일례를 나타내는 도면이다.
반파장 플레이트를 포함하는 이중 또는 다중 패스 구성
본 발명의 일 실시예에서, 폴리머계 또는 막 기반의 변조기(modulator)를 통과하는 광학 경로에 반파장 플레이트를 절반 또는 절반에 가깝게 삽입하는 단계가 제공된다. 반파장 플레이트는 당해 기술 분야의 당업자에게는 잘 알려져 있다. 반파장 플레이트는 전파 방향을 가로지르는 평면에서 직교 편광을 90°만큼 회전시키는 것이다. 만약 반파장 플레이트 전후의 광 경로에서 편광 효과가 동일하거나 매우 유사한 경우에는, 직교 편광은 전체적으로 동일하거나 유사한 편광 효과 (편광 의존 손실, 편광 모드 분산, 등)를 보일 것이다. 결과적인 효과는 상기 변조기는 입사광의 편광 상태에 의존하는 영향을 나타내지 않으며, 편광 상태의 변화가 최소화되는 것이다.
이러한 단일 패스 실시 형태의 일례는 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다. 도 1a는 단면도를 도시하는 것이고, 도 1b는 평면도를 도시한 것이다. 서로 인접하여 연결되어 있는 두 개의 프리즘(101 및 102)과, 상기 인접한 프리즘의 표면사이에 반파장 플레이트(100)가 있다. 도 1b에서 겔 표면(또는 막)은 원(103)으로 표시되어 있다. 반파장 플레이트(100)는 투과성 및 반사성일 수 있다. 2 가지 타입 모두가 본 발명의 여러 실시예에서 활용될 수 있다.
빛이나 정보 전달체는 또한 상기 조절된 겔 (또는 막) 표면을 2회 이상 부딪칠 수 있다. 조절된 겔 (또는 막) 표면과 반파장 플레이트(100)로부터의 4회 반사가 이루어지는 다중 패스 구성의 일례가 도 2에 도시되어 있다.
상기 실시예에서, 회절 사이의 거리는 매우 작으며 프레넬 근사 (Fresnel approximation)가 사용된다. 다중 반사의 흥미로운 효과는 높은 다이나믹 감쇠 범위를 유지하면서 겔 진폭(gel amplitude)이 n배 만큼 더 낮게 될 수 있으며 근사적으로 전기장은 n배 만큼 더 작게 될 수 있다는 것이다.
상기 실시예에서, 상기 반파장 플레이트는 서로 연결된 4개의 프리즘 형태(110, 111, 112 및 113)로 구성된 프리즘 배열체 내부에 배치되어 있으며 프리즘 부(112)는 반파장 플레이트(100)를 위한 새겨진 형태(carving)을 가지고 있다. 다른 부분들은 도 2에 도시된 것과 같이 연결되어 있다. 가변의 전기장을 형성하는 전극을 갖는 기판(115)은 말단 부재(114)에 의해 이격되어, 광학 부품의 겔 또는 막 부분의 부근에 위치해 있다.
잔류 공진 영향의 감소 또는 억제
만약 프리즘과 폴리머 (막) 사이의 굴절률 정합이 충분히 최적화되지 않으면, 프리즘과 폴리머 (또는 막)의 계면상에 수직하지 않게 입사하는 빛으로 인해 작은 잔류 편광 영향이 발생할 수 있다.
입사광의 편광 상태는 2개 성분, 즉 입사면에 평행한 성분(p-편광으로 알려짐)과 입사면에 수직인 성분(s-편광으로 알려짐)으로 분해될 수 있다. 입사면은 입사광 방향과 프리즘-겔(막) 계면의 수직선에 의해 정의된다. 노르웨이 특허출원 제 20024265호에서 기술된 것과 같은 완전한 변조기의 일부분만이 포함되어 있는 도 3에 도시된 바와 같이 겔과 프리즘 사이의 굴절률 차이 Dn. 상기에서 언급된 특허 출원에서 프리즘과 겔(막)사이에 도포된 인듐-주석 산화물(ITO)층의 두께는 일반적으로 단지 한 파장의 일부이며, 따라서 거의 영향을 미치지 않는다.
권위있는 교과서에는 반사 및 굴절시 편광 영향을 연구하는데 필요한 공식이 있다. (켐브리지 대학 출판부에서 출판한 막스 본(Max Born)과 에밀 울프(Emil Wolf)의 저서 '광학의 원리(Principles of Optics)' 제 7판의 38 내지 53페이지 1.5장 참조)
겔(막)과 프리즘 사이의 굴절률 차이 Δn이 매우 작다면, 즉 도 3에서 도시된 바와 같이 Δn=0.044이면, 입사각이 45°의 입사각에 대하여, s-편광된 빛에 대한 강도 반사계수(intensity reflection coefficient; Rs)는 대략 10-3이 될 것이나 p-편광된 빛에 대한 반사도는 대략 3차수(three orders)정도 크기가 더 작다는 것을 알 수 있다.
강도 I0를 가진 S-편광에서 입사하는 간섭광은, 도 3에 도시된 바와 같이 크 게 2개의 반사를 겪게 된다. 강도 성분(intensity component) I1은 10-3정도의 반사 계수(Rs)를 갖는 프리즘-겔 계면으로부터 반사된다. 더 큰 성분 I2는 상술한 바와 같이 전극으로부터의 전기장에 의해 형성된 겔 상의 표면 패턴에 의해 반사된다. 영차(zero'th order)로 반사된 빛의 반사 계수는 χ이다.
I1과 I2사이의 간섭 영향은, 잘 알려진 페브리-패롯 공동(Fabry-Perot cavity)으로부터의 출력에서 관찰되는 것과 유사한 출력신호의 파장 의존성을 가져오며, 소위 유효 자유 스펙트럼 범위(free spectral range(FSR))는 입사각과 겔(막)의 두께에 의해 정해진다. 파장 반응(wavelength response)에서 진동은 2√(I1·I2)≒2I0√(RS·χ)의 진폭을 갖는다. 10 dB의 감쇠에 대해, 파장 변화의 진폭은 약 1 dB 정도이다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 소위 페브리-패롯 공동의 정교함은 감소된다. 여러 실시예들은 다음과 같은 방법에 의한다.
1. 프리즘-겔(막) 계면을 평평하지 않게 함(반사된 빛 I1을 산란시킴).
2. 프리즘-겔(막) 표면을 겔-에어 갭 표면(또는 막-갭)에 약간 평행하지 않게 함.
3. 한쪽 또는 양쪽 표면에 굴곡을 도입함.
4. 프리즘-폴리머(막) 계면에 반사 방지 코팅을 도입함.
5. 프리즘이나 폴리머(막) 또는 양쪽 모두의 굴절률을 조절함.
1. 프리즘-겔(막) 계면에서의 부분적 산란
프리즘-겔(막) 계면에서 표면 파면 오차(surface wave-front error) Δφ를 도입함으로써, 반사광 I1은 Δφ1=2Δφ의 파면 위상 오차(wave-front phase error)를 겪게 되고, 투과광은 Δφ2=2(nprism-ngel)Δφ의 파면 위상 오차를 겪게 된다. 겔(막)과 프리즘 사이의 굴절률 차이는, 예를 들어 0.044 정도로, 일반적으로 매우 작기때문에, 반사된 빛 I1은 표면 파면 위상 오차로부터 20배 더 겪게 된다. 그 결과, 영차(zero'th order) 투과광을 약간 교란시키는 동안 반사광을 감쇄시키거나 산란시키는 것이 가능하게 된다. 본 발명에 따른 다음의 3가지 가능한 방법이 있다.
1. 광학 특성(optical quality)에 이르기 전에 프리즘의 연마(polishing) 공정 중지
2. 연마된 프리즘 표면의 화학적 식각
3. 이미 연마된 프리즘 표면의 포스트-스크래칭(post-scratching)
2 및 3. 평행하지 않은 또는 곡선모양의 겔(막) 표면
평행하지 않은 프리즘-겔(막) 및 겔(막)-공기의 표면 또는 한쪽이나 양쪽의 겔(막)표면의 굴곡이 제조공정 중에 만들어질 수 있다. 이에 따른 효과로서, 상술한 I1성분이 I2와 평행한 방향으로 반사되는 것이 아니라, 오히려 평행하지 않은 빛으로 퍼지게 된다.
가능한 하나의 해결방법은, 결과물층이 평행한 표면을 갖는 대신에 쐐기 모양으로 되도록 제조공정동안 겔(또는 막)을 형성하는 것이다. 그 일례가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 각α의 통상적인 범위는, 변조기 출력에서의 광학 특성에 따라 1/10도 내지 1도 근방이 될 수 있다.
평행하지 않은 겔(막) 표면은 변형된 프리즘 형태에 의해서도 얻을 수 있으며, 겔(또는 막)표면에 그 변형된 프리즘을 연결함으로써 원하는 형태로 겔 표면의 형태를 평행하지 않게 형성할 수 있다. 도 5에는 6가지의 프리즘 디자인의 예가 도시되어 있다. 겔 또는 막 표면은 제조공정 동안 평평하게 만드는 것이 용이하며, 겔과 연결되는 프리즘 표면의 형태를 경사지게 하거나 오목형 또는 볼록형으로 만드는 것이 바람직하고, 이렇게 하여 원하는 형태를 형성할 수 있다. 경사나 볼록이나 오목 형태는 1 또는 2 차원일 수 있다. 도 5에서 도시된 것과 같은 프리즘 디자 인의 변형예 1에서, 프리즘(154)은 쐐기 모양 부분(151)으로 형성된 표면(150)을 가지고 있다. 표면에 인접한 겔이나 막은 점선(153)에 의해 표시되어 있다. 도 5에서 변형예 2는, 쐐기 모양 부분의 경사가 상기 프리즘 표면(150)에 대하여 원하는 어떠한 방향으로도 이루어질 수 있다는 것을 보여주고 있다. 변형예 3, 4, 5 및 6은 상기 프리즘(154) 표면(150) 상에 새겨진 형태(carving)로서 쐐기 모양 부분이 어떻게 형성될 수 있는지를 예시하고 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 쐐기 모양 부분과 반파장 플레이트는 하나의 동일한 광학 부품으로 제공된다.
4. 프리즘-폴리머 (막) 계면에 반사 방지 코팅(anti-reflection coating) 도입
일 실시예에서, 한 개 또는 여러 개의 추가적인 층(통상 반사 방지 코팅 또는 AR-코팅이라 함)은 도 6에서 보는 바와 같이, 폴리머 필름 위에 위치한 ITO-층과 프리즘 표면 사이에 삽입될 수 있다. ITO 층의 두께는 통상적으로 단지 한 파장의 일부이며, 따라서 거의 영향을 미치지 않는다. 상기 AR 코팅은 그 굴절률이 프리즘과 폴리머 필름(막)의 굴절률 사이가 되도록 설계된다. 이것은, 프리즘을 통과하여 폴리머 필름에 들어갈 때의 s 및 p 편광 빛의 유효 반사도를 감소시킨다. 빛 의 세기 I1는 AR 코팅이 없을 때와 비교할 때 감소하게 된다.
또 다른 실시예에서, ITO-층의 굴절률은 AR 코팅의 역할을 하도록 조절될 수 있거나, 바이어스 전극(bias electrode) 및 AR-코팅 양자 모두로 작용할 수 있는 물질이 ITO 층을 대신하여 사용될 수 있다.
5. 프리즘, 폴리머(막) 또는 이들 모두의 굴절률 조절
프리즘과 폴리머(막)의 굴절률 차이는 한쪽 또는 양쪽의 굴절률을 조절함으로써 감소될 수 있다.이것은 제조 공정에서 각각의 재료에 적당한 도펀트를 첨가함으로써 이루어질 수 있다.

Claims (16)

  1. 다이나믹 광학 부품에서 편광 의존 영향을 감소시키는 방법으로서, 상기 광학 부품은 투명 프리즘(102)의 표면에 부착된 겔 층 또는 막(103)과 개별적으로 어드레스 가능한 전극 세트를 갖는 기판(115)을 포함하고, 상기 기판은 상기 프리즘(102)으로부터 벗어나는 방향을 향하는 상기 겔 층 또는 막 상의 표면으로부터 적당히 이격되어 배치되어 있고,
    상기 방법은, 상기 겔 층 또는 막 및 상기 프리즘(102) 사이의 계면에서 입사광의 광 경로에서 입사광을 감쇄시키거나 산란시키는 것에 의해서 상기 광 부품을 통한 입사광에서의 편광의 직교 상태에서의 영향 차이를 최소화하는 것을 특징으로 하는 편광 의존 영향을 감소시키는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 입사광을 감쇄시키거나 산란시키는 단계는,상기 프리즘(102)에 부착된 상기 겔 층 또는 막(103)의 적어도 한 부분을 상기 프리즘(102)으로부터 벗어나는 방향의 상기 겔 영역 또는 막의 표면과 평행하지 않도록 배치함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 편광 의존 영향을 감소시키는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 평행하지 않은 배치는, 상기 겔 층 또는 막에 인접하여 부착된 상기 프리즘(102)의 표면의 적어도 한 부분을 바람직한 형상으로 형성시키는 것에 의해서 제공되는 것을 특징으로 하는 편광 의존 영향을 감소시키는 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 평행하지 않은 배치는, 제조 공정에서 상기 겔 층 또는 막을 쐐기 형태로 형성함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 편광 의존 영향 감소 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 입사광을 감소시키거나 산란하는 단계는 상기 입사광 빔 경로에 반파장 플레이트(100)를 절반만큼 삽입함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 편광 의존 영향 감소 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 입사광을 감소시키거나 산란하는 단계는 겔 층 또는 막(103)을 부착한 상기 프리즘(103)의 표면상에 반사 방지 배열에 의하여 제공되는 것을 특징으로 하는 편광 의존 영향 감소 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 입사광을 감소시키거나 산란하는 단계는, 상기 겔 층의 겔 또는 상기 프리즘 또는 양자 모두의 제조중에 적당한 도펀트를 첨가하여, 상기 겔 또는 상기 프리즘 또는 양자 모두의 굴절률을 변화시킴으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 편광 의존 영향 감소 방법.
  10. 투명 프리즘(102)의 표면에 부착된 겔 층 또는 막(103)과, 개별적으로 어드레스 가능한 전극 세트를 갖는 기판(115)을 포함하는 광학 부품에 있어서, 상기 기판은 상기 프리즘(102)으로부터 벗어나는 방향을 향하는 상기 겔 층 또는 막(103) 상의 표면으로부터 적당히 이격되어 배치되고,
    상기 겔 층 또는 막(103) 및 상기 프리즘(102) 사이의 계면에서 입사광의 광 경로에서 입사광을 감쇄시키거나 산란시키는 수단을 포함하여 상기 광 부품을 통한 입사광에서의 편광의 직교 상태에서의 영향 차이를 최소화하는 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 수단은 상기 프리즘 표면상에 제공된 조각(carving)을 포함하고, 상기 조각은 은 상기 투명 프리즘의 표면에 부착된 상기 겔 층 또는 막의 바람직한 형상을 한정하는 것을 특징으로 하는 광학 부품
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 수단은 상기 투명 프리즘의 상기 프리즘 표면의 공동에 배치된 반 파장 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 겔 또는 막은 쐐기 모양인 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 프리즘의 상기 표면은 반사 방지 배열로 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 프리즘 또는 상기 겔 또는 양자 모두는 상기 프리즘 또는 상기 겔 또는 양자 모두의 광학 지수를 변화시키는 적절한 도펀트를 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 겔 층 또는 막에 부착된 투명 프리즘(102)의 표면은, 광학 특성(optical quality)에 이르기 전에 상기 프리즘의 연마(polishing) 공정의 중지, 상기 연마된 프리즘 표면의 화학적 식각, 또는 상기 연마된 프리즘 표면의 포스트-스크래칭(post-scratching)되는 것을 특징으로 하는 광학 부품.
KR1020067004270A 2003-09-05 2004-09-03 가변 광학 부품의 편광 의존 영향 감소를 위한 방법 및 장치 KR100879143B1 (ko)

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