KR100891743B1 - 특정 파장의 빛을 스위칭하기 위한 파장 스위칭 장치 - Google Patents

특정 파장의 빛을 스위칭하기 위한 파장 스위칭 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특정 파장의 빛살을 스위칭하기 위한 파장 가변 장치에 관한 것으로 복굴절성 기판; 상기 복굴절성 기판에 음향파(acoustic wave)를 발생시키는 트랜스듀서; 및 상기 복굴절성 기판에서 상기 음향파의 주파수에 따라 회절 각도가 가변되는 입사광에 대해, 회절된 입사광의 회절 각도에 따라 특정 파장의 빛을 반사광으로 출력하는 멀티모드 광섬유 격자를 포함하고, 주파수 제어만으로 파장을 스위칭하는 것이 가능하여 정밀한 제어가 가능할 뿐 아니라 편리함을 제공할 수 있다.
파장가변, 파장스위칭, 광섬유 격자, 음향광학효과

Description

특정 파장의 빛을 스위칭하기 위한 파장 스위칭 장치{SWITCHING APPARATUS FOR SWITCHING SPECIFIC WAVELENGTH}
본 발명은 특정 파장의 빛살을 스위칭하기 위한 파장 가변 장치에 관한 것으로 특히, 광섬유를 이용한 파장 가변 장치에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 선도기술시험지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제고유번호 : 2007-기반-05, 과제명:광통신부품 개발기술지원]
파장 가변 장치는 여러 가지 파장 성분을 갖고 입사하는 입사광 중 필요한 특정 파장의 빛살을 추출하기 위한 장치이다.
도 1 은 종래 파장 가변 장치의 일 실시예이다.
도 1 에 도시된 바와 같이 종래에는 단일모드 광섬유와 멀티모드 광섬유를 연결한 부분 근처 광섬유에 톱니모양의 구조물을 사용하여 기계적인 방법으로 마이크로벤딩(microbending)을 가하여 고차 모드와 결합함으로써 특정 파장의 빛살을 스위칭하였다. 멀티모드 광섬유는 광섬유 코어에 도파되는 모드의 개수가 다수 개 존재하기 때문에 하나의 파장이 아닌 여러 개의 파장에 해당하는 반사 빛살이 생기게 된다. 이런 현상을 이용하여 멀티 모드 광섬유에 마이크로벤딩의 정도를 변화시킴으로써 모드 커플링 조건을 변화시켜 반사되는 파장을 가변하였다.
그러나 광섬유에 마이크로벤딩을 가하는 기술은 기계적인 방법으로 재현성이 낮고, 멀티모드 광섬유에서 단일모드 광섬유로 빛이 진행할 때에 고차 모드들이 많이 발생하는 단일모드 광섬유와 멀티모드 광섬유의 인터페이스에서 광출력에 손실이 발생한다. 따라서 발진 파장이 단파장쪽으로 이동될 때에 ASE파워와 발진 출력이 점점 감소되어 모든 파장에서 광출력이 일정하지 않은 현상이 발생한다.
본 발명은 이 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로 파장 스위칭의 재연성을 높이고, 파장의 스위칭 제어를 더 정밀하게 할 수 있는 파장 가변 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제는 본 발명에 따라 복굴절성 기판; 상기 복굴절성 기판에 음향파(acoustic wave)를 발생시키는 트랜스듀서; 및 상기 복굴절성 기판에서 상기 음향파의 주파수에 따라 회절 각도가 가변되는 입사광에 대해, 회절된 입사광의 회절 각도에 따라 특정 파장의 빛을 반사광으로 출력하는 멀티모드 광섬유 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 특정 파장의 빛을 스위칭하기 위한 파장 스위칭 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 파장 가변 장치에 의해 스위칭 되는 파장을 제어함에 있어, 음향 광학 효과를 이용함으로써 주파수 제어만으로 파장을 스위칭하는 것이 가능하여 정밀한 제어가 가능할 뿐 아니라 편리함을 제공할 수 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통해 더욱 명확해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예들을 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설 명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 파장 가변 장치를 도시한 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 장치는 복굴절성 기판(10)과, 트랜스듀서(20)와 멀티 모드 광섬유 격자(30)를 포함한다.
본 실시예에 있어서 복굴절성 기판(10)은 복굴절 크리스탈 기판이다.
트랜스듀서트랜스듀서(20)는 일 예로 압전기 트랜스듀서(piezoelectric transducer)일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 파장 가변 장치는 RF발생기(40)를 더 포함한다. 트랜스듀서(20)는 RF발생기에 의해 구동된다. 트랜스듀서(20)는 RF 구동신호의 주파수에 일치하는 음향 주파수의 음향파를 복굴절성 기판(10)으로 발생시킨다.
이 때 속도Vs, 음향파의 파장
Figure 112007079386116-pat00001
, 공간과 평면사이의 굴절률 변화에서 진행하는 f주파수를 갖는 음향파는 파동 관계식
Figure 112007079386116-pat00002
에 의해 주어질 수 있다.
음향적으로 매질을 통해 지나가는 빛은 아래 수식에 따라
Figure 112007079386116-pat00003
각 만큼 회절된다.
Figure 112007079386116-pat00004
여기서 m=0,1,2,...는 회절 수차이다. 즉, 음향파의 주파수에 따라 회절 각도
Figure 112007079386116-pat00005
가 조절될 수 있다.
도 2 의 회절되지 않은 빛 즉, 0차 회절된 빛과, 회절된 빛 1차 회절된 빛 사이의 각은 2
Figure 112007079386116-pat00006
이다. 즉, 파동 관계식을 이용하여 수학식 1로부터 관계식을 도출하면,
Figure 112007079386116-pat00007
와 같다. 즉, 회절 각도
Figure 112007079386116-pat00008
는 입사되는 빛의 파장
Figure 112007079386116-pat00009
과 음향파의 주파수
Figure 112007079386116-pat00010
와 관련이 있음을 알 수 있다. 이에 따라 음향파의 주파수
Figure 112007079386116-pat00011
를 조절함으로써 회절되는 각도
Figure 112007079386116-pat00012
를 변화시켜 멀티모드 광섬유 격자(30)에 입사되는 빛의 입사 위치를 변화시킬 수 있다. 이때, 회절 각도
Figure 112007079386116-pat00013
는 음향 주파수
Figure 112007079386116-pat00014
, 입력 파장
Figure 112007079386116-pat00015
에 비례하기 때문에 입력 파장을 일정하게 하고 음향 주파수를 가변하는 것이 바람직하다.
멀티모드 광섬 유격자(30)는 하나의 코어(core)내에 약간씩 다른 반사각을 가진 다수의 광선을 동시에 운반할 수 있도록 설계된 멀티 모드 광섬유 내에 생성된 일정한 굴절률 변화 패턴이다. 단일 모드(Single mode) 광섬유에서 멀티 모드 광섬유로 진행하는 빛이 멀티모드 광섬유 격자의 고차 모드와 결합을 이루면서 발진 파장이 단파장으로 이동하게 되고, 이에 따라 파장이 스위칭 될 수 있다.
광 브래그(Bragg) 격자는 굴절률의 변화 주기에 따라 특정한 파장의 빛을 선택적으로 반사 또는 제거하는 특성이 있으므로 이러한 특성을 이용하면, 광통신용 필터, 광 분산 보상기, 광섬유 레이저 등에 이용할 수 있다.
멀티 모드 광섬유 격자(30)의 위상 정합 조건은 수학식 3과 같다.
Figure 112007079386116-pat00016
여기서
Figure 112007079386116-pat00017
는 입력광의 광 전파 상수이고,
Figure 112007079386116-pat00018
는 굴절률의 변화 간격을 의미한다. 멀티모드 광섬유는 단일모드 광섬유에 비해 코어의 넓이가 5~6배에 해당하고, 코어에 여기(excired)되는 도파 모드로 수많은 고차 모드가 발생한다. 여기서 이러한 고차 모드들의 광 공진 조건은 각각의 고차 모드가 점유하는 광섬유 환경의 유효굴절률에 의해 결정된다.
유효 굴절률의 차이에 따른 이웃하는 공진 주파수의 차이는 아래 식과 같다.
Figure 112007079386116-pat00019
여기서
Figure 112007079386116-pat00020
는 멀티모드 광섬유 격자의 주기이고,
Figure 112007079386116-pat00021
는 두 모드 사이의 유효굴절률의 차이이다. 멀티모드 광섬유는 전계(electric field)의 최대점이 위 치하는 지점이 모드 종류에 따라 다르게 분포한다. 이를 이용하여 반사 스펙트럼을 다르게 얻을 수 있다.
도 2 에 도시된 바와 같이 1차 회절된 빛은 최초 입사광의 진동수(u 0 ) 에 음향파의 주파수(f)가 더해지거나 빼어진 만큼의 주파수 빛살이 회절 각도
Figure 112007079386116-pat00022
만큼 회절된다. 이에 따라 멀티모드 광섬유 격자(30)에 형성된 멀티모드 반사 스펙트럼증 특정 파장(주파수)에 해당하는 빛살만을 선택할 수 있다.
이에 따라 단순히 RF발생기(40)를 통해 입력되는 음향파의 주파수를 조절함으로써 파장 스위칭 동작의 제어를 보다 간편하게 구현할 수 있고, 더욱 정밀하게 제어하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 파장 가변 장치는 상기 복굴절성 기판으로 입사되는 입사광 혹은 상기 멀티모드 광 섬유 격자로부터 출력되는 반사광을 증폭하는 광증폭기를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 있어서 광 증폭기는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기 혹은 반도체 광 증폭기등으로 구현될 수 있다. 이에 따라 1차 회절된 빛을 이용할 경우에 회절 효과에 의한 커플링 효율이 낮을 수 있기 때문에 이를 보완할 수 있다.
빛살이 한 주기를 돌때 마다 음향 광학 주파수(f)만큼 주파수 이동이 일어난다. 이때 회절 차수가 증가할수록 광학 주파수의 이동이 증가함에 따라 발생할 수 있는 문제를 막기 위해 광증폭기에 의한 증폭을 제어할 필요가 있다.
통상적으로 광학 주파수가 음향 광학 주파수보다 109정도 더 크기 때문에 광 학 주파수에 음향 광학 주파수가 더해지거나 빠지더라도, 그 값이 무시될 수 있다. 그러나, 공진 횟수가 증가함에 따라 음향파 신호의 주파수가 더 커질 경우에는 브래그 격자에 해당하는 주파수 범위를 벗어날 우려가 있기 때문이다.
이에 따라 공진 횟수가 증가함에 따라 주파수의 누적현상이 일어나게 되고, 브래그 격자에 해당하는 주파수에 벗어나게 될 경우에는 스위칭 동작이 중단되는 것을 막을 수 있다.
또한, 파장 가변 장치는 출력된 반사광이 상기 복굴절성 기판으로 입사되는 것을 막기 위한 광아이솔레이터(isolator)를 더 포함한다. 아이솔레이터는 한 방향으로는 감쇠 없이 전달되고 반대 방향으로는 거의 전달되지 않는 비가역 소자이다. 본 실시예에 있어서는 출력광이 피드백되어 되돌아오는 것을 막을 수 있다.
본 발명은 입사광으로부터 특정 파장의 빛을 스위칭하는 광통신용 필터, 광 분산 보상기, 광섬유 레이저 등 관련 분야에서 이용될 수 있다.
도 1 은 종래 파장 가변 장치의 일 실시예,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 파장 가변 장치를 도시한 예시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 복굴절성 기판 20 : 트랜스듀서
30 : 멀티모드 광섬유 격자 40 : RF 발생기

Claims (4)

  1. 파장 스위칭 장치에 있어서,
    복굴절성 기판;
    상기 복굴절성 기판에 음향파(acoustic wave)를 발생시키는 트랜스듀서;
    상기 복굴절성 기판에서 상기 음향파의 주파수에 따라 회절 각도가 가변되는 입사광에 대해, 회절된 입사광의 회절 각도에 따라 특정 파장의 빛을 반사광으로 출력하는 멀티모드 광섬유 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 특정 파장의 빛을 스위칭하기 위한 파장 스위칭 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    입력되는 주파수의 RF신호를 발생하는 RF신호 발생기를 더 포함하고,
    상기 트랜스듀서는 상기 RF신호에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 특정 파장의 빛을 스위칭하기 위한 파장 스위칭 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복굴절성 기판으로 입사되는 입사광 혹은 상기 멀티모드 광 섬유 격자로부터 출력되는 반사광을 증폭하는 광증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 특정 파장의 빛을 스위칭하기 위한 파장 스위칭 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력된 반사광이 상기 복굴절성 기판으로 입사되는 것을 막기 위한 아이솔레이터(isolator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 특정 파장의 빛을 스위칭하기 위한 파장 스위칭 장치.
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