KR100947021B1 - 가변 편광의존 손실 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소정의 광이 입사하여 보통편광을 갖는 제 1 광 및 특이편광을 갖는 제 2 광으로 분할하는 제 1 복굴절 프리즘; 제 1 복굴절 프리즘에서 분할된 제 1 광 및 제 2 광을 합치고, 광의 진행방향을 축으로 회전가능한 제 2 복굴절 프리즘; 제 1 복굴절 프리즘과 제 2 복굴절 프리즘 사이에 구비되어 제 1 복굴절 프리즘을 통과한 제 1 광 및 제 2 광의 편광을 각각 변화하여 제 1 광을 제 2 복굴절 프리즘의 특이편광으로 변화시키고, 제 2 광을 제 2 복굴절 프리즘의 보통편광으로 변화시키고, 광의 진행방향을 축으로 회전가능한 반파장판; 및 제 2 복굴절 프리즘을 통과한 특이편광을 갖는 제 1 광 및 보통편광을 갖는 제 2 광을 공간적으로 분리하는 공간모드 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 편광의존 손실 발생기를 구현한 바, 입력광이 두 개의 복굴절 프리즘에 의해 분할되고, 다시 합쳐질 때 두 개의 복굴절 프리즘의 주축이 이루는 각도에 따라 편광의존 손실이 나타나므로, 많은 수의 광소자 또는 고가의 음향 광학 소자가 불필요하여 제조 단가를 감소할 수 있고, 장치를 소형화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 두 개의 복굴절 프리즘과 하나의 반파장판을 동시에 통과하므로, 주변 진동에 의한 성능 저하를 감소할 수 있고, 출력광의 두 편광 성분의 상대적인 위상을 안정시킬 수 있는 효과가 있다.
가변, 편광, 손실, 보통편광, 특이편광, 프리즘, 반파장판

Description

가변 편광의존 손실 발생기{Tunable Polarization Depedent Loss Generator}
본 발명은 가변 편광의존 손실 발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입력광의 편광에 따라 출력 광경로를 변화시키는 두개의 복굴절 프리즘과 반파장판을 사용하여 가변 범위가 크고 안정성이 높은 가변 편광의존 손실 발생기에 관한 것이다.
빛의 편광을 제어하는 기술은 광통신, 광센서 등 모든 광학 기술에 반드시 필요한 기술이다. 특히, 광통신 시스템의 속도를 수 GHz 미만으로부터 수십 GHz 이상으로 늘리기 위한 핵심 기술은 광소자의 편광의존 손실(Polarization Dependent Loss : PDL)과 같이 빛의 편광과 관련한 특성을 제어하는 기술이다.
고성능 광통신 및 광센서 시스템을 개발하고 평가하는 단계에서는 조절이 가능한 임의의 편광의존성을 갖는 소자를 시스템에 도입하여 편광의존성과 시스템 성능과의 관계를 입증하고 원치 않는 편광의존성을 보상하는 기술이 매우 중요하다.
종래에는 편광의존 손실의 크기를 임의로 조절하는 소자를 구현하기 위해서는 후술하는 네 가지 방법이 널리 사용되었다.
첫 번째 방법은 다수의 기울어진 유리판을 광경로(Optical Path)에 두고 기울어짐 각도를 조절하는 방법이다.
두 번째 방법은 기울어진 광섬유 격자를 이용하는 방법이다.
세 번째 방법은 편광에 따라 다른 음향광학 효과를 유도하는 방법이다.
마지막 네 번째 방법은 편광 빔 분할기(Polarization Beam Splitter)와 편광조절기(Polarization Controller)를 이용하는 방법이다.
이 중에서 첫 번째 방법과 두 번째 방법은 편광에 따른 소자의 반사율 차이를 사용하는데, 일반적으로 이 차이는 2 ~ 3배를 넘지 못하는 문제점이 있다. 따라서 수십 배의 넓은 소광률 가변 범위를 요구하는 최신의 광통신 또는 광센서 시스템에 적용하려면 많은 수의 소자를 직렬 연결해서 사용해야 하므로 제조 단가가 상승하고, 사용하기 번거로운 문제점이 있다.
그리고, 세 번째 방법은 두 편광 사이에 원치 않는 위상변화 또는 주파수 변화를 동반하는데, 이러한 변화가 많은 경우 잡음의 요인이 되기 때문에 시스템의 정밀도를 저해하는 문제점이 있다.
또한, 네 번째 방법은 두 편광 성분이 각기 다른 광소자를 지나므로 주변 잡음에 의한 광소자들의 진동에 취약한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 저가의 광소자들인 복굴절 프리즘(Birefringent Prism)과 반파장판으로 이루어져 편광의존 손실 가변 범위가 크고 원치 않는 위상 변화가 없으며 주변 잡음의 영향이 작은 가변 편광의존 손실 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 소정의 광이 입사하여 보통편광을 갖는 제 1 광 및 특이편광을 갖는 제 2 광으로 분할하는 제 1 복굴절 프리즘; 제 1 복굴절 프리즘에서 분할된 제 1 광 및 제 2 광을 합치고, 광의 진행방향을 축으로 회전가능한 제 2 복굴절 프리즘; 제 1 복굴절 프리즘과 제 2 복굴절 프리즘 사이에 구비되어 제 1 복굴절 프리즘을 통과한 제 1 광 및 제 2 광의 편광을 각각 변화하여 제 1 광을 제 2 복굴절 프리즘의 특이편광으로 변화시키고, 제 2 광을 제 2 복굴절 프리즘의 보통편광으로 변화시키고, 광의 진행방향을 축으로 회전가능한 반파장판; 및 제 2 복굴절 프리즘을 통과한 특이편광을 갖는 제 1 광 및 보통편광을 갖는 제 2 광을 공간적으로 분리하는 공간모드 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 편광의존 손실 발생기에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면 입력광이 두 개의 복굴절 프리즘에 의해 분할되고, 다시 합쳐질 때 두 개의 복굴절 프리즘의 주축이 이루는 각도에 따라 편광의존 손실이 나타나므로, 많은 수의 광소자 또는 고가의 음향 광학 소자가 불필요하여 제조 단가를 감소할 수 있고, 장치를 소형화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 두 개의 복굴절 프리즘과 하나의 반파장판을 동시에 통과하므로, 주변 진동에 의한 성능 저하를 감소할 수 있고, 출력광의 두 편광 성분의 상대적인 위상을 안정시킬 수 있는 효과가 있다. 이로 인해, 장치의 실용성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
<가변 편광의존 손실 발생기의 구성>
도 1은 본 발명에 따른 가변 편광의존 손실 발생기의 구성도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 편광의존 손실 발생기(10)는 제 1 복굴절 프리즘(210), 반파장판(220), 제 2 복굴절 프리즘(230) 및 공간모드 필터(240)로 구성된다.
본 발명에 따른 제 1 복굴절 프리즘(210)은 제 2 반파장판(130)을 통과한 광(400)을 보통편광을 갖는 제 1 광(410) 및 특이편광을 갖는 제 2 광(420)으로 분리하는 장치이다. 이러한 제 1 복굴절 프리즘(210)은 저가의 복굴절 매질인 방해석 결정(Calcite Crystal) 또는 넓은 파장에서 동작할 수 있는 YVO4 결정을 사용한다. 또한, 제 1 복굴절 프리즘(210)은 내부에서 보통편광을 갖는 제 1 광(410)과 분리된 특이편광을 갖는 제 2 광(420)이 제 1 광(410)과 충분히 구별 가능할수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 반파장판(220)은 제 1 복굴절 프리즘(210)에서 입사된 보통편광을 갖는 제 1 광(410) 및 특이편광을 갖는 제 2 광(420)의 편광을 변화시키는 장치이다. 편광을 변화시키기 위해서 반파장판(220)의 주축은 광(400)의 이동방향을 중심으로 하고, 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)을 기준으로 약 40°내지 50°기울어지도록 설치되고, 바람직하게는 45°기울어지도록 설치된다. 이러한, 반파장판(220)을 통과하며 제 1 광(410)은 편광이 변화하여 제 2 복굴절 프리즘(230)의 특이편광으로 변화되고, 제 2 광(420)은 편광이 변화하여 제 2 복굴절 프리즘(230)의 보통편광으로 변화한다.
도 2는 본 발명에 따른 제 2 복굴절 프리즘의 출력면을 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 제 2 복굴절 프리즘(230)은 반파장판(220)에서 제 2 복굴절 프리즘(230)에 알맞은 편광으로 변화된 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)의 경로를 조절하여 두 개의 편광 성분들 사이에 손실의 차이를 유도하는 장치이다. 이러한 제 1 복굴절 프리즘(210)은 저가의 복굴절 매질인 방해석 결정 또는 넓은 파장에서 동작할 수 있는 YVO4 결정을 사용하는 것이 좋다. 이때, 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)은 광(400)의 이동방향을 중심으로 하고, 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)을 기준으로 0°내지 360°회전가능하다. 이렇게 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)과 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)의 회전각 θ가 변함에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 복굴절 프리즘(230)에서 보통편광을 갖는 제 2 광(420)의 경 로는 변화하지 않지만, 특이편광을 갖는 제 1 광(410)은 회전각 θ에 따라 변화한다. 일예로써, 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)이 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)과 일치하는 경우, 즉, 회전각 θ가 0°인 경우에는 제 1 복굴절 프리즘(210)에 의해 두 개의 파장으로 분할된 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)이 동일한 경로로 일치한다. 이때의 편광의존 손실은 없다. 하지만, 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)과 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)의 회전각 θ가 커질수록 편광의존 손실은 커지게 되고, θ가 180°인 경우에는 대부분의 특이파동이 손실된다. 또한, θ가 181° 내지 360°인 경우에는 360°- θ만큼 회전한 것과 동일한 효과를 얻는다.
이때, 제 2 복굴절 프리즘(230)의 보통편광과 특이편광에 해당하는 편광 방향도 변화하게 된다. 이러한 편광 변화를 보상하기 위해서 전술한 반파장판(220)을 θ/2만큼 더 회전시켜준다. 즉, 전술한 반파장판(220)의 주축은 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)을 기준으로 (45°±5°)+θ/2 만큼 기울어진다.
본 발명에 따른 공간모드 필터(240)는 제 2 복굴절 프리즘(230)을 통과한 보통편광을 갖는 제 2 광(420) 및 특이편광을 갖는 제 1 광(410) 중 제 2 광(420)과 광경로가 일치하는 광을 공간적으로 분리하여 출력시키는 장치이다. 일예로써, 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)과 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)의 회전각 θ가 0°인 경우는 제 1 광(410)과 제 2 광(420)의 광경로가 일치하므로 두 광(410, 420)이 모두 공간모드 필터(240)를 손실 없이 통과한다. 하지만, θ가 커지는 경우에는 제 1 광(410)이 제 2 광(420)으로부터 분리되므로 공간 모드 필터를 통과하면서 제 1 광(410)에서 손실이 발생하게 된다. 이러한, 공간모드 필터(240)는 조리개, 광섬유와 광섬유로 출력광(430)을 집속하는 광 집속장치(Focusing Device) 또는 집정광학 도파로(Integrated-OPtis Waveguide)와 광 집속장치를 사용하는 것이 좋다.
<편광의존 손실 측정장치의 구성>
도 3은 본 발명에 따른 편광의존 손실 측정장치의 구성도를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 편광의존 손실 측정장치는 광 발생부(100), 가변 편광의존 손실 발생기(10) 및 광 파워미터(300)로 구성된다.
본 발명에 따른 광 발생부(100)는 광(400)을 발생하기 위한 것으로서, 레이저 발생장치(110), 편광기(120) 및 제 2 반파장판(130)으로 이루어진다. 여기서, 레이저 발생장치(110)는 가변 편광의존 손실 발생기(10)에 사용되는 광(400)을 발생하는 장치로서, 실험에 필요한 광(400)에 따라 다양한 레이저를 발생하는 레이저 발생장치(110)를 사용할 수 있다. 하지만, 바람직하게는 중심파장이 780nm인 200fs 펄스의 출력을 갖는 티타늄-사파이어(Ti-sappire) 레이저 발생장치(110)를 사용하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 편광기(120)는 레이저 발생장치(110)에서 발생된 광(400)의 편광 성분들 중 실험에 불필요한 편광 성분을 제거하기 위한 것으로서, 정육면체 편광빔분할기(Cube Polarization Beam Splitter)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제 2 반파장판(130)은 편광기(120)를 통과한 광(400)을 제 1 복굴절 프리즘(210)에서 보통편광 및 특이편광으로 분할되는 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)에 알맞은 편광을 갖도록 조절하는 것이다. 여기서, 보통편광 성분은 복굴절 프리즘의 광축과 수직한 편광을 갖는 것이고, 특이편광은 보통편광의 편광과 수직한 편광을 갖는 것이다. 이러한 편광 조절은 제 2 반파장판(130)을 소정각도 회전함으로써 조절 가능하다.
본 발명에 따른 편광의존 손실 측정장치에 사용되는 가변 편광의존 손실 발생기(10)는 전술한 구성을 갖는 가변 편광의존 손실 발생기(10)를 사용한다.
도 4는 본 발명에 따른 가변 편광의존 손실 발생기의 제 2 복굴절 프리즘의 회전각도에 대한 제 1 광 및 제 2 광의 광출력을 나타내는 그래프를 도시한 것이다. 본 발명에 따른 편광의존 손실 측정장치는 출력광(430)의 일률(Power)를 측정하기 위한 광 파워미터(300)를 더 구비한다. 도 4는 반파장판(220) 및 제 2 복굴절 프리즘(230)의 회전각 θ를 변화함에 따른 광 출력의 변화를 측정한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 보통 파장을 갖는 제 2 광(420)은 회전각 θ가 변화하여도 광 출력에 큰 변화가 없다. 하지만, 특이 파장을 갖는 제 1 광(410)은 회전각 θ의 변화에 따라 광 출력이 1% 미만까지 감소한다. 여기서, 도 4의 수평축은 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)을 기준으로 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)이 회전하는 각도 θ를 나타낸 것이고, 수직축은 제 1 광(410) 및 제 2 광(430)의 광 출력(mW)을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 가변편광의존 손실 발생기의 제 2 복굴절 프리즘의 회전각도에 대한 편광의존 손실을 나타내는 그래프를 도시한 것이다. 전술한 광 파 워미터(300)에서 측정된 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)의 광 출력에 편광의존 손실을 계산하면 도 5와 같은 측정값을 얻을 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 반파장판(220) 및 제 2 복굴절 프리즘(230)의 회전각 θ에 따라 출력광(430)의 편광의존 손실은 30dB 이상의 가변 범위를 갖는다. 이는, 종래의 가변 편광의존 손실 발생기들의 가변 범위가 2dB 미만인 것과 비교하면 월등히 향상된 결과를 나타내는 것이다. 여기서, 도 5의 수평축은 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)을 기준으로 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)이 회전하는 각도 θ를 나타낸 것이고, 수직축은 출력광(430)의 편광의존 손실(dB)을 나타내는 것이다.
<편광의존 손실 측정 방법>
도 6은 본 발명에 따른 편광의존 손실 측정 방법을 나타내는 순서도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 먼저, 레이저 발생장치(110)에서 광(400)을 발생한다(S110).
다음으로, 레이저 발생장치(110)에서 발생한 광(400)을 편광기(120)에서 입사하여 광(400)의 불필요한 편광 성분을 제거한다(S120).
다음으로, 편광기(120)를 통과한 광(400)을 제 2 반파장판(130)에서 입사하여, 제 2 반파장판(130)을 회전하며 광(400)의 편광을 조절한다(S130).
다음으로, 편광기(120)을 통과한 광(400)을 제 1 복굴절 프리즘(210)에서 입사하여 보통편광을 갖는 제 1 광(410) 및 특이편광을 갖는 제 2 광(420)으로 분할한다(S200).
다음으로, 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)을 반파장판(220)을 회전하여 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)의 편광을 변화한다(S300). 이때, 보통편광을 갖던 제 1 광(410)은 편광이 변화하여 특이편광이 되고, 특이편광을 갖던 제 2 광(420)은 편광이 변화하여 보통편광이 된다.
다음으로, 반파장판(220)을 통과한 광을 제 2 복굴절 프리즘(230)에서 입사하여, 제 2 복굴절 프리즘(230)을 회전하여 제 1 광(410)의 광 경로를 변화하여 편광 의존 손실을 발생시킨다(S400). 이때, 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)과 제 1 복굴절 프리즘(230)의 주축(a)이 이루는 회전각 θ가 0°이면 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)은 동일한 광 경로를 갖는다. 이때의 편광의존 손실은 발생하지 않는다. 하지만, 회전각 θ가 커질수록 편광의존 손실을 커지게 되고, 회전각 θ가 180°이면 대부분의 특이파동은 손실된다.
다음으로, 공간모드 필터(240)을 사용하여 특이편광을 갖는 제 1 광(410) 및 보통편광을 갖는 제 2 광(420)을 공간적으로 분리한다(S500).
마지막으로, 광 파워미터(300)를 사용하여 공간모드 필터(240)를 통과한 출력광(430)의 일률 및 편광의존 손실을 측정한다(S600).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 가변 편광의존 손실 발생기의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 제 2 복굴절 프리즘의 출력면을 나타내는 도,
도 3은 본 발명에 따른 가변 편광의존 손실 발생기를 구비한 편광의존 손실 측정장치의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 가변 편광의존 손실 발생기의 제 2 복굴절 프리즘의 회전각도에 대한 제 1 광 및 제 2 광의 광출력을 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 가변 편광의존 손실 발생기의 제 2 복굴절 프리즘의 회전각도에 대한 편광의존 손실을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 편광의존 손실 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 가변 편광의존 손실 발생기 100 : 광 발생부
110 : 레이저 발생장치 120 : 편광기
130 : 제 2 반파장판 210 : 제 1 복굴절 프리즘
220 : 반파장판 230 : 제 2 복굴절 프리즘
240 : 공간모드 필터 300 : 광 파워미터
400 : 광 410 : 제 1 광
420 : 제 2 광 430 : 출력광
a : 제 1 복굴절 프리즘의 주축
b : 제 2 복굴절 프리즘의 주축
θ : a와 b의 회전각

Claims (6)

  1. 소정의 광(400)이 입사하여 보통편광을 갖는 제 1 광(410) 및 특이편광을 갖는 제 2 광(420)으로 분할하는 제 1 복굴절 프리즘(210);
    상기 제 1 복굴절 프리즘(210)에서 분할된 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)을 합치고, 광(400)의 진행방향을 중심으로 회전가능한 제 2 복굴절 프리즘(230);
    상기 제 1 복굴절 프리즘(210)과 상기 제 2 복굴절 프리즘(230) 사이에 구비되어 상기 제 1 복굴절 프리즘(210)을 통과한 상기 제 1 광(410) 및 제 2 광(420)의 편광을 각각 변화하여 상기 제 1 광(410)을 제 2 복굴절 프리즘(230)의 특이편광으로 변화시키고, 상기 제 2 광(420)을 제 2 복굴절 프리즘(230)의 보통편광으로 변화시키고, 광(400)의 진행방향을 중심으로 회전가능한 반파장판(220); 및
    상기 제 2 복굴절 프리즘(230)을 통과한 특이편광을 갖는 상기 제 1 광(410) 및 보통편광을 갖는 상기 제 2 광(420)을 공간적으로 분리하는 공간모드 필터(240);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 편광의존 손실 발생기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 복굴절 프리즘(210) 및 상기 제 2 복굴절 프리즘(230)은 방해석 결정 또는 YVO4 결정인 것을 특징으로 하는 가변 편광의존 손실 발생기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 복굴절 프리즘(230)의 주축(b)은 상기 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)을 기준으로 소정각도 θ만큼 회전하고, 상기 반파장판(220)의 주축은 상기 제 1 복굴절 프리즘(210)의 주축(a)을 기준으로 θ/2+(45°±5°)만큼 회전하는 것을 특징으로 하는 가변 편광의존 손실 발생기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 공간모드 필터(240)는 조리개인 것을 특징으로 하는 가변 편광의존 손실 발생기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 공간모드 필터(240)는,
    광섬유 및
    상기 광섬유로 빛을 집속하는 광 집속장치로 이루어진 것을 특징으로 하는 가변 편광의존 손실 발생기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 공간모드 필터(240)는 집정광학 도파로 및 광 집속장치인 것을 특징으로 하는 가변 편광의존 손실 발생기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5532091A (en) 1978-08-29 1980-03-06 Mitsubishi Electric Corp Light attenuator
JPH063606A (ja) * 1992-06-24 1994-01-14 Fujitsu Ltd 空間光スイッチ装置

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