KR101471035B1 - 초음파에 의한 입자의 주기적인 배열을 이용한 가변형 격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 격자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 공간이 형성된 격자본체 내부 공간에 유체와 입자들을 투입하고, 초음파를 발생시켜 초음파의 주기에 따라 입자들이 위치됨으로써 주기를 갖는 입자들에 의한 격자를 형성하는 가변형 격자에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 특징은 내부 공간을 형성한 기판; 상기 내부 공간에 삽입된 유체; 상기 유체에 포합된 입자들이 초음파에 의해 초음파의 소정 주기에 따라 기판의 횡방향으로 배열된 1개 이상 형성되는 입자띠를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파에 의한 입자의 주기적인 배열을 이용한 가변형 격자{TUNABLE OPTICAL GRATINGS BASED ON PERIODIC ARRANGEMENT OF PARTICLES INDUCED BY ULTRASOUND}

본 발명은 격자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 공간이 형성된 격자본체 내부 공간에 유체와 입자들을 투입하고, 초음파를 발생시켜 초음파의 주기에 따라 입자들이 위치됨으로써 주기를 갖는 입자들에 의한 격자를 형성하는 가변형 격자에 관한 것이다.

일반적인 회절격자는 단일체의 단단한 기판 표면에 미세한 주기로 홈이 형성되거나 미세한 주기로 패턴이 새겨져 있다. 광선이 회절격자에 이르게 되면, 빛의 파장에 따라 꺾이는 각이 크게 바뀌게 된다. 특정 각으로 향하는 빛의 파장을 바꾸고 싶다면 회절격자의 주기가 다른 회절격자용 기판으로 바꾸거나 아니면 회절격자가 놓이는 방향(각도)을 바꾸어 주어야 한다.

일반적으로 회절격자의 주기가 다른 기판으로 바꾸는 것은 물리적 교체가 이루어져야 하므로 쉽지 않으며, 그리하여 보통은 회절격자를 적당한 각도로 회전시키는 것이다. 그러나 회절격자를 회전시키는 것도 결국 장치를 작동해야 하며, 회전된 각도와 회절 현상으로 얻어진 파장을 비교해야 하므로, 절차가 복잡하고 결과도 쉽게 얻기가 곤란한 것이다.

그리고 광섬유 격자의 경우, 광섬유의 길이 방향에 대해 소정의 간격으로 강한 자외선을 쪼여 광섬유 코어의 내부를 변형시켜 변형된 부분의 굴절률을 변형시키는 것이다.

이처럼 자외선에 의한 변형으로 굴절되어 형성된 소정 간격 부분으로 하는 격자는 제작이 용이하지만 일단 한번 제작되고 나면 격자의 주기를 바꾸기가 어렵게 된다. 그리하여 격자 주기 간격을 원하는 주기로 되어 있는지 확인할 조정 기회도 없이 영구히 제작된 형태를 갖게 되므로, 잘못 형성된 경우에는 그대로 폐기해야한다.

또한 인장이나 온도 변화를 통해 격자의 주기를 가변시키려는 시도들이 있지만, 변화량이 매우 제한적이고 격자의 효과를 달성하기가 곤란한 것이다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 내부 공간이 형성된 격자본체 내부 공간에 유체와 입자들을 투입하고, 초음파를 발생시켜 초음파의 주기에 따라 입자들이 위치됨으로써 주기를 갖는 입자들에 의한 격자를 형성하는 것을 주요 목적으로 한다.

그리고 본 발명의 다른 목적은, 이와 같이 초음파 주기에 따라 격자 간격을 형성한 입자들에 대해 초음파를 변형시켜 입자들로 원하는 주기를 갖는 격자를 얻는 것이다.

아울러 본 발명의 또 다른 목적은, 판체 형상의 격자본체의 내부 공간에 유체 및 입자들을 투입하여 초음파에 의해 입자들이 줄 형상으로 배열되는 입자띠를 형성함으로써 입사되는 광이 회절되게 하는 회절격자를 갖는 것이다.

그리고 본 발명의 또 다른 목적은, 광섬유 형태의 광도파로의 내부 공간에 유체 및 입자들을 투입한 후 초음파에 의해 입자들이 소정 주기로 배열되게 하는 가변형 광섬유 격자를 형성하게 하는 것이다.

나아가 본 발명의 또 다른 목적은, 광섬유 내부 공간에 소정 주기로 배열되는 입자들에 대해서, 광섬유 내부 공간이 음파의 진동 방향과 타원형상의 내부 공간의 장축 방향이 다르게 형성되어 입자들이 내부 공간의 상하로 분리되게 격자를 형성함으로써, 편광격자를 이루게 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부 공간을 형성한 기판; 상기 내부 공간에 삽입된 유체; 상기 유체에 포합된 입자들이 초음파에 의해 초음파의 소정 주기에 따라 기판의 횡방향으로 배열된 1개 이상 형성되는 입자띠를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

이에 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 입자띠는 초음파의 주파수 변화로 간격이 변화되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 입자띠는 초음파의 세기 변화로 입자띠의 소밀 분포의 대조(contrast)가 변화되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기의 가변형 격자가 구비되고, 상기 가변형 격자의 기판 내부 공간에 유체가 포함되고 입자들이 입자띠를 형성한 상태에서 기판에 열 또는 UV 조사로 유체가 경화되어 입자띠 형태가 유지되게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 배열유지 격자를 제공한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기의 가변형 격자가 구비되고, 상기 가변형 격자의 기판(24) 일측에 위치되어 입자띠가 형성되게 초음파를 발생시키는 초음파발생장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자장치를 제공한다.

이에 더하여 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 내부 공간을 형성한 광섬유; 상기 내부 공간에 삽입된 유체; 상기 유체에 포함되고 초음파에 의해 초음파의 소정 주기에 따라 소정 주기간격으로 배열된 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 광섬유는, 공동 클래딩 광섬유(hollow cladding fiber), 공동 코어 광섬유(hollow core fiber), 광 밴드갭 광섬유(photonic bandgap fiver) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 입자들은 초음파의 주파수 변화로 간격이 변화되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 입자들은 초음파의 세기 변화로 입자의 소밀 분포의 대조(contrast)가 변화되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 입자들의 크기는 빛의 파장보다 작게 구비되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 가변형 격자의 주기는 광섬유를 진행하는 두 공간 모드 간의 맥놀이 주기와 일치하여 해당 파장의 빛의 일부 또는 전부가 모드 변환이 되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

이에 더하여 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 모드 변환이 이루어지는 두 모드가 모두 원형 대칭성을 이루며, 빛의 편광에 따른 모드 변환율 차이가 최소화되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 가변형 격자의 주기가 광섬유를 진행하는 빛의 파장의 절반과 일치하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 입자들의 밀도 분포가 조화 함수보다 사각 함수에 가까운 분포함수로 주어지고, 상기 가변형 격자의 주기는 광섬유를 진행하는 빛의 파장의 정수배로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 초음파는 정상파로 형성되고, 상기 입자들은 정상파의 배 또는 마디에 밀집하여 주기별로 입자배열을 이루는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

특히 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 정상파는 굴곡 정상파 또는 소밀 정상파인 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 입자들은 배열이 비대칭으로 형성되며, 상기 입자들의 배열 방향이 광섬유의 복굴절 축과 다르게 형성되어 광섬유를 진행하는 빛의 두 편광모드간의 변환을 일으키는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

이에 더하여 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 내부 공간은 단면이 타원형상을 이루고, 초음파에 의한 진동이 타원형상의 장축방향과 상이한 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 내부 공간에 위치된 입자들은 상하로 분리된 위치에 밀집된 배열을 형성하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자를 제공한다.

이에 더하여 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기의 가변형 격자가 구비되고, 상기 가변형 격자의 광섬유 내부에 유체가 포함되고 입자들이 소정 주기별로 배열된 상태에서 광섬유에 열 또는 UV 조사로 유체가 경화되어 입자들이 소정 주기로 배열된 형태가 유지되게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 배열유지 격자를 제공한다.

나아가 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기의 가변형 격자가 구비되고, 상기 가변형 격자의 광섬유 일측에 위치되어 입자들이 소정 주기로 배열되게 초음파를 발생시키는 초음파발생장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자장치를 제공한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 내부 공간이 형성된 격자본체 내부 공간에 유체와 입자들을 투입하고, 초음파를 발생시켜 초음파의 주기에 따라 입자들이 위치됨으로써 주기를 갖는 입자들에 의한 격자가 형성되어 격자현상을 얻게 하는 효과가 있다.

그리고 본 발명의 다른 효과는, 이와 같은 현상을 얻는 격자에 대해 초음파 주기에 따라 격자 간격을 형성한 입자들에 대해 초음파를 변형시켜 원하는 입자들로 주기를 갖는 격자를 얻게 하는 것이다.

아울러 본 발명의 또 다른 효과는, 판체 형상의 격자본체의 내부 공간에 유체 및 입자들을 투입하여 초음파에 의해 입자들이 줄 형상으로 배열되는 입자띠를 형성함으로써 입사되는 광이 회절되게 하는 회절격자를 갖도록 하여, 입사광에 대한 회절현상을 갖게 하는 것이다.

그리고 본 발명의 또 다른 효과는, 광섬유 형태의 격자본체의 내부 공간에 유체 및 입자들을 투입하여 초음파에 의해 입자들이 소정 주기로 배열되게 하는 가변형 격자를 형성하게 하는 것이다.

나아가 본 발명의 또 다른 효과는, 광섬유 내부 공간에 소정 주기로 배열되는 입자들에 대해서, 광섬유 내부 공간이 음파의 진동 방향과 타원형상의 내부 공간의 장축 방향이 다르게 형성되어 입자들이 내부 공간의 상하로 분리되게 격자를 형성함으로써, 편광격자를 이루게 하여, 광섬유 내부 공간에 비춰지는 광신호에 대해 편광작용을 이룰 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 일측 상면에 결합된 회절격자 실시예에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 일측 상면에 결합된 회절격자 실시예에 대한 정단면 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 일측면에 결합된 회절격자 실시예에 대한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 일측면에 결합된 회절격자 실시예에 대한 정단면 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 결합된 편광격자 광섬유의 실시예에 대한 정단면 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 결합된 편광격자 광섬유의 실시예에 대한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 결합된 편광격자 광섬유의 횡단면에 대한 예시도이다.
도 8은 종래 기술에 따른 회절격자의 정면 예시도이다.
도 9는 종래 기술에 따른 회절격자에서 서로 다른 파장 중에서 아래의 수집광 실시에 대한 예시도이다.
도 10은 종래 기술에 따른 회절격자에서 광수집 위치는 그대로 유지한 상태에서 회절격자의 각도를 변화시켜 상측 파장이 수집되는 상측의 수집광 실시에 대한 예시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 결합된 장주기 광섬유의 실시예에 대한 정단면 예시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 결합된 브랙 격자 광섬유의 실시예에 대한 정단면 예시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 초음파발생장치가 결합된 광섬유 브랙격자 실시예에 대한 예시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 내부 공간이 형성된 광섬유의 예시도이다.
도 15는 본 발명에 따른 가변형 격자에 대해 음파에 의해 광섬유 내부의 유체 내에 배열된 입자들의 분포 시험측정도이다.

이하 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

즉 본 발명에 따른 초음파에 의한 입자의 주기적인 배열을 이용한 가변형 격자(Tunable optical gratings based on periodic arrangement of particles induced by ultrasound)는 첨부된 도 1 내지 도 15 등에서와 같이, 내부 공간이 형성된 격자본체(기판(24) 또는 광섬유(34) 등), 내부 공간에 삽입되는 유체 및 입자들을 포함하는 것이다. 또한 격자본체에 결합되어 초음파를 발생시키는 초음파발생장치(11) 등으로 구성된 것이며, 초음파에 의해 격자본체 내부의 입자들이 유체 내에서 이동하면서 초음파의 주기가 되는 배나 마디에 입자들이 모여서 격자를 이루게 된다.

이에 이와 같이 형성된 가변형 격자는 도 1 내지 도 4 등에서와 같이 회절격자로 이용될 수도 있고, 도 5 내지 도 7 등에서와 같이 편광격자로 이용될 수도 있을 것이다.

이 중에서 본 발명에 따른 가변형 격자가 회절격자로 이용되는 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

즉 내부 공간을 형성한 기판(24)과, 상기 기판 내부 공간에 삽입된 유체(22), 그리고 상기 유체와 함께 기판 내부에 삽입되는 입자들이 초음파에 의해 초음파의 소정 주기에 따라 기판의 횡방향으로 배열된 1개 이상 형성되는 입자띠(21) 등을 포함하여, 회절격자를 이루게 된다.

즉 내부에 공간을 형성한 기판(24)은 넓은 판체 형태를 이루게 되어, 도 2 및 도 4 등에서와 같이 일측(하방)에서 비추는 빛이 회절격자에서 다수의 배열을 이루는 입자띠(21)에 의해 소정 각도로 회절되는 것이다.

특히 초음파에 의해 주기별로 입자들이 모이게 되어 격자를 이루는 경우, 격자본체인 기판(24)이 판체를 이루기 때문에, 입자들이 초음파의 진행방향에 대해 횡방향으로 길게 배열되어 입자띠를 이루게 된다. 이러한 입자띠에 빛을 비추게 되면 회절 현상을 이루어 결국 입자띠에 의해 회절격자를 갖게 된다.

이에 상기 기판(24) 내부에 띠를 형성한 입자띠(21)는 초음파의 주파수의 변화로 입자띠(21)들 사이의 간격이 변화되는 가변형 격자의 입자띠로 이루어지는 것이다. 그리하여 가변형 격자를 이루는 입자띠들의 간격을 초음파 주파수 변화로 이룰 수 있으므로, 원하는 회절격자 간격을 얻기 위해 초음파 주파수를 조절할 수 있는 것이다.

또한 상기 기판(24) 내부에 띠를 형성한 입자띠(21)는 초음파의 세기의 변화로 입자띠(21)의 소밀 분포의 대조(contrast)가 변화되는 것이다. 즉 초음파의 세기를 변화시켜 입자띠(21)의 소밀 분포를 조절할 수 있어 입자띠에 대해서 원하는 대조(contrast)를 얻을 수 있는 것이다. 그리하여 회절 현상에 알맞은 소정 간격의 입자띠를 형성할 수 있다.

이상에서와 같이 마련되는 회절격자의 가변형 격자에 대해서, 상기 가변형 격자의 기판(24) 내부에 유체가 포함되고 입자들이 입자띠(21)를 형성한 상태에서 기판에 열 또는 UV 조사로 유체가 경화되어 입자띠 형태가 유지되게 형성되는 초음파 배열유지 격자를 얻을 수 있다. 그리하여 언제든지 영구적으로 재사용이 가능한 회절격자가 마련되는 것이다.

이처럼 회절격자용 가변형 격자에 대해서, 상기 가변형 격자의 기판(24) 일측에 위치되어 기판(24) 내부의 유체(22)에 포함된 입자들이 횡방향으로 배열되어 입자띠(21)를 형성하게 초음파를 발생시키는 초음파발생장치(11)를 포함하는 가변형 격자장치가 마련된다.

따라서 초음파발생장치(11)에 의하여 원하는 초음파를 발생시켜 회절격자용 입자띠를 형성하게 된다.

이러한 초음파발생장치(11)는 도 1 및 도 2 등에서와 같이 기판 일측의 상면이나 또는 도 3 및 도 4에서처럼 기판의 일측면에 마련될 수 있는 것으로, 이 경우 초음파발생장치(11)에 의해 상하로 진동하는 음파를 발생한다.

다음으로 본 발명에 따른 가변형 격자가 내부 공간이 형성된 광섬유에 결합되어 내부의 입자들이 격자를 형성한 브랙격자 또는 편광격자의 실시예를 설명하기로 한다.

즉 도 5 내지 도 7 등에서와 같이, 내부 공간을 형성한 광섬유(34), 상기 광섬유 내부에 삽입된 유체(32), 그리고 상기 유체와 함께 광섬유 내부에 삽입되어 초음파에 의해 초음파의 소정 주기에 따라 광섬유 내부에서 소정 주기간격으로 배열된 입자들(31)을 포함하는 것이다.

이에 상기 광섬유는, 공동 클래딩 광섬유(hollow cladding fiber), 공동 코어 광섬유(hollow core fiber), 광 밴드갭 광섬유(photonic bandgap fiver) 중 어느 하나인 것이다.

그리하여 광섬유 일측에 결합된 초음파발생장치(11, PZT)에 의해 발생되는 초음파에 의하여, 광섬유 내부의 입자들이 소정 간격을 이루는 격자를 형성한다.

이에 상기 광섬유(34) 내부의 입자(31)들은 초음파의 주파수의 변화로 입자(31)들 사이의 간격이 변화되는 가변형 격자의 입자로 이루어지는 것이다. 따라서 원하는 격자 간격을 얻기 위해 초음파의 주파수를 변화시키는 것이다.

그리고 상기 광섬유(34) 내부의 입자(31)들은 초음파의 세기의 변화로 입자들(31)의 소밀 분포의 대조(contrast)가 변화되는 것이다. 그리하여 입자들의 소밀 분포의 대조 변화를 위해 초음파의 세기를 조절하는 것이다.

아울러 상기 입자들의 크기가 빛의 파장보다 작게 구비되는 경우, 입자들의 분포에 의하여 매질의 평균 굴절률이 변화되는 것이다.

또한 소정 주기별로 배열된 입자들에 의한 격자의 주기가 광섬유를 진행하는 두 공간 모드 간의 맥놀이 주기와 일치하는 경우, 해당 파장의 빛의 일부 또는 전부가 모드 변환이 되는 것이다.

이러한 모드 변환이 이루어지는 두 모드가 모두 원형 대칭성을 이루며, 빛의 편광에 따른 모드 변환율 차이가 최소화되는 것이다.

그리고 소정 주기별로 배열된 입자들에 의한 격자의 주기가 광섬유를 진행하는 빛의 파장의 절반과 일치하도록 입자들이 배열되어 해당 파장의 빛의 일부 또는 전부가 되반사되는 것이다.

또한 입자의 밀도 분포가 조화 함수보다 사각 함수에 가까운 분포함수로 형성되어 주어지고, 초음파의 주기별로 배열된 입자들에 의한 격자의 주기가 광섬유를 진행하는 빛의 파장의 정수배로 이루어져 해당 파장의 빛의 일부 또는 전부가 되반사되는 것이다.

이상에서처럼 본 발명은 광섬유, 유체 및 입자들에 발생되는 초음파는 정상파로 형성되어 정상파의 배 또는 마디에 입자들이 밀집하여 주기별로 입자배열을 이루어 가변형 격자를 이루게 된다. 이에 이러한 초음파는 굴곡 정상파 또는 소밀 정상파를 형성하는 것이다.

아울러 상기 광섬유는 복굴절률이 크고, 초음파에 의해 주기별로 배열된 입자의 배열이 비대칭으로 형성되며, 입자들의 배열 방향이 광섬유의 복굴절 축과 다르게 형성되어 광섬유를 진행하는 빛의 두 편광모드간의 변환을 일으키는 것이다.

이러한 가변형 격자는 편광격자로 이용될 수 있으며, 이를 위해 상기 광섬유(34) 내부의 공간의 단면이 타원형상을 이루고, 초음파에 의한 진동이 광섬유(34) 내부 공간의 단면 형상인 타원형상의 장축방향과 상이하게 마련되는 것이다.

즉 도 7에서처럼 타원형상을 이루는 광섬유(34) 내부 공간의 장축과 다른 방향으로 진동이 발생되어, 도 5 및 도6, 그리고 도 15 등에서처럼 입자들이 상하로 분리된 위치에 밀집된 격자 배열을 형성하는 것이다.

아울러 상기의 가변형 격자가 구비되고, 이러한 상기 가변형 격자의 광섬유(34) 내부에 유체가 포함되고 입자들이 소정 주기별로 배열된 상태에서 광섬유에 열 또는 UV 조사로 유체가 경화되어 입자들이 소정 주기로 배열된 형태가 유지되게 형성하여, 입자들의 배열 간격이 바뀌지 않는 초음파 배열유지 격자를 형성하게 된다.

이상에서와 같이 가변형 격자가 구비되는 것으로, 상기 가변형 격자의 광섬유(34) 일측에 위치되어 광섬유(34) 내부의 유체(32)에 포함된 입자(31)들이 소정 주기로 배열되게 초음파를 발생시키는 초음파발생장치(11)를 더 포함하는 가변형 격자장치가 마련된다.

이상에서와 같이 마련되는 본 발명에 따른 가변형 격자로써, 회절격자, 브랙격자, 편광격자 등으로 가변형 격자가 실시될 수 있으며, 이들에 대한 실시 양태에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다.

우선 도 1 내지 도 4 등은 벌크형 회절격자의 예로, 투명판인 기판(24) 내부 공간에 미세 입자들과 유체(22)를 넣고 기판에 음향 정상파를 형성시켜 음파의 절반 주기로 입자들을 정렬시킴으로써, 기판을 향해 조사되는 광선이 파장에 따라 특정한 각도로 회절되도록 한다.

또한 도 11은 장주기 광섬유 격자의 실시예로, 공동 광섬유 내부 공간에 미세 입자들을 넣고 광섬유 전체에 음향 정상파를 형성시켜 음파의 절반 주기로 입자들을 정렬시키고 광섬유를 따라 진행하는 빛이 격자 효과를 나타내게 한다.

그리고 도 12는 광섬유 브랙 격자의 실시예로, 공동 광섬유 내부 공간에 미세 입자를 넣고 광섬유 내의 공기 또는 유체에 짧은 주기의 음향 정상파를 형성시켜 입자들을 정렬시키고 광섬유를 따라 진행하는 빛이 격자 효과를 나타내게 한다.

이처럼 음파의 주파수 변화를 통해 격자의 주기를 변화시킨다.

이와 같이 본 발명은 새로운 구조의 광학 격자에 관한 것으로, 주파수의 변화로 가변의 격자 간격을 갖게 하는 가변형 격자에 관한 것이며, 특히 격자 본체가 평판을 갖는 회절격자, 광섬유의 브랙격자, 광섬유 내의 입자들이 위치되는 공간이 편향된 타원형태로 되는 편광격자 등이 마련될 수 있다.

이처럼 광학 격자란 광선이 격자에 나란하게 혹은 소정 각도를 이루고 입사되었을 때, 입사되는 빛의 진행방향을 소정 각도로 꺾이게 하거나 다른 모드로 변화시키는 소자를 말한다. 이런 광학 격자의 특성은 빛의 파장에 따라 크게 달라지므로, 이런 소자를 이용해서 특정 파장만을 투과시키거나 제거하는 파장 필터로 쓰일 수 있으며, 또한 외부 환경에 의해 이러한 특성이 변화하는 점을 이용해서 센서로 활용이 가능하다.

이러한 광학 격자 중에서 광섬유 격자는 광섬유 내를 진행하는 빛의 특정 파장 성분을 제거하거나 또는 되반사시키는 소자로, 광섬유 레이저 공진기, 파장다중화 필터, 온도 및 인장 센서, 광섬유 분산 보상, 광증폭기의 이득 평탄화 필터 등 그 응용분야가 매우 광대하다. 광섬유 격자는 크게 두 가지로 나누어지는데, 수백 마이크로 주기를 갖는 장주기 격자의 경우에는 광섬유를 진행하는 빛(코어 모드)의 일부가 같은 진행방향의 클래딩 모드로 결합되며, 수백 나노미터의 주기를 갖는 브랙격자에서는 빛(코어모드)의 특정 파장 성분이 반대방향의 코어 모드로 바뀌어 되반사된다.

이에 도 8 내지 도 10 등은 일반적인 벌크형 회절격자를 보여준다. 일반적인 회절격자는 단일체의 단단한 기판 표면에 미세한 주기로 홈이 형성되거나 미세한 주기로 패턴이 새겨져 있다. 광선이 회절격자에 이르게 되면, 빛의 파장에 따라 꺾이는 각이 크게 바뀌게 된다. 특정 각으로 향하는 빛의 파장을 바꾸고 싶다면 회절격자의 주기가 다른 회절격자용 기판으로 바꾸거나 아니면 회절격자가 놓이는 방향(각도)을 바꾸어 주어야 한다. 일반적으로 회절격자의 주기가 다른 기판으로 바꾸기가 쉽지 않으므로 보통은 회절격자를 적당한 각도로 회전시키는 방법을 사용한다. 도면의 예를 보면 회절격자의 설치각을 θ1에서 θ2로 바꾸었을 때 수집되는 빛의 파장이 λ1에서 λ2로 바뀌는 것을 보이고 있다.

다음으로 광섬유 격자 형성은, 광섬유의 길이 방향에 대해 소정의 간격으로 강한 자외선을 쪼여 광섬유 코어의 내부 밀집도를 변형시켜 굴절률을 영구적으로 변화시키는 것이다. 이처럼 자외선에 의해 변형된 굴절된 소정 간격 부분을 형성하는 격자는 도 13에서 예를 보인 것으로, 제작이 용이하지만 일단 한번 제작되고 나면 격자의 주기를 바꾸기가 어렵게 된다. 인장이나 온도 변화를 통해 격자의 주기를 가변시키려는 시도들이 있지만, 변화량이 매우 제한적이고 격자의 효과를 달성하기가 곤란한 것이다.

이에 본 발명에 있어서, 도 1 내지 도 4에서와 같이 가변형 격자로 회절격자의 예를 보면, 투명 재질의 유리판으로 되어 내부 공간을 형성한 얇고 넓은 상자 형태의 기판(24)을 마련하고, 기판(24) 내부 공간에 유체(22)와 입자들이 채워져 가변형 회절격자체(20)를 형성한다. 가변형 회절격자체(20)의 한쪽 끝에 PZT의 초음파발생장치(11)를 결합시키고, 초음파발생장치(11)에 전압을 가해 초음파발생장치(11)를 가동시켜 초음파 진동을 발생시킨다. 이 진동은 전체 가변형 회절격자체(20)의 전체 판을 따라 오른쪽으로 전파되면서 정상파를 형성한다. 가변형 회절격자체(20) 내부의 입자들과 유체의 특성에 따라 입자들은 정상파의 배 혹은 마디에 주기적으로 분포한다. 그리하여 도 1 내지 도 4 등에서와 같이 입자들이 주기적으로 모여 주기의 간격을 갖는 하나 이상의 입자띠(21)를 형성한다.

입자들이 만일 불투명한 금속입자라면 입자띠(21)를 투과하는 빛의 세기를 감소시키며, 만일 투명한 유전체로 된 입자였다면 유체(22)에 비해 상대적으로 다른 굴절률을 나타낼 것이므로, 입자띠(21)를 투과하는 빛의 위상이 바뀐다.

어느 경우든 이는 일반적인 회절격자로 동작하게 된다. 이때 초음파발생장치(11, PZT(Pb(lead), Zr(zirconate), Ti(titanate)) 등)에 가하는 신호의 주파수를 바꾸면 초음파의 주기가 바뀌어 회절격자 역할을 하는 입자띠(21)의 간격 주기가 바뀌는 것으로, 회절격자의 주기를 바꾸는 효과를 얻을 수 있다.

또한 초음파발생장치(11)에 가하는 전기신호의 세기를 줄이면 입자 배열의 contrast를 변화시킬 수 있어, 회절격자의 세기를 바꾸는 효과를 얻게 된다. 극단적으로는 회절격자가 사라지게 할 수도 있을 것이다.

다음으로 도 14에서와 같이 가변형 광섬유 격자(30)에 관한 것으로, 광섬유 내부의 공간에 입자들을 삽입하고, 초음파발생장치를 이용해서 광섬유를 따라 음파를 보낸다. 광섬유의 중간이나 끝단에 음파 반사체를 설치하여 음향 정상파가 형성되면, 음파의 마디 혹은 배에 입자(바람직하게는 나노입자)들이 모이게 된다.

이러한 입자들의 밀도에 따라 평균 굴절률이 변하게 되므로 음파의 반주기에 해당하는 격자가 형성되는 것이다.

음파의 주파수를 변화시킬 경우 격자의 주기가 바뀌며, 음파의 세기 변화는 나노입자들의 밀도 변화의 크기와 관련되어 격자의 세기를 바꾸게 된다. 음파의 주기가 수백 마이크론 정도일 때는 장주기 광섬유 격자가 형성된다.

광섬유를 따라 진행하는 굴곡 초음파를 이용하면 수 MHz의 주파수 대역에서 수백 마이크론의 음파 주기를 생성할 수 있다.

장주기 격자의 주기를 Λ라고 할 때, 다음과 같은 조건 하에서는 광섬유 안을 진행하던 빛의 기본 모드(LP01)가 다른 모드(LPlm)으로 변환된다. LPlm 모드는 광섬유 코어 안을 진행하는 다른 고차 모드이거나 클래딩 모드일 수도 있다. 여기서 β는 특정 모드로 진행하는 빛의 전파상수를 가리킨다.

(식 1)

(보통식에서는 4pi 대신 2pi가 쓰이지만, 본 발명의 경우 입자들의 배열주기는 음파의 반주기에 해당하기 때문에 4pi가 적용된다.)

일반적으로 위의 조건은 특정 파장의 빛에서만 만족하기 때문에, 특정 파장에서만 모드 변환이 일어난다. 모드가 바뀐 빛은 다른 용도로 이용되거나, 원한다면 간단한 방법으로 제거될 수 있다.

다음으로 도 5 내지 도 7 등에서와 같이 내부 구멍이 형성된 광섬유(34)에 의한 가변형 광섬유 격자(30)인 편광격자에 관한 것이다.

이러한 광섬유는 단면상의 원형 대칭성을 갖는 것이 아니라, 일측으로 장축을 갖는 형상의 단면의 내부 공간을 갖는 것이다. 따라서 광섬유를 진행하는 x 편광모드와 y 편광모드가 서로 다른 전파상수를 갖게 된다. 즉 복굴절 광섬유 또는 편광유지 광섬유가 된다. 도 7에서와 같이 장축이 일측으로 기울어진 타원형 코어와 공동을 갖는 것으로, 격자 구조를 통해 두 편광 모드 간의 변환이 일어나게 된다. 즉 타원형의 장축과 초음파에 의한 진동방향이 서로 다르게 되는 것이다.

이러한 변환 조건은 다음과 같다.

(식 2)

(βx는 x 편광 모드로 진행하는 빛의 전파상수, βy는 y 편광 모드로 진행하는 빛의 전파상수, Λ는 격자의 주기)

그리고 가해지는 격자의 구조가 두 편광모드를 중개할 수 있도록 비대칭적인 특징을 가지게 된다. 즉 모드 겹침이 일어나는 것이다.

음파에 의한 입자의 배열은 광섬유 내에서 원형 구멍에서는 원형 대칭을 갖게 되어 격자를 이루게 되고, 도 5 내지 도 7 등에서와 같이 가변형 광섬유 격자(30)인 편광격자에서는 원형 대칭이 아닌 일측으로 장축이 기울어진 타원형 공간을 형성하는 것으로, 도 7에서처럼 입자에 의한 단면 형상이 원형 대칭성을 갖지 않는 입자배열을 형성한다.

이에 도 15에서처럼 관찰되었다.

즉 입자가 공간의 중앙을 중심으로 볼 때, 원형을 이루지 않고 공간의 위와 아래 부분에 밀집해서 분포하는 것이다. 도 7에서처럼 광섬유의 복굴절 축이 입자 배열 축, 즉 초음파의 진동방향(도 7에서는 상하방향)과 소정 각도(도 7에서는 대략 45도)로 기울어진 경우 최대의 모드 겹침을 얻게 되고, 그리하여 편광 모드 변환이 이룰 수 있다.

그리고 음파의 주기가 수 백 마이크론이지만 그 주기가 빛의 파장보다 더 짧을 때에는 다른 용도의 격자가 되며 이를 브랙 격자라 한다. 이에 오른쪽으로 진행하는 빛의 기본 모드가 왼쪽으로 진행하는 기본 모드로 변환된다. 그 조건은 아래와 같다.

(식 3)

(β01는 기본 모드로 진행하는 빛의 전파상수, Λ는 격자의 주기)

브랙격자의 경우에 빛의 파장에 가까운 주기로 음파를 생성하는데, 이런 짧은 파장의 음파는 장주기 격자와 달리 광섬유 굴곡파로 형성하기 어려우며, 광섬유 전체를 통해 진행하는 음파대신 광섬유 공동 내의 공기 혹은 유체를 통해 전파되는 종파(소밀파)를 이용한다. 그리고 이에 포함되는 유체는 가능한 음파 전달 속도가 낮은 물질을 사용하여, 음파의 파장이 짧아지도록 유도할 수 있다.

소정 주기 Λ로 입자 배열이 생성되었을 때라도, 빛이 경험하는 격자 주기는 Λ뿐 아니라, 해당 주기의 1/2, 1/4, 1/6, ... 등에 해당하는 다양한 주기가 동시에 존재한다. 특히 입자의 밀도가 사인 형태의 부드러운 변화로 주어지지 않고, 밀도의 대비가 매우 큰 경우에는 이런 효과가 더욱 강조된다. 초음파를 이용해서 입자들을 배열할 경우, 이런 효과가 충분히 나타날 가능성이 있다. 위 식은 다음과 같이 수정될 수 있다.

(식 4)

(β01는 기본 모드로 진행하는 빛의 전파상수, Λ는 격자의 주기, m은 정수)

이는 Λ가 파장만큼 충분히 작지 않아도 상당한 세기의 격자 효과를 기대할 수 있을 것이다.

이상에서와 같이 마련되는 가변형 광섬유 격자로, 가변형 회절격자, 가변형 브랙 격자, 가변형 광섬유 편광격자 등과 같은 본 발명에서의 격자들은 유체 내에서 입자들이 초음파발생장치(11)에 의해 발생되는 초음파의 주기 및 세기의 가변성을 갖는 격자의 형성을 목적으로 하지만, 영구적인 격자를 형성시키는 것도 한가지 실시 양태로 이용될 수도 있을 것이다.

즉 나노입자들(즉 입자들이나 입자띠 등)을 음파를 이용해 원하는 주기로 배열시킨 후, 유체나 입자에 대해 알맞은 화학적인 반응을 일으켜 나노입자들을 고착화시키는 것이다. 즉 사용된 유체가 에폭시일 경우, 열이나 UV 등을 가해서 입자의 배열을 쉽게 고정시킬 수 있다. 이러한 방법은 앞서 설명한 벌크형 회절격자나 광섬유 장주기 격자, 편광 변환격자, 브랙격자의 경우에 모두 적용가능하다.

특히 광밴드갭 광섬유와 같이 코어 자체가 공기구멍으로 이루어진 광섬유에서는 광섬유 격자를 제작하기가 매우 어려울 수 있으나, 본 발명에서처럼 구멍(광섬유 내부 공간)으로 유체 및 입자들을 투입하고 초음파에 의해 입자들을 소정 간격 주기로 배열시킨 후, 열이나 UV 등을 이용하여 고착화시키는데 아주 효과적이다.

아울러 초음파발생장치(11)의 예를 들면 대략 직경 75micron 정도의 광섬유가 음파발생기를 관통하게 형성하고, PZT(초음파발생장치)에 소정의 rf 전기 신호를 가하면 PZT의 진동이 horn을 거쳐 광섬유에 전달되며, 광섬유에 굴곡파가 형성된다. 그리하여 도 15에서와 같이 서로 다른 입자들(폴리스티렌 구슬, 우유지방, 폴리스티렌 구슬과 우유 지방 등)을 물(유체)과 섞어서 넣었을 때, 음파의 반주기에 해당하는 위치에 각 입자들이 주기적으로 배열되는 것을 관찰할 수 있다. 그리고 rf 신호의 전압 진폭을 바꾸면 입자의 포획력이 바뀌면서 입자의 응집 정도가 더 강해지거나 약해진다. rf 신호의 주파수를 바꾸면 입자들의 배열 간격이 변화되는 것이다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니 된다.

11 : 초음파발생장치
20 : 가변형 회절격자체
21 : 입자띠 22 : 유체
24 : 기판
30 : 가변형 광섬유 격자
31 : 입자 32 : 유체
34 : 광섬유

Claims (21)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 내부 공간을 형성한 광섬유;
   상기 내부 공간에 삽입된 유체;
   상기 유체에 포함되고 초음파에 의해 초음파의 소정 주기에 따라 소정 주기간격으로 배열된 입자들을 포함하고,
   상기 입자들은 배열이 비대칭으로 형성되며,
   상기 입자들의 배열 방향이 광섬유의 복굴절 축과 다르게 형성되어 광섬유를 진행하는 빛의 두 편광모드간의 변환을 일으키는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 광섬유는, 공동 클래딩 광섬유(hollow cladding fiber), 공동 코어 광섬유(hollow core fiber), 광 밴드갭 광섬유(photonic bandgap fiver) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 입자들은 초음파의 주파수 변화로 간격이 변화되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
   
9. 제 6항에 있어서,
   상기 입자들은 초음파의 세기 변화로 입자의 소밀 분포의 대조(contrast)가 변화되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
   
10. 제 6항에 있어서,
    상기 입자들의 크기는 빛의 파장보다 작게 구비되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
11. 제 6항에 있어서,
    상기 가변형 격자의 주기는 광섬유를 진행하는 두 공간 모드 간의 맥놀이 주기와 일치하여 해당 파장의 빛의 일부 또는 전부가 모드 변환이 되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 모드 변환이 이루어지는 두 모드가 모두 원형 대칭성을 이루며, 빛의 편광에 따른 모드 변환율 차이가 최소화되는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
13. 제 6항에 있어서,
    상기 가변형 격자의 주기가 광섬유를 진행하는 빛의 파장의 절반과 일치하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
14. 제 6항에 있어서,
    상기 입자들의 밀도 분포가 조화 함수보다 사각 함수에 가까운 분포함수로 주어지고, 상기 가변형 격자의 주기는 광섬유를 진행하는 빛의 파장의 정수배로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
15. 제 6항에 있어서,
    상기 초음파는 정상파로 형성되고, 상기 입자들은 정상파의 배 또는 마디에 밀집하여 주기별로 입자배열을 이루는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
16. 제 15항에 있어서,
    상기 정상파는 굴곡 정상파 또는 소밀 정상파인 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
17. 제 6항에 있어서,
    상기 내부 공간은 단면이 타원형상을 이루고,
    초음파에 의한 진동이 타원형상의 장축방향과 상이한 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
18. 제 17항에 있어서,
    상기 내부 공간에 위치된 입자들은 상하로 분리된 위치에 밀집된 배열을 형성하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자.
    
19. 제 6항 내지 제 18항 중 어느 한 항의 가변형 격자가 구비되고,
    상기 가변형 격자의 광섬유 내부의 유체가 포함되고 입자들이 소정 주기별로 배열된 상태에서 광섬유에 열 또는 UV 조사로 유체가 경화되어 입자들이 소정 주기로 배열된 형태가 유지되게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 배열유지 격자.
    
20. 제 6항 내지 제 18항 중 어느 한 항의 가변형 격자가 구비되고,
    상기 가변형 격자의 광섬유 일측에 위치되어 입자들이 소정 주기로 배열되게 초음파를 발생시키는 초음파발생장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 격자장치.
    
21. 삭제

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