KR101557760B1 - 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광 감쇠기에서는 반사판과 액정셀이 일체로 제작된 일체형 액정셀을 이용하기 때문에, 두께를 대폭 줄여 컴팩트한 설계가 가능하고, 저전압 구동이 가능하며, 외부 동작온도 변화에 따른 영향을 최소화 시킬 수 있고, 10V 이내의 동작전압 범위 내에서 10 대 1 이상의 충분한 감쇠 성능을 발휘할 수가 있다.

Description

액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기{Reflective variable optical attenuator using liquid crystals}
본 발명은 광 감쇠기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 반사형 액정셀을 이용하여 소형화와 저전압 구동이 가능한 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기에 관한 것이다.
통신 네트워크가 발달함에 따라 높은 데이터 전송률을 갖춘 통신장비들도 함께 요구되고 있다. 즉 spatial light modulator, 파장 필터, 가변 광 감쇠기, 광스위치와 같은 광통신용 소자에서도 광대역, 저가격, 저소비전력 기능을 갖춘 소자가 요구되고 있는 것이다.
가변 광 감쇠기(Variable Optical Attenuator, VOA)는 파장 다중 분할 방식의 시스템에 필요한 소자로서 파장별로 각 채널의 광의 세기를 제어하는 역할을 한다. 가변 광 감쇠기를 위해 적용되는 기술로는 Micro Electro Mechanical Systems(MEMS), microfluidic, Planar Lightwave Circuit(PLC), 자기광학효과, 액정 기술 등이 있다. 그 중에 액정기술을 사용한 가변 광 감쇠기는 움직이는 부품이 없고 저전압구동, 저소비 전력, 제조의 용이성 등의 장점을 갖고 있는데 액정셀이 두 개의 이방성 프리즘사이에 놓여 액정셀에 가하는 전압의 크기를 조절하여 통과하는 빔의 편광상태를 조절하여 원하는 광의 세기를 얻도록 하는 원리를 이용한다.
도1은 종래의 광 감쇠기의 한 예시를 설명하기 위한 것이다. 도1을 참조하면 종래의 광 감쇠기는 액정셀(1)을 사이에 두고 양쪽으로 빔 디스플레이서(beam displacer, BD)(2)가 놓여 있다. 첫번째 빔 디스플레이서(2)에서는 입사된 광이 수평파와 수직파로 분리되며, 분리된 광이 액정셀(1)에 입사된다. 액정셀(1)에 전압이 인가되면 전압의 크기에 따라 통과되는 수평파와 수직파의 변화량이 바뀐다. 액정셀(1)을 통과한 광이 두번째 빔 디스플레이서(2)에 입사되면, 광원이 분리 또는 합성됨으로써 광의 세기가 조절된다.
가변 광 감쇠기가 파장선택스위치 등에 사용될 시에는, 여러 채널에 동시에 필요하므로 채널당 가변 광 감쇠기가 1개씩 사용되어야 한다. 따라서 많은 수의 감쇠기가 필요하므로 종래의 광 감쇠기 보다 컴팩트한 구조가 요구된다.
그러나 기존의 투과형 액정셀을 이용한 가변 광 감쇠기는 저전압구동은 가능하나 응답속도가 35 ms 정도로 늦고 모듈길이가 80 mm로 사이즈가 매우 크다는 단점이 있다.
액정셀 기술을 이용한 광 감쇠기들은 polymer dispersed 액정, 또는 cholestric 액정을 이용한 편광판이 필요 없는 기술과, twist nematic mode, vertical alignment mode 등을 이용한 편광판이 필요한 기술로 나누어지기도 한다. 일반적으로 편광판이 필요 없는 광 감쇠기들은 구동전압이 높거나 응답속도가 느리다는 단점이 있고, 편광판이 필요한 광 감쇠기들은 삽입 손실(insertion loss)이 많다는 단점이 있다.
한편 액정을 이용한 가변 광 감쇠기와 관련된 종래 기술로는 대한민국공개특허 제10-2004-0043870호 등이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 반사형 액정셀을 적용함으로써, 컴팩트한 사이즈, 빠른 응답 속도 및 낮은 구동전압을 실현할 수 있는 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기는, 입력 지점으로부터 입력되는 광을 서로 다른 성분으로 분리하여 각각 서로 다른 지점으로 출력시키는 광분리부; 상기 광분리부의 어느 일 지점에서 출력되는 광이 입력되면, 파장 지연을 통해 광의 편광 상태를 바꾸어 투과시키는 액정셀; 및 상기 액정셀에서 투과된 광을 상기 액정셀 측으로 다시 반사시키는 반사판;을 포함하여 이루어지며, 상기 액정셀은 인가되는 전압의 크기에 따라 파장 지연이 다르게 이루어짐으로써, 투과되는 광의 편광 상태에 차이가 발생하며, 상기 액정셀에서 투과된 광이 상기 반사판에서 반사되어 상기 액정셀을 다시 투과한 이후 상기 광분리부로 입사되면, 상기 액정셀을 통해 광분리부에 입사된 광 성분 중 특정 광 성분은 상기 입력 지점으로 출력시키고, 나머지 광 성분은 타 지점으로 출력시켜 버려짐으로써 광 감쇠가 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 광분리부는 입력되는 광을 P파(수평편광)와 S파(수직편광)로 분리하여 서로 다른 면으로 출력시키는 제1 PBS(편광 빔 스플리터, Polarization Beam Splitter)와 제2 PBS를 포함하고, 상기 제1 PBS와 제2 PBS 사이에 위치하여 투과되는 광의 편광방향을 직각으로 회전시키는 반파장판;을 더 포함하며, 상기 제1 PBS, 반파장판 및 제2 PBS가 접한 면의 하부에 상기 액정셀 및 반사판이 위치함으로써, 상기 제1 PBS의 일측면으로 광이 입사하면 P파와 S파로 분리되어 P파는 상기 반파장판으로 입사하고 S파는 굴절되어 상기 액정셀 측으로 입사하며, 상기 반파장판으로 입사된 P파가 S파로 변환되어 상기 제2 PBS에 입사하면, 상기 제2 PBS로 입사된 S파가 굴절되어 상기 액정셀 측으로 입사하고, 상기 액정셀은 인가되는 전압의 크기에 따라 입력되는 광 및 상기 반사판에서 반사되는 광의 파장 지연을 일으켜 편광 상태를 바꾼 후 상기 제1 PBS 및 제2 PBS 측으로 입사시키며, 상기 제1 PBS는 상기 액정셀과 반사판을 거쳐온 광에서 S파 성분은 굴절시켜 상기 입력 지점으로 출력시키고 P파 성분은 타 지점으로 출력시키며, 상기 제2 PBS는 상기 액정셀과 반사판을 거쳐온 광에서 S파 성분은 굴절시켜 상기 반파장판으로 입사시키고 P파 성분은 타 지점으로 출력시키며, 상기 제2 PBS에서 굴절되어 상기 반파장판으로 입사된 S파 성분은 P파 성분으로 변환된 후 상기 제1 PBS를 그대로 통과하여 상기 입력 지점으로 출력될 수 있다.
또한, 상기 액정셀은 상기 반사판을 포함하여 일체형 액정셀로 구현될 수 있다.
또, 상기 광분리부는 채널 개수에 대응하여 나란히 배열되어 듀얼 콜리메이터 측으로부터 광을 입력 받고, 상기 나란히 배열된 광분리부 하부 면적에 대응하는 면적의 상기 액정셀 및 상기 반사판이 상기 광분리부 하부에 위치하되, 상기 액정셀은 상기 광분리부에 대응하는 위치마다 서로 다른 전압을 인가할 수 있도록 전극이 형성될 수 있다.
또, 상기 각각의 광분리부에 입사되기 전 상기 각각의 광분리부에 입사되는 광의 일부를 분리해 내는 빔 스플리터;를 더 포함하고, 상기 빔 스플리터에서 분리된 광을 통해 상기 광분리부에 입사되는 광의 세기를 측정한 이후, 상기 액정셀에서 상기 각각의 광분리부에 대응하는 위치에 가해지는 전압의 크기를 조절함으로써, 상기 각각의 광분리부에서 최종 출력되는 광의 세기가 균일화될 수 있다.
본 발명에서는 반사형 가변 광 감쇠기 구조가 제시되고 있다. 즉 반사판과 액정셀이 일체로 제작된 일체형 액정셀을 이용함으로써 두께를 대폭 줄여 컴팩트한 설계가 가능하고, 저전압 구동이 가능하며, 외부 동작온도 변화에 따른 영향을 최소화 시킬 수 있고, 10V 이내의 동작전압 범위 내에서 10 대 1 이상의 충분한 감쇠 성능을 발휘하는 등의 장점이 있다.
더불어 일체형 액정셀을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기를 다양한 형태로 제작할 수 있어서, 설치 목적에 따른 최적 설계가 가능하다.
도1은 종래의 투과형 광 감쇠기를 설명하기 위한 도면.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기의 구조를 설명하기 위한 도면.
도3은 도2에 도시된 가변 광 감쇠기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도4는 일체형 액정셀을 설명하기 위한 도면.
도5는 온도변화에 따른 액정셀의 동작특성을 설명하기 위한 그래프.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 광 감쇠기의 응답특성을 설명하기 위한 그래프.
도7은 듀얼 콜리메이터 및 빔 스플리터가 적용된 멀티채널용 광 감쇠기의 예시를 설명하기 위한 도면.
도8은 도7에 도시된 멀티채널용 광 감쇠기에서 일체형 액정셀의 전극 구성의 개념을 설명하기 위한 도면.
도9는 듀얼 콜리메이터 및 빔 스플리터가 다른 상태로 적용된 멀티채널용 광 감쇠기의 예시를 설명하기 위한 도면.
도10은 도7에 도시된 광 감쇠기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도11 내지 도14는 다른 형태로 제작될 수 있는 광 감쇠기의 예시를 설명하기 위한 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
설명에 앞서, 본 발명에서는 입력되는 광을 서로 다른 성분으로 분리하여 각각 서로 다른 지점으로 출력시키는 광분리부와, 광분리부로부터 입력되는 광을 파장 지연을 통해 광의 편광 상태를 바꾸어 투과시키는 액정셀, 그리고 액정셀에서 투과된 광을 다시 액정셀로 반사시키는 반사판을 포함하여 구현된다. 여기서 광분리부로는 편광 빔 스플리터 또는 빔 디스플레이서가 사용될 수 있으며, 각각의 예시를 이하에서 자세하게 설명토록 한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기(이하 '광 감쇠기', 또는 '가변 광 감쇠기'라고 함)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 가변 광 감쇠기(10)는 편광 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter, PBS)(13), 반파장판(Half wave plate)(14), 액정셀(Liquid Crystal cell, LC cell)(15) 및 반사판(Mirror)(16)으로 구성된다.
광의 입력부분에 위치하는 PBS(13)는 제1 PBS(13a)와 제2 PBS(13b) 두 개가 마련되며, PBS들(13a,13b) 사이에 반파장판(14)이 위치한다. 또한 제1 PBS(13a), 반파장판(14), 제2 PBS(13b)가 접합된 아래쪽으로 액정셀(15)이 위치하고, 액정셀(15) 아래에 반사판(16)이 위치한다.
PBS(13)는 굴절률이 서로 다른 2종류 이상의 물질을 삼각 프리즘의 접착면에 반복적으로 증착하여 복수층의 코팅막을 형성하여 이루어진 것으로, 도2 상에서 제1 PBS(13a) 왼쪽면으로 빛이 입사하면 대각선 경계면에서 빛이 P파(수평편광)와 S파(수직편광)로 분리되며, P파는 그대로 직진하여 PBS들(13a,13b) 사이에 위치한 반파장판(14)으로 입사하고, S파는 직각으로 반사되어 액정셀(15)로 입사한다.
반파장판(14)은 빛의 위상을 변화시켜, 편광 상태를 직각으로 회전시킨다. 즉 제1 PBS(13a)에서 투과된 P파는 반파장판(14)에서 S파로 변화된다. 따라서 반파장판(14)을 통과한 S파는 제2 PBS(13b)의 경계면에서 아래쪽으로 굴절된다.
액정셀(15)은 두 장의 유리기판 사이에 액정이 채워져 있으며, 전압이 인가되었을 시 1/4파장판 역할을 한다. 즉 통과하는 선편광을 원편광으로 바꾸어주는 역할을 한다.
액정셀(15) 아래에 위치한 반사판(16)은 액정셀(15)을 통과한 광을 반사시켜 되돌려 주는 역할을 한다.
도2에 도시된 광 감쇠기(10)의 동작원리를 도3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도3의 (a)는 액정셀(15)에 전압이 최대로 인가된 상태를 설명하기 위한 것이고, 도3의 (b)는 전압 인가가 전혀 없는 서로 극단적인 상태를 비교 설명하기 위한 것이다.
먼저 액정셀(15)이 on 상태인 도3의 (a)를 먼저 설명하면, 제1 PBS(13a)로 입사된 광은 S파와 P파로 분리되고, S파는 굴절되어 액정셀(15)로 입사하며, P파는 직진하여 반파장판(14)을 통과하면서 편광방향이 90도 회전하여 S파로 바뀌고 제2 PBS(13b)에서 직각으로 굴절되어 액정셀(15)로 입사된다.
액정셀(15)을 통과하는 광은 액정셀(15)에 인가되는 전압 크기에 따라 편광 상태가 바뀌게 되는데, 최대 전압이 인가 되었을 시 1/4파장판의 역할을 하도록 액정셀(15)의 두께가 설정된다. 따라서 S파는 직선편광이므로 액정셀(15)에 전압이 인가된 상태에서 통과하면 좌원편광((Left-Circular Polarization: LCP)이 되며 반사판(16)에서 반사되면 우원편광(Right-Circular Polarization: RCP)으로 바뀌게 된다. 반사된 우원편광이 1/4파장판 역할을 하는 액정셀(15)을 다시 통과하게 되면 P파인 수평편광으로 바뀌게 되어 PBS(13a,13b)에서 굴절되지 않고 그대로 통과되어 버려진다.
반면 도3의 (b)를 참조하면, 액정셀(15)에 인가되는 전압이 없는 off 상태의 경우, 광이 PBS(13a,13b)와 반파장판(14)을 통과하는 동안에는 on 상태에서의 동작 과정과 같기 때문에, 액정셀(15)에 S파가 입사하게 된다.
하지만 액정셀(15)에 전압 인가가 없기 때문에, 액정층에서는 위상지연이 발생하지 않아 S파는 액정셀(15)을 그대로 통과하여 반사판(16)에서 반사되며, 다시 액정셀(15)을 거쳐 되돌아 오면서도 S파가 유지된 상태가 된다. 따라서 PBS(13a,13b)의 우측에서 S파가 입사하면 수직으로 굴절되어 원래 입력되었던 부분으로 되돌아가 출력으로 사용된다.
도3의 (a)와 (b)를 통해 극단적인 두 경우를 살펴보았는데, 광 감쇠 효과는 액정셀(15)에 가해지는 전압의 크기를 변화시킴으로써 얻어질 수가 있다.
즉, 전압 인가가 없는 도3의 (b)의 경우, 입사된 빛 전부가 반사된 후 돌아오게 되어 이론적으로는 감쇠 효과가 없게 된다. 물론 실제적으로는 PBS(13)나 액정셀(15)에서 일부 광 손실이 일어나 미약한 감쇠 효과가 있다. 또한 도3의 (a)에서와 같이 액정셀(15)에 전압이 인가되면 입사된 빛이 모두 PBS(13)를 통해 버려지게 되어 출력으로 나오는 빛이 없으므로 이론적으로는 100%의 감쇠 효과를 보게 된다.
하지만 액정셀(15)이 이론적인 최대 전압을 인가하였을 시 1/4파장판 역할을 하도록 설계하였지만, 중간 전압을 인가하였을 경우에는 리타데이션(retardation)이 줄어들어 1/5파장판 또는 1/6파장판 역할을 수행하게 된다. 즉 액정셀(15)에 입사되는 직선편광(S파)이 완전한 원편광으로 변화되지 못하고 타원편광으로 바뀌게 되며, 반사판(16)에서 반사되어 다시 액정셀(15)을 통과할 시에도, 마찬가지로 완전하게 P파로 변화되지 못하고, P파 성분과 S파 성분이 섞여 있게 된다. 따라서 P파 성분과 S파 성분이 섞여 있는 빛이 PBS(13a,13b)에 입사되면, P파는 그대로 통과하여 버려지고, S파 성분만 다시 입력되었던 부분으로 되돌아감으로써 감쇠된 상태의 빛이 출력으로 얻어지는 것이다. 물론 액정셀(15)의 설계에 따라 감쇠 정도는 인가 전압에 종속되도록 정해진다.
본 발명의 실시예에서는 반사형 액정셀을 이용하여 광 감쇠가 이루어지도록 하고 있는데, 액정셀(15)은 1/4파장판 역할을 수행하는 것으로, 본 발명에서 핵심적인 부분이다. 이때 도2에 도시된 실시예에서는 액정셀(15)과 반사판(16)이 별도로 구성된 것을 도시하였다. 하지만 액정셀(15)과 반사판(16)을 일체형으로 설계(이하에서는 도2에 도시된 액정셀(15)과 반사판(16)을 일체형으로 설계한 것을 '일체형 액정셀(17)이라 명칭하도록 한다)하면 광학적으로 컴팩트한 설계가 가능하고, 일체형 액정셀(17)의 두께가 기존 투과형 액정셀에 비해 반으로 줄어들기 때문에 구동전압도 낮아지고 응답속도도 빨라지게 된다.
도4는 도2에 도시된 광 감쇠기(10)에서 액정셀(15)과 반사판(16)을 일체로 제작한 일체형 액정셀(17)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 일체형 액정셀(17)은 두장의 ITO(Indium Tin Oxide) 코팅된 유리판 사이에 액정(Liquid Crystal)을 채워 넣어 만들게 된다. 액정을 컨트롤하기 위해서는 액정을 일정한 방향으로 정렬시켜주는 역할을 하는 배향막이 필요한데 SiO막을 ITO기판위에 증착공정을 통해 형성시킨다. 액정의 수직배향을 위해 SiO증착공정에서 프리틸트각(pretilt angle)을 85.5도가 되게 증착한다. 수직배향용 액정은 두께를 3um가 되도록 설계하였다. 반사판(16) 기능을 수행하는 반사층은 유전체 코팅(Dielectric mirror)으로 99.7%의 반사율을 갖도록 하였다. E-beam 증착방법으로 multi-layer 코팅을 하였으며 SiO2 와 Ta2O5 를 교대로 적층하였다.
광 감쇠 효과를 얻기 위해서는 액정셀에 입사할 때의 광의 상태와 최종 출력될 때의 광의 상태가 1/2파장 차이가 나야 한다. 본 실시예에서는 반사판(16)을 이용하여 빛이 왕복 운동을 하도록 하였다. 즉 액정셀의 두께를 반으로 줄여 1/4파장판 역할을 수행토록 하더라도, 빛이 액정셀(15)에서 왕복하여 통과하기 때문에 1/2파장판 역할을 수행할 수 있는 것이다. 따라서 일체형 액정셀(17)의 두께도 크게 낮추어 컴팩트한 설계가 가능하며, 액정의 두께가 얇아짐으로써 구동전압 역시 낮아지고, 응답속도도 빨라지게 되는 것이다.
한편, 가변 광 감쇠기(10)의 사용환경은 일반적으로 온도변화가 심한 외부환경이고 밀폐되어 사용되기 때문에, 상온보다 높을 것으로 예상된다. 따라서 일체형 액정셀(17)의 특성에도 영향을 줄 수 있다. 도5는 상온에서 60도 까지의 온도변화에 따른 일체형 액정셀(17)의 동작특성 변화에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 온도가 증가하면 액정의 유전율이방성은 감소하므로 온도증가에 따라 일체형 액정셀(17)의 응답특성이 변화됨을 알 수 있다. 그러나 가변 광 감쇠기(10)의 동작에 크게 영향을 줄 정도는 아니며 인가전압도 모두 10V 미만에서 동작함을 확인 할 수 있다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 반사형 가변 광 감쇠기의 응답특성을 설명하기 위한 그래프이다. 일체형 액정셀(17)에 인가전압이 없을 때는 51.5uW의 입력광의 에너지가 통과되었으며 10V의 전압을 인가할 경우는 4.9uW로 광 에너지가 감쇠됨을 알 수 있다. 따라서 통과되는 광에너지의 최대 감쇠비는 10.5 : 1 이 되어 가변 광 감쇠기(10)의 역할을 충분히 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 광 감쇠기(10)의 최대 응답속도는 15ms 이내에서 동작 가능하다. 또한 2개의 PBS(13a,13b), 반파장판(14), 일체형 액정셀(17)로 이루어지는 한 세트의 가변 광 감쇠기(10)는 가로 12mm, 세로 5mm, 높이 5mm 정도이다.
이러한 가변 광 감쇠기(10)의 기본 블럭을 이용하여 멀티채널용 가변 광 감쇠기를 설계하려면 도7에 도시된 바와 같이 기본 블럭을 일렬로 배열하면 된다. 도7 은 8개의 기본 블럭이 배열되어 8채널로 사용되는 예시를 설명하기 위한 개념도인데, 도7에 도시된 바와 같이 위쪽의 PBS(13a,13b)와 반파장판(14)은 8개가 배열되되, 아래쪽에는 일체형 액정셀(17)을 8배의 폭으로 크게 제작하였다.
도8은 도7과 같은 멀티채널용 가변 광 감쇠기 설계시 적용되는 일체형 액정셀(17)에서의 전극 구조를 설명하기 위해 일부 구성들을 분해하여 도시한 개념도이다. 즉, 일체형 액정셀(17)은 각 채널마다 서로 다른 전극을 인가할 수 있도록 상판(17a) 또는 하판(17b)의 ITO 전극 구조를 설계할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, PBS(13a,13b)와 반파장판(14)으로 이루어진 기본 블럭이 8개가 나란히 배열된 상태에서, 그 아래에 일체형 액정셀(17)이 위치하는데, 일체형 액정셀(17)은 설명의 편의를 위해 상판(17a)과 하판(17b)으로 구분된다. 상판(17a)은 유리판에 ITO 전극과, SiO2가 코팅된 상태이고, 하판(17b)은 유리판에 ITO 전극과 반사판 및 SiO2가 코팅되어 있다. 상판(17a)과 하판(17b)에 채워지는 액정은 도8에서 도시하지 아니하였다.
도8을 참조하면 상판(17a)에는 전체 영역을 덮도록 상부전극(17a')이 형성되어 있고, 하판(17b)에는 각각의 기본 블럭에 대응하도록 8개의 하부전극(17b')이 형성되어 있다. 따라서 상부전극(17a')에 Vcommon을 인가하고, 하부전극(17b')에는 채널마다 필요한 각각의 전압(V1~V8)을 인가하면, 각각의 기본 블럭에 해당하는 위치의 액정 부분이 전압(V1~V8)에 따라 굴절율이 바뀜으로써, 해당 전압(V1~V8)에 따른 감쇠율을 보이게 된다. 물론 실시하기에 따라 하판(17b)에 전체 영역을 덮는 전극을 형성시키고, 상판(17a)에 각각의 전극을 형성시키는 것도 가능하다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 파장 선택 스위치 등에 사용되는 가변 광 감쇠기에 적용할 수 있도록 반사형 액정셀을 채용한 구조를 제시하였다.
본 발명에서는 일체형 액정셀(17)이 1550nm 광에서 사용 가능토록 액정의 유전율이방성 값을 산출하여 액정의 두께를 3um로 결정하였으며, 외부 동작온도 변화에 따른 동작 시뮬레이션을 통해 일체형 액정셀(17)의 응답특성에 미치는 영향을 미리 확인함으로써 강건한 설계가 되도록 하였다. 또한 본 발명에 따른 가변 광 감쇠기는 10V 이내의 동작전압 범위내에서 광 에너지 감쇠비율이 10.5 : 1로 충분한 감쇠 성능이 있음을 확인하였다.
따라서 반사형 액정셀을 채용한 구조는 저전압 구동 및 소형의 가변 광 감쇠기를 설계하는 데 좋은 해결수단이 될 것이다.
한편 도7은 멀티채널용 광 감쇠기에 듀얼 콜리메이터(Dual Collimator)(11)와 빔 스플리터(Beam Splitter, B/S)(12)가 적용된 예시를 설명하기 위한 것인데, PBS(13a,13b)는 실제 설계시 매우 얇게 설계하는 것이 가능하지만, 듀얼 콜리메이터(11)는 PBS(13a,13b)에 비하여 폭이 큰 편이다. 따라서 듀얼 콜리메이터(11)를 PBS(13a,13b)들 한쪽으로 나란히 배치시킬 경우, 듀얼 콜리메이터(11)의 폭 때문에 PBS(13a,13b)의 두께들이 두꺼워 져야하고, 그 하단의 일체형 액정셀(17) 역시 길이가 길어져 단가가 높아지는 단점이 있다. 따라서 도7에 도시된 바와 같이 듀얼 콜리메이터(11)와 빔 스플리터(12)를 나란히 배열되어 있는 PBS(13a,13b)마다 서로 반대쪽으로 교차하여 위치시킨 다면, PBS(13a,13b)의 두께와 일체형 액정셀(17)의 길이를 키우지 않아도 되어서 단가를 낮출 수 있게 된다.
물론 도9에 도시된 바와 같은 방식도 충분히 구현 가능하다. 즉, PBS(13a,13b)와 반파장판(14)으로 이루어진 기본 블럭이 나란히 배열되어 있되, 빔 스플리터(12)와 듀얼 콜리메이터(11)를 모두 한쪽 PBS(13a) 측면에 위치시키는 것이다. 단 듀얼 콜리메이터(11)는 PBS(13a)의 두께보다 크기 때문에, 각각의 듀얼 콜리메이터(11)를 동일 높이에 위치시키지 않고, 이웃하는 듀얼 콜리메이터(11) 끼리는 서로 높이가 다르게 교차하도록 설계하는 것이다. 따라서 어느 하나의 듀얼 콜리메이터(11)가 이웃하는 듀얼 콜리메이터(11)에 전혀 간섭을 일으키지 않는다. 따라서 도9와 같은 설계에 의하면, PBS(13a,13b)들이 배열된 상태에서 한쪽 측면으로 듀얼 콜리메이터(11)를 모두 위치시키더라도, PBS(13a,13b)의 두께나 일체형 액정셀(17)의 길이를 키우지 않을 수 있는 것이다.
한편 도7 내지 도9에서는 8채널에 적용할 시 PBS(13a,13b)와 반파장판(14)으로 이루어진 기본 블럭이 8개가 나란히 배열된 상태를 도시하였지만, 실시하기에 따라 8개가 나란히 배열된 길이만큼으로 크게 설계된 제1 PBS(13a), 반파장판(14) 및 제2 PBS(13b)를 서로 부착하여 8채널 전용으로 이용하는 것도 가능하다.
도10은 도7 또는 도9에 도시된 멀티채널용 광 감쇠기에서 어느 하나의 기본 블럭의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
즉 도2에 도시된 가변 광 감쇠기(10)가 실제 적용되는 예시를 도시한 것으로, 도10을 참조하면 광의 입력단인 제1 PBS(13a) 우측으로 빔 스플리터(12)가 위치하고, 빔 스플리터(12) 우측으로 듀얼 콜리메이터(11)가 위치하고 있다.
듀얼 콜리메이터(11)는 광신호를 전달받아 평행광선을 형성시키기 위해 마련되며, 캐필러리(capillary) 및 렌즈 등의 구성을 포함하여 제작된다. 또한 듀얼 콜리메이터(11)는 일체형 액정셀(17)에서 반사되어 PBS(13a,13b)를 통해 반사되어 출력되는 감쇠된 광을 수광하는 기능도 수행한다.
빔 스플리터(12)는 입사하는 광량의 일부는 투과시키고 나머지는 반사하는 구성으로, 본 실시예에서는 입력단에서 나온 빛의 일부를 분리해내서 피드백 컨트롤용으로 사용하기 위해 마련된다. 예컨대 듀얼 콜리메이터(11)를 통해 빔 스플리터(12)로 광이 입사되면 95%의 광은 제1 PBS(13a)로 입사되고, 나머지 5%의 광은 아래쪽으로 반사된다. 빔 스플리터(12)에서 반사된 광은 포토 디텍터(미도시)에서 수광됨으로써 입력되는 광의 세기가 측정된다. 이는 멀티채널 구성시(예컨대 8채널) 각 채널마다 입사되는 빛의 세기를 비교하여, 가장 작은 쪽으로 하향 평준화 시킴으로써 8채널에서 감쇠된 후 출력되는 빛의 세기를 동일하게 맞추기 위한 것이다. 예를 들어 첫번째 채널로 입사되는 광이 두번째 채널로 입사되는 광보다 세다면(입력 광의 세기는 빔 스플리터(12)에서 일부 반사되어 나오는 빛으로 측정됨), 첫번째 채널에 대응하는 전극에는 두번째 채널에 대응하는 전극보다 높은 전압을 인가함으로써 감쇠율을 높여주는 것이다. 따라서 첫번재 채널과 두번째 채널에서 입력되는 광의 세기는 다르더라도, 감쇠율의 차이로 인해 출력되는 광의 세기는 동일하게 맞춰질 수 있는 것이다.
듀얼 콜리메이터(11) 및 빔 스플리터(12)를 통과하여 PBS(13a,13b) 측으로 입사된 이후의 동작 과정은 도3을 통해 설명한 바 있으므로, 중복 설명은 피하도록 한다.
도11은 본 발명의 실시예에 따른 가변 광 감쇠기가 다른 형태로 제작되는 예시를 설명하기 위한 것이다. 즉 도11에 도시된 바와 같이, PBS(13a)는 1개만 쓰고 반파장판을 쓰지 않는 구조를 적용하되, PBS(13a)의 하부와 후면에 각각 일체형 액정셀(17)이 위치하도록 설계한 것이다.
도11에 도시된 가변 광 감쇠기의 작용을 설명하면, 듀얼 콜리메이터(11)에서 입사된 광은 빔 스플리터(12)에서 일부가 반사되어 피드백 콘트롤을 위해 사용되고, 나머지 대부분의 광은 PBS(13a)로 입사한다. PBS(13a)에서 분리된 P파는 그대로 통과하여 후면의 일체형 액정셀(17)로 입사하고, S파는 아래쪽 일체형 액정셀(17)로 입사한다. 후면의 일체형 액정셀(17)에서 반사되어 나오는 빛 중 S파 성분은 PBS(13a)에서 반사되어 버려지고, P파 성분만 다시 입력된 부분으로 돌아온다. 또한 아래쪽 일체형 액정셀(17)에서 반사되어 나오는 빛 중에서는 P파 성분은 PBS(13a)에서 그대로 투과되어 버려지고, S파 성분만 입력된 부분으로 돌아온다. 즉 두개의 일체형 액정셀(17)이 PBS(13a)와 맞 닿는 위치에 따라 P파 성분과 S파 성분이 적절히 합성되어 돌아옴으로써 감쇠된 빛을 출력으로 사용하는 것이다. 다만 PBS(13a)를 하나만 사용하였기 때문에 전체적인 광의 이동 경로를 줄일 수가 있게 된다.
도12는 본 발명의 실시예에 따른 가변 광 감쇠기가 또 다른 형태로 제작되는 예시를 설명하기 위한 것으로, 도11의 구조와 마찬가지로 하나의 PBS(13a)와 2개의 일체형 액정셀(17)로 구성되되, 듀얼 콜리메이터(12)가 2층으로 적층된 구조를 나타낸 것이다. 각각의 듀얼 콜리메이터(12)를 통해 입력되는 광의 경로는 도11의 설명을 통해 충분히 유추가 가능하다. 다만 본 실시예에서는 하나의 PBS(13a)에 2채널의 광을 입력시키는 것이어서, 8채널 사용시 PBS(13a)와 빔 스플리터(12)로 이루어지는 기본 블럭을 4개만 배열시키면 되며, 이에 따라 일체형 액정셀(17)의 전체 길이도 도11에 도시된 예시에 비하여 큰 폭으로 줄일 수가 있다. 단, 상부에 위치한 듀얼 콜리메이터(12)를 통해 입사되는 광이 투과되는 일체형 액정셀(17)의 지점과, 하부에 위치한 듀얼 콜리메이터(12)를 통해 입사되는 광이 투과되는 일체형 액정셀(17)의 지점에서는, 서로 다른 전압이 인가될 수 있도록, 전극 구성을 변경하여 설계할 수 있다.
도13은 본 발명의 실시예에 따른 가변 광 감쇠기의 또 다른 형태를 도시한 것이다. 즉 듀얼 콜리메이터(11) 이전 단에 빔 스플리터(12)를 배치함으로써 광 경로를 더욱 줄이도록 한 것이다.
도14는 본 발명의 실시예에 따른 가변 광 감쇠기의 또 다른 형태를 도시한 것이다. 즉 빛의 경로 순서대로 빔 스플리터(12), 듀얼 콜리메이터(11), 빔 디스플레이서(18), 반파장판(14) 및 일체형 액정셀(17)을 위치시킨 것이다. 따라서 빔 디스플레이서(18)로 입사된 광은 P파와 S파로 분리되고, S파는 일체형 액정셀(17)에 그대로 입사되어 반사될 수 있고, P파는 반파장판(14)을 통해 S파로 변환된 후 일체형 액정셀(17)에 입사된 후 반사될 수 있다. 도14 상에서 일체형 액정셀(17)의 아래쪽으로 입사된 후 반사되는 빛의 성분중 S파는 그대로 빔 디스플레이서(18)를 투과하여 입력 측으로 되돌아가고, P파는 굴절되어 버려진다. 또한 일체형 액정셀(17)의 위쪽으로 입사된 후 반사되는 빛의 성분은 다시 반파장판(14)을 통해 편광 상태가 바뀌게 되지만, 그중 S파 성분은 빔 디스플레이서(18)에서 굴절되어 입력 측으로 되돌아가고, P파 성분은 빔 디스플레이서(18)를 그대로 통과하여 버려지게 된다. 따라서 듀얼 콜리메이터(11)에서는 서로 다른 경로를 통해 입사되는 P파 성분과 S파 성분을 출력으로 사용하게 되는데, 버려진 빛에 의해 감쇠 효과를 볼 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에서 다루고자 하는 바는 액정셀과 반사판을 일체로 제작한 일체형 액정셀(17)을 이용함으로써, 저전압 구동과 소형의 가변 광 감쇠기 설계가 가능토록 한 것이며, 도7 내지 도14에 도시된 바와 같이 일체형 액정셀(17)을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기의 적용 예는 매우 다양함을 알리는 바이다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10 : 가변 광 감쇠기
11 : 듀얼 콜리메이터
12 : 빔 스플리터
13 : 편광 빔 스플리터
13a : 제1 PBS
13b : 제2 PBS
14 : 반파장판
15 : 액정셀
16 : 반사판
17 : 일체형 액정셀
17a : 상판
17a' : 상부전극
17b : 하판
17b' : 하부전극
18 : 빔 디스플레이서

Claims (5)

  1. 입력 지점으로부터 입력되는 광을 서로 다른 성분으로 분리하여 각각 서로 다른 지점으로 출력시키는 광분리부;
    상기 광분리부의 어느 일 지점에서 출력되는 광이 입력되면, 파장 지연을 통해 광의 편광 상태를 바꾸어 투과시키는 액정셀; 및
    상기 액정셀에서 투과된 광을 상기 액정셀 측으로 다시 반사시키는 반사판;을 포함하여 이루어지며,
    상기 액정셀은 인가되는 전압의 크기에 따라 파장 지연이 다르게 이루어짐으로써, 투과되는 광의 편광 상태에 차이가 발생하며, 상기 액정셀에서 투과된 광이 상기 반사판에서 반사되어 상기 액정셀을 다시 투과한 이후 상기 광분리부로 입사되면, 상기 액정셀을 통해 광분리부에 입사된 광 성분 중 특정 광 성분은 상기 입력 지점으로 출력시키고, 나머지 광 성분은 타 지점으로 출력시켜 버려짐으로써 광 감쇠가 이루어지되,
    상기 광분리부는 입력되는 광을 P파(수평편광)와 S파(수직편광)로 분리하여 서로 다른 면으로 출력시키는 제1 PBS(편광 빔 스플리터, Polarization Beam Splitter)와 제2 PBS를 포함하고,
    상기 제1 PBS와 제2 PBS 사이에 위치하여 투과되는 광의 편광방향을 직각으로 회전시키는 반파장판;을 더 포함하며,
    상기 제1 PBS, 반파장판 및 제2 PBS가 접한 면의 하부에 상기 액정셀 및 반사판이 위치함으로써, 상기 제1 PBS의 일측면으로 광이 입사하면 P파와 S파로 분리되어 P파는 상기 반파장판으로 입사하고 S파는 굴절되어 상기 액정셀 측으로 입사하며, 상기 반파장판으로 입사된 P파가 S파로 변환되어 상기 제2 PBS에 입사하면, 상기 제2 PBS로 입사된 S파가 굴절되어 상기 액정셀 측으로 입사하고, 상기 액정셀은 인가되는 전압의 크기에 따라 입력되는 광 및 상기 반사판에서 반사되는 광의 파장 지연을 일으켜 편광 상태를 바꾼 후 상기 제1 PBS 및 제2 PBS 측으로 입사시키며, 상기 제1 PBS는 상기 액정셀과 반사판을 거쳐온 광에서 S파 성분은 굴절시켜 상기 입력 지점으로 출력시키고 P파 성분은 타 지점으로 출력시키며, 상기 제2 PBS는 상기 액정셀과 반사판을 거쳐온 광에서 S파 성분은 굴절시켜 상기 반파장판으로 입사시키고 P파 성분은 타 지점으로 출력시키며, 상기 제2 PBS에서 굴절되어 상기 반파장판으로 입사된 S파 성분은 P파 성분으로 변환된 후 상기 제1 PBS를 그대로 통과하여 상기 입력 지점으로 출력되는 것을 특징으로 하는 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액정셀은 상기 반사판을 포함하여 일체형 액정셀로 구현되는 것을 특징으로 하는 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광분리부는 채널 개수에 대응하여 나란히 배열되어 듀얼 콜리메이터 측으로부터 광을 입력 받고,
    상기 나란히 배열된 광분리부 하부 면적에 대응하는 면적의 상기 액정셀 및 상기 반사판이 상기 광분리부 하부에 위치하되, 상기 액정셀은 상기 광분리부에 대응하는 위치마다 서로 다른 전압을 인가할 수 있도록 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각각의 광분리부에 입사되기 전 상기 각각의 광분리부에 입사되는 광의 일부를 분리해 내는 빔 스플리터;를 더 포함하고,
    상기 빔 스플리터에서 분리된 광을 통해 상기 광분리부에 입사되는 광의 세기를 측정한 이후, 상기 액정셀에서 상기 각각의 광분리부에 대응하는 위치에 가해지는 전압의 크기를 조절함으로써, 상기 각각의 광분리부에서 최종 출력되는 광의 세기가 균일화되는 것을 특징으로 하는 액정을 이용한 반사형 가변 광 감쇠기.
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