KR101603135B1

KR101603135B1 - 격자 기반 편광자 및 광학 아이솔레이터

Info

Publication number: KR101603135B1
Application number: KR1020137023373A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에이. 파탈; 마르코 피오렌티노; 레이몬드 쥐. 뷰솔레일
Original assignee: 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2016-03-14
Also published as: WO2012108867A1; US20130314784A1; KR20130130039A; CN103430059A; EP2673667A1

Abstract

광학 편광자, 광학 아이솔레이터, 및 광학 편광자와 아이솔레이터를 통합하는 시스템을 개시한다. 일특징으로, 광학 아이솔레이터는, 제1 표면 및 제1 표면의 반대측에 있는 제2 표면을 갖는 패러데이 결정체(Faraday crystal)와, 제1 표면 상에 위치된 일차원의 제1 서브파장 격자와, 제2 표면 상에 위치된 일차원의 제2 서브파장 격자를 포함한다. 아이솔레이터는 제1 서브파장 격자를 통해 광의 제1 입력빔을 수광하고, 제1 입력빔에 대략 평행하게 제2 서브파장 격자를 통해 광의 편광된 제1 출력빔을 출력한다. 또한, 아이솔레이터는 제2 서브파장 격자를 통해 광의 제2 입력빔을 수광하고, 제1 서브파장 격자를 통해 광의 편광된 제2 출력빔을, 상기 제2 입력빔으로부터 어긋난 상태로, 출력한다.

Description

격자 기반 편광자 및 광학 아이솔레이터{GRATING-BASED POLARIZERS AND OPTICAL ISOLATORS}

본 발명은 편광자 및 광학 아이솔레이터에 관한 것이다.

편광자는 통상적으로 자연적이거나 편광되지 않은 광을 입력으로 하고 편광된 광을 출력으로 하는 장치이다. 편광자는 편광 필터와 같은 다양한 기기에 이용될 수 있다. 흔히 상업적으로 이용 가능한 편광자는 복굴절 필터(birefringent filter) 및 박막 편광자를 포함한다. 가장 흔히 사용되는 복굴절 필터는 글랜-테일러(Glan-Taylor) 및 글랜-레이저 프리즘을 포함한 글랜 타입 편광자이다. 이들 프리즘은 통상적으로 방해석(calcite) 또는 또 다른 복굴절 재료로 이루어진 2개의 직각 프리즘으로 구성되며, 이들 프리즘은 이들의 장측의 면(long face)을 따라 서로 근접해 있고, 에어 갭에 의해 분리된다. 글랜-타입 프리즘에 진입하는 광의 편광 성분은 s-편광광(s-polarized light) 및 p-편광광(p-polarized light)으로서 지칭된다. s-편광광은 입사 평면에 직각을 이루는 방향의 전계 성분을 반영하고, p-편광광은 입사 평면에 평행한 방향의 전계 성분을 반영한다. 에어 갭에서의 s-편광광의 내부 전반사는 단지 p-편광광만이 필터에 의해 투과되도록 한다. p-편광광이 대략 100%의 투과율로 투과되지만, s-편광광은 통상적으로 그렇지 않다.

다른 한편으로, 박막 편광자는 유리 기판의 표면 상에 위치되는 광학 코팅으로 구성된다. 기판은 편광되지 않은 광의 빔이 특정 각도로 삽입되는 유리판이거나, 또는 기판은 코팅이 웨지(wedge)의 인접한 장측의 면들 사이에 위치되는 큐브(cube)를 형성하도록 제2 웨지에 접합된 웨지 형상 유리 프리즘이어도 된다. 코팅의 조성은 박막 편광자를 빔 스플링팅 편광자로서 작동할 수 있도록 하는 간섭을 생성하도록 선택된다. 박막 편광자는 통상적으로 글랜 타입 편광자와 마찬가지의 성능을 보이지 않으며, 제조 비용이 보다 저렴하고, 2개의 직교 편광 빔을 제공한다.

미소 전자 소자와 통합될 수 있고 미소 전자 소자와 동일한 플랫폼 상에서 제조될 수 있는 저전력의 소규모 광소자의 개발에 있어서 현저한 진전이 이루어졌지만, 이들 소자가 전형적인 미소 전자 소자 및 기타 광소자보다 현저하게 고가이고, 부피가 크며, 제조에 시간이 많이 소요되기 때문에, 전형적인 복굴절 필터 및 박막 편광자를 미소 전자 소자와 통합하기 위한 노력이 방해를 받고 있다. 그 결과, 컴퓨터 산업에서는 전형적인 미소 전자 소자 및 광소자와 통합될 수 있는 더 소형의 저비용 편광자를 지속적으로 추구하고 있다.

일특징으로, 광학 아이솔레이터는, 제1 표면 및 제1 표면의 반대측에 있는 제2 표면을 갖는 패러데이 결정체(Faraday crystal)와, 제1 표면 상에 위치된 일차원의 제1 서브파장 격자와, 제2 표면 상에 위치된 일차원의 제2 서브파장 격자를 포함한다. 아이솔레이터는 제1 서브파장 격자를 통해 광의 제1 입력빔을 수광하고, 제1 입력빔에 대략 평행하게 제2 서브파장 격자를 통해 광의 편광된 제1 출력빔을 출력한다. 또한, 아이솔레이터는 제2 서브파장 격자를 통해 광의 제2 입력빔을 수광하고, 제1 서브파장 격자를 통해 광의 편광된 제2 출력빔을, 상기 제2 입력빔으로부터 어긋난 상태로, 출력한다.

도 1a 및 도 1b는 각각 일례의 광학 편광자의 등각 투영도와 확대도이다.
도 2는 입사 광선과 상호작용하는 일례의 편광자의 등각 투영도이다.
도 3은 일례의 편광자의 파장의 범위에 대한 입사광의 TE 및 TM 편광 성분의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 일례의 광학 아이솔레이터의 등각 투영도와 분해 등각 투영도이다.
도 5는 일례의 광학 아이솔레이터의 등각 투영도이며, 제1 및 제2 서브파장 격자(sub-wavelength grating)의 확대 등각 투영도를 포함하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 광의 1차 빔의 TE 및 TM 편광 성분과 상호작용하는 일례의 광학 아이솔레이터의 분해 등각 투영도와 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 광의 2차 빔의 TE 및 TM 편광 성분과 상호작용하는 일례의 광학 아이솔레이터의 분해 등각 투영도와 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 일례의 채널 소스의 개요도이다.

본 발명은 광학 편광자, 광학 아이솔레이터, 및 광학 아이솔레이터를 통합한 시스템에 관한 것이다. 도 1a는 일례의 광학 편광자(100)의 등각 투영도이다. 편광자(100)는 기판(104) 상에 위치된 평면형의 서브파장 격자(SWG)(102)를 포함한다. 도 1b는 편광자(100)의 평면도이며, 영역 108의 확대 도면(106) 및 동일 영역 108의 상방향 회전 확대도(magnified end-on view)(110)를 포함한다. 확대도(106, 110)는 SWG(102)가 라인(112)으로 지칭되는 SWG(102) 재료의 규칙적으로 이격된 와이어형 부분을 포함한다는 것을 보여주고 있다. 라인(112)은 폭 w와 두께 t로 y 방향으로 연장하며, 주기 P로 x 방향으로 주기적으로 이격되어 있다. 라인(112)은 기판(104)의 표면을 노출시키는 홈(114)에 의해 분리되어 있다.

SWG(102)는 SWG(102)를 구성하는 재료의 굴절률과 기판(104)의 굴절률 간의 비교적 높은 콘트라스트 때문에 강한 콘트라스트 또는 하이 콘트라스트 SWG이다. 예컨대, SWG(102)는 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)과 같은 단일 원소 반도체 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체와 같은 화합물 반도체로 구성될 수 있으며, 여기서 로마 수자 Ⅲ과 Ⅴ는 원소 주기율표의 Ⅲa와 Ⅴa의 열 내에 있는 원소를 나타낸다. 화합물 반도체는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)과 같은 Ⅲa 열의 원소와, 질소(N), 인(P), 비소(As), 및 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴa 열의 원소의 조합으로 구성될 수 있다. 화합물 반도체는 또한 Ⅲ족 원소와 Ⅴ족 원소의 상대량에 따라 추가로 분류될 수 있다. 예컨대, 이원 반도체 화합물은 실험식 GaAs, InP, InAs, 및 GaP를 갖는 반도체를 포함하고, 3원 화합물 반도체는 실험식 GaAs _y P_1- _y 을 갖는 반도체를 포함하며, 여기서 y는 0보다는 크고 1보다는 작은 범위이고, 4원 화합물 반도체는 실험식 In _x Ga_1- _x As _y P_1- _y 을 갖는 반도체를 포함하며, 여기서 x와 y는 서로 독립적으로 0보다는 크고 1보다는 작은 범위이다. 다른 타입의 적합한 화합물 반도체는 Ⅱ-Ⅵ족 재료를 포함하며, 여기서 Ⅱ족과 Ⅵ족은 주기율표의 Ⅱb 열과 Ⅵa 열 내의 원소를 나타낸다. 예컨대, CdSe, ZnSe, ZnS, 및 ZnO는 일례의 이진 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체의 실험식이다. 기판(104)은 석영, 이산화규소(SiO₂), 산화알루미늄(Al₃O₂) 또는 투명 폴리머와 같은 적합한 투명 재료로 구성될 수 있다.

SWG(102)는 "주기적" SWG이다. 즉, SWG(102)는 그 전반에 걸쳐 동일한 주기 간격 P, 라인폭 w, 및 두께 t로 구성된다. SWG(102)는 또한 라인폭 w 및 주기 P가 격자가 상호작용하도록 구성되는 광의 파장 λ 미만이기 때문에 서브파장 격자로 지칭된다. 예컨대, 입사광의 파장 λ에 따라, 라인폭은 대략 10 nm에서부터 대략 30 nm까지의 범위로 될 수 있고, 주기는 대략 20 nm에서부터 대략 1 ㎛까지의 범위로 될 수 있다.

편광자 및 아이솔레이터는 소형이며, CMOS 미세 전자장치를 제조하기 위해 이용된 다수의 동일 기술로 제조될 수 있다. 예컨대, 편광자는 웨이퍼 본딩 또는 화학적 또는 물리적 기상 증착을 이용하여 기판 상에 반도체층을 증착함으로써 형성될 수 있다. SWG(102)의 라인은 포토리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 또는 반응성 이온 에칭을 이용하여 형성될 수 있다.

SWG를 아래에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 특정 파장의 광과 상호작용하도록 설계하기 위해, 균일한 스케일 변환(uniform scale transformation)에 관련되는 맥스웰 방정식의 특성이 이용된다. 구체적으로, 자유 공간 파장 λ₀에서 특정한 복소 반사 계수(complex reflection coefficient) r₀를 갖는 특정한 라인폭 w, 라인 두께 t, 및 주기 P로 구성된 1차원의 주기적 제1 SWG를 고려하여 설명한다. 제2 SWG를 라인폭 αw, 라인 두께 αt, 및 주기 αP로 제조함으로써, 상이한 파장 λ가 없다면, 제2 SWG가 대략 동일한 반사 계수로 획득될 수 있으며, 여기서 α=λ/λ₀는 환산 계수(scale factor)이다. 그 결과, 제2 SWG는 반사 계수 r(λ)=r₀(λ/α)=r₀(λ₀)를 갖는다.

도 2는 입사 광선(206)과 상호작용하는 일례의 편광자(200)의 등각 투영도이다. 편광자(200)는 기판(204) 상에 배치된 1차원의 주기적 SWG(202)를 포함한다. 광선(206)은 파장 λ'을 가지며, 영(0)이 아닌 입사각으로 SWG(202)를 때린다. 도 2의 예에서 나타낸 바와 같이, 입사광(206)은 TE 편광 성분(208)과 TM 편광 성분(210)으로 분해될 수 있다. TE 편광(208)은 SWG(202)의 라인에 평행한 방향으로 되는 전계 성분을 갖는 제1 전자기파의 사인파 모양의 전계 성분에 의해 표현되며, TM 편광(210)은 SWG(202)의 라인에 직각을 이루는 방향으로 되는 전계 성분을 갖는 제2 전자기파의 사인파 모양의 전계 성분에 의해 표현된다. SWG(202)는 SWG를 두께

로 구성함으로써 TE 편광과 공진하며, 여기서 m은 양수이고, n은 파장 λ'에서의 SWG(202) 재료 유효 굴절률이다. 예컨대, m은 통상적으로 다수의 적합한 SWG 재료에 대해 "4"의 값을 갖는다. 공진 시에, TE 편광(208)은 대략 100% 반사율로 반사되는 한편, TM 편광(210)은 대부분이 투과된다.

도 3은 대략 650 nm의 파장을 갖는 광의 TE 편광과의 강한 공진을 달성하도록 구성된 일례의 편광자에 대하여 시뮬레이션 결과를 파장의 범위에 대한 투과율로 도시하고 있다. 편광자는 70/30%의 공기/Si 분율을 갖는 석영 기판 상에 배치된 1차원의 주기적 Si SWG를 포함한다. 즉, SWG는 385 nm의 주기, 115 nm의 라인폭, 및 50 nm의 라인 두께를 갖는다. Si SWG의 두께는 대략 50 nm로 극히 작다는 것에 유의하기 바란다. 즉, Si SWG의 두께는

에 의해 결정될 수 있으며, 여기서 650 nm 파장의 광과 상호작용하는 Si의 유효 굴절률은 대략 3.5이다. 시뮬레이션 결과는 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis) 알고리즘 멀티모드 전달 행렬을 이용하여 생성된 곡선 302 및 304로 표현되어 있다. 곡선 302는 대략 550 nm에서부터 대략 800 nm 범위의 파장에 걸친 입사광에 대해서는 거의 전체의 TM 편광이 투과된다는 것을 보여준다. 한편으로, 곡선 304는 대략 650 nm의 파장을 갖는 입사광에 대해서는 거의 전체의 TE 편광이 반사된다는 것을 보여준다. 즉, 파장 650 nm의 입사광에 대해서는 투과율이 대략 "0"이다. 곡선 304는 또한 입사광이 0에 접근하는 투과율을 갖는 대략 640 nm에서부터 대략 660 nm까지의 범위의 파장의 간격(306)을 보여주고 있다. 이 간격(306)에서 벗어나는 파장을 갖는 광에 대해서는, 곡선 304는 TE 편광이 SWG과의 부분 공진을 가지며, 이것은 입사광의 파장이 이 간격(306)으로부터 더 멀어질수록 감소한다. 예컨대, 750 nm의 파장을 갖는 입사광에 대해서는, TM 편광은 대략 "1"의 투과율로 투과되는 한편, TE 편광은 대략 0.2의 투과율과 대략 0.8의 반사율에 대응하는 SWG와의 부분 공진만을 갖는다.

전술한 편광자는 광학 아이솔레이터를 형성하기 위해 패러데이 결정체(Faraday crystal)와 조합될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 광학 아이솔레이터는, 하나의 방향으로 입사하는 광의 빔을 수광하고, 광의 출력 빔을 특정한 편광으로 또한 실질적으로 입사 빔으로부터 빔 오프셋 없이 출력할 수 있는 편광 의존 아이솔레이터(polarization dependent isolator)이다. 다른 한편으로, 동일한 광학 아이솔레이터들이 반대 방향으로부터 입사하는 광의 빔을 수광할 때에, 출력빔 또한 특정 편광이 발생되지만, 출력빔이 입사 빔으로부터 어긋하게 된다.

도 4a 및 도 4b는 각각 일례의 광학 아이솔레이터(400)의 등각 투영도와 분해 등각 투영도이다. 아이솔레이터(400)는 제1 평면 표면(404) 및 제1 평면 표면의 반대측에 위치되고 거리 L만큼 분리된 제2 평면 표면(406)을 갖는 패러데이 결정체(402)를 포함한다. 아이솔레이터(400)는 또한 제1 표면(404) 상에 위치된 제1 SWG(408) 및 제2 표면(406) 상에 위치된 제2 SWG(410)를 포함한다.

도 5는 일례의 광학 아이솔레이터(400)의 등각 투영도이며, 제1 SWG(408)의 일부분(504)에 대한 확대 등각 투영도(502) 및 제2 SWG(410)의 일부분(508)에 대한 확대 등각 투영도(506)를 포함한다. 도 5는 또한 제1 SWG(408)에 연관된 제1 단위원(unit circle)(510) 및 제2 SWG(410)에 연관된 제2 단위원(512)을 포함한다. 단위원(510, 512)은 직교좌표계(Cartesian coordinate system)(514)의 xy-평면 내에 놓여지고, 제1 및 제2 SWG(408, 410)를 포함하는 라인의 상대적 각도 배향(relative angular orientation)을 표현한다. 구체적으로, 양방향 점선 화살표 516은 SWG 408을 포함하는 라인이 y-축에 평행한 방향으로 향하고 있다는 것을 나타내고, 양방향 점선 화살표 518은 SWG 410을 포함하는 라인이 SWG 408을 포함하는 라인에 대하여 영이 아닌 배향각(non-zero angle of orientation) β를 갖는다는 것을 나타낸다.

SWG(408, 410)는 도 3의 예에서 앞서 설명한 바와 같이 특정 파장을 갖는 입사광에 대해서는 편광자로서 작동하도록 구성된다. SWG 408 상에 입사하는 제1 광빔은 SWG 408의 라인에 평행한 방향으로 향하는 전계 성분을 갖는 TE₁ 편광과 SWG 408의 라인에 직각을 이루는 방향으로 되는 전계 성분을 갖는 TM₁ 편광으로 분해될 수 있다. 단위원 524에서, TE₁ 편광은 양방향 화살표 520으로 표시되고, TM₁ 편광은 양방향 화살표 522로 표시되어 있다. SWG 410 상에 입사하는 제2 광빔은, SWG 410의 라인에 평행한 방향으로 향하는 전계 성분을 갖는 TE₂ 편광과, SWG 410의 라인에 직각을 이루는 방향으로 되는 전계 성분을 갖는 TM₂ 편광으로 분해될 수 있다. 단위원 530에서, TE₂ 편광은 양방향 화살표 526으로 표시되고, TM₂ 편광은 양방향 화살표 528로 표시되어 있다.

패러데이 결정체(402)는 적절한 크기 및 극성의 자계가 인가될 때에 패러데이 결정체(402)에 입력된 선형 편광된 광의 편광을 회전시키도록 성형(shape)되고 지향된다. 구체적으로, 패러데이 결정체(402)를 통해 전파하는 선형으로 편광된 광의 평면은, 전파 방향에 평행하게 자계가 인가될 때에 각도 β에 걸쳐 회전된다. 회전 각도는 다음에 의해 주어진다:

β = VBd

여기서, β는 회전 각도이고, B는 전파 방향에서의 자속 밀도이며, d는 광이 자계와 상호작용하는 전파 경로의 길이이며, V는 패러데이 결정체(402)에 대한 버데 비례 상수(Verdet proportionality constant)이다. 버데 상수 V는 패러데이 결정체(402)의 파장 및 온도로 변화되며, 다양한 재료에 대해 표로 만들어진다. 적합한 패러데이 결정체의 예는 MOS-4, MOS-10, 테르븀 갈륨 가넷(terbium gallium garnet)(Tb₃Ga₅O₁₂)과 같은 글래스를 포함한다.

도 6a 및 도 6b는 각각 아이솔레이터(400)의 y-축을 따른 분해 등각 투영도와 평면도이다. 광의 1차 빔(600)은 영이 아닌 입사각 α로 SWG 408에 입사되고, TE₁ 편광(520)과 TM₁ 편광(522)으로 분해된다. SWG(408, 410)의 라인폭, 두께, 주기 및 구성 재료는 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 1차 빔(602)의 파장과의 강한 공진을 갖도록 선택된다. 그 결과, TE₁ 편광(520)은 대략 "1"의 높은 반사율로 반사되고, TM₁ 편광(522)은 대략 "1"의 높은 투과율로 패러데이 결정체(402) 내로 투과된다. 단위원 608에 의해 표현된 바와 같이, TM₁ 편광(522)이 패러데이 결정체(402)에 진입할 때, 파(wave)가 표면 404로부터 경로(606)를 따라 표면 406을 향해 전파된다. 외부 자계 B가 자계 소스(도시하지 않음)에 의해 패러데이 결정체(402)에 인가되며, 경로(606)에 대략 평행한 방향으로 향하게 된다. 자계 소스는 사마륨 코발트(samarium cobalt)(예컨대, SmCo₅)와 같은 임의의 영구 자석이어도 된다. 파가 경로(606)를 따라 전파할 때, 외부 자계는 파를 단위원 610에 의해 표현된 바와 같이 TM₁ 편광(522)으로부터 TM₂ 편광(528)으로 각도 β에 걸쳐 회전하게 한다. 그 결과, 출력빔(604)은 TM₂ 편광으로 아이솔레이터(400)를 빠져나온다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 출력 빔(604)은 1차 빔(602)에 평행하게 아이솔레이터(400)를 빠져나오지만, 1차 빔(602)은 패러데이 결정체(402)의 제1 표면(404) 및 제2 표면(406)에서의 굴절로 인해 출력 빔(604)으로부터 어긋나게 된다.

도 7a 및 도 7b는 각각 아이솔레이터(400)의 y-축을 따른 분해 등각 투영도와 평면도이다. 도 7에서, 아이솔레이터(400)는 영이 아닌 입사각 α를 갖는 2차 빔(702)을 수광하고, 이 빔이 TE₂ 편광(526)과 TM₂ 편광(528)으로 분해된다. TE₂ 편광(526)은 대략 "1"의 높은 반사율로 반사되며, TM₂ 편광(528)은 대략 "1"의 높은 투과율로 패러데이 결정체(402) 내로 투과된다. TM₂ 편광(528)이 결정체에 진입할 때, 단위원 706에 의해 표현된 바와 같이, 파가 표면 406으로부터 경로(708)를 따라 표면 404를 향해 전파된다. 외부 자계 B는 파를 단위원 710에 의해 표현된 바와 같이 각도 β를 통해 TE₁ 편광(520)으로 회전하게 한다. SWG 408은 TE₁ 편광(520)을 패러데이 결정체(402) 내로 역반사하여, 경로 712를 따라 전파되고, 단위원 714에 의해 표현된 바와 같이 각도 β를 통해 회전하여 TE₂ 편광(526)으로 표면 406에 도달하게 한다. 최종적으로, SWG 410은 파를 TE₂ 편광(526)을 갖는 파를 패러데이 결정체(402) 내로 역반사하여, 경로 716을 따라 전파되고, 다시 단위원 718에 의해 표현된 바와 같이 각도 β를 통해 회전하여 TE₁ 편광(522)으로 표면 404에 도달하게 한다. 귀환 빔(704)은 TM₁ 편광으로 아이솔레이터(400)를 빠져나오게 된다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 귀환 빔(704)은 2차 빔(702)에 평행하게 아이솔레이터(400)를 빠져나오지만, 귀환 빔(704)은, 패러데이 결정체(402)의 제1 표면(404) 및 제2 표면(406)에서의 굴절과, SWG(408, 410)에서의 패러데이 결정체(402) 내에서 발생하는 영이 아닌 반사각으로의 2개의 내부 반사 때문에, 2차 빔(702)으로부터 어긋나게 된다.

광학 아이솔레이터는, 레이저에 의해 발생된 채널의 투과를 하나의 방향으로 방출되도록 하고, 레이저 캐비티 내로의 원하지 않는 피드백을 방지하기 위해, 채널 소스에 통합될 수 있다. "채널"은 단일 파장의 전자기 라디에이션 또는 특정 파장을 중심으로 하는 좁은 대역의 전자기 라디에이션이어도 된다. 도 8a 및 도 8b는 일례의 채널 소스(800)의 개요도이다. 채널 소스(800)는 레이저(802), 광학 아이솔레이터(802), 및 자계 발생기(804)를 포함한다. 도 8a의 예에서, 레이저(802)는 광의 1차 빔(806)으로서 출력되는 채널을 발생한다. SWG(408, 410)는 채널과의 강한 공진을 갖도록 구성된다. 그 결과, 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이, 1차 빔(806)의 일부분이 TE₁ 편광으로 반사되며, 출력 빔(810)이 TM₂ 편광으로 아이솔레이터(400)를 빠져나온다. 다른 한편으로, 도 8b의 예에서, 2차 빔(812)은 출력 빔(810)과 실질적으로 동일한 경로를 따라 레이저(802)를 향해 반대로 향하게 된다. 2차 빔(812)은 출력 빔(810)의 적어도 일부분(814)을 역으로 레이저(802)를 향해 반사하는 모듈레이터 또는 기타 광소자에 의해 생성될 수 있다. 도 7을 참조하여 전술한 바와 같이, SWG 410은 2차 빔(812)의 일부분(814)을 TE₂ 편광으로 반사하고, 귀환 빔(816)이 TM₁ 편광으로 아이솔레이터(400)를 빠져나오게 된다. 아이솔레이터(400)는 귀환 빔(814)이 레이저(802) 내로 투과되지 않도록 하는 각도로 되어, 레이저(802)에서 원하지 않은 노이즈가 발생되는 것을 방지한다.

발명에 대한 설명을 목적으로 하는 전술한 설명은 발명에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 특정한 명명법을 이용하였다. 그러나, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법을 실시하기 위해 구체적인 세부 내용이 요구되지 않는다는 것은 당업자에게는 명백할 것이다. 특정한 예에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공된 것이다. 이러한 설명은 본 발명을 빠짐없이 설명하는 것도 아니고, 또한 본 발명을 전술한 구체적인 형태로 한정하려는 것도 아니다. 상기한 교시의 관점에서 다수의 변형 및 수정이 가능하다는 것은 자명하다. 개시된 예는 본 발명의 원리 및 실질적인 응용을 최상으로 설명하여 당업자로 하여금 본 발명 및 특정한 사용에 적합한 다양한 수정예를 최상으로 활용할 수 있도록 하기 위해 도시되고 설명된 것이다. 본 발명의 범위는 이하의 청구범위 및 그와 동등한 구성에 의해 정해질 것이다.

Claims

광학 아이솔레이터에 있어서,
제1 표면 및 상기 제1 표면의 반대측에 있는 제2 표면을 갖는 패러데이 결정체(Faraday crystal);
상기 제1 표면 상에 위치된 일차원의 제1 서브파장 격자; 및
상기 제2 표면 상에 위치된 일차원의 제2 서브파장 격자
를 포함하며,
상기 광학 아이솔레이터는, 상기 제1 서브파장 격자를 통해 광의 제1 입력빔을 수광하고, 상기 제2 서브파장 격자를 통해 광의 편광된 제1 출력빔을, 상기 제1 입력빔에 평행하되 상기 제1 표면 및 제2 표면에서의 굴절을 거쳐 상기 제1 입력빔과는 제1 양만큼 어긋난 상태로 출력하며, 상기 제1 출력빔과 반대 방향으로 상기 제2 서브파장 격자를 통해 광의 제2 입력빔을 수광하고, 상기 패러데이 결정체 내에서 영(0) 아닌 반사각으로의 2개의 내부 반사를 거쳐 상기 제1 서브파장 격자를 통해 광의 편광된 제2 출력빔을, 상기 제2 입력빔과 평행하되 상기 제1 양과는 상이한 제2 양만큼 상기 제2 입력빔과 어긋난 상태로 출력하여, 상기 제2 출력빔이 상기 제1 입력빔을 방출하는 레이저에 진입하는 것을 방지하도록 되어 있는, 광학 아이솔레이터.
제1항에 있어서,
상기 제1 서브파장 격자는 제1 유형의 주기적 격자를 포함하고, 상기 제2 서브파장 격자는 제2 유형의 주기적 격자를 포함하며, 상기 제1 서브파장 격자의 라인이 상기 제2 서브파장 격자의 라인에 대하여 영(0)이 아닌 배향각(non-zero angle of orientation)을 갖는, 광학 아이솔레이터.
제1항에 있어서,
각각의 상기 제1 서브파장 격자와 상기 제2 서브파장 격자는, 각각 격자 재료 유효 굴절률로 나눈 제1 빔의 파장과 제2 빔의 파장에 비례하는 두께를 갖는, 광학 아이솔레이터.
제1항에 있어서,
상기 제1 입력빔의 제1 부분을 반사하고 상기 제1 입력빔의 제2 부분을 투과하기 위한 제1 격자를 포함하며, 상기 제1 부분이 상기 제1 격자의 라인에 대하여 TE 편광을 갖고, 상기 제2 부분이 상기 제1 격자의 라인에 대하여 TM 편광을 갖는, 광학 아이솔레이터.
제1항에 있어서,
상기 제2 입력빔의 제1 부분을 반사하고 상기 제2 입력빔의 제2 부분을 투과하기 위한 제2 격자를 포함하며, 상기 제1 부분이 상기 제2 격자의 라인에 대하여 TE 편광을 갖고, 상기 제2 부분이 상기 제2 격자의 라인에 대하여 TM 편광을 갖는, 광학 아이솔레이터.
제1항에 있어서,
편광된 제1 출력빔을 출력하기 위한 상기 광학 아이솔레이터는, 상기 패러데이 결정체에 자계가 인가될 때에, 상기 제2 서브파장 격자의 라인에 대하여 TM 편광(528)을 갖는 제1 출력빔을 출력하기 위한 패러데이 결정체를 포함하는, 광학 아이솔레이터.
제1항에 있어서,
편광된 제2 출력빔을 출력하기 위한 상기 광학 아이솔레이터는, 상기 패러데이 결정체에 자계가 인가될 때에, 상기 제1 서브파장 격자의 라인에 대하여 TM 편광(522)을 갖는 제2 출력빔을 출력하기 위한 패러데이 결정체를 포함하는, 광학 아이솔레이터.
채널 소스에 있어서,
광의 1차 빔을 방출하기 위한 레이저;
자계 소스; 및
상기 자계 소스에 의해 발생된 자계 내에 위치되는 광학 아이솔레이터로서, 상기 광학 아이솔레이터는, 영(0)이 아닌 입사각으로 상기 1차 빔을 수광하고, 상기 1차 빔에 평행하되 상기 광학 아이솔레이터의 표면들에서의 굴절을 거쳐 상기 1차 빔과는 제1 양만큼 어긋난 상태로 광의 출력빔을 출력하며, 상기 1차 빔과 동일한 파장을 갖고 상기 출력빔의 반대측으로 향하는 광의 2차 빔을 수광하고, 상기 레이저와의 상호작용을 방지하기 위해 상기 광학 아이솔레이터 내에서 영(0) 아닌 반사각으로의 2개의 내부 반사를 거쳐 상기 제1 양과는 상이한 제2 양만큼 상기 2차 빔과 어긋난 상태로 귀환 빔(return beam)을 출력하여, 상기 귀환 빔이 상기 레이저에 진입하는 것을 방지하도록, 각도를 이루고 있는, 상기 광학 아이솔레이터
를 포함하는 채널 소스.
제8항에 있어서,
상기 출력빔을 출력하기 위한 상기 광학 아이솔레이터는 출력빔을 편광하기 위한 광학 아이솔레이터를 포함하며, 상기 귀환 빔을 출력하기 위한 상기 광학 아이솔레이터는 상기 귀환 빔을 편광하기 위한 광학 아이솔레이터를 포함하는, 채널 소스.
제8항에 있어서,
상기 광학 아이솔레이터는,
제1 표면 및 상기 제1 표면의 반대측에 있는 제2 표면을 갖는 패러데이 결정체;
상기 제1 표면 상에 위치된 일차원의 제1 서브파장 격자; 및
상기 제2 표면 상에 위치된 일차원의 제2 서브파장 격자
를 포함하며,
상기 제1 서브파장 격자의 라인이 상기 제2 서브파장 격자의 라인에 대하여 영(0)이 아닌 배향각을 가지며, 각각의 상기 제1 서브파장 격자와 상기 제2 서브파장 격자가 격자 재료 유효 굴절률로 나눈 1차 빔의 파장에 비례하는 두께를 갖는,
채널 소스.
제10항에 있어서,
상기 제1 서브파장 격자는 제1 유형의 주기적 격자를 포함하고, 상기 제2 서브파장 격자는 제2 유형의 주기적 격자를 포함하는, 채널 소스.
제8항에 있어서,
상기 출력빔을 출력하기 위한 상기 광학 아이솔레이터는 출력빔을 편광하기 위한 아이솔레이터를 포함하는, 채널 소스.
제8항에 있어서,
상기 귀환 빔을 출력하기 위한 상기 광학 아이솔레이터는 상기 귀환 빔을 편광하기 위한 아이솔레이터를 포함하는, 채널 소스.
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