KR101829649B1 - Lcos를 이용한 파장선택스위치에 적용되는 다위상 홀로그램 패턴 제작 방법 및 이를 이용한 파장선택스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LCOS를 이용한 파장선택스위치에 적용되는 다위상 홀로그램 패턴 제작 방법 및 이를 이용한 파장선택스위치에 대한 것으로, 본 발명에 따르면 다위상 홀로그램 패턴을 LCOS소자에 적용함으로써, 파장선택스위치에서의 삽입손실과 크로스토크를 크게 줄일 수 있다.

Description

LCOS를 이용한 파장선택스위치에 적용되는 다위상 홀로그램 패턴 제작 방법 및 이를 이용한 파장선택스위치{Method for making multi phase hologram pattern that is applied to wavelength selective switch using LCOS, and wavelength selective switch using the hologram pattern}

본 발명은 LCOS를 이용한 파장선택스위치에 적용되는 다위상 홀로그램 패턴 제작 방법 및 이를 이용한 파장선택스위치에 대한 것으로, 더욱 구체적으로는 다위상 홀로그램 패턴을 이용하여 파장 선택 스위칭이 가능토록 함으로써 삽입손실과 크로스토크를 줄일 수 있도록 하는 기술에 대한 것이다.

정보전달의 대량화 및 고속화 추세에 따라 다중파장신호를 이용한 광섬유 정보전달망이 ROADM(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, 재설정식 광 분기-결합 다중화기)으로 진화하고 있다. 이러한 차세대 ROADM에서 핵심이 되는 노드 스위칭 기술을 실현하는 기술 중 한가지가 파장 선택 스위치(Wavelength Selective Switch) 기술이다. 이 파장 선택 스위치는 하나의 입력 포트와 N개의 출력 포트를 갖는 소자로 다중파장의 입력신호가 파장 선택 스위치를 통해 각 파장별 입력신호를 임의의 출력포트로 전달하는 기능을 갖는다. 이 파장 선택 스위치를 구성하는 핵심소자로서 최근에 LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 소자를 이용한 파장 선택 스위치 기술이 포트확장성 및 견고성이 우수한 장점으로 활발한 연구가 진행되고 있다.

LCOS소자를 이용한 빔 제어방법으로 일반적으로 그레이팅(grating) 패턴이 쓰이고 있는데 입출력간의 광효율 측면에서 불리한 면이 있다. 하지만 홀로그램 패턴을 사용할 수 있다면 보다 높은 광효율의 파장 선택 스위치의 실현이 가능할 것이다.

한편 LCOS소자를 이용한 빔 제어와 관련된 기술로 대한민국공개특허 제10-2014-0018281호(2014.02.12. 광학 빔 라우팅 장치 및 방법, 이하 '종래기술'이라고 함) 등이 있다.

종래기술은 블레이즈 회절격자를 이용한 빔 라우팅에 대한 것으로, 크로스토크를 줄이기 위해 디포커싱 기술을 이용한 파면 인코딩 방법으로 포커싱 평면을 이동시킴으로써 원하지 않는 출력포트로 들어가는 빔을 분산시킨 것이다. 또한 종래기술은 블레이즈 회절격자 패턴을 변형시켜 디포커싱의 효율을 높이는데 사용한 것이며, 홀로그램 자체로 파장선택스위치 제어를 할 수 있도록 한 것은 아니다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 다위상 홀로그램 패턴을 제작하여 LCOS소자에 적용할 수 있도록 함으로써, 다위상 홀로그램 패턴 자체로 파장 선택 스위칭이 가능하고 삽입손실과 크로스토크를 줄여 광효율을 극대화 시킬 수 있도록 하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다위상 홀로그램 패턴 제작 방법은, 복수의 출력포트 위치에 대응하는 원본 이미지를 제작하는 (a)단계; 상기 복수의 원본 이미지를 이용하여 각각의 홀로그램 패턴을 제작하는 (b)단계; 및 상기 각각의 홀로그램 패턴을 병합하여 다위상 홀로그램 패턴을 제작하는 (c)단계;를 포함한다.

여기서, 상기 (b)단계는, Gerchberg-Saxton algorithm을 적용하여 상기 원본 이미지를 다위상 변조(multi phase modulation)함으로써, 상기 원본 이미지에 대응하는 홀로그램 패턴을 제작할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파장선택스위치는, 하나의 입력포트와 복수의 출력포트를 갖는 광섬유 콜리메이터 어레이; 상기 광섬유 콜리메이터 어레이의 상기 입력포트를 통해 입사되는 다중파장 광신호를 각각의 파장으로 분리하는 그레이팅; 상기 그레이팅에서 각각의 파장으로 분리되어 입사되는 광신호를 파장별로 각각 다른 각도로 반사시켜 상기 복수의 출력포트 중 기 설정된 출력포트로 반사시키는 LCOS소자; 및 상기 LCOS소자에 다위상 홀로그램 패턴을 디스플레이시키는 제어수단;을 포함하되, 상기 제어수단에 의해 상기 LCOS소자에 출력되는 상기 다위상 홀로그램 패턴은 상기 각각의 파장으로 분리된 광신호를 기 설정된 출력포트로 반사시키는 각각의 홀로그램 패턴이 병합된 형태일 수 있다.

여기서, 상기 제어수단에 의해 상기 LCOS소자에 출력되는 상기 다위상 홀로그램 패턴은 상기 제1항 또는 2항의 다위상 홀로그램 패턴 제작 방법에 의해 제작될 수 있다.

본 발명에 따른 다위상 홀로그램 패턴을 LCOS 소자에 적용할 경우, 홀로그램 패턴 자체로 파장 선택 스위칭이 가능하고, 삽입손실과 크로스토크가 줄어들어 광효율을 극대화시킬 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 LCOS를 이용한 파장선택스위치를 설명하기 위한 도면.
도2는 LCOS소자를 설명하기 위한 도면.
도3은 광학계 장치를 이용하여 일반적인 홀로그램을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도4는 물체의 홀로그램 표시도메인과 초점도메인 사이의 푸리에 변환 관계를 설명하기 위한 도면.
도5는 Binary CGH패턴 및 Multi phase CGH패턴을 생성하고 CGH 역변환을 통해 원본이미지가 재생되는지 여부를 실험한 결과를 설명하기 위한 도면.
도6은 홀로그램을 이용한 리플레이 이미지 재생 실험을 설명하기 위한 도면.
도7은 binary phase modulation과 multi phase modulation으로 LCOS소자를 위상제어 하기 위한 홀로그램 패턴을 설명하기 위한 도면.
도8은 공간주파수 증가에 따른 LCOS의 회절효율 변화특성을 설명하기 위한 도면.
도9는 출력포트의 위치에 대응하는 원본 이미지의 예시를 설명하기 위한 도면.
도10은 도9에 도시된 원본 이미지를 이용하여 홀로그램 패턴을 제작한 예시를 설명하기 위한 도면.
도11은 도10에 도시된 홀로그램 패턴에 따른 각각의 리플레이 이미지를 촬영한 도면.
도12는 40채널의 파장과 각 파장에 지정된 출력포트를 설명하기 위한 도면.
도13은 40채널 컨트롤용 다위상 홀로그램 패턴의 예시를 설명하기 위한 도면.
도14는 본 발명의 실시예에 따른 다위상 홀로그램 패턴 제작 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도15는 본 발명의 실시예에 따른 파장선택스위치의 동작 과정을 설명하기 위한 흐름도.

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.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 LCOS를 이용한 파장선택스위치(이하 '파장선택스위치'라고 함)를 설명하기 위한 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 파장선택스위치(100)는 광섬유 콜리메이터 어레이(110), 렌즈부(120), 그레이팅(130), LCOS소자(140) 및 제어수단(150)을 포함한다.

광섬유 콜리메이터 어레이(fiber collimator array, 이하 '콜리메이터'라고 함)(110)는 광신호의 입력과 출력을 위해 마련된다. 구체적으로 콜리메이터(110)는 1개의 입력포트(116)와 복수개의 출력포트(111~115)를 갖는데, 본 실시예에서는 다중파장 광신호가 입사되는 1개의 입력포트(116)와 각각의 파장이 출력되는 5개의 출력포트(111~115)를 갖는 콜리메이터(110)를 도시하였다.

렌즈부(120)는 콜리메이터(110)의 입력포트(116)를 통해 입사되는 다중파장 광신호를 편광처리하여 안정적인 단일 편광이 입사되도록 한다.

그레이팅(grating lens)(130)은 다중파장 광신호를 각각의 파장으로 분리한다.

LCOS소자(140)는 그레이팅(130)에서 각각의 파장으로 분리되어 입사되는 광신호를 파장별로 각각 다른 각도로 반사시켜 원하는(기 설정된) 출력포트(111~115)로 나가도록 컨트롤한다. 이러한 LCOS소자(140)에는 제어수단(150)에 의해 다위상 홀로그램 패턴(141)이 디스플레이 된다.

본 발명에서는 LCOS소자(140)에서 디스플레이 되는 홀로그램 패턴(141)에 의해 입사되는 광신호에서 각각의 파장을 원하는 위치의 출력포트(111~115)로 반사시키되, 삽입손실(insertion loss)과 크로스토크(crosstalk)를 줄여 광 효율을 극대화시키기 위한 것이다. 따라서 이하에서는 LCOS소자(140)에서 디스플레이되는 다위상 홀로그램 패턴(141)에 대하여 자세하게 설명토록 한다.

먼저 SLM에 대하여 설명토록 한다. SLM(Spatial Light Modulator, 공간 광 변조기)은 입사광의 위상을 컨트롤할 수 있는 2차원 픽셀 배열의 소자이다. SLM소자는 원래는 진폭변조 또는 위상변조 기능의 디스플레이 응용소자이지만 위상변조 기반의 응용광학, 홀로그래픽 프로젝션, 옵티컬 트위져등의 새로운 응용분야로 전개되고 있다. 위상변조 기반의 SLM은 입사광의 광경로 길이를 변화시키거나 매체의 두께 또는 refractive index를 변화시켜 위상변화를 발생시킨다.

LCOS(Liquid Crystal on Silicon)소자(140)는 실리콘기판상의 반사형 마이크로디스플레이로서 SLM으로 가장 적절한 소자이다. 실리콘기판은 전기적인 어드레스기능과 액정층과 연결된 개별 픽셀의 알루미늄 전극과의 인터페이스 기능을 한다. 알루미늄 전극은 전극인 동시에 액정층과 함께 광변조를 일으키는 반사거울 역할을 한다. 액정층은 일반적으로 네마틱상의 액정이 사용되며 외부에서 인가하는 전계에 의해 쉽게 유전율이방성의 컨트롤이 가능하다. 액정층을 통과하는 빛이 액정분자들의 배열방향에 따라 다른 굴절율을 받게 된다. 유전율이방성의 차이(n_o , n_e)는 특정 파장(λ)의 빛이 액정층 두께(d)을 통과하면서 아래의 수학식1과 같이 위상지연(Γ)을 발생시킨다.

위상변조(phase modulation)는 LCOS소자(140)의 각 픽셀에 인가되는 전압에 크기에 따라 달라지는 액정분자들의 배열상태에 따라 도2와 같이 각기 다른 위상변조가 일어난다. 이와 같이 여러개의 위상레벨을 만들어 홀로그램을 생성할 수 있다.

다음은 컴퓨터 생성 홀로그램(Computer Generated Hologram, CGH)에 대하여 설명토록 한다. CGH는 광학기기 응용에 다양하게 활용되고 있다. 우선 홀로그램의 생성원리는 레이저빔의 간섭현상을 이용하여, 물체가 가지고 있는 입체나 평면화상의 정보를 기록한 영상물을 말하고 그 어원은 완전한 영상이라는 뜻을 가지고 있다.

사람의 눈이 물체를 관측할 경우를 생각해 보면, 우선 빛이 물체에 조사되어 물체 표면과 빛의 상호작용(반사, 흡수, 투과 등)을 통해 일부는 산란되고 이 산란된 빛은 에너지와 위상 및 파장의 정보를 동시에 가지고 있으며 사람의 눈은 이중 일부분을 감지하게 되어 물체의 명암 및 색채와 더불어 입체감을 느끼게 된다. 즉 물체의 명암은 산란된 빛의 강도와 관계되며 색채는 파장별 분광분포에 관계되며 상대적 광로차(optical path difference)로 인한 위상의 정보로 인해 입체감을 느낄 수 있는 것이다.

일반 사진의 경우는 산란된 빛의 일부를 포착하여 그 파장 및 강도를 감지하여 색채 및 명암의 표현이 가능하나 입체감에 대한 정보는 무시된다. 위상에 대한 정보를 기록하면 입체감을 표현할 수 있으며 이는 간섭성이 좋은 광원을 이용 상대적 광로차를 기록하는 방법으로 가능하다. 이는 점광원에서 발사된 빛과 평행광의 간섭을 통해 잘 볼 수 있는데 평행광과 점광원에서 나온 빛이 필름면에서 합성될 때 광로차로 인해 사인파(sinusoidal form) 형태의 간섭 무늬를 형성한다. 이러한 간섭무늬에 평행광을 입사 반대면에서 조사하면 직진하는 부분(0차 회절)과 다시 점광원으로 수렴하는 부분(1차 회절광)을 볼 수 있으며 따라서 원래의 점광원이 재생됨을 알 수 있다.

이 점광원에서 나온 빛을 물체의 한 점에서 산란된 빛이라 생각하면 물체가 산란한 빛 그 자체를 재생한 것이 되고, 따라서 물체 자체에서 나온 빛의 모든 정보와 일치하게 되며 입체감도 그대로 표현될 수 있는 것이다. 이때 1차 회절광 효율이 좋을수록 좋은 홀로그램이라 할 수 있다. 이것이 모든 홀로그라피의 기본원리가 된다.

위의 모델을 수식적으로 해석하면 보다 명백해지며 양자물리학적인 관점에서 본다면 광자의 위치와 운동량의 불확정성으로 설명 가능하다. 즉 이론적인 면에서 본다면 홀로그라피란 다름 아닌 물체광과 기준이 되는 참조광의 간섭무늬의 기록을 뜻한다. 따라서 간섭성이 좋은 광원을 이용해야 한다.

일반적인 홀로그램은 도3과 같은 광학계 장치를 이용하여 생성할 수 있다. 도3의 (a)는 홀로그램을 기록하는 과정이다. 레이저 빔이 분광기에 의해 물체파와 기준파로 나뉘는데, 물체파는 물체에 한번 조사된 후 필름으로 다시 조사되고, 기준파는 곧바로 필름으로 조사된다. 이때 두 빛이 만나면서 빛의 간섭현상이 발생하고 이때 생기는 간섭패턴이 감광 필름에 기록되는데 이것을 홀로그램이라고 부른다.

도3의 (b)는 홀로그램을 다시 객체로 복원하는 과정으로, 생성하였던 홀로그램에 동일한 기준파를 조사하면 다시 원래 객체형상을 복원한다. 이 방법은 안정된 실험 환경이나 고가의 광학계 장치 등을 필요로 하기 때문에 실질적으로 홀로그램을 생성하기에는 어려움이 있다.

CGH의 가장 큰 장점은 기존의 광학계 장치와 광학 변수들을 수학적으로 모델링하여 일반적인 컴퓨터로도 손쉽게 홀로그램을 만들어 낼 수 있다는 데에 있다. 하지만 CGH기법을 이용하여 디지털 홀로그램을 생성하기 위해서는 상당한 양의 데이터들을 연산해야하기 때문에 이를 고속으로 처리하는 것이 매우 중요하다.

SLM을 이용해 위상 홀로그램을 생성하기 위해 direct binary search, gratings and lenses, Gerchberg-Saxton algorithm 등 여러가지 알고리즘이 있는데 본 발명에서는 Gerchberg-Saxton algorithm 을 적용한 것을 설명토록 한다.

위상 홀로그램 표현을 위해 우선 레이저 빔을 복소수로 정의하면 아래의 수학식2와 같이 진폭(a)와 위상(φ)로 표기할 수 있다.

Image plane에서 원하는 빔 패턴을 얻기 위해 렌즈의 푸리에(Fourier)변환 특성을 이용한다. 도4는 물체의 홀로그램 표시도메인 u_h 와 물체의 초점도메인 u_i 사이의 Fourier변환 관계를 나타내며 아래의 수학식3과 같이 표현할 수 있다.

만약 어느 한 도메인의 값이 주어졌다면 다른 도메인의 값도 Fourier변환이나 역변환을 통해 구할 수 있다. 즉, 생성된 이미지는 SLM에서 전파되는 빔에 의해 생성되는 프라운호퍼 회절 패턴의 축소된 버전이라고 할 수 있다. SLM에서 반사된 광선을 수식으로 나타내면 아래의 수학식4와 같다. 여기서 φ_h는 홀로그램에 의한 위상변화분을 나타낸다.

위상변화 φ_h는 이미지 plane에서 예상되는 빛의 세기 I_d(x_i, y_i)를 바탕으로 한 알고리즘에 따라 계산될 수 있다.

Gerchberg-Saxton Algorithm은 반복수행의 Fourier변환 기반의 알고리즘으로, 이미지도메인에서 예정된 빛의 세기분포를 만들기 위한 홀로그램 도메인의 위상분포를 계산하게 된다. 이 알고리즘은 홀로그램 도메인과 이미지 도메인 모두 반복적인 최적화 작업으로 위상 자유도를 제공한다. 빔 형성이 이미지 도메인에 한정되어 있어 2차원의 세기 패턴만이 생성 가능하다. 예정된 빛의 세기 패턴 I_d(x_i, y_i)은 하나의 점이거나 특정한 형상의 패턴이 될 수도 있다. 최종목표는 홀로그램도메인에서 위상을 찾는 것이다. 따라서 Id는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

빛의 세기는 이미지도메인에 전달되길 기대하는 패턴이 될 것이다. 이 알고리즘은 초기치로 임의의 위상(φ_r) 과 빛의 세기를 홀로그램 도메인에 부여하고 시작한다.

Gerchberg-Saxton 알고리즘의 실행순서를 설명하면 아래와 같다.

1) 임의의 디퓨져를 원본 이미지에 인가하고 Fourier변환을 실시한다.

2) Fourier변환을 예측하기 위해 측정된 Fourier계수로 계산된 Fourier변환의 계수를 대치한다.

3) 예측된 Fourier변환의 역변환을 실시한다.

4) 추측된 원본 이미지를 생성하기 위해 측정된 원본 이미지의 계수로 계산된 이미지의 계수를 조정한다.

5) 1-4단계를 여러차례 반복한다.

Gerchberg-Saxton Algorithm을 적용하여 CGH를 생성하는 과정에 대하여 설명하였으며, 매트랩을 이용하여 위상 홀로그램 패턴을 생성하도록 프로그래밍을 하고, CGH를 만드는 과정을 설명하면 다음과 같다.

1) 적정한 사이즈의 colormap을 만든다.

2) 홀로그램으로 바꾸려는 원본 이미지를 로드한다.

3) 이미지 재생시 두 개의 상이 겹치는 것을 방지하기 위해 축변환을 실시한다.

4) 임의의 위상 디퓨져를 원본 이미지에 가한다.

5) Gerchberg-Saxton Algorithm을 적용하여 임의의 위상을 최적화한다.

6) Fourier변환의 진폭값은 정규화시키고 위상정보는 그대로 유지한다.

7) binary phase hologram 생성을 목표로 할 경우 위상을 0 과 π 로 제한하여 위상정보의 값을 0 과 π 로 한정시키고, multi phase hologram 생성일 경우는 원하는 phase만큼 위상레벨을 만든다.

8) 제작된 CGH를 출력한다.

9) 제작된 CGH가 원래 이미지를 얼마나 재생 시킬수 있는지 알아보기 위해 CGH의 Fourier역변환을 실시하여 예상되는 원본 이미지를 재생 출력시킨다.

이상의 과정으로 우선 Binary CGH패턴을 생성하고, CGH를 역변환 하여 원본이미지가 재생되는지 여부를 실험해 보았다.

도5의 (a)에서 가장 좌측은 테스트를 위한 알파벳 A의 원본 이미지이다. 이를 앞선 과정을 통해 Binary CGH 패턴으로 생성하면 도5의 (a)에서 중앙과 같다. 이러한 CGH를 역변환시키면 도5의 (a)에서 가장 우측과 같다.

도5의 (b)에서 가장 좌측은 16도트의 원본 이미지이고, 중앙은 이를 Binary CGH 패턴으로 생성한 것이며, 우측은 역변환시킨 이미지이다.

실험결과에서 보듯이 앞서 설명한 프로그램으로 생성된 CGH가 원본으로 똑같은 형태로 이미지 재생됨을 알 수 있으며, 이를 통해 CGH패턴의 유용성을 증명하였다. 재생이미지에서 2개의 이미지 쌍이 생긴 이유는 Fourier역변환에 의한 당연한 결과이다. 본 실험에서 생성된 CGH패턴을 LCOS소자(140)에 디스플레이시킨후 레이져광원을 비추면 반사되는 광패턴이 실제로 원본 이미지로 재생될 수 있다. 이 원리를 이용하여 파장선택스위치(Wavelength Selective Switch, WSS) 시스템에서 LCOS소자(140)를 이용한 광의 효율적인 입출력 제어가 가능해진다.

이상에서는 Gerchberg-Saxton algorithm을 적용하여 binary phase modulation으로 CGH패턴 제작하는 과정을 설명하였는데, dual image가 생성되는 문제점을 역프리에변환 시뮬레이션으로 확인하였다. 따라서 광효율면에서 손실이 예상되므로 다위상 변조(multi phase modulation) 기법으로 CGH패턴을 제작하여 광효율을 높여야만 한다.

우선 multi phase modulation의 기본원리를 정리하면 다음과 같다. binary phase modulation에 비해 multi phase modulation의 장점은 우선 CGH의 회절효율이 높다. 왜냐하면 binary phase modulation의 경우 회절되는 빛의 양이 고차 성분으로 더 많이 분포되기 때문이다. Phase modulation의 이론적인 회절효율(η)을 나타내는 식은 아래의 수학식6과 같다.

여기서, M은 multi phase 의 레벨이다. 이 식에 의하면 binary phase modulation의 이론적인 최대 회절효율은 η_max(2)=0.405 이며, phase level이 4개인 경우의 최대 회절효율은 η_max(4)=0.811, phase level이 8개인 경우의 최대 회절효율은 η_max(8)=0.950이 된다. 즉 phase level이 높을수록 회절효율이 높아지는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 광스위치의 광효율을 높이려면 multi phase modulation을 사용하는 것이 매우 유리하다. 또한 Multi phase modulation은 푸리에 도메인에서 대칭되어 나타나는 부분을 제거 할 수 있으며 양자화 스텝을 줄일 수 있어 더욱 섬세하게 위상 컨트롤을 할 수 있다.

Multi phase modulation을 이용하여 multi phase hologram을 만든 결과를 도5의 (c)와 (d)를 통해 살펴보도록 한다. 도5의 (c)에서 가장 좌측은 테스트를 위한 알파벳 A의 원본 이미지이다. 이를 앞선 과정을 통해 Multi phase CGH 패턴으로 생성하면 도5의 (c)에서 중앙과 같다. 이러한 CGH를 역변환시키면 도5의 (c)에서 가장 우측과 같다.

도5의 (d)에서 가장 좌측은 16도트의 원본 이미지이고, 중앙은 이를 Multi phase CGH 패턴으로 생성한 것이며, 우측은 역변환시킨 이미지이다.

실험결과에서 보듯이 재생이미지에서 2개의 이미지 쌍이 생기던 문제점이 해결되어 원본 이미지가 재생됨을 확인할 수 있다. 이 원리를 이용하여 파장선택스위치(Wavelength Selective Switch, WSS) 시스템에서 LCOS소자(140)를 이용한 광의 입출력 제어시 효율적으로 크로스토크를 방지할 수 있다.

LCOS에서 binary phase modulation과 multi phase modulation을 적용했을 경우 각각의 회절 효율은 도6의 홀로그램을 이용한 replay 이미지 재생 실험 셋업으로 측정 가능하다. 632.8nm 파장의 레이져를 사용하고 focal lens (f = 20cm)를 사용하여 콜리메이션을 한다. LCOS소자에서 반사되는 빛은 빔 스플리터에서 90도 꺾여서 광량을 측정하는 포토미터로 입사되는데 focal lens (f = 100cm) 로 집속하여 포토미터로 측정한다. LCOS에 이미지 패턴을 가하지 않은 상태에서 DC spot의 광의 세기를 측정한다. 레이져의 입사광 대비 최종 DC spot의 output 의 비율은 약 6% 정도 효율을 나타낸다.

각 order의 회절효율은 DC spot의 빛의 세기 대비 각 차수의 빛의 세기의 비율로 측정할 수 있다. 예를 들어 first order로 회절되는 빛의 회절효율은 다음의 수학식7과 같다.

여기서 η₁은 first order 회절효율, I₁은 first order의 빛의 세기, I₀는 zero order 즉 DC spot의 빛의 세기를 나타낸다.

Binary phase modulation과 multi phase modulation으로 LCOS소자의 위상제어를 하기 위해 홀로그램 패턴을 적용하기 전에 가장 간단한 방법으로 우선 grating 패턴을 사용하여 출력포트 위치를 잡을 수 있다. LCOS소자의 위상을 0에서 2π 까지 제어하도록 구동회로 및 감마커렉션을 수행하여 LCOS소자를 위상제어 최적의 모드로 튜닝하여야 한다. Binary phase modulation의 경우는 위상을 0 과 π 로 구분하며, 예를 들어 4레벨 multi phase modulation의 경우는 0, (1/2)π, π, (3/2)π로 구분하여 스텝 제어를 한다. 레벨이 많을수록 더욱 정교한 위상 제어 및 높은 광효율을 기대할 수 있다. Modulation 종류에 따른 LCOS소자의 위상제어를 도7의 (b)와 같이 나타낼 수 있다.

이와 같이 위상제어를 하기 위해 LCOS소자에 특정패턴을 디스플레이 해주어야 하는데, 도7의 (a)와 같은 grating 패턴이 필요하여 매트랩 프로그램으로 제작하였다.

여기에서 다루어지는 grating 패턴은 도1의 그레이팅(130)과 다르다. 즉, 도7의 (a)에 도시된 grating 패턴은 LCOS소자에 디스플레이되는 패턴을 말하는 것이고, 도1의 그레이팅(130)은 다중 파장을 각각의 파장으로 분리시키는 소자를 말하는 것이다.

LCOS소자에 아무것도 디스플레이 시키지 않았을 때의 DC spot과 도7의 (a)와 같은 grating패턴을 LCOS에 디스플레이 시켰을 때 나타나는 회절 패턴이 도7의 (c)에 나타나 있다.

First order 회절효율이 binary grating의 경우 39%(이론계산치는 40.5%), 4 level blazed grating의 경우는 73% (이론계산치 81.1%)를 나타내었다. 즉 도7의 (c)와 같이 4 level blazed grating의 경우 빔의 분포가 DC spot을 중심으로 좌우 대칭이 형성되지 않고 한쪽으로 모여 더 큰 회절효율을 나타냄을 알 수 있다.

회절효율은 일반적으로 LCOS소자에 디스플레이 되는 패턴의 공간주파수(spatial frequency)가 증가함에 따라 감소한다. 이것은 spatial frequency가 증가함에 따라 LCOS소자의 응답특성이 따라가지 못함이 주된 원인이다. spatial frequency가 증가함에 따라 회절효율이 감소하는 현상은 특히 binary phase modulation보다 multi phase modulation에서 더욱 민감하게 나타난다.

spatial frequency의 증가에 따른 LCOS의 회절효율 변화특성을 실험을 통해 도8에 도시하였다. Binary grating 패턴과 4 level blazed grating 패턴으로 spatial frequency를 0.78 lp/mm에서 6.25 lp/mm 범위에서 회절효율을 측정한 결과를 나타낸다. spatial frequency증가에 따라 회절효율은 binary grating 패턴에서 40%에서 35%로 감소하였으며 4 level blazed grating 패턴에서는 73%에서 40%로 감소하였다. 결과적으로 multi phase modulation을 적용할 경우 binary phase modulation보다 패턴의 spatial frequency에 좀 더 신경써서 설계를 해야 함을 알 수 있다.

본 실시예에서는 다음과 같은 사양의 LCOS소자를 사용하였다. 해상도는 1920 * 1980 픽셀이며 픽셀 피치는 8um, 각 픽셀의 fill factor는 87%, 최대 spatial freuency는 62.5 lp/mm이다.

앞서 Multi phase modulation에 의해 CGH를 제작하기 위해 Gerchberg-Saxton algorithm을 적용하여 CGH 생성프로그램을 만들었으며, 이에 의해 만들어진 다위상 홀로그램 패턴을 LCOS소자에 디스플레이 시킨 후 레이져광원을 비추어 반사되는 광패턴이 실제로 원본 이미지와 같은지를 검증해 보았다. 이 원리를 이용하여 WSS(Wavelength Selective Switch) 시스템에서 LCOS소자(140)를 이용한 광의 효율적인 입출력 제어가 가능해진다. LCOS소자(140)를 이용한 이미지 재생실험 셋업은 도6과 같이 구성할 수 있다.

실험을 위해 5개의 출력포트를 지정하여 빔이 출력하도록 도9와 같이 원본 이미지를 다섯 개를 제작하여 사용하였다. 5개의 출력포트는 위치가 서로 다르며, 각각의 이미지는 위치가 서로 다른 5개의 출력포트를 나타낸다. 실제 광스위치 실험에서 배치하는 출력포트의 정렬 방향에 따라 본 원본 이미지의 도트의 정렬 방향을 결정해서 디자인 해주면 된다.

도9와 같이 5가지의 원본이미지를 이용하여 Gerchberg-Saxton algorithm을 적용한 multi phase modulation 기법으로 홀로그램 패턴을 제작하면 도10과 같다.

도10과 같이 5가지의 홀로그램 패턴을 LCOS에 각각 디스플레이 시킴에 따라 재현되는 replay 이미지를 기록하여 원본 이미지가 재생되는지를 검증하였다. 도11은 5가지의 홀로그램 패턴에 따른 각각의 replay 이미지를 촬영한 것이다. 촬영된 이미지에서 중간 부분의 dc spot으로 인해 효율이 떨어질 수 있으나 폴라라이져를 적절히 조절하면 없앨 수 있는 부분이다. 원본이미지와 비교해 보면 각 이미지의 도트 위치가 원본이미지와 같이 바뀜을 알 수 있다.

파장선택스위치를 설계하기 위해서는 우선 5개의 출력포트의 위치를 정확히 설정해 주어야 한다. 그러기 위해서는 grating 패턴을 LCOS에 디스플레이 시켜 출력포트의 위치를 설정해 주는 것이 가장 쉬운 방법이다. 그래서 binary 패턴과 blazed grating패턴 두가지로 grating패턴을 매트랩으로 프로그래밍 제작하여 출력포트 위치선정 실험에 사용하였다. 패턴의 정렬방향은 가로나 세로 임의로 선택할 수 있으며 패턴의 두께, 사이즈도 임의로 설정 가능하다.

본 실시예에서는 40채널 출력포트 선택용 CGH패턴 생성을 위해 매트랩으로 패턴생성 프로그램을 제작하였다. 파장분할 다중화 광전송시스템에서 사용되는 파장대는 주로 C밴드(1528~1560nm)로 ITU표준채널의 21번채널인 1560.61nm부터 60번채널인 1529.55nm까지 40개의 파장을 대상으로 출력포트 선택이 필요하다. 각 채널별로 출력포트 5개중 한 개를 선택하여 출력되어야 한다.

도12에 도시된 바와 같이 LCOS소자(140)에 40개 채널의 파장이 일렬로 나란히 입사할 것이며, 각각의 채널들에 대하여 출력포트가 정해지면(예컨대 1번채널은 1번 출력포트(111), 2번채널은 4번 출력포트(114), 3번채널은 5번 출력포트(115), 4번채널은 3번 출력포트(113), 5번채널은 5번 출력포트(115)), 각각의 파장이 지정된 출력포트로 전송되어야 한다.

앞선 과정에 의해 각각의 5개 출력포트 위치에 지정되는 홀로그램이 제작될 수 있으며, 그 예시가 도10에 도시되어 있다. 도10에서 좌측 상단부터 우측으로 1번 출력포트, 2번 출력포트, 3번 출력포트, 4번 출력포트, 5번 출력포트에 지정된 홀로그램이라고 가정하면, 각 채널별로 정해진 출력포트로 스위칭할 수 있도록 LCOS소자(140)의 각 채널영역에 위의 5개 출력포트에 대응하는 홀로그램을 순차적으로 배열(병합)하여 디스플레이 되도록 한다. 도12에 도시된 바와 같이 채널별 출력포트가 정해진 것이라면, 도10의 1번, 4번, 5번, 3번, 5번 ... 순서로 홀로그램 패턴을 결합하여 출력하는 것이다.

또한 채널별로 CGH패턴의 폭도 개별적으로 정할 수 있다. 예컨대 1번 채널은 200픽셀, 2번 채널은 100픽셀, 3번 채널은 50픽셀 등으로 개별 설정이 가능한 것이다.

이렇게 각 채널별 출력포트의 순서와 패턴 폭이 정해지면, 이들 각각의 홀로그램 패턴을 결합하여 도13과 같은 40채널 컨트롤용 다위상 홀로그램 패턴을 얻을 수 있다.

이상에서 자세히 설명한 LCOS를 이용한 파장선택스위치에 적용되는 다위상 홀로그램 패턴 제작 방법을 도14를 통해 정리하면 다음과 같다. 먼저 출력포트 위치에 대응하여 원본 이미지(그림파일)를 생성<S205>한다. 이에 대해서는 도9를 통해 앞서 자세히 설명한 바 있다.

이후 도9의 원본 이미지를 이용하여 각 출력포트에 대응하는 홀로그램 패턴을 생성<S210>한다. 이렇게 생성된 홀로그램 예시가 도10에 도시되어 있다.

이후 채널별 출력포트의 순서대로 생성된 홀로그램 패턴을 병합하여 다위상 홀로그램 패턴을 제작<S215>할 수 있으며, 이를 제어수단에 설정하고 LCOS소자(140)에 디스플레이 시키면 도1과 같은 파장선택스위치로 적용 가능하다.

한편 도14의 과정으로 제작된 다위상 홀로그램 패턴을 이용한 파장선택스위치의 동작 과정을 도15를 통해 정리하면 다음과 같다. 먼저 제어수단에 의해 LCOS소자(140)에 앞선 과정으로 제작된 다위상 홀로그램 패턴을 디스플레이<S305> 시킨다.

이후 콜리메이터(110)의 입력포트를 통해 다중파장 광신호가 입사되고, 렌즈부를 거쳐 안정적인 단일 편광이 그레이팅(130)에 입사<S315>하면, 그레이팅(130)에서 다중 파장으로 분리<S320>된다. 이후 광신호가 LCOS소자(140)의 다수 픽셀에 표시된 홀로그램 패턴의 형상에 따라 회절되어, 각각의 파장이 각각 다른 각도로 반사되어 원하는 출력포트로 출력<S325>된다.

본 발명에서는 LCOS를 이용한 파장선택스위치에 적용되는 다위상 홀로그램 패턴에 대하여 다루었으며, 이를 LCOS 소자에 적용할 경우, 파장선택스위치에서 삽입손실과 크로스토크가 줄어들어 광효율을 극대화시킬 수 있다.

즉, 본원발명은 컴퓨터로 제작된 홀로그램 패턴 자체로 파장선택 스위치 제어를 할 수 있도록 한 것이며, 각 출력포트를 그림으로 위치선정 한 후 각각의 홀로그램 패턴(서브 홀로그램)을 제작하여 이들의 병합으로 전체홀로그램을 제작한 것이다. 따라서 본원발명에 따라 제작된 다위상 홀로그램 패턴을 이용하면 가장 효율적이고 필수적인 파장선택 스위칭이 가능하다.

한편, 도1에 도시된 LCOS를 이용한 파장선택스위치는 하나의 예시일 뿐이며, 앞서 설명한 방법으로 제작된 다위상 홀로그램 패턴은 다른 형태의 LCOS를 이용한 파장선택스위치에도 모두 적용이 가능하다.

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.

100 : LCOS를 이용한 파장선택스위치
110 : 광섬유 콜리메이터 어레이
111~115 : 출력포트1~5
116 : 입력포트
120 : 렌즈부
130 : 그레이팅
140 : LCOS소자
141 : 다위상 홀로그램 패턴
150 : 제어수단

Claims (4)

1. 복수의 출력포트 위치에 대응하는 원본 이미지를 제작하는 (a)단계;
   상기 복수의 원본 이미지를 이용하여 각각의 홀로그램 패턴을 제작하는 (b)단계; 및
   상기 각각의 홀로그램 패턴을 병합하여 다위상 홀로그램 패턴을 제작하는 (c)단계;를 포함하되,
   상기 (b)단계는, 임의의 디퓨져를 상기 원본 이미지에 인가하고 Fourier 변환과 Fourier 역변환을 반복 수행하는 Gerchberg-Saxton Algorithm을 적용하여 각각의 홀로그램 패턴을 제작하되, LCOS 소자의 위상을 복수 레벨로 구분 제어하여 다위상 변조(multi phase modulation)를 수행함으로써 다위상 홀로그램 패턴을 제작하고,
   상기 (c)단계는 상기 (b)단계에서 제작된 각각의 다위상 홀로그램 패턴을 병합하여 다채널 컨트롤용 다위상 홀로그램 패턴을 제작하는 것을 특징으로 하는 다위상 홀로그램 패턴 제작 방법.
   
2. 삭제
3. 하나의 입력포트와 복수의 출력포트를 갖는 광섬유 콜리메이터 어레이;
   상기 광섬유 콜리메이터 어레이의 상기 입력포트를 통해 입사되는 다중파장 광신호를 각각의 파장으로 분리하는 그레이팅;
   상기 그레이팅에서 각각의 파장으로 분리되어 입사되는 광신호를 파장별로 각각 다른 각도로 반사시켜 상기 복수의 출력포트 중 기 설정된 출력포트로 반사시키는 LCOS소자; 및
   상기 LCOS소자에 다위상 홀로그램 패턴을 디스플레이시키는 제어수단;을 포함하되,
   상기 제어수단에 의해 상기 LCOS소자에 출력되는 상기 다위상 홀로그램 패턴은 상기 제1항의 방법으로 제작된 것으로, 상기 각각의 파장으로 분리된 광신호를 기 설정된 출력포트로 반사시키는 각각의 홀로그램 패턴이 병합된 형태인 것을 특징으로 하는 파장선택스위치.
   
4. 삭제

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