KR102377039B1 - Directional coupler for orbital angular momentum mode - Google Patents

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KR102377039B1
KR102377039B1 KR1020200131290A KR20200131290A KR102377039B1 KR 102377039 B1 KR102377039 B1 KR 102377039B1 KR 1020200131290 A KR1020200131290 A KR 1020200131290A KR 20200131290 A KR20200131290 A KR 20200131290A KR 102377039 B1 KR102377039 B1 KR 102377039B1
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directional coupler
mode
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optical waveguide
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김상인
이인준
김장표
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국방과학연구소
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Abstract

As a directional coupler, the directional coupler comprises: a clad part; and a plurality of optical waveguides comprising a core part whose vertical cross section has a rotational symmetry in a progress direction of an optical signal, wherein each of the optical waveguides adjacent to each other may be separate-disposed from each other by a predetermined distance based on a center of the cross section of the core part to guide the orbital angular momentum (OAM) mode of the optical signal. Therefore, the present invention is capable of maintaining the phase information.

Description

궤도각운동량 모드용 방향성 결합기{DIRECTIONAL COUPLER FOR ORBITAL ANGULAR MOMENTUM MODE}Directional coupler for orbital angular momentum mode

본 개시는 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum; OAM) 모드용 방향성 결합기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 복수의 집적형 광도파관을 포함하여 궤도각운동량 모드를 서로 다른 광도파관에 임의로 분배할 수 있는 방향성 결합기에 관한 것이다.The present disclosure relates to a directional coupler for an Orbital Angular Momentum (OAM) mode. More particularly, it relates to a directional coupler comprising a plurality of integrated optical waveguides capable of arbitrarily distributing orbital angular momentum modes to different optical waveguides.

빛(또는 광 신호)은 진행하는 방향을 축으로 나선을 그리며 진행하는 속성을 지니는데, 이 성질을 궤도각운동량이라고 한다. 궤도각운동량은 파동의 진행방향에 수직인 평면에서 동일한 파장 안에서 방위각 방향으로 위상(phase)이 몇 주기 반복 되었는지를 기준으로 궤도각운동량 모드를 구분할 수 있으며, 이 때, 반복 횟수를 양자수(l)라 한다.Light (or light signal) has the property of traveling in a spiral along the direction of travel, and this property is called orbital angular momentum. Orbital angular momentum can be divided into orbital angular momentum modes based on how many cycles the phase is repeated in the azimuth direction within the same wavelength in the plane perpendicular to the direction of wave travel. In this case, the number of repetitions is called quantum number (l) do.

궤도각운동량은 이론상으로 양자수에 따라 무한한 차수의 모드를 가질 수 있다. 또한, 기존의 편광, 시간, 주파수 등을 이용한 모드들과는 직교(orthogonal)하는 성질이 있다. Orbital angular momentum can theoretically have an infinite number of modes depending on the quantum number. In addition, it has a property of being orthogonal to the existing modes using polarization, time, frequency, and the like.

따라서, 궤도각운동량을 이용하면 통신 방식의 자유도를 높이고, 광 통신 시스템들의 스펙트럼 용량 및 효율을 증가시킬 수 있기 때문에 잠재성이 큰 연구 분야이다.Therefore, the use of orbital angular momentum is a research field with great potential because the degree of freedom of the communication method can be increased and the spectral capacity and efficiency of optical communication systems can be increased.

한편, 집적회로에서의 광 신호의 변조와 분배에는 광 신호를 분배할 수 있는 방향성 결합기가 필요하다. 종래의 일반적인 도파 모드들은 일반적으로 위상을 고려하지 않았으므로, 결합 모드 이론(coupled mode theory)를 통해서 방향성 결합기를 설계할 수 있었다.Meanwhile, a directional coupler capable of distributing an optical signal is required for modulation and distribution of an optical signal in an integrated circuit. Since conventional general waveguide modes generally do not consider phase, a directional coupler can be designed through coupled mode theory.

대한민국 공개특허 제 10-2016-0146850 호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0146850 대한민국 등록특허 제 10-1228014 호Republic of Korea Patent No. 10-1228014

궤도각운동량 모드는 회전하는 소용돌이 모양의 위상을 가지므로, 광파이버와 같은 원통형 구조의 광도파관에서는 전파가 용이하나, 코어부 단면이 사각형인 광도파관에서는 전파에 많은 어려움이 있다.Since the orbital angular momentum mode has a rotating vortex-shaped phase, propagation is easy in a cylindrical optical waveguide such as an optical fiber, but there are many difficulties in propagation in an optical waveguide having a rectangular cross-section of the core.

한편, 광섬유와 같은 원통형 광도파관은 일반적으로 집적화 하기 어렵다. 따라서, 집적화 가능한 코어부 형상을 가지는 광도파관을 사용함으로써 궤도각운동량 모드를 도파시킬 수 있고, 궤도각운동량 모드의 에너지를 임의로 분배할 수 있는 방향성 결합기를 제공하고자 한다.On the other hand, it is generally difficult to integrate a cylindrical optical waveguide such as an optical fiber. Accordingly, an object of the present invention is to provide a directional coupler capable of guiding the orbital angular momentum mode and arbitrarily distributing the energy of the orbital angular momentum mode by using an optical waveguide having an integrated core shape.

또한, 동일한 전파상수를 갖는 복수의 모드를 이용하여 궤도각운동량 모드를 도파시킬 수 있는 방향성 결합기를 제공하고자 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a directional coupler capable of guiding an orbital angular momentum mode using a plurality of modes having the same propagation constant.

본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.The technical problem to be achieved by this embodiment is not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may be inferred from the following embodiments.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제 1 측면은, 클래드부 및 광 신호의 진행 방향에 수직인 단면이 회전 대칭성이 있는 형상인 코어부를 포함하는 복수의 광도파관을 포함하고, 서로 인접한 상기 광도파관은 각각 상기 코어부의 단면 중심을 기준으로 서로 일정한 거리만큼 이격 배치되어 광 신호의 궤도각운동량 모드를 도파시키는, 방향성 결합기를 제공할 수 있다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, the first aspect of the present disclosure includes a plurality of optical waveguides including a clad part and a core part having a shape with rotational symmetry in a cross section perpendicular to the direction of propagation of an optical signal, , the optical waveguides adjacent to each other may be disposed to be spaced apart from each other by a predetermined distance based on the center of the cross-section of the core part to guide the orbital angular momentum mode of the optical signal, it is possible to provide a directional coupler.

또한, 상기 광도파관은, 서로 직교하는 복수의 모드들로 이루어지는 궤도각운동량 모드를 도파시킬 수 있다.Also, the optical waveguide may guide an orbital angular momentum mode including a plurality of modes orthogonal to each other.

또한, 상기 광도파관은, 동일한 전파상수를 갖는 TE10 모드와 TE01 모드를 동시에 도파 시킬 수 있다.In addition, the optical waveguide can simultaneously guide the TE10 mode and the TE01 mode having the same propagation constant.

또한, 상기 코어부의 단면은 십자형일 수 있다.In addition, the cross-section of the core part may be cross-shaped.

또한, 상기 클래드부의 단면은 사각형일 수 있다.In addition, the cross-section of the clad portion may be rectangular.

또한, 상기 코어부의 십자형 단면은, 사각형 단면이 제 1 방향 및 상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 식각되어 형성되고, 식각된 정도에 기초하여 상기 궤도각운동량 모드를 이루는 복수의 모드들 각각의 결합계수가 조절될 수 있다.In addition, the cross-section of the core part is formed by etching a rectangular cross-section in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction, and each of a plurality of modes constituting the orbital angular momentum mode based on the degree of etching. The coupling coefficient can be adjusted.

또한, 상기 방향성 결합기는 서로 인접한 제 1 광도파관 및 제 2 광도파관을 포함하고, 상기 제 1 광도파관의 코어부 단면 형상과 상기 제 2 광도파관의 코어부 단면 형상이 서로 동일할 수 있다.In addition, the directional coupler may include a first optical waveguide and a second optical waveguide adjacent to each other, and a cross-sectional shape of a core of the first optical waveguide and a cross-sectional shape of a core of the second optical waveguide may be the same.

또한, 상기 방향성 결합기가 광 신호의 진행 방향으로 연장된 길이는 상기 서로 인접한 광도파관에 분배되는 궤도각운동량 모드의 에너지 비율에 따라 결정될 수 있다.In addition, the length in which the directional coupler extends in the propagation direction of the optical signal may be determined according to the energy ratio of the orbital angular momentum modes distributed to the optical waveguides adjacent to each other.

또한, 상기 클래드부 및 상기 코어부는 광투과성 물질로 이루어지고, 상기 클래드부를 이루는 물질의 굴절률이 상기 코어부를 이루는 물질의 굴절률보다 낮은, 방향성 결합기를 제공할 수 있다.In addition, the cladding part and the core part may be made of a light-transmitting material, and a refractive index of a material constituting the clad part may be lower than a refractive index of a material constituting the core part, and a directional coupler may be provided.

또한, 상기 클래드부 및 상기 코어부는 SiO2, SiN 및 Si 중 어느 하나의 물질로 이루어지는, 방향성 결합기를 제공할 수 있다.In addition, the clad portion and the core portion may provide a directional coupler made of any one of SiO 2 , SiN, and Si.

상기 실시예들에 따르면, 하나의 광도파관에 입사된 광 신호의 궤도각운동량 모드를 또다른 하나의 광도파관에 임의의 비율로 분배할 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 방향성 결합기를 통과한 광 신호는 위상 정보가 유지될 수 있다. According to the above embodiments, an orbital angular momentum mode of an optical signal incident on one optical waveguide can be distributed to another optical waveguide at an arbitrary ratio. In addition, phase information of the optical signal passing through the directional coupler according to the present disclosure may be maintained.

또한, 집적 공정(예: 반도체 적층 공정)을 이용하여 소형화하는 동시에, 회전 대칭성이 있는 다양한 형상의 단면을 갖는 코어부를 포함하는 방향성 결합기를 제작할 수 있다.In addition, it is possible to manufacture a directional coupler including a core portion having a cross section of various shapes having rotational symmetry while reducing the size by using an integration process (eg, a semiconductor lamination process).

또한, 다양한 차수의 궤도각운동량 모드를 통과시킬 수 있는 방향성 결합기를 제작할 수도 있다.In addition, it is also possible to fabricate a directional coupler capable of passing through orbital angular momentum modes of various orders.

실시예들의 효과는 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.Effects of the embodiments are not limited to the effects described above, and effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains from this specification and the accompanying drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 광도파관에 도파된 궤도각운동량 모드가 두 개의 모드로 이루어질 수 있음을 나타내는 개념도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 방향성 결합기의 일 부분을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2b는 도 2a에 따른 방향성 결합기를 광 신호의 진행 방향에 수직인 평면으로 자른 단면도이다
도 3a는 일 실시예에 따른 방향성 결합기에서 광 신호의 도파 거리에 따른 에너지 전달률을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 방향성 결합기에서 1차 궤도각운동량 모드의 도파 거리에 따른 에너지 및 위상 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 방향성 결합기에서 TE10 모드의 도파 거리에 따른 에너지 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3d는 일 실시예에 따른 방향성 결합기에서 TE01 모드의 도파 거리에 따른 에너지 분포를 나타내는 그래프이다.1 is a conceptual diagram illustrating that an orbital angular momentum mode guided by an optical waveguide according to an exemplary embodiment may consist of two modes.
2A is a conceptual diagram schematically illustrating a portion of a directional coupler according to an embodiment.
FIG. 2B is a cross-sectional view of the directional coupler according to FIG. 2A cut in a plane perpendicular to the propagation direction of the optical signal; FIG.
3A is a graph illustrating an energy transfer rate according to a waveguide distance of an optical signal in a directional coupler according to an embodiment.
3B is a graph illustrating energy and phase distribution according to a waveguide distance of a primary orbital angular momentum mode in a directional coupler according to an embodiment.
3C is a graph illustrating energy distribution according to a waveguide distance of a TE10 mode in a directional coupler according to an embodiment.
3D is a graph illustrating energy distribution according to a waveguide distance of a TE01 mode in a directional coupler according to an embodiment.

본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시 예에서", "일 예시에 따른" 또는 "일 실시 예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시 예를 가리키는 것은 아니다.Phrases such as “in some embodiments,” “according to an example,” or “in an embodiment,” appearing in various places in this specification do not necessarily all refer to the same embodiment.

실시예들은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 일부 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시예들을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예들의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 명세서에서 사용한 용어들은 단지 실시예들의 설명을 위해 사용된 것으로, 실시예들을 한정하려는 의도가 아니다.Since the embodiments may have various changes and may have various forms, some embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the embodiments to the specific disclosed form, and it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutions included in the spirit and scope of the embodiments. Terms used in the specification are used only for description of the embodiments, and are not intended to limit the embodiments.

실시예들에서 사용되는 용어는 본 실시예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 실시예들이 속하는 기술 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 실시예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 실시예들 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in the embodiments were selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the embodiments, but these are the intentions or precedents of those skilled in the art to which the embodiments belong, the emergence of new technologies, etc. may vary depending on In addition, in certain cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the relevant part. Therefore, terms used in the embodiments should be defined based on the meaning of the terms and the contents throughout the embodiments, rather than the simple names of terms.

“메커니즘”, "데이터베이스", “요소”, “수단” 및 “구성”등과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 "??부", "??모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Terms such as “mechanism”, “database”, “element”, “means” and “configuration” may be used broadly and are not limited to mechanical and physical configurations. In addition, terms such as "unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software. there is.

또한, "부"는 프로세서 또는 회로와 같은 하드웨어 구성(hardware component), 및/또는 프로세서와 같은 하드웨어 구성에 의해 실행되는 소프트웨어 구성(software component)일 수 있다.Also, “unit” may be a hardware component such as a processor or circuit, and/or a software component executed by a hardware component such as a processor.

또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다.In addition, the connecting lines or connecting members between the components shown in the drawings only exemplify functional connections and/or physical or circuit connections. In an actual device, a connection between components may be represented by various functional connections, physical connections, or circuit connections that are replaceable or added.

또한, 본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Also, terms including an ordinal number such as 'first' or 'second' used in this specification may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 도면 상의 일부 구성 요소는 그 크기나 비율 등이 다소　과장되어　도시되었을 수 있다. 또한, 어떤 도면 상에 도시된 구성 요소가 다른 도면 상에는 도시되지 않을 수 있다.In addition, some of the components in the drawings may have been shown with a somewhat exaggerated size or ratio. In addition, components shown in some drawings may not be shown in other drawings.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시예들에 대하여 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시의 실시예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 개시에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present disclosure will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the embodiments of the present disclosure may be implemented in various different forms, and are not limited to the embodiments described in the present disclosure.

명세서 전체에서 '실시예'는 본 개시에서 발명을 용이하게 설명하기 위한 임의의 구분으로서, 실시예 각각이 서로 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 일 실시예에 개시된 구성들은 다른 실시예에 적용 및/또는 구현될 수 있으며, 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 변경되어 적용 및/또는 구현될 수 있다.Throughout the specification, an 'embodiment' is an arbitrary division for easily describing the invention in the present disclosure, and each of the embodiments is not necessarily mutually exclusive. For example, configurations disclosed in one embodiment may be applied and/or implemented in other embodiments, and may be modified and applied and/or implemented without departing from the scope of the present disclosure.

또한, 본 개시에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 실시예들을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 개시에서 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. In addition, the terminology used in the present disclosure is for describing the embodiments and is not intended to limit the present embodiments. In the present disclosure, the singular also includes the plural unless otherwise specified.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 광도파관에 도파된 궤도각운동량 모드가 두 개의 모드로 이루어질 수 있음을 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating that an orbital angular momentum mode guided in an optical waveguide according to an exemplary embodiment may consist of two modes.

양자수 l=±1인 1차 궤도각운동량 모드는 두 개의 직교하는 모드로 이루어질 수 있다. 두 개의 직교하는 모드는 예를 들어, 동일한 전파상수(propagation constant)를 갖되, 서로 90˚의 위상 차이가 있는 TE10 모드와 TE01 모드일 수 있다. The first-order orbital angular momentum mode with a quantum number l=±1 may consist of two orthogonal modes. The two orthogonal modes may be, for example, a TE10 mode and a TE01 mode having the same propagation constant, but having a phase difference of 90° from each other.

여기에서 TE(Transverse Electric)의 의미는, 신호의 진행 방향과 동일한 방향의 전기장 성분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 전파상수는 신호의 전파 특성을 나타내는 상수로서, 신호가 전파됨에 따른 위상 변화 및/또는 신호가 전파되는 매질에서의 전파 속도와 관련된 값을 의미할 수 있다. 해당 표현들은 이하에서도 별도의 언급이 없는 한 동일한 의미로 사용될 수 있다.Here, the meaning of TE (Transverse Electric) may mean that there is no electric field component in the same direction as the propagation direction of the signal. In addition, the propagation constant is a constant representing the propagation characteristics of a signal, and may mean a value related to a phase change as the signal propagates and/or a propagation speed in a medium through which the signal propagates. Corresponding expressions may be used with the same meaning in the following unless otherwise noted.

도 1을 참조하면, 좌변에는 TE10 모드 및 TE01 모드의 에너지 분포가 도시되어 있고, 우변에는 이들의 복소 합으로 표현된 1차 궤도각운동량 모드의 전기장 분포가 도시되어 있다. 여기에서, 에너지 분포는 예를 들어 전기장 세기의 분포를 의미할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the energy distribution of the TE10 mode and the TE01 mode is shown on the left side, and the electric field distribution of the primary orbital angular momentum mode expressed as a complex sum thereof is shown on the right side. Here, the energy distribution may mean, for example, a distribution of electric field strength.

도 1에 도시된 바와 같이, 1차 궤도각운동량 모드가 TE10 모드 및 TE01 모드로 이루어질 경우, 광도파관이 1차 궤도각운동량 모드를 도파시키기 위해서는 TE10 모드 및 TE01 모드를 동시에 도파시킬 수 있어야 하므로, 본 개시에 따른 궤도각운동량 모드를 도파시키는 방향성 결합기는 멀티 모드(multi-mode) 광도파관을 포함 할 수 있다.As shown in FIG. 1 , when the primary orbital angular momentum mode consists of the TE10 mode and the TE01 mode, the optical waveguide must be able to simultaneously guide the TE10 mode and the TE01 mode in order to guide the primary orbital angular momentum mode. The directional coupler for guiding the orbital angular momentum mode according to may include a multi-mode optical waveguide.

도 2a는 일 실시예에 따른 방향성 결합기의 일 부분을 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 2b는 도 2a에 따른 방향성 결합기를 광 신호의 진행 방향에 수직인 평면으로 자른 단면도이다2A is a conceptual diagram schematically illustrating a portion of a directional coupler according to an embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the directional coupler according to FIG. 2A cut in a plane perpendicular to the propagation direction of an optical signal.

서로 인접한 광도파관들(110, 120) 각각은 궤도각운동량 모드를 구성하는 복수의 모드들의 광 신호 누화(cross talk)를 방지하기 위하여, 코어부(10)의 단면 중심(C)을 기준으로 서로 일정한 거리만큼 이격 배치되어 광 신호의 궤도각운동량 모드를 도파시킬 수 있다.Each of the optical waveguides 110 and 120 adjacent to each other is constant with respect to the cross-sectional center C of the core part 10 in order to prevent optical signal cross talk of a plurality of modes constituting the orbital angular momentum mode. It can be spaced apart by a distance to guide the orbital angular momentum mode of the optical signal.

궤도각운동량 모드가 도파되는 복수의 광도파관에서 각각의 광도파관에는 복수의 모드가 도파될 수 있다. 궤도각운동량 모드를 이루는 복수의 모드들의 에너지가 동일한 비율로 전달되어야 궤도각운동량 모드 또한 원하는 비율로 분배될 수 있으므로, 궤도각운동량 모드가 도파되는 방향성 결합기(100)를 설계하기 위하여 복수의 모드는 동일한 결합계수를 갖는 것이 바람직할 수 있다. In the plurality of optical waveguides in which orbital angular momentum modes are guided, a plurality of modes may be guided in each optical waveguide. Since the energy of a plurality of modes constituting the orbital angular momentum mode must be delivered at the same ratio, the orbital angular momentum mode can also be distributed at a desired ratio. It may be desirable to have

궤도각운동량 모드를 도파시키는 방향성 결합기(100)는 복수의 모드(예: 제 1 모드와 제 2 모드)를 동일한 특성(예: 모드의 세기와 위상)으로 도파시킬 수 있어야 할 수 있다. 다시 말해, 제 1 모드와 제 2 모드는 전파상수뿐만 아니라, 결합계수(coupling factor) 또한 동일한 값을 갖는 것이 바람직할 수 있다. The directional coupler 100 for guiding the orbital angular momentum mode may need to be able to guide a plurality of modes (eg, the first mode and the second mode) with the same characteristics (eg, the intensity and phase of the mode). In other words, it may be preferable that the first mode and the second mode have the same value as not only the propagation constant but also the coupling factor.

예를 들어, 궤도각운동량 양자수가 l=±1이고, 제 1 모드가 TE10 모드이며, 제 2 모드가 TE01 모드일 때, 코어부(10)의 단면이 사각형인 광도파관에서도 TE10 모드와 TE01 모드를 동시에 도파시킬 수는 있으나, 사각형 단면의 코어부(10)를 갖는 도파관에서는 TE10 모드에 비하여 TE01 모드의 결합계수가 상대적으로 낮아, TE10 모드와 TE01 모드의 결합계수를 같게 하는 것은 어려울 수 있다. For example, when the orbital angular momentum quantum number is l=±1, the first mode is the TE10 mode, and the second mode is the TE01 mode, the TE10 mode and the TE01 mode are also applied in the optical waveguide having a rectangular cross section of the core part 10. Although it is possible to guide the waves at the same time, in the waveguide having the core portion 10 having a rectangular cross section, the coupling coefficient of the TE01 mode is relatively lower than that of the TE10 mode, so it may be difficult to make the coupling coefficients of the TE10 mode and the TE01 mode the same.

그러나, 코어부(10)의 단면이 회전 대칭성이 있는 다른 형상인 광도파관을 이용하면 TE10 모드와 TE01 모드의 결합계수가 같도록 조절될 수 있다.However, when an optical waveguide having a different shape having rotational symmetry in the cross section of the core part 10 is used, the coupling coefficients of the TE10 mode and the TE01 mode may be adjusted to be the same.

결합 모드 이론에 따르면, 결합계수(κ)는 아래의 [수학식 1]과 같이, 상대 굴절률의 차이(△), 코어부(10)에서 모드의 x 방향으로의 파수(kx), 클래드부(20)에서 모드의 x 방향으로의 파수(ax), 코어부(10)의 두께(d), 코어부(10) 중심간의 거리(D) 및 정규화 주파수(ν)의 값에 따라 결정될 수 있다.According to the coupling mode theory, the coupling coefficient (κ) is the difference in relative refractive index (Δ), the wavenumber in the x direction of the mode in the core part 10 (k x ), and the cladding part, as shown in [Equation 1] below. In (20), it can be determined according to the values of the wavenumber (a x ) in the x-direction of the mode, the thickness (d) of the core part 10, the distance (D) between the centers of the core part 10, and the normalization frequency (ν). there is.

Figure 112020107444387-pat00001
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코어부(10)의 두께(d)는 코어부(10) 단면의 형상과 관계될 수 있고, 코어부(10) 중심간의 거리(D)는 복수의 광도파관의 결합관계에 관계될 수 있으며, 상대 굴절률의 차이(△), 코어부(10)에서의 파수(kx), 클래드부(20)에서의 파수(ax) 및 정규화 주파수(ν) 등이 코어부(10) 및 클래드부(20)를 이루는 물질에 관계될 수 있다. 다시 말해, 결합계수(κ)는 방향성 결합기의 설계 값들과 선택된 재료에 의존하는 값일 수 있다.The thickness d of the core 10 may be related to the shape of the cross-section of the core 10, and the distance D between the centers of the core 10 may be related to the coupling relationship of a plurality of optical waveguides, The difference in relative refractive index (Δ), the wave number (k x ) in the core part 10, the wave number (a x ) in the cladding part 20, and the normalized frequency (ν) are the core part 10 and the clad part ( 20) may be related to the material constituting it. In other words, the coupling coefficient κ may be a value depending on the design values of the directional coupler and the material selected.

실시예에 따른 방향성 결합기(100)는 광 신호의 진행 방향을 따라 연장된 복수의 광도파관을 포함할 수 있다. 구체적으로, 방향성 결합기(100)는 클래드부(20) 및 광 신호의 진행 방향에 수직인 단면이 다양한 형상인 코어부(10)를 포함하는 복수의 광 도파관을 포함할 수 있다. The directional coupler 100 according to the embodiment may include a plurality of optical waveguides extending along the propagation direction of the optical signal. Specifically, the directional coupler 100 may include a plurality of optical waveguides including the cladding part 20 and the core part 10 having various shapes in cross-sections perpendicular to the propagation direction of the optical signal.

여기에서, 다양한 형상은 회전 대칭성이 있는 형상일 수 있다. 예를 들어, 삼각형, 오각형, 육각형 등의 다각형뿐만 아니라, 십자형, 엑스자(X)형, 티자(T)형, 별(star)형, 나선(helix)형 등 회전에 의해 동일한 형상이 될 수 있는 다양한 형상이 회전 대칭성이 있는 형상에 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 어려움 없이 이해할 수 있을 것이다.Here, the various shapes may be a shape with rotational symmetry. For example, not only polygons such as triangles, pentagons, and hexagons, but also cross shapes, X shapes, T shapes, star shapes, helix shapes, etc. can be the same shape by rotation. Those of ordinary skill in the art related to this embodiment will be able to understand without difficulty that various shapes with rotational symmetry may be included in the shape with rotational symmetry.

코어부(10)의 형상이 회전 대칭성을 이룸에 따라, 광도파관은 서로 동일한 전파상수를 갖는 복수의 모드들의 합성을 통하여 특정한 궤도각운동량을 갖는 라게르-가우시안(Laguerre-Gaussian) 모드를 전파시킬 수 있으며, 복수의 모드를 특정 비율로 합성하여 궤도각운동량을 갖는 라게르-가우시안 모드를 생성할 수 있다. As the shape of the core 10 achieves rotational symmetry, the optical waveguide can propagate a Laguerre-Gaussian mode having a specific orbital angular momentum through the synthesis of a plurality of modes having the same propagation constant. , it is possible to generate a Lager-Gaussian mode having orbital angular momentum by synthesizing a plurality of modes at a specific ratio.

즉, 코어부(10)의 단면 형상이 회전 대칭성이 있는 광도파관은 서로 직교하는 복수의 모드로 이루어지는 궤도각운동량 모드를 도파시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 직교하는 모드는, 1차 궤도각운동량 모드를 이루는 동일한 전파상수를 갖는 TE10 모드와 TE01 모드일 수 있다. 또한, 2차 궤도각운동량 모드를 이루는 모드들(예: TE20 모드, TE02 모드, TE11 모드 등)일 수 있고, 3차 궤도각운동량 모드를 이루는 모드들(예: TE30 모드, TE03 모드, TE12 모드, TE21 모드 등) 일수도 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고 서로 직교하는 다양한 모드들이 복수의 직교하는 모드에 포함될 수 있다.That is, the optical waveguide in which the cross-sectional shape of the core part 10 has rotational symmetry can guide orbital angular momentum modes comprising a plurality of modes orthogonal to each other. For example, the plurality of orthogonal modes may be a TE10 mode and a TE01 mode having the same propagation constant constituting the primary orbital angular momentum mode. In addition, it may be a mode constituting the secondary orbital angular momentum mode (eg, TE20 mode, TE02 mode, TE11 mode, etc.), and modes constituting the tertiary orbital angular momentum mode (eg, TE30 mode, TE03 mode, TE12 mode, TE21) mode, etc.). However, the present invention is not limited thereto, and various modes orthogonal to each other may be included in the plurality of orthogonal modes.

도 2a 및 2b를 참조하면, 광도파관들(110, 120)의 코어부(10) 단면은 대략 십자형일 수 있고, 클래드부(20)의 단면은 대략 사각형일 수 있다. 구체적으로, 코어부(10)는 단면의 형상이 십자형이고, 클래드부(20)는 십자형 코어부(10)를 감쌀 수 있도록 단면 내부 공동의 형상은 십자형이고 외부 테두리의 형상은 사각형일 수 있다.Referring to FIGS. 2A and 2B , the cross-section of the core portion 10 of the optical waveguides 110 and 120 may be approximately cross-shaped, and the cross-section of the clad portion 20 may be approximately rectangular. Specifically, the shape of the cross-section of the core part 10 may be a cross, and the clad part 20 may have a cross-sectional inner cavity shape to surround the cross-shaped core part 10, and the shape of the outer rim may be a square shape.

또한, 코어부(10)의 십자형 단면은, 사각형 단면의 적어도 일부에 대하여 재료제거 공정(material removal process)이 수행됨으로써 형성될 수 있다. 여기에서 재료제거 공정에는 절삭, 밀링, 연삭, 호닝, 초음파가공 등의 기계가공뿐만 아니라, 식각(etching), 폴리싱(polishing), 워터젯(water jet) 및 레이저 빔 등 특수가공이 포함될 수 있다.In addition, the cross-section of the core part 10 may be formed by performing a material removal process with respect to at least a portion of the rectangular cross-section. Here, the material removal process may include machining such as cutting, milling, grinding, honing, and ultrasonic processing, as well as special processing such as etching, polishing, water jet and laser beam.

일 실시예에 따르면, 한 변의 길이가 2d인 정사각형 단면의 일 변으로부터 사각형 단면의 일 변과 수직인 제 1 방향(y)으로 길이 t1만큼 식각되고, 제 1 방향(y)에 수직인 제 2 방향(x)으로 길이 t2만큼 식각될 수 있다. 이와 같은 방식으로 정사각형의 네 모서리 부분이 식각되어, 코어부(10)의 단면이 십자형인 광도파관(110, 120)이 형성될 수 있다.According to an embodiment, from one side of the square cross-section having a side length of 2d, an etching is performed in a first direction (y) perpendicular to one side of the square cross-section by a length t1, and a second perpendicular to the first direction (y) It may be etched by a length t2 in the direction (x). In this way, the four corners of the square may be etched to form the optical waveguides 110 and 120 having a cross-section of the core part 10 .

코어부의 형상은 제 1 방향(y)으로 식각된 길이 t1과 제 2 방향(x)으로 식각된 길이 t2가 대략적으로 동일하여 가로 비율과 세로 비율이 동일한 정(正) 십자형일 수 있다. The shape of the core portion may be a positive cross shape having a length t1 etched in the first direction (y) and a length t2 etched in the second direction (x) substantially the same, so that the horizontal and vertical ratios are the same.

또한, 코어부의 형상은 제 1 방향(y)으로 식각된 길이 t1과 제 2 방향(x)으로 식각된 길이 t2가 서로 상이하여, 가로 비율과 세로 비율이 상이한 십자형일 수 있다. 구체적으로, 제 1 방향(y)으로 식각된 길이 t1과 제 2 방향(x)으로 식각된 길이 t2의 비율은 1:0.5 내지 1:2일 수 있다.In addition, the shape of the core part may be a cross shape having different horizontal and vertical ratios because the length t1 etched in the first direction (y) and the length t2 etched in the second direction (x) are different from each other. Specifically, the ratio of the length t1 etched in the first direction (y) to the length t2 etched in the second direction (x) may be 1:0.5 to 1:2.

코어부(10)가 식각된 정도에 기초하여 궤도각운동량 모드를 이루는 복수의 모드들 각각의 결합계수(κ)가 조절될 수 있다. 다시 말해, 식각된 정도는 [수학식 1]에 명시되어 있는 변수는 아니나 결합계수(κ)와 관계된 값일 수 있다.Based on the degree to which the core part 10 is etched, the coupling coefficient κ of each of the plurality of modes constituting the orbital angular momentum mode may be adjusted. In other words, the degree of etching is not a variable specified in [Equation 1], but may be a value related to the coupling coefficient (κ).

예를 들어, t1이 일정할 때 t2가 증가할수록 TE01 모드의 관점에서 광도파관의 두께가 줄어드는 효과가 있을 수 있고, 이에 따라 TE01 모드의 결합계수(κ)가 증가하여 TE01 모드와 TE10 모드의 결합계수(κ)가 같아질 수 있다.For example, when t1 is constant, as t2 increases, there may be an effect of reducing the thickness of the optical waveguide from the viewpoint of the TE01 mode. The coefficients κ may be equal.

이와 같이, 복수의 모드들 각각의 결합계수(κ)가 같아지도록 하는 광도파관을 포함하는 방향성 결합기를 통과한 광 신호는, 원하는 에너지 비율로 분배될 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 모드들 각각이 동일한 전파상수를 가짐으로써 모드들 간의 상대적인 위상 정보가 유지될 수 있다. 이에 따라, 궤도각운동량 모드의 분배가 가능해질 수 있다.In this way, the optical signal passing through the directional coupler including the optical waveguide for making the coupling coefficient κ of each of the plurality of modes equal can be distributed at a desired energy ratio, and each of the plurality of modes is the same By having a propagation constant, relative phase information between modes can be maintained. Accordingly, distribution of orbital angular momentum modes may be possible.

일 실시예에 따르면, 방향성 결합기(100)는 서로 인접한 제 1 광도파관(110) 및 제 2 광도파관(120)을 포함하고, 제 1 광도파관(110) 코어부(10)의 단면 형상과 제 2 광도파관(120) 코어부(10)의 단면 형상이 서로 동일할 수 있다.According to an embodiment, the directional coupler 100 includes a first optical waveguide 110 and a second optical waveguide 120 adjacent to each other, and the cross-sectional shape of the first optical waveguide 110 and the core part 10 and the second The cross-sectional shapes of the two optical waveguides 120 and the core part 10 may be identical to each other.

궤도각운동량 모드는 방향성 결합기(100)의 제 1 광도파관(110)으로 도파되어, 에너지의 일부는 제 1 광도파관(110)에서 진행되고, 에너지의 나머지 일부는 제 2 광도파관(120)으로 전달되어 제 2 광도파관(120)에서 진행할 수 있다. 여기에서, 궤도각운동량 모드의 에너지의 전달 비율은 결합거리(L)에 따라 달라질 수 있다.The orbital angular momentum mode is guided to the first optical waveguide 110 of the directional coupler 100 , some of the energy proceeds in the first optical waveguide 110 , and the remaining part of the energy is transferred to the second optical waveguide 120 . and may proceed in the second optical waveguide 120 . Here, the rate of energy transfer in the orbital angular momentum mode may vary depending on the coupling distance (L).

여기에서, 결합거리(L)는 제 1 광도파관(110)에 도파된 궤도각운동량 모드의 에너지가 제 2 광도파관(120)으로 모두 전달되는 길이를 의미할 수 있다.Here, the coupling distance L may mean a length in which all energy of the orbital angular momentum mode waveguided in the first optical waveguide 110 is transmitted to the second optical waveguide 120 .

구체적으로, 결합거리(L)는 궤도각운동량 모드를 이루는 복수의 모드의 결합계수(κ) 및 인접한 광도파관들간에 각각의 단면 중심(C)을 기준으로 이격된 거리 중 적어도 어느 하나에 의존하는 값일 수 있다. 예를 들어, 일정한 간격으로 이격된 두 개의 광도파관(110, 120)의 결합거리(L)는 광도파관을 도파하는 모드들의 결합계수(κ)에 의해 결정될 수 있다. Specifically, the coupling distance (L) is a value dependent on at least one of coupling coefficients (κ) of a plurality of modes constituting the orbital angular momentum mode and distances spaced apart from each other between the respective cross-sectional centers (C) between adjacent optical waveguides. can For example, the coupling distance L of the two optical waveguides 110 and 120 spaced apart from each other may be determined by the coupling coefficient κ of modes for guiding the optical waveguide.

방향성 결합기(100)를 통과한 광 신호의 에너지의 전달 비율은 방향성 결합기(100)가 광 신호의 진행 방향으로 연장된 길이와 결합거리(L)의 비율에 따라 달라질 수 있다. 다시 말해, 방향성 결합기(100)가 광 신호의 진행 방향으로 연장된 길이는 하나의 광도파관과 인접한 다른 하나의 광도파관에 분배되는 궤도각운동량 모드의 에너지 전달 비율에 따라 결정될 수 있다. The transfer rate of the energy of the optical signal passing through the directional coupler 100 may vary depending on the ratio of the length of the directional coupler 100 extending in the traveling direction of the optical signal and the coupling distance L. In other words, the length in which the directional coupler 100 extends in the propagation direction of the optical signal may be determined according to the energy transfer ratio of the orbital angular momentum mode distributed to one optical waveguide and the other adjacent optical waveguide.

일 실시예에 따르면, 방향성 결합기(100)가 광 신호의 진행 방향으로 연장된 길이는 제 1 광도파관(110) 및 제 2 광도파관(120)에 분배되는 궤도각운동량 모드의 에너지 비율에 따라 결정될 수 있다.According to one embodiment, the length in which the directional coupler 100 extends in the traveling direction of the optical signal may be determined according to the energy ratio of the orbital angular momentum mode distributed to the first optical waveguide 110 and the second optical waveguide 120. there is.

예를 들어, 방향성 결합기(100)의 광 신호의 진행 방향으로 연장된 길이가 적어도 결합거리(L) 이상일 수 있고, 이 경우 에너지의 전달 비율은 대략 100%일 수 있다. 또한, 방향성 결합기(100)의 광 신호의 진행 방향으로 연장된 길이가 결합거리(L)의 50%인 0.5L인 경우에는, 에너지의 전달 비율이 대략 50%일 수 있다.For example, the length of the directional coupler 100 extending in the traveling direction of the optical signal may be at least the coupling distance L or more, and in this case, the energy transfer rate may be approximately 100%. In addition, when the length of the directional coupler 100 in the traveling direction of the optical signal is 0.5L which is 50% of the coupling distance L, the energy transfer rate may be approximately 50%.

클래드부(20) 및 코어부(10)는 광투과성 물질로 이루어지고, 클래드부(20)를 이루는 물질의 굴절률이 코어부(10)를 이루는 물질의 굴절률보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 광투과성 물질은 SiO2, SiN 및 Si 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.The clad part 20 and the core part 10 are made of a light-transmitting material, and a refractive index of a material forming the clad part 20 may be lower than a refractive index of a material forming the core part 10 . For example, the light-transmitting material may be made of any one of SiO 2 , SiN, and Si.

구체적인 실시예에 따르면, 1차 궤도각운동량 모드를 도파시키는 방향성 결합기(100)는 십자형 단면 형상을 갖는 두 개의 광도파관을 포함하고, 두 광도파관은 각각의 코어부(10) 단면 중심(C)을 기준으로 1.5μm만큼 이격되어 배치되고, 각각의 코어부(10)의 두께(d)가 629.5μm이고, 코어부(10)의 식각된 정도인 t1 및 t2는 각각 229nm 및 254.5nm이며, 결합거리(L)는 668μm일 수 있다.According to a specific embodiment, the directional coupler 100 for guiding the primary orbital angular momentum mode includes two optical waveguides having a cross-sectional shape, and the two optical waveguides each have a cross-sectional center (C) of the core part (10). They are spaced apart by 1.5 μm as a reference, and the thickness (d) of each core part 10 is 629.5 μm, t1 and t2, which are the etched degrees of the core part 10, are 229 nm and 254.5 nm, respectively, and the coupling distance (L) may be 668 μm.

전술한 바와 같이, 방향성 결합기의 설계는 다양한 변수에 기초할 수 있고, 복수의 광도파관의 구조, 구성 물질 및 결합관계에 따라 2차 이상의 차수를 갖는 궤도각운동량 모드(예: l=±2, ±3, ±4, …)를 통과시킬 수 있는 방향성 결합기를 설계할 수도 있다.As described above, the design of the directional coupler can be based on various variables, and an orbital angular momentum mode having a second or higher order according to the structure, constituent material, and coupling relationship of a plurality of optical waveguides (e.g., l=±2, ± It is also possible to design a directional coupler that can pass 3, ±4, ...).

도 3a는 일 실시예에 따른 방향성 결합기에서 광 신호의 도파 거리에 따른 에너지 전달률을 나타내는 그래프이고, 도 3b는 일 실시예에 따른 방향성 결합기에서 1차 궤도각운동량 모드의 도파 거리에 따른 에너지 및 위상 분포를 나타내는 그래프이고, 도 3c는 일 실시예에 따른 방향성 결합기에서 TE10 모드의 도파 거리에 따른 에너지 분포를 나타내는 그래프이며, 도 3d는 일 실시예에 따른 방향성 결합기에서 TE01 모드의 도파 거리에 따른 에너지 분포를 나타내는 그래프이다.Figure 3a is a graph showing the energy transfer rate according to the waveguide distance of the optical signal in the directional coupler according to an embodiment, Figure 3b is the energy and phase distribution according to the waveguide distance of the primary orbital angular momentum mode in the directional coupler according to an embodiment 3c is a graph showing the energy distribution according to the waveguide distance of the TE10 mode in the directional coupler according to an embodiment, and FIG. 3d is the energy distribution according to the waveguide distance of the TE01 mode in the directional coupler according to an embodiment is a graph representing

도 3a을 참조하면, 궤도각운동량 모드를 갖는 광 신호가 도파되는 제 1 광도파관(110) 및 제 1 광도파관(110)과 나란하게 배치되어, 제 1 광도파관(110)으로부터 광 신호의 에너지를 전달받는 제 2 광도파관(120)의 에너지 분포 그래프가 도시되어 있다.Referring to FIG. 3A , the first optical waveguide 110 through which the optical signal having the orbital angular momentum mode is guided and the first optical waveguide 110 are disposed in parallel to obtain the energy of the optical signal from the first optical waveguide 110 An energy distribution graph of the received second optical waveguide 120 is shown.

그래프의 가로축은 본 개시에 따른 방향성 결합기에 도파된 광 신호의 도파 거리를 의미하고, 세로축은 광 신호의 정규화된 에너지를 의미할 수 있다. The horizontal axis of the graph may mean the waveguide distance of the optical signal guided by the directional coupler according to the present disclosure, and the vertical axis may mean the normalized energy of the optical signal.

구체적으로, 제 1 광도파관(110)에서 광 신호의 정규화된 에너지는 도파 거리가 0일 때 1(100%)이고, 도파 거리가 약 340μm일 때 0.5(50%)이고, 도파 거리가 약 670μm일 때 0(0%)임을 알 수 있다. 반대로, 제 1 광도파관(110)으로부터 제 2 광도파관(120)으로 전달된 광 신호의 정규화된 에너지는 도파 거리가 0일 때 0(0%)이고, 도파 거리가 약 340μm일 때 0.5(50%)이고, 도파 거리가 약 670μm일 때 1(100%)임을 알 수 있다.Specifically, the normalized energy of the optical signal in the first optical waveguide 110 is 1 (100%) when the waveguide distance is 0, 0.5 (50%) when the waveguide distance is about 340 μm, and the waveguide distance is about 670 μm It can be seen that when , it is 0 (0%). Conversely, the normalized energy of the optical signal transmitted from the first optical waveguide 110 to the second optical waveguide 120 is 0 (0%) when the waveguide distance is 0, and 0.5 (50) when the waveguide distance is about 340 μm. %), and it can be seen that it is 1 (100%) when the waveguide distance is about 670 μm.

도 3b를 참조하면, 도 3a에서 설명한 궤도각운동량 모드를 갖는 광 신호가 소정의 도파 거리에 따라 갖는 에너지 및 위상 분포 그래프가 도시되어 있다.Referring to FIG. 3B , a graph of energy and phase distribution of the optical signal having the orbital angular momentum mode described in FIG. 3A according to a predetermined waveguide distance is shown.

좌측 열은 소정의 도파 거리들을 나타내며, 중간 열은 에너지 분포 그리고 우측 열은 위상 분포를 나타낸다. 구체적으로, 소정의 도파 거리는 0μm, 336μm, 409μm 및 668μm이며, 중간 열 및 우측 열에서 각각 좌측 그래프가 제 1 광도파관(110)에서의 분포이고, 우측 그래프가 제 2 광도파관(120)에서의 분포이다.The left column shows predetermined waveguide distances, the middle column shows the energy distribution and the right column shows the phase distribution. Specifically, the predetermined waveguide distances are 0 μm, 336 μm, 409 μm, and 668 μm, in the middle and right columns, respectively, the left graph is the distribution in the first optical waveguide 110 , and the right graph is the distribution in the second optical waveguide 120 , respectively. is the distribution

에너지 분포를 참조하면, 광 신호의 궤도각 운동량 모드의 에너지는 0μm에서는 제 1 광도파관(110)에만 존재하고, 668μm에서는 제 2 광도파관(120)에만 존재하는 바, 도 3a와 마찬가지로, 본 개시에 따른 방향성 결합기를 통과한 광 신호의 궤도각운동량 모드는 제 1 광도파관(110)에서 제 2 광도파관(120)으로 모두 전달됨을 확인할 수 있다. Referring to the energy distribution, the energy of the orbital angular momentum mode of the optical signal exists only in the first optical waveguide 110 at 0 μm and exists only in the second optical waveguide 120 at 668 μm. As in FIG. 3A , the present disclosure It can be seen that all orbital angular momentum modes of the optical signal passing through the directional coupler are transmitted from the first optical waveguide 110 to the second optical waveguide 120 .

위상 분포를 참조하면, 광 신호의 위상이 광도파관들(110, 120)에서 원주율의 정수배만큼 변화하고, 광 신호가 제 1 광도파관(110)에서 제 2 광도파관(120)으로 전달되면서 약 90˚ 위상 차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 제 1 광도파관(110)에 도파된 궤도각운동량 모드는 본 개시에 따른 방향성 결합기를 통과할 때, 위상 정보가 잘 유지되면서 제 2 광도파관(120)으로 전달됨을 확인할 수 있다.Referring to the phase distribution, the phase of the optical signal changes in the optical waveguides 110 and 120 by an integer multiple of the circumference, and the optical signal is transmitted from the first optical waveguide 110 to the second optical waveguide 120 and is approximately 90 It can be seen that the ˚ phase difference occurs. Through this, it can be confirmed that the orbital angular momentum mode guided in the first optical waveguide 110 is transmitted to the second optical waveguide 120 while maintaining the phase information when passing through the directional coupler according to the present disclosure.

도파 거리가 668μm일 때 전달된 에너지 비율이 100%인 결과는, 도 2a 및 2b에서 전술한 구체적인 실시예에 따른 방향성 결합기에서의 결합거리가 668μm인 것과 동일한 의미가 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 어려움 없이 이해할 수 있을 것이다. When the waveguide distance is 668 μm, the result that the transmitted energy ratio is 100% has the same meaning as the coupling distance in the directional coupler according to the specific embodiment described above in FIGS. 2A and 2B is 668 μm. Techniques related to this embodiment Those of ordinary skill in the field will be able to understand it without difficulty.

이와 같은 데이터에 기초할 때, 다른 실시예에 따른 방향성 결합기의 연장된 길이가 전술한 실시예에 따른 방향성 결합기의 결합길이의 50%(334μm)일 경우, 다른 실시예에 따른 방향성 결합기를 통과한 광 신호는 제 1 광도파관(110)과 제 2 광도파관(120)을 통하여 에너지를 각각 50%씩 전달할 수 있다.Based on such data, when the extended length of the directional coupler according to another embodiment is 50% (334 μm) of the coupling length of the directional coupler according to the above-described embodiment, passing through the directional coupler according to another embodiment The optical signal may transmit 50% of energy through the first optical waveguide 110 and the second optical waveguide 120, respectively.

도 3c 및 3d를 참조하면, 1차 궤도각운동량 모드를 구성하는 TE10 모드 및 TE01 모드가 제 1 광도파관(110) 및 제 2 광도파관(120)으로 이루어진 방향성 결합기에서 어떠한 에너지 분포를 나타내는지 도시되어 있다.3C and 3D, the TE10 mode and the TE01 mode constituting the first orbital angular momentum mode show energy distribution in the directional coupler composed of the first optical waveguide 110 and the second optical waveguide 120. there is.

그래프들의 가로축(z축)은 본 개시에 따른 방향성 결합기에 도파된 광 신호의 도파 거리를 의미할 수 있고, 세로축(x축)은 광 신호의 도파 방향과 수직인 단면에서의 일 방향을 의미할 수 있다. 또한, 광 신호 또는 모드의 에너지는, 그래프의 우측에 도시된 바와 같이 에너지의 세기에 따라 다른 색상으로 표현될 수 있다.The horizontal axis (z-axis) of the graphs may mean the waveguide distance of the optical signal guided to the directional coupler according to the present disclosure, and the vertical axis (x-axis) may mean one direction in a cross section perpendicular to the waveguide direction of the optical signal. can In addition, as shown on the right side of the graph, the energy of the light signal or mode may be expressed in different colors according to the intensity of the energy.

구체적으로, TE10 모드 및 TE01 모드는 도파 거리가 0일 때 제 1 광도파관(110)에서 최대 에너지 분포를 나타내고, 도파 거리가 약 340μm일 때 제 1 광도파관(110) 및 제 2 광도파관(120)에서 중간의 에너지 분포를 나타내며, 도파 거리가 약 670μm일 때 제 2 광도파관(120)에서 최대 에너지 분포를 나타냄을 확인할 수 있다.Specifically, the TE10 mode and the TE01 mode show the maximum energy distribution in the first optical waveguide 110 when the waveguide distance is 0, and the first optical waveguide 110 and the second optical waveguide 120 when the waveguide distance is about 340 μm. ) shows an intermediate energy distribution, and it can be seen that the second optical waveguide 120 exhibits a maximum energy distribution when the waveguide distance is about 670 μm.

이와 같은 결과는 다른 도면에서 설명한 내용과 다른 관점에서 해석한 것일 뿐, 도 3a 및 3b에 도시된 에너지 전달률 그래프에 나타난 결과와 동일함을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 어려움 없이 이해할 수 있을 것이다.Those of ordinary skill in the art related to this embodiment are the same as the results shown in the energy transfer rate graphs shown in FIGS. 3A and 3B, but only interpreted from a different point of view than those described in other drawings. You will be able to understand it without difficulty.

전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 내용이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present specification described above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the content of this specification belongs will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be able Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

한편, 실시예들과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.On the other hand, those of ordinary skill in the technical field related to the embodiments will understand that it can be implemented in a modified form within a range that does not deviate from the essential characteristics of the above description. Therefore, the disclosed methods are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the invention is indicated in the claims rather than the description above, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the invention.

10: 코어부
20: 클래드부
100: 방향성 결합기
110: 제 1 광도파관
120: 제 2 광도파관10: core part
20: clad unit
100: directional coupler
110: first optical waveguide
120: second optical waveguide

Claims (10)

방향성 결합기에 있어서,
클래드부; 및
광 신호의 진행 방향에 수직인 단면이 회전 대칭성이 있는 형상인 코어부;를 포함하는 복수의 광도파관을 포함하고,
서로 인접한 상기 광도파관은 각각 상기 코어부의 단면 중심을 기준으로 서로 일정한 거리만큼 이격 배치되어 광 신호의 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum; OAM) 모드를 도파시키고,
상기 코어부의 단면은 십자형이고,
상기 코어부의 십자형 단면은,
사각형 단면이 제 1 방향 및 상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 식각되어 형성되고,
식각된 정도에 따라 상기 궤도각운동량 모드를 이루는 복수의 모드들 각각의 결합계수가 조절되고,
상기 방향성 결합기가 광 신호의 진행 방향으로 연장된 길이는 상기 서로 인접한 광도파관에 분배되는 궤도각운동량 모드의 에너지 비율에 따라 결정되는, 방향성 결합기.In the directional coupler,
clad unit; and
A plurality of optical waveguides including; a core part having a shape having rotational symmetry in a cross section perpendicular to the direction of propagation of the optical signal;
The optical waveguides adjacent to each other are respectively spaced apart from each other by a certain distance based on the center of the cross-section of the core part to guide the orbital angular momentum (OAM) mode of the optical signal,
The cross-section of the core part is cross-shaped,
The cross-section of the core part is,
A rectangular cross-section is formed by etching in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction,
The coupling coefficient of each of the plurality of modes constituting the orbital angular momentum mode is adjusted according to the degree of etching,
The length in which the directional coupler extends in the propagation direction of the optical signal is determined according to an energy ratio of orbital angular momentum modes distributed to the optical waveguides adjacent to each other. 제 1 항에 있어서,
상기 광도파관은,
서로 직교하는 복수의 모드들로 이루어지는 궤도각운동량 모드를 도파시키는, 방향성 결합기.The method of claim 1,
The optical waveguide is
A directional coupler for guiding an orbital angular momentum mode comprising a plurality of modes orthogonal to each other. 제 1 항에 있어서,
상기 광도파관은,
동일한 전파상수를 갖는 TE10 모드와 TE01 모드를 동시에 도파 시키는, 방향성 결합기.The method of claim 1,
The optical waveguide is
A directional coupler that simultaneously guides the TE10 mode and the TE01 mode with the same propagation constant. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 클래드부의 단면은 사각형인, 방향성 결합기.The method of claim 1,
The cross section of the clad portion is rectangular, the directional coupler. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 방향성 결합기는 서로 인접한 제 1 광도파관 및 제 2 광도파관을 포함하고,
상기 제 1 광도파관의 코어부 단면 형상과 상기 제 2 광도파관의 코어부 단면 형상이 서로 동일한, 방향성 결합기.The method of claim 1,
The directional coupler comprises a first optical waveguide and a second optical waveguide adjacent to each other,
and a cross-sectional shape of a core portion of the first optical waveguide and a cross-sectional shape of a core portion of the second optical waveguide are identical to each other. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 클래드부 및 상기 코어부는 광투과성 물질로 이루어지고,
상기 클래드부를 이루는 물질의 굴절률이 상기 코어부를 이루는 물질의 굴절률보다 낮은, 방향성 결합기. The method of claim 1,
The clad part and the core part are made of a light-transmitting material,
The directional coupler, wherein the refractive index of the material constituting the clad portion is lower than the refractive index of the material forming the core portion. 제 1 항에 있어서,
상기 클래드부 및 상기 코어부는 SiO2, SiN 및 Si 중 어느 하나의 물질로 이루어지는, 방향성 결합기. The method of claim 1,
The clad portion and the core portion SiO 2 , SiN, and made of any one of Si, a directional coupler.
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