KR19980035328A - 편광독립 전기광학 광 위상변조기 및 그를 이용한 광 스위치와 광 강도 변조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위칭 전압이 낮고 편광 의존 손실이 없는 편광독립 전기광학 광위상변조기와, 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 안정된 브리지형 광 도파로의 한쪽 팔에 집적시켜 편광 독립 광 스위치와 편광 독립 광 강도 변조기를 구현할 수 있는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기 및 그를 이용한 광 스위치와 광 강도 변조기에 관한 것이다.

Description

편광독립 전기광학 광 위상변조기 및 그를 이용한 광 스위치와 광 강도 변조기

본 발명은 편광독립 전기광학 광 위상변조기 및 그를 이용한 광 스위치와 광 강도 변조기에 관한 것으로, 편광독립 전기광학 광 위상변조기는 편광 변환기의 앞뒤에 편광 의존 위상 변조기 두 개를 연결하고, 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 안정된 브리지형 광 도파로의 한쪽 팔에 집적시켜 편광 독립 광 스위치와 편광 독립 광 강도 변조기를 구현할 수 있는 편광독립 전기광학 광 위상변조기 및 그를 이용한 광 스위치와 광 강도 변조기에 관한 것이다.

고속의 다중화된 신호의 원거리 전송을 위해서는 오늘날의 광통신 기술이 필수적이다. 그리고, 광신호를 전기적 신호를 변환시키지 않은채 여러 출력단 중에서 원하는 곳으로 스위칭시키기 위해서는 광 스위치가 필요하다. 다양한 형태의 집적 광학 광 도파로형 광 스위치가 연구되어 발표되었다. 리튬 나이오베이트(Lithium Niobate, LiNbO3)나 III-V족 반도체를 이용하여 제작한 다양한 형태의 광 스위치가 발표되었다.

최근에는 전기광학 폴리머를 이용한 광 스위치도 활발하게 연구되고 있다. 그러나, 이러한 광 스위치들은 대부분 광 신호의 편광 상태에 따라 다른 동작 특성을 가지게 되므로 특정한 편광 성분만을 효율적으로 스위칭 시킬 수 있다. 그러므로, 광 스위치에 들어가는 광 신호는 반드시 한가지 편광 상태로 정확하게 조절해야만 하는 문제점이 있다.

한편, 광섬유를 통하여 전송되는 광 신호는 일반적으로 편광 상태를 유지할 수 가 없으며 시간에 따라서도 편광 상태가 서서히 변화하게 된다. 그러므로 편광 상태에 따라 특성이 바뀌는 일반적인 광스위치를 사용하기 위해서는 편광을 원하는 상태로 조절해 주기 위한 광학계가 필수적이며, 시간에 따른 변화까지도 보정해야 하는 단점이 있다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 편광 상태에 무관하게 동작하는 광스위치가 연구되어져 왔다. 그 실시예로서, 알. 씨. 올퍼네스(R. C. Alferness)는 가중 접속(Weighted coupling)을 이용한 편광 독립 방향성 결합기형 스위치를 제안하였다 [R. C. Alferness, Appl. Phys. Lett., Vol. 35, No. 15, pp. 748-750, 1979]. 그러나, 이 소자는 디자인 과정이 복잡하고 스위칭 전압이 높은 단점(29 V @0.6328nm)을 갖고 있다.

제이. 엘. 나이팅게일(J. L. Nightingale)은 x-커트(x-cut), z-프러퍼게이팅 리튬 나이오베이트(z-propagating lithium niobate)에서 전기광학 계수 r22를 이용하여 전기광학 변조시키는 형태의 소자를 제작하여 편광 독립 스위칭이 가능함을 보였다. 이 소자는 동작 전압이 비교적 낮은 반면(17 V @1300nm) r22 전기광학 계수가 변조 주파수에 따라 변하기 때문에 고속 광대역 변조기를 만들기에는 적합하지 않다.

엠. 콘도(M. Kondo)는 전기적 횡파/자기적 횡파(TE/TM) 모드간의 결합 거리(coupling length)를 정밀하게 조절하여 일치시킴으로서 편광 독립 광 스위치를 구현하였으며 전극길이가 19mm일때 스위칭 전압은 18 V (@1300nm)가 되었다 [M. Kondo et al., Electron. Lett., Vol. 23, No. 21, pp. 1167-1169, 1987]. 또한, 이 소자를 이용하여 H. Nishinoto는 8 × 8 행렬 스위치를 제작하였으며, 전극길이가 약 5mm 일때 스위칭 전압은 약 85 V 정도가 되었다 [H. Nishinoto et al., IEEE Photon. Techonol. Lett., Vol. 2, No. 9, pp. 634-636, 1990]. 그러나, 이 소자는 전기적 횡파/자기적 횡파(TE/TM) 두 모드의 결합 길이를 정확하게 조절하기 위하여 정밀한 디자인이 필요하고, 제작 오차 허용치(fabrication tolerance)도 감소하며, 결국 누화(crosstalk)가 커지는 단점이 있다. A. C. O'Donnell은 디지탈 스위치를 이용하여 1 × 32 스위치 행렬을 제작하였다 [A. C. O'Donnell, Electron, Lett., Vol. 27, No. 25, pp. 2349-2350, 1991]. 그러나, 이 경우도 스위칭 전압이 +65, -65 V 로서 매우 큰 단점이 있다.

따라서 본 발명은 편광독립 전기광학 광 위상변조기는 편광 변환기의 앞뒤에 편광 의존 위상 변조기 두개를 연결하고, 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 안정된 브리지형 광 도파로의 한쪽 팔에 집적시켜 편광 독립 광 스위치와 편광 독립 광 강도 변조기를 구현 함으로서, 상기한 단점을 해소할 수 있는 편광독립 전기광학 광 위상변조기 및 그를 이용한 광 스위치와 광 강도 변조기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 편광독립 전기광학 광 위상변조기는 두개의 동일한 편광 의존 전기광학 위상변조기와, 상기 편광 의존 전기광학 위상변조기의 사이에 광 도파로를 통해 접속되는 편광 변환기로 구성된 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 이용한 광 스위치는 입력 광을 두 개의 파동으로 나뉘어 각각 다른 경로를 지나게하는 비대칭 Y-형 광분리기와, 상기 비대칭 Y-형 광분리기에 의해 분리된 어느 한 광을 광 도파로를 통해 입력으로 하는 편광 변환기와, 상기 비대칭 Y-형 광분리기에 의해 분리된 또다른 어느 한 광을 입력으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상변조기와, 상기 편광 독립 전기광학 광 위상변조기 및 편광 변환기를 통과한 각각의 도파광을 결합하기 위한 비대칭 Y-형 광결합기 구성된 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 이용한 광 스위치는 입력 광을 두 개의 파동으로 나뉘어 각각 다른 경로를 지나게하는 비대칭 Y-형 광분리기와, 상기 비대칭 Y-형 광분리기에 의해 분리된 어느 한 광을 광 도파로를 통해 입력으로 하는 편광 변환기와, 상기 비대칭 Y-형 광분리기에 의해 분리된 또다른 어느 한 광을 입력으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상변조기와, 상기 편광 독립 전기광학 광 위상변조기 및 편광 변환기를 통과한 각각의 도파광을 결합하기 위한 비대칭 Y-형 광결합기 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 편광 의존 전기 광학 위상변조기를 두개 이용하고, 그 사이에 편광 변환기를 넣게 되면 편광에 의존적인 특성을 제거하고, 편광 독립 위상변조기를 구현할 수 있다. 두개의 편광 의존 전기 광학 위상변조기는 동일한 특성을 가진 것으로서, 하나의 전압원으로 구동되며 동일한 전기 광학적 굴절률 변화를 가지게 된다. 또한, 본 발명의 편광독립 전기광학 광 위상변조기는 10V 미만의 낮은 스위칭 전압을 가지며 편광에 따른 손실차이도 없게 되므로 기존의 문제들을 해결하여 실용적인 소자가 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 편광독립 전기광학 광 위상변조기의 구조도.

도 2는 본 발명에 따른 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 이용한 광 스위치의구조도.

도 3은 본 발명에 따른 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 이용한 광 강도 변조기의 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1, 5 : 편광독립 전기광학 광 위상변조기

2 : 광 도파로4 : 편광 변환기

3A 및 3B : 편광 의존 전기광학 위상변조기

6 : X-형 광분리기7 : X-형 광결합기

8 : Y-형 광분리기9 : Y-형 광결합기

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 편광 독립 전기 광학 위상변조기의 구조도로서, 두개의 동일한 편광 의존 전기광학 위상변조기(3A 및 3B)의 사이에 편광 변환기(4)가 광 도파로(2)를 통해 접속되게 된다.

전기광학 효과를 이용하여 도파광의 위상을 조절하는 전기 광학 위상변조기는 도파광의 편광 상태에 따라 다른 특성을 가지고 있으며, 이는 전기광학 계수를 이용하여 표현된다. 일반적으로 수직방향 전계를 이용하는 z-커트(z-cut), y-프로퍼게이션 리듐나이오베이트(y-propagation LiNbO₃)나 수직방향 폴링된 전기 광학 폴리머 광변조기의 경우에는 자기적 횡파(TM) 모드에 대해서는 γ₃₃, 전기적 횡파(TE) 모드에 대해서는 γ₁₃이 전기광학 계수로 작용한다. 그러므로, 자기적 횡파/전기적 횡파(TM/TE)모드에 대하여 위상변조되는 크기는 서로 다르며 각각 ΔΦ_TM= C γ₃₃L V, ΔΦTE = C γ₁₃L V 가 된다. 이때, C는 비례상수, V는 전기광학 변조를 위한 인가 전압, 그리고 L은 위상변조기의 길이를 의미한다. 그러므로 전기광학 위상변조기는 편광에 의존하는 특성을 가진다.

이와 같은 두개의 편광 의존 전기광학 위상변조기(3A 및 3B)를 이용하고, 그 사이에 편광 변환기(4)을 넣게 되면 편광에 의존적인 특성을 제거하고 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 구현할 수 있게 된다. 두개의 편광 의존 전기광학 위상변조기(3A 및 3B)는 동일한 특성을 가진 것으로서, 하나의 전압원으로 구동되며 동일한 전기 광학적 굴절률 변화를 가지게 된다. 편광 변환기(4)는 전기적 횡파/자기적 횡파(TE/TM) 모드 성분을 각각 그 반대의 것으로 바꾸어주는 역할을 한다. 입력 광의 편광은 전기적 횡파/자기적 횡파(TE/TM) 두 경우로 나눌 수 있으며, 소자의 특성도 이 두 경우에 대하여 독립적으로 고려할 수 있다.

먼저 자기적 횡파(TM) 편광이 입사된 경우, 첫번째 위상변조기(3A)에서는 ΔΦ_TM만큼의 위상변조를 겪고, 편광 변환기(4)에서 전기적 횡파(TE) 편광으로 변환된다. 이후, 두번째 위상변조기(3B)에서 ΔΦ_TE만큼의 위상변조를 겪게 된다. 그러므로 전기광학 효과로 인한 위상변조의 전체 량은 ΔΦ_TM+ ΔΦ_TE가 된다.

전기적 횡파(TE) 편광이 입사된 경우에는 첫번째 위상변조기(3A)에서 ΔΦ_TE, 편광 변환기(4)에서 자기적 횡파(TM) 편광으로 변환, 두번째 위상변조기(3B)에서 ΔΦ_TM의 위상변조를 겪게 되므로 전체 전기광학 위상변조량은 ΔΦ_TE+ΔΦ_TM으로 되어 앞의 경우와 동일하게 된다. 결론적으로 자기적 횡파/전기적 횡파(TM/TE) 편광은 제안된 편광 독립 위상변조기에 의해서 동일한 만큼의 위상변조를 겪게 된다.

편광독립 전기광학 광 위상변조기를 사용하기 위해 사용 가능한 변환기는 현 시점에서 4가지를 들 수 있다.

첫째, 전기 광학 폴리머를 이용한 비틀린 광축 광도파로 편광 변환기이다. 이 소자는 도파광의 파장에 따른 특성 변화가 매우 적고 위상 변조기와 함께 집적하여 제작할 수 있다는 장점이 있다.

둘째, 편광 유지 광섬유를 이용하는 방법이다. 편광유지 광섬유의 광축을 90도만큼 비틀어 주면 편광 변환기로서 동작하게 된다. 이와 같이 90도 비틀린 편광유지 광섬유를 두 편광 의존 위상변조기 사이에 집어넣어 정렬시키면 된다.

셋째, 얇은 광학 파장판을 이용하는 방법이다. 반 파장 만큼의 위상 차이를 여기할 수 있는 광학 파장판을 45도 기울여서 정렬시키면 편광 변환기로 사용할 수 있다.

넷째, 전기광학 폴리머의 폴링에 의한 복굴절성을 이용하여 제작 가능한 편광 변환기이다. 폴링 전극을 적절히 디자인하여 45도의 광축을 가지고 반 파장만큼의 위상 차이를 여기하는 파장판을 제작할 수 있으며, 이는 위상변조기와 함께 집적된 편광 변환기로 사용될 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 이용한 광 스위치 및 광 강도 변조기의 구조도이다.

입력 광은 비대칭 X-형 광분리기(6) 또는 Y-형 광분리기(8)에 의해 두 개의 파동으로 나뉘어져서 각각 다른 경로를 지니게 된다. 한쪽 경로는 광 도파로(2)와 편광 변환기(4)만 존재하며, 다른 한쪽 경로에는 위에서 언급한 편광독립 전기광학 광 위상변조기(5 및 1)가 존재한다. 편광독립 전기광학 광 위상변조기(5 및 1)가 놓인 팔을 지나온 도파광은 원하는 만큼의 전기광학 위상변조를 겪게 되며, 이후 다른 팔을 지나온 빛과 출력부의 비대칭 X-형 광결합기(7) 또는 Y-형 광결합기(9)에서 만나게 된다. 이때, 두 파동간의 상대 위상 차이에 따라 소자의 출력 특성이 결정된다.

도 2의 편광독립 전기광학 광 스위치(5)의 경우에는 상대 위상 차이가 0일때는 비대칭 X-형 광결합기(7)의 넓은 쪽 광도파로로 빛이 출력되고, 상대 위상 차이가 π일때는 그 반대인 좁은 쪽 광도파로로 출력된다.

도 3의 편광독립 전기광학 광 강도 변조기의 경우에는 상대 위상 차이에 따라 광출력이 점멸하게 된다. 그리고, 이 두 소자의 경우에 위상변조되는 양이 도파광의 편광 상태에 무관하므로 소자의 최종 특성인 광 스위칭과 광 강도 변조 또한 편광에 무관하게 된다.

광 스위칭을 위한 스위칭 전압은 180도 위상 변조에 필요한 전압과 동일하며, 일반적인 안정된 브리지(Balanced bridge)형 편광 의존 광스위치의 스위칭 전압과 비교하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 편광 독립 광스위치에서 ΔΦ₁= 180도가 되는 스위칭 전압을 V₁이라 하고, 위상변조기 각각의 길이를 L₁이라고 한다. 그리고, 일반적인 안정된 브리지형 편광 의존 광스위치에서 ΔΦ₂= 180도가 되는 스위칭 전압을 V₂라고 정의하고, 위상변조기의 길이를 L₂라고 한다. 위와 같이 정의된 변수들로부터 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

[수학식 1]

ΔΦ₁= ΔΦ_TM+ ΔΦ_TE= c(γ₃₃L₁V₁+γ₃₃L₁V₁)

[수학식 2]

ΔΦ₂= c γ₃₃L₂V₂

이때, c는 비례상수이다. 두 경우 모두 스위칭을 위한 위상변조 크기는 ΔΦ₁= ΔΦ₂= π가 된다. 그리고 편광의존 광스위치는 위상변조기가 하나만 존재하고 전체적인 위상변조 영역의 길이를 동일하게 만든 경우에 L₂= 2*L₁이 되므로 상기 수학식을 정리하여 V₁과 V₂의 관계를 얻게 된다.

[수학식 3]

LiNbO3나 전기광학 폴리머의 경우에 γ₃₃ 3γ₃₃의 관계를 만족시키므로 V₁/V₂는 약 1.5가 된다. 즉, 위상변조기의 전체 길이가 동일한 경우에 제안된 편광 독립 광 스위치는 안정된 브리지형 편광 의존 광스위치에 비하여 1.5배 더 높은 스위칭 전압을 갖게 된다. 편광 의존 광스위치의 스위칭 전압이 약 5 V 정도일때 편광 독립 광스위치는 편광에 무관하게 동작하는 매우 유용한 특성을 가지면서도 스위칭 전압은 7.5 V 밖에 되지 않는다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 스위칭 전압이 낮고 편광 의존 손실이 없는 편광독립 전기광학 광 위상변조기와, 편광독립 전기광학 광 위상변조기를 안정된 브리지형 광 도파로의 한쪽 팔에 집적시켜 편광독립 전기광학 광 스위치와 편광독립 전기광학 광 강도 변조기를 구현함으로서, 편광독립 전기광학 광 위상 변조기는 스위칭 전압이 낮고 편광에 따른 손실 차이도 작게 되므로 실용적인 고속 편광 독립 광소자로서 적합하다. 또한, 편광독립 광소자의 스위칭 전압이 높다는 문제점을 극복함으로써, 고속 광교환 시스템을 비롯한 다양한 광 신호처리 시스템에 응용할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (11)

1. 두개의 동일한 편광 의존 전기광학 위상변조기와,

   상기 편광 의존 전기광학 위상변조기의 사이에 광 도파로를 통해 접속되는 편광 변환기로 구성된 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 변환기는 전기 광학 폴리머를 이용한 비틀린 광축 광도파로의 편광 변환기로 구성된 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 변환기는 광축이 90도로 비틀려서 연결된 편광유지 광섬유로 구성된 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 변환기는 광학 파장판으로 구성된 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 광학 파장판은 반파장 만큼의 위상 차이를 여기할 수 있는 광학 파장판을 45도 기울여서 정렬시킨 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 변환기는 전기광학 폴리머의 폴링에 의한 복굴절성을 이용하여 제작한 편광 변환히고 구성된 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 전기광학 폴리머의 폴링에 의한 복굴절성을 이용하여 제작한 편광 변환기는 폴링 전극을 디자인하여 45도의 광축을 가지고 반 파장만큼의 위상 차이를 여기하는 파장판인 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기.
8. 입력 광을 두 개의 파동으로 나뉘어 각각 다른 경로를 지나게하는 비대칭 X-형 광분리기와,

   상기 비대칭 X-형 광분리기에 의해 분리된 어느 한 광을 광도파로를 통해 입력으로 하는 편광 변환기와,

   상기 비대칭 X-형 광분리기에 의해 분리된 또다른 어느 한 광을 입력으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상변조기와,

   상기 편광독립 전기광학 광 위상변조기 및 편광변환기를 통과한 각각의 도파광을 결합하기 위한 비대칭 X-형 광결합기로 구성된 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기를 이용한 광 스위치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 비대칭 X-형 광결합기는 상대 위상 차이가 0일때 빛이 출력되도록 구성된 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기를 이용한 광 스위치.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 광 스위칭을 위한 스위칭 전압은 180도 위상 변조에 필요한 전압과 동일한 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기를 이용한 광 스위치.
11. 입력 광을 두 개의 파동으로 나뉘어 각각 다른 경로를 지나게 하는 비대칭 Y-형 광분리기와,

    상기 비대칭 Y-형 광분리기에 의해 분리된 어느 한 광을 광도파로를 통해 입력으로 하는 편광 변환기와,

    상기 비대칭 Y-형 광분리기에 의해 분리된 또다른 어느 한 광을 입력으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상변조기와,

    상기 편광독립 전기광학 광 위상변조기 및 편광변환기를 통과한 각각의 도파광을 결합하기 위한 비대칭 Y-형 광결합기로 구성된 것을 특징으로 하는 편광독립 전기광학 광 위상 변조기를 이용한 광 스위치.