KR19990007622A - 장주기 격자 필터 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 장주기 격자 필터 제조 장치에 관한 것으로, 레이저 광원; 레이저 광원에서 생성된 레이저 광을 반사시켜서 그 경로를 변경하는 미러; 미러에 의해 반사된 레이저 광의 초점을 조절하는 제1렌즈; 레이저 광의 빔 사이즈를 확장하도록 제1렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부; 분산된 레이저 광을 평행하게하는 제2렌즈; 및 제2렌즈에 의해 평행하게된 레이저 광을 장주기 격자가 형성될 광섬유에 선택적으로 주사하는 복합 진폭 마스크를 포함하고, 복합 진폭 마스크의 주기에 따라 주사되는 레이저 광에 의해 광섬유의 굴절률이 변화되어 광섬유를 통과하는 광의 코아모드가 클래딩모드로 커플링됨을 특징으로한다.
본 발명에 의하면, 광섬유에 도달하는 레이저 빔 사이즈를 조절하여 장주기 격자 필터의 대역폭을 조절할 수 있으며, 진폭 마스크의 회전각도를 조절하여 커플링이 일어나는 파장을 조절함으로써 원하는 필터 스펙트럼 제작이 용이하다.
Description
본 발명은 장주기 격자 필터 제조 장치에 관한 것이다.
통상적으로 장주기 격자 필터는 광섬유의 코아(core)로 진행하는 코아 모드(core mode)를 클래딩 모드(cladding mode)로 커플링(coupling)시키는 소자로서, 반사타입이 아니기때문에 어븀첨가 광섬유 증폭기(EDFA)의 이득 평탄화에 장점이 있다. 이러한 장주기 격자 필터는 자외선에 민감(sensitive)한 광섬유의 코아에 주기적으로 굴절율 변화를 주어 제작한다. 즉, 자외선에 노출된 부분은 굴절율이 증가하고 그렇지 않는 부분은 변화가 없어 주기적인 굴절율 변화가 발생한다. 상술한 코아 모드를 클래딩 모드로 커플링시키기 위하여는 다음의 수학식 1을 만족하여야 한다.
여기서, βco는 코아 모드의 전달 상수(propagation constant)이고, βcl n 는 n차 클래딩 모드의 전달 상수(propagation constant)이고, Λ는 격자 주기(grating period)이다.
그런데, 수학식 1에서 β= 2πn/λ(여기서, n은 굴절율)을 대입하면 코아 모드와 클래딩 모드의 굴절률 차는 nco- ncl= λ/Λ가 된다. 따라서, 어떤 파장을 클래딩 모드로 변경시키려면 주기(Λ)와 굴절율차(nco- ncl)을 정하면 된다. 굴절율차는 자외선에 민감한 광섬유에 자외선 레이저를 적절히 감광시켜 얻을 수 있다.
자외선 레이저를 주사하여 장 주기 격자 필터를 제조하는 장치에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 종래의 장 주기 격자 필터 제조 장치를 도시한 것이다. 도 1에 따른 장주기 격자 필터 제조장치는 자외선 레이저를 주사할 수 있는 고출력의 엑시머(excimer) 레이저 광원(100)과, 엑시머 레이저 광원(100)에서 방출된 레이저 광의 경로를 변경하는 미러(102)와, 미러(102)에 의하여 변경된 레이저 광의 초점을 조절하는 원통형 렌즈(Cylindrical Lens, 104)와, 렌즈를 통과한 레이저 광을 선택적으로 통과시키는 진폭 마스크(106)와, 진폭 마스크(106)를 통과한 레이저 광이 주사되어 코아에 장주기 격자가 형성되는 광섬유(108)로 구성된다.
상술한 구성에 따른 장 주기 격자 필터의 제조 과정은 다음과 같다. 레이저 광을 원통형 렌즈(104)에 통과시켜 진폭 마스크(106)와 접촉되어 있는 광섬유(108)에 주사되도록 한다. 이때, 광섬유(108)에는 레이저광이 주사되어 굴절률이 다른 장주기 격자가 형성되는데, 광섬유(108)에 광원(110)에서 출력되는 광을 통과시키고 검출기(112)로 광을 검출하여 원하는 특성을 갖도록 한다.
이 때, 마스크는 정확한 주기를 갖는 것이 중요하다. 마스크가 정확한 주기를 갖게하기 위해 여러 방법이 사용되었는데, 그 중 하나가 단일 슬릿을 위치이동 스테이지(translation stage)에 장착하여 원하는 주기만큼 슬릿 혹은 광섬유를 이동시켜서 레이저 광을 주사한다.
그러나, 이 방법은 정확한 주기가 가능하고 주기를 조절할 수 있다는 장점이 있으나, 슬릿의 폭이 고정되어있어서 주기를 변경하는 경우 광이 투과하는 부분과 투과하지않는 부분의 비를 나타내는 듀티 사이클(duty cycle)이 일정하지않다는 단점이 있다. 또한, 포인트 단위로 굴절률 변화를 주므로 시간이 많이 걸리며, 큰 빔 사이즈를 효율적으로 사용하지 못한다. 원하는 필터 스펙트럼을 정확히 디자인하기 위해서는 펄스당 굴절률변화값을 정확히 알아야한다. 또한, 고가의 장비인 위치이동 스테이지가 필요하다.
마스크의 주기를 정확하게하기위한 방법으로 실리카위에 패턴을 뜬 후 크롬을 도핑하여 마스크를 제작하는 방법이 있다. 이 방법으로 제작된 마스크의 경우, 정확한 주기를 가지는 마스크를 제조할 수 있으나 마스크 제조과정이 복잡하고 비용이 많이 들며, 주기가 고정되어 있으므로 하나의 마스크로 디자인하고자하는 스펙트럼은 하나만 가능하다. 또한, 이 경우 한계손상파워(damage threshold power)가 낮아서 고출력의 엑시머 레이저를 효율적으로 이용할 수 없다는 단점이 있다.
마스크의 주기를 정확하게하는 또 다른 방법으로는 다중 슬릿(multi-slit)을 사용하는 방법은 격자가 형성되는 부분의 전체에 레이저 광을 동시에 주사하는 방법으로 마스크를 준비하는 과정이 간단하고 제조비용이 적으나 레이저 가공시 발생하는 오차가 ±5μm로 매우 커서 정밀한 스펙트럼 디자인이 어려우며 마찬가지로 주기가 고정되어 있으므로 디자인할 수 있는 스펙트럼이 한정되어 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 입사광을 분산시키는 오목렌즈, 분산된 광을 평행하게하는 원통형 렌즈 및 주기가 조절가능한 진폭 마스크를 구비하여 레이저 빔 사이즈를 조절하여 장주기 격자의 주기를 조절하는 장주기 격자 필터 제조 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 장 주기 격자 필터 제조 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 장주기 격자 필터 제조 장치에 대한 구성도이다.
도 3a는 도 2의 복합 진폭 마스크를 구성하는 구성요소를 도시한 것이다.
도 3b는 복합 진폭 마스크를 도시한 것이다.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 진폭 마스크의 주기를 도시한 것이다.
도 5는 진폭 마스크의 회전 각도에 따른 복합 진폭 마스크의 주기 변화를 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6b는 두 진폭 마스크를 각각 0° 및 10°회전시켰을 때, 장주기 격자 필터의 스펙트럼을 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 광을 반사시켜서 그 경로를 변경하는 미러; 상기 미러에 의해 반사된 레이저 광의 초점을 조절하는 제1렌즈; 상기 레이저 광의 빔 사이즈를 확장하도록 상기 제1렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부; 상기 분산된 레이저 광을 평행하게하는 제2렌즈; 및 상기 제2렌즈에 의해 평행하게된 레이저 광을 장주기 격자가 형성될 광섬유에 선택적으로 주사하는 복합 진폭 마스크를 포함하고, 상기 복합 진폭 마스크의 주기에 따라 주사되는 레이저 광에 의해 상기 광섬유의 굴절률이 변화되어 상기 광섬유를 통과하는 광의 코아모드가 클래딩모드로 커플링됨을 특징으로한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 광을 반사시켜서 그 경로를 변경하는 미러; 상기 미러에 의해 반사된 레이저 광의 초점을 조절하는 제1렌즈; 상기 레이저 광의 빔 사이즈를 확장하도록 상기 제1렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부; 상기 분산된 레이저 광을 평행하게하는 제2렌즈; 소정 주기를 갖는 두 진폭 마스크를 소정 각도만큼 회전시켜 결합함으로써 그 주기가 조절되고, 상기 조절된 주기에 따라 상기 제2렌즈에 의해 평행하게된 레이저 광을 장주기 격자가 형성될 광섬유에 선택적으로 주사하는 복합 진폭 마스크; 상기 광섬유에 형성된 장주기 격자 필터의 커플링 피크를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부로부터 상기 커플링 피크시의 파장을 전달받아 원하는 커플링 피크 파장을 얻도록 상기 복합 진폭 마스크의 주기를 조절하는 제어부를 포함함을 특징으로한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 장주기 격자 필터 제조 장치에 대한 구성도이다. 도 2에 따른 장치는 자외선 레이저 광원(200), 자외선 레이저 광원(200)에서 생성된 자외선 레이저 광을 반사시키는 미러(202), 미러(202)에 의해 경로가 변경된 레이저 광의 초점을 조절하는 제1원통형 렌즈(204), 제1원통형 렌즈(204)에 의해 초점이 맞춰진 레이저 광을 분산시키는 분산부(206), 분산부(206)를 통과한 레이저 광을 다시 평행하게하는 제2원통형 렌즈(208), 제2원통형 렌즈(208)를 통과한 레이저 광을 선택적으로 통과시키는 복합 진폭 마스크(210), 복합 진폭 마스크(210)를 통과한 레이저 광이 장주기 격자가 형성될 부분에만 주사되도록하는 슬릿(212), 슬릿(212)을 통과한 레이저 광이 주사되는 광섬유(214), 광원(216) 및 광섬유(214)를 통과한 광의 특성을 측정하는 측정부(218) 및 측정부(218)에서 측정되는 커플링 피크에 따라 복합 진폭 마스크(210)의 주기를 조절하는 제어부(220)를 포함한다.
여기서, 커플링 피크라 함은 장주기 격자에서 각 파장의 코아 모드가 클래딩 모드로 커플링됨으로써 소광비(extinction ratio)가 최대가 됨을 말한다.
상술한 구성에 따른 동작을 설명하기로 한다. 미러(202)는 자외선 레이저 광원(200)에서 생성되어 입사된 레이저 광을 반사시킨다. 제1원통형 렌즈(204)는 반사된 레이저 광의 초점을 조절하는데, 초점은 광섬유(214)에 맺히도록 한다.
분산부(206)는 레이저 광의 빔 사이즈를 확장하도록 제1원통형 렌즈(204)를 통과한 레이저 광을 분산시키는데, 대표적인 예로서 오목렌즈(Concave Lens)가 적절하다. 레이저 광의 빔 사이즈는 엑시머 레이저의 경우 10x30mm이고, 이를 한 쪽 방향으로 포커싱하였을 때 최대 폭이 30mm가 된다. 실제로 격자 제작에 사용할 수 있는 균일한 강도의 레이저 빔 길이는 20mm정도이다. 그러므로, 격자의 길이 조정을 위해 빔 사이즈의 확장이 필요하다.
제2원통형 렌즈(208)는 분산된 광을 평행하게한다. 분산된 광을 평행하게하기 위해서 제2원통형 렌즈(208)의 초점은 분산부(206)의 초점과 일치되도록 한다. 이 때, 제2원통형 렌즈(208)의 길이는 제조하고자하는 장주기 격자 필터의 길이가 되도록 한다.
복합 진폭 마스크(210)는 제2원통형 렌즈(208)로부터 평행하게 입사하는 광을 선택적으로 투과시킨다. 슬릿(212)은 장주기 격자의 대역폭을 결정하는 격자 길이만큼의 폭을 갖는다. 슬릿(210) 및 복합 진폭 마스크(210)를 통과한 광이 광섬유(214)에 주사되면, 측정부(218)는 광원(216)에서 생성되어 광섬유(214)를 통과한 광에 대해 파장에 따른 커플링 피크를 측정한다. 여기서, 광섬유(214)는 자외선에 민감한(UV photosensitive) 광섬유가 적절하다.
제어부(220)는 측정된 커플링 피크에 따라 장주기 격자 필터가 원하는 파장에서 커플링이 일어나도록 복합 진폭 마스크(210)의 주기를 조절하여 커플링 피크파장 및 소광비를 조절한다.
도 3a는 도 2의 복합 진폭 마스크(210)의 한 구성요소를 도시한 것이다. 도 3b는 본 발명에 사용되는 복합 진폭 마스크를 도시한 것으로, 도 3a에 도시된 진폭 마스크가 겹쳐친 다음, 소정 각도로 회전된 형태를 도시한 것이다. 도 3a에 따른 진폭 마스크는 0.2mm 정도의 얇은 금속 기판(300), 예컨대 스테인레스 스틸 기판에 수백 ㎛의 주기(Λ0)로 광을 통과시킬 수 있는 통과영역(302)과 그 외의 비통과영역(304)으로 구성된다. 통과영역(302)은 이산화탄소 레이저를 이용한 가공 또는 화학적 식각(chemical etching) 등의 방법으로 가공된다. 금속 기판(300)의 사용은 손상 한계의 제한을 없애므로 고파워 자외선 레이저를 소스로 사용할 수 있다는 잇점이 있다. 통과영역(302)으로는 레이저가 통과하여 광 도파로의 굴절률을 높이게 되며, 비통과영역(304)은 금속부분으로 자외선 레이저를 차단한다.
도 3b에 따른 복합 진폭 마스크는 도 3a에 도시된 진폭 마스크 두 개를 회전지그(Rotation Jig, 도시되지 않음)에 겹쳐서 고정한 다음, 두 기판을 α°만큼 각각 정밀회전하여 제작된 경우이다. 참조번호 306은 광섬유 또는 광 도파로의 방향이다. 308, 310은 제1기판과 제2기판이 각각 α°씩 회전되었음을 나타낸다. 312는 레이저가 통과하는 영역이며, Λ는 복합 진폭 마스크의 주기이다. 300은 기판을 나타낸다.
도 3b에 도시된 복합 진폭 마스크의 주기 Λ는 회전각 α에 대해 다음과 같이 결정된다.
여기서, Λ0는 도 3a에 도시된 진폭 마스크의 주기이다.
도 4는 감열지(thermal paper)를 각 진폭 마스크 뒤에 놓고 마스크를 회전하였을 때 나타나는 주기의 변화를 도시한 것이다. 도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 도 3a에 도시된 진폭 마스크의 주기를 도시한 것이고, 도 4(c)는 α가 45°인 복합 진폭 마스크의 주기를 도시한 것이다. 도 4(d)는 도 3a에 도시된 두 진폭 마스크가 각각 a°, b°만큼씩 서로 다른 각도로 회전된 경우의 주기를 도시한 것이다.
도 5는 진폭 마스크의 회전 각도에 따른 복합 진폭 마스크의 주기 변화를 도시한 것이고, 표 1은 그 값을 도표로 나타낸 것이다. 진폭 마스크의 주기는 420μm이다.
| 회전각(°) | 마스크 주기(μm) |
| 0 | 420.0 |
| 5 | 421.6 |
| 10 | 426.5 |
| 15 | 434.8 |
| 20 | 447.0 |
| 25 | 463.4 |
| 30 | 485.0 |
| 35 | 512.7 |
| 40 | 548.3 |
| 45 | 594.0 |
| 50 | 653.4 |
| 55 | 732.2 |
| 60 | 840.0 |
| 65 | 993.8 |
| 70 | 1228.0 |
도 6a 내지 도 6b는 주기가 420μm인 두 진폭 마스크를 각각 0° 및 10°회전시켰을 때, 동일한 소광비(extinction ratio)를 갖는 장주기 격자 필터의 스펙트럼을 도시한 것이다. 각각의 경우 커플링 파장은 1495nm, 1512nm이다.
본 발명에 의하면, 광섬유에 도달하는 레이저 빔 사이즈를 조절하여 장주기 격자 필터의 대역폭을 조절할 수 있으며, 진폭 마스크의 회전각도를 조절하여 커플링이 일어나는 파장을 조절함으로써 원하는 필터 스펙트럼 제작이 용이하다. 또한, 고가의 장비없이도 진폭 마스크의 주기조절이 가능하므로, 주기가 고정된 종래의 방법보다 연속적인 커플링 피크 파장을 얻기가 용이하다.
Claims (9)
- 레이저 광원;상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 광을 반사시켜서 그 경로를 변경하는 미러;상기 미러에 의해 반사된 레이저 광의 초점을 조절하는 제1렌즈;상기 레이저 광의 빔 사이즈를 확장하도록 상기 제1렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부;상기 분산된 레이저 광을 평행하게하는 제2렌즈; 및상기 제2렌즈에 의해 평행하게된 레이저 광을 장주기 격자가 형성될 광섬유에 선택적으로 주사하는 복합 진폭 마스크를 포함하고,상기 복합 진폭 마스크의 주기에 따라 주사되는 레이저 광에 의해 상기 광섬유의 굴절률이 변화되어 상기 광섬유를 통과하는 광의 코아모드가 클래딩모드로 커플링됨을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 분산부는오목렌즈임을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈는상기 장주기 격자 필터의 길이만큼의 크기를 갖는 원통형 렌즈임을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 복합 진폭 마스크는레이저광을 선택적으로 통과시킬 수 있도록 일정한 주기를 갖는 통과영역과 상기 레이저광이 통과하지 않는 비통과영역이 교번되는 두 개의 진폭 마스크를 구비하고,상기 두 진폭 마스크가 동일한 각도로 서로 반대방향으로 회전되어서 형성되는 통과영역의 주기가 변화됨을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 두 진폭 마스크의 재질은금속임을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
- 제4항에 있어서,상기 두 진폭 마스크가 장착되어 서로 반대방향으로 동일한 각도만큼 회전되도록하는 회전 지그를 더 구비함을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 복합 진폭 마스크의 주기 Λ는 다음의 수학식[수학식]여기서, Λ0는 상기 각 진폭 마스크의 주기이고, θ는 상기 각 진폭 마스크가 서로 반대방향으로 동일하게 회전하는 각도이다.과 같이 결정됨을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
- 제1항에 있어서,상기 제2렌즈와 상기 복합 진폭 마스크 사이에 상기 장주기 격자의 길이를 그 폭으로하는 슬릿을 더 구비함을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
- 레이저 광원;상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 광을 반사시켜서 그 경로를 변경하는 미러;상기 미러에 의해 반사된 레이저 광의 초점을 조절하는 제1렌즈;상기 레이저 광의 빔 사이즈를 확장하도록 상기 제1렌즈를 통과한 레이저 광을 분산시키는 분산부;상기 분산된 레이저 광을 평행하게하는 제2렌즈;소정 주기를 갖는 두 진폭 마스크를 소정 각도만큼 회전시켜 결합함으로써 그 주기가 조절되고, 상기 조절된 주기에 따라 상기 제2렌즈에 의해 평행하게된 레이저 광을 장주기 격자가 형성될 광섬유에 선택적으로 주사하는 복합 진폭 마스크;상기 광섬유에 형성된 장주기 격자 필터의 커플링 피크를 측정하는 측정부; 및상기 측정부로부터 상기 커플링 피크시의 파장을 전달받아 원하는 커플링 피크 파장을 얻도록 상기 복합 진폭 마스크의 주기를 조절하는 제어부를 포함함을 특징으로하는 장주기 격자 필터 제조 장치.
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