KR19990082400A - 다중경로 간섭필터 - Google Patents

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KR19990082400A
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multipath interference
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벤카타 에이. 바가바투라
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알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 입력빔을 서로다른 광경로 길이를 갖는 두 개 또는 그 이상의 중간빔으로 분할하고, 상기 중간빔들을 중간빔 사이의 간섭에 의해 변형되는 출력빔으로 재결합함으로써 선택된 파장을 필터링하는 간섭필터(10,30,50,70,90,110,130,150 또는 190)에 관한 것이다. 광경로 길이차 발생기(20,40,80,100,120,140,160 또는 200)는 경로의 물리적 길이 또는 전달되는 매질의 굴절률을 변경하여 상기 중간빔의 광경로 길이를 변경시킨다. 하나의 예시적인 실시예(10)의 광경로 길이차 발생기(20)는 중간빔의 광경로길이를 변경하기 위한 서로다른 굴절률을 갖는 고형 광학성분(22,24)으로 분할되는 스페이서 판(20)을 포함한다. 또 다른 광경로차 발생기(140)는 부분적으로 반사면(144)이 적층되어 이루어지며, 상기 반사면은 중간빔사이의 물리적 경로 길이를 변경시키기 위하여 적어도 하나의 공칭파장에 의해 빔전파 방향으로 이격된다.

Description

다중경로 간섭필터
간섭필터는 필터응답을 형성하기 위하여 생산적 간섭과 파괴적 간섭을 혼용한다. 스플리터적 간섭의 영향을 받는 파장은 필터를 통과하고, 파괴적 간섭의 영향을 받는 파장은 차단된다. 상기 간섭은 동일한 빔에서 상변화된 서로다른 부분을 중첩시킴으로써 생성된다. 파브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot etalons), 절연필터 및 섬유 브랙 격자등이 그 예이다.
파브리 페롯 에탈론은 반사된 빔 부분사이에 다중 간섭을 생성하기 위하여 대향하는 부분 반사면쌍을 이용한다. 그러나, 필터 응답은 제한된다. 사인 응답곡선이 전형적이다. 상기 반사면의 정확한 정렬이 필요하기 때문에 제조가 복잡하다.
절연섬유과 섬유 브랙격자는 모두 층사이의 공간에 의해 오프셋되는 일련의 부분 반사를 생성하기 위하여 높고 낮은 굴절률로된 교번층을 갖는다. 일반적으로, 상기 층들은 필터링된 빔의 공칭 파장의 1/4정도로 이격되기 때문에, 이는 절연섬유의 조립체를 유지하기가 어렵다. 절연섬유의 종래 제조방법은 집적광학기보다 일반적으로 더 고가인 대형광학기에 한정된다.
섬유 브랙 격자의 굴절률 변화는 매우 낮기(예를 들어, 0.0001) 때문에, 불필요한 파장을 감쇄시키기 위해서는 매우 많은 수의 층이 필요하다. 상기 교번층은 감광성 물질을 정재파에 노출시킴으로서 제조된다. 이는 감광성인 것에 대한 물질의 선택을 제한한다.
마하파트라 등의 미국 특허번호 제 4,715,027호에는 필터로도 변화될 수 있는 멀티/디멀티플렉서가 기재되어 있다. 제형격자는 동일하게 간격진 주파수로 빛을 광원으로 다시 반사시키기 위해 계단식으로 배열된 반사면을 갖는다. 상기 필터는 집적광학기로서 제조될 수 있지만, 응답은 역시 제한된다. 상기 필터는 상기 응답을 더 정제하기 위한 버니어(vernier)와 유사하게 연속적으로 종속되어야만 한다.
본 발명은 간섭을 이용하여 선택된 빛의 파장을 필터링하기 위한 광학장치에 관한 것이다.
도 1은 축선방향으로 정렬된 입력 및 출력섬유 사이에 광경로 길이차를 발생시기기 위한 두 조각 스페이서 블록을 이용하는 본 발명의 다중 경로 간섭필터를 도시한 광학도면이고,
도 2는 파장 영역에 대하여 투과된 강도를 측정한 것으로, 본 발명의 필터의 스펙트럼 응답을 예시적으로 나타낸 그래프이며,
도 3은 교번 스페이서 블록을 갖는 유사 간섭필터의 광학도면이고,
도 4는 두 개의 동심부품을 가진 교번 스페이서 블록을 갖는 유사 다중경로 간섭필터를 도시한 광학도면이며,
도 5는 교번 스페이서 블록과 반사 광학기에 의해 광학적으로 연결된 이웃하는 입력 및 출력섬유을 갖는 본 발명의 다중경로 간섭필터를 도시한 광학도면이고,
도 6은 더 복잡한 스펙트럼 응답을 제공하기 위한 추가 부품을 포함하는 교번 스페이서 블록이 내부에 있는 유사 간섭필터를 도시한 광학도면이며,
도 7은 도 2의 그래프와 유사하지만 추가 스페이서 블록 부품에 의해 제공된 더 복잡한 스펙트럼 응답을 도시한 그래프이고,
도 8은 복잡한 스펙트럼 응답을 제공하기 위한 교번 스페이서 블록을 갖는 유사 간섭필터를 도시한 광학도면이며,
도 9는 광경로 길이차 발생기 역할을 하는 반사스택이 내부에 있는 본 발명의 다중경로 간섭필터를 도시한 광학도면이고,
도 10은 광경로 길이차를 발생시키는 스페이서와 두 개의 그린(GRIN) 렌즈에 의해 형성된 본 발명의 다중 경로 간섭필터와 결합된 광섬유의 단면도이며,
도 11은 서로 다른 길이의 경로를 제공하기 위한 두 개의 서로 다른 광학 부분을 도시한 도면으로 스페이서를 지나는 11-11 선을 따라 취한 단면도이고,
도 12는 필터의 스펙트럼 응답을 동조시키기 위한 두 개의 전극에 의해 감싸인 교번 스페이서의 단면도이며,
도 13은 가우스 지수 단면을 갖는 다중모드 섬유에 용융된 단일모드 섬유의 단면도이고,
도 14는 그린 섬유 로드 렌즈로 사용하기 적당한 길이로 쪼개진 다중모드 섬유와 동일한 두 개의 섬유의 단면도이며,
도 15는 초점 광학기 기능을 하도록 형성된 반사면을 갖는 도 4 내지 도 6의 필터와 유사한 간섭필터의 광학도면이다.
또한, 본 발명은 빛의 입력빔을 서로다른 광경로 길이를 갖는 두 개 또는 그 이상의 중간빔으로 분할하고 중간빔사이의 간섭에 의해 입력빔으로부터 변경된 출력빔으로 상기 중간빔을 재결합함으로서 선택된 빛의 파장을 필터링한다. 개별경로의 물리적 길이 또는 전달되는 매질의 굴절률을 변경함으로서 상기 중간빔의 광경로 길이는 변경될 수 있다.
본 발명의 다중경로 필터는 입력 및 출력 광통로와 광경로 길이차 발생기를 포함한다. 상기 광경로 길이차 발생기를 입력 및 출력 광경로에 커플링하기 위해 하나 또는 그 이상의 초점 광학기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 입력 및 출력 광통로는 광경로 길이차 발생기 역할을 하는 스페이서 판과 한쌍의 초점 광학기와 함께 광학 축선에 일직선으로 될 수 있다. 제 1 초점 광학기는 입력통로로부터 방출된 확장 입력빔을 시준한다. 상기 스페이서 판은 시준된 빔을 서로다른 광경로 길이를 갖는 해당 갯수의 중간빔으로 분할하는 두 개 또는 그 이상의 중간통로를 갖는다. 제 2의 초점 광학기는 출력 광통로상의 초점에 중간빔을 집중 및 재결합시킨다.
본 발명의 다중 경로 필터의 또 다른 형태는 광학축선으로부터 오프셋된 이웃한 입력 및 출력 광통로를 포함한다. 단일 초점 광학기가 입력통로로부터 입력빔을 시준하여 출력통로로 중간빔을 집중·회귀시키는 스페이서 판 및 반사 광학기와 서로 작용한다. 상기 반사 광학기를 추가함으로서, 상기 중간빔은 스페이스 판을 두배로 관통하고, 따라서 빔의 광경로 길이간의 차이를 두배로 만든다. 선택적으로, 상기 반사 광학기는 초점 광학기 기능을 수행하도록 휘어질 수 있다. 상기 입력 통로로부터 나온 발산빔은 수렴빔이 출력 통로로 반사되는 것과 같이 중간통로를 통하여 회귀코스로 반사된다.
상기 스페이서 판의 중간 통로는 갯수, 물질, 가로영역 및 원하는 스펙트럼 응답을 얻기위한 세로길이면에서 변화될 수 있다. 상기 중간통로를 형성하는 물질의 굴절률을 변경하거나, 길이를 변경하거나 또는 이 모두를 변경함으로서 중간빔간의 광경로 길이차가 생성된다. 중간통로의 가로영역은 중간빔의 상대에너지를 조절하고, 서로다른 중간통로의 수는 원하는 스펙트럼 응답에 도움이 될 수 있는 중간빔의 수를 조절한다. 일반적으로, 중간통로의 수는 종래의 간섭모델에서 슬릿(slit)의 수와 유사하다.
중간빔간의 광경로 길이차를 발생시키기 위해 스페이서 판 대신 반사스택(reflective stack)이 사용될 수 있다. 반사스택의 각 층은 스택에 입사되는 전체 빛의 일부를 반사하는 반사코팅을 갖는다. 상기 부분 반사는 공간적으로 겹치지만 적어도 하나의 파장에서 서로다른 물리적 경로 길이를 통해 중간 빔을 분할하는 다수개의 중간통로를 제공한다. 스펙트럼 응답을 조절하기 위하여 각층의 개수, 물질, 부분 반사율 및 세로길이는 조절될 수 있다.
본 발명의 필터는 대형 광학기, 집적 광학기 또는 다양한 혼성 결합기(hybrid combination)에서 실시될 수 있다. 예를 들어, 모든 부품이 평면 기술로 구성될 수 있다. 그러나, 다른 부품에 대해 평행한 빛을 정확하게 반사시키기 위해서 따로따로 향한 부품이 바람직하게 사용된다. 또한, 본 발명의 필터는 단일섬유내에 통합될 수 있다. 두 개의 초점 광학기와 광경로 길이차 발생기 역할을 하는 스페이서가 상기 섬유의 두 단부를 결합하기 위하여 용융 접합된다.
온도, 압력, 전기장 또는 자기장과 같이 외부적으로 조절된 조건으로 다른 지표 지수를 나타내기 위해 상기 섬유 또는 다른 실시의 스페이서 내부의 물질들이 결합될 수 있다. 서로 다른 중간통로사이의 지표차에서의 조절된 변동은 선택된 파장에 대한 필터응답을 동조시키기 위해 사용될 수 있다.
대형 광학기에서 실시되는 다중 경로 필터(10)인 본 발명의 일 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도시된 필터(10)는 광경로 길이차 발생기 역할을 하는 스페이서 판(20)과 두 개의 렌즈(16)(18)(초점 광학기)에 의해 광학적으로 커플링된 단일 모드 입력 및 출력섬유(12)(14)(입력 및 출력통로)를 갖는다. 제 1 렌즈(16)는 입력심유(12)로부터 확장되는 빔을 스페이서 판(20)에 수직한 입사각으로 부딪치는 시준된 빔으로 변화시킨다. 상기 스페이서 판(20)은 시준된 빔의 서로다른 관통부에 평행하게 연장된 두 개의 서로 다른 광학부품(22)(24)(중간통로)로 분할된다. 상기 부품(22)은 제 1 굴절률"n1"을 갖는 물질로 제조되고, 상기 부품(24)은 제 2 굴절률"n2"을 갖는 물질로 제조된다. 상기 스페이서 판(20)의 두 부품(22)(24)은 시준된 빔을 다음 수학식 1에 의해 결정되는 서로다른 광경로 길이를 갖는 평행한 중간빔으로 분할한다.
△OPL = L(n1-n2)
여기서, △OPL은 상기 두 개의 중간빔의 광경로 길이차이고, L은 전파방향에서 스페이서 판의 세로길이이다.
제 2 렌즈(18)는 입력섬유(12)와 공통 광학축선(26)을 따라 위치된 출력섬유(14)의 내부단부에 있는 초점에 상기 두 개의 중간빔을 집중 및 재결합시킨다. 재결합될 때, 경로 길이차(△OPL)의 정수배(M)인 파장(λ)에서 생산적 간섭이 주기적으로 발생한다. 이는 다음의 수학식 2와 같이 수학적으로 표시된다.
△OPL = Mλ
상기 필터(10)에 대한 전형적인 스펙트럼 응답곡선이 도 2에 도시되어 있다. 필터(10)로 들어가는 빔의 고유 스펙트럼 파워분포는 측정된 파장의 영역 전체에 걸쳐있는 것으로 가정한다. 필터(10)를 나갈 때 빔의 스펙트럼 파워분포를 반영하는 응답곡선(28)은 빔사이에서의 최대 생산적 간섭에 좌우되는 파장에 위치된 최대 강도가 있는 주기적 형태를 갖고, 상기 파장은 경로 길이차의 정수배이다. 다른 모든 파장은 파괴적 간섭의 변화 정도에 좌우된다. 배수 "M"의 바람직한 범위는 20 내지 150 사이이다.
도 3에 도시된 또 다른 다중 경로 필터(30)는 유사한 입력 및 출력섬유(32)(34)와 렌즈(36)(38)와 상이한 스페이서 판(40)을 포함한다. 상기 스페이서 판(40)은 스페이서 판(40)을 가로방향으로 두드러지게 하는 연장부품(44)과 기저부품(42)으로 이루어진다. 상기 기저부품(42)이 균질하다고 가정하면, 광경로 길이차에 영향을 주는 유일한 크기는 연장부품(44)의 크기"L"이다. 상기 수학식 1이 계속 적용된다. 그러나, 상기 굴절률 "n1"은 일정한 것으로 가정하고 굴절률 "n2"는 상기 연장부품(44)의 물질에 따라 결정된다.
도 4는 유사한 입력 및 출력섬유(52)(54)와 렌즈(56)(58)를 갖는 또다른 필터(50)를 도시한 도면이다. 스펙트럼 응답기능도 유사하다. 그러나, 광경로 길이차는 구멍(66)의 서로다른 가로영역을 점유하는 두 개의 동심부품(62)(64)으로 이루어진 스페이서 판(60)에 의해 발생된다. 원형상인 동심부품(62)은 윤상으로된 부품(64)에 의해 둘러싸인다. 각 부품(62)(64)은 서로 다른 물질로 제조되며, 그중 하나는 공기일 수 있으나, 두부품은 모두 공통길이 "L"을 공유한다.
상기 두 부품(62)(64)의 가로영역을 조절함으로서 투과 및 비투과된 파장의 개별 강도간의 명암이 조절될 수 있다. 상기 개별 강도는 상기 두 부품(62)(64)의 유효반경(r1)(r2)의 상대적 크기를 변경함으로서 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 두 부품(62)(64)에 의해 전달된 스펙트럼 에너지를 균형잡도록 시준된 투과빔의 강도 프로파일에 상기 개별 영역을 관련시킴으로서 명암은 최대화될 수 있다. 상기 두 부품(62)(64)의 동심형상은 방사상으로 대칭인 퍼워분포를 갖는 빔 내부에서의 파워 분할을 단순화시킨다.
도 5에 도시된 다중 경로 필터(70)는 여러면에서 다르다. 입력 및 출력섬유(72)(74)는 단일렌즈(76)에 대해서는 동일한 측면이나 광학축선(68)의 대향측(즉, 양측)에 서로 나란하게 위치된다. 상기 입력섬유(72)는 단일렌즈(76)에 의해 시준되는 발산빔을 방출한다. 반사 광학기(78)는 스페이서 판(80)을 통과한 시준된 빔을 역반사시킨다. 역반사된 후, 상기 시준된 빔은 단일 렌즈(76)에 의해 출력섬유(74)의 초점에 다시 모인다. 커플링 효율을 극대화시키기 위하여, 상기 입력 및 출력섬유(72)(74)는 광학축선(68)과 반사 광학기(78) 사이의 교점에 길이방향으로 일직선인 광학축선(68)쪽으로 기울어질 수 있다.
상기 반사 광학기(78)는 스페이서 판(80)의 원격 표면상의 반사코팅 또는 분리된 거울로 형성될 수 있다. 상기 스페이서 판(80)의 부품(82)(84)은 동심이나, 길이(L1)(L2)와 물질 조성(즉, n1및 n2)에 있어서 서로 상이하다. 상기 반사로 인한 광경로 차 "△OPL" 은 다음의 수학식 3으로 표시될 수 있다.
△OPL = 2L1(n1-1)- 2L2(n2-1)
이러한 변경에도 불구하고, 도 2와 유사한 스펙트럼 응답곡선은 반경 r1과 r2에 의해 좌우되는 명암으로 여전히 가능하다. 또한, 요구되는 광경로 길이차를 발생시키기 위하여 다른 형태 및 크기의 스페이서 부품(82)(84)이 사용될 수 있다.
상기 단일 렌즈(76)는 반사 광학기를 회귀경로상의 입력섬유(72)로부터 출력섬유(74)로 방사되는 빛을 반사시키기 위한 구체로 형성함으로서 제거될 수 있다. 상기 스페이서 부품(82)(84)은 발산하고 수렴하는 빔의 일부를 분할하도록 방사선을 따라 재성형될 것이다.
도 6은 회귀경로상의 입력섬유(92)에 의해 출력섬유(94)로 방출되는 빛을 역반사시키기 위한 스페이서 판(100)과 결합된 반사 부품(98) 및 단일렌즈(96)와 함께 입력 및 출력섬유(92)(94)의 유사한 구성을 포함하는 다중 경로 필터(90)을 도시한 도면이다. 상기 스페이서 판(100)은 길이가 L1에서 Ln까지 변하고 반경이 r1에서 rn까지 변하는 다중 윤상 부품(102)(104)(106)(108)에 의해 구별된다. 상기 윤상 부품(102)(104)(106)(108)의 각 지수(n1내지 nn)는 동일하거나 변경될 수 있다. 동일한 경우, 해당 중간통로의 광경로 길이는 서로 다른 유효 굴절률을 나타내기 위하여 비율은 서로 다르지만 물질(예를 들어, 유리 및 공기)의 동일한 조합에 의해 변경된다.
상기 스페이서 판(100)의 윤상부품(102)(104)(106)(108)에 의해 상대적으로 변경된 각 광경로 길이를 가진 추가 중간빔의 조합에 의해 더 복잡한 간섭패턴이 발생된다. 파장 영역에 대하여 투과된 강도의 예시적인 스펙트럼 응답곡선(88)이 도 7에 도시되어 있다. 여기서, 최고강도는 도 2의 응답곡선보다 더 좁고 더 넓게 이격되어 있다. 길이(L1내지 Ln), 지수(n1내지 nn) 또는 윤상부품(102)(104)(106)(108)의 반경(r1내지 rn)을 상대적으로 조절함으로서, 응답곡선(88)의 형상에 대한 조절이 더 이루어질 수 있다. 길이(L1내지 Ln) 또는 지수(n1내지 nn)의 변화는 중간빔의 광경로 길이에 영향을 주고, 반경(r1내지 rn)의 변화는 상대파워에 영향을 준다.
도 1 내지 도 6에 도시된 앞의 모든 5개 필터에서 개별 광경로 길이차 발생기를 통과하는 중간통로는 동일한 물리적 길이를 갖지만 유효 굴절률은 다르다. 상기 스페이서 판(20)(60)은 단지 비율이 변하는 조성을 포함하는 다른 물질에 의해 구별되는 동일한 길이의 중간통로를 형성한다. 상기 물질 자체는 유리 또는 공기와 같이 물리적 상태 또는 조성에서 다를 수 있다.
도 8에 도시된 다중 경로 필터(110)는 입력 및 출력섬유(112)(114), 단일렌즈(116), 반사부품(118) 및 스페이서 판(120)을 포함하여 다중 경로 필터(90)와 거의 모든 면에서 유사하다. 상기 스페이서 판(120)이 길이가 L1에서 Ln까지 변하고 반경이 r1에서 rn까지 변하는 다중 윤상부품(122)(124)(126)(128)으로 이루어진 것도 다중 경로 필터(90)와 유사하다. 상기 윤상부품(122)(124)(126)(128)의 각 지수(n1내지 nn)는 동일하거나 다를 수 있다.
그러나, 이전의 모든 실시예와는 반대로, 공통 반사부품(118)과 함께 상기 윤상부품(122)(124)(126)(128)의 상대위치도 중간빔의 물리적 경로길이를 길이(L1내지 Ln)에서의 차이만큼 변화시킨다. 예를 들어, 윤상부품(122)(128)사이의 광경로 길이차는 다음의 수학식 4로 표시될 수 있다.
△OPL = 2(L1n1- Lnnn)
서로 다른 길이의 윤상부품(122)(124)(126)(128)을 조정하기 위하여, 상기 반사부품(118)은 계단식으로 된다. 이는 반사코팅을 윤상부품(122)(124)(126)(128)의 단부면에 제공함으로서 가장 용이하게 이루어진다. 평면 거울이 대신 사용되면, 중간빔의 물리적 경로길이는 도 6의 실시예와 유사하게 같아진다.
도 5 및 도 6의 실시예와 유사하게, 반사부품(118)을 재성형함으로서 단일 렌즈(116)가 제거될 수 있다. 그러나, 상기 반사부품(118)을 연속적으로 휘어진 표면으로 형성하는 대신, 상기 반사부품(118)의 윤상 계단이 유사한 초점기능을 제공하도록 바람직하게 각각 휘어진다. 상기 윤상부품(122)(124)(126)(128)은 주초점 쪽으로 방사선을 따라 테이퍼질 것이다.
이전의 실시예중 어느 하나에서, 상기 단일렌즈는 회절 광학기 또는 스페이서상에 새겨진 회절패턴으로 대체될 수 있다. 반사면에 새겨진다면, 중간통로는 초점선을 따라 형성될 것이다.
이전의 모든 실시예와 같이, 도 9의 실시예는 렌즈(136) 또는 등선를 따라 입력 및 출력섬유(132)(134)를 갖는 다중 경로 필터(130)이다. 그러나, 상기 광경로 길이차 발생기는 스페이서 판대신 반사스택(140)이다. 상기 반사스택(140)은 부분 반사면(144)에 의해 분할된 층(142)으로 이루어진다. 각각의 층(142)은 일정한 길이(L)와 일정한 지수(n)를 갖지만, 상기 길이(L)와 지수(n)는 더 복잡한 스펙트럼 응답을 제공하기 위하여 층간에 변화될 수 있다. 상기 부분 반사면(144)의 반사율은 원하는 스펙트럼 응답을 이루는데 요구되는 층(142)의 갯수와 관련된다. 예를 들어, 층(142)이 20개 필요하다면, 상기 각 반사면(144)은 전체 스펙트럼 에너지의 약 5%를 반사하도록 제조된다. 층(142)의 수는 이전의 실시예의 스페이서 판을 통과하는 중간통로의 수와 일치하며, 각 층(142)의 반사율은 중간통로의 가로영역과 관련된다. 그러나, 상기 중간빔은 각각의 부분 반사면(144)의 덜 뚜렸한 영역에 의해 분할될 수 있다.
환언하면, 반사스택(140)의 출입할 때 상기 중간빔은 실질적으로 동일한 공간 예를 들어 구멍"A"을 점유할 수 있다. 그러나, 이들의 광경로 길이는 길이(L)의 수배에 해당하는 광학축선(146)을 따른 서로다른 물리적 이동길이로 구별된다. 따라서, 이웃하는 층(142)으로부터 두 개의 중간빔사이의 광경로 길이차의 방정식은 수학식 5로 주어진다.
△OPL = 2Ln
상기 중간빔은 전파하는 빔의 적어도 하나의 파장의 광경로차(△OPL)에 의해 분할되어야 한다. 20 내지 30μ의 범위에서 기대되는 평균두께에는 적어도 10μ의 공간이 바람직하다. 상기 반사면(144)은 부분반사 코팅, 제한된 가로영역에 도포된 전반사 코팅(예를 들어, 금속성 점) 또는 굴절률에서 큰 차이를 갖는 근접 금속층으로 형성될 수 있다. 모든 전파 빔을 실질적으로 반사시키는데 필요한 층의 수를 제한하기 위해 적어도 1%의 굴절률 차가 사용되어야 하지만, 실용적 스펙트럼 응답을 구성하기 위해서는 10% 또는 그 이상의 차이가 바람직하다. 바람직하게 100층 이상은 사용되지 않는다.
유사한 반사스택의 제조와 구성에 관한 세부사항은 "다중반사 멀티플랙서 및 디멀티플랙서"란 명칭으로 1996년 2월 23일 출원된 본 발명자의 미국 에비특허 출원번호 제 60/012,170에 포함되어 있다. 이 출원은 여기에 참고용으로 포함되어 있다.
위의 모든 실시예가 대형 광학기로 도시되어 있지만, 동일한 실시예가 집적 또는 혼성 광학기에서 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기 입력 및 출력섬유는 광경로 길이차 발생기뿐만아니라 하나 또는 그 이상의 초점 또는 반사 광학기를 포함하는 기판상의 도파관으로 형성될 수 있다. 혼성형태로서, 상기 입력 및 출력섬유와 하나 또는 그 이상의 초점 광학기가 제 1 기판상에 형성될 수 있으며, 상기 광경로 길이차 발생기가 제 2 기판상에 형성될 수 있다. 선택적으로, 제 1 기판은 광경로 길이차 발생기를 포함할 수 있으며, 상기 반사부품은 제 1 기판의 벽체에 장착된 대형 광학기 또는 동일한 벽체상의 반사코팅으로 따로따로 형성될 수 있다. 또한, 상기 초점 광학기는 동일한 집적장치의 일부분이거나 또는 별도로 형성된 휘어진 반사 광학기일 수 있다.
입력 및 출력 통로사이에 정확하게 초점을 맞추도록 각도 오차한도가 없어야한다. 그러나, 측면 또는 세로 크기에는 더 많은 공차가 존재한다. 예를 들어, 상기 스페이서 판의 측방향 위치는 중간빔사이에 있는 빛의 분포에 영향을 주지만, 작은 변화는 단지 스펙트럼 응답을 제한할 뿐이다. 이와 유사하게, 길이의 크기(L)는 0.25㎜ 정도일 수 있으며, 미크론 범위의 아주 작은 변화는 제한적으로 의미있다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명은 단일모드 광섬유의 일부로서 형성될 수 있다. 다중 경로 간섭필터(150)는 단일모드 섬유의 근접한 단부(152)(154)사이에 형성된다. 그린(gradient index) 섬유 로드 렌즈(156)(158)와 광경로 길이차 발생기 역할을 하는 중앙 스페이서(160)는 근접한 단부(152)(154)사이에 용융접합된다.
빛이 이동하는 하나의 방향으로, 상기 그린렌즈(156)는 섬유 단부(152)로부터 방출된 빛을 시준한다. 상기 스페이서 부품(160)은 상기 그린렌즈(156)(158)사이에 연장된 두 개의 축부품(162)(164)(중간통로)으로 분할된다. 각각의 축부품은 서로 다른 물질로 제조되고, 적어도 사용하고자 하는 파장의 범위내에서 서로 다른 굴절률 n1과 n2를 갖는다. 상기 두 개의 축부품(162)(164)을 감싸기 위해 자켓(166)이 사용될 수 있으며, 따라서 각각의 물질은 고체 및 액체 또는 고체 및 기체를 포함하여 다양한 상태일 수 있다. 광감성(예를 들어, GeO2-SiO2) 또는 전자-광학(예를 들어, 액정)물질이 또한 사용될 수 있다.
이전의 실시예(10)(30)(50)(70)와 유사하게, 상기 두 개의 축부품(162)(164)은 시준된 빛을 서로다른 광경로 길이를 갖는 두 개의 중간빔으로 분할한다. 상기 그린 렌즈(158)는 단일모드 섬유 단부(154)상의 초점에 상기 두 중간빔을 재결합한다. 상기 섬유단부(154)에서 결합된 빔사이의 간섭은 도 2에 도시된 것과 유사한 스펙트럼 응답을 발생시킨다. 구멍영역의 다른 양을 점유하는 추가부품이 더 복잡한 응답을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
온도, 압력, 또는 전기장 또는 자기장에 따라 지수가 변하는 하나 또는 그 이상의 물질을 이용하여 동조가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 12는 두 개의 동심부품(172)(174)과, 금속전극(178)(180)으로 부분적으로 둘러싸인 자켓(176)을 갖는 교번 스페이서(170)의 단면을 도시한 도면이다. 내부부품(172)은 유리로 제조되고, 외부부품(174)은 온도에 따라 굴절률이 변하는 중합체로 제조된다. 상기 전극으로 중합체의 온도를 변화시키면 부품(172)(174)사이의 광경로 길이차가 변화됨에 따라 필터의 스펙트럼 응답을 변화시킨다.
도 13 및 도 14는 그린 섬유 로드렌즈(182) 제조방법을 도시한 도면이다. 소정길이(약 10㎝ 내지 20㎝)의 경사지수섬유(184)가 단일모드 섬유(186)에 용융접합된다. 상기 경사지수섬유(184)는 가우스 프로파일에 따라 방사형으로 변하는 지수를 갖는다. 상기 경사지수섬유(184)는 광학축선을 따라 점광원을 다시 초점을 맞추기 위한 전체 사이클의 1/4에 해당하는 길이(LG)까지 선(188)을 따라 기계적으로 쪼개진다. 상기 길이에서, 점광원(즉, 단일모드섬유의 단부)으로부터 나온 빛은 시준된다. 그린 섬유 로드렌즈에 대한 다른 정보는 광파기술신문 LT-5, 1987, 1156 내지 1164페이지의 "경사지수섬유 렌즈에 관한 평가와 분석"이란 제목의 더블유.엘. 엠키와 씨.에이. 잭의 기사에서 찾아볼 수 있다. 이 기사는 여기 참조용으로 포함되어 있다.
도 15는 본 발명의 다중 경로 필터의 또 다른 실시예(190)를 도시한 것으로, 다른 방식으로 초점기능을 실행한다. 도 5 및 도 6의 실시예(70)(90)와 유사하게, 반사면(198)이 광학축선(196)에 걸쳐진 이웃하는 입력 및 출력섬유(192)(194)를 커플링한다. 그러나, 상기 반사면(198)은 초점기능을 제공하기 위하여 휘어진다(바람직하게는 대형 실시에서 구형임). 상기 입력섬유(192)에 의해 방출된 발산빔은 수렴경로상의 반사면(198)에 의해 출력섬유(194)로 대체로 역반사된다.
광학축선(196)을 따라 반사면(198)을 지지하는 스페이서(200)는 대칭(또는 동심) 광학부품(202)(204)으로 이루어지고, 이는 서로다른 굴절률을 갖는다. 입력 및 출력섬유(192)(194)를 연결하는 동길이 중간통로의 일부를 형성하는 상기 광학부품(202)(204)은 반사면(198)의 초점(206)쪽으로 수렴한다. 상기 광학부품(202)(204)의 서로다른 굴절률은 출력섬유(194)에 닿는 재결합된 빔의 스펙트럼 파워분포를 변화시키는 간섭패턴을 형성하기 위한 중간통로의 광경로 길이를 변화시킨다.
유사한 초점기능이 도 8에 도시된 것과 같이 광학축선을 따라 오프셋되지만 공통초점을 향하는 다수개의 개별 반사체로 실시될 수 있다. 상기 오프셋은 굴절률차를 대체하거나 부가하여 중간통로간의 물리적 경로길이차를 생성할 것이다.
다양한 실시예에서 본 발명은 통신 및 센싱기술 분야에서의 응용을 포함하여 넓은 범위의 파장(예를 들어, 1200㎚ 내지 1700㎚)에 대하여 다양한 필터링 응용에 사용될 수 있다. 그러한 응용중 하나가 본 필터에 의해 분리된 특정파장을 증폭하기 위한 광학 증폭기와 관련된다.

Claims (43)

  1. 입력빔을 전송하는 입력 광경로와;
    출력빔을 전송하는 출력 광경로와;
    빔전파 방향으로 연장되고, 서로다른 유효 굴절률을 나타내며 서로다른 광경로 길이를 통하여 입력빔의 분할부를 전송하는 다수개의 중간통로를 갖는 광경로 길이차 발생기와;
    상기 분할빔 부분을 분할빔 부분간의 간섭 결과로서 입력빔에 따라 수정되는 스펙트럼 파워분포를 갖는 출력빔으로 재결합하는 초점 광학기와;
    공통 관계축선과 일직선인 상기 광경로 길이차 발생기와 상기 초점 광학기; 및
    관계축선의 대향측에 대칭인 굴절률 분포를 제공하도록 배열된 상기 중간통로로 구성된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중간통로는 입력빔의 대칭부분을 방사상으로 전송하기 위하여 동심인 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중간통로는 동일한 물리적 길이를 갖고, 서로 다른 광경로 길이를 통하여 입력빔의 분할 부분을 전송하기 위한 서로 다른 굴절률을 갖는 다수개의 고형 광학 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중간통로는 동일한 물리적 길이를 갖고, 서로 다른 유효 굴절률을 나타내기 위하여 서로다른 비율의 동일한 물질의 혼합물로 제조된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 각 혼합물내의 물질은 서로 다른 물리적 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반사면은 중간통로를 통하여 분할빔 부분을 역반사시키기 위하여 상기 중간통로를 따라 형성됨에 따라 상기 분할빔 부분간의 광경로 길이차를 두배로 만드는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 초점 광학기는 중간통로를 통하여 분할빔 부분을 역반사하기 위하여 중간통로를 따라 형성된 반사면인 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 중간통로는 반사면의 초점쪽으로 수렴하는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 초점 광학기와 광경로 길이차 발생기는 광섬유의 길이를 따르는 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 초점 광학기는 광섬유의 길이를 따르는 부분에 형성된 두 개의 초점 광학기중 제 2 초점 광학기이고, 제 1 초점 광학기는 상기 입력통로를 중간통로에 광학적으로 커플링하며, 상기 제 2 초점 광학기는 상기 중간통로를 출력통로에 광학적으로 커플링하는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 초점 광학기는 섬유 경사지수 렌즈인 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  12. 입력빔을 전송하는 입력 광경로와;
    출력빔을 전송하는 출력 광경로와;
    빔전파 방향으로 연장된 다수개의 중간통로를 갖는 광경로 길이차 발생기와;
    서로다른 광경로 길이를 통하여 입력빔의 분할 부분을 전송하기 위한 서로다른 굴절률을 갖는 다수개의 고형 광학물질로 제조되는 상기 중간통로; 및
    상기 분할빔 부분을 분할빔 부분간의 간섭 결과로서 입력빔에 따라 수정되는 스펙트럼 파워분포를 갖는 출력빔으로 재결합하는 초점 광학기로 구성된 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 고형 광학물질은 중간통로를 따라 동일한 길이로 연장된 서로 다른 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 중간통로는 관련축선에 평행하게 연장되고, 고형 광학물질은 관련축선의 대향측에 대칭인 굴절률 분포를 제공하도록 배열된 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 초점 광학기와 광경로 길이차 발생기는 광섬유 길이를 따르는 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 중간통로는 섬유내부의 서로다른 코어물질에 의해 구별되는 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 필터는 중간통로의 유효 굴절률을 변경하는 외부 제어기로 더욱 구성된 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  18. 입력빔을 전송하는 입력 광경로와;
    출력빔을 전송하는 출력 광경로와;
    빔전파 방향으로 연장되고, 서로다른 유효 굴절률을 나타내며 서로다른 광경로 길이를 통하여 입력빔의 분할부를 전송하는 다수개의 동일한 물리적 길이의 중간통로를 갖는 광경로 길이차 발생기와;
    서로다른 유효 굴절률을 나타내기 위한 서로 다른 비율의 동일한 물질의 혼합물로 제조되는 동일한 물리적 길이의 중간통로; 및
    상기 분할빔 부분을 분할빔 부분간의 간섭 결과로서 입력빔에 따라 수정되는 스펙트럼 파워분포를 갖는 출력빔으로 재결합하는 초점 광학기로 구성된 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 각 혼합물내의 물질은 서로다른 물리적 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 물질중 하나는 고체이고, 다른 것은 공기인 것을 특징으로 하는 다중경로 광학필터.
  21. 입력빔을 전송하는 입력 광경로와;
    출력빔을 전송하는 출력 광경로와;
    빔전파 방향으로 연장되고, 서로다른 유효 굴절률을 나타내며 서로다른 광경로 길이를 통하여 입력빔의 분할부를 전송하는 다수개의 동일한 물리적 길이의 중간통로를 갖는 광경로 길이차 발생기와;
    상기 분할빔 부분을 분할빔 부분간의 간섭 결과로서 입력빔에 따라 수정되는 스펙트럼 파워분포를 갖는 출력빔으로 재결합하는 초점 광학기; 및
    상기 중간통로를 통하여 분할빔 부분을 역반사시키기 위하여 상기 중간통로를 따라 형성됨에 따라 상기 분할빔 부분간의 광경로 길이차를 두배로 만드는 반사면으로 구성된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 반사면은 초점 광학기 기능을 하기 위한 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 중간통로는 반사면의 초점쪽으로 수렴하는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  24. 입력 및 출력통로를 광학적으로 커플링하고, 입력 및 출력통로사이에서 빔 전파방향으로 지그재그되며, 상기 입력 및 출력통로사이의 서로다른 물리적 경로 길이를 통하여 빔의 상당 크기로 된 부분을 반사하기 위하여 상대적으로 서로 다른 가로 영역의 양의 크기로 된 반사면 어래이를 갖는 광경로 길이차 발생기와;
    차별적인 크기로 된 빔의 부분사이에 간섭을 높이기 위하여 상대적으로 빔 내부의 가로 에너지 분포에 연관된 크기로 된 반사면으로 구성된 것을 특징으로 하는 입력 및 출력통로사이에 전송되는 광빔의 스펙트럼 파워분포를 변경하기 위한 다중경로 간섭필터.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 반사면은 입력 및 출력통로에 광경로 길이차 발생기를 커플링하는 초점기능을 제공하도록 향한 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 반사면은 대칭인 빔의 부분을 방사상으로 전송하기 위하여 동심인 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 차별적인 크기로된 빔의 부분사이에서 광경로 길이차는 상기 중간통로의 유효 굴절률사이의 차이에 의해 더 변화되는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  28. 전파하는 광빔을 전송하는 입력 및 출력통로와;
    상기 전파빔의 적어도 하나의 파장을 통하여 빔 전파 방향으로 이격된 평면 부분 반사면 적층을 갖는 광경로 길이차 발생기;
    상기 빔 전파 방향에 있는 적어도 하나의 파장과 동일한 서로 다른 물리적 경로 길이를 통하여 전파빔의 분할 부분을 반사하는 각각의 부분 반사면; 및
    상기 전파빔의 스펙트럼 파워분포를 수정하는 간섭패턴을 생성하는 분할 빔 부분을 재결합하는 초점 광학기로 구성된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 부분 반사면은 부분 반사코팅으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 부분 반사코팅은 뚜렷한 반사 및 전송영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 부분 반사면은 적어도 10% 차이나는 굴절률을 갖는 이웃한 물질층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  32. 제 28 항에 있어서, 상기 부분 반사면의 총 개수는 100개 이하인 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 부분 반사면들은 적어도 10μ 이격된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  34. 제 28 항에 있어서, 상기 초점 광학기는 전파빔을 광경로 길이차 발생기의 다수개의 평면 부분 반사면에 수직 입사되도록 향하게 하는 시준기 기능도 하는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  35. 제 28 항에 있어서, 상기 부분 반사면의 반사도는 전파빔의 스펙트럼 파워분포를 더욱 변경하기 위하여 서로 다른 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  36. 제 28 항에 있어서, 상기 부분 반사면의 간격은 전파빔의 스펙트럼 파워분포를 더욱 변경하기 위하여 서로 다른 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  37. 서로 다른 파장 범위를 갖는 입력빔을 시준하는 제 1 섬유렌즈와;
    빔 전파 방향으로 연장된 다수개의 평행 중간통로를 갖고, 서로 다른 유효 굴절률을 나타내며, 서로다른 광경로 길이를 통하여 시준된 빔의 분할부분을 전송하는 스페이서; 및
    상기 분할 빔 부분을 분할빔 부분 사이의 간섭으로 인해 이력빔에 관해 변경된 스펙트럼 파워분포를 갖는 출력빔으로 재결합하는 제 2 섬유 렌즈로 구성되고,
    상기 스페이서는 연속된 섬유 길이를 형성하도록 상기 제 1 및 제 2 섬유 렌즈와 인접하게 장착된 것을 특징으로 하는 광섬유를 따라 형성된 다중경로 간섭필터.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 섬유렌즈는 모두 섬유 경사지수렌즈인 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 중간통로는 서로다른 고형 광학물질로 구별되는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  40. 제 37 항에 있어서, 상기 서로다른 중간통로는 서로다른 유효 굴절률을 나타내기 위하여 서로다른 비율로 동일한 물질의 혼합물로 구별되는 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  41. 제 37 항에 있어서, 상기 중간통로는 상대적으로 입력빔의 상당 크기로된 부분을 전송하기 위하여 서로 다른 양의 가로 영역을 점유하는 크기로 된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 중간통로의 영역은 방사상으로 대칭인 입력빔의 부분을 전송하기 위하여 윤상형태인 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
  43. 제 37 항에 있어서, 상기 필터는 중간통로의 유효 굴절률을 변화시키기 위한 외부 제어기로 더욱 구성된 것을 특징으로 하는 다중경로 간섭필터.
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