KR19990086320A - Bragg diffraction grating with constant temperature characteristics - Google Patents
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Abstract
온도변화시에 반사되는 빛의 중심파장을 일정하게 유지할 수 있는 브라그 회절격자 장치를 제공한다.Provided is a Bragg diffraction grating device that can maintain a constant center wavelength of light reflected when temperature changes.
브라그 회절격자 장치는 제1 회절격자 및 제2 회절격자를 포함하며, 제1 광도파로를 통해 입사되는 빛 중에서 소정의 폭을 가진 반사 파장대역 내의 파장을 가지는 빛을 상기 제1 광도파로를 통해 반사시키고 나머지 빛을 투과시켜 제2 광도파로를 통해 전달시킨다. 제1 회절격자는 상기 입사되는 빛 중 적어도 일부를 받아들이고 상기 소정의 폭을 가진 제1 파장대역 내의 파장을 가지는 빛을 반사시키는데, 온도가 증가함에 따라 상기 제1 파장대역의 중심파장은 증가한다. 제2 회절격자는 상기 입사되는 빛 중 적어도 일부를 받아들이고 상기 소정의 폭을 가진 제2 파장대역 내의 파장을 가지는 빛을 반사시키는데, 온도가 증가함에 따라 상기 제2 파장대역의 중심파장이 감소한다. 제1 회절격자 및 제2 회절격자는 위치적으로 일부 또는 전부 중첩될 수도 있고, 직렬로 배치될 수도 있다.Bragg diffraction grating device includes a first diffraction grating and a second diffraction grating, the light having a wavelength within a reflection wavelength band having a predetermined width of the light incident through the first optical waveguide through the first optical waveguide Reflect and transmit the remaining light through the second optical waveguide. The first diffraction grating receives at least some of the incident light and reflects light having a wavelength within the first wavelength band having the predetermined width, and as the temperature increases, the center wavelength of the first wavelength band increases. The second diffraction grating receives at least some of the incident light and reflects light having a wavelength within the second wavelength band having the predetermined width, and as the temperature increases, the center wavelength of the second wavelength band decreases. The first diffraction grating and the second diffraction grating may be partially or wholly overlapped in position, or may be arranged in series.
이러한 브라그 회절격자 장치는 온도변화시에도 특성이 일정하게 유지되어 장치의 신뢰성이 높아지고, 구조가 간단하며 설치가 용이한 장점이 있다.The Bragg diffraction grating device has the advantage that the characteristics are kept constant even when the temperature changes, the reliability of the device is high, the structure is simple and easy to install.
Description
본 발명은 본 발명은 브라그 회절격자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특성이 다른 두 가지 회절격자가 복합화된 복합 회절격자에 관한 것이다.The present invention relates to a Bragg diffraction grating, and more particularly, to a complex diffraction grating in which two diffraction gratings having different characteristics are combined.
일반적으로 브라그 회절격자는 도파로 상의 일정 부분에서 굴절율이 주기적으로 변하는 형태를 가지는 광소자로서, 입사되는 빛 중 특정 파장을 중심으로 한 일정 대역의 빛을 반사시키고 나머지 빛은 통과시키는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 가진 브라그 회절격자는 광필터, 광섬유 레이저, 파장 분할 다중화 소자(Wavelength Division Multiplexer), 광 센서 및 분산보상 소자 등 여러 분야에 응용될 수 있으며, 실제로 상기와 같은 응용분야 중 일부에서는 이미 상용화되고 있다.In general, the Bragg diffraction grating is an optical device having a form in which the refractive index is periodically changed in a portion of the waveguide. The Bragg diffraction grating reflects light of a predetermined band centered on a specific wavelength among incident light and passes the remaining light. . Bragg diffraction gratings having these characteristics can be applied to various fields such as optical filters, optical fiber lasers, wavelength division multiplexers, optical sensors, and dispersion compensation elements. It is commercialized.
그런데, 브라그 회절격자는 그 구조적 특성 및 구성물질의 특성으로 인하여 온도에 따라 반사시키는 빛의 대역이 변하는 문제점이 있다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 다음과 같다.However, the Bragg diffraction grating has a problem in that the band of reflected light varies with temperature due to its structural characteristics and the properties of the constituent materials. In more detail, it is as follows.
브라그 회절격자에 빛이 입사될 때, 반사되는 빛의 중심파장 즉 브라그 파장은 다음 수학식 1의 브라그 조건(Bragg Condition)에 의해 표현된다.When light is incident on the Bragg diffraction grating, the central wavelength of the reflected light, that is, the Bragg wavelength, is expressed by the Bragg Condition of Equation 1 below.
여기서, λB는 반사되는 빛의 중심파장을 나타내고, ηeff는 브라그 회절격자의 유효굴절율을 나타내며, Λ는 브라그 회절격자의 격자주기를 나타내고, m은 정수이다. 수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 반사되는 빛의 중심파장은 브라그 회절격자의 유효굴절율과 격자주기에 비례한다. 즉, 회절격자의 유효굴절율과 격자주기가 작을수록 반사되는 빛의 중심파장은 짧아지고, 회절격자의 유효굴절율과 격자주기가 클수록 반사되는 빛의 중심파장은 길어진다.Here, λ B represents the central wavelength of the reflected light, η eff represents the effective refractive index of the Bragg diffraction grating, Λ represents the lattice period of the Bragg diffraction grating, and m is an integer. As can be seen from Equation 1, the center wavelength of the reflected light is proportional to the effective refractive index of the Bragg diffraction grating and the lattice period. That is, the smaller the effective refractive index and the lattice period of the diffraction grating, the shorter the center wavelength of the reflected light. The larger the effective refractive index and the lattice period of the diffraction grating, the longer the center wavelength of the reflected light.
한편, 주변 온도 변화로 인해 브라그 회절격자의 온도가 변하게 되면, 열팽창(Thermal Expansion) 효과에 의해 브라그 회절격자의 격자주기(Λ)가 변화하게 되고 또한 열광학(Thermo-optic) 효과에 의해 브라그 회절격자의 유효굴절율(ηeff)도 변화하게 된다. 이에 따라, 브라그 파장도 달라지게 된다. 온도 변화에 따른 브라그 파장의 변화는 일반적으로 수학식 2에 의해 표현된다.On the other hand, when the temperature of Bragg diffraction grating changes due to the change in ambient temperature, the lattice period (Λ) of Bragg diffraction grating is changed by the thermal expansion effect and also by the thermo-optic effect. The effective refractive index η eff of the Bragg diffraction grating also changes. Accordingly, the Bragg wavelength also changes. The change in Bragg wavelength with temperature change is generally represented by Equation 2.
여기서, ΔλB는 반사되는 빛의 중심파장의 변화량을 나타내고, ΔT는 온도변화량을 나타내며, α는 열팽창 계수(Thermal Expansion Coefficient) 즉 온도에 따른 길이의 변화율 1/L(dL/dT)를 나타내고, ξ는 열광학 계수(Thermo-optic Coefficient) 즉 온도에 따른 굴절율 변화율 1/η(dη/dT)를 나타낸다.Here, Δλ B represents the amount of change in the central wavelength of the reflected light, ΔT represents the amount of change in temperature, α represents the Thermal Expansion Coefficient, that is, the rate of change of length 1 / L (dL / dT) over temperature, ξ represents the thermo-optic coefficient, that is, the refractive index change rate 1 / η (dη / dT) with temperature.
수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 열팽창 계수(α) 및 열광학 계수(ξ)가 양의 값을 가질 때 반사되는 빛의 중심파장은 온도변화에 비례하여 변화한다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 실리카 광섬유의 경우, 열팽창 계수(α)는 0.55×10-6/℃이고, 열광학 계수(ξ)는 6.7×10-6/℃이다. 따라서 실리카 광섬유 상에 구현된 회절격자의 경우, 회절격자의 온도가 올라감에 따라 반사되는 빛의 중심파장은 장파장 쪽으로 천이하게 되고, 회절격자의 온도가 낮아짐에 따라 반사되는 빛의 중심파장은 단파장 쪽으로 천이하게 된다.As can be seen from Equation 2, the central wavelength of reflected light changes in proportion to the temperature change when the thermal expansion coefficient α and the thermo-optic coefficient ξ have positive values. In the case of silica fibers which are generally used, the coefficient of thermal expansion α is 0.55 × 10 −6 / ° C., and the thermo-optic coefficient ξ is 6.7 × 10 −6 / ° C. Therefore, in the case of the diffraction grating implemented on the silica optical fiber, the center wavelength of the reflected light shifts toward the longer wavelength as the temperature of the diffraction grating increases, and the center wavelength of the reflected light as the temperature of the diffraction grating decreases toward the shorter wavelength. It is a transition.
이러한 온도 특성은 브라그 회절격자의 신뢰성을 크게 떨어뜨리게 되고, 이에 따라 정밀함을 필요로 하는 응용분야에서는 브라그 회절격자의 사용이 제한될 수 있게 된다.Such temperature characteristics greatly reduce the reliability of the Bragg diffraction grating, and thus, the use of the Bragg diffraction grating may be limited in applications requiring precision.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 방법 중 하나는 열팽창 계수가 다른 두 물질을 사용하여 브라그 회절격자의 외부를 튜브 형태를 감아서 패키징하는 것으로서, 요페 등에 의해 1995년 10월 20일 응용광학(Applied Optics) 제34권 제30호에 기고된 "광섬유 격자의 수동 온도보상 패키지(Passive temperature-compensating package for optical fiver gratings)에 기재되어 있다. 도 1은 상기 논문에 기재된 패키지를 보여준다. 도 1을 참조하면, 광섬유 격자(1)의 양단은 에폭시(2)에 의해 알루미늄 캡(3)과 알루미늄 튜브(4)에 부착되어 있다. 상기 알루미늄 캡(3)은 실리카 튜브(5)의 일단에 결합되어 있으며, 알루미늄 튜브(4)는 너트(6)를 통해 실리카 튜브(5)의 타단에 결합되어 있다. 주변온도가 올라가면 실리카 튜브(5)는 광섬유 길이 방향으로 약간 팽창한다. 이때 알루미늄 캡(3)과 알루미늄 튜브(4)는 내측으로 팽창하게 되는데, 알루미늄의 열팽창 계수가 실리카의 열팽창 계수보다 크기 때문에 알루미늄 캡(3) 및 알루미늄 튜브(4)의 길이가 실리카 튜브(5)보다 짧음에도 불구하고 알루미늄 캡(3) 및 알루미늄 튜브(4)의 팽창이 실리카 튜브(5)의 팽창을 상쇄시킬 수 있다. 이에 따라, 광섬유 격자(1)의 길이가 거의 일정하게 유지될 수 있다. 특히 알루미늄 튜브(4)의 외측면에는 나사구조가 형성되어 있기 때문에 온도 특성을 미세하게 조정한 후 광섬유 격자의 일단부를 에폭시를 사용하여 고정할 수 있게 된다.One conventional method to solve this problem is to package the outside of the Bragg diffraction grating by using two materials having different thermal expansion coefficients, which is packaged by Yope et al. Optics), which is described in "Passive temperature-compensating package for optical fiver gratings," published in Vol. 34, No. 30. Fig. 1 shows the package described in the paper. On the lower side, both ends of the optical fiber grating 1 are attached to the aluminum cap 3 and the aluminum tube 4 by epoxy 2. The aluminum cap 3 is connected to one end of the silica tube 5, The aluminum tube 4 is coupled to the other end of the silica tube 5 via a nut 6. As the ambient temperature rises, the silica tube 5 expands slightly in the length direction of the optical fiber, at which time the aluminum cap 3 The aluminum tube 4 expands inward, although the aluminum cap 3 and the aluminum tube 4 are shorter than the silica tube 5 because the coefficient of thermal expansion of the aluminum is greater than that of the silica. The expansion of 3 and the aluminum tube 4 can offset the expansion of the silica tube 5. Thus, the length of the optical fiber grating 1 can be kept almost constant, in particular the aluminum tube 4 Since the screw structure is formed on the outer surface of the optical fiber grating, one end of the optical fiber grating can be fixed by using epoxy.
그런데, 도 1에 도시된 종래의 온도보상 구조는 구조가 복잡하고 필요한 부재들이 많아 설치를 위한 원가가 많이 드는 문제점이 있다.However, the conventional temperature compensation structure shown in FIG. 1 has a problem in that the structure is complicated and the required members are large and cost is high for installation.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 온도변화시에 반사되는 빛의 중심파장을 일정하게 유지할 수 있고, 구조가 간단하며 설치가 용이한 브라그 회절격자 장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and the technical problem is to provide a Bragg diffraction grating device that can maintain a constant central wavelength of light reflected at a temperature change and is simple in structure and easy to install. do.
도 1은 종래의 온도보상을 위한 광섬유 격자 장치를 보여주는 도면이다.1 is a view showing a conventional optical fiber grating device for temperature compensation.
도 2는 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 개념적 블록도이다.2 is a conceptual block diagram of a Bragg diffraction grating device according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 일 실시예를 보여주는 도면이다.3 is a view showing an embodiment of a Bragg diffraction grating device according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.4 is a view showing another embodiment of the Bragg diffraction grating device according to the present invention.
도 5는 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 또다른 실시예를 보여주는 도면이다.5 is a view showing another embodiment of the Bragg diffraction grating device according to the present invention.
도 6은 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 또다른 실시예를 보여주는 도면이다.6 is a view showing another embodiment of the Bragg diffraction grating device according to the present invention.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 브라그 회절격자 장치는 온도변화에 따른 중심파장 천이 방향이 다른 복수의 회절격자를 조합함으로써 구성된다.Bragg diffraction grating device of the present invention for achieving the above technical problem is configured by combining a plurality of diffraction gratings having different center wavelength transition direction according to the temperature change.
본 발명의 일 예에 의하면, 브라그 회절격자 장치는 제1 회절격자 및 제2 회절격자를 포함하며, 제1 광도파로를 통해 입사되는 빛 중에서 소정의 폭을 가진 반사 파장대역 내의 파장을 가지는 빛을 상기 제1 광도파로를 통해 반사시키고 나머지 빛을 투과시켜 제2 광도파로를 통해 전달시킨다. 제1 회절격자는 상기 입사되는 빛 중 적어도 일부를 받아들이고 상기 소정의 폭을 가진 제1 파장대역 내의 파장을 가지는 빛을 반사시키는데, 온도가 증가함에 따라 상기 제1 회절격자의 상기 제1 파장대역의 중심파장은 증가 또는 감소한다. 제2 회절격자는 상기 입사되는 빛 중 적어도 일부를 받아들이고 상기 소정의 폭을 가진 제2 파장대역 내의 파장을 가지는 빛을 반사시키는데, 온도가 증가함에 따라 상기 제2 회절격자의 상기 제2 파장대역의 중심파장이 제1 회절격자의 중심파장과 반대방향으로 증감한다. 제1 회절격자 및 제2 회절격자는 위치적으로 일부 또는 전부 중첩될 수도 있고, 직렬로 배치될 수도 있다.According to one embodiment of the present invention, the Bragg diffraction grating device includes a first diffraction grating and a second diffraction grating, the light having a wavelength within the reflection wavelength band having a predetermined width among the light incident through the first optical waveguide Is reflected through the first optical waveguide and transmits the remaining light to pass through the second optical waveguide. The first diffraction grating receives at least a portion of the incident light and reflects light having a wavelength within the first wavelength band having the predetermined width, wherein as the temperature increases, the first diffraction grating of the first wavelength band The center wavelength increases or decreases. The second diffraction grating receives at least a portion of the incident light and reflects light having a wavelength within the second wavelength band having the predetermined width, wherein as the temperature increases, the second diffraction grating of the second wavelength band The center wavelength increases and decreases in a direction opposite to the center wavelength of the first diffraction grating. The first diffraction grating and the second diffraction grating may be partially or wholly overlapped in position, or may be arranged in series.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 부분에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. In the following description, the same reference numerals are used for the same or corresponding parts.
도 2(a)는 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 일 예를 개념적으로 보여준다.2 (a) conceptually shows an example of a Bragg diffraction grating device according to the present invention.
제1 광도파로(10)를 통해 입사되는 빛(42) 중 일정한 폭을 가진 반사 파장대역 내의 파장을 가지는 빛은 브라그 회절격자 장치(20)에 의해 반사된다. 한편, 브라그 회절격자 장치(20)를 투과한 나머지 빛(46)은 제2 광도파로(30)를 통해 전달된다.Among the lights 42 incident through the first optical waveguide 10, light having a wavelength within a reflection wavelength band having a predetermined width is reflected by the Bragg diffraction grating device 20. On the other hand, the remaining light 46 transmitted through the Bragg diffraction grating device 20 is transmitted through the second optical waveguide 30.
상기 브라그 회절격자 장치(20)는 제1 격자(22) 및 제2 격자(24)를 포함한다. 제1 격자(22)는 입사되는 빛(42)을 받아들이고 일정한 반사 파장대역 내의 파장을 가지는 빛을 반사시킨다. 여기서, 제1 격자(22)의 반사 파장대역은 브라그 회절격자 장치(20)의 전체적인 반사 파장대역과 같은 것이 바람직하다. 또한, 제1 격자(22)의 열팽창 계수 및 열광학 계수의 합(α＋ξ)은 양(또는, 음)의 값을 가지며, 따라서 온도가 증가함에 따라 제1 격자(22)의 반사 파장대역의 중심파장은 장파장(또는, 단파장) 쪽으로 천이한다.The Bragg diffraction grating device 20 includes a first grating 22 and a second grating 24. The first grating 22 receives incident light 42 and reflects light having a wavelength within a predetermined reflection wavelength band. Here, the reflection wavelength band of the first grating 22 is preferably the same as the overall reflection wavelength band of the Bragg diffraction grating device 20. In addition, the sum (α + ξ) of the thermal expansion coefficient and the thermo-optic coefficient of the first grating 22 has a positive (or negative) value, and thus the center of the reflected wavelength band of the first grating 22 as the temperature increases. The wavelength shifts toward the longer wavelength (or shorter wavelength).
한편, 제2 격자(24)는 제1 격자(22)를 일부 또는 전부 통과한 빛을 받아들이고 일정한 반사 파장대역 내의 파장을 가지는 빛을 반사시킨다. 여기서, 제2 격자(24)의 반사 파장대역은 브라그 회절격자 장치(20)의 전체적인 반사 파장대역과 같은 것이 바람직하다. 또한, 상온에서 제2 격자(24)의 반사 파장대역의 중심파장은 제1 격자(22)의 반사 파장대역의 중심파장과 같거나 비슷하다. 그리고, 제2 격자(24)의 열팽창 계수 및 열광학 계수의 합(α'＋ξ')은 음(또는, 양)의 값을 가지며, 따라서 온도가 증가함에 따라 제2 격자(24)의 반사 파장대역의 중심파장은 단파장(또는, 장파장) 쪽으로 천이한다.On the other hand, the second grating 24 receives light passing through part or all of the first grating 22 and reflects light having a wavelength within a predetermined reflection wavelength band. Here, the reflection wavelength band of the second grating 24 is preferably the same as the overall reflection wavelength band of the Bragg diffraction grating device 20. Further, at room temperature, the center wavelength of the reflection wavelength band of the second grating 24 is the same as or similar to the center wavelength of the reflection wavelength band of the first grating 22. In addition, the sum (α '+ ξ') of the thermal expansion coefficient and the thermo-optic coefficient of the second grating 24 has a negative (or positive) value, and thus the reflection wavelength of the second grating 24 as the temperature increases. The center wavelength of the band shifts toward the short wavelength (or long wavelength).
이와 같은 브라그 회절격자 장치에 있어서, 온도 변화에 따른 브라그 파장의 변화는 수학식 3에 의해 표현된다.In such Bragg diffraction grating device, the change of Bragg wavelength with temperature change is represented by Equation (3).
여기서, α 및 ξ는 제1 격자(22)의 열팽창 계수 및 열광학 계수를 각각 나타내고, α' 및 ξ'은 제2 격자(24)의 열팽창 계수 및 열광학 계수를 각각 나타낸다.Here, α and ξ represent thermal expansion coefficients and thermo-optic coefficients of the first grating 22, respectively, and α 'and ξ' represent thermal expansion coefficients and thermo-optic coefficients of the second grating 24, respectively.
위에서 기술한 바와 같이 본 발명에서는 제2 격자(24)의 열팽창 계수 및 열광학 계수의 합(α'＋ξ')이 제1 격자(22)의 열팽창 계수 및 열광학 계수의 합(α＋ξ)과 크기가 같고 다른 부호를 가지게 함으로써, α＋ξ＋α'＋ξ'의 값이 0 또는 이에 가까운 값이 되도록 한다. α＋ξ＋α'＋ξ'의 값이 0이 된다면, 온도 변화가 있더라도 반사 파장대역의 중심파장이 변화하지 않고 일정한 값으로 고정될 수 있게 된다.As described above, in the present invention, the sum (α '+ ξ') of the thermal expansion coefficient and the thermo-optic coefficient of the second grating 24 is equal to the sum (α + ξ) and the magnitude of the thermal expansion coefficient and the thermo-optic coefficient of the first grating 22. By having the same and different signs, the value of α + ξ + α '+ ξ' is set to 0 or a value close thereto. If the value of α + ξ + α '+ ξ' becomes 0, even if there is a temperature change, the center wavelength of the reflected wavelength band does not change and can be fixed to a constant value.
이와 같은 브라그 회절격자 장치(20)는 온도 변화에 따라서 다음과 같이 동작한다. 상온에서는 제1 격자(22)의 반사 파장대역의 중심파장이 제2 격자(24)의 반사 파장대역의 중심파장과 같다. 또한, 제1 격자(22)의 반사 파장대역이 제2 격자(24)의 반사 파장대역과 동일하기 때문에, 제1 격자(22)와 제2 격자(24)는 동일하게 동작한다. 한편, 온도가 높아지게 되면, 제1 격자(22)의 반사 중심파장은 장파장 쪽으로 천이하게 되고 제2 격자(24)의 반사 중심파장은 단파장 쪽으로 천이하게 된다. 따라서, 결과적으로 브라그 회절격자 장치(20)의 반사 중심파장은 일정하게 유지된다. 또한, 온도가 낮아지는 경우에는, 제1 격자(22)의 반사 중심파장은 단파장 쪽으로 천이하게 되고 제2 격자(24)의 반사 중심파장은 장파장 쪽으로 천이하게 되어, 이 경우에 있어서도 브라그 회절격자 장치(20)의 반사 중심파장이 일정하게 유지된다.The Bragg diffraction grating device 20 operates as follows in accordance with the temperature change. At room temperature, the center wavelength of the reflection wavelength band of the first grating 22 is equal to the center wavelength of the reflection wavelength band of the second grating 24. In addition, since the reflection wavelength band of the first grating 22 is the same as the reflection wavelength band of the second grating 24, the first grating 22 and the second grating 24 operate the same. On the other hand, when the temperature increases, the reflected center wavelength of the first grating 22 shifts toward the long wavelength and the reflected center wavelength of the second grating 24 shifts toward the short wavelength. As a result, the reflected center wavelength of the Bragg diffraction grating device 20 is kept constant. In addition, when the temperature is lowered, the reflected center wavelength of the first grating 22 shifts toward the shorter wavelength and the reflected center wavelength of the second grating 24 shifts to the longer wavelength. In this case, the Bragg diffraction grating also The reflected center wavelength of the device 20 remains constant.
도 2(a)에서는 제1 격자(22)의 후단에 제2 격자(24)가 배치되어 있지만, 이들의 위치관계는 서로 바뀔 수 있다.In FIG. 2A, the second grating 24 is disposed at the rear end of the first grating 22, but their positional relationship may be changed.
한편, 도 2(b) 및 2(c)는 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 다른 예들(20a, 20b)을 개념적으로 보여준다. 도 2(a)의 장치에서는 제1 회절격자(22)와 제2 회절격자(24)가 부분적으로 중첩되었지만, 도 2(b)의 장치에서와 같이 제1 회절격자(22a)와 제2 회절격자(24a)가 공간적으로 완전히 일치하거나 어느 하나가 다른 하나를 공간적으로 포함하고 있을 수도 있다. 도 2(b)에 있어서, 참조부호 42a, 44a 및 46a는 입사되는 빛, 회절격자 장치에 의해 반사되는 빛 그리고 회절격자를 투과하는 빛을 각각 나타낸다. 한편, 도 2(c)의 장치에 있어서는, 제1 회절격자(22b)와 제2 회절격자(24b)가 직렬로 연결되어 있다. 도 2(c)의 장치에 있어서는 제1 회절격자(22b) 후단에 제2 회절격자(24b)가 배치되어 있지만, 이들의 위치관계는 서로 바뀔 수도 있다. 도 2(c)에 있어서, 참조부호 42b, 44b 및 46b는 입사되는 빛, 회절격자 장치에 의해 반사되는 빛 그리고 회절격자를 투과하는 빛을 각각 나타낸다.2 (b) and 2 (c) conceptually show other examples 20a and 20b of the Bragg diffraction grating device according to the present invention. Although the first diffraction grating 22 and the second diffraction grating 24 partially overlap in the apparatus of FIG. 2 (a), the first diffraction grating 22a and the second diffraction are similar to those of the apparatus of FIG. 2 (b). The gratings 24a may coincide spatially or one may spatially include the other. In Fig. 2B, reference numerals 42a, 44a, and 46a denote incident light, light reflected by the diffraction grating device, and light passing through the diffraction grating, respectively. On the other hand, in the apparatus of Fig. 2C, the first diffraction grating 22b and the second diffraction grating 24b are connected in series. In the apparatus of Fig. 2C, although the second diffraction grating 24b is arranged at the rear end of the first diffraction grating 22b, their positional relationship may be changed. In Fig. 2C, reference numerals 42b, 44b, and 46b denote incident light, light reflected by the diffraction grating device, and light passing through the diffraction grating, respectively.
도 3(a)는 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 일 실시예를 보여준다. 도 3(b) 및 도 3(c)는 도 3(a)의 이해를 돕기 위해 도 3(a)의 브라그 회절격자 장치에서의 제1 격자(22) 및 제2 격자(24)를 구분하여 도시한 도면이다.Figure 3 (a) shows an embodiment of the Bragg diffraction grating device according to the present invention. 3 (b) and 3 (c) distinguish the first grating 22 and the second grating 24 in the Bragg diffraction grating device of FIG. 3 (a) to facilitate understanding of FIG. 3 (a). The figure is shown.
도 3(a) 및 도 3(b)에 있어서, 제1 격자(22)는 제1 및 제2 광도파로들 사이의 도파로 부분(50)에 주기적으로 형성된 n 개의 유효굴절율 변화 패턴에 의해 구현된다. 상기 n 개의 유효굴절율 변화 패턴 각각은 유효굴절율이 η1인 부분과 유효굴절율이 η2인 부분을 포함하며, Λ1내지 Λn의 격자주기를 각각 가진다. 또한, 도 3(a) 및 도 3(c)에 있어서, 제2 격자(24)는 도파로(50) 상에 주기적으로 형성된 n 개의 유효굴절율 변화 패턴에 의해 구현된다. 상기 n 개의 유효굴절율 변화 패턴 각각은 유효굴절율이 η1인 부분과 유효굴절율이 η3인 부분을 포함하며, Λ1내지 Λn의 격자주기를 각각 가진다.3 (a) and 3 (b), the first grating 22 is implemented by n effective refractive index change patterns periodically formed in the waveguide portion 50 between the first and second optical waveguides. . Each of the n effective refractive index change patterns includes a portion having an effective refractive index of η 1 and a portion having an effective refractive index of η 2 , and each having a lattice period of Λ 1 to Λ n . In addition, in FIGS. 3A and 3C, the second grating 24 is implemented by n effective refractive index change patterns periodically formed on the waveguide 50. Each of the n effective refractive index change patterns includes a portion having an effective refractive index of η 1 and a portion having an effective refractive index of η 3 , and each having a lattice period of Λ 1 to Λ n .
도 3(a) 및 도 3(b)에서의 굴절율 η2와 도 3(a) 및 도 3(c)에서의 굴절율 η3은 위치에 따라 다를 수 있다.3 (a) and Figure 3 and a refractive index η 2 in Fig. 3 (b) (a) and refractive index η 3 in Fig. 3 (c) may be different depending on the location.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및 제2 격자(22, 24)의 유효굴절율 변화 패턴은 도파로(50)에 마스크를 씌운 상태에서 또는 간섭계를 사용하여 서로 다른 파장의 빛에 일정시간 노출시킴으로써 부여될 수 있다. 물론 이에 대한 대안으로서, 다양한 종류의 다른 방법들이 사용될 수도 있다. 예컨대, 동일한 파장의 빛을 서로 다른 시간 동안 노출시키거나 또는 종류가 다른 불순물을 선택적으로 도핑함으로써 제1 및 제2 격자(22, 24)의 유효굴절율 변화 패턴을 부여할 수도 있다. 또는, 제1 및 제2 격자(22, 24) 제작시에 사용하는 파장을 다르게 하여 노출함으로써, 열적 특성이 반대인 제1 및 제2 격자(22, 24)를 제작할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the effective refractive index change patterns of the first and second gratings 22 and 24 are exposed to light of different wavelengths for a predetermined time while the waveguide 50 is masked or using an interferometer. Can be given. As an alternative to this, of course, various kinds of other methods may be used. For example, the effective refractive index change patterns of the first and second gratings 22 and 24 may be imparted by exposing light of the same wavelength for different times or by selectively doping different types of impurities. Alternatively, the first and second gratings 22 and 24 having opposite thermal characteristics can be fabricated by exposing different wavelengths to be used for fabricating the first and second gratings 22 and 24.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및 제2 격자(22, 24)의 각 패턴의 격자주기(Λ1내지 Λn)는 동일한 값을 가진다. 그렇지만, 다른 실시예에 있어서는, 격자주기 값들이 선형적으로 변화되도록 하여 분산 보상 기능을 강화시킬 수도 있다. 또한 다른 실시예에 있어서는 격자주기 값들이 비선형적으로 변화하도록 함으로써 또는 굴절율 η1, η2및 η3의 값을 위치에 따라 다르게 해줌으로써, 아포다이제이션(Apodization) 처리가 되게 하여 초고속 광통신용으로 적합해지도록 할 수도 있다.Further, in the preferred embodiment of the present invention, the lattice periods Λ 1 to Λ n of each pattern of the first and second gratings 22 and 24 have the same value. However, in other embodiments, the lattice period values may be changed linearly to enhance variance compensation. In another embodiment, the lattice period values are changed nonlinearly, or the values of the refractive indices η 1 , η 2 and η 3 vary depending on the position, so that the apodization process is performed for ultra high speed optical communication. It can also be adapted.
도 4(a)는 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 다른 실시예를 보여준다. 도 4(b) 및 도 4(c)는 도 4(a)의 이해를 돕기 위해 도 4(a)의 브라그 회절격자 장치에서의 제1 격자(22) 및 제2 격자(24)를 구분하여 도시한 도면이다.Figure 4 (a) shows another embodiment of the Bragg diffraction grating device according to the present invention. 4 (b) and 4 (c) distinguish the first grating 22 and the second grating 24 in the Bragg diffraction grating device of FIG. 4 (a) to facilitate understanding of FIG. 4 (a). The figure is shown.
바람직한 실시예에 있어서, 도 4(a)의 장치가 구현되는 광도파로는 광 파이버이다. 따라서, 도 4(a) 내지 도 4(c)에 있어서, 참조부호 60 및 62는 광파이버의 코어 및 클래딩을 각각 나타낸다. 상기 도 4(a) 및 도 4(b)에 있어서, 제1 격자(22)는 광파이버의 클래딩(62)에 주기적으로 형성된 n 개의 유효굴절율 변화 패턴에 의해 구현된다. 상기 n 개의 유효굴절율 변화 패턴 각각은 유효굴절율이 η4인 부분과 유효굴절율이 η2인 부분을 포함하며, Λ1내지 Λn의 격자주기를 각각 가진다. 또한, 도 4(a) 및 도 4(c)에 있어서, 제2 격자(24)는 광파이버의 클래딩(62)에 주기적으로 형성된 n 개의 유효굴절율 변화 패턴에 의해 구현된다. 상기 n 개의 유효굴절율 변화 패턴 각각은 유효굴절율이 η4인 부분과 유효굴절율이 η3인 부분을 포함하며, Λ1내지 Λn의 격자주기를 각각 가진다.In a preferred embodiment, the optical waveguide in which the apparatus of FIG. 4 (a) is implemented is an optical fiber. Therefore, in Figs. 4A to 4C, reference numerals 60 and 62 denote cores and claddings of the optical fiber, respectively. 4 (a) and 4 (b), the first grating 22 is implemented by n effective refractive index change patterns periodically formed in the cladding 62 of the optical fiber. Each of the n effective refractive index change patterns includes a portion having an effective refractive index of η 4 and a portion having an effective refractive index of η 2 , and each having a lattice period of Λ 1 to Λ n . 4 (a) and 4 (c), the second grating 24 is implemented by n effective refractive index change patterns periodically formed in the cladding 62 of the optical fiber. Each of the n effective refractive index change patterns includes a portion having an effective refractive index of η 4 and a portion having an effective refractive index of η 3 , and each having a lattice period of Λ 1 to Λ n .
도 4의 실시예에 있어서, 제1 격자(22)의 유효굴절율 변화 패턴은 도파로(60)에 마스크를 씌운 상태에서 열팽창 계수 및 열광학 계수의 합(α＋ξ)이 양(또는, 음)의 값을 가지는 불순물을 선택적으로 도핑함으로써 부여된다. 또한, 제2 격자(24)의 유효굴절율 변화 패턴은 열팽창 계수 및 열광학 계수의 합(α'＋ξ')이 음(또는, 양)의 값을 가지는 불순물을 선택적으로 도핑함으로써 부여된다.In the embodiment of FIG. 4, the effective refractive index change pattern of the first grating 22 is a positive (or negative) value of the sum (α + ξ) of the thermal expansion coefficient and the thermo-optic coefficient in a state in which the waveguide 60 is masked. It is imparted by selectively doping the impurity having. In addition, the effective refractive index change pattern of the second grating 24 is imparted by selectively doping impurities in which the sum (α '+ ξ') of the thermal expansion coefficient and the thermo-optic coefficient has a negative (or positive) value.
한편, 도 4의 실시예는 평면 도파로상에 구현될 수도 있다. 이러한 경우, 제1 및 제2 격자(22, 24)는 기판(60) 상에 도파층(62)을 덧씌우고 상기 도파층(62)에 반복적인 유효굴절율 변화 패턴을 형성함으로써 구현된다.Meanwhile, the embodiment of FIG. 4 may be implemented on a planar waveguide. In this case, the first and second gratings 22 and 24 are implemented by overlaying the waveguide layer 62 on the substrate 60 and forming a repetitive effective refractive index change pattern in the waveguide layer 62.
아울러, 도 4의 실시예에 있어서도, 제1 및 제2 격자(22, 24)의 각 패턴의 격자주기(Λ1내지 Λn)는 동일한 값을 가질 수도 있고, 선형적 또는 비선형적으로 변화할 수도 있다. 또한, 도 4(a) 및 도 4(b)에서의 굴절율 η2와 도 4(a) 및 도 4(c)에서의 굴절율 η3은 위치에 따라 다를 수 있다.4, the lattice periods Λ 1 to Λ n of each pattern of the first and second gratings 22 and 24 may have the same value and may change linearly or nonlinearly. It may be. Further, the refractive index η 2 in FIGS. 4A and 4B and the refractive index η 3 in FIGS. 4A and 4C may differ depending on the position.
도 5는 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 또다른 실시예를 보여준다.5 shows another embodiment of the Bragg diffraction grating device according to the present invention.
도 5의 브라그 회절격자 장치(20)는 평면 도파로 상에서 주로 구현되지만, 광섬유에서 구현될 수도 있다. 이때, 제1 격자(22)는 도파로의 도파층(70)에 주기적으로 형성된 n 개의 유효굴절율 변화 패턴에 의해 구현된다. 상기 n 개의 유효굴절율 변화 패턴 각각은 유효굴절율이 η1인 부분과 유효굴절율이 η2인 부분을 포함하며, Λ1내지 Λn의 격자주기를 각각 가진다. 제2 격자(24)는 도파층(70) 상에 주기적으로 n 개의 돌기를 부착, 코팅, 증착 또는 접착함으로써 구현된다. 한편, 본 실시예가 변형된 다른 실시예에 있어서는, 제2 격자(24)가 도파로의 도파층(70)에 형성된 n 개의 유효굴절율 변화 패턴에 의해 구현되고, 제1 격자(22)가 도파층(70) 상에 부착된 n 개의 돌기에 의해 구현될 수도 있다.The Bragg diffraction grating device 20 of FIG. 5 is primarily implemented on a planar waveguide, but may be implemented in an optical fiber. In this case, the first grating 22 is implemented by n effective refractive index change patterns periodically formed in the waveguide layer 70 of the waveguide. Each of the n effective refractive index change patterns includes a portion having an effective refractive index of η 1 and a portion having an effective refractive index of η 2 , and each having a lattice period of Λ 1 to Λ n . The second grating 24 is implemented by periodically attaching, coating, depositing or adhering n protrusions on the waveguide layer 70. Meanwhile, in another embodiment in which the present embodiment is modified, the second grating 24 is implemented by n effective refractive index change patterns formed in the waveguide layer 70 of the waveguide, and the first grating 22 is formed of the waveguide layer ( 70) may be implemented by n projections attached on the substrate.
한편 도 5의 실시예에 있어서도, 제1 및 제2 격자(22, 24)의 각 패턴의 격자주기(Λ1내지 Λn, 또는 Λ1' 내지 Λn')는 동일한 값을 가질 수도 있고, 선형적 또는 비선형적으로 변화할 수도 있다. 또한, 도 5에서의 굴절율 η1과 η2의 값도 위치에 따라 다를 수 있다.5, the lattice periods Λ 1 to Λ n , or Λ 1 ′ to Λ n ′ of the patterns of the first and second gratings 22 and 24 may have the same value. It may change linearly or nonlinearly. In addition, the values of the refractive indexes η 1 and η 2 in FIG. 5 may also vary depending on the position.
도 6은 본 발명에 의한 브라그 회절격자 장치의 또다른 실시예를 보여준다.6 shows another embodiment of the Bragg diffraction grating device according to the present invention.
도 6의 브라그 회절격자 장치(20)는 제1 도파층(80)과 상기 도파층(80)상에 형성된 제2 도파층(84)을 포함하는 평면 도파로 상에서 주로 구현되지만, 광섬유에서도 구현될 수 있다. 이때, 제1 격자(22)는 제1 도파층(80)에 주기적으로 형성된 n 개의 유효굴절율 변화 패턴에 의해 구현된다. 상기 n 개의 유효굴절율 변화 패턴 각각은 유효굴절율이 η1인 부분과 유효굴절율이 η2인 부분을 포함하며, Λ1내지 Λn의 격자주기를 각각 가진다. 제2 격자(24)는 제2 도파층(84)을 선택적으로 식각하여 n 개의 돌기를 형성함으로써 구현된다. 이때 상기 n 개의 돌기는 Λ1'내지 Λn'의 격자주기를 각각 가진다. 한편, 본 실시예가 변형된 다른 실시예에 있어서는, 제2 격자(24)가 제1 도파층(80)에 형성되고, 제1 격자(22)가 제2 도파층(84)에 형성될 수도 있다.The Bragg diffraction grating device 20 of FIG. 6 is mainly implemented on a planar waveguide including a first waveguide layer 80 and a second waveguide layer 84 formed on the waveguide layer 80, but may also be implemented in optical fibers. Can be. In this case, the first grating 22 is implemented by n effective refractive index change patterns periodically formed in the first waveguide layer 80. Each of the n effective refractive index change patterns includes a portion having an effective refractive index of η 1 and a portion having an effective refractive index of η 2 , and each having a lattice period of Λ 1 to Λ n . The second grating 24 is implemented by selectively etching the second waveguide layer 84 to form n protrusions. In this case, the n protrusions each have a lattice period of Λ 1 'to Λ n '. Meanwhile, in another embodiment in which the present embodiment is modified, the second grating 24 may be formed in the first waveguide layer 80, and the first grating 22 may be formed in the second waveguide layer 84. .
한편 도 6의 실시예에 있어서도, 제1 및 제2 격자(22, 24)의 각 패턴의 격자주기(Λ1내지 Λn, 또는 Λ1' 내지 Λn')는 동일한 값을 가질 수도 있고, 선형적 또는 비선형적으로 변화할 수도 있다. 또한, 도 6에서의 굴절율 η1과 η2의 값도 위치에 따라 다를 수 있다.6, the lattice periods Λ 1 to Λ n , or Λ 1 ′ to Λ n ′ of the patterns of the first and second gratings 22 and 24 may have the same value. It may change linearly or nonlinearly. In addition, the values of the refractive indexes η 1 and η 2 in FIG. 6 may also differ depending on the position.
도 2 내지 도 6에서의 제1 광도파로 및 제2 광 도파로는 광섬유 또는 평면 도파로이며, 제1 격자(22) 및 제2 격자(24)는 광섬유 또는 평면 도파로 상에 제작된 균일(uniform) 격자, 선형 처프된(linearly chirped) 격자, 또는 아포다이즈된(apodized) 격자이다.The first and second optical waveguides in FIGS. 2 to 6 are optical fibers or planar waveguides, and the first grating 22 and the second grating 24 are uniform gratings fabricated on the optical fiber or planar waveguide. A linearly chirped grating, or an apodized grating.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 온도변화시에도 브라그 회절격자 장치의 투과대역의 중심파장이 일정하게 유지된다. 이처럼 온도 특성이 우수함으로 말미암아, 장치의 신뢰성이 높아져서 정밀한 응용분야에도 적용될 수 있다. 또한, 구조가 간단하여 제조 원가가 높지 않고, 손쉽게 설치할 수 있다는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the center wavelength of the transmission band of the Bragg diffraction grating device is kept constant even when the temperature changes. This excellent temperature characteristic makes the device more reliable and can be applied to precise applications. In addition, the structure is simple, the manufacturing cost is not high, there is an effect that can be easily installed.
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