KR20010070949A - 브래그 격자를 형성하기 위한 빔 사이의 제어된 위상지연 - Google Patents

브래그 격자를 형성하기 위한 빔 사이의 제어된 위상지연 Download PDF

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앤더슨 데릭 제이.
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Abstract

적어도 2개의 빔이 감광성 도파관(38)상에 격자구조를 형성하기 위한 간섭패턴(39)을 형성하며, 상기 간섭패턴(39)은 빔의 상대위상을 변조시킴으로써 제어된다. 변조는 전자 광학, 자기 광학 또는 음향 광학 위상 변조기(34) 또는 웨지, 웨이브플레이트 또는 위상 마스크를 포함하는 기계 구동식 위상 변조기(34)에 의해 이루어질 수 있다. 후자의 경우, 상기 위상 마스크는 빔을 형성하기 위한 빔스플리터(33)로도 작용할 수 있다. 도파관(38)을 이동시킴과 동시에 상대 위상변환을 제어함으로써 확장된 격자가 형성될 수 있으며, 이는 첩, 아포다이즈 및 임의의 격자 프로파일을 포함할 수 있다. 광전자 피드백 루프를 통해 잡음이 감소될 수 있다. 일실시예에서, 상대위상이 편광된 빔에 작용하는 전자광학 변조기(32)를 통해 변조될 수 있으며, 이는 편광 빔스플리터(33)에 의해 2개의 빔으로 분할되고, 하나의 빔이 반파 플레이트(34)를 통과하여 간섭패턴(39)을 형성하게 된다.

Description

브래그 격자를 형성하기 위한 빔 사이의 제어된 위상지연{CONTROLLED PHASE DELAY BETWEEN BEAMS FOR WRITING BRAGG GRATINGS}
본 발명은 감광성 광도파관에 격자 또는 기타 다른 구조를 형성하기 위한 것이다. 간섭하는 2개의 결맞는 자외선 빔(coherent UV beams)으로부터 간섭패턴을 이용하여 격자를 생성하는 것이 알려져 있다. 이러한 브래그 격자의 제조기술이 더블유. 에이치. 글렌 등의 미국특허 제 4,725,110호 및 제 4,807,950호에 개시되어 있다.
브래그 격자 구조는 점진적으로 유용해졌으며, 매우 높은 품질특성을 가진 더 긴 격자구조에 대한 수요로 인해 개선된 격자구조를 제조하여야 하는 일반적 필요성이 대두되었다.
본 발명은 자외선 또는 그 동등물의 간섭패턴을 이용하여 자외선 또는 그 동등물 감광성 도파관에 브래그 격자 또는 그 동등물을 형성하기 위한 분야에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 도시한 개략도이고,
도 2는 본 발명의 원리에 따른 전자광학 변조기의 구동형태를 도시한 그래프이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 광도파관 또는 그 동등물에 확장된 격자구조를 형성하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 간섭패턴을 형성하는 적어도 2개의 겹쳐지는 간섭빔을 이용하여 감광성 도파관상에 격자구조를 형성하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 하나 또는 그 이상의 빔 경로내에 적어도 하나의 변조기를 이용하여 상기 빔사이에 제어된 상대위상지연을 만들어 간섭패턴내의 최대위치를 제어함으로써 감광성 도파관에 격자구조를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 감광성 도파관을 소정의 제 1 방향으로 이동시킴과 동시에 상기 도파관에 소정의 패턴을 부여하도록 위상지연을 제어함으로써, 확장된 격자구조를 생성할 수 있다. 바람직하게, 2개의 독립된 결맞는 빔을 형성하도록 하나의 결맞는 빔을 분할함으로써, 적어도 2개의 겹쳐진 간섭빔이 형성된다.
상기 변조기는 전자 광학 위상 변조기, 자기 광학 위상 변조기, 기계 구동식 광학 위상 변조기, 주파수 변조기 또는 기타 다른 형태의 제어가능한 광학 지연기중 하나를 포함할 수 있다. 기계 구동식 광학 위상 변조기를 사용할 경우, 광학 위상 마스크, 광학 웨지(optical wedge) 또는 광학 웨이브플레이트(waveplate)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 빔은 일련의 반사 엘리먼트를 포함하는 광학회로 주변에서 독립된 결맞는 빔을 반사시켜 더 형성될 수 있다. 바람직하게, 확장된 격자 구조의 공간적 해상도를 증대시키기 위해, 상기 독립된 결맞는 빔은 도파관에 집중된다. 피드백 루프를 이용한 확장된 격자구조의 잡음 특성을 개선하기 위해 위상 지연 제어가 사용될 수 있다. 상기 피드백 루프는 광전자 피드백 루프일 수 있다.
상기 격자는 첩(chirped) 및/또는 아포다이즈된(apodized) 격자를 포함할 수있다. 실제로, 상기 격자는 임의의 소정 강도, 주기 및 위상 프로파일을 구비할 수 있다.
일실시예에서, 상기 빔은 대체로 직교하는 편광 상태를 포함할 수 있고, 상기 변조기는 상기 편광 상태 사이의 상대 위상지연을 변조시키며, 바람직하게, 변조후 상기 편광 상태는 정렬된다.
본 발명의 범주에 속하는 다른 형태에도 불구하고, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 형태를 예로서 설명한다.
위상 변조 엘리먼트(2)가 추가적으로 포함되었으며, 전술한 글렌 등의 구성과 유사한 바람직한 실시예의 구성(1)이 도시된 도 1을 참조한다. 도 1에 도시된 구성의 기본 작동은 빔스플리터(beamsplitter)(4)에 의해 자외선 소스(3)로부터 나온 빔이 분할되어 2개의 결맞는 빔(5,6)을 형성하는 것이다. 빔을 분할하기 위해, 적절하게 배치된 위상 마스크가 사용될 수 있다. 각각의 빔은 적절하게 배치된 거울, 예를 들어 거울(7,8)에 의해 반사됨으로써, 영역(9)에서 간섭하게 된다. 이 영역에는 확장된 격자 구조가 형성될 감광성 광도파관(10)이 배치된다. 본 바람직한 실시예의 특징은 간섭(9) 지점에서 2개의 빔(5,6)간의 상대 위상차를 변조하기 위해 위상 변조기(2)를 사용하는 것으로서, 도파관이 화살표 방향(12)으로 이동함에 따라 간섭패턴이 광도파관(10)의 기준 프레임에 정적으로 남게 된다. 상기 위상 변조기(2)는 자외선 소스 파장을 투과시키는 ADP, KP*P, BBO 결정형식을 포함하는 공지 형식의 전자 광학 변조기일 수 있다. 레이솝 리미티드를 포함한 많은 광소자 제조업체로부터 모델 번호 EM200A 및 EM200K와 같은 적당한 전자 광학 결정을 구할 수 있다. 상기 변조기는 빔(6)에 대한 빔(5)의 제어된 위상지연을 제공하도록 작동한다. 제 1 실시예에서, 이러한 제어는 섬유(10)가 일정한 속도로 움직이는 것으로 가정하고 입력 신호의 레벨을 설정함으로써 이루어진다. 이 경우, 상기 입력 신호는 도 2에 도시된 톱니파를 포함할 수 있으며, 최대 톱니파 크기는 2π위상 지연과 동일하도록 설정된다. 상기 톱니파의 기울기는 섬유(10) 속도에 간섭패턴의 최대변화 속도를 일치시키도록 설정된다.
따라서, 장치의 일부를 움직이는 공지의 기계적 방법이 필요하지 않으며, 간섭하는 자외선 빔(5,6)사이에 필요한 광학 위상차를 유도하기 위해 위상 변조장치(2)를 이용함으로써 긴(long) 또는 스티치된(stitched) 간섭패턴을 얻을 수 있다. 위상이 2π변화에 대해 불변하기 때문에, 큰 위상차를 유도할 필요가 없어서 2π로의 위상변화에 필요한 진폭을 제한하고, 간섭계의 균형점 부근에서 작동할 수 있도록 한다. 전자 광학적으로 유도된 위상변화는 섬유 자체가 움직일 때 간섭패턴이 섬유를 따라 움직이도록 하고, 상기 이동속도는 필요에 따라 설정될 수있다. 상기 톱니파 형태는 "무부하 운전(running lights)" 효과를 구현한다.
전술한 바와 같은 전자 광학 변조기는 매우 낮은 응답 시간 및 매우 높은 차단 주파수로 작동될 수 있다. 따라서, 상기 톱니 엣지 폴(edge fall)은 실제로 볼 수 없으며, 거의 완벽한 스티치가 구현될 수 있다. 6㎜/min 주사속도에서, 변조 주파수는 약 200㎐일 수 있다.
또한, 섬유와 패턴 사이에 차동속도를 제공하거나 위상지연을 적절히 제어함으로써, 정적인 경우에 대한 파장 변화를 얻을 수 있다. 첩(chirp) 등을 생성하기 위해 위상지연을 가속시키거나 적절하게 제어할 수 있다. 또한, 전자 광학 변조기의 적절한 추가 변조에 의해 아포디세이션(apodisation)이 제공될 수 있다.
전술한 실시예는 움직이는 섬유를 제외하고 모든 광학 엘리먼트가 정적이라는 잇점을 갖는다. 따라서, 섬유상에 간섭 빔의 촛점을 정확하게 맞출 수 있고, (실제 한계는 섬유 코어 직경이며, 대개 자외선 형성 파장 정도의)기본적 한계에 도달하는 공간적 해상도를 구현할 수 있다. 상기 정적 간섭계의 구성 자체는 간섭패턴의 위상과 진폭 잡음을 줄인다. 또한, 피드백 루프를 이용하여 패턴의 위상 및 진폭을 제어할 수 있는 기능은 간섭계의 잡음 특성을 실질적으로 개선하는 수단을 제공한다.
더 정밀한 구성이 가능하다. 예를 들어, 섬유(10)의 속도와 전자 광학 변조기 주파수를 정확하게 일치시키기 위하여, 간섭패턴(9)과 섬유의 상대적 위치를 측정하는데 단순한 주사 패브리-페로 간섭계 센서가 사용될 수 있다. 상기 센서에 채용될 수도 있는 좁은 선폭 소스의 파장보다도 나은 거리측정을 위해 고순도(F) 공명기가 사용될 수 있다.
상기 패브리 페로를 일정한 속도로 주사하거나 레이저 주파수를 스위핑(sweeping)시킴으로써, 위치가 정밀하게(1/2F) 결정될 수 있다. 해상도를 더 높이기 위해, 한계치에서 간섭계를 레이저로 변환시킬 필요가 있다. 이 경우, 공동의 순도(F)는 무한대에 가깝고, 해상도는 향상된다. 간섭패턴에 대한 섬유 위치를 정확하게 결정하기 위해, 미첼슨 간섭계와 같은 다른 종류의 간섭계 센서가 사용될 수 있다.
물론, 이러한 원리를 이용한 다른 구성도 가능하다. 예를 들면, 오엘레테 등의 PCT출원번호 제 PCT/AU96/00782호는 "사냑 루프(Sagnac loop)"형태로 작동하는 개선된 저잡음 민감성 간섭계 구조를 개시하고 있다. 본 발명의 원리를 가미한 오엘레테 구조의 변형이 개시되어 있는 도 3을 참조한다. 본 실시예에서, 초기 입력 자외선 빔(20)은 위상 마스크(21)에 의해 회절되어 2개의 출력 빔(22,23)을 생성하게 된다. 상기 빔(23)은 거울(24,25)에 의해 반사되어 영역(27)에 구비된 섬유(26)에 도달하게 된다. 이와 유사하게, 상기 빔(22)은 빔(23)에 대한 빔의 위상을 변조시키는 전자 광학 변조기(28)를 통과하기 전에 거울(24,25)에 의해 반사된다. 상기 2개의 빔은 영역(27)에서 간섭한다. 간섭패턴의 위상은 전술한 것과 동일한 방식으로 변조기(28)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 방식에서, 위상 마스크(21)에 빔을 스위프시키거나 변조기 엘리먼트(28)의 전기적 변조 이외에 다른 움직임을 만들 필요가 없으면서도 확장된 격자 구조를 형성하는 전술한 오엘레테 구성의 잇점이 안정적인 기계적 구조에 사용될 수 있다. 또한, 상기 간섭계는 그 균형점 부근에서작용하도록 조절될 수 있으며, 낮은 결맞는 길이의 자외선 소스가 상기 구조에 사용될 수 있다.
또한, 자기광학효과에 기초한 위상 변조기가 전자 광학 변조기 대신 사용될 수 있다. 상기 사냑 간섭계 구조에서, 모든 간섭 빔이 대향하는 방향으로 패러데이 셀을 통과함으로써, 상기 구조는 역전파 빔 사이에 반비례적으로 제어되지 않은 상대위상지연이 유도되도록 위치될 수 있다.
본 발명의 원리를 채용한 선택적 구조가 도시되어 있는 도 4를 참조한다. 이 구성에서, 자외선 레이저(30)로부터 나온 출력은 빔의 편광 상태를 변조시키는 전자 광학 변조기(32)를 통과하기 전에 선형적으로 편광된다(31). 상기 전자 광학 변조기(32)의 복굴절 축에 대한 자외선 빔의 평광면은 동일한 강도를 갖는 2개의 직교하는 편광 고유상태가 변조기내에서 전파하되, 고유상태중 하나는 위상이 변조되는 반면 다른 하나는 변조되지 않는다. 상기 구조는 편광 상태를 분할하기 위해 편광 빔 스플리터(33)를 사용하고, 빔 사이에 간섭이 일어날 수 있도록 빔중 하나의 편광을 90°회전시키기 위해 반파 플레이트(34)가 사용된다. 상기 빔은 거울(36,37)에 의해 더 반사되어 영역(39)에 구비된 섬유(38)에 도달함으로써, 섬유(38)의 운동과 관련하여 간섭패턴을 형성하게 된다. 상기 간섭패턴의 위상은 확장된 격자구조를 생성하기 위해 전술한 것과 동일한 방식으로 변조기(22)에 의해 제어될 수 있다.
또 다른 선택적 실시예에서, 자외선 소스(3)의 파장을 통과시키는 진행파 음향광학(AO) 변조기가 회절된 빛의 주파수를 변환시키는 변조 엘리먼트(2)로서 사용될 수 있다. 영역(9)에서 서로 다른 주파수를 갖는 2개의 빔 사이의 간섭으로 인하여, 간섭 패턴은 속도 v=-ΔνㆍΛ/2로 진행하게 된다. 예를 들어, 주파수 변환이 Δν=200㎐이고, 간섭패턴 주기가 Λ=1㎛인 경우, 패턴의 속도는 v=6㎜/min이고, 광도파관(10)도 이 속도로 동일한 방향으로 이송되어야만 한다. 이 경우, 특수한 변조파형이 적용될 필요가 없으며, 제어 변수는 주파수 변환이다. 대부분의 상업적 음향광학 변조기는 ㎒범위에서 작동하기 때문에, ㎐ 내지 ㎑ 범위에서 차동 주파수 변환을 구현하기 위해 제 2 간섭 빔의 주파수 변환이 필요할 수 있다. 또한, 브래그 각도는 회절된 빔을 변위시키는 음향광학 변조기 신호에 가해지는 주파수와 함께 변하기 때문에, 도 2의 전자 광학 변조기 구조에 비해 작은 조절이 필요할 수도 있다. 그러나, 이러한 변위의 효과는 장치를 소형으로 제조함으로써 줄일 수 있다. 또한, 음향광학 변조기가 공명을 나타낼 수 있기 때문에, 더 조절될 수 있다.
변형된 실시예에서, 간섭패턴의 위상을 제어하기 위해 기계적으로 구동되는 광학 위상 변조기가 사용될 수 있다. 광학 위상 마스크, 광학 웨지 또는 광학 웨이브플레이트가 사용될 수 있다. 상기 광학 위상 마스크는 빔스플리터의 기능도 가질 수 있다. 위상 마스크를 이용한 상기 실시예는 글렌 등이 개시한 전술한 시스템을 이용할 때, 또는 위상 마스크 직접 형성 기술 또는 (PCT출원번호 제 PCT/AU96/00782호에 개시된 오델레테와 같은) 사냑 간섭계 형성 기술과 같은 공지의 모든 위상 마스크에 기초한 간섭계 구조에 대해 작용한다.
당업자는 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고 특정 실시예에 도시된 본 발명에 대한 다양한 변경과 변형이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예는 단지 설명하기 위한 것일 뿐 이에 한정되지 않는다.

Claims (18)

  1. 간섭패턴을 형성하는 적어도 2개의 겹쳐지는 간섭빔을 이용하여 감광성 도파관상에 격자구조를 형성하기 위한 방법으로서,
    상기 광학 경로내에 적어도 하나의 변조기를 이용하여 상기 빔사이에 제어된 상대위상지연을 만들어 간섭패턴내의 최대위치를 제어함으로써 감광성 도파관에 격자구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 감광성 도파관을 소정의 제 1 방향으로 이동시킴과 동시에 상기 도파관에 소정의 패턴을 부여하도록 위상지연을 제어함으로써, 확장된 격자구조가 생성되는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 겹쳐진 간섭빔은 2개의 독립된 결맞는 빔을 형성하도록 하나의 결맞는 빔을 분할함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조기는 빔을 분할하기 전, 후 또는 분할하는 도중에 사용되는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조기는 제어가능한 광학 지연기 또는 광학 지연선을 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조기는 전자 광학 위상 변조기인 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조기는 자기 광학 위상 변조기인 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조기는 주파수 변환기인 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조기는 기계 구동식 광학 위상 변조기인 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 기계 구동식 광학 위상 변조기는 광학 위상 마스크, 광학 웨지 또는 광학 웨이브플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 빔은 일련의 반사 엘리먼트를 포함하는 광학회로 주변에서 독립된 결맞는 빔을 반사시켜 더 형성되는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 독립된 결맞는 빔은 확장된 격자 구조의 공간적 해상도를 증대시키기 위해 도파관에 집중되는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상 지연 제어는 피드백 루프를 이용하여 확장된 격자구조의 잡음 특성을 개선하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 피드백 루프는 광전자 피드백 루프인 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자는 첩 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자는 아포다이즈된 격자인 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자는 임의의 소정 강도, 주기 및 위상 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔은 대체로 직교하는 편광 상태를 포함하고, 상기 변조기는 상기 편광 상태 사이의 상대 위상지연을 변조시키며, 변조후 상기 편광 상태는 정렬되는 것을 특징으로 하는 격자구조 형성방법.
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