KR20020026774A - 외부 조절이 가능한 광도파로형 고차모드 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광도파로에서 0 차의 기본 도파모드를 1차 이상의 고차모드로 결합시키는 고차 모드 발생기에 관한 것으로 도파로 물질은 온도에 따라서 굴절율이 변하는 열광학 물질 또는 전기장에 의하여 굴절율이 변하는 전기광학 물질 등으로 구성된다. 이를 위하여 도파로는 최소 2 개 이상의 횡방향 도파모드를 가지고, 온도 또는 전기장에 의해 굴절율 섭동을 주기 위한 열선 또는 전극이 도파로와 특정 각 α을 가지면서 직선으로 도파로를 비스듬이 가로지르는 구조로 설계된다.

본 발명의 소자 기본 동작원리를 온도에 의하여 굴절율이 변하는 열광학 도파로 물질에서 설명하면 다음과 같다. 열선에 외부 전력이 인가되지 않을 경우는 도파로의 0 차 단일모드 광은 고차모드로의 아무런 변환 없이 도파로를 통과하여 출력된다. 그러나 열선을 따라서 전류를 흘리면 열선 하부의 광도파로 굴절율이 온도에 비례하여 낮아지거나(폴리머) 높아지게(실리카) 된다. 따라서 도파로를 따라서 진행하던 빛의 일부가 열선의 경계에서 열선에 대한 입사각 α만큼의 각도로서 반사하게 되며, 이때 반사된 빛의 진행각 2α가 도파로의 고차모드 진행각도와 일치하거나 크게 되면 열선으로부터 반사된 반사광은 도파로의 고차모드로 결합된다. 이때 열선에 인가되는 외부 전력이 증가하면 반사되는 빛의 세기도 증가하여 고차모드로의 결합광 세기가 많아지며, 결국 열선에 인가되는 외부 전력의 양에 따라서 고차모드로 결합되는 빛의 세기를 조절하는 것이 가능하다.

Description

외부 조절이 가능한 광도파로형 고차모드 발생기.{Externally controllable higher order mode generator in waveguide type.}

본 발명은 0 차의 기본모드 도파광을 외부조절에 의해서 고차의 도파모드로 변환 시키는 고차모드 발생기 소자에 관한 것이다.

광도파로 소자에서 다른 차수의 도파모드 간 결합은 매우 어렵고도 기본적인 것으로 이를 이용하면 스위치나 감쇄기 등의 여러 소자로 응용이 가능하다. 기본모드와 고차모드 간의 결합이 가능한 수동 소자로는 서로 너비가 다른 adiabatic Y-branch 정도이며, 외부 전압에 의해 결합양이 조절 가능한 소자는 없다. Adibatic Y-branch 를 이용한 경우에는 2개의 Y-branch 를 마하젠더 간섭계형태로 결합하여 2x2 스위치, 광감쇄기 등의 광소자 제작이 가능하다. 그러나 이 경우 Y-branch 의각도가 매우 작아서 제작상의 어려움이 있을 뿐만 아니라 길이가 길어져 손실이 증가되는 단점도 있다.

본 발명의 목적은 0 차의 기본 도파모드를 고차의 도파모드로 결합시키기 위한 고차모드 발생기로서 직선 도파로와 직선 전극을 이용한 매우 단순한 구조의 소자 이며, 결국 이를 응용한 광소자의 구조 및 구동 방법을 단순화 시키는 것을 목표로 한다.

도 1 은 본 발명의 고차모드 발생기 소자의 개략도

도 2 는 본 발명의 고차 모드 발생기에서 도파광의 차수에 따라서 빛이 도파로 진행하는 형태를 나타낸 것임.

도 3 은 도파광의 차수에 따른 파수벡터 크기 및 코아, 클래드의 파수벡터 관계를 나타낸 것임.

도 4 는 본 발명의 고차모드 발생기를 이용한 실시 예의 하나인 가변 광감쇄기의 구조를 나타낸 것임.

도 5 는 4도의 실시 예에서 파장 λ₀=1.55um, n₁=1.4856, n₂=1.4937, d=40um, L_tap=3200um, L_mmr=3800um, W=7um 이고, 열선에 의한 도파로의 온도증가가 0℃ (가) 및 30℃ 인 경우 (나) BPM 전산시늉에 의한 빛의 도파 특성을 계산한 것임. (다) 는 온도에 따른 도파로의 감쇄특성을 BPM 으로 수치 계산 한 것임.

도 6 은 도 5의 구조를 갖는 폴리머 가변 광감쇄기를 실제 제작하여 인가 전력에 따른 감쇄특성을 측정한 것임.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 고차모드 발생기의 코아 층

2 : 고차모드 발생기의 상부 클래드층

3 : 고차모드 발생기의 하부 클래드 층

4 : 외부 전압(또는 전류)이 인가되는 전극

5 : 고차모드 발생기

6 : 가변 광감쇄기 입력부의 0 차 단일모드 광도파로

7 : 가변광 감쇄기 입력부의 테퍼링 된 광도파로

8 : 가변 광감쇄기 출력부의 테퍼링된 광도파로

9 : 가변 광감쇄기 출력부의 0 차 단일모드 광도파로

도 1 는 본 발명의 고차모드 발생기 소자의 개략도를 나타낸다. 상기 도 1 에 따른 광 도파로 소자는 1차 이상의 고차모드를 지지할 수 있는 직선 코아 (1) 및 클래드 (2,3) 로 구성된 다중모드 광 도파로 와 다중모드 광도파로를 각도 α 로 비스듬이 가로 지르는 직선 전극 (4) 으로 구성되어 있다. 본 발명의 고차 모드발생기를 자세히 설명하기 위하여 먼저 3 층의 광도파로에서의 광도파 특성을 도 2 를 통하여 설명하고자 한다.

광도파로의 코아(1) 굴절율 n₁은 클래드의 굴절율(2,3) n₂보다 크며, 빛이 도파로를 따라서 진행하기 위해서는 기본적으로 전반사 조건 및 수직방향의 정상파조건을 만족해야 한다.

전반사 조건은 도파로의 코아층 (1) 에서 클래드층 (2,3) 으로 진행 하는 빛이 코아와 클래드의 경계 면에서 100% 반사되는 것을 의미한다. 따라서 도 2 에서m 차모드의 진행각 θ_m에 의해 결정되는 상부 크래딩층에 대한 입사각 ψ_m이 도파로의 굴절율 차이에 의하여 결정되는 전반사 각 ψ_c보다 작아야 하며, 전반사각은 다음과 같이 표현된다.

그러나 전반사 조건을 만족하는 모든 빛이 도파로를 따라서 진행하는 것이 아니고 그 중 수직방향의 정상파 조건을 만족하는 빛들만이 도파로를 따라서 진행하게 된다. 수직방향의 정상파 조건은 다음과 같다.

여기서 d 는 도파로 코아의 두께, 여기서 ko = 2π/λ₀는 빛의 파수 벡터, λ₀는 진공에서의 파장, φ_r은 코아와 클래드의 경계 면에서 빛의 반사 위상 변화, m 은 정수 이다. m=0 인경우가 가장 기본적인 0 차의 기본 도파모드이며, m=1 인경우 1차의 고차 모드, m=2 인 경우 2차의 도파모드가 된다. 또한 도 2 의 그림에서 알 수 있듯이 도파모드의 차수가 높아 질수록 진행각이 커짐을 알 수 있다.

도파로의 총 도파 모드 수는 도파로의 코아 두께 d 및 코아와 클래드의 굴절율 차이에 의해 결정 되며 다음과 같이 표현 된다.

도 3 은 각 도파모드 간의 도파로내의 진행 방향특성을 비교하기 위해서 파수벡트 평면에서 도파 가능한 모든 고차모드를 동시에 나타내었다. 진행 방향 (z-축)으로의 파수 벡터 성분이 도파로의 유효 전파상수가 되며, 이는 고차모드로 갈수록 작아지게 된다. 즉 고차 모드로 갈수록 빛의 진행각도 θ_m가 커지게 되며 따라서 빛의 진행 속도가 늦어지게 된다.

이상의 기본 자료를 바탕으로 본 발명의 고차 모드 발생기 원리를 설명하면 다음과 같다. 먼저 0차수의 기본 도파모드를 m 번째의 도파모드로 결합시키기 위해서 열선과 도파로가 이루는 각을 α= θ_m/2 로 한다. 열선에 전력을 인가하면 열선 하부의 광도파로 지역은 온도가 높아져 도파로의 굴절율이 높아지거나 (실리카의 경우) 또는 낮아지게 (폴리머의 경우) 된다. 따라서 진행하는 빛은 열선의 경계면에서 열선에 대하여 각도 α로 반사를 하게 되며, 광도파로 진행방향에 대해서는 2α의 각도로 반사되어 진행한다. 이때 2α가 m 차수의 도파모드의 진행각도 θ_m과 일치하면 m 번째 고차 모드가 진행하는 방향과 일치하므로 0 차의 도파모드는 m 번째의 도파모드로 결합된다. 그리고 열선에 인가되는 전력량을 증가시키면 열선하부의 온도 증가는 더욱 커지게 되고 그에 따라서 도파로 굴절율 변화량이 증가한다. 이에 따라서 반사광의 양은 더욱 증가하여 0 차에서 m 차수로의 고차모드 결합량이 증가하게 된다.

[실시예]

이하는 본발명의 고차모드 발생기에 이용하여 제작 가능한 광소자의 실시예로서 외부 전압에 의해 입력광의 세기를 조절할 수 있는 가변광 감쇄기의 구조를 도 4 에 나타내었다. 본 실시 예에서 사용하는 광도파로 물질은 폴리머이며, 이 경우 온도가 증가하면 굴절율이 감소하는 열광학 효과를 가지고 있다.

도 4 에 나타낸 가변 광감쇄기의 동작원리는 다음과 같다. 입력부의 단일모드 광도파로 (6) 를 통과한 빛은 횡방향으로 테프링 된 지역 (7) 을 지나면서 광 파워의 손실 없이 본 발명의 다중모드 발생기 영역 (5) 으로 입사된다. 열선에 (4) 외부 전력이 인가되지 않을 경우는 다중모드 발생기 영역 (5) 을 통과한 빛은 다시 다시 출력부의 테프링된 지역 (8) 을 지나면서 출력부 단일모드 광도파로 (9) 의 0차 도파모드로 로 광파워 손실없이 변환된다. 따라서 빛은 감쇄없이 소자를 통과하게 된다. 그러나 열선을 따라서 전류를 흘리면 열선 하부의 광도파로 굴절율이 온도에 비례하여 낮아지게 된다. 이 경우 열선 하부를 지나는 진행광의 일부가 열선 (4) 에 대한 입사각 만큼의 각도 α로서 열선에서 반사하게 된다. 따라서 광도파로의 진행 방향에 대해서는 2α의 각도로 진행하게 된다. 만약 2α의 각도로 반사된 빛이 고차모드 발생기의 1 차 도파모드 진행 각도 이상이면 고차 모드 발생기에서는 1차 이상의 고차모드가 여기 되게 되고, 이러한 고차모드는 출력부의 테프링된 지역 (8) 및 출력부의 단일모드 광도파로 (9) 에서 제거되어 결과적으로 입력광의 감쇄를 가져 온다. 따라서 열선에 흐르는 전류량이 많아지면 반사되는 빛의 세기도 많아져서 더 많은 입력광이 감쇄되며, 결국 열선에 흐르는 전류(또는 전압)의 양에 따라서 입력광의 세기를 조절할 수 있는 가변 광 감쇄기로 동작한다.

제 5 도는 BPM (Beam Propagation Method) 전산시늉을 이용하여 계산된 제 4 도에 나타낸 가변광 감쇄기의 광도파 특성으로서 상기 열선 (4) 하부의 온도 증가량이 0℃ (가) 및 30℃ (나) 일때, 도파로의 열광학 계수를 -1.2x10^-4/℃ 로 가정하여 계산한 것이다. 계산시 사용한 입력부 도파로 (6) 의 너비는 7um, 테이퍼링된지역의 길이 L_tap= 3200um, 고차모드 발생기의 너비는 d=3800um, 고차모드 발생기의 길이는 L_mmr=3800um 이다. 그리고 클래드와 코아의 굴절율은 파장 λ₀=1.55um 에서 n₁=1.4856, n₂=1.4937 이다. 온도 증가가 없을 때는 입력부의 0 차 단일모드 입력광이 출력부의 0 차 단일 모드로 대부분이 통과함을 알 수 있고, 출력단의 테프링된 영역 (8) 에서 약간의 부과 손실만 손실이 있음을 알 수 있다. 그러나 온도 증가가 30℃ 인 경우 열선의 경계에서 빛이 반사되고, 그 이후 고차모드가 여기 됨을 알 수 있다. 이 경우 출력단의 테프링 지역 (8) 및 단일모드 영역 (9) 에서 대부분의 빛이 제거 됨이 명확히 나타난다. 그림 (다) 는 상기 구조의 가변 광 감쇄기에서 열선 하부의 온도 증가에 따라서 출력광의 감쇄 정도를 계산 한 것이다. 온도 증가가 약 35℃ 인 경우 30 dB 이상의 감쇄가 일어남을 알 수 있다.

제 6 도는 제 5 도의 가변 광감쇄기를 실제 제작하여 열선에 인가된 전력에 따라서 감쇄특성을 측정한 것이다. 열선 인가된 전기적 파워가 증가 할수록 열선에 의한 온도 변화량도 비례하여 증가하므로, 도 5 의 (다) 계산 결과와 실제 측정결과가 일치하는 경향 임을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 고차 모드 발생기는 그 구조가 매우 간단하고 제작이 쉬워 이를 이용한 가변 광 감쇄기 등 여러 광도파 소자의 제작하기 용이하고, 재생성이 있으며, 또한 대량생산이 용이한 장점이 있다.

Claims (3)

1. 그림에서와 같이 1 차 이상의 고차모드를 지원하는 상하부 클래딩 (2,3) 와 코아층 (1)로 구성되는 직선 광도파로와, 이 광도파로와 각도 α를 가지면서 도파로를 비스듬이 가로지르는 직선전극 (4) 으로 구성된 고차 모드 발생기에서, 0 차의 광 도파모드를 m 차의 광 도파 모드로 결합 시키기 위하여 m 차의 고차 모드의 진행각도를 θ_m이라 할 때 전극의 각도 α와 고차모드 진행 각도 θ_m가 α> θ_m/2의 조건을 만족하는 고차 모드 발생기 구조.
2. 제 1항에 있어서, 도파로의 클래드 (2,3) 와 코아 층(1) 의 물질로 실리카 또는 폴리머를 사용하고 전극 (4) 에 전류를 흘림으로서 온도에 따른 굴절율 변화를 이용하여 조절 되는 고차모드 발생기
3. 제 1항에 있어서, 도파로 물질로 LINBO₃나 전기광학 폴리머인 경우 전극에 인가된 전압에 따른 굴절율 변화를 이용한 고차모드 발생기.