KR20020092349A - 광학 회로 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

광학 회로 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
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Abstract

본 발명에 따르면, 우수한 소광비(extinction ratio)를 나타내고 저비용으로 손쉽게 제조할 수 있는 광학 회로 소자, 특히 광 서큘레이터 등을 제공할 수 있다. 광학 회로 소자는 2 개의 편광 광 분리 소자, 2 개의 전반사 미러, 광의 진행 방향과 독립된 적어도 하나의 편광면 회전 소자, 광의 진행 방향에 따른 적어도 하나의 편광면 회전 소자, 복수 개의 광 입사/출사 포트 및 자계 인가 수단을 조합하여 구성하고, 상기 편광 광 분리 소자 및 상기 전반사 미러는 동일하거나 상이한 다중층 중합체막으로 형성된다.

Description

광학 회로 소자 및 그 제조 방법{OPTICAL CIRCUIT ELEMENT AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
근래의 광통신 시스템에 있어서, 광섬유 증폭기의 광범위한 사용은 광신호의 통로를 재배열하기 위해 광 서큘레이터 및 광 스위치와 같은 보다 많은 광학 회로 소자를 요구한다. 또한, 최근 들어 관심을 끌고 있는 파장 다중 분할 방식의 광통신 시스템에 있어서, 협대역의 광 필터와 광 서큘레이터의 결합 구조가 대량으로 요구될 것으로 예상되고 있다. 그러므로, 광 서큘레이터가 장래에 광통신 시스템의 개발에 매우 중요한 역할을 수행할 것이고 그 광 서큘레이터에 대한 수요는 더욱 증가할 것으로 생각되고 있다.
광 서큘레이터는 광 자이레이터(optical gyrator)(비가역 특성을 나타내는 광학 회로 소자)이고, 3 개 이상의 포트 또는 단자를 그 내부에 구비한다. 예컨대,광 서큘레이터가 4 개의 포트(A, B, C, D)를 갖는 경우, 광신호는 A →B, B →C, C →D, D →A의 방향으로 투과될 수 있지만 그 반대로는 투과될 수 없다.
광 서큘레이터는 2 종류의 구조로 분리될 수 있는데, 그 하나의 형태는 입사 빔이 선형적으로 편광되는 경우에 대응하는 편광에 의존하고, 편광에 의존하지 않는 하나의 형태는 입사 빔의 편광 상태에 의존하지 않는다. 이들 사이에서, 편광에 의존하지 않는 형태의 광 서큘레이터는 이 광 서큘레이터를 통해서 투과되는 광이 약간 감쇄된다는 특징을 갖는다. 즉, 이 광 서큘레이터에 입사된 광의 빔은 일단 소자 내에서 2 개의 편광 빔으로 분리되고, 이 분리된 빔들은 다시 합성된다. 따라서, 광이 상기 소자를 통과하고 산란(散亂)에 의해 불가피한 감쇄가 발생되는 등의 경우에 반사에 의한 광의 손실을 제외하면 광의 손실은 발생하지 않는다.
편광에 의존하지 않는 형태의 광 서큘레이터는 이러한 여러 형태로 분리될 수 있다. 이들 중, 통상적인 광 서큘레이터는 일본 공개 특허 공보 소화 제55-93120호에 개시된 바와 같은 편광에 의존하지 않는 형태로 제조된 여전히 4 개의 단자를 갖는 광 서큘레이터이다. 일본 공개 특허 공보 소화 제55-93120호의 도 1에는 다중층 유전체막으로 형성된 2 개의 편광 광 분리 프리즘[편광 빔 스플리터(PBS; polarized beam splitter)](65, 66), 다중층 유전체막으로 형성된 2 개의 전반사 미러(67, 68), 1 개의 패러데이 회전자(Faraday rotor)(75), 1 개의 45°섬광 소자(flashing element)(76) 및 자계 인가 수단(도시 생략됨)을 포함하는 광 서큘레이터(60)가 예시되고 있다. 여기서, 상기 패러데이 회전자는 자계의 적용에 의해 45°정도 편광면을 회전시킬 수 있고, 자기 석류석(magnetic garnet)으로구성되며, 상기 45°섬광 소자는 반파장 판(one-half wavelength plate)이고, 편광 광 분리 프리즘 및 전반사 미러를 구성하는 다중층 유전체막은 미리 결정된 막 두께를 유지하는 다른 하나에 대하여 하나가 상이한 굴절율을 갖는 유전체막을 교대로 적층함으로써 형성된다.
상기 예시된 광 서큘레이터(60)에 있어서, 제1 광 입사/출사 포트(61) 상으로 입사되는 투과광은 제2 광 입사/출사 포트(62)에 도착하는 도중에 편광, 분리 및 합성된다. 즉, 상기 제1 광 입사/출사 포트(61) 상으로 입사되는 투과광은 편광 광 분리 프리즘(65)을 관통함에 따라 서로 직각의 2 개의 편광 성분으로 분리된다. 상기 분리된 광 성분은 상기 광 서큘레이터 내의 상이한 통로를 관통하고 다른 편광 광 분리 프리즘(66)을 통해 서로 합성된다. 상기 편광 및 분리된 광 성분은 서로 합성되고, 따라서 상기 합성된 빔은 제2 광 입사/출사 포트(62)로부터 출력된다. 제2 광 입사/출사 포트(62) 상으로 입사되는 투과광은 제1 광 입사/출사 포트(61) 상으로 입사되는 투과광이 진행되는 통로와 유사한 통로를 관통하여 제3 광 입사/출사 포트(63)에 도달한다. 이와 유사하게, 제3 광 입사/출사 포트(63) 상으로 입사되는 투과광은 제4 광 입사/출사 포트(64)에 도달하고, 제4 광 입사/출사 포트(64) 상으로 입사되는 투과광은 제1 광 입사/출사 포트(61)에 도달한다. 전술한 바와 같이 상기 도시된 광 서큘레이터(60)에 있어서, 광 서큘레이터 내에서 분리된 편광 성분은 다시 합성되고, 이 합성된 빔은 동일한 입사/출사 포트로부터 출력된다.
또한, 통상적인 구조의 광 서큘레이터에 있어서, 패러데이 회전자에 제공되는 자계의 방향은 투과광이 출력되는 포트를 변경하기 위해 변경된다. 따라서, 광 서큘레이터는 광 스위치의 형태로 변형될 수 있다. 도 1을 참조하여 설명한 광 서큘레이터(60)의 경우에 있어서, 예컨대 전자석과 같은 자계의 인가 방향을 변경할 수 있는 장치는 광 스위치를 제공하기 위해 통상적으로 사용해온 영구 자석 또는 고정된 자계의 인가 방향을 갖는 장치 대신에 사용될 수 있다. 따라서, 비록 도시하지는 않았지만 획득된 광 스위치에 있어서, 광 서큘레이터(60)의 경우에 있어서 광의 투과 통로는 자계의 인가 방향을 반전시킴으로써 제1 광 입사/출사 포트(61)에서 →제2 광 입사/출사 포트(62)로부터, 제1 광 입사/출사 포트(61)에서 →제4 광 입사/출사 포트(64)로 변경될 수 있다. 전술한 바와 같이, 광 서큘레이터의 구조를 직접 이용함으로써 광 스위치를 실현하는 것도 가능하다.
도 1을 참조하여 전술한 편광에 의존하지 않는 형태의 광 서큘레이터 및 편광에 의존하지 않는 형태의 임의의 다른 종래의 광 서큘레이터에 있어서, 편광 광 분리 프리즘 및 전반사 미러는 미리 결정된 두께를 유지하는 다른 막에 대하여 상이한 굴절율을 갖는 하나의 유전체막을 교대로 적층함으로써 얻어진 다중층 막으로 형성된다. 그러나, 광 투과 특성 및 광 반사 특성 모두의 관점에서 보면, 이 다중층 유전체막은 소광비(extinction ratio)와 관련하여 광 서큘레이터에 통상 사용되고 있는 다양한 형태의 편광기에 비해 열악한 유전체막이고, 상기 광 서큘레이터의 성능을 열화시키는 경향이 있다. 실제로, 다중층 유전체막은 광 서큘레이터를 구성하기 위한 하나의 구성 부품으로서 통상적으로 사용되는 자기 석류석의 소광비보다 작은 약 25 dB의 소광비를 나타낸다.
다중층 유전체막은 고가의 개시 재료가 필요할 뿐만 아니라 절삭 처리 단계, 광택 처리 단계 등의 복잡한 제조 단계를 필요로 하고, 불가피하게 고비용이 소요된다. 실제로, 종래의 광 서큘레이터의 제조 비용의 약 30 % 내지 50 %가 편광기의 제조 비용에 사용된다.
본 발명은 광학 회로 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광통신 장비 및 광데이터 장비 내의 광신호의 통로를 재배열하기 위한 광학 수동부로서 유리하게 사용될 수 있는 광학 회로 소자에 관한 것이다. 광학 회로 소자의 대표적인 예는 광 서큘레이터(optical circulator), 광 스위치(optical switch), 광 절연체(optical isolator) 등을 포함한다.
도 1은 종래의 광 서큘레이터를 예시하는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 광 서큘레이터의 실시예를 예시하는 사시도.
도 3은 도 2의 광 서큘레이터 내의 제1 광 입사/출사 포트로부터 제2 광 입사/출사 포트까지의 투과광의 통로를 예시하는 측면도.
도 4는 도 2의 광 서큘레이터 내의 제2 광 입사/출사 포트로부터 제3 광 입사/출사 포트까지의 투과광의 통로를 예시하는 측면도.
도 5는 도 2의 광 서큘레이터 내의 제3 광 입사/출사 포트로부터 제4 광 입사/출사 포트까지의 투과광의 통로를 예시하는 측면도.
도 6은 도 2의 광 서큘레이터 내의 제4 광 입사/출사 포트로부터 제1 광 입사/출사 포트까지의 투과광의 통로를 예시하는 측면도.
도 7은 본 발명에 따른 광 서큘레이터의 다른 바람직한 실시예를 예시하는 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 광 스위치의 바람직한 실시예를 예시하는 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 광 스위치의 바람직한 다른 실시예를 예시하는 사시도.
도 10은 도 2의 광 서큘레이터의 제조에 사용되는 통합 광학 부재의 사시도.
도 11은 도 10의 통합 광학 부재의 절단 처리 단계를 예시하는 사시도.
도 12는 도 11의 절단 처리 단계에 이어서 통합 광학 부품용 전구체(precursor)를 형성하기 위한 절단 처리 단계를 예시하는 사시도.
도 13은 도 12의 절단 처리 단계를 통해서 제조된 통합 광학 부품의 외형을 예시하는 측면도.
도 14는 도 13의 통합 광학 부품의 추가의 절단 처리 단계를 예시하는 측면도.
도 15는 도 14의 절단 처리 단계를 통해서 제조된 통합 광학 부품의 외형을 예시하는 측면도.
도 16은 도 2의 광 서큘레이터를 제조하는 단계를 예시하는 측면도.
도 17은 도 16의 광 서큘레이터 제조 단계 이후의 절단 처리 단계를 예시하는 측면도.
도 18은 도 17의 절단 처리 단계를 통하여 제조된 광 서큘레이터용 전구체를 예시하는 사시도.
도 19는 도 18의 광 서큘레이터용 전구체의 절단 처리 단계를 예시하는 사시도.
도 20은 본 발명에 따른 광 서큘레이터의 바람직한 다른 실시예를 예시하는 측면도.
도 21은 도 20에 도시한 광 서큘레이터의 변형 실시예를 예시하는 측면도.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하여, 제조가 용이하고 저비용으로 제조할 수 있는 고성능 특성의 광학 회로 소자를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 광 서큘레이터, 광 스위치 또는 광 절연체로서 유용한 광학 회로 소자를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 광학 회로 소자를 제조하는데 유용한 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 2 개의 편광 광 분리 소자, 2 개의 전반사 미러, 광의 진행 방향과 독립된 적어도 1 개의 편광면 회전 소자, 광의 진행 방향에 따른 적어도 1 개의 편광면 회전 소자, 복수 개의 광 입사/출사 포트 및 자계 인가 수단을 조합하여 구성된 광학 회로 소자를 제공하고,
상기 편광 광 분리 소자 및 상기 전반사 미러는 동일하거나 상이한 다중층 중합체막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 2 개의 편광 광 분리 소자, 2 개의 전반사 미러, 광의 진행 방향과 독립된 적어도 1 개의 편광면 회전 소자, 광의 진행 방향에 따른 적어도 1 개의 편광면 회전 소자, 복수 개의 광 입사/출사 포트 및 자계인가 수단을 조합하여 구성된 광학 회로 소자를 제조하는 방법을 제공하고,
상기 편광 광 분리 소자 및 상기 전반사 미러는 동일하거나 상이한 다중층 중합체막으로 형성되며,
상기 편광 광 분리 소자 중의 하나와 상기 전반사 미러 중의 하나는 이들 사이에 삽입된 유리판을 통해서 서로 대향 배치하고 서로 거의 평행하게 완전하게 함께 접속하며,
상기 얻어진 통합 광학 부재는 절단 표면이 상기 편광 광 분리 소자의 표면 및 상기 전반사 미러의 표면에 대하여 거의 45°의 각도를 유지하도록 절단되고,
상기 통합 광학 부재는 절단 후에 광의 진행 방향과 독립된 상기 편광면 회전 소자 및 광의 진행 방향에 따른 상기 편광면 회전 소자와 함께 결합되어 통합 광학 부품을 형성한다.
본 발명에 따른 광학 회로 소자는 2 개의 편광 광 분리 소자, 2 개의 전반사 미러, 광의 진행 방향과 독립된 적어도 1 개의 편광면 회전 소자, 광의 진행 방향에 따른 적어도 1 개의 편광면 회전 소자, 복수 개의 광 입사/출사 포트 및 자계 인가 수단을 조합하여 구성한다. 본 발명의 광학 회로 소자는 전술한 구성 요건 및 발명의 필수 구성 요건을 충족하는 한, 즉 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러가 동일하거나 상이한 다중층 중합체막으로 형성되는 한은 여러 가지 방법으로 구성될 수 있고, 또한 다중층 중합체막의 구성 및 본 명세서에 구체화된 자계 인가 수단의 종류에 따라서 다양한 형태로 실현될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 광학 회로 소자는 광 서큘레이터, 광 스위치나 광 절연체의 형태로 실현될 수 있다. 본 발명에 따른 광학 회로 소자에 있어서, 2 개의 편광 광 분리 소자, 2 개의 전반사 미러, 광의 진행 방향과 독립된 적어도 1 개의 편광면 회전 소자, 광의 진행 방향에 따른 적어도 1 개의 편광면 회전 소자, 복수 개의 광 입사/출사 포트 및 자계 인가수단을, 광학 회로 소자가 사용되는 자계 및 소망의 효과에 따른 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 특히, 편광 광 분리 소자 중의 하나와 전반사 미러 중의 하나는 이들 사이에 삽입된 유리판을 통하여 서로 대향 배치되고, 서로 거의 평행하게 완전하게 함께 결합되는 것이 요구된다.
본 발명의 실행에 있어서, 광 입사/출사 포트들은 비구형 렌즈의 평행 광 빔 시스템 및 이 기술 분야에 통상적으로 적용된 광섬유에 의해 각각 구성되는 것이 요구된다. 평행 광 빔 시스템에 있어서, 가능한 큰 직경을 갖는 입사/출사 광 빔은 구성 소자가 광학적으로 손상되는 것을 방지하는 견지에서 유리하다.
광의 진행 방향과 독립된 편광면 회전 소자(이하, "제1 편광면 회전 소자"라고 약칭함)는 바람직하게 패러데이 회전자이다. 적절한 패러데이 회전자는 자계가 인가되었을 때 약 45°정도 편광면을 회전시킬 수 있는 45°패러데이 회전자일 것이다. 45°패러데이 회전자는 이 기술 분야에서 통상적으로 수용하는 방법으로 구성될 수 있고, 바람직하게 GdBiFe 석류석과 같은 Bi 치환 석류석의 두꺼운 막으로 제조된다. 더욱 바람직하게는, 제1 편광면 회전 소자는 정사각형 히스테리시스 곡선을 갖는 자기 석류석으로 구성된 패러데이 회전자이다. 패러데이 회전자를 형성하는데 적합한 자기 석류석은 예컨대, Bi 치환 희토류(rare earth) Fe 석류석 및 바람직하게는 EuHoBiFeGaO 등일 수 있다. 상기 자기 석류석의 사용은 자기 석류석이 자화된 후에 외부 자계가 더 이상 인가되지 않을 지라도 약 3,500 Oe의 자화를 유지하는 것을 가능하게 한다. 이것은 자석과 같은 자계 인가용 수단의 사용을 제거하는 것을 가능하게 하고, 구조 및 제조 비용 모두의 관점에서 이점을 제공한다.
본 발명의 광학 회로 소자에 있어서, 전술한 제1 편광면 회전 소자에 자계를 인가하기 위한 수단에는 특정한 제한은 없다. 그러나, 통상적으로, 자석, 전자석 또는 코일이 유리하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실행에 있어서, 전술한 제1 편광면 회전 소자와 동시에 사용되는 광의 진행 방향에 따른 상기 편광면 회전 소자(이하, "제2 편광면 회전 소자"라고 약칭함)는 바람직하게 반파장 판이다. 상기 반파장 판은 수정 진동자 반파장 판과 같은 이 기술 분야에 일반적으로 사용되는 유일한 것이다.
상기 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러는 다중층 중합체막으로 형성된다. 즉, 상기 편광 광 분리 소자나 전반사 미러는 다중층 중합체막으로 제조된 유전체 반사 광학 소자이고, 바람직하게는 유전체 반사막의 형태로 사용된다. 더욱이, 본 발명을 실행하기 위해 사용된 상기 다중층 중합체막은 일반적으로 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러용의 동일한 종류의 중합체로 형성된 다중층 중합체막일 수 있거나 또는 각각의 소자용의 상이한 중합체로 형성된 다중층 중합체막일 수 있다.
본 발명을 실행하는 데에 적절하게 사용되는 반사형 또는 반사식 유전체 반사막은 일본 공표 공보 평성 제9-507308호에 개시된 다중층 광학막이다. 이 공보에 기술된 바와 같이, 이 다중층 막은 2 종류의 상이한 중합체 A 및 B를 교대로 적층함으로써 제조된다. 즉, 획득된 다중층 막은 ---ABAB---순서로 막을 적층함으로써 획득된 다중층 중합체막의 형태를 갖는다. 상기 다중층 막은 약 5:1의 연신비(drawing ratio)에서 축(X축)을 따라 연신되지만, 다른 축(X축과 직각을 이루는 Y축)을 따라서 연신되지 않고, 따라서 Y축을 따라 실질적으로 1:1의 연신비로연신된다. 그 상세한 설명에 있어서, 상기 X축은 "연신 방향"으로서 호칭되며 Y축은 "횡단 방향"으로서 호칭된다.
전술한 바와 같은 다중층 막인 유전체 반사막을 제조함에 있어서, 통상적으로, 하나의 중합체(B)는 명백한 굴절율(예컨대, 1.64)을 가지며, 이것은 연신 공정을 통해 실질적으로 변경되지 않는데, 달리 표현하면 광학적으로 등방성 특성을 갖는다. 상기 다른 중합체(A)는 연신 공정을 통해 변경된 굴절율을 나타낸다. 예컨대, 단일 축으로 연신된 중합체(A)의 시트는 연신 방향으로 제1 굴절율(예컨대, 1.88)을 갖고, 횡단 방향으로 제2 굴절율(예컨대, 1.64)을 갖는다.
다중층 중합체막(---ABAB---)에 있어서, 막 표면과 평행한 평면 축에 관련된 상기 굴절율은 평면 편광된 입사 빔에 대하여 효율적인 굴절율이 되도록 규정되며, 편광면은 상기 평면 축과 평행하다. 그러므로 연신 후에, 상기 다중층 막(---ABAB---)은 층간 굴절율 중에서 연신 방향으로 큰 차이를 나타내지만 횡단 방향으로는 실질적으로 동일한 층간 굴절율을 나타낸다. 따라서, 상기 다중층 막은 입사 빔의 편광 성분을 전파(傳播)하기 위한 반사형 편광막으로서 작용한다. 여기서, 상기 Y축은 전파축(또는 투과축)으로서 규정된다. 반사형 편광막을 통하여 통과한 광은 제1 편광 방위(또는 편광 방향)을 획득한다.
한편, 반사형 편광막을 통하여 통과하지 못한 광은 상기 제1 편광 방위와 직각인 제2 방위를 갖는 편광 광이다. 이러한 편광 방위를 나타내는 광은 X축을 따라서 막의 표면과 만나고, 상기 층간 굴절율 중의 차이에서 생기는 작용에 의해 반사된다. 따라서, 상기 X축은 반사축이 되도록 규정된다. 이러한 상태에 있어서, 상기반사형 편광막은 선택된 편광 방위(또는 편광 방향)만을 갖는 광을 투과시킨다.
상기 반사형 편광막의 광학 특성(반사 특성 및 투과 특성)은 통상적으로 막을 구성하는 중합체층의 광학 두께에 따라서 변화된다. 이들 중합체층이 빔의 다수의 파장에 대응하는 광학 두께를 갖는다면, 다시 말해서 이러한 파장에 의해 표현된 광학 두께를 갖는다면, 상기 광학 특성은 그들의 특정 대역(파장 대역)에 효율적으로 응답한다. 이들 층이 광의 파장보다 작은 광학 두께를 갖는다면, 다음에 구조적 간섭은 반사형 편광막의 광학 성능을 개선하기 위해 선택된 파장에 활용될 수 있다.
본 발명의 실행에 있어서, 균등한 층은 가시 스펙트럼의 광의 파장보다 작은 광학적 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 구조적 간섭은 A 및 B 층의 쌍의 두께가 입사광의 파장의 반보다 큰 경우(A+B > λ/2)에 발생한다. 상기 반파장 조건은 미리 규정된 파장 내의 협대역의 구조적 간섭의 발생 원인이 된다. 협대역을 갖는 복수 개의 중합체 적층물을 적층하거나 결합함으로써, 광대역에 걸쳐 광학 성능을 얻을 수 있다. 예컨대, 동등한 두께(A+B = λ/2)를 갖는 중합체층의 제1 그룹은 상이한 두께(A+B = λ'/2)를 갖는 중합체층의 제2 그룹 상에 적층될 수 있다. 통상적으로, 수백 개의 중합체층(---ABAB---)이 완전하게 적층되거나, 결합되어 광대역에 걸친 응답을 효율적으로 얻을 수 있다. 상기 반사형 편광막은 임의의 입사각 및 임의 파장의 각도에서 광을 반사하도록 설계되는 것이 요구된다.
Y축에 평행한 방향으로 선형적으로 편광된 광에 대하여 반사형 편광막의 반사 계수를 20% 보다 작게, 보다 바람직하게는 10% 보다 작게, 가장 바람직하게는5% 보다 작게 하는 것이 통상적으로 바람직하다. 상기 반사 계수는 소망의 파장 영역 및 특정 사용이나 일반적 사용에 있어서의 소망의 입사각 영역 내의 평균값이다. X축을 따라 선형적으로 편광된 광에 대하여 소망의 최대 입사각에서의 반사형 편광막의 반사 계수가 30% 보다 작지 않고, 더욱 바람직하게는 60% 보다 작지 않은 것이 바람직하다.
한편, 전반사 미러로서 사용되는 유전체 반사막에 있어서, 상기 굴절율은 막의 평면 내의 모든 방향(축)에 대해 다르다. 따라서, 상기 막은 편광 효과를 통상적으로 나타내지 않는다. 전반사 미러 내에 포함된 중합체 A의 층과 중합체 B의 층은 막의 평면 방향으로 실질적으로 등방성 광학 특성을 가지며, 특히 바람직하게는 X축 및 Y축을 따라 측정됨에 따라 실질적으로 동일한 굴절율을 나타내는 것이 요구된다. 예컨대, 중합체 A의 층과 중합체 B의 층이 사용되는 경우, 상기 중합체 B의 층은 중합체 B의 층의 굴절율과 상이한 굴절율을 갖는 중합체 A의 층과 결합된다. 이 경우에 있어서, 2 개의 중합체층은 실질적으로 연신되지 않거나 또는 2 개의 축으로 연신되는 것이 바람직하다. 통상적으로, 전반사 막의 반사 계수는 소망의 최대 입사각에서 30% 보다 작지 않고, 더욱 바람직하게는 60% 보다 작지 않은 것이 바람직하다.
유전체 반사막은 다중층 막을 제조한 후 연신이 이어지는 통상의 방법에 따라서 ---ABAB---와 같은 전술한 중합체층을 교대로 포함하는 웹(web)을 제조함으로써 얻어진다. 또한 필요에 따라서, 상기 제1 중합체(A) 및 제2 중합체(B) 이외에도 제3 중합체, 제4 중합체,....등이 사용될 수 있고, 이에 따라서 이들 중합체층을포함하는 편광막을 제조할 수 있다. 3 종류 이상의 중합체가 조합하여 사용되는 경우, 중합체층의 적층 순서는 소망하는 효과 등에 따라서 다양하게 변경될 수 있다.
유전체 반사막을 형성하기 위해 적절하게 사용될 수 있는 중합체의 구체적인 실시예는 2,6-, 1,4-, 1,5- 2,7- 및 2,3-PEN과 같은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)의 이성질체(isomer)와; 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리-1,4-사이클로핵산디메틸렌 테레프탈레이트와 같은 폴리알킬렌 테레프탈레이트와; 폴리아크릴이미드 및 폴리에테르이미드와 같은 폴리이미드와; 어택틱 폴리스티렌과 같은 폴리스티렌과; 폴리카보네이트와; 폴리이소부틸 메타크릴레이트, 폴리프로필 메타크릴레이트, 폴리에틸 메타크릴레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트와 같은 폴리메타크릴레이트와; 폴리부틸 아크릴레이트, 폴리메틸 아크릴레이트와 같은 폴리아크릴레이트와; 에틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 니트레이트와 같은 셀룰로오스 파생물; 폴리에틸렌 프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리이소부틸렌, 폴리(4-메틸펜틴)와 같은 폴리알킬렌 중합체와; 퍼플루오로알콕시 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌, 불소화 에틸렌/프로필렌 공중합체, 비닐리덴 폴리플루오라이드, 폴리크롤로트라이플루오로에틸렌과 같은 불소화 중합체와; 폴리비닐리덴 크롤라이드, 폴리비닐 크롤라이드와 같은 염소화 중합체와; 폴리술폰과; 폴리에테르 술폰과; 폴리아크릴로니트릴과; 폴리아미드와; 실리콘 수지와; 에폭시 수지와; 폴리비닐 아세테이트와; 폴리에테르 아미드와; 이오노머 수지와; 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 네오프렌과 같은 엘라스토머와; 폴리우레탄 등을 포함하며, 비록 예를 들었지만 이들예로만 한정되는 것이 아니다.
또한, 중합체 재료에 따라서, 전술한 중합체 대신에 공중합체이거나 또는 상기 중합체들의 조합이 유리하게 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용될 수 있는 공중합체는 2 성분 공중합체, 3 성분 공중합체나 임의의 다른 공중합체일 수 있다. 공중합체의 바람직한 실시예는 이하에 개시되는 공중합체, 즉
(1) 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7-, 및/또는 2,3-나프탈렌 디카복실릭 산 또는 이들 중 임의의 1 개의 에스테르로부터 합성된 공중합체화된 폴리에스터(소위 "코폴리에스터"), (a) 테레프탈릭 산 또는 이들의 에스테르, (b) 이소프탈릭 산 또는 이들의 에스테르, (c) 프탈릭 산 또는 이들의 에스테르, (d) 알칸 디카복실릭 산, 및 (e) 시클로알칸 디카복실릭 산(예컨대, 시클로핵산에디카복실릭 산)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 2 개 이상의 산, 알칸 글리콜 및/또는 시클로알칸 글리콜(예컨대, 시클로핵산디메탄올 디올스)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1 개 또는 2 개 이상의 글리콜과 같은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)의 공중합체;
(2) (a) 테레프탈릭 산 또는 이들의 에스테르, (b) 이소프탈릭 산 또는 이들의 에스테르, (c) 프탈릭 산 또는 이들의 에스테르, (d) 알칸디카복실릭 산, (e) 시클로알칸디카복실릭 산(예컨대, 시클로핵산디카복실릭 산)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 2 개 이상의 산, 알칸 글리콜 및/또는 시클로알칸 글리콜(예컨대, 시클로핵산디메탄올 디올스)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1 개 또는 2 개 이상의 글리콜로부터 합성된 공중합체화된 폴리에스테르와 같은 폴리알킬렌 테레프탈레이트의 공중합체;
(3) 스티렌/부타디엔 공중합체, 스티렌/아크릴로니트릴 공중합체 등과 같은 스티렌의 공중합체를 포함한다.
유전체 반사막에 있어서, 막을 구성하는 각 중합체층은 단일 종류의 전술한 중합체 또는 공중합체를 포함할 수 있거나, 혼합물로서 임의의 조합으로 2 개 이상의 종류의 전술한 중합체 및/또는 공중합체를 포함할 수 있다.
유전체 반사막을 구성하는 중합체층은 편광 효과 및 전체 광 빔에 대한 반사 계수에 의존하여 폭넓게 변화되지만 통상적으로 약 0.01 ㎛ 내지 0.70 ㎛ 까지의 임의의 두께일 수 있다. 또한, 중합체층이 다수 개 적층되어 유전체 반사막을 형성하는 경우, 상기 중합체층은 광의 투과를 강화하고 소망하는 광학 특성을 획득할 수 있는 가능한 한 적은 수로 적층된다. 유전체 반사막에 적층된 중합체층의 수는 통상적으로 5,000 개보다 적고, 바람직하게는 1,000 개보다 적으며, 특히 바람직하게는 100 개 내지 500 개이다.
형성된 유전체 반사막의 두께는 소망하는 편광 효과 및 적층된 중합체층의 수에 의존하여 폭넓게 변경될 수 있지만, 통상적으로 약 0.5 ㎛ 내지 0.5 ㎜ 의 두께이다.
또한, 본 발명에 사용되는 다중층 중합체막 형태의 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러는 자외선 흡수제, 산화 방지제, 성형 방지제(anti-molding agent), 부식 방지제, 습기 흡수제, 착색제, 형광 재료 및 계면 활성제와 같은 첨가제들을 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 효과가 손상되지 않는 한은, 상기 소자들은 전면 표면, 후면 표면 또는 양쪽 표면에 형성되는 광투과 보호막 등의 막을 구비할 수 있다.
다중층 중합체막 형태의 상기 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러에 있어서, 각 층은 복굴절을 갖는 중합체로 구성된다. 따라서, 특정 편광 방향을 갖는 선형 편광 빔은 관통하여 투과될 수 있고, 또한 상기 선형 편광 빔은 직각에서 반사될 수 있다. 그 외에도, 상기 중합체는 광을 거의 흡수하지 않고 관통하여 투과된 선형 편광 광에 대한 손실을 억제시킨다.
본 발명의 광학 회로 소자는 통상적으로 광 서큘레이터의 형태로 제공될 수 있다. 또한, 광학 회로 소자 내에 결합되어 있는 자계를 제공하는 수단을 변경함으로써 상기 광 서큘레이터는 광 스위치의 형태로 제공될 수 있다. 상기 광학 회로 소자는 예컨대, 1:2 또는 2:2 광 스위치의 형태로 제공하는 것이 요구되는 경우, 광학 회로 소자에 결합하여 사용되는 자계 인가 수단은 전류 인가 방향을 변경할 수 있고 편광면 회전 소자의 자화를 반전할 수 있는 전류 장치를 장착한 반경질의 자기 재료(half-hard magnetic material)의 요크로 구성된다. 더욱이, 상기 1:2 또는 2:2 광학 스위치는 또한 전류 인가 방향을 변경할 수 있고 편광면 회전 소자의 자화를 반전시킬 수 있는 전류 장치를 장착한 연질의 자기 페라이트(soft magnetic ferrite)의 요크로 제조된 자계 인가 수단을 사용함으로써 실현될 수 있다. 여기서, 요크를 구성하는 반경질 자기 재료나 소프트 자기 페라이트로서 종래의 재료가 사용될 수 있다. 예컨대, 요크를 형성하기 위한 소프트 자기 페라이트로서, 예를 들어 Mn-Zn형 페라이트, Ni형 페라이트, Li형 페라이트, Ni-Zn형 페라이트 및 Li-Zn형 페라이트가 바람직하게 사용될 수 있다. 이들 페라이트들이 양호한 정사각형형상의 자화 곡선을 나타내기 때문에 이들 페라이트들을 사용할 수 있다.
본 발명의 광학 회로 소자에 있어서, 구성 소자, 즉 편광 광 분리 소자, 전반사 미러, 제1 및 제2 편광면 회전 소자가 단일 구조로서 함께 고정되고, 특히, 접착제로 함께 결합되는 것이 요구된다. 비록 특별히 한정하지는 않았지만, 여기서 사용된 접착제는 고도로 투명하고 우수한 친밀한 접착력을 나타낸다. 여기서 사용된 상기 접착제는 통상적으로 70 % 이상의 광투과력을 가지며, 바람직하게는 80 % 이상, 특히 바람직하게는 85 % 이상의 광투과력을 가진다.
고도로 투명한 접착제로서, 고도의 투명도 및 매우 친밀한 접착력을 갖는 아크릴 접착제를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 아크릴 접착제는 이소옥틸 아크릴레이트, 부틸 아트릴레이트 또는 2-에틸핵실 아크릴레이트와 같은 4 내지 14 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 그룹을 갖는 아크릴레이트 단위체(monomer)와, (메타)아크릴 산, 카복실알킬 (메타)아크릴레이트, 하이드록시알킬 (메타)아크릴레이트 또는 N,N-디알킬 아크릴아미드와 같은 극성 원자단(polar group)을 갖는 (메타)아크릴레이트 단위체나, 또는 이러한 중합체를 포함하는 합성물을 포함하는 반응 재료로부터 획득되는 중합체이다. 여기서, 상기 용어 "(메타)아크릴 산"은 널리 알려진 바와 같이 아크릴 산과 메타아크릴 산을 포함하고, 그러므로 (메타)아크릴레이트가 거기에 대응하여 사용된다.
상기 소자들은 예컨대, 상기 소자의 표면에 접착제를 도포하여 이에 의해 접착층을 형성하고 접착층이 형성된 상기 소자 상에 다른 소자를 압착하여 접착하는 방법으로 아크릴 접착제 또는 임의의 다른 접착제를 사용함으로써 함께 접착된다.여기서, 상기 접착층은 통상적으로 5 ㎛ 내지 100 ㎛의 두께를 가지며, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 50 ㎛의 두께를 갖는다. 상기 접착층은 상기 소자 상에 전술한 중합체나 상기 중합체 합성물을 포함하는 코팅 용액을 공급함으로써 형성될 수 있다. 또한, 반응 재료를 포함한 코팅 용액이 공급된 후, 중합 반응이 상기 소자 상에서 실행될 수 있다. 또는, 분리된 박리막(peeling film) 상에 형성된 막의 형태인 접착제가 박리막으로부터 상기 소자 상으로 이송될 수 있다. 투명도를 손상시키지 않는 한, 상기 접착제층은 전술한 다양한 접착제들을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광학 회로 소자는 이 기술 분야에 통상적으로 행하여지는 바와 같은 추가의 렌즈, 광섬유, 케이스 등을 장착할 수 있다.
본 발명의 광학 회로 소자는 동일하거나 상이한 다중층 중합체막을 사용하여 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러를 형성하고, 상기 편광 광 분리 소자 중의 하나와 상기 전반사 미러 중의 하나를 서로 대향 배치하고 이들 사이에 삽입되는 유리판과 서로 거의 평행하게 함께 통합 접속함으로써, 통합 광학 부재를 제조하는 것이 요구된다. 따라서, 상기 획득된 통합 광학 부재는 절단 표면이 편광 광 분리 소자의 표면 및 전반사 미러의 표면에 대하여 거의 45°의 각도를 규정하도록 절단된다.
이와 같이 해서 획득된 2 개의 통합 광학 부품과, 적어도 하나의 제1 편광면 회전 소자 및 적어도 하나의 제2 편광면 회전 소자는 단일 구조로서 미리 결정된 순서로 함께 결합된다. 다음에, 상기 획득된 통합 광학 부품은 절단 표면이 편광 광 분리 소자의 표면 및 전반사 미러의 표면에 대하여 거의 45°의 각도를 규정하여 이에 따라서 다수의 광학 회로 소자를 동시에 제조하도록 절단된다.
통상적으로, 광 서큘레이터의 특성은 광 서큘레이터를 구성하는 소자 중에서 가장 빈약한 소광비를 갖는 소자에 의해 결정된다. 예컨대, 다중층 유전체막으로 제조된 종래의 편광 광 분리 소자는 광투과 특성이나 광반사 특성에 있어서 다른 종류의 편광 소자에 대해 열등한 소광비를 나타낸다. 구체적으로 설명하면, 이러한 종래의 편광 광 분리 소자는 광 서큘레이터를 구성하는 소자로서 통상적으로 사용되는 자기 석류석의 소광비보다 매우 작은 약 25 dB의 소광비를 갖는다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 광학 회로 소자용으로 사용된 다중층 중합체막은 약 38 dB 만큼의 높은 레벨의 소광비를 실현한다. 따라서, 편광 광 분리 소자가 광 서큘레이터를 구성하는데 사용되는 경우, 38 dB 만큼이나 우수한 분리가 실현된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다. 그러나, 여기서 주목해야 할 점은 본 발명이 결코 이하의 실시예에만 한정되지 않는다는 것이다. 특히, 본 발명의 광학 회로 소자는 이 소자 내에 결합된 전계 적용 수단의 종류에 따라서 광 서큘레이터의 형태에서 뿐만이 아니라 광 스위치나 광 절연체의 형태로도 구성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 간결하게 설명하기 위해서, 약간의 종류의 자계 인가 수단만을 설명하였고, 도시된 광학 회로에 사용되는 모든 종류의 자계 인가 수단을 설명하지는 않았다.
실시예 1
도 2는 본 발명에 따른 4 단자 광 서큘레이터의 바람직한 실시예를 예시한다. 도 2에 도시된 광 서큘레이터(10)는 4 개의 단자(포트), 즉 제1 광 입사/출사포트(1), 제2 광 입사/출사 포트(2), 제3 광 입사/출사 포트(3) 및 제4 광 입사/출사 포트(4)를 갖는다. 비록 도시하지는 않았지만, 상기 광 입사/출사 포트들은 비구형 렌즈 및 광섬유에 의해 구성된 평행 광 빔 시스템이다. 도시한 바와 같이, 상기 광 서큘레이터는 다중층 중합체막으로 형성되는 2 개의 편광 광 분리 소자(5, 6) 및 다중층 중합체막으로 형성되는 전반사 미러(7, 8), 광의 진행 방향과 독립된 1 개의 편광면 회전 소자(제1 편광면 회전 소자)(15), 광의 진행 방향에 따른 1 개의 편광면 회전 소자(제2 편광면 회전 소자)(16) 및 자계 인가 수단(도시 생략됨)에 의해 구성된다. 상기 구성 소자 중에는 유리판(11, 12, 13, 17, 18, 19)이 삽입된다. 상기 구성 소자들은 아크릴 접착제(이소옥틸 아크릴레이트/아크릴릭 산 공중합체, 약 98 % 의 광투과 계수)에 의해 함께 접착되며, 함께 완전하게 고정된다.
예시된 4 단자 광 서큘레이터(10)에 있어서, 상기 편광면 회전 소자(15)는 45°의 편광면 회전각을 갖는 Bi 치환 자기 석류석(GdBiFe 석류석)으로 구성된 패러데이 회전자이다. 즉, 자계의 인가시에, 편광면 회전 소자(15)는 편광면을 약 45°회전시킨다. 도시한 본 실시예의 경우에 있어서, 내부에서 광이 진행하는 방향을 따라 자계(H)가 인가된다. 편광면 회전 소자(16)는 수정 진동자 반파장 판이고, 다중층 중합체막으로 구성되는 편광 광 분리 소자를 관통한 광의 편광 방향에 대하여 22.5°의 각도를 이루는 광축을 갖는다. 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러를 구성하는 다중층 중합체막은 미리 결정된 두께를 유지하는 하나에 대해서 다른 하나가 상이한 굴절율을 갖는 중합체막을 교대로 적층함으로써 형성된다. 상기 소자는 동일한 편광 방향을 갖는 광을 투과할 수 있다. 자계 인가 수단은 자계의 인가 방향을 변경할 수 있는 자석이다.
예시된 광 서큘레이터에 있어서, 상기 광학 소자 유닛은 4 ㎜ ×4.6 ㎜ ×2 ㎜ 만큼 매우 콤팩트한 크기를 갖는다. 그 외에도, 상기 광학 소자 유닛은 다중층 유전체막이 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러를 형성하기 위해 사용된 때의 비용보다 약 40 % 정도 낮은 비용으로 제조된다. 상기 광 서큘레이터 자체는 제조가 용이하고 정교하게 제조될 수 있다.
상기 광이 진행하는 통로 및 도시된 광 서큘레이터(10) 내의 편광면의 작용은 도 3 내지 도 6의 측면도로부터 이해될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 광 입사/출사 포트(1) 상에 입사하는 투과광(L1입력)은 편광 광 분리 소자(5)를 관통함에 따라 서로 직각에서 만나는 2 개의 편광 성분으로 분리된다. 상기 편광 성분은 광 서큘레이터 내의 상이한 통로를 통과하고 다른 편광 광 분리 소자(6)를 통해서 다시 합성된다. 편광, 분리, 합성 후에, 상기 합성 빔은 제2 광 입사/출사 포트(2)로부터 출사빔(L2출력)으로서 외부로 나온다.
도 4를 참조하면, 제2 광 입사/출사 포트(2) 상에 입사하는 투과광(L2입력)은 편광 광 분리 소자(6)를 관통함에 따라 서로 직각에서 만나는 2 개의 편광 성분으로 분리된다. 상기 편광 성분은 광 서큘레이터 내의 상이한 통로를 통과하고 다른 편광 광 분리 소자(5)를 통해서 다시 합성된다. 편광, 분리, 합성 후에, 상기 합성 빔은 제3 광 입사/출사 포트(3)로부터 출사빔(L3출력)으로서 외부로 나온다.
도 5를 참조하면, 제3 광 입사/출사 포트(3) 상에 입사하는 투과광(L3입력)은 편광 광 분리 소자(5)를 관통함에 따라 서로 직각에서 만나는 2 개의 편광 성분으로 분리된다. 상기 편광 성분은 광 서큘레이터 내의 상이한 통로를 통과하고 다른 편광 광 분리 소자(6)를 통해서 다시 합성된다. 편광, 분리, 합성 후에, 상기 합성 빔은 제4 광 입사/출사 포트(4)로부터 출사빔(L4출력)으로서 외부로 나온다.
도 6를 참조하면, 제4 광 입사/출사 포트(4) 상에 입사하는 투과광(L4입력)은 편광 광 분리 소자(6)를 관통함에 따라 서로 직각에서 만나는 2 개의 편광 성분으로 분리된다. 상기 편광 성분은 광 서큘레이터 내의 상이한 통로를 통과하고 다른 편광 광 분리 소자(5)를 통해서 다시 합성된다. 편광, 분리, 합성 후에, 상기 합성 빔은 제1 광 입사/출사 포트(1)로부터 출사빔(L1출력)으로서 외부로 나온다.
예시된 광 서큘레이터(10)에 있어서, 상기 광 서큘레이터 내에서 분리된 편광 성분은 다시 합성되어 동일한 입사/출사 포트로부터 외부로 나온다. 이 실시예에 있어서, 1.0 ㎜의 직경을 갖는 평행빔은 입사/출사 빔으로서 사용되어 다중층 중합체막에 대한 광학적 손상의 문제점을 해결한다.
상세하게 전술된 상기 광 서큘레이터(10)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 방법으로 더 변경될 수 있다. 자계 인가 방향이 도면 내의 화살표(H)에 대향하는 방향으로 변경된 경우, 제1 광 입사/출사 포트(1) →제2 광 입사/출사 포트(2)의 투과광의 통로는 제1 광 입사/출사 포트(1) →제4 광 입사/출사 포트(4)와 같이 변경될 수 있다. 그러므로, 광 서큘레이터의 구성을 직접적으로 사용함으로써 광 스위치가 제공된다. 상기 광 서큘레이터(10)의 제4 광 입사/출사 포트(4)가 2 개의 포트, 즉 제1 광 입사/출사 포트(1) 및 제2 광 입사/출사 포트(2)로 한정된 경우, 편광에 독립된 광섬유를 갖는 광 절연체가 제공된다. 상기 제4 광 입사/출사 포트(4)가 3 개의 포트, 즉 제1 광 입사/출사 포트(1), 제2 광 입사/출사 포트(2) 및 제3 광 입사/출사 포트(3)로 한정된 경우, 3-단자 광 서큘레이터가 제공된다.
실시예 2
도 7은 본 발명에 따른 4-단자 광 서큘레이터의 다른 바람직한 실시예를 예시한다. 광학 부품의 배치 및 작용의 관점에서, 상기 도시된 광 서큘레이터(10)는 광의 진행 방향에 독립된 편광면 회전 소자(제1 편광면 회전 소자)(25)로서 실시예 1에 사용된 Bi 치환 자기 석류석(GdBiFe 석류석)으로 구성되는 패러데이 회전자 대신에 정사각형 히스테리시스 곡선을 갖는 자기 석류석으로 구성되는 패러데이 회전자를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에 기술된 광 서큘레이터와 동일하다. 여기에 사용된 정사각형 히스테리시스 곡선을 갖는 자기 석류석은 외부 자계가 인가됨으로써 일단 자화된 후에는 외부 자계가 더 이상 인가되지 않게 된 후일지라도 약 350 Oe의 자화를 유지하는 약 0.1 ㎜ 두께인 Bi 치환 희토류 Fe 석류석(Eu0.9Ho1.1Bi1.0Fe4.2Ga0.8O12) 이다.
이 실시예의 광 서큘레이터(10)에 있어서, 제1 편광면 회전 소자로서 사용된 상기 패러데이 회전자는 충분히 강한 자계가 외부로부터 이 패러데이 회전자에 인가되고 상기 자계가 더 이상 인가되지 않게 된 후일지라도 포화 상태가 된 경우에 자화된다. 따라서, 이 광 서큘레이터(10)의 경우에 있어서, 패러데이 회전자에 자계를 인가하기 위한 수단을 필요로 하지 않고, 상기 장치는 더 감소된 크기와 감소된 비용으로 실현된다. 또한, 상기 광 서큘레이터는 감소된 비용에서 현명하게 일괄 제조될 수 있다.
또한, 전술한 상세한 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 획득된 광 서큘레이터는 요구에 따라 광 스위치, 광 절연체 등으로서 작용될 수 있다.
실시예 3
도 8은 도 2를 참조하여 기술한 본 발명의 4 단자 광 서큘레이터가 광 스위치로서 사용되는 경우의 예를 예시한다. 도시된 실시예에 있어서, 코일(23)이 위에 감긴 반경질의 자기 재료로 제조된 요크(자석)(24)가 자계 인가용 수단으로서 사용되고, 스위치(22)를 통하여 상기 코일(23)에 접속된 DC 전원(21)이 전류 장치로서 이용된다. 상기 광 서큘레이터(10)가 링형 요크(24)의 중앙 공간 내에 배치되고, 인가 전류의 방향이 전류 장치에 의해 변경된 경우, 광 서큘레이터 내의 광의 진행 방향에 독립된 편광면 회전 소자의 자화를 반전시킨다. 따라서, 상기 광 서큘레이터(10)는 4 단자(2:2)광 스위치로서 동작될 수 있다. 변형 실시예로서, 상기 2:2 광 스위치는 1:2 광 스위치로서 동작될 수 있다. 이 광 스위치에 있어서, 장치 구동용 메카니즘이 광학 소자 유닛의 외측에 배치되고, 코일을 이용하는 종래의 광 스위치와 비교하여 크기를 감소시킬 수 있다. 또한, 이와 같이 해서 획득된 광 스위치에 있어서, 자석은 전류 장치로부터 전류가 더 이상 공급되지 않게 된 후일지라도 자계를 유지한다, 즉 자기 유지형(self-holding type) 광 스위치가 실현된다.
또한, 본 발명의 연구 결과에 따르면, 광의 진행 방향과 독립된 편광면 회전 소자로서 작은 포화 자화를 갖는 Bi 치환 희토류 Fe 석류석, 예컨대 GdBi Fe 석류석으로 구성된 패러데이 회전자를 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 이러한 석류석이 250 가우스의 포화 자계를 갖기 때문이며, 본 발명에 사용된 경우, 자계가 자계 인가 수단에 의해 변경되었을 때 인가 전류를 감소시킬 수 있다.
실시예 4
도 9는 도 2를 참조하여 기술한 본 발명의 4 단자 광 서큘레이터가 광 스위치로서 이용되는 경우의 다른 실시예를 도시한다. 이 도시된 실시예 4에 있어서, 코일(23)이 권선되어 있는 연질의 자기 페라이트로 제조된 링형 요크(자석)(24)는 자계 인가 수단으로서 이용되고, 상기 코일(23)에 접속된 AC 전원(26)은 전류 장치로서 이용된다. 광 서큘레이터(10)가 링형 요크(24)의 중앙 공간에 배치되고, 전류 장치에 의해 인가 전류의 방향이 변경된 경우, 광 서큘레이터(10) 내의 광의 진행 방향과 독립된 편광면 회전 소자의 자화를 반전시킬 수 있다. 따라서, 광 서큘레이터(10)를 4 단자 2:2 광 스위치로서 동작시킬 수 있다. 변형 실시예로서, 상기 4 단자 2:2 광 스위치를 3 단자 1:2 광 스위치로서 동작시킬 수 있다. 이 4 단자 2:2 광 스위치에 있어서, 연질의 자기 페라이트로 구성된 요크를 이용하면 스위칭 속도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 이와 같이 제조된 광 스위치에 있어서, 전류 장치로부터 전류의 공급을 중지시킨 경우라 하더라도 자석은 자계를 유지한다. 즉, 자기 유지형 광 스위치를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 연구 결과에 따르면, Mn-Zn형 페라이트와 같은 양호한 정사각형 형상의 자화 곡선을 갖는 상기한 재료를 연질의 자기 페라이트로서 이용하는 것이 바람직하다. 이들 재료를 요크로서 이용하면, 직류로부터 약 100 MHz에 이르기까지의 넓은 범위에 걸쳐서 스위칭을 실현할 수 있다.
실시예 5
도 10 내지 도 15는 도 2에 도시된 본 발명의 광 서큘레이터를 제조하는 데 이용되는 통합 광학 부품을 제조하는 단계를 도시한다.
도 10 내지 도 15에 도시된 상기 제조 단계를 수행하기에 앞서, 상기 광 서큘레이터를 구성하기 위한 부재가 제조된다. 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러는 전술한 방법에 따른 다중층 중합체막에 의해 제조된다. 다중층 유전체막과는 달리, 다중층 중합체막을 평방 미터(square meter)의 큰 크기 순서로 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 이 실시예 5에 있어서도, 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러는 폭이 30 cm이고 길이가 30 cm의 크기로 제조될 수 있다. 또한, 폭이 30 cm이고 길이가 30 cm이며 높이가 cm인 크기를 갖는 광학 유리판이 제조된다. 또한, 다중층 중합체막과 동일하게, 상기 광학 유리판은 평방 미터의 큰 크기 순서로 용이하게 제조될 수 있다.
먼저, 도 10에 도시한 바와 같이, 다중층 중합체막으로 구성된 편광 광 분리 소자(5) 및 다중층 중합체막으로 구성된 전반사 미러(7)는 3 개의 광학 유리판(11, 12, 13)의 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 접착제에 의해 함께 결합되어 있다. 이 실시예 5에 있어서, 경화시에 작은 수축 계수(contraction coefficient)를 갖고,다중층 중합체막에 악영향을 끼침이 없는 가시광 경화형 접착제(visible light-curable adhesive), 즉 아크릴 접착제(이소옥틸 아크릴레이트/아크릴 산 공중합체, 약 98%의 광투과율)를 이용하여 상기 부재가 함께 결합된다. 이에 따라서, 직사각형(폭이 30 cm이고 길이가 30 cm임)의 통합 광학 부재(28)를 얻을 수 있다.
이어서, 광 서큘레이터를 제조하기 위한 통합 광학 부품을 제조하기 위해서 이 제조된 통합 광학 부재(28)를 도 11에 도시된 바와 같은 절단선(C1, C2)을 따라 길이(lengthwise) 방향으로 절단한다. 이해를 돕기 위해서, 도 11은 2 개의 절단선만을 도시한다. 그러나, 실제에 있어서는 약 1.1 cm 만큼 이격된 많은 절단선이 존재한다. 이 실시예 5에 있어서, 통합 광학 부재(28)를 약 1.1 cm의 간격을 유지하면서 절단한다. 왜냐하면, 이것은 광 서큘레이터 및 광 스위치 등과 같은 광학 회로 소자의 제조시에 광학 부품으로서 이용되는 자기 석류석이 통상적으로 약 1.1 cm ×1.1 cm의 크기를 갖기 때문이다. 따라서, 후속되는 작업 단계에 있어서 취급에 중요성이 부여되면, 절단된 통합 광학 부재가 약 1.1 cm의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 도 12에 도시된 바와 같은 통합 광학 부품용 전구체(29)(폭이 1.1 cm이고 길이가 30 cm임)를 얻을 수 있다.
이어서, 상기한 바에 따라서 얻어진 통합 광학 부품용 전구체(29)를 2 mm의 간격을 유지하면서 절단하기 때문에, 도 12의 절단선(C3)(이해를 용이하게 하기 위해서 절단선 중 일부의 절단선만을 도시함)에 의해 도시된 바와 같이 절단면의 각도는 편광 광 분리 소자(5) 및 전반사 미러(7)에 대해서 약 45°이다. 이에 따라서, 총 90 개의 도 13에 도시된 바와 같은 통합 광학 부품(30)을 얻을 수 있다.
이어서, 상기한 바에 따라서 얻어진 통합 광학 부품(30)의 2 개의 대항면(31, 32)을 광학적으로 연마한다. 즉, 도 12를 참조하여 설명한 절단선(C3)을 따라서 절단된 비교적 거친면을 광학적으로 연마한다(도 13 참조). 이어서, 통합 광학 부품(30)의 광학적으로 연마된 대항면(31, 32) 상에 공기와 접한 AR 피복막(반사 방지막)(도시하지 않음)을 적층한다.
전술한 단계에 이어서, 전술한 바에 따라서 얻어진 통합 광학 부품용 전구체(30)는 도 14의 절단선(C4)으로 도시된 바와 같이 절단면의 각도는 편광 광 분리 소자(5) 및 전반사 미러(7)에 대해서 약 45°가 되도록 절단한다. 이에 따라서, 도 15에 도시된 바와 같은 통합 광학 부품(35)을 얻을 수 있다.
다음에, 전술한 바에 따라서 얻어진 통합 광학 부품(35)의 2 개의 대항면(36, 37)을 광학적으로 연마한다. 즉, 도 14를 참조하여 설명한 절단선(C4)을 따라서 절단된 비교적 거친면을 광학적으로 연마한다(도 15 참조). 다음에, 통합 광학 부품(35)의 광학적으로 연마된 표면(36, 37) 상에 공기와 접한 AR 피복막(반사 방지막)(도시하지 않음)을 적층한다. 이 때, 도 13에 도시된 통합 광학 부품(35)의 2 개의 대항면(31, 32)을 위한 광학 연마 단계를 동시에 수행할 수 있음에 주목해야 한다.
전술한 일련의 간단한 제조 단계를 통하여, 도 2에 도시된 본 발명의 광 서큘레이터의 제조에 이용되는 통합 광학 부품을 한 번에 다량으로 제조한다. 또한, 전술한 상세한 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 획득된 통합 광학 부품은 광 서큘레이터의 제조용뿐만 아니라 광 스위치, 광 절연체 및 기타의 광학 회로 소자의 제조용으로서 유리하게 이용된다.
실시예 6
도 16 내지 도 19는 전술한 실시예 5에 따라서 제조된 통합 광학 부품을 이용하여 도 2에 도시된 본 발명의 광 서큘레이터를 제조하는 단계를 예시한다.
도 16을 참조하면, 통합 광학 부품(30, 35)이 패러데이 회전자(15)와 반파장 판(16)의 사이에 샌드위치형으로 함께 전체적으로 접착된다. 각각의 부재들을 통합 접착하기 위해서, 실시예 5와 동일한 방법으로 아크릴 접착제를 이용한다. 전술한 바에 따라서 얻어진 통합 광학 제품에 있어서, 동일한 소자가 대각선 위치에 위치하도록 각각의 통합 광학 부품 내에 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러를 배치한다. 상기한 바에 따라서 얻어진 통합 광학 제품과 관련해서 설명하면, 통합 광학 부품은 도 12를 참조하여 전술한 절단 처리 단계를 통하여 동시에 절단되어 상기 통합 광학 부품의 절단면은 동일한 평면 상에 위치하게 된다. 따라서, 전술한 바에 따라서 얻어진 통합 광학 제품에 있어서, 2 개의 편광 광 분리 소자는 동일한 편광빔을 투과시키거나 반사시킨다. 또한, 도시되지는 않았지만 접착제와 접한 AR 피복막이 패러데이 회전자로서 이용되는 자기 석류석을 피복하여야만 한다.
이어서, 도 17에 도시된 절단선(C5, C6)을 따라서 양쪽 단부에서 얻어진 통합 광학 제품이 절단 및 제거된다. 또한, 이 절단 처리 단계에 있어서도, 실시예 5에 기술된 절단 처리 단계와 동일하게, 절단면은 편광 광 분리 소자(5, 6) 및 전반사 미러(7, 8)에 대해서 약 45°의 각도를 이룬다. 또한, 전술한 실시예 5와 동일하게, 절단면을 광학적으로 연마하고, 공기와 접한 AR 피복막을 광학적으로 연마되어 있는 통합 광학 제품의 4 개의 면 전체에 인가한다. 또한, 공기와 접한 AR 피복막을 대체하기 위해서 통합 광학 제품의 하나의 표면 상에 공기와 접한 AR 피복막을 갖는 유리판을 이용하는 것이 가능하다. 이에 따라서, 도 18의 사시도에 도시된 광 서큘레이터용 전구체(9)를 얻을 수 있다.
다음에, 전술한 바에 따라서 얻어진 광 서큘레이터용 전구체(9)를 도 19에 도시된 바와 같은 복수의 절단선(C7)을 따라서 절단한다. 여기서, 절단선(C7)과 인접하는 절단선(C7) 사이의 간격, 즉 절단선간의 간격은 광 서큘레이터의 소망하는 깊이에 대응한다. 이러한 일련의 제조 단계를 통하여, 도 2에 도시된 바와 같은 형상 및 크기를 갖는 광 서큘레이터를 얻을 수 있다.
전술한 설명으로부터 이해되는 바와 같이 이 실시예 6에 따르면, 간단한 방법으로 한 번에 제조 비용을 절감하여 다량으로 본 발명의 광 서큘레이터를 제조한다. 또한, 필요하다면, 상기한 바에 따라서 제조된 광 서큘레이터를 광 스위치 또는 광 절연체로서 동작할 수 있다.
실시예 7
도 20은 본 발명에 따른 광 서큘레이터의 또 다른 바람직한 실시예를 도시하는 측면도이다. 도 20에 도시된 광 서큘레이터(50)는 기본적으로 도 2를 참조하여 설명된 광 서큘레이터(10)와 동일하다. 그러나, 이 실시예 7의 경우에 있어서, 광 입사/출사 포트는 제1 광 입사/출사 포트 내지 제4 광 입사/출사 포트의 총 4 개의 단자의 대신에, 총 3 개의 단자, 즉 제1 광 입사/출사 포트(51), 제2 광 입사/출사 포트(52) 및 제3 광 입사/출사 포트(53)로 구성된다. 제1 광 입사/출사 포트(51)에는 유리판(54)들에 의해 샌드위치형으로 삽입된 전반사 미러(57)가 제공되고, 제2 광 입사/출사 포트(52)에는 유리판(55)에 의해 샌드위치형으로 삽입된 전반사 미러(58)가 제공된다. 도 20에 있어서, 참조번호(L1, L2, L3)는 광이 입사되고 출사되는 통로(passage)를 나타낸다. 광 입사/출사 포트의 전체에 있어서, 도시하지 않은 광 입사/출사 면에 접착제와 접한 쪽의 AR 피복막을 적용한다.
도시된 광 서큘레이터(10)에 있어서, 광 입사/출사 포트가 시스템을 형성하기 위해 실제적으로 이용되는 경우, 광 입사/출사 포트의 전체는 공간을 절약할 수 있도록 1 개의 평면 내에 존재한다. 또한, 이 실시예 7에 있어서, 도 2를 참조하여 기술된 광 서큘레이터(10)의 경우와 역방향으로 자계를 인가하는 것이 바람직하다. 또한, 필요하다면, 광 서큘레이터를 광 스위치 또는 광 절연체로서 동작시킬 수 있다.
실시예 8
도 21은 도 20을 참조하여 기술된 본 발명의 광 서큘레이터(50)의 변형된 실시예를 도시하는 측면도이다. 도 21에 도시된 광 서큘레이터(50)에 있어서, 3 개의 광 입사/출사 포트, 즉 제1 광 입사/출사 포트(51), 제2 광 입사/출사 포트(52) 및 제3 광 입사/출사 포트(53)의 광 입사/출사 면은 접착제와 접한 쪽의 AR 피복막의 대신에, 유리판(56) 및 유리판(59)의 하나의 표면 상에 인가되는 공기와 접한 쪽의 AR 피복막을 갖는 유리판(56)[공통적으로 제1 광 입사/출사 포트(51) 및 제3 광 입사/출사 포트(53)에 대해서] 및 유리판(59)[제2 광 입사/출사 포트(52)에 대해서]에 의해 고정된다.
접착제와 접한 쪽의 AR 피복막의 대신에, 공기와 접한 쪽의 AR 피복막을 갖는 유리판을 이용하면 특성을 열화시키는 것을 방지하는 효과가 있다. 왜냐하면, 이것은 다중층 중합체막으로 구성된 편광 광 분리 소자, 다중층 중합체막으로 구성된 전반사 미러 및 유리판을 일체형으로 결합하여 통합 광학 부재를 제조하기 위한 부재들을 접착하기 위해 접착제를 이용하는 경우, 접착제가 고온에도 견딜 수 있어야만 하기 때문이다. 접착제가 고온에 견디지 못하는 경우, 접착제와 접한 쪽의 AR 피복막을 직접 도포하는 단계에서 접착층은 결함을 발생하게 되어, 얻어진 광 서큘레이터의 특성을 손상시킬 수 있다. 또한, 고온에 의한 영향을 받아서 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러를 구성하는 다중층 중합체막의 특성을 손상시킬 수도 있다. 역으로, 광 서큘레이터를 제조하는 최종 단계에서 광 소자 유닛에 공기와 접한 쪽의 AR 피복막을 갖는 유리판을 부착시킬 수 있어, 고온에 의해 발생되는 열화될 특성을 허용하지 않는다.
또한, 추가로 더 설명하면, 접착제와 접한 쪽의 AR 피복막의 대신에, 공기와 접한 쪽의 AR 피복막을 갖는 유리판을 이용하는 것에 유래한 개선을 전술한 실시예 1 내지 실시예 6에서도 달성할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 우수한 소광비를 갖는 광학 회로 소자를 제공할 수 있다. 또한, 광학 회로 소자에 결합된 자계 인가 수단의 선택에 따라서, 이 광학 회로 소자를 광 서큘레이터 또는 광 스위치의 형태로 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 다중층 중합체막으로 형성된 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러를 이용하면, 용이하고 간단한 제조 방법으로 제조 비용을 절감하여 다량으로 광학 회로 소자를 제조할 수 있다.

Claims (11)

  1. 광학 회로 소자(10)에 있어서,
    2 개의 편광 광 분리 소자(5, 6)와;
    2 개의 전반사 미러(7, 8)와;
    광의 진행 방향과 독립된 적어도 1 개의 편광면 회전 소자(15)와;
    광의 진행 방향에 따른 적어도 1 개의 편광면 회전 소자(16)와;
    복수 개의 광 입사/출사 포트(1, 2, 3, 4)와;
    자계 인가 수단을 포함하고,
    상기 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러는 동일하거나 상이한 다중층 중합체막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광의 진행 방향과 독립된 상기 편광면 회전 소자는 패러데이 회전자(15)인 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 패러데이 회전자는 정사각형 히스테리시스 곡선을 갖는 자기 석류석(magnetic garnet)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 회로 소자는 광 서큘레이터(optical circulator)(50)인 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 회로 소자는 광 스위치(optical switch)인 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광 스위치는 1:2 광 스위치 또는 2:2 광 스위치이고, 이 경우에 있어서, 상기 자계 인가 수단은 공급 전류의 방향을 변경할 수 있고 상기 편광면 회전 소자의 자화를 반전시킬 수 있는 전류 장치를 장착한 반경질의 자기 재료(half hard magnetic material)로 제조된 요크를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  7. 제5항에 있어서, 상기 광 스위치는 1:2 광 스위치 또는 2:2 광 스위치이고, 이 경우에 있어서, 상기 자계 인가 수단은 공급 전류의 방향을 변경할 수 있고 상기 편광면 회전 소자의 자화를 반전시킬 수 있는 전류 장치(21)를 장착한 연질의 자기 페라이트(soft magnetic ferrite)로 제조된 요크(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 광 분리 소자 중 하나와 상기 전반사 미러 중 하나는 이들 사이에 삽입된 유리판(12)을 통해서 서로 대향 배치하고, 서로 거의 평행하게 완전하게 함께 결합된 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 편광 광 분리 소자, 상기 전반사 미러 및 상기 유리판은 접착제에 의하여 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자.
  10. 광학 회로 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    2 개의 편광 광 분리 소자와, 2 개의 전반사 미러와, 광의 진행 방향과 독립된 적어도 1 개의 편광면 회전 소자와, 광의 진행 방향에 따른 적어도 1 개의 편광면 회전 소자와, 복수 개의 광 입사/출사 포트와, 자계 인가 수단을 포함하고,
    상기 편광 광 분리 소자 및 전반사 미러는 동일하거나 상이한 다중층 중합체막으로 형성되며;
    상기 편광 광 분리 소자 중 하나와 상기 전반사 미러 중 하나는 이들 사이에 삽입된 유리판을 통해서 서로 대향 배치되고, 서로 거의 평행하게 완전하게 함께 결합되며;
    획득된 통합 광학 부재는 절단 표면이 상기 편광 광 분리 소자의 표면 및 상기 전반사 미러의 표면에 대하여 거의 45°의 각도를 유지하도록 절단되고;
    절단 후의 상기 통합 광학 부재는 광의 진행 방향과 독립된 상기 편광면 회전 소자 및 광의 진행 방향에 따른 상기 편광면 회전 소자와 함께 결합되고, 이것에 의해 통합 광학 부품을 형성하는 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 2 개의 통합 광학 부재, 광의 진행 방향과 독립된 상기 편광면 회전 소자 및 광의 진행 방향에 따른 상기 편광면 회전 소자는 함께 결합되어 통합 광학 부품의 전구체(precursor)를 형성하고, 상기 획득된 전구체는 다수의 통합 광학 부품을 동시에 형성하기 위해서 상기 절단 표면을 상기 편광 광 분리 소자의 표면 및 상기 전반사 미러의 표면에 대하여 거의 45°의 각도를 유지하도록 절단하는 것을 특징으로 하는 광학 회로 소자의 제조 방법.
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