KR20050020846A

KR20050020846A - 포토닉 밴드갭 광섬유

Info

Publication number: KR20050020846A
Application number: KR1020030058115A
Authority: KR
Inventors: 이석한; 김지덕
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-04
Also published as: JP2005070785A; KR101018376B1; EP1508824A1; JP4272130B2; US20050041945A1; EP1508824B1; US7016584B2

Abstract

포토닉 밴드갭 광섬유가 개시된다. 본 포토닉 밴드갭 광섬유는 복수의 밴드갭을 형성하는 포토닉 결정을 사용한다. 포토닉 결정은 제1 유전율을 갖는 제1 매질, 제2 유전율을 가지며, 제1 매질에 의해 형성되는 평면상에서 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제1 주기로 배치되는 복수의 제2 매질, 및 제 3유전율을 가지며, 제1 매질에 의해 형성되는 평면상에서 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제2 주기로 배치되며, 복수의 제2 매질과 함께 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제3 주기로 배치되는 복수의 제3 유전체를 포함한다. 포토닉 결정에는, 제1 매질에 의해 형성되는 평면상을 관통하는 방향으로 광을 전파하기 위한 공동이 형성되어 있다. 이러한 포토닉 밴드갭 광섬유를 사용하여, 서로 다른 밴드의 복수개의 광을 동시에 전송할 수 있다.

Description

포토닉 밴드갭 광섬유{Photonic band gap optical fiber}

본 발명은 포토닉 밴드갭 광섬유(Photonic Band Gap Optical Fiber)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 밴드갭(band-gap)을 형성하는 포토닉 결정구조를 사용하여, 다중밴드 가이딩이 가능한 포토닉 밴드갭 광섬유에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유(Optical Fiber)는 낮은 굴절률을 갖는 유리나 플라스틱 재질의 안쪽에 높은 굴절률을 갖는 유리나 플라스틱 재질로 내부 코어(core)를 구성한다. 광은 내부 전반사에 의해서 안쪽 코어를 따라 전파되며, 이를 통해 정보를 전송할 수 있다. 광섬유는 가볍고 얇아서 공간을 많이 차지 하지 않으면서도 아주 높은 전송 속도와 낮은 에러율을 제공한다. 따라서, 광섬유는 고속 데이터 송수신과 높은 신뢰도를 필요로 하는 데이터 전송 분야에서 흔히 사용되지만, 광섬유는 고체 코어(solid core)를 통해 광을 전파함으로, 코어 물질에 의한 산란이나 분산, 또는 흡수 소실 때문에 그 효율은 제한적이었다.

이에 따라 코어의 굴절률이 클래드보다 적으나 포토닉 밴드갭에 의해 광이 가이딩되는 포토닉 밴드갭 광섬유에 대한 관심이 높아지고 있다. 포토닉 밴드갭 광섬유에서는 포토닉 밴드갭(photonic band gap)을 형성하기 위해 포토닉 결정이 사용된다. 포토닉 결정은 사용 주파수 대역에 따라 수백 ㎚ 내지 수백 ㎛의 구조를 가지며 굴절율이 서로 다른 물질들을 규칙적으로 배열함으로써 형성된다. 포토닉 결정을 이용하면 특정 편광의 광을 투과시키지 않는 완전밴드갭(complete band-gap)을 형성할 수 있으며, 또한 편광에 관계없이 광을 투과시키지 않는 절대 밴드갭(absolute band-gap)을 형성할 수도 있다. 이러한 특성으로 인해 포토닉 결정을 사용하여 분기필터, 광도파관, 광지연소자, 광섬유 등과 같은 광기능소자를 제작할 수 있다.

한편, 포토닉 결정은 주기성을 갖는 방향의 수에 따라 1차원, 2차원, 3차원 등 3종류의 구조를 가질 수 있다. 현재 각각의 차원에 대하여 각종의 구체적인 구조가 제안되고 있다. 예를 들어, 2차원 포토닉 결정의 경우 적절한 구조를 선택하면 격자(grid) 상수의 2배정도의 파장의 광이 주기 구조내의 어떠한 방향으로도 전파되지 못하는 완전밴드갭을 갖게 할 수 있다. 포토닉 결정의 특성을 결정하는 요소에는 격자모양, 격자상수, 삽입된 기둥의 모양 등이 있다. 또한, 삽입된 기둥이 원형인 경우 그 반지름, 배경물질의 유전율, 삽입된 기둥의 유전율 등이 포토닉 결정의 특성을 결정한다.

도 1은 2차원 구조를 갖는 포토닉 결정구조의 일 예를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 포토닉 결정은, x-y 단면이 2차원인 포토닉 결정으로서, 제1 유전율을 갖는 제1 매질(13)내에 제2 유전율을 갖으며 반지름이 R인 원기둥형태의 제2 매질(15)가 주기적으로 배열되어 있는 구조이다. 맥스웰방정식을 풀면 도 1에 도시된 바와 같은 포토닉 결정구조에 대한 파동벡터와 주파수 관계를 구할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시한 포토닉 결정 구조에서 광의 전달방향인 z방향의 전파벡터가 β, 그리고 격자상수가 p 인 경우에 밴드갭을 도시하고 있다. 이때, 제1 매질(13)이 굴절률 1.45인 실리카(silica)이며, 채움인자(filling factor)가 0.7 인 경우를 도시하고 있다.

도 3은 종래의 포토닉 밴드갭 광섬유의 단면을 도시한 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 종래의 포토닉 밴드갭 광섬유(30)는, 도 1에 도시한 바와 같은 포토닉 결정을 사용하여, 제1 유전율을 갖는 제1 매질(33), 및 제1 매질내에 원기둥 형태의 제2 매질(35)이 배치된다. 그리고, 중심에는 제2 매질(35) 주기성을 깨는 국소적인 공동(空洞, hallow)(37)이 형성되어 있다. 중심에 형성된 공동(37)은 결함모드를 생성하여, 광이 광섬유의 중심으로 전파될 수 있도록 한다.

도 4는 도 3의 종래의 포토닉 밴드갭 광섬유의 전송모드를 도시한 것이다. 도 4에 도시한 바와, 포토닉 밴드갭 광섬유의 중심주변에 광이 집중되어 있고, 주위로는 밴드갭에 의해 광이 차단되는 것을 전기장의 세기를 측정함으로써 알 수 있다. 따라서, 이러한 포토닉 밴드갭 광섬유를 통해서 광을 전파할 수 있으며, 일반적인 광섬유에 비하여 주파수 대역도 확대할 수 있다.

그런데, 종래의 포토닉 밴드갭 광섬유는, 앞서 설명한 바와 같이, 스케일 매개변수의 변화에 따라 특정한 파동벡터에 대해 하나의 밴드갭만이 형성되는 포토닉 결정 구조를 사용하고 있다. 따라서, 종래의 포토닉 밴드갭 광섬유는 전송이 가능한 기본 모드(fundamental mode)가 한개의 밴드영역에서만 존재하게 되므로, 서로 다른 밴드값을 갖는 복수개의 광을 동시에 전송할 수는 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 복수의 밴드갭을 형성하는 포토닉 결정을 이용하여 서로 다른 밴드의 복수의 광을 동시에 전송할 수 있는 포토닉 밴드갭 광섬유를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유는, 제1 유전율을 갖는 제1 매질, 제2 유전율을 가지며, 상기 제1 매질에 의해 형성되는 평면상에서 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제1 주기로 배치되는 복수의 제2 매질, 및 제 3유전율을 가지며, 상기 제1 매질에 의해 형성되는 상기 평면상에서 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제2 주기로 배치되며, 상기 복수의 제2 매질과 함께 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제3 주기로 배치되는 복수의 제3 유전체를 구비하여 복수의 밴드갭을 형성하는 포토닉 결정구조를 포함하며, 상기 포토닉 결정구조에는, 상기 제1 매질에 의해 형성되는 평면상을 관통하는 방향으로 광을 전파하기 위한 공동이 형성되어 있다. 이때, 상기 공동은, 상기 복수의 제2 유전체 및 상기 복수의 제3 유전체가 각각 형성하는 상기 제1 주기 및 상기 제2 주기를 깨뜨리도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 포토닉 결정의 중심으로부터 가장 근접한 상기 제3매질의 최원점까지의 거리는, 상기 포토닉 결정의 중심으로부터 가장 근접한 상기 제2매질과의 최근점까지의 거리보다 작은 것이 바람직하다.

상기 제2유전율은 상기 제1유전율보다 큰 값을 갖으며, 상기 제3 유전율은, 상기 제1 유전율과 상기 제2 유전율 사이값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 제3 매질은 상기 복수의 제2 유전체에 의해 형성되는 단위 셀 내 혹은 그 경계선에 배치되는 것이 가능하다. 그리고, 상기 공동은, 소정의 위치에 있는 상기 복수의 제2 매질 및 상기 복수의 제3 매질 중 적어도 어느 하나 이상을 결여(缺如)시키거나, 소정의 위치에 있는 상기 복수의 제2 매질 및 상기 복수의 제3 매질 중 적어도 어느 하나 이상의 크기 혹은 모양를 변경하여 형성한 것이 가능하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 5은 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유에 사용되는 포토닉 결정구조를 도시한 것이다. 도 5을 참조하면, 포토닉 결정구조는 제1 유전율을 갖는 제 1매질(53), 제 2유전율을 가지면 제1 매질(53)에 의해 형성되는 평면상에서 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제1 주기로 배치되는 복수의 제2 매질(55), 및 제 3유전율을 가지면 제1 매질(53)에 의해 형성되는 평면상에서 제2 주기로 배치되는 복수의 제3 매질(57)을 포함한다. 제3 매질(57)은 제2 매질(55)과 함께 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제3 주기를 갖도록 제2 매질(55)에 의해 형성된 단위 셀내에 배치되어 복수의 포토낵 밴드갭을 형성한다.

도 6은 도 5에 도시한 포토닉 결정구조에서의 밴드갭을 도시한 도면이다. 도 6에서, x축은 광의 전파방향인 z축 전파벡터에 격자상수 p를 곱한 값이며, y축은 주파수를 나타낸다. 이때, 제1 매질(53)은 굴절률 1.45인 실리카이고, 제2 매질(55)은 공기로서 반지름이 내삽전 반지름 R(filling factor는 0.7)의 0.8배이다. 제3 매질(57)도 공기이며, 반지름이 내삽전에는 '0' 이었으나 내삽후에는 제2 매질(55)의 내삽전 반지름인 R의 0.2 배인 경우이다. 또한, 내삽전 제2 매질(55)이 형성하는 제1 주기의 격자간격은 2p이고, 내삽후 제2 매질(55) 및 제3 매질(57)이 형성하는 제3 주기의 격자간격은 p 이다.

본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유에서 사용되는 포토닉 결정구조에 대해서는, '포토닉 결정구조'라는 발명의 명칭으로 본 출원인 이 기출원한 특허출원번호 출원번호 10-2002-0024761 에 상세하게 설명되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다.

도 7은 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유의 단면을 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유는, 도 5에 도시한 바와 같은 포토닉 결정을 사용한다. 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유는, 도 5에서 설명한 바와 같이, x-y 평면상에서 보면, 제1 유전율을 갖는 제1 매질(73), 제1 매질(73) 내에 제1 주기로 배치되는 복수의 제2 매질(75) 및 제2 주기로 배치되는 복수의 제3 매질(77)을 포함하며, 중심에는 복수의 제2 매질(75) 및 제3 매질(77)의 주기성을 깨뜨리며 형성되는 공동(79)이 형성되어 있다. 이때, 제2 매질(75) 및 제3 매질(77)은 각각 제2 유전율 및 제3 유전율을 갖으며, 제2 유전율은 제1 유전율보다 크고, 제3 유전율은 제1 유전율과 제2 유전율 사이의 값을 갖도록 한다.

제3 매질(77)은, 그 배치에 있어 중심으로부터 최외곽까지의 길이가 중심으로부터 최근접 위치에 있는 제2 매질(75)과의 거리보다는 적도록 배치한다. 즉, 제3 매질(77)은 복수의 제2 매질(75)에 의해 형성되는 단위 셀 내에 내삽될 만큼의 크기를 가지면서, 제2 매질(75)과 서로 겹치지 않도록 배치된다. 또한, 제3 매질(77)은 복수의 제2 매질(75)에 의해 형성된 단위 셀내에 배치되어 있지만, 제2 유전체들(120)에 의해 형성된 각 단위 셀들 사이의 경계선 상에 위치시켜 이용할 수도 있다.

공동(79)은, 주기적으로 배치된 복수의 제2 매질(75) 및 복수의 제3 매질(77) 중 한개 혹은 복수개를 결여시켜 생성할 수 있다. 도 7에서는, 도 5와 대비하며, 제2 매질(75)을 7개 포함하는 공동 코어(hallow core)를 형성한 경우에 해당한다. 공동(79)은 이와 같이 제2 매질(75) 및 제3 매질(77)의 결여를 통해서형성할 수 있으나, 이외에도 주기성을 갖는 하나 이상의 제2 매질(75) 및 제3 매질(77)의 크기 및 모양을 변경시켜 형성하는 것도 가능하다.

도 8은 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유에서 전송벡터에 따른 전송모드 주파수의 변화를 도시한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유에서 빛의 진행방향인 z 방향의 전파벡터의 크기에 따른 밴드갭의 변화 및 이에 대응하는 전송모드를 도시한 것으로, 몇개의 기본 모드(fundamental mode)와 세컨드 모드(second mode)가 도시되어 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유에서 나타나는 전송 모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 9에서는, 전송벡터의 크기가 4.3인 경우에 슈퍼셀 방법(super cell method)를 이용하여 계산한 모드, 즉 전기장의 세기에 대한 단면을 도시한 것이다. 여기에서는 14*14 셀(cell)을 사용하였으며, 전송 주파수는 밴드갭내에 존재하는 것을 알 수 있다.

마찬가지로, 도 10에서는 전송벡터의 크기가 7.0 인 경우에 슈퍼셀 방법을 이용하여 계산한 모드의 단면을 도시하고 있다. 여기서는 12*12 셀을 사용하였으며, 전송 주파수는 밴드갭내에 존재하는 것을 알 수 있다. 도 9 및 도 10에 나타난 바와 같이, 셀의 크기를 크게 하면 할수록 모드의 한정정도는 보다 좋아지며, 12*12 셀에서도 모드가 한정되는 것을 알 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유에서 서로 다른 밴드를 갖는 2개의 광을 전송하는 경우를 도시한 것이다. 도 11에서 빨간색과 파란색으로 도시한 광은 서로 다른 밴드를 갖는 광을 도시하며, 앞서 설명한 바와 같이 서로 다른 밴드를 갖는 광을 동시에 전송할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 밴드갭을 형성하는 포토닉 결정을 사용하여 복수의 밴드갭 내에 서로 다른 전송모드를 생성할 수 있으며, 이에 의해 서로 다른 밴드을 갖는 복수개의 광을 동시에 전송할 수 있게 된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 2차원 구조를 갖는 포토닉 결정구조의 일예를 도시한 도면,

도 2는 도 1에 도시된 포토닉 결정구조에 대한 밴드갭을 도시한 도면,

도 3은 종래의 포토닉 밴드갭 광섬유의 단면을 도시한 도면,

도 4는 도 3의 종래의 포토닉 밴드갭 광섬유의 전송모드를 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유에서 사용되는 포토닉 결정구조를 도시한 도면,

도 6은 도 5의 포토닉 결정구조의 밴드갭을 도시한 도면,

도 7은 본 발명에 다른 포토닉 밴드갭 광섬유의 단면을 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유에서 전송벡터에 따른 전송모드 주파수의 변화를 도시한 도면,

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유의 전송모드를 설명하기 위한 도면, 그리고

도 11은 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 광섬유를 통해 서로 다른 밴드갭을 갖는 광을 동시에 전송하는 것을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

73 : 제1 매질 75 : 제2 매질

77 : 제3 매질 79 : 공동

Claims

제1 유전율을 갖는 제1 매질,

제2 유전율을 가지며, 상기 제1 매질에 의해 형성되는 평면상에서 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제1 주기로 배치되는 복수의 제2 매질, 및

제 3유전율을 가지며, 상기 제1 매질에 의해 형성되는 상기 평면상에서 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제2 주기로 배치되며, 상기 복수의 제2 매질과 함께 적어도 하나 이상의 방향에 대해 제3 주기로 배치되는 복수의 제3 유전체를 구비하여 복수의 밴드갭을 형성하는 포토닉 결정;을 포함하며,

상기 포토닉 결정에는, 상기 제1 매질에 의해 형성되는 평면상을 관통하는 방향으로 광을 전파하기 위한 공동이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 공동은, 상기 복수의 제2 유전체 및 상기 복수의 제3 유전체가 각각 형성하는 상기 제1 주기 및 상기 제2 주기를 깨뜨리도록 형성되는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 포토닉 결정의 중심으로부터 가장 근접한 상기 제3매질의 최원점까지의 거리는, 상기 포토닉 결정의 중심으로부터 가장 근접한 상기 제2매질과의 최근점까지의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 제2유전율은 상기 제1유전율보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.
제4항에 있어서,

상기 제3 유전율은, 상기 제1 유전율과 상기 제2 유전율 사이값을 갖는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 제3 매질은 상기 복수의 제2 유전체에 의해 형성되는 단위 셀 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 제3 매질은 상기 복수의 제2 유전체에 의해 형성되는 단위 셀의 경계선에 배치되는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.
제1항에 있어서,

상기 공동은, 소정의 위치에 있는 상기 복수의 제2 매질 및 상기 복수의 제3 매질 중 적어도 어느 하나 이상을 결여(缺如)시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 포토닉밴드갭 광섬유.
제 1항에 있어서,

상기 공동은, 소정의 위치에 있는 상기 복수의 제2 매질 및 상기 복수의 제3 매질 중 적어도 어느 하나 이상의 크기를 변경하여 형성하는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.
제 1항에 있어서,

상기 공동은, 소정의 위치에 있는 상기 복수의 제2 매질 및 상기 복수의 제3 매질 중 적어도 어느 하나 이상의 모양을 변경하여 형성하는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 광섬유.