KR20050022342A - 파장 변환 소자 및 이를 사용하는 방법 - Google Patents

파장 변환 소자 및 이를 사용하는 방법 Download PDF

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Abstract

펌프광의 파장을 광통신대역에 존재하는 복수의 신호광의 파장 및 복수의 변환광의 파장보다 장파장 또는 단파장으로 설정할 수 있는 파장 변환 소자 및 이러한 파장 변환 소자를 이용한 방법이 제공된다. 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광, 파장 λ2 이 1.57㎛ 인 제 2 펌프광 및 파장 λS 이 1.55㎛ 인 신호광이 합파기(multiplexer)에서 합파되어(multiplexing), 파장 변환 소자의 광 도파로 (waveguide) 에 입사광으로서 입사한다. 광 도파로에서, 파장 λSF 이 0.77㎛ 인 SF 광은 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광의 SFG 에 의해 발생되고, SF 광과 신호광의 DFG 에 의해서, 신호광이 DF 광(파장 1.53㎛) 으로서 파장 변환되고, 이 DF 광이 변환광 (파장 λC=1.53㎛) 으로서 출력된다.

Description

파장 변환 소자 및 이를 사용하는 방법{WAVELENGTH CONVERSION ELEMENT AND METHOD FOR USING SAME}
발명의 분야
본 발명은 파장 분할 다중 광 통신 등에 사용되는 파장 변환 소자 및 그러한 파장 변환 소자를 이용하는 방법에 관한 것이다.
관련분야의 설명
1 Tbit/s 이상의 전송 속도를 갖는 대용량 광 통신 네트워크를 구축하기 위한 다양한 수단이 연구되어 왔으며, 그 중에서 파장 분할 다중 (WDM; wavelength division multiplexing) 기술이 가장 관심을 끌어왔다. 파장 분할 장치는 WDM 광 통신 네트워크를 실현하는데 필요하다.
예를 들어, 파장 변환 장치가 광 크로스-커넥트 노드에 사용되는 경우, 채널 사이의 충돌을 피하고, 파장이 재사용될 수 있다. 다른 이점은 새로운 통신 대역을 사용하는 것을 가능하게 하는 쉬운 네트워크 제어 및 네트워크 변형 (업그레이드) 을 포함한다.
광 도파로를 이용하는 소자이며, 광 도파로에 형성된 주기적 도메인 반전 구조를 갖는 의사위상정합 (QPM; Quasi-phase matching) 을 실현함으로써 파장 변환을 수행하는 의사위상정합 (QPM) 파장 변환 소자 (때때로 이하 "QPM-형 파장 변환 소자"로 참조된다) 는 전술한 파장 변환 장치를 구성하는 소자로서 사용된다. 광 도파로에서 전파하는 광은 높은 에너지 밀도를 유지하면서 필요한 거리를 통해 전파할 수 있기 때문에, 광 도파로가 이용된다. 이하 QPM-형 파장 변환 소자에 형성된 광 도파로를 QPM 광 도파라 한다.
후술하는 바와 같이, 주기적 도메인 반전 구조는 강유전체의 자발 분극을 반전하는 복수의 도메인을 주기적으로 배열함으로써 구성되는 구조이다. 이것이 주기적 분극 반전 구조라고 또한 불리는 이유이다.
이하, 설명의 편의를 위해, 광 통신에서 송신되어야 하는 신호를 운반하는 운반파로서 기능하는 광을 신호광이라 하고, 신호광과 비선형적으로 상호작용하며 신호광의 파장을 변환하기 위해 사용되는 광을 펌프광이라 하고, 변환된 파장을 갖는 신호광을 변환광이라 칭한다.
비선형적으로 상호작용하는 광들 (예를 들어, 신호광 및 펌프광) 의 에너지 밀도가 높을수록, 비선형 상호작용 (상호작용 길이) 이 길수록, 비선형 광학 효과는 더 강해진다. 따라서, 비선형 광학 효과가 광이 높은 에너지 밀도를 유지하면서 필요한 거리를 통해 전파할 수 있는 광 도파로에서 실현되는 구조를 생산하는 것은 비선형 광학 효과의 강도를 증가시키는데 유효하다.
또한, 비선형적으로 상호작용하는 광들 (예를 들어, 신호광 및 펌프광) 이 광 도파로에서 최저 차수 모드 (기본 모드) 에서 전파하도록 하기 위해, 비 선형적으로 상호작용하는 광들을 설계하는 것은 또한 효과적이다. 이러한 목적을 위해, 비선형적으로 상호작용하는 광들의 파장이 거의 동일한 것이 바람직하다. 이것은, 비선형적으로 상호작용하는 광들 사이의 파장의 차이가 클 경우, 만약 단파장의 광이 광 도파로에서 최저 차수 모드로 전파하도록 설계된다면, 장파장의 광이 가이딩되는 것은 불가능할 수도 있고, 만약 장파장의 광이 광도파로에서 최저 차수 모드로 전파하도록 설계된다면, 단파장의 광이 가이딩되는 것은 불가능할 수도 있기 때문이다.
이하 위에서 상술한 형(type) 의 종래 파장 변환 소자의 예를 설명한다.
주기적 도메인 반전 구조가 광 도파로에 형성되는 QPM-파장 변환 소자를 이용하는 차이 주파수 발생 (DFG; differential frequency generation) 에 의한 신호광의 파장을 변환하기 위한 방법이 (예를 들어, C. Q. Xu, et al. Appl. Phys. Let. Vol.63, p.3559 (1993)) 에 제안되었다. 따라서, 펌프 광과 신호광의 차 주파수 발생이 유도되고, 이에 의해 얻어진 차 주파수 광(이하 "DF 광" 으로 참조된다) 이 변환광이 된다. 그러한 파장 변환에 사용되는 펌프광의 파장은 신호광의 파장 또는 변환광의 파장의 약 절반이다.
또한, 광 도파로에 주기적 도메인 변환 구조가 형성된 QPM-형 파장 변환 소자를 이용하여 신호광의 파장 변환을 수행하고, 캐스케이드에서 제 2 비선형 광학 효과를 실현하는 방법이, (예를 들어, M. H. Chou, et al. IEEE Photonic Tech. Lett. Vol. 11, p.653 (1999)) 에 또한 발표되었다. 따라서, 이러한 방법으로, 펌프 광은 기본 파장 광으로서 사용되고, 이 광은 제 2 고조파 발생 (SHG; second harmonic generation) 에 의해 기본 광의 절반의 파장을 갖는 제 2 고조파 광 (이하 "SH 광" 이라 한다) 으로 파장 변환된다. 또한, 신호광을, 절반 파장을 갖는 제 2 고조파 광과 신호광의 동시 DFG 에 의한 새로운 파장을 가지는 변환광(DF 광) 으로 변환하는 방법이 있다. 이 파장 변환에서, 펌프 광의 파장은 신호광의 파장 및 변환광 (DF 광) 의 파장과 거의 동일하다.
본 발명에 의해 해결되어야 하는 문제를 설명하기 위하여, 먼저 종래의 파장 변환 기술을 참조하여 QPM-형 파장 변환 소자 및 파장 변환 소자의 동작 원리를 상술한다.
이하 도 1을 참조하여 DFG 에 의한 신호광의 파장을 변환하는 방법을 설명한다.
도 1 은 파장 변환 소자 (10), 합파기 (12) 및 좁은-대역 파장 필터 (14)를 이용하여 구성되는 종래 파장 변환 장치 (32)를 설명하기 위해 사용된 개략 모델이다. 이 모델에서, 광 도파로 또는 도메인의 존재를 표시하기 위해 각 장소에 빗금이 사용된다. 따라서, 이러한 빗금은 3차원 구조의 단면 모양을 의미하지 않는다. 또한, 도 2 과 유사하게, 다음의 설명을 위해 참조될 도 3에서, 빗금은 동일 목적을 위해 사용되었으며, 이러한 빗금 역시 3차원 구조의 단면 모양을 의미하지 않는다.
그러한 파장 변환을 위해 사용되는 파장 변환 소자 (10) 는 주기적 도메인 반전 구조 (20) 가 광 도파로 (22)에서 형성되는 QPM-형 파장 변환 소자이다. 파장 변환의 메커니즘은 펌프광 (파장 λP) 및 신호 광 (파장 λS) 의 DFG를 발현하는 것과 그 결과 변환광 (파장 λC) 로서 얻어지는 DF 광을 이용하는 것을 포함한다.
파장 변환 소자 (10) 의 동작 원리를 설명하기 전에, 파장 변환 소자 (10)를 형성하는 방법을 설명한다. 이하 설명할 파장 변환 소자 (10)를 형성하는 방법은 신호 광의 파장이 DFG 에 의해 변환되는 파장 변환 소자 (10) 뿐만 아니라, QPM 에 기초한 유사한 파장 변환 소자의 형성에도 적용할 수 있다.
<파장 변환 소자를 형성하는 방법>
도메인 반전 구조 (20) 는 제 1 도메인 (16) 및 제 2 도메인 (18) 으로 구성된다. 제 1 도메인 (16) 과 제 2 도메인 (18)에서, 파장 변환 소자 (10)를 구성하는 기본 재료인 자발 분극 강유전체 결정의 방향은 서로에 대하여 180°의 각도이다. 예를 들어, z-커트 LiNbO3 기판은 파장 변환 소자를 구성하는 기본 재료로서 사용될 수 있다. 후술할 설명에서, 다른 언급이 없다면 z-커트 LiNbO3 기판은 강유전체 결정 기판이라 간주된다.
그러한 z-커트 LiNbO3 기판은, 자발 분극의 방향이 표면에 수직하게 배열되는 단일 도메인 결정 구조이다. 자발 분극 벡터의 종단측의 면은 +z 면이라 하고, 자발 분극 벡터의 초단측(初端側) 의 면은 -z 면이라 한다.
도메인 반전 영역 (18; 제 2 도메인) 은 LiNbO3 기판의 +z 면에서 주기적으로 도메인을 반전함으로써 형성된다. 따라서, 주기적 도메인 반전 영역 (20) 은 단일 도메인 결정 기판의 자발 분극이 유지되는 도메인 (16; 제 1 도메인) 및 자발 분극의 방향이 반전되는 도메인 (18; 제 2 도메인) 으로 구성된다. 따라서, 제 1 도메인 (16) 의 자발 분극의 방향은 -z 면으로부터 +z 면으로의 방향이고, 제 2 도메인 (18) 의 자발 분극의 방향은 +z 면으로부터 -z 면으로의 방향이다.
제 1 도메인 (16) 과 제 2 도메인 (18) 에 의해 형성되는 주기적 구조의 주기는 Λ 이다. 파장 변환 효율은 제 1 도메인 (16) 의 크기 (d1)를 제 2 도메인 (18) 의 크기 (d2) 와 동일하게 만듦으로써 최대화될 수 있다. 따라서, d1=d2 이고 Λ=d1+d2 인 것이 바람직하다.
자발 분극의 반전된 방향의 영역을 형성하기 위하여, Ti 가 z-커트 LiNbO3 기판의 자발 분극의 방향이 반전되어야 하는 영역으로 고온 열 확산되거나 또는 고 전압이 이 영역으로 인가되어야 한다는 것이 공지되어 있다. Ti 의 고온 열 확산을 발현하기 위하여, Ti 박막이 진공 증착 방법 등에 의해 제 2 도메인 (18) 이 형성될 부분 상에 두께 50㎚ 로 형성되고 그 후 열 확산이 1000℃ 의 온도에서 10 시간 동안 지속될 수도 있다. 고 전압을 인가하여 자발 분극의 방향을 반전시키기 위하여, 도메인 (18) 이 형성되어야 하는 부분 상에 전극이 형성될 수도 있고 동시에 고 전압이 인가될 수도 있다.
그 다음으로, z-커트 LiNbO3 기판에 형성된 주기적 도메인 반전 구조를 가로지르기 위해 광 도파로 (22) 가 형성된다. 광 도파로는 안식향산 (benzoic acid) 이 교환원으로의 역할을 하는 H+-Li+ 이온 교환 방법 (또한 프로톤 교환 방법이라 함) 에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 도파로는 , 광 도파로 (22) 가 형성되어야 하는 영역만을 남겨두고 전체 영역을 금속 마스크로 코팅하고, 200℃ 의 온도에서 안식향산에 2 시간 동안 침지하고, 금속 마스크 및 안식향산을 제거하고, 350℃ 의 온도의 Ar 분위기에서 6 시간동안 어닐링 처리를 함으로써 형성될 수 있다.
<파장 변환 소자의 동작 원리>
이하 도 1을 참조하여 DFG 에 의해 신호광의 파장을 변환하는 파장 변환 소자의 동작 원리를 설명한다. 파장 λP 가 0.77㎛ 인 펌프광 (26) 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (28) 이 합파기 (12)에서 합파되고, 파장 변환 소자 (10) 의 QPM 광 도파로 (22) 안으로 입사광 (29) 으로서 입사된다. QPM 광 도파로 (22)에서, 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광이 펌프광 (26) 과 신호광 (28) 의 DFG 에 의해 발생된다. 따라서, 파장 λP 가 0.77㎛ 인 펌프광, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 및 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광을 합파함으로써 얻어지는 광은 파장 변환 소자 (10) 의 QPM 광 도파로 (22) 로부터 출사광 (30) 으로서 출력된다.
이하 도 2를 참조하여 상술한 파장 변환의 과정을 설명한다. 도 2에서, 마이크로 단위의 파장이 횡축에 대해 표시되고, 광 강도가 종축에 대하여 임의적인 단위로 표시된다. 위로 향하는 화살의 시작점 위치는 펌프광(파장λP), 신호광 (파장λS) 및 파장 λC 의 DF 광 (변환 광) 의 파장 중심 위치를 나타내고, 화살의 길이는 각각의 광 강도에 비례하여 상대적인 관계를 반영한다.
파장 λP 가 0.77㎛ 인 펌프광 (26) 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (28) 은 도 2에서 반원 기호 및 그 둘을 연결하는 점선으로 도시된다. 이것은 펌프광 (26) 과 신호광 (28) 의 DFG 와 같은 비선형 상호작용에 의해 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광의 발생을 제공하는 관계를 개략적으로 나타내는 것이다. 이 결과는 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (28) 이 파장 λP 가 0.77㎛ 인 펌프광 (26)을 통하여 파장 λC 가 1.53㎛ 인 변환광으로의 변환으로 이해될 수 있다.
파장 λC 가 1.53㎛ 인 새로운 광인 DF 광은 파장 λP 가 0.77㎛ 인 펌프광 (26) 과 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (28)을 파장 변환 소자 (10) 로 입사시킴으로써 발생된다. 따라서, 파장 변환 소자 (10) 로부터 출사광 (30) 은 파장 λP 가 0.77㎛ 인 펌프광 (26), 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (28) 및 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광을 합파함으로써 얻어지는 광이 된다.
출사광 (30) 은 좁은-대역 파장 필터 (14) 로 필터링되며, 단지 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광만이 변환광 (31) 으로서 밖으로 나온다. 따라서, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (28) 은 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광으로서 파장 변환되고, 합파기 (12), 파장 변환 소자 (10) 및 좁은-대역 파장 필터 (14)를 구비하는 파장 변환 장치 (32)를 이용하여 변환광 (31) 으로 변환된다.
본 파장 변환에서 사용되는 펌프광의 파장 λP 는 0.77㎛ 이고, 신호광의 파장 λS 는 1.55㎛ 이다. 따라서, 펌프광의 파장은 신호광의 파장의 약 절반이다. 그러나, 상술한 바와 같이, 펌프광 및 신호광 양자가 광 도파로에서 최저 차수 모드로 전파하도록 하는 광 도파로를 설계하는 것은 매우 어렵다. 이러한 이유 때문에, 신호광으로부터 변환광으로의 에너지 변환의 효율을 증대시키는 것이 어렵다. 제 2 비선형 광학 효과의 캐스케이드를 발현함으로써 신호광의 파장 변환을 행하는 방법이 제안되었다. 이 방법을 이용하여, 펌프광의 파장 및 신호광의 파장이 서로 거의 동일해지도록 만들 수 있다.
이하 도 3을 참조하여 캐스케이드 모드에서 위에서 언급한 제 2 비선형 광학 효과를 발현함으로써 신호광의 파장 변환을 행하는 방법을 설명한다. 이 방법을 이용하여, 펌프광은 기본파 광으로 고려되고, 파장은 SHG 에 의해 펌프광의 파장의 절반의 파장의 제 2 고조파 광 (SH 광) 으로 변환된다. 동시에, 신호광은 SH 광과 신호광의 DFG 에 의한 새로운 파장을 가지는 변환광 (DF 광) 으로 변환된다.
파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광 (56) 과 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광은 합파기 (42)에서 합파되고, 파장 변환 소자 (40) 의 QPM 광 도파로 (52) 안으로 입사광 (59) 으로서 입사된다. QPM 광 도파로 (52)에서, (파장 λSH 가 0.77㎛) 인 SH 광이 파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광 (56) 에 의해 발생되고, 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광이 SH 광과 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광의 DFG 에 의해 발생된다.
따라서, 파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 , 파장 λSH 가 0.77㎛ 인 SH 광 및 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광을 합파함으로써 얻어지는 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광은 파장 변환 소자 (40) 의 QPM 광 도파로 (52) 로부터 출사광 (60) 으로서 출력된다.
이하 도 4를 참조하여 상술한 파장 변환의 과정을 설명한다. 본 도에서, 도 2 와 유사하게 도 4에서 보는 바와 같이 파장은 횡축에 대해 마이크로 단위로 표시되어 있고, 광 강도는 종축에 대하여 임의적인 단위로 표시된다. 또한, 위로 향하는 화살의 시작점 위치는 펌프광(파장 λP), 신호광 (파장 λS), SH 광 (파장 λSH)및 파장 λC 의 DF 광 (변환 광) 의 파장 중심 위치를 나타내고, 화살표의 길이는 각각의 광 강도에 비례하여 상대적인 관계를 반영한다.
파장 λSH 가 0.77㎛ 인 제 2 고조파 광은 파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광 (56) 으로부터의 제 2 비선형 광학 효과에 의해 발생된다. 이것은 도 4에서 파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광 (56)을 나타내는 화살로부터 파장 λSH 가 0.77㎛ 인 SH 광을 나타내는 화살까지의 옆 화살을 도시하여 나타낸다.
SHG 에 의해 발생되었던 파장 λSH 가 0.77㎛ 인 SH 광 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (58) 이 반원 기호와 그들을 연결하는 점선으로써 도 4 에 도시된다.
이것은 SH 광과 신호광 (58) 의 DFG 와 같은 비선형 상호작용에 의해 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광의 발생을 제공하는 관계를 개략적으로 나타내는 것이다. 이 결과는 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (58) 이 SH 광 및 펌프 광 (56) 을 통해서, 캐스케이드 모드에서 비선형 광학 효과인 SHG 와 DFG를 실현하여, 파장 λC 가 1.53㎛ 인 변환광으로의 변환으로 이해될 수 있다.
파장 λC 가 1.53㎛ 인 새로운 광인 DF 광은 파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광 (56) 과 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (58)을 파장 변환 소자 (40) 로 입사시킴으로써 발생된다. 따라서, 파장 변환 소자 (40) 로부터 출사광 (60) 은 파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광 (56), 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (28) 및 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광을 합파함으로써 얻어지는 광이 된다.
출사광 (60) 은 좁은-대역 파장 필터 (44) 로 필터링되며, 단지 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광만이 변환광 (61) 으로서 밖으로 나온다. 따라서, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (58) 은 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광으로서 파장 변환되고, 합파기 (42), 파장 변환 소자 (40) 및 좁은-대역 파장 필터 (44) 를 구비하는 파장 변환 장치 (62)를 이용하여 변환광 (61) 으로 변환된다.
본 파장 변환에서 사용되는 펌프광의 파장 λP 는 1.54㎛ 이고, 신호광의 파장 λS 는 1.55㎛ 이다. 따라서, 펌프광의 파장은 신호광의 파장의 약 절반이다. 따라서, 파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광 (56) 과 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (58) 이 최저 차수 모드로 전파하도록 하는 광 도파로가 쉽게 설계된다.
그러나, 상술한 바와 같이, 펌프광의 파장 λP 는 1.54㎛ 이고, 신호광의 파장 λS 는 1.55㎛ 이기 때문에, 파장축 상의 파장 λP 가 1.54㎛ 인 펌프광의 위치는 신호광 (파장 λS 가 1.55㎛) 과 변환광 (파장 λC 가 1.53㎛) 의 위치의 사이이다. 이러한 이유 때문에, 본 방법이 광학 통신에 사용되는 경우, 펌프 광이 적어도 하나의 통신 파장 채널을 차지한다.
이미 언급한 바와 같이, 도 4에서 명확하게 도시하는 바와 같이 다른 문제는 신호광 스펙트럼과 펌프광 스펙트럼의 중심 파장이 단지 0.01㎛(=10㎚) 다르다는 점이다. 따라서, 스펙트럼의 기본 부분이 겹쳐지고, 광학 통신을 위해 필수적으로 사용될 수 있는 채널의 수가 제한된다.
또한, 펌프광의 전력이 수 십 ㎷ 인 경우, 제 2 비선형 광학 효과에 의한 파장 변환 효율 (에너지 변환 효율) 은 최대 수십 퍼센트이다. 따라서, 신호광을 DF 광으로 변환하는 실질적인 파장 변환 효율은 대략 수 십분의 퍼센트가 되는데 이것은 파장 변환 효율이 제 2 고조파 발생 효율 (수십 퍼센트) 와 DF 광으로의 변환 효율 (또한 수십 퍼센트) 의 곱이기 때문이다. 따라서, 제 2 비선형 광학 교과가 발현되어 신호광의 파장 변환을 행하는 방법이 사용된다면, 변환 효율이 약 십분의 일 퍼센트가 되고, 신호광이 직접 DF 광으로 변환되는 방법의 파장 변환 효율보다 실질적으로 낮다.
본 발명의 제 1 목적은 높은 파장 변환 효율을 갖는 신호광의 파장 변환을 가능하게 하는 파장 변환 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제 2 목적은 펌프광의 파장이 광통신대역에 존재하는 복수의 신호광의 파장 및 복수의 변환광의 파장보다 장파장 또는 단파장으로 설정하고, 펌프광의 파장 대역이 신호광과 변환광의 파장 대역으로부터 분리되어 설정될 수 있는 파장 변환 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 상술한 파장 변환 소자를 이용하는 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 의사위상 정합을 실현하기 위한 분극 반전 구조를 포함하는 의사위상 정합형의 파장 변환 소자인 제 1 파장 변환 소자를 제공하며, 전술한 분극 반전 구조의 주기 Λ 는 다음 식 (1), (2), (3), 및 (4),
(2π/λSF)nSF - (2π/λ1)n1 - (2π/λ2)n2 = 2π/Λ (1)
(2π/λSF)nSF - (2π/λS)nS - (2π/λC)nC = 2π/Λ (2)
1/λSF = 1/λ1 + 1/λ2 (3)
1/λSF = 1/λS + 1/λC (4)
를 만족하는 값을 가지며,
λ1 은 파장 변환 소자에 입력된 제 1 펌프광의 파장,
λ2 는 파장 변환 소자에 입력된 제 2 펌프광의 파장,
λS 는 파장 변환 소자에 입력된 신호광의 파장,
λC 는 파장 변환 소자에 입력된 변환광의 파장,
λSF 는 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 합 주파수 광의 파장,
nSF 는 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 합 주파수 광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율,
n1 은 제 1 펌프광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율,
n2 는 제 2 펌프광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율,
nS 는 신호광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율, 및
nC 는 변환광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율이다.
본 발명에 따른 제 1 파장 변환 소자가 사용되는 경우, 제 1 펌프광, 제 2 펌프광 및 신호광은 파장 변환 소자에 입력되며, 변환광은 파장 변환 소자로부터 출력되는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 펌프광, 제 2 펌프광, 신호광 및 변환광의 파장 λ1, λ2, λS, 및 λC 사이에서 다음 식 (5) 및 (6),
λ1 ＜λS ＜λ2 (5)
λ1 ＜λC ＜λ2 (6)
에 의해 표현되는 관계가 유효한 것이 바람직하다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 의사위상 정합을 실현하기 위한 분극 반전 구조를 포함하는 의사위상 정합형의 파장 변환 소자인 제 2 파장 변환 소자를 제공하며, 분극 반전 구조의 주기 Λ 는 다음 식 (7), (8), (9), 및 (10),
(2π/λSF)nSF - (2π/λ2j-1)n2j-1 - (2π/λ2j)n 2j = 2π/Λ (7)
(2π/λSF)nSF - (2π/λS)nS - (2π/λC)nC = 2π/Λ (8)
1/λSF = 1/λ2j-1 + 1/λ2j (9)
1/λSF = 1/λS + 1/λC (10)
을 만족하는 값을 가지며,
λ2j-1 은 파장 변환 소자에 입력된 제 2j-1 펌프광의 파장,
λ2j 는 파장 변환 소자에 입력된 제 2j 펌프광의 파장,
λS 는 파장 변환 소자에 입력된 신호광의 파장,
λC 는 파장 변환 소자에 입력된 변환광의 파장,
λSF 는 파장이 λ2j-1 인 제 2j-1 펌프광과 파장이 λ2j 인 제 2j 펌프광의 합 주파수 광의 파장,
nSF 는 파장 λ2j-1 인 제 2j-1 펌프광과 파장이 λ2j 인 제 2j 펌프광의 합 주파수 광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율,
n2j-1 은 파장이 λ2j-1 인 제 2j-1 펌프광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율,
n2j 는 파장이 λ2j 인 제 2j 펌프광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율,
nS 는 파장이 λS 인 신호광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율,
nC 는 파장이 λC 인 변환광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율, 및 j 는 1부터 N 까지의 자연수이고, N 은 2 이상의 자연수이다.
본 발명에 따른 제 2 파장 변환 소자가 사용되는 경우, 제 2N 펌프광 및 신호광은 파장 변환 소자에 입력되며, 변환광은 파장 변환 소자로부터 출력되는 것이 바람직하다. 또한, 2N 종류의 파장이 λi 인, 파장이 λ2N-1, λ2N-3,..., λ3, λ1, λ2, λ4,..., λ2N-2, λ2N, λS 및λ C 인 제 i 펌프광 (i= 1, 2,..., 2N; N 은 2 이상의 자연수), 신호광 및 변환광은 다음 식 (11), (12) 및 (13) 에
λ2N-1＜λ2N-3＜...λ3＜λ1＜λ2＜λ4＜...λ 2N-2＜λ2N (11)
λ1 ＜λS ＜λ2 (12)
λ1 ＜λC ＜λ2 (13)
으로 표현되는 관계를 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제 1 파장 변환 소자는 파장 λ1 의 제 1 펌프광과 파장 λ2 의 제 2 펌프광의 합 주파수 발생 (SFG; sum frequency generation) 에 의해 합 주파수 광(이하 "SF 광" 이라 한다)을 발생하고, SF 광과 파장 λS 의 신호광의 DFG 에 의해 변환광으로서 DF 광 (파장 λC)를 발생하는 기능을 갖는다. 또한, 파장 변환 소자에 입력되는 파장 λ1 의 제 1 펌프광, 파장 λ2 의 제 2 펌프광 및 파장 λS 의 신호광은 전술한 식 (1), (2), (3), 및 (4) 를 만족하도록 설정된다. 제 1 펌프광, 제 2 펌프광, 및 신호광은 거의 동일한 파장을 갖도록 설정될 수 있다. 따라서, 3 종류의 광은 파장 변환 소자를 구성하는 광 도파로를 통해 최저 차수 모드에서 전파할 수 있도록 쉽게 설계된다. 따라서, 고 효율 변환이 실현된다
또한, 본 발명에 따른 제 2 파장 변환 소자는 파장 λ2j-1 의 제 2j-1 펌프광과 파장 λ2j 의 제 2j 펌프광의 SF 광 (파장 λSF) 을 발생하고, 파장 λSF 의 SF 광과 파장 λS 의 신호광의 변환광으로서 DF 광 (파장 λC)를 발생하는 기능을 갖는다. 제 2 파장 변환 소자에 입력되는 파장 λ2j-1 의 제 2j-1 펌프광, 파장 λ2j 의 제 2j 펌프광 및 파장 λS 의 신호광은 전술한 식 (7), (8), (9), 및 (10) 를 만족하도록 설정된다. 제 2j-1 펌프광, 제 2j 펌프광, 및 신호광은 거의 동일한 파장을 갖도록 설정될 수 있다. j 는 1부터 N 까지의 자연수이며, N 은 2 이상의 자연수이다. 따라서, 3 종류의 광은 파장 변환 소자를 구성하는 광 도파로를 통해 최저 차수 모드에서 전파할 수 있도록 쉽게 설계된다. 따라서, 고 효율 변환이 실현된다
또한, 본 발명에 따른 제 1 파장 변환 소자는 파장 λ1 의 제 1 펌프광과 파장 λ2 의 제 2 펌프광, 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광은 전술한 식 (5) 및 (6) 에 의한 관계를 만족한다. 따라서, 펌프광의 파장은 광통신대역에 존재하는 복수의 신호광의 파장 및 복수의 변환광의 파장보다 장파장 또는 단파장으로 설정될 수 있고 펌프광의 파장 대역은 신호광과 변환광의 파장 대역으로부터 분리되어 설정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제 2 파장 변환 소자는 2N 종류의 다른 파장을 갖는 파장 λi 의 제 i 펌프광 (i=1, 2,..., 2N; N 은 자연수), 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광은 전술한 식 (11), (12), 및 (13) 에 의한 관계를 만족한다. 따라서, 2N 종류의 펌프광의 파장은 광통신대역에 존재하는 복수의 신호광의 파장 및 복수의 변환광의 파장보다 장파장 또는 단파장으로 설정될 수 있고 2N 종류의 펌프광의 파장 대역은 신호광과 변환광의 파장 대역으로부터 분리되어 설정될 수 있다.
또한 파장 λ1 의 제 1 펌프광과 파장 λ2 의 제 2 펌프광으로 구성된 펌프광의 세트를 사용했던 제 1 파장 변환 소자와 대조적으로, 제 2 파장 변환 소자는 파장 λ2j-1 의 제 2j-1 펌프광과 파장 λ2j 의 제 2j 펌프광으로 구성된 펌프광의 N 세트를 사용한다. 따라서, 펌프광의 에너지는 따라서 증가될 수 있다. 따라서, 제 1 파장 변환 소자의 변환 효율보다 높은 파장 변환 효율을 실현할 수 있다.
바람직한 실시형태의 설명
본 발명의 전술한 목적, 특징 및 이점은 첨부한 도면과 관련하여 다음의 설명으로부터 더욱 이해될 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 8 을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 각각의 도면은 본 발명과 관계된 구성의 예를 도시한다. 각 구성 소자의 단면의 모양 및 배치 관계는 본 발명을 이해시킬 수 있을 정도로 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명은 도에서 도시된 예들에 한정되지는 않는다. 또한, 특정의 재료 및 조건들이 때때로 이하의 설명에서 사용되지만, 그러한 재료 및 조건은 단지 바람직한 예이며 따라서 어떠한 한정을 하는 것은 아니다. 또한, 도 5 내지 도 7 에서, 광 도파로 또는 도메인의 존재를 표시하기 위하여 각각의 장소에 빗금이 사용되었다. 따라서, 이러한 빗금은 3차원 구조의 단면 모양을 나타내지는 않는다.
제 1 실시형태
이하 도 5 를 참조하여 펌프광의 파장을 광통신대역에 존재하는 복수의 신호광의 파장 및 복수의 변환광의 파장보다 장파장 또는 단파장으로 설정할 수 있고, 펌프광의 파장 대역을 신호광과 변환광의 파장으로부터 개별적으로 설정할 수 있는, 고 변환 효율을 가지고 신호광의 파장을 변환할 수 있는 파장 변환 소자의 구조를 설명한다.
본 발명의 제 1 실시형태인 제 1 파장 변환 소자 (110) 는 의사위상 정합을 실현하는 주기적 구조를 포함하는 QPM-형 파장 변환 소자이다. 전술한 제 1 파장 변환 소자를 이용하여 파장 변환을 실현하기 위하여, QPM-형 파장 변환 소자의 주기적 구조의 주기의 값 Λ 는 다음 식 (1), (2), (3), 및 (4),
(2π/λSF)nSF - (2π/λ1)n1 - (2π/λ2)n2 = 2π/Λ (1)
(2π/λSF)nSF - (2π/λS)nS - (2π/λC)nC = 2π/Λ (2)
1/λSF = 1/λ1 + 1/λ2 (3)
1/λSF = 1/λS + 1/λC (4)
가 만족되도록 설정된다.
여기에서, λSF 는 파장 λ1 의 제 1 펌프광과 파장 λ2 의 제 2 펌프광의 SFG 에 의해 얻어진 SF 광의 파장, nSF 는 파장 λ1 의 제 1 펌프광과 파장 λ2 의 제 2 펌프광의 SF 광에 대한 QPM-형 파장 변환 소자의 굴절율, n1 은 파장 λ1 의 제 1 펌프광에 대한 QPM-형 파장 변환 소자의 굴절율, n2 은 파장 λ2 의 제 2 펌프광에 대한 QPM-형 파장 변환 소자의 굴절율, nS 은 파장 λS 의 신호광에 대한 QPM-형 파장 변환 소자의 굴절율, nC 은 파장 λC 의 변환광에 대한 QPM-형 파장 변환 소자의 굴절율이다.
파장 λ1 의 제 1 펌프광 파장 λ2 의 제 2 펌프광, 파장 λS 의 신호광, 및 파장 λC 의 변환광은, 전술한 식 (1) 내지 (4) 에 의해 표시되는 조건을 만족하는 Λ 이 양의 실수로서 존재하도록 하는 범위 안에서 임의적으로 설정될 수 있다. 따라서, 파장 λ1 의 제 1 펌프광 및 파장 λ2 의 제 2 펌프광은 통신 대역 밖으로 설정될 수 있고, 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광은 통신 대역 안으로 설정될 수 있다.
예를 들어, 에르븀 광학 섬유 증폭기 (EDFA : Erbium-doped Fiber Amplifier) 의 C-대역 (파장이 1.53㎛부터 1.56㎛ 까지 범위이다) 이 통신 대역으로서 선택되는 광학 통신 시스템에서, 파장 λ1 의 제 1 펌프광은 1.53㎛ 보다 단파장의 범위로 설정될 수 있고, 파장 λ2 의 제 2 펌프광은 1.56㎛ 보다 장파장의 범위로 설정될 수 있다. 또한, 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광은 1.53㎛ 로부터 1.56㎛ 까지의 범위의 통신 대역의 파장으로 설정될 수 있다.
따라서, 제 1 펌프광, 제 2 펌프광, 신호광, 및 변환광의 파장 λ1, λ2, λS, 및 λC 사이에 다음의 식 (5), (6),
λ1 ＜λS ＜λ2 (5)
λ1 ＜λC ＜λ2 (6)
에 의한 관계가 각각 설정될 수 있다.
여기에서, 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광을 이용하여 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (128)을 파장 λC 가 1.53㎛ 인 변환광 (131) 으로 파장 변환할 수 있는 QPM-형 파장 변환 소자의 주기적 구조의 주기 Λ 의 값을 선택하는 것은 가능하다. 따라서, 다음 식 (5') 및 (6')
λ1(=1.51㎛) ＜λS(=1.55㎛) ＜λ2(=1.57㎛) (5')
λ1(=1.51㎛) ＜λC(=1.53㎛) ＜λ2(=1.57㎛) (6')
을 만족하는 파장 λC 의 변환광 (131) 으로의 파장 변환을 행하는 기능을 가지는 파장 변환 소자가 실현될 수 있다.
WDM 등에 기초하는 광학 통신에 사용되는 파장 변환 장치에서 전술한 식 (5)을 만족하는 파장 λS 의 신호광을, 전술한 식 (6)을 만족하는 파장 λC 의 변환광으로 변환하는 기능을 가지는 파장 변환 소자를 이용하여 얻어지는 이점은, 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 파장 (λ1 및λ2) 이 WDM 전송 대역 파장 (이 대역에는 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광이 존재한다) 의 양측보다 각각 단파장 및 장파장을 설정될 수 있다는 점이다.
일반적으로 제 1 펌프광과 제 2펌프광의 강도는 신호광과 변환광의 강도보다 수 차수만큼 더 크다. 이러한 이유로 인해, 신호광과 변환광의 파장 중심과 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 파장 중심 사이에 충분한 파장 공간이 존재하여야 한다. 만약 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 파장 (λ1 및λ2) 이 WDM 전송 대역 파장 (이 대역에는 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광이 존재한다) 의 양측보다 각각 단파장 및 장파장을 설정될 수 있다면, 신호광과 변환광의 파장 중심과 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 파장 중심 사이에 충분한 파장 공간이 존재할 수 있다. 따라서, 신호 광 스펙트럼과 제 1 펌프광 스펙트럼과 제 2 펌프광 스펙트럼의 대역 부분이 겹치는 것을 피할 수 있다. 따라서, WDM 통신에서 사용될 수 있는 채널의 수에 어떠한 제한이 없다.
여기, 전술한 식 (3) 및 (4) 부터
1/λ1 + 1/λ2 = 1/λS + 1/λC = 1/1.51 + 1/1.57 = 1/1.55 + 1/1.53 = 1/0.77를 얻는다.
따라서, 파장 λ1(=1.51㎛) 의 제 1 펌프광 파장 λ2(=1.57㎛) 의 제 2 펌프광의 SFG 에 의해 얻어지는 SF 광의 파장 λSF 은 0.77㎛ 이다.
또한, QPM 광 도파로를 사용함으로써 구성되는 광학 도파로 형의 파장 변환 소자의 경우에, 전술한 식 (1) 및 (2) 에 나오는 nSF, n1, n2, nS , 및 nC 는 QPM 광 도파로의 유효한 굴절율이다. 따라서, 굴절율은 LiNbO3 기판 재료의 굴절율, LiNbO3 기판 상에 형성된 QPM 광 도파로의 굴절율, 및 QPM 광 도파로의 치수에 의해 결정되는 값이다.
실제로, 전술한 nSF, n1, n2, nS, 및 nC를 분석적으로 찾아내는데 필요한 정도의 정확성으로 QPM 광 도파로의 굴절율 및 QPM 과 광 도파로의 치수를 결정하는 것은 매우 어렵다. 또한, QPM 광 도파로의 굴절율 및 QPM 과 광 도파로의 치수를 정확하게 결정하더라도, 그 값으로부터 전술한 nSF, n1, n2, nS, 및 nC를 분석적으로 구하는 것은 매우 어렵다.
여기에서, 제 1 근사로서, QPM-형 파장 변환 소자의 분극 반전 구조의 주기 Λ 는, QPM 광 도파로에 관계된 유효한 굴절율, 즉 전술한 nSF, n1, n2, nS, 및 nC 대신에 기판의 재료인 LiNbO3 의 굴절율 값을 이용하여 구한다. 그 다음, Λ 와 비교하여 충분하게 작은 ΔΛ 의 정수 배만큼 차이가 있는 복수의 QPM 광 도파로가 제조되고, 최대 변환 효율을 산출하는 분극 반전 구조의 주기의 값이 구해진다.
따라서, 동일한 조건 하에서 Λ±mΔΛ(m 은 자연수) 의 분극 반전 구조의 주기값을 갖는 전체 2m+1 QPM 광 도파로가 제조된다. 따라서, 파장 λ1 (=1.51㎛) 인 제 1 펌프광, 파장 λ2 (=1.57㎛) 인 제 2 펌프광, 및 파장 λS (=1.55㎛) 인 신호광은 그 위에 입사되고, 파장 λC (=1.53㎛) 인 변환광이 최대 강도 (최대 변환 효율) 로 얻어질 수 있는 도파로가 전술한 2m+1 QPM 광 도파로부터 선택된다.
따라서, 선택된 QPM 광 도파로의 분극 반전 구조의 주기는 전술한 식 (1) 및 (2) 의 Λ 로 설정될 수도 있다. 일반적으로, 최적 분극 반전 구조의 주기는, 약 0.1㎛ 를 Λ 로 선택하고, 약 21(m=10) QPM 광 도파로를 제조하고, 전술한 최대 변환 효율을 산출하는 QPM 광 도파로의 분극 반전 구조의 주기를 이용함으로써 설정될 수 있다.
이하 도 5를 참조하여 본 발명의 제 1 실시형태의 제 1 파장 변환 소자를 이용하여 구성된 파장 변환 장치를 더욱 자세하게 상술한다. 본 파장 변환 장치는 파장 λ1 (=1.51㎛) 의 제 1 펌프광과 파장 λ2 (=1.57㎛) 의 제 2 펌프광의 SFG에 의해 SF 광 (파장 λSF=0.77㎛)을 발생하고, 파장 (λS =1.55㎛) 인 신호광을 SF 광과 신호광의 DFG 에 의해 새로운 파장을 갖는 변환광 (DF 광) 으로 변환하는 방법을 이용한다.
파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광 (101) 과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광 (102) , 및 파장 λS 이 1.55㎛ 인 신호광 (128) 은 합파기 (112)에서 합파되고 파장 변환 소자 (110) 의 QPM 광 도파로 (122) 에 입사광 (129) 으로서 입사된다. QPM 광 도파로 (122)에서, 파장 λSF 의 SF 광이 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광(101) 과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광의 SFG 에 의해 발생된다. 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광은 SF 광과 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (128) 의 DFG 에 의해 발생된다.
따라서, 파장 변환 소자 (110) 의 QPM 광 도파로 (122) 로부터 출력되는 출사광 (103) 은 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광, 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광, 및 파장 λ C 가 1.53㎛ 인 DF 광을 합파하여 얻어지는 광이다.
이하 도 6을 참조하여 전술한 파장 변환 과정을 설명한다. 본 도에서 도 2 및 도 4 와 유사하게, 횡축에 대하여 ㎛ 단위로 파장이 표시되고, 종축에 대하여 임의의 단위로 광 강도가 표시된다. 또한, 위로 향하는 화살의 시작점 위치는 제 1 펌프광, 제 2 펌프광, 신호광, SF 광, 및 DF 광 (변환광) 의 파장 중심 위치를 나타내고, 화살표의 길이는 각각의 광 강도에 비례하여 상대적인 관계를 반영한다.
파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광은 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광(101) 과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광 (102)의 SFG 에 의해 발생된다. 이것은 도 6 에서 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광(101) 과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광 (102)을 나타내는 화살로부터 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광을 나타내는 화살까지의 옆 화살을 도시하여 나타낸다.
도 6 에 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광이 반원 기호와 그들을 연결하는 점선으로 도시된다. 이것은 SF 광과 신호광의 DFG 와 같은 비선형 상호작용에 의해 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광의 발생을 제공하는 관계를 개략적으로 나타내는 것이다. 이 결과는 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 비선형 광학 효과인 SFG와 SFG 에 의해 발생된 SF 광을 이용한 DFG를 행함으로써, 제 1 펌프광, 제 2 펌프광, SF 광을 통하여, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (128)을 파장 λC 가 1.53㎛ 인 변환광으로의 변환으로서 이해될 수 있다.
파장 λC 가 1.53㎛ 인 새로운 광인 DF 광은 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광 (101), 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광 (102) 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광을 파장 변환 소자 (110) 안으로 입사시킴으로써 발생된다. 따라서, 파장 변환 소자 (110) 로부터 출사광 (130) 은 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광, 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광, 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광, 및 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광 (변환광) 을 합파함으로써 얻어지는 광이 될 수 있다.
출사광 (130) 은 좁은-대역 파장 필터 (114) 로 필터링되며, 단지 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광만이 변환광 (131) 으로서 밖으로 나온다. 따라서, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (128) 은 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광으로서 파장 변환되고, 합파기 (112), 파장 변환 소자 (110) 및 좁은-대역 파장 필터 (114) 를 구비하는 파장 변환 장치 (132)를 이용하여 변환광 (131) 으로 변환된다.
본 파장 변환에서 사용되는 제 1 펌프광의 파장 λ1 는 1.51㎛ 이고, 제 2 펌프광의 파장 λ2 는 1.57㎛ 이고, 신호광의 파장 λS 는 1.55㎛ 이다. 따라서, 제 1 펌프광의 파장 및 제 2 펌프광의 파장은 신호광의 파장과 거의 동일하다. 따라서, 파장 변환 소자 (110) 에 입사하는 제 1 펌프광, 제 2 펌프광 및 신호광이 최저 차수 모드에서 함께 전파하도록 광 도파로를 설계하는 것은 쉽다.
또한, LiNbO3 결정의 SFG 의 발현에 관한 비선형 광학 상수는 SHG 의 발현에 관한 비선형 광학 상수의 약 2 배의 값을 갖는다는 것이 알려져 있다(예를 들어, Y. R. Shen "비선형 광학의 원리", John Wiley 파장 변환 소자 Sons Inc., 1984). SHG 에서의 기본 파장으로부터 SH 광으로의 에너지 변환 효율은 기본 파장의 에너지의 제곱과 SHG 의 발현과 관계된 비선형 광학 상수의 제곱의 곱에 비례한다. 또한, SFG에서 변환될 광 (여기에서 제 1 펌프광, 제 2 펌프광) 으로부터 SF 광으로의 에너지 변환 효율은 변환될 각각의 광의 에너지의 곱 (여기에서, 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 에너지의 곱) 과 SFG 의 발현에 관계된 비선형 광학 상수의 제곱의 곱에 비례한다.
파장 변환에서 변환될 광으로부터 변환광으로 변환되는 에너지 변환 효율에 관한 전술한 설명으로부터 다음 사항은 명백히 알 수 있다. 동일한 강도의 펌프광이 사용되는 경우, SFG 의 발현에 관계하는 비선형 광학 상수는 SHG 의 발현에 관계하는 비선형 광학 상수의 약 2 배의 값을 갖는다. 따라서, 발생된 SH 광의 에너지는 SF 광의 에너지의 4 배이다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시형태의 파장 변환 소자가 사용된다. SF 광을 거친 파장 변환 방법은 SHG 에 의해 생산된 SH 광을 거친 파장 변환 방법보다 우수하다. 이것이 고 효율 파장 변환이 실현될 수 있는 이유이다.
또한, 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 파장은 WDM 전송 대역 파장보다 각각 단파장 및 장파장인 파장으로 설정될 수 있기 때문에, 신호 광 스펙트럼의 기본 부분과 제 1 펌프광의 스펙트럼 및 제 2 펌프광의 스펙트럼과의 겹침을 피하는 것이 가능하다. 따라서, WDM 전송에서 사용될 수 있는 채널의 수에 제한이 없다.
제 2 실시형태
이하 상술한 제 1 실시형태의 제 1 파장 변환 소자의 효율보다 더 높은 효율을 갖는 신호광의 파장 변환을 할 수 있는 제 2 파장 변환 소자를 설명한다. 또한, 제 2 파장 변환 소자의 다른 이점, 즉 펌프광의 파장을 광통신대역에 존재하는 복수의 신호광의 파장 및 복수의 변환광의 파장보다 장파장 또는 단파장으로 설정할 수 있는 능력과 펌프광의 파장 대역을 신호광과 변환광의 파장으로부터 개별적으로 설정할 수 있는 능력은 제 1 파장 변환 소자의 이점과 동일하다.
제 2 파장 변환 소자에서, 제 1 펌프광과 제 2 펌프광은 펌프광으로서 사용되었다. 대조적으로, 제 2 파장 변환 소자에서는, 2N 펌프광(N 은 2 이상의 자연수), 제 1 펌프광으로부터 제 2N 펌프광이 펌프광으로 사용된다. 따라서, 파장 λSF 의 SF 광이 제 1 펌프광과 제 2 펌프광의 SFG 에 의해 발생된다. 유사하게, 전술한 파장과 동일한 파장 λSF 의 SF 광은 제 2 펌프광과 제 4 펌프광의 SFG 에 의해 발생된다. 또한, 전술한 파장과 동일한 파장 λSF 의 SF 광이 제 2N-1 펌프광과 제 2N 펌프광의 SFG 에 의해 발생되는 구성이 사용된다. 즉, 이것은 파장 λSF 의 SF 광이 제 2j-1 펌프광과 제 2j 펌프광의 N 개의 세트의 펌프광에 의해 발생되는 구성이다(j는 N 이하의 자연수이다).
전술한 제 2 파장 변환 소자를 이용하여 파장 변환을 실현하기 위하여, QPM-형 파장 변환 소자의 주기적 구조의 주기의 값 Λ 는 다음 식 (7), (8), (9), 및 (10),
(2π/λSF)nSF - (2π/λ2j-1)n2j-1 - (2π/λ2j)n 2j = 2π/Λ (7)
(2π/λSF)nSF - (2π/λS)nS - (2π/λC)nC = 2π/Λ (8)
1/λSF = 1/λ2j-1 + 1/λ2j (9)
1/λSF = 1/λS + 1/λC (10)
을 만족한다.
여기에서, λ2j-1 은 파장 변환 소자에 입력된 제 2j-1 펌프광의 파장,λ2j 는 파장 변환 소자에 입력된 제 2j 펌프광의 파장, λS 는 파장 변환 소자에 입력된 신호광의 파장, λC 는 파장 변환 소자에 입력된 변환광의 파장, λSF 는 파장이 λ2j-1 인 제 2j-1 펌프광과 파장이 λ2j 인 제 2j 펌프광의 합 주파수 광의 파장, nSF 는 파장 λ2j-1 인 제 2j-1 펌프광과 파장이 λ2j 인 제 2j 펌프광의 합 주파수 광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율, n2j-1 은 파장이 λ2j-1 인 제 2j-1 펌프광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율, n2j 는 파장이 λ2j 인 제 2j 펌프광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율, nS 는 파장이 λS 인 신호광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율, nC 는 파장이 λC 인 변환광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율이고, j 는 1부터 N 까지의 자연수이고, N 은 2 이상의 자연수이다.
파장 λ2j-1 의 제 2j-1 펌프광, 파장 λ2j 의 제 2j 펌프광, 파장 λS 의 신호광, 및 파장 λC 의 변환광은, 전술한 식 (7) 내지 (10) 으로 표현되는 조건을 만족하는 Λ 의 값이 양의 실수로서 존재하도록 하는 범위 안에서 임의적으로 설정될 수 있다. 따라서, 파장 λ2j-1 의 제 2j-1 펌프광, 파장 λ2j 의 제 2j 펌프광은 통신 대역 밖으로 설정될 수 있고, 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광은 통신 대역 안으로 설정될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제 2 파장 변환 소자에서, SFG 는 실현되고, SF 광은 다른 파장을 가지는 2N 종류의 파장 λi 의 제 i 펌프광(i= 1, 2,...,2N; N 은 자연수) 과 발생될 수 있다. 따라서, 제 2 파장 변환 소자는 다음 식 (11), (12) 및 (13)
λ2N-1＜λ2N-3＜...λ3＜λ1＜λ2＜λ4＜...λ 2N-2＜λ2N (11)
λ1 ＜λS ＜λ2 (12)
λ1 ＜λC ＜λ2 (13)
을 만족시키며 파장 λS 의 신호광을 파장 λC 의 변환광으로 변환하는 기능을 가지는 파장 변환 소자가 될 수 있다.
이하 도 7을 참조하여 제 2 실시형태인 제 2 파장 변환 소자의 구조를 설명한다. 설명의 편의를 위해 이하 N=3 인 경우를 설명하지만, 하기에 제기된 설명은 임의의 N 에 대하여 명백하게 적용될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태인 제 2 파장 변환 소자 (210) 는 의사-위상 정합을 실현하는 주기적 구조를 포함하는 QPM-형 파장 변환 소자이다. 전술한 제 2 파장 변환 소자를 이용하여 파장 변환을 실현하기 위하여, QPM-형 파장 변환 소자의 주기적 구조의 주기의 값 Λ 는 다음 식 (7a), (7b), (7c), (8), (9b), (9c) 및 (10)
(2π/λSF)nSF - (2π/λ1)n1 - (2π/λ2)n2 = 2π/Λ (7a)
(2π/λSF)nSF - (2π/λ3)n3 - (2π/λ4)n4 = 2π/Λ (7b)
(2π/λSF)nSF - (2π/λ5)n5 - (2π/λ6)n6 = 2π/Λ (7c)
(2π/λSF)nSF - (2π/λS)nS - (2π/λC)nC = 2π/Λ (8)
1/λSF = 1/λ1 + 1/λ2 (9a)
1/λSF = 1/λ3 + 1/λ4 (9b)
1/λSF = 1/λ5 + 1/λ6 (9c)
1/λSF = 1/λS + 1/λC (10)
을 만족하는 값으로 설정할 수 있다.
여기에서, λ1 내지λ6 은 각각 제 1 펌프광 내지 제 6 펌프광의 파장이고, λS 는 파장 변환 소자에 입력된 신호광의 파장, λC 는 파장 변환 소자에 입력된 제 1 변환광의 파장, λSF 는 파장이 λ2j-1 인 제 2j-1 펌프광과 파장이 λ2j 인 제 2j 펌프광의 합 주파수 광의 파장(j= 1, 2, 3), nSF 는 파장 λ2j-1 인 제 2j-1 펌프광과 파장이 λ2j 인 제 2j 펌프광의 합 주파수 광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율 (j= 1, 2, 3), n1 내지 n6 은 각각 제 1 펌프광 내지 제 6 펌프광에 관계된 파장 변환 소자의 굴절율, nS 는 파장이 λS 인 신호광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율, 및 n C 는 파장이 λC 인 변환광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율이다.
예를 들어, 전술한 제 2 파장 변환 소자와 유사하게, 에르븀 광학 섬유 증폭기 (EDFA : Erbium-doped Fiber Amplifier) 의 C-대역 (파장이 1.53㎛부터 1.56㎛ 까지 범위이다) 이 통신 대역으로서 선택되는 광학 통신 시스템에서, 파장 λ2j-1 의 제 2j-1 펌프광은 1.53㎛ 보다 단파장의 범위로 설정될 수 있고, 파장 λ2j 의 제 2j 펌프광은 1.56㎛ 보다 장파장의 범위로 설정될 수 있다. 또한, 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광은 1.53㎛ 로부터 1.56㎛ 까지의 범위의 통신 대역의 파장으로 설정될 수 있다.
여기에서 SFG 에 기초하여 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광, 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광, 파장 λ3 이 1.50㎛ 인 제 3 펌프광, 파장 λ4 가 1.58㎛ 인 제 4 펌프광, 파장 λ5 이 1.49㎛ 인 제 5 펌프광, 및 파장 λ6 가 1.59㎛ 인 제 6 펌프광을 이용하여 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광을 발생하는 기능을 가지는 QPM-형 파장 변환 소자의 주기적 구조의 주기의 값 Λ을 선택하는 것이 가능하다.
따라서, 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광과 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광의 DFG 에 의해 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광을 파장 λC 가 1.53㎛ 인 변환광으로 파장 변환을 행하는 기능을 갖는 파장 변환 소자가 실현가능하다. 따라서, 다음 식 (11'), (12') 및 (13')
λ5(=1.49㎛) ＜λ3(=1.50㎛) ＜λ1(=1.51㎛) ＜λ 2(=1.57㎛) ＜λ4(=1.58㎛) ＜λ6(=1.59㎛) (11')
λ1(=1.51㎛) ＜λS(=1.55㎛) ＜λ2(=1.57㎛) (12')
λ1(=1.51㎛) ＜λC(=1.53㎛) ＜λ2(=1.57㎛) (13')
을 만족하면서 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광을 파장 λC 인 변환광으로 파장 변환을 행하는 기능을 갖는 파장 변환 소자가 실현가능하다.
전술한 일반식 (전술한 조건 식 (7), (9) 및 (11))가 사용되는 경우, 상술한 제 1 펌프광 내지 제 6 펌프광으로부터의 6 개의 펌프광의 SFG를 실현하는 과정은 N=3 인 경우의 과정과 동일하다. 따라서, 전술한 조건 식 (7) 은 조건 식 (7a), (7b) 및 (7c) 에 대응하고, 전술한 조건 식 (9) 은 조건 식 (9a), (9b), (9c) 에 대응하고, 조건 식 (11) 은 조건 식 (11') 에 대응한다. 이 연결에서, 제 2 파장 변환 소자는 N=1 인 경우에 대응한다.
WDM 등에 사용되는 파장 변환 장치에서 전술한 식 (12)을 만족하는 파장 λS 의 신호광을, 전술한 식 (13)을 만족하는 파장 λC 의 변환광으로 변환하는 기능을 가지는 파장 변환 소자를 이용하여 얻어지는 이점은, 제 1 펌프광 내지 제 2N 펌프광의 파장 (λ1, λ2,..,λ2N) 이 WDM 전송 대역 파장 (이 대역에는 파장 λS 의 신호광 및 파장 λC 의 변환광이 존재한다) 의 양측보다 각각 단파장 및 장파장을 설정될 수 있다는 점이고, 이 이점은 제 1 파장 변환 소자의 이점과 유사하다.
따라서, 신호 광 스펙트럼과 제 1 펌프광 스펙트럼 내지 제 2N 펌프광 스펙트럼의 대역 부분이 겹치는 것을 피할 수 있다. 따라서, 제 1 파장 변환 소자와 유사하게, WDM 통신에서 사용될 수 있는 채널의 수에 어떠한 제한이 없다.
여기에서, 전술한 조건 식 (9a), (9b), (9c) 및 (10) 부터
1/λ1 + 1/λ2 = 1/λ3 + 1/λ4 = 1/λ 5 + 1/λ6 = 1/λS + 1/λC = 1/1.51 + 1/1.57 = 1/1.50 + 1/1.58 = 1/1.49 + 1/1.59 = 1/1.55 + 1/1.53 = 1/0.77 를 얻는다.
따라서, SFG 에 의해 얻어지는 SF 광의 파장 λSF 은 0.77㎛ 이다.
또한, QPM 광 도파로를 사용함으로써 구성되는 광 도파로 형의 QPM 형 파장 변환 소자의 경우에, 전술한 nSF, n1, n2, n3, n4, n5, n6, nS, 및 nC 는 QPM 광 도파로의 유효한 굴절율이다. 따라서, 굴절율은 LiNbO3 기판 재료의 굴절율, LiNbO3 기판 상에 형성된 QPM 광 도파로의 굴절율, 및 QPM 광 도파로의 치수에 의해 결정되는 값이다. 제 1 파장 변환 소자의 경우와 유사하게, 그러한 값들을 실험적으로 결정하는 것이 합리적이다. 따라서, 다른 주기를 갖는 분극 반전 구조의 복수의 QPM 광 도파로는 제 1 파장 변환 소자를 설명한 전술했던 동일한 방법에 의해 제조되며, 최대 변환 효율이 얻어지는 값은 제 2 파장 변환 소자의 분극 반전 구조의 주기 Λ 로서 실험적으로 구해진다.
이하 도 7 를 참조하여 본 발명에 따른 제 2 파장 변환 소자를 이용하여 구성된 파장 변환 장치를 이용하여 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광을 파장 λC 가 1.53㎛ 인 변환광 (DF 광) 으로 파장 변환을 행하는 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
제 1 펌프광 (201, 파장 λ1 = 1.51㎛) , 제 2 펌프광 (202, 파장 λ2 = 1.57㎛), 제 3 펌프광 (203, 파장 λ3 = 1.50㎛), 제 4 펌프광 (204, 파장 λ4 = 1.58㎛), 제 5 펌프광 (205, 파장 λ5 = 1.49㎛), 제 6 펌프광 (206, 파장 λ6 = 1.55㎛) 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (228) 이 합파기 (212)에서 합파되고, 파장 변환 소자 (210) 의 QPM 광 도파로 (222) 안으로 입사광 (229) 으로서 입사된다.
따라서, QPM 광 도파로 (222)에서, 제 1 펌프광 (201), 제 2 펌프광 (202), 제 3 펌프광 (203), 제 4 펌프광 (204), 제 5 펌프광 (205) 및 제 6 펌프광 (206) 의 SFG 에 의해 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광이 얻어진다.
따라서, 파장 변환 소자 (210) 의 QPM 광 도파로 (222) 로부터 출력되는 출사광 (230) 은 제 1 펌프광, 제 2 펌프광, 제 3 펌프광, 제 4 펌프광, 제 5 펌프광, 제 6 펌프광, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광, 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광, 및 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광을 합파하여 얻어진다. 따라서, 상술한 방법은 식 (11'), (12') 및 (13')을 만족하면서 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광을 파장 λC 인 변환광으로 변환하는 방법이다.
이하, 도 8을 참조하여 전술한 파장 변환 과정을 설명한다. 본 도에서 도 2, 도 4 및 도 6 과 유사하게, 횡축에 대하여 ㎛ 단위로 파장이 표시되고, 종축에 대하여 임의의 단위로 광 강도가 표시된다. 또한, 위로 향하는 화살의 시작점 위치는 제 1 펌프광 내지 제 6 펌프광, 신호광, SF 광, 및 DF 광 (변환광) 의 파장 중심 위치를 나타내고, 화살표의 길이는 각각의 광 강도에 비례하여 상대적인 관계를 반영한다.
파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광은 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광(201) 과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광 (202)의 SFG 에 의해 발생된다. 또한, 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광은 파장 λ3 이 1.50㎛ 인 제 3 펌프광(203) 과 파장 λ4 가 1.58㎛ 인 제 4 펌프광 (204)의 SFG 에 의해 발생된다. 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광은 파장 λ5 이 1.49㎛ 인 제 5 펌프광(205) 과 파장 λ6 가 1.59㎛ 인 제 6 펌프광 (206)의 SFG 에 의해 발생된다.
이것은 도 8 에서 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광과 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광을 나타내는 화살로부터 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광을 나타내는 화살까지의 옆 화살을 그림으로써 도시되고, 그러한 옆 화살은 SFG1 으로서 모아진다. 또한 옆 화살이 파장 λ3 이 1.50㎛ 인 제 3 펌프광과 파장 λ4 가 1.58㎛ 인 제 4 펌프광을 나타내는 화살로부터 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광을 나타내는 화살까지 도시되고, 그러한 옆 화살은 SFG2 으로서 모아진다. 또한 옆 화살이 파장 λ5 이 1.49㎛ 인 제 5 펌프광과 파장 λ6 가 1.59㎛ 인 제 6 펌프광을 나타내는 화살로부터 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광을 나타내는 화살까지 도시되고, 그러한 옆 화살은 SFG3 로서 모아진다.
도 8 에 전술한 SFG1, SFG2, 및 SFG3를 더해서 발생된 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광이 반원 기호와 그들을 연결하는 점선으로 도시된다. 이것은 SF 광과 신호광의 DFG 와 같은 비선형 상호작용에 의해 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광의 발생을 제공하는 관계를 개략적으로 나타내는 것이다. 이 결과는 제 1 펌프광 내지 제 6 펌프광의 비선형 광학 효과인 SFG 와 SFG 에 의해 발생된 SF 광을 이용한 DFG를 행함으로써, 제 1 펌프광 내지 제 6 펌프광 및 SF 광을 통하여, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (228)을 파장 λC 가 1.53㎛ 인 변환광으로의 변환으로서 이해될 수 있다.
파장 λC 가 1.53㎛ 인 새로운 광인 DF 광은 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광, 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광, 파장 λ3 이 1.50㎛ 인 제 3 펌프광, 파장 λ4 가 1.58㎛ 인 제 4 펌프광, 파장 λ5 이 1.49㎛ 인 제 5 펌프광, 파장 λ6 가 1.59㎛ 인 제 6 펌프광 및 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광을 파장 변환 소자 (210) 로 입사시킴으로써 발생된다. 따라서, 파장 변환 소자 (210) 로부터 출사광 (230) 은 파장 λ1 이 1.51㎛ 인 제 1 펌프광, 파장 λ2 가 1.57㎛ 인 제 2 펌프광, 파장 λ3 이 1.50㎛ 인 제 3 펌프광, 파장 λ4 가 1.58㎛ 인 제 4 펌프광, 파장 λ 5 이 1.49㎛ 인 제 5 펌프광, 파장 λ6 가 1.59㎛ 인 제 6 펌프광, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광, 파장 λSF 가 0.77㎛ 인 SF 광, 및 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광 (변환광) 을 합파함으로써 얻어지는 광이다.
출사광 (230) 은 좁은-대역 파장 필터 (214) 로 필터링되며, 단지 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광만이 변환광 (231) 으로서 밖으로 나온다. 따라서, 파장 λS 가 1.55㎛ 인 신호광 (228) 은 파장 λC 가 1.53㎛ 인 DF 광으로서 파장 변환되고, 합파기 (212), 파장 변환 소자 (210) 및 좁은-대역 파장 필터 (214) 를 구비하는 파장 변환 장치 (232)를 이용하여 변환광 (231) 으로 변환된다.
본 파장 변환에서 사용되는 제 1 펌프광의 파장 λ1 는 1.51㎛ 이고, 제 2 펌프광의 파장 λ2 는 1.57㎛ 이고, 제 3 펌프광의 파장 λ3 는 1.50㎛ 이고, 제 4 펌프광의 파장 λ4 는 1.58㎛ 이고, 제 5 펌프광의 파장 λ5 는 1.49㎛ 이고, 제 6 펌프광의 파장 λ6 는 1.59㎛ 이고, 신호광의 파장 λS 는 1.55㎛ 이다. 따라서, 제 1 펌프광의 파장 내지 제 6 펌프광의 파장은 신호광의 파장과 거의 동일하다. 따라서, 파장 변환 소자 (210) 에 입사하는 제 1 펌프광 내지 제 6 펌프광 및 신호광이 최저 차수 모드에서 함께 전파하도록 광 도파로를 설계하는 것은 쉽다.
또한, SHG 에 의해 생겨난 SH 광을 통한 파장 변환방법과 대조적으로, 본 발명에 따른 제 2 실시형태의 제 2 파장 변환 소자를 이용하는 방법은 SF 광을 통하여 파장 변환을 행한다. 따라서, 제 1 실시형태의 제 1 파장 변환 소자와 유사하게 고 효율 파장 변환이 실현될 수 있다.
또한, 제 1 펌프광 내지 제 6 펌프광의 파장은 WDM 전송 대역 파장의 양쪽보다 각각 단파장 및 장파장인 파장으로 설정될 수 있기 때문에, 신호 광 스펙트럼과 제 1 펌프광의 스펙트럼 내지 제 6 펌프광의 스펙트럼과의 기본 부분의 겹침을 피하는 것이 가능하다. 따라서, WDM 전송에서 사용될 수 있는 채널의 수에 제한이 없고, 이러한 특징은 제 1 파장 변환 소자의 특징과 유사하다.
상술한 바와 같이, 제 2 파장 변환 소자에 있어서, 파장 λ1 의 제 1 펌프광과 파장 λ2 의 제 2 펌프광의 하나의 세트를 이용하는 제 1 파장 변환 소자와 달리, 제 1 펌프광 및 제 2 펌프광, 제 3 펌프광 및 제 4 펌프광, 제 5 펌프광 및 제 6 펌프광의 3 개의 펌프광 세트가 사용된다. 따라서, 펌프광의 에너지는 증가될 수 있다. 따라서, 제 1 파장 변환 소자의 효율보다 높은 파장 변환 효율이 실현될 수 있다. 상술한 실시형태에서, 3 개의 펌프광 세트가 사용된 예가 설명되었다. 그러나, 4 개 (이 경우에는 8 종류의 펌프광이 있다.) 또는 그 이상의 펌프광 세트가 사용되더라도 비슷한 결과가 얻어지는 것은 일반적으로 명백하다.
따라서, 일반적으로, 파장 λ2j-1 의 제 2j-1 펌프광과 파장 λ2j 의 제 2j 펌프광의 N 개의 세트의 펌프광들이 사용될 수 있다. 여기에서 j 는 1 내지 N 까지의 자연수이며, j=N 인 경우, N 세트의 펌프광이 사용된다.
또한, 제 2 실시형태의 제 2 변환 소자와 유사한 파장 변환 소자가 와이드 스펙트럼 폭을 가지는 펌프광들, 즉 와이드 유한 폭을 가지는 파장 대역에 걸쳐 스펙트럼 성분을 가지는 펌프광들을 결합하여 또한 실현될 수 있다.
이하 그 이유를 설명한다.
제 2 파장 변환기는, SF 광이 스펙트럼의 중심 파장을 통신 대역 밖의 단파장으로 변경하여 설정된 N 개의 펌프광과 스펙트럼의 중심 파장을 통신 대역 밖의 장파장으로 변경하여 설정된 N 개의 펌프광을 결합하여 SFG 에 기초하여 발생된 구성을 갖는다. 통신 대역 밖의 단파장 및 통신 대역 밖의 장파장으로 설정된 펌프광의 스펙트럼의 중심 파장의 파장밴드의 세트는 SFG를 실현하기 위해 사용되는 비선형 광학 계수가 큰 값을 가정하는 영역이어야만 한다. 따라서, 그것은 유한 대역을 갖는다.
N 의 값이 제한됨이 없이 증가된다는 극한의 경우를 고려하면, 전체 파장 대역에 걸쳐 제한된 유한 폭을 가지는 연속한 스펙트럼 성분을 가지는 광을 펌프광으로 사용하는 것에 대응된다. 따라서, 제 2 파장 변환 소자와 동일한 파장 변환 소자는 파장 대역에 걸쳐서 와이드 한정 폭을 가지는 스펙트럼 성분을 갖는 펌프 광들을 결함함으로써 또한 실현될 수 있다.
펌프광 세트 (N 은 고정된 값) 의 수 또는 파장 변환을 실현하기 위해 사용되는 펌프광에 대한 스펙트럼의 폭 및 파장 대역은, DFG, SHG 및 SFG 와 같은 제 2 차 비선형 광학 효과가 유효하게 실현되는 파장 대역, 변환광을 필터링하는 좁은-대역 파장 필터의 전송 특성 등을 고려하여 결정되어야 하는 설계적 특성이다.
제 2 차 비선형 광학 특성을 효과적으로 실현하기 위하여, 파장 변환 소자의 구조 성분인 LiNbO3 와 같은 비선형 광학 결정의 제 2 차 비선형 광학 상수는 충분히 커야 한다. 제 2 차 비선형 광학 상수의 값이 파장에 의존하기 때문에, 파장에 대한 의존성은 고려되어야 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 파장 변환 장치에 있어서, 펌프광의 파장은 광통신대역에 존재하는 복수의 신호광의 파장 및 복수의 변환광의 파장보다 장파장 또는 단파장으로 설정될 수 있고, 펌프광의 파장 대역은 신호광과 변환광의 파장 대역에 관하여 충분한 파장 간격을 가지고 설정될 수 있다.
또한, 본 장치는 펌프 광의 SFG를 서로 발현하여 SF 광을 발생시키고, 그 후 SF 광과 신호광의 DFG를 발현하여 DF 광을 변환광으로서 얻는 기능을 가진다. 따라서, 펌프광과 신호광은 광 도파로에서 최저 차수 모드에서 전파하도록 쉽게 설계될 수 있다. 따라서, 고 효율 변환이 실현된다.
또한, 펌프광의 종류의 수가 증가하면, 펌프광 서로의 SFG 에 의해 발생된 SF 광의 강도가 증가할 것이고, 심지어 높은 파장 변환 효율이 얻어질 수 있다.
제 1 실시형태 및 제 2 실시형태에서, EDFA 의 C 대역이 통신 대역으로서 기능하는 광학 통신 시스템에 관한 설명이 행해졌지만, 원칙적으로 파장 변환은 펌프광의 파장이 설정되는 것에 의존하는 임의의 파장 대역에서 실현될 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에서, LiNbO3 결정을 이용하는 도파로를 가지는 QPM-형 파장 변환 소자에 관하여 설명하였으나, 유사한 도파로를 가지는 QPM-형 파장 변환 소자는 반도체인 GaAs 및 InP 결정을 실현하는 주기적 구조를 형성하여 또한 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 파장 변환 장치에 있어서, 펌프광의 파장은 광통신대역에 존재하는 복수의 신호광의 파장 및 복수의 변환광의 파장보다 장파장 또는 단파장으로 설정될 수 있고, 펌프광의 파장 대역은 신호광과 변환광의 파장 대역에 관하여 충분한 파장 간격을 가지고 설정될 수 있다.
또한, 본 장치는 펌프 광의 SFG 를 서로 발현하여 SF 광을 발생시키고, 그 후 SF 광과 신호광의 DFG 를 발현하여 DF 광을 변환광으로서 얻는 기능을 가진다. 따라서, 펌프광과 신호광은 광 도파로에서 최저 차수 모드에서 전파하도록 쉽게 설계될 수 있다. 따라서, 고 효율 변환이 실현된다.
또한, 펌프광의 종류의 수가 증가하면, 펌프광 서로의 SFG 에 의해 발생된 SF 광의 강도가 증가하여 높은 파장 변환 효율이 얻어질 수 있다.
도 1 은 DFG 를 이용하여 파장 변환을 실현하는 파장 변환 장치를 설명하기 위해 사용된 개략도.
도 2 는 DFG를 이용하는 파장 변환과정을 도시하는 도.
도 3 은 제 2 차 비선형 광학 효과를 캐스케이드 모드에서 증명함으로써 파장 변환을 실현하는 파장 변환 장치를 설명하기 위해 사용된 개략도.
도 4 는 제 2 차 비선형 광학 효과의 캐스케이드 실현에 의한 파장 변환 과정을 도시하는 도.
도 5 는 2 종류의 펌프광을 이용하여 파장 변환을 실현하는 파장 변환 장치를 설명하기 위해 사용된 개략도.
도 6 은 2 종류의 펌프광을 이용하여 파장 변환을 실현하는 파장 변환 과정을 도시하는 도.
도 7 은 2N 종류의 펌프광을 이용하여 파장 변환을 실현하는 파장 변환 장치를 설명하기 위해 사용된 개략도; 및
도 8 은 2N 종류의 펌프광을 이용하여 파장 변환을 실현하는 파장 변환 과정을 도시하는 도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 주요 부호의 설명※
10, 40, 110, 210 : 파장 변환 소자
32, 62, 132, 232 : 파장 변환 장치
12, 42, 112, 212 : 합파기
14, 44, 114, 214 : 좁은-대역 파장 필터

Claims (6)

  1. 의사 위상 정합 (quasi-phase matching) 을 실현하기 위한 주기적 구조를 갖고, 주기적 구조의 주기 Λ 는 다음의 식 (1), (2), (3), 및 (4),
    (2π/λSF)nSF - (2π/λ1)n1 - (2π/λ2)n2 = 2π/Λ (1)
    (2π/λSF)nSF - (2π/λS)nS - (2π/λC)nC = 2π/Λ (2)
    1/λSF = 1/λ1 + 1/λ2 (3)
    1/λSF = 1/λS + 1/λC (4)
    를 만족하는 값으로 설정되고, 여기에서
    λ1 은 상기 파장 변환 소자에 입력된 제 1 펌프광의 파장;
    λ2 는 상기 파장 변환 소자에 입력된 제 2 펌프광의 파장;
    λS 는 상기 파장 변환 소자에 입력된 신호광의 파장;
    λC 는 상기 파장 변환 소자에 입력된 변환광의 파장;
    λSF 는 상기 제 1 펌프광과 상기 제 2 펌프광의 합 주파수 광 (sum frequency light) 의 파장;
    nSF 는 상기 제 1 펌프광과 상기 제 2 펌프광의 상기 합 주파수 광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율;
    n1 은 상기 제 1 펌프광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율;
    n2 는 상기 제 2 펌프광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율;
    nS 는 상기 신호광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율; 및
    nC 는 상기 변환광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율인 파장 변환 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 펌프광의 파장 λ1, 상기 제 2 펌프광의 파장 λ2 , 상기 신호광의 파장 λS , 및 상기 변환광의 파장 λC 사이에서 다음의 식 (5) 및 (6),
    λ1 ＜λS ＜λ2 (5)
    λ1 ＜λC ＜λ2 (6)
    으로 표현되는 관계가 유효한, 파장 변환 소자.
  3. 제 1 항에 기재된 파장 변환 소자에 파장 λ1 의 제 1 펌프광, 파장 λ2 의 제 2 펌프광, 및 파장 λS 의 신호광이 입력되고, 상기 파장 변환 소자로부터 파장 λC 의 변환광이 출력되는, 파장 변환 소자를 사용하는 방법.
  4. 의사 위상 정합을 실현하기 위한 주기적 구조를 갖고, 주기적 구조의 주기 Λ 는 다음의 식 (7), (8), (9), 및 (10),
    (2π/λSF)nSF - (2π/λ2j-1)n2j-1 - (2π/λ2j)n 2j = 2π/Λ (7)
    (2π/λSF)nSF - (2π/λS)nS - (2π/λC)nC = 2π/Λ (8)
    1/λSF = 1/λ2j-1 + 1/λ2j (9)
    1/λSF = 1/λS + 1/λC (10)
    을 만족하는 값으로 설정되고, 여기에서
    λ2j-1 은 상기 파장 변환 소자에 입력된 제 2j-1 펌프광의 파장;
    λ2j 는 상기 파장 변환 소자에 입력된 제 2j 펌프광의 파장;
    λS 는 상기 파장 변환 소자에 입력된 신호광의 파장;
    λC 는 상기 파장 변환 소자에 입력된 변환광의 파장;
    λSF 는 상기 제 2j-1 펌프광과 상기 제 2j 펌프광의 합 주파수 광의 파장;
    nSF 는 상기 제 2j-1 펌프광과 상기 제 2j 펌프광의 상기 합 주파수 광에 대한 파장 변환 소자의 굴절율;
    n2j-1 은 상기 제 2j-1 펌프광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율;
    n2j 는 상기 제 2j 펌프광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율;
    nS 는 상기 신호광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율;
    nC 는 상기 변환광에 대한 상기 파장 변환 소자의 굴절율; 및
    j 는 1부터 N 까지의 자연수이고, N 은 2 이상의 자연수인 파장 변환 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 2N-1 펌프광의 파장 λ2N-1 , 제 2N-3 펌프광의 파장 λ2N-3 ,...., 제 3 펌프광의 파장 λ3, 제 1 펌프광의 파장 λ1 , 제 2 펌프광의 파장 λ2 , 제 4 펌프광의 파장 λ4 ,..., 제 2N-2 펌프광의 파장 λ2N-2 , 제 2N 펌프광의 파장 λ2N , 상기 신호광의 파장 λS , 및 상기 변환광의 파장 λC 사이에서 다음의 식 (11), (12) 및 (13),
    λ2N-1＜λ2N-3＜....λ3＜λ1＜λ2＜λ4＜....λ 2N-2＜λ2N (11)
    λ1 ＜λS ＜λ2 (12)
    λ1 ＜λC ＜λ2 (13)
    으로 표현된 관계가 유효한, 파장 변환 소자.
  6. 제 4 항에 기재된 파장 변환 소자에 파장 λ2N-1 의 제 2N-1 펌프광, 파장 λ2N-3 의 제 2N-3 펌프광,..., 파장 λ3 의 제 3 펌프광, 파장 λ1 의 제 1 펌프광, 파장 λ2 의 제 2 펌프광, 파장 λ4 의 제 4 펌프광,..., 파장 λ2N-2 의 제 2N-2 펌프광, 파장 λ2N 의 제 2N 펌프광, 파장 λS 의 신호광이 입력되고, 상기 파장 변환 소자로부터 파장 λC 의 변환광이 출력되는, 파장 변환 소자를 사용하는 방법.
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