KR20050108648A - 집적광학형 실시간 지연 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집적광학형 실시간 지연 장치에 관한 것으로, 종래 광학적 실시간 지연 장치는 광섬유 선로에 브래그 격자를 형성한 후, 지연시간을 조절하기 위해 무선주파(RF) 신호가 실려있는 광신호의 파장을 가변하거나 브래그 격자가 형성된 부분을 기계적으로 변형시키는 방법을 사용하므로 파장을 가변하기 위해서는 고가의 파장가변 광원이 필요하여 비용이 높아지며, 기계적인 변형을 위해서는 부피가 큰 구동부가 필요한 것은 물론이고 기계적 피로에 의해 재연성과 신뢰성이 낮으며 연속적인 고속 구동이 어려운 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 인가되는 전계에 의해 유효 굴절율이 변화되는 도파로형 균일 브래그 격자를 형성하고, 점진적으로 인접 거리가 변화되도록 전극을 배치하여 상기 전극에 전압이 인가되면 상기 균일 브래그 격자가 쳐핑된 브래그 격자로 동작하도록 구성한 후, 인가 전압의 크기에 따라 전체적인 브래그 격자의 유효굴절율을 변화시켜 인가되는 광의 파장에 따른 반사 위치를 조절하도록 함으로써, 단순한 전압 조절을 통해 실시간 지연시간을 결정할 수 있어 정밀하고 신뢰성 있는 제어가 용이하고, 전압 조절 속도가 구동 속도가 되므로 고속 구동이 가능하며, 크기와 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

집적광학형 실시간 지연 장치{INTEGRATED OPTIC TRUE-TIME DELAY APPARATUS}

본 발명은 집적광학형 실시간 지연 장치에 관한 것으로, 특히 전기광학 효과를 가지는 도파로 광소자를 이용하여 무선주파(RF)신호가 실린 광신호의 전달 시간을 제어할 수 있도록 한 집적광학형 실시간 지연 장치에 관한 것이다.

이동통신 단말기, 무선랜, 홈네트워크, 전자상거래, 전자회의 등이 실생활에 급속히 퍼져나감에 따라 무선 통신량이 폭발적으로 증가하게 되었다. 이러한 무선통신 시스템 및 단말기의 성능은 주변의 통신 환경에 민감하게 반응하는 경우가 많기 때문에 주변 통신 환경의 변화에 대응할 수 있는 안테나 시스템에 대한 요구가 급증하게 되었다. 특히, 이동통신 단말기, 무선랜의 경우 통화 품질은 인접 사용자에 의한 통화량이나 위치 등과 같은 주변 환경에 영향을 받기 쉬우므로, 주변의 통신 환경 변화에 대응하여 우수한 통신 품질을 유지하기 위해 통신 요구에 따라 능동적으로 전파의 송수신 분포를 조절 할 수 있는 배열형 안테나가 사용되고 있다. 이러한 배열형 안테나의 경우 다수의 요소 안테나들에 인가되는 RF 신호를 차등하게 지연시킴으로써 방출되는 RF 신호빔의 지향각을 조절할 수 있으므로, 신호를 적절하게 지연시킬 수 있는 지연 장치는 배열형 안테나의 핵심 소자이다.

종래에는 이러한 지연장치를 위상 제어 방식의 전기적 스위치를 이용하기 때문에 부피와 정밀도에서 크게 불리했으나, 최근에는 광학 효과를 이용하여 이러한 실시간 지연부를 구성하고 있다.

도 1은 광학적 실시간 지연부를 이용하는 일반적인 위상 배열 안테나 시스템의 구성을 간략히 보인 것으로, 도시한 구성은 광학적 RF 실시간 지연선로를 이용한 배열형 안테나 구조이다. 도시한 바와 같이 4개의 요소 안테나(50a~50d)가 각각광학적 실시간 지연부(30a~30d)와 연결되어 있다.

상기 구조를 감안하면서 광학적으로 RF 신호의 송수신 분포를 조절하는 방법을 알아보면, 전송하고자 하는 RF 신호(f_RF)를 전기 광학 변조기(10)에 인가하여 전송자(carrier)로 사용되는 광신호(f_o)에 실어 상기 광 지연부(30a~30d)와 연결된 광섬유 선로(20)에 제공하면서, 상기 광 지연부(30a~30d) 각각에 설정된 지연 시간(Δτ단위)을 조절한다. 이렇게 지연된 광 신호들은 광 검출기(40a~40d)에 의해 다시 RF 신호로 복원된 후 상기 요소 안테나(50a~50d)를 구동하여 이들로부터 송수신되는 RF 신호빔의 분포를 조절할 수 있다

여기서, 상기 광 지연부(30a~30d)는 광섬유 선로(20)의 일부분에 형성된 지연선로로서, 각각 Δτ를 단위로 하는 시간 지연을 가지도록 구성되며, 이들에 의해 상기 요소 안테나(50a~50d)를 통해 송수신되는 RF 심호빔의 주사 방향이 결정된다.

상기와 같은 광 지연부(30a~30d)는 특정한 광파장의 신호만을 반사시키는 특성을 가지는 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating)를 이용하는 것이 일반적인데, 기존의 방법은 광섬유 자체에 브래그 격자 구조를 도입한 형태로 사용된다. 즉, 고정된 파장에 대응하는 브래그 격자 구조를 광 선로에 형성하여 인가되는 파장이 소정의 위치에서 반사되도록 하고, 이렇게 반사되는 광을 다시 받아들여 지연이 발생하도록 하는 방식이다.

상기 종래의 브래그 격자 구조를 이용하는 지연 선로는 크게 두가지 방법으로 사용되는데, 하나는 광신호의 진행 방향으로 격자의 주기가 변하여 각 지점에서 반사되는 광파장이 달라지는 쳐핑된 브래그 격자(Chirped fiber bragg grating)를 이용하는 것이다. 이는 입력되는 광파장을 변화시킴으로써 상기 광파장이 브래그 격자 구조로 진행하다가 격자 구조에 의해 반사되는 반사 지점을 변경시켜 상기 광파장에 실린 RF 신호의 지연 시간을 조절하는 방식이다. 이는 RF 신호가 실리는 광신호의 파장을 변화시켜 상기 브래그 격자에서 상기 광 신호가 반사되는 위치를 조절하는 것으로 지연 시간을 변화시키기 때문에 파장 가변 광원이 필수적이다. 그러나 이러한 파장 가변 광원은 상당히 고가이므로 제조 비용이 높아지는 문제점이 있었다.

다른 방법은, 파장을 가변시키는 방법이 아니라, 브래그 격자가 형성된 선로를 물리적으로 변형(선로를 휘거나 누르는 등)시켜 격자의 구조를 가변함으로써 반사되는 광신호의 지연시간을 조절하는 방법인데, 이는 기계적인 움직임이 필요하므로 지연부의 부피가 커지고 기계적인 피로에 의해 재현성 및 신뢰성이 낮은 문제점과 함께, 연속적으로 고속 구동이 어렵다는 문제점 또한 가지게 된다.

상기한 바와 같이 종래 광학적 실시간 지연 장치는 광섬유 선로에 브래그 격자를 형성한 후, 지연시간을 조절하기 위해 무선주파(RF) 신호가 실려있는 광신호의 파장을 가변하거나 브래그 격자가 형성된 부분을 기계적으로 변형시키는 방법을 사용하므로 파장을 가변하기 위해서는 고가의 파장가변 광원이 필요하여 비용이 높아지며, 기계적인 변형을 위해서는 부피가 큰 구동부가 필요한 것은 물론이고 기계적 피로에 의해 재연성과 신뢰성이 낮으며 연속적인 고속 구동이 어려운 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 점진적으로 인접 거리가 변화되도록 배치된 전극에 의해 생성되는 전계의 영향으로 유효 굴절율이 변화되는 도파로형 브래그 격자를 이용하여 RF 실시간 지연 장치를 구성한 후, 전극에 인가하는 전압에 의해 인가되는 광신호가 반사될 위치를 제어하도록 하여 구동 속도를 높이고 크기를 줄이며 비용을 낮춘 집적광학형 실시간 지연 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 이격 거리가 점진적으로 변화되도록 배치된 전극들과; 상기 전극들에 인가되는 전압에 의해 발생되는 전계에 의해 유효 굴절율이 변화되는 물질로 이루어진 도파로형 균일 브래그 격자와; 상기 브래그 격자를 포함하며 상기 전극들 지지하는 도파로 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 도파로 구조물의 하부에는 접지 전극이 배치되고 상부에는 인가 전극이 배치되며, 상기 도파로 구조물은 상기 전극들의 이격 간격이 점진적으로 변화시키는 테이퍼 구조를 가진 것을 특징으로 한다.

상기 도파로 구조물은 전기광학 효과를 가진 지컷 리튬나이오베이트(Z-cut LiNbO3) 결정이며, 도파로형 브래그 격자는 상기 도파로 구조물 상부 일부에 양자 교환법이나 타이타늄 확산 공정을 통해 도파로를 형성한 후 주기적으로 그 일부를 식각하여 초기 유효 굴절율이 상이한 격자가 교번하면서 배치되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 방법으로 실시되는 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 제 1실시예의 구조를 보이는 전기광학 폴리머 도파로형 브래그 격자를 이용한 실시간 지연 장치의 사시도이다.

먼저, 도시된 구조를 보면, 도파로 구조물(100) 내부에 전기광학 폴리머로 이루어진 도파로형 브래그 격자(120)가 위치되어 있다. 그리고, 상기 도파로형 브래그 격자(120)의 외부에 형성된 테이퍼(taper) 구조의 도파로 구조물(100)에 의해서, 그 하부에 형성된 접지 전극(110)과 그 상부에 형성된 인가 전극(130)의 이격 거리는 점진적으로 변화되도록 구성된다.

상기 도파로형 브래그 격자(120)는 유효 굴절율이 다른 폴리머 물질이 서로교번하도록 배치되는데, 도시된 바와 같이 굴절율은 첫번째 부분(120-1)과 두번째 부분(120-2)이 서로 다르며, 이러한 접합 구조가 계속 반복되게 된다. 이를 용이하게 형성하기 위해서 본 실시예에서는 전기광학 폴리머로 도파로를 형성한 후, 두 종류의 자외선에 의해 발생하는 간섭 현상을 이용하여 상기 형성된 도파로를 광표백시켜 도파로의 굴절율이 광의 진행방향에 따라 일정한 주기를 가지고 변하는 균일 브래그 격자(120)가 되도록 한다.

이렇게 형성된 균일 브래그 격자(120)는 고정된 파장에 대해서만 동작하게 되므로 상기 설명한 바와 같이 전극(110, 130)을 형성함으로써, 상기 전극(110, 130)에 인가되는 전압에 따라 발생되는 전계에 의해 상기 전극 사이에 위치한 전기광학 폴리머 브래그 격자(120)의 굴절율을 변화시켜 여러 파장에 대응하도록 한다. 즉, 상기 전극(110, 130)은 그 이격 거리가 점진적으로 변화하기 때문에 상기 전극에 인가되는 전압에 의해 생성되는 전계의 크기도 가변적이 되며, 이러한 가변적인 전계에 의해 상기 전기광학 폴리머 브래그 격자(120)의 굴절율 또한 점진적으로 가변되면서 변화하게 된다. 다시 말해서, 균일 브래그 격자가 쳐핑된 브래그 격자로 변화하게 되어 여러 종류의 광파장에 대응할 수 있게 되는 것이다.

상기 폴리머 브래그 격자(120)에 의해 반사되는 광신호의 파장은 다음과 같은 식을 통해 얻을 수 있다.

여기서, n_eff는 도파로 유효 굴절율이고, Λ_g는 격자의 주기이다.

도 3은 상기 도 2에 도시한 본 발명 제 1실시예의 유효 굴절율 분포를 보인 것으로, 전극에 인가하는 전압의 크기에 따라 도파로 브래그 격자 진행방향으로의 유효 굴절율 분포를 보이고 있다. 여기서 L은 도파로 격자의 길이이고, n₀는 초기 유효 굴절율이다. 따라서, 인가되는 전압에 의한 전계가 큰 부분에서는 유효 굴절율이 작아지며, 전계의 영향이 작은 부분으로 갈수록 초기 유효 굴절율에 근접하게 된다. 따라서, 반사되는 광파장이 진행 방향에 따라 연속적으로 변하는 쳐핑된 브래그 격자를 형성할 수 있다.

도 4는 상기 설명한 바와 같이 쳐핑된 브래그 격자를 이용하여 소정의 광파장을 가지는 광신호를 반사시켜 지연 시간을 조절하는 방식에서, 지연 시간 조절을 위한 광의 반사위치와 인가 전압 사이의 관계를 보이는 반사위치 분포도로서, 도시한 바와 같이 소정의 광파장(λ_s)을 인가한 경우 전극에 가하는 전압에 따른 반사 위치가 도시되어 있다. 예를 들어, 인가 전압이 V₁인 경우 반사되는 위치는 z₁이 되고, 전압이 V_n인 경우 반사되는 위치는 z_n이 되므로 인가 전압이 높을 수록 반사되는 위치가 더 깊어져, 지연 시간이 길어지게 된다. 즉, 인가 전압에 의해 반사되는 위치를 조절할 수 있으며, 그에 따라 지연 시간을 결정할 수 있게 된다.

따라서, 도 2에 도시한 본 발명의 제 1실시예의 구조는 전극에 인가하는 전압의 크기에 따라 임의의 광파장에 대한 지연 시간을 조절할 수 있다. 이는 여러 신호들이 상이한 광파장에 실려 인가되는 경우에 그에 대한 지연시간 조절을 인가 전압 만으로 실시할 수 있다는 것을 의미하므로 작은 부피의 도파로형 실시간 지연 장치를 쉽게 구현할 수 있으며, 비교적 고속 구동이 가능한 전압 조절 만으로 실시간 지연 장치의 지연 시간을 결정할 수 있다. 실질적으로 ns(10^-9s) 미만의 초고속 구동이 가능해진다.

도 5는 본 발명의 제 2실시예의 구조를 보인 사시도로서, 도시한 바와 같이 전기광학 폴리머를 이용한 브래그 격자(220)를 광 표백이 아닌 건식 식각 공정을 통해 형성한 것으로, 이는 도파로의 유효 굴절율이 광 표백 뿐만 아니라 도파로의 두께에 따라서도 결정된다는 점을 이용한 것으로, 도시된 바와 같은 브래그 격자(220)는 기판 상에 접지 전극(210)을 형성하고, 도파로 물질(200)을 일부 형성한 후, 그 상부에 전기광학 폴리머를 코팅하고 패터닝하여 도파로를 형성한 다음 마스크를 이용하여 주기적으로 전기광학 폴리머를 건식 식각하여 폴리머 브래그 격자(220)를 형성한다. 그 다음, 그 상부에 다시 도파로 물질(220)을 더 형성한 후 테이퍼 구조가 되도록 성형하고, 그 상부 일부에 인가 전극(230)을 형성하는 것으로 도시한 구조를 형성한다.

상기 설명한 구조 역시 전극들 간의 이격 거리를 점진적으로 변화하도록 하여 균일 브래그 격자(220)가 쳐핑된 브래그 격자로 동작하도록 하며, 전극(210, 230)에 인가하는 전압으로 입력되는 소정 파장의 광이 반사되는 위치를 결정하도록 하여 지연 시간을 정하게 된다. 즉, 동작 원리는 제 1 실시예와 유사하다.

도 6은 본 발명의 제 3실시예로서, 이 경우에는 전기광학 폴리머를 이용하는 것이 아니라 전기광학 특성을 자체적으로 가지는 지컷 리튬나이오베이트(Z-cut LiNbO₃)를 이용한 경우이다. 이 경우, 리튬나이오베이트 결정 자체로 도파로 구조물(300)을 형성한 후, 상부 일부 영역을 양자교환 방법이나 타이타늄 확산 공정을 이용하여 브래그 격자를 형성할 도파로 영역을 구성하도록 한다. 상기 형성한 도파로 영역 상부에 주기적으로 패터닝된 마스크를 적용한 후 건식 또는 습식 식각하여 도파로형 브래그 격자(320)를 형성한다. 상기 마스크는 포토레지스트를 마스크층에 적용한 후 두 종류의 자외선 간섭을 이용하여 패턴을 정의하는 것으로 형성할 수 있다.

그리고, 상기와 같이 형성된 브래그 격자(320)에 전계를 가하여 유효 굴절율을 가변시키기 위해 전극을 형성하는데, 리튬나이오베이트 결정의 경우 동일 평면상에 전극을 형성해야 하므로 도시된 바와 같이 상기 도파로형 브래그 격자(320)가 정의된 부분 상부에 인가 전극(330)을 형성하고, 상기 인가 전극(330)과 동일한 평면 상에 점진적으로 이격 거리가 변화되도록 접지 전극(310)을 형성한다. 필요시, 상기 브래그 격자(320)의 식각된 부분에 폴리머 물질을 적용하여 평탄화를 더 추가할 수 있다.

상기 구조의 경우도 이전의 제 1 및 제 2실시예와 유사한 동작 방식으로 동작되므로 형성된 전극(310, 330)에 가하는 전압의 세기를 조절하여 입사광의 반사 위치를 조절하고, 그로인해 입사광에 실린 RF 신호의 지연시간을 조절할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 집적광학형 실시간 지연 장치는 인가되는 전계에 의해 유효 굴절율이 변화되는 도파로형 균일 브래그 격자를 형성하고, 점진적으로 인접 거리가 변화되도록 전극을 배치하여 상기 전극에 전압이 인가되면 상기 균일 브래그 격자가 쳐핑된 브래그 격자로 동작하도록 구성한 후, 인가 전압의 크기에 따라 전체적인 브래그 격자의 유효굴절율을 변화시켜 인가되는 광의 파장에 따른 반사 위치를 조절하도록 함으로써, 단순한 전압 조절을 통해 실시간 지연시간을 결정할 수 있어 정밀하고 신뢰성 있는 제어가 용이하고, 전압 조절 속도가 구동 속도가 되므로 고속 구동이 가능하며, 크기와 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 광학적 무선주파신호를 위한 위상 배열 안테나 시스템 구성도.

도 2는 본 발명 일 실시예의 실시간 지연 장치 구조를 보인 사시도.

도 3은 도 2에 인가되는 전압에 의한 유효굴절율 분포도.

도 4는 도 2에 인가되는 전압에 의한 반사 위치 분포도.

도 5는 본 발명 다른 실시예의 실시간 지연 장치 구조를 보인 사시도.

도 6은 본 발명 또다른 실시예의 실시간 지연 장치 구조를 보인 사시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 전기광학 변조기 20: 광섬유 선로

30: 광지연부 40: 광검출기

50: 요소 안테나 100, 200: 도파로 구조물

110, 210: 접지 전극 120, 220: 폴리머 브래그 격자

130, 230: 인가 전극 300: 리튬나이오베이트

310: 접지 전극 320: 브래그 격자

330: 인가 전극

Claims (7)

1. 이격 거리가 점진적으로 변화되도록 배치된 전극들과; 상기 전극들에 인가되는 전압에 의해 발생되는 전계에 의해 유효 굴절율이 변화되는 물질로 이루어진 도파로형 균일 브래그 격자와; 상기 브래그 격자를 포함하며 상기 전극들 지지하는 도파로 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 도파로형 브래그 격자는 서로 다른 유효 굴절율을 가지는 격자가 교번하면서 배치되도록 광표백 정도가 조절된 전기광학 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 광표백 정도가 조절된 전기광학 폴리머는 두종류의 자외선에 의한 간섭현상을 이용하여 전기광학 폴리머를 광표백하여 형성한 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 도파로 구조물의 하부에는 접지 전극이 배치되고 상부에는 인가 전극이 배치되며, 상기 도파로 구조물은 상기 전극들의 이격 간격을 점진적으로 변화시키는 테이퍼 구조를 가진 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 도파로형 브래그 격자는 전기광학 폴리머를 주기적으로 일부 식각하여 초기 유효 굴절율이 상이한 격자가 교번하면서 배치되도록 구성한 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 도파로 구조물은 전기광학 효과를 가진 지컷 리튬나이오베이트(Z-cut LiNbO3) 결정이며, 도파로형 브래그 격자는 상기 도파로 구조물 상부 일부에 양자 교환법이나 타이타늄 확산 공정을 통해 도파로를 형성한 후 주기적으로 그 일부를 식각하여 초기 유효 굴절율이 상이한 격자가 교번하면서 배치되도록 구성한 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 형성된 도파로형 브래그 격자 상부에 상기 도파로를 따라 인가 전극을 배치하고, 동일 평면 상에 상기 인가 전극과 점진적으로 이격 거리가 멀어지도록 접지 전극을 배치한 것을 특징으로 하는 집적광학형 실시간 지연 장치.