KR20060059992A - 간섭 광학필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실수 및/또는 허수의 굴절률을 각각 가지는 다층을 포함하는 간섭 광학 필터에 관한 것이다. 상기 실수 및/또는 허수의 굴절률 값은 외부 전계 강도에 의존한다. 각 층의 물질의 굴절률과 두께 및 그 조합은 입사광의 적어도 하나의 편광에 대해, 스펙트럼의 적어도 하나의 영역에서 간섭성 극(極)값을 제공하도록 선택된다. 적어도 한 층은 전자광학 물질로 이루어지며, 상기 전자광학 물질은 이방성이고 적어도 하나의 방향족 유기물질로 이루어진다. 상기 방향족 유기물질의 분자 또는 분자 조각은 평평한 구조를 가진다. 상기 전자광학 물질층의 적어도 일부는 광학축의 하나를 따라 3.4±0.3Å의 분자간 간격을 가진 결정구조를 가진다.

Description

간섭 광학필터{INTERFERENTIAL OPTICAL FILTER}

본 출원은 여기에 참조로서 통합된, 2002년 4월 4일자로 출원된 러시아 특허출원 제2002-108388호를 우선권 주장한다.

본 발명은 광학필터, 특히 제어 가능한 간섭 광학필터에 관한 것이다.

광학필터는 여러가지 응용에서 중요한 역할을 한다. 예컨대, 자외선 등의 일부 광파를 필터링하는데 사용되는 윈도우(window), 선글라스 및 그외 광학소자에 널리 사용되고 있다. 광학필터는 또한 광섬유 통신소자에 널리 사용된다. 예컨대, 이러한 필터는 노이즈를 차단하거나 신호를 펌핑(pumping)하기 위한 대역투과 필터(band-transmitting filter)로서 사용된다. 대역투과 필터는 또한 멀티플렉서에서의 채널선택을 위해 사용된다. 일부 광섬유 소자는 복조를 수행하거나 광신호를 다수의 이산신호로 분해하기 위해, 특별한 광학필터를 사용한다. 또한, 광학필터는 광전자 응용에서의 광학 논리 방식에 사용된다. 광학필터는 동작 파장대역에서 광학신호를 투과하기 위해서뿐만 아니라, 소망하는 파장대역에서 광학신호를 반사하기 위해서도 사용된다. 예컨대, 광학필터는 가시 영역에서와 같은 특정 파장의 광을 반사하도록 형성될 수도 있다. 반사형 광학필터는 광학 증폭기 또는 광학 레이저와 연계하여 광섬유 통신소자에 있어서 (노이즈를 차단하고 신호를 펌핑하는) 차 단 필터로서 사용된다. 광학필터는 거울을 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 게다가, 표시장치에 이용될 수도 있다.

이하의 방식으로 제조되는, 공지된 간섭 광학필터(R. Ditchbern, Physical Optics; R.W.Ditchburn, "Light", Blackie, & Son Limited, London, Glasgow)가 있다. 광학 투명기판은 상이한 굴절률값을 가진 투명물질의 다수의 얇은 층으로 코팅되어 있다. 이들 층은 간섭층(interferential layer)으로 알려져 있으며, 이들 층의 두께나 굴절률을 제어함으로써, 광학 신호의 투과율을 변화시킬 수도 있고, 즉 필터의 필터링 특성을 변화시킬 수도 있다. 예컨대, 간섭필터는 윈도우용 구조에 사용되는 경우도 있다. 상기 윈도우의 표면 상에 상이한 굴절률값을 가진 여러가지 투명물질의 교대층(alternating layer)이 코팅된다. 이 물질의 두께 및 굴절률 값은, 필터가 자외선과 같은 원치않는 파장영역의 광을 잘라내거나, 또는 필터가 선택 파장을 반사하도록, 즉 거울로서 작용하도록 선택된다. 이런 종류의 광학필터가 유효하긴 하지만, 몇몇 문제점이 있다. 이러한 필터의 특징은 교대층의 조성 및 두께에 의해 결정된다. 또한, 이러한 간섭필터의 필터링 특성은 제조후 변화될 수 없다. 또한, 이들 간섭필터는 광 필터링 처리에 대한 제어가 필요할 때 사용될 수 없다.

여러가지 굴절률을 가진 물질의 교대층의 두 세트를 포함하는 공지된 간섭 광학필터(M. Born, E. Volf, <<Basics of Optics>>; and Max Born, Emil Wolf, <<Principles of Optics>>, second edition, Pergamon Press, 1964)가 있다. 교대층의 각 쌍은 낮은 굴절률층과 높은 굴절률층을 가진다. 이러한 필터는 파브리-페 로(Fabry-Perot)의 표준이라 불린다. 파브리-페로 표준을 소망하는 영역의 파장에 맞추기 위해서는, 특정 스페이서(spacer)에 의해 분리된, 2세트의 층을 사용할 수 있고, 각 세트의 층의 높은 굴절률층은 서로의 앞에 위치한다. 이들 두 층 사이의 필요한 거리는 통상적으로 석영으로 이루어진 상술한 스페이서에 의해 높은 정밀도로 유지된다. 상술한 스페이서는 표준을 나타낸다. 2세트의 교대층 사이의 간극(gap)은 낮은 굴절률을 가진 물질로 채워져 있다. 파브리-페로 표준 및 조정가능한 필터를 만들기 위해, 서로에 대해 2세트의 교대층을 이동시키도록 운동 발생기(motion generator)가 포함될 필요가 있다. 파브리-페로 표준에 있어서 상기 2세트의 층 사이의 거리를 증가 또는 감소시킴으로써, 필터링되는 파장 대역을 제어할 수 있다. 이러한 조정가능한 필터는 특히 광섬유 전자공학에 널리 사용되고 있지만, 이들 필터는 명백한 문제점을 가진다. 상술한 바와 같이, 이들 필터의 적어도 일부는 2세트의 교대층 사이의 간극을 변화시키기 위해 운동 발생기를 사용한다. 운동 발생기 및 이동기구의 운동에 대한 정밀 제어를 제공하는 것은 도전적인 기계적 과제이다. 게다가, 이들 운동 발생기는 통상 큰 시정수를 가진다. 또한, 운동 발생기는 통상적으로 시스템내의 다른 전기 및/또는 광학 부품에 비해 크다는 것이 주지되어 있다.

미국특허 제4,358,851호에는 섬유-간섭 필터(fiber-interferential filter)의 조합을 포함하는 공지된 광섬유 소자가 개시되어 있다. 이러한 소자는 광학통신장치에서 어떤 파장 신호의 선택 또는 광학 방사원으로부터 나오는 어떤 파장 범위의 선택을 위해 사용된다. 상기 광원이 반도체 레이저일 경우, 상기 소자는 선택된 파장 또는 선택된 파장범위에서 개별적인 세로방향 모드를 제어하기 위해 사용될 수도 있다. 공지된 광섬유 소자는 광학통신장치에 사용될 것이다. 간섭필터는 선택 파장의 신호를 투과 또는 반사할 수 있고 좁은 동작 대역폭을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 공지된 소자는, 광섬유의 단부상에 제조된 다층 광학구조를 포함한다. 상기 소자에 포함된 간섭필터는 광원으로부터 광섬유로 선택 파장의 신호를 투과시키는데 사용할 수도 있으며, 그외 파장의 모두를 광원으로 다시 반사할 수도 있다. 상기 필터는 입사하는 모든 파장의 광학신호를 반사하도록 설계될 수도 있다. 선택신호가 광원으로 다시 반사되고, 모든 그외의 파장의 신호가 광학통신장치로 전달될 경우, 상기 필터는 선택 파장의 광학신호에 대한 부분적인 반사필터(리젝팅 필터;rejecting filter)로서 동작할 수도 있다. 상기 공지된 광학소자는 GaAs/GaAlAs 주입 레이저 등의 반도체 레이저의 광학방사를 반사 또는 투과시킬 예정이다. 간섭필터의 동작 대역폭은 레이저의 작동 파장의 한계내에 있으므로, 필터는 레이저의 광학방사 범위내의 적어도 하나의 선택된 파장의 광학 신호를 투과한다. 이 경우, 나머지 파장의 반사된 신호가 레이저로 광학 피드백을 제공한다. 상기 공지된 광학필터는 반도체 레이저로부터의 소망하는 파장의 광학 신호의 투과뿐만 아니라 좁은 대역폭에서의 레이저 방사의 투과에도 사용될 수 있다. 상기 공지된 광학필터는 여러가지 광섬유 시스템에 입사하는 출력신호인, 간섭성 또는 비간섭성 방사원을 포함하는 광학소자에 사용될 수도 있다. 이들 각 섬유의 쪼개진 단부(cleaved end)상에, 일정한 파장의 광 신호를 투과할 예정인 간섭 광학필터가 있다. 따라서, 각 섬유는 그 자신의 파장에 대한 광원으로부터 신호를 가이드한다. 이러한 소자는 다주 파 신호원(multifrequency signal source)으로부터 각종 컬러의 광학신호를 추출할 수 있도록 한다. 이 광학소자의 문제점은 그 광학특성을 제어하는 것이 불가능하다는 점이다.

미국특허 제5,434,943호에는 공지된 제어가능한 광학필터가 개시되어 있다. 이 조정가능한 광학필터는 제1 접촉층과 제2 접촉층 사이의 기판상에 위치하는 도파관 층(wave guiding layer)을 포함한다. 광학필터의 조정은, 교대로 이동전하 캐리어를 도파관 층으로 주입하여, 전류가 흐르게 함으로써 수행된다. 주입된 전하 캐리어는 도파관 물질의 굴절률을 변화시킨다. 이러한 조정 가능한 광학필터는 튜닝을 위해 운동 발생기를 사용하지 않기 때문에, 재변경가능한 파브리-페로 표준에 비해 유리하지만, 역시 몇가지 결점을 가진다. 상기 조정 가능한 광학필터는 전하 캐리어의 도파관 영역으로의 주입을 자극하기 위해 비교적 고전류밀도를 요구한다. 이러한 고전류밀도의 요구는 제조될 수 있는 필터의 크기 및 형상을 제한한다. 필터의 크기가 커질수록, 동작에 필요한 전류가 높아진다.

광학 이방성층을 포함하는 다층 구조에 기초한 광학필터(N.P. Gvozdeva et.al., Physical Optics. M.:Maschinostroenie, 1991 참조)가 공지되어 있다. 이러한 필터는 그 동작이 편광 광선의 간섭에 기초하는 간섭성 편광(IFP; interferentially-polarizing) 광 필터이다. 이러한 필터의 구별되는 특징은 어떠한 배경 잡음(background noise)도 없는 매우 좁은 스펙트럼 대역(10^-2nm 까지)의 선택 가능성이다. IFP광 필터의 개별적인 층을 제조할 때, 결정 석영 또는 빙주석 과 같은 각종 결정의 얇은 판을 사용하는 경우가 많다. 이러한 필터의 문제점은 그 제조 및 튜닝의 어려움이다.

미국특허 제5,037,180호에는 광섬유의 쪼개진 단부상에 제조된 공지된 광학필터가 개시되어 있다. 이러한 필터는 저굴절률 물질층과 고굴절률 물질층이 교대하는 다층 박막 구조로 이루어진다. 이러한 광섬유 필터는 장파장, 파브리-페로 표준 및 기타에 속한다. 섬유 축에 수직인 단일모드 섬유의 쪼개진 단부상에 위치하는 필터는, 입사전력의 보다 큰 부분을 광학신호원으로 다시 반사시킨다. 반사된 전력은 다시 레이저 또는 광학 증폭기의 출구로 진행하여 광학소자의 자발적인 여기(excitation)에 이르게 된다. 그리하여, 이 광학필터의 변형 중 하나는 섬유의 경사진 버트엔드(butt-end) 표면 상에 생성된 다층 박막 광학 구조이다. 이 경우, 반사된 전력은 광학 방사원으로 다시 진행하지 않고, 광섬유로부터 멀어진다. 이러한 광학필터의 문제점은 광학 신호를 투과, 거부 또는 반사하는 파장 대역과 같은 그 특성을 조정하는 것이 불가능하다는 점이다.

미국특허 제3,610,729호에는 그 동작이 다층 광학구조에 있어서 광의 간섭에 기초하는 공지된 다층 편광자가 개시되어 있다. 공지된 편광자는 그 출구에서 투과광이 편광을 나타내고, 이러한 편광자로부터 반사된 광도 편광을 나타내는 편광자의 부류에 속한다. 게다가, 투과광의 편광 및 반사광의 편광은 상호 직교한다. 반사형 편광자의 대다수는 제조하기가 매우 어렵고, 가시광을 편광하기 위해 사용하기에는 부피가 크고 비용이 비싸며 귀하다. 입사광의 상당 부분(greater portion)을 효율적으로 선형으로 편광하고 투과할 수 있지만 직교 편광을 반사할 수 있는 편광자가 매우 필요하다. 이러한 특성을 얻기 위해, 공지된 편광자는 다층 광학구조를 나타낸다. 층들은 복굴절 및 등방성 물질로부터 순차적으로 제조될 수 있으며, 복굴절 물질 중 2개의 굴절률 중 하나는 인접층의 등방성 물질의 굴절률과 대략 동일하다. 공지된 편광자의 다른 변형에는, 층들이 2개의 상이한 복굴절 물질로부터 순차적으로 제조될 수도 있다. 이 경우, 물질들 중 하나의 2개의 굴절률 중 낮은 것은 다른 하나의 물질의 높은 굴절률과 대략 동일하다.

일정 파장대역내의 광이 편광자로 입사할 때, 편광자에 의해 2개의 광선으로 나눠진다. 제1 광선은 편광자의 교대층을 통과하여 선형으로 편광된다. 다른 하나의 광선은 편광자로부터 반사되어 역시 선형으로 편광되고, 그 편광은 제1(투과된) 광선의 편광과 직교한다. 상술한 층은 입사광의 사분의 일 파장과 동일한 두께를 가진다. 이 경우, 편광된 광선의 반사율 및 투과율은 입사광의 50%에 근접하는 최대값으로 추정된다.

그러므로, 이 공지된 소자 - 다층 편광자 - 는 하나의 편광에 대해 반사필터를 및 다른 하나의 편광에 대해 투과필터를 동시에 나타낸다.

얇은 층의 가능한 제조방법 중 하나는 거의 분자 레벨에서 층 두께에 대한 정밀한 제어를 수행하도록 하는 진공증착이다. 다층 편광자를 제조하는 다른 방법은 압출(extrusion) 및 신장(stretching)을 조합하여 수행하는 것이다. 이는 복굴절 폴리머막에 대한 배향 효과를 가진다. 편광자의 요구되는 특성을 달성하기 위해 필요한 다수의 교대층은 이용된 물질의 굴절률 값에 상당히 의존한다. 편광자의 특성 향상은 편광자 구조에 있어서의 다수의 교대층을 사용함으로써 가능해진다. 일 반적으로, 교대층의 개수가 많을 수록 좋다. 그러나, 진공증착 공정은 매우 복잡하고 오랜시간이 소요되기 때문에, 편광자로 통합될 수 있는 층의 개수를 제한한다. 각각의 층이 통상적으로 증착 결과로서 높은 에너지상태에 있기 때문에 다층 구조의 진공 증착 공정은 기계적으로 불안정하며, 따라서 부가적으로 광을 산란시킨다. 조합된 압출 공정은 이들 문제점을 극복한다. 이러한 공정은 다수의 매우 얇은 교대층을 가진 편광자를 제조할 수 있도록 한다. 게다가, 이러한 공정은 단일의 연속공정에 있어서 2개 이상의 물질 이외의 층을 제조하도록 하며, 여기서 구조적 불안정, 기계적 응력 및 광 산란은 중요하지 않다. 공지된 편광자에는 복굴절 물질로서 여러가지 물질을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 물질은 테레프탈산 9와 이소프탈산 1의 비율로 한 혼합물로 이루어질 수도 있다. 이 물질은 2개의 굴절률 1.436 및 1.706을 가지는 것을 발견하였다. 또한, 스티로폼, 플렉시글라스(plexiglas), 폴리술폰 및 테레프탈레이트 폴리에틸렌과 같은 복굴절 폴리머물질을 사용할 수도 있다. 그외 물질은 복굴절층을 생성하는데 사용될 수도 있고 2개의 굴절률 사이에 가능한 가장 큰 차이를 가지도록 최적화될 수 있다. 편광자에 있어서 층의 개수는 굴절률 간에 큰 차이를 가진 복굴절 물질을 사용함으로써 상당히 감소시킬 수 있다. 등방성층은, 그 굴절률이 등방성층의 양쪽상의 층에 사용되는 복굴절 물질의 굴절률 중 하나와 대략 동일한 상태인 다수의 여러가지 물질에 의해 제조될 수도 있다. 이러한 목적에 유용한 물질은 셀룰로오스의 아세토부틸레이트, 마그네슘 불화물 및 불화 중합체를 포함한다. 등방성 층은 그 두께가 정밀하게 제어될 수 있도록 진공증착을 이용하여 제조될 수도 있다. 등방성 층은 복굴절층의 압출과 동시 제조를 이용하여 제조될 수도 있다.

이러한 간섭 광학소자의 문제점은 투과 또는 반사 대역과 같은 그 광학특성을 조정하는 것이 불가능하다는 점이다.

WO 00/45202호에는 서로의 상단에 제조되고 2개의 상이한 유전물질로 이루어지는 교대 유전체층의 2세트를 포함하는 공지된 조정 가능한 간섭 광학필터가 개시되어 있다. 제1 및 제2 유전물질은 상이한 굴절률을 가진다. 공지된 광학필터는 또한 제1 세트의 교대층과 제2 세트의 교대층 사이에 위치하는 중간층을 포함한다. 중간층의 물질은 인가된 전계값에 따라 변하는 굴절률을 가지는 것이 중요하다. 또한, 제1 세트의 교대층은 광학 투명물질로 이루어진 기판 상에 배치된다. 이러한 조정 가능한 간섭 광학필터는 상기 열거된 광학필터에 대한 많은 상술한 고유의 문제점을 가지지 않는다. 특히, 상술한 바와 같이, 이 광학필터는 인가된 전계값에 따라 가변적인 굴절률을 가지는 물질의 중간층을 포함한다. 전계를 변화시킴으로써, 이러한 광학필터의 동작은 소망하는 파장범위에서의 입사광의 투과 또는 반사를 제공하기 위해 제어될 수 있다. 중간층의 굴절률은 전계에 의해 제어될 수도 있기 때문에, 필터의 광학특성은 교대층의 두께를 변화시키지 않거나 또는 필터의 각부분의 기계적 변형없이 조정가능하다. 따라서, 광학필터의 특성은 보다 용이하게 변화될 수 있지만, 시스템의 시정수는 상당히 감소된다. 게다가, 중간층에 걸쳐 인가된 전계의 변화로 인해 굴절률이 변화될 수 있기 때문에, 이러한 광학필터는 다양한 형상으로 제조될 수도 있고, 대형 또는 소형으로 제조될 수도 있다.

이러한 공지된 간섭 광학필터의 문제점 중 하나는 다수의 교대층을 사용할 필요가 있다는 것이다. 따라서, 큰 반사율값을 얻기 위해서는, 100∼600층 정도가 증착되어야만 하고, 이러한 증착은 도전적인 기계적 문제점을 가지며 특별한 정밀장비를 필요로 한다.

본 발명은 조정가능한 간섭 광학필터의 파라미터에 대한 제어 및 제조의 기술적 어려움, 다수의 교대하는 유전체층을 사용할 필요성이 있음, 조정가능한 간섭 광학필터의 온도에 대한 고감도; 및 간섭 광학필터를 제어하는데 필요한 높은 에너지 소비 등의, 종래의 광학필터의 문제점을 극복하는 조정 가능한 간섭 광학필터를 제공한다.

본 발명의 조정 가능한 간섭 광학필터는 상당히 적은 개수의 교대층 및 상당히 낮은 동작전압을 사용하고; 편광된 광학 파 뿐만 아니라 편광되지 않은 광학 파도 필터링하며; 전압에 의해 제어 가능하며; 상승온도(elevated temperature)에서 동작할 수 있으며; 제조시에 효과적으로 비용이 든다. 전자광학 이방성 결정 박막의 두께는 적용하는 동안 "습윤층(wet layer)"의 두께 및 액정에 있어서의 고체상의 함유량을 통해 제어할 수 있다. 전자광학 물질층을 통해 전류를 흘리지 않고 전자광학 효과를 얻을 수 있다. 간섭 광학필터는 광섬유 통신장치용 광학필터에 기초하여 소형으로 만들어질 수 있고; 외부 전계를 인가함으로써 제어 가능한 간섭 광학필터의 흡수, 반사 또는 투과 대역을 제어할 수 있다.

본 발명의 간섭 광학필터는 실수 및/또는 허수의 굴절률을 각각 가지는 다층을 포함한다. 상기 실수 및 허수의 굴절률 값은 외부 전계 강도에 의존한다. 각 층의 물질의 굴절률과 두께 및 그 조합은 입사광의 적어도 하나의 편광에 대해, 스펙트럼의 적어도 하나의 영역에서 간섭성 극(極)값을 제공하도록 선택된다. 적어도 한 층은, 이방성이고 적어도 하나의 방향족 유기물질로 형성되는 전자광학 물질로 이루어진다. 상기 방향족 유기물질의 분자 또는 분자 조각은 평평한(flat) 구조를 가진다. 상기 전자광학 물질층의 적어도 일부는 광학축의 하나를 따라 3.4±0.3Å의 분자간 간격을 가진 결정구조를 가진다.

도 1은 블루(blue) 염료에 기초하여 제조된 결정 박막에 있어서 X선 방사의 전형적인 회절을 나타낸 도면;

도 2는 결정 박막의 적층된 결정구조를 개략적으로 나타낸 도면;

도 3은 하나의 도전성 투명물질층을 포함하는 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 4는 두개의 도전성 불투명물질층을 포함하는 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 5는 다층 광학구조의 측면에 형성된 도전성층을 포함하는 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 6은 2개의 교대하는 다층 광학구조와, 중간층의 표면상에 형성된 도전성물질층을 포함하는 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 7은 2개의 교대하는 다층 광학구조와, 기판상에 형성된 도전성 물질층을 포함하는 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 8은 다층 광학구조의 교대층과 2개의 도전성층을 포함하는 간섭 광학필터의 층이 그 내부에 있는, 코어(core) 및 클래딩(cladding)을 포함하는 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 9는 경사진 교대층을 가진 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 10 내지 도 15는 낮은 굴절률을 가진 층과 높은 굴절률을 가진 층의 교대층의 2개의 다층 광학구조와 2개의 도전성층이 그 내부에 있는, 코어 및 클래딩을 포함하는 제어 가능한 간섭 광학필터의 다른 설계를 개략적으로 나타낸 도면;

도 16은 다층 광학구조의 교대층과 2개의 도전성층을 포함하는 간섭 광학필터의 층이 그 내부에 있는, 코어 및 클래딩을 포함하는 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 17은 광섬유의 경사진 버트 엔드(butt-end)를 가진 간섭 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 18은 2개의 원통형의 다층 광학구조의 층과 2개의 원통형의 투명한 도전물질층이 그 클래딩상에 있는 간섭 광학필터의 단면도로서, 2개의 다층구조 사이에 저굴절률을 가진 중간층이 있으며, 다층구조의 저-고 굴절률층은 소정 서열을 가지는 도면;

도 19는 D형상의 광섬유를 포함하는 간섭 광학필터의 단면도로서, 클래딩의 평평한 표면상에는 2개의 다층 광학구조의 층과 2개의 원통형의 투명한 도전물질층이 있으며, 2개의 다층구조 사이에 저굴절률을 가진 중간층이 있으며, 다층구조의 저-고 굴절률층은 소정 서열을 가지는 도면;

도 20은 코어와 클래딩을 가진 광섬유와 제어 가능한 간섭필터를 포함하는 광학소자를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 광섬유와 필터 사이에 마이크로렌즈가 있는 도면;

도 21은 코어와 클래딩을 가진 광섬유의 세그먼트와 상기 광섬유 세그먼트의 대향하는 버트 엔드상에 생성된 2개의 제어 가능한 간섭필터를 포함하는 광섬유 소자를 개략적으로 나타낸 도면;

도 22는 다파장 광원 밖으로 각종 컬러의 신호를 추출할 수 있도록 하고; 상기 광원은 간섭성 또는 비간섭성 광을 발생할 수도 있고, 제어 가능한 간섭필터가 각 섬유의 버트 엔드 상에 위치하는 소자를 개략적으로 나타낸 도면;

도 23은 섬유의 코어에 격자(grating)를 포함하는 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 24는 광섬유의 코어의 2개의 격자, 교대층의 활성 다층 시스템, 및 클래딩의 외측상의 전극을 포함하는 광학필터를 개략적으로 나타낸 도면;

도 25는 도 23 및 도 24에 도시된 소자의 조합을 나타내는 제어 가능한 전자광학 소자를 개략적으로 나타낸 도면;

도 26 및 도 27은 본 발명의 일실시형태에 따른 다층 시스템의 반사율의 스펙트럼 특성을 나타내는 도면;

도 28 및 도 29는 본 발명의 실시형태에 따른 다층 시스템의 투과율 및 반사율을 나타내는 도면;

도 30 및 도 31은 본 발명의 실시형태에 따른 다층 시스템의 스펙트럼 특성 을 나타낸 도면이다.

본 발명은, 분자 또는 분자 조각이 평평한 구조를 가지는 적어도 하나의 방향족 유기물질로 제조되고 이방성인 적어도 하나의 전자광학물질층을 포함하는 간섭 광학필터를 제공하고, 상술한 층의 적어도 일부는 광학축을 따라 3.4±0.3Å(브래그 피크; Bragg peak)의 분자간 간격을 가진 결정구조를 가지며, 그 이방성 굴절률 및/또는 흡수율 중 적어도 하나는 전계값에 따라 변화된다. 이러한 층의 물질은 광학 이방성 결정 박막이라고도 불릴 것이다.

일실시형태에 있어서, 간섭 광학필터는 2가 및 3가 금속 이온으로 취급되는 적어도 하나의 이방성 전자광학 물질층을 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 방향족 유기물질 분자는 헤테로고리를 함유한다. 간섭 광학필터는 적어도 하나의 이색성 염료(dichroic dye)에 기초하는 리오트로픽(lyotropic) 액정으로 이루어지는, 적어도 하나의 이방성 전자광학 물질층을 포함할 수 있다.

전자광학 이방성 결정 박막의 독특한 광학특성(작은 두께, 낮은 온도 감도, 굴절률의 높은 이방성, 흡수율의 이방성, 큰 이색성 비율 값 및 제조 간편성)은 물질의 특별한 성질 및 결정 박막의 제조방법, 특히 정렬 작용(aligning influence)을 이용한 기판상으로의 액정의 적용 및 그후 건조를 통해 리오트로픽 또는 서모트로픽(thermotropic) 액정상을 형성하는 적어도 하나의 유기물질의 액정상의 결정화에 의해 제조되는 결정 박막의 분자결정 구조를 만드는데 사용되는 제조방법에 기인한다. 유기물질로서는, 개시된 전자광학 이방성 결정 박막은 적어도 하나의 유기 물질을 사용하며, 그 일반식은 적어도 하나의 이온발생기(ionogenic group)를 함유하며, 극성용매 및/또는 적어도 하나의 비-이온발생기(non-ionogenic group)에 그 용해성을 제공하고, 물질을 얻는 과정에서 분자 구조내에 남아있거나 남아있지 않을 수 있는 비극성 용매 및/또는 적어도 하나의 반대이온(anti-ion)에 그 용해성을 제공한다.

전자광학 이방성 결정 박막은 하나 또는 여러가지 유기물질의 다수의 초분자 복합체(Jean-Marie Lehn, <<Supramolecular Chemistry Concepts and Perspectives>>, - Weinheim; New York; Basel; Cambridge; Tokyo: VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1995)에 의해 생성된다. 게다가, 초분자 복합체는 진행하는 광의 편광 및 그 전기전도성을 제공하도록 정렬된다.

전자광학 이방성 결정 박막을 제조하기 위한 물질의 최초 선택은 방향족 콘쥬게이션 사이클(conjugate cycle)에 있어서 π-콘쥬게이션 결합의 존재 및 이들 분자 평면내에 놓이고 방향계 결합의 일부를 나타내는 아민, 페놀, 케톤 등의 분자기의 존재로 인해 결정된다. 분자들은 그 자체 또는 그 조각이 평평한 구조를 가진다. 예컨대, 이들은 그 유도체 또는 그들의 혼합물이 리오트로픽 액정상을 형성하는, 인단트론(Vat Blue 4), 또는 디벤조이미다졸 1,4,5,8-페렐렌테트라카르복실산(Vat Red 14), 또는 디벤조이미다졸 4,9,10-페렐렌테트라카르복실산, 또는 퀴나크리돈(Pigment Violet 19) 등의 유기물질이 있을 수 있다.

유기화합물이 적절한 용매에 용해될 때, 콜로이드계를 형성하고(리오트로픽 액정(LLC)), 여기서 분자들이 계의 운동유닛을 나타내는 초분자 복합체로 결합된다 (특허출원 RU2000104475 25.02.00). 액정상은, 초분자의 정렬 및 그후 용매의 제거 과정에서, 고체 전자광학 이방성 결정 박막(또는 전자광학 이방성 결정막)을 보이는 시스템의 미리 순서가 정해진 상태(preordered state)를 나타낸다.

초분자를 가진 콜로이드계로부터 전자광학 이방성 결정 박막을 얻는 방법은 다음의 단계를 포함한다.

- 상술한 콜로이드계를 기판(또는 도기(ware), 또는 다층구조에 있어서의 층의 하나)상으로 적용하는 단계; 여기서, 상기 콜로이드계는 콜로이드계가 일정 온도로 존재하며 일정 농도의 분산상을 가져야 하는 딕소트로픽(thixotropic)(Robert J. Hunter <<Foundations of Colloid Science v.1, Clarendon Press. Oxford, 1995, p.88)일 수도 있다.

- 시스템의 점도를 감소시키는 어떤 종류의 외부 충격(이것은 가열, 전단변형 등일 수 있다)에 의해 콜로이드계를 상승 유동성 상태로 적용하는 단계; 여기서, 외부 충격은 전체 다음 정렬과정 동안 지속될 수도 있으며 정렬시간 동안 보다 높은 점도상태로 시스템의 완화(relaxation)를 방지하기 위해 필요한 기간동안 계속될 수 있다;

- 기계적 방법 뿐만 아니라 그외 다른 방법, 예컨대 외부 전계(예컨대, 동시 조명이 없거나 있는 상온 또는 고온에서 폴링(poling)), 또는 자계, 또는 (예컨대, 간섭성 광기전 효과로 인한) 광학 방사계에 의해 수행될 수도 있는 시스템에 대한 충격을 외부적으로 조정하는 단계; 상술한 충격의 정도는 출현하는 전자광학 이방성 결정 박막의 미래의 결정 격자의 토대를 나타낼 수 있는 구조를 형성하고 필요 한 정렬을 얻기 위한 콜로이드계의 운동유닛을 위해 충분해야만 한다.

- 시스템에 대한 초기의 외부 충격을 통해 달성되는 낮은 점도를 가진 상태로부터 출현하는 층의 배향된 영역을, 시스템의 원래의 또는 더욱 높은 점도를 가진 상태로 변환하는 단계; 이는 출현하는 전자광학 이방성 결정 박막의 구조의 배향상실(disorientation)을 피하고 그 표면상의 결함의 형성을 방지하도록 수행된다; 그리고

- 전자광학 이방성 결정 박막의 결정구조가 생성되는 과정에서, 용매를 제거하기 위해 건조하는 단계.

얻어진 전자광학 결정 박막에서, 분자 평면은 서로 평행하며 분자들은 적어도 결정 박막의 일부에 3차원 결정을 형성한다. 제조순서를 최적화함으로써, 단결정 전자광학 이방성 결정 박막을 얻을 수 있다. 이 결정 박막에서의 광학축은 분자 평면에 수직이다. 이러한 결정 박막은 높은 이방성 정도를 가지며, 적어도 일방향에 대해, 높은 굴절률 및/또는 흡수율을 나타낸다.

전자광학 이방성 결정 박막의 광학 이방성은 복소 굴절률의 허수부와 실수부의 타원체로 기술되며, 흡수율 및 굴절률의 각도 의존성(복소 이방성 굴절률의 허수부 및 실수부)에 의해 특징지워진다. 본 발명에 따른 광학 이방성 결정 박막의 복소 굴절률의 허수부(K_i)와 실수부(n_i) 성분에 대해, 다음의 관계가 동시에 진실이다.

K₁ ≥ K₂ ≥ K₃,

(n₁+n₂)/2 > n₃,

여기서, K₁, K₂, K₃ 및 n₁, n₂, n₃은 결정 박막 물질의 이방성 복소 굴절률의 허수부 및 실수부에 상응하는 타원체 축의 주요값이다.

이방성 복소 굴절률의 실수부와 허수부 성분뿐만 아니라 타원체 축의 방향은, 존재하는 타원편광법 또는 분광광도측정법을 통해 실험적으로 결정될 수도 있다.

흡수율(K₁, K₂, K₃)과 굴절률(n₁, n₂, n₃)의 필요한 이방성뿐만 아니라, 주요축의 배향, 즉, 다층구조에 있어서 전자광학 이방성 결정 박막의 광학성능을 제공하는 것은, 기판 표면상의 편광막에서 분자의 일정 각도 분포를 가지게 함으로써 가능하다.

중간 광학성능을 가진 결정 박막을 얻기 위해 (용액내에 결합된 초분자가 형성될 경우에) 콜로이드계를 혼합할 수도 있다. 콜로이드계의 혼합물로부터 얻어지는 전자광학 이방성 결정 박막의 흡수 및 굴절은 원래의 성분에 의해 결정되는 한계내에서 여러가지 값을 가정할 수 있다. 결합된 초분자를 얻기 위해 각종 콜로이드계를 혼합하는 것은 각종 유기화합물(3.4±0.3Å)의 분자의 치수들(분자간 거리) 중 하나가 일치하기 때문에 가능하다.

전자광학 이방성 결정 박막의 두께에 대한 제어는 적용되는 용액내의 고형물 함유량을 통해 수행된다. 이들 전자광학 이방성 결정 박막의 제조시의 변경가능한 공정은 제조하는 동안 편리하게 제어되는 용액 농도이다.

결정 박막의 결정화도는 결정학 및/또는 광학방법을 통해 제어할 수 있다.

이러한 이방성 결정 박막의 제조방법은 기판 물질로서 반도체, 유전체, 결정체, 다결정체, 유리, 폴리머 및 기타 물질 등의 각종 물질을 사용할 수 있도록 한다. 또한, 상술한 방법은 복합 형상(평평한 형상, 원통형, 원뿔꼴, 구형 등)을 포함하여, 각종 표면상에 전자광학 결정 박막을 제조할 수 있도록 하며, 이는 특히 광학 도파관의 측부 및 버트엔드 상에, 이러한 도파관의 평평한 연마된 측판 상에, 그리고 광자(photon)-결정 섬유 도파관(즉, 코어 및/또는 반사 클래딩에서의 길이방향 공기채널의 시스템을 포함하는, 광 가이드)의 외부 및 내부 표면 상에도, 제어가능한 간섭 광학필터의 가장 어려운 구성으로 이들 결정 박막을 사용할 수 있도록 한다.

결정 박막으로 코팅된 표면은 표면의 수매(水媒)를 제공하기 위해 표면의 일정한 습윤성을 제공하는 부가적인 공정이 있을 수 있다. 이는 기계적 공정, 어닐링, 기계화학적 공정일 수도 있다. 종래의 기판 표면상의 결정 박막의 적용에서, 이방성 구조의 정렬은 결정 박막에 있어서의 분자의 높은 질서정연 정도를 조장하는 기판 표면의 기계적 공정에 의해 형성될 수도 있다.

정전기 강도가 샘플에 인가되는 전압(U)과 그 두께(D)에 의해 다음의 식: E=U/D을 통해 결정되기 때문에, 이방성 결정 박막이 작은 두께(대략 100∼800nm)를 가진다는 사실로 인해 상당히 낮은 동작전압을 사용할 수 있다.

편광된 광학파 및 편광되지 않은 광학파를 필터링하기 위해 활성 소자를 생성하는 가능성(여기서 편광된 광학파가 제어된다)은, 사용되는 두께 0.3㎛를 가진 결정 박막이, 전통적인 물질의 경우, 두께 200㎛으로 달성되는 최대 지연값 (n₀-n_e)d=0.24를 가지도록, 물질이 높은 복굴절 정도를 가진 전기 및 광학 이방성 특징을 이룬다는 사실로 인해 달성된다(Lazarev, P. and Paukshto, M., "Thin Crystal Film Retarders"(2000), Proc. of the 7^th International Display Workshops, Materials and Components, Kobe, Japan, November 29 - December 1, 1159-1160). 결정 박막의 굴절률은 석영 유리의 굴절률과 상당히 다르며, 인가되는 외부 전계 강도에 의존한다. 게다가, 고려중인 물질은 감광성이며, 즉 그 광학특성이 레이저 방사의 작용에 따라 변화한다. 또한, 그 굴절률이 광학방사 강도에 의존하기 때문에, 이 물질은 비선형 광학성질에 의해 여기(勵起)된다.

개시된 제어 가능한 광학소자의 온도 변화에 대한 낮은 감도는, 이용되는 결정막이 전통적인 물질에 비해 높은 열 안정성을 가진다는 사실로 인해 달성된다: 공기 중이나 아르곤 속에서 4시간 동안 180℃까지의 온도에서 처리될 수 있지만, 편광 효율은 0.8%이하로 떨어진다.

결정 박막 물질이 어떠한 프로파일 표면상에도 용이하게 적용된다는 사실로 인해 높은 제조성이 달성되며, 제조가 용이하며 경제적으로 된다.

결정 박막의 높은 제조성 뿐만 아니라 그 파라미터 제어의 간편성은 광섬유 통신 시스템용 제어 가능한 간섭 광학 필터에 기대되는 전자광학 이방성 결정 박막을 이용하도록 한다. 그리하여, 광섬유의 측면 및/또는 버트엔드 표면을 포함하는 복잡한 프로파일의 표면상에 이러한 소형의 결정박막을 적용하는 것이 용이하게 때 문에, 결정 박막은 소규모의 광섬유 필터를 생성할 수 있도록 한다. 광섬유는 매우 작은 치수를 가진다. 따라서, 단일모드 섬유의 코어는 5∼10㎛의 직경을 가지며, 반사 클래딩의 직경은 125㎛이다.

광섬유는 제조되는 물질에 따라 상이하며, 특히 석영유리, 칼코겐화물 및 불화물 유리, 탈륨 할로겐화물 및 그외 무기 또는 유기 결정 및 비결정 광학물질, 특히 폴리머, 또는 이러한 물질의 조합에 기초한 광섬유가 있다.

유리 코어 및 유리 클래딩을 가지는 유리 섬유, 유리 코어 및 플라스틱 클래딩을 가지는 섬유, 및 플라스틱 코어 및 플라스틱 클래딩을 가지는 플라스틱 섬유의 3가지 기본적인 형태의 광섬유가 있다.

섬유 광 가이드에 있어서, 코어 및/또는 하나 또는 여러가지의 클래딩은 석영유리, 불화물 유리, 칼코겐화물 유리, 폴리머, 할로겐화물에 기초한 다결정 광 가이드 등의 임의의 물질에 기초한다.

모든 열거된 물질은 수십 내지 수백 미크론의 특유의 크기를 가진 소형의 전자광학 이방성 결정 박막으로 코팅될 수 있다. 게다가, 열거된 물질의, 그 표면이 결정 박막으로 코팅될 수 있는 물질의 리스트는 이들 상술한 물질에 의해 한정되지 않는다.

제어 가능한 간섭 광학 필터의 제조는 복잡한 기하학적인 표면 상에 전자광학 물질을 제조하는 필요성에 관련된다.

상술한 결정 박막의 제조방법은 평탄면 뿐만 아니라 두번째 및 그 이상의 순서의 복합 표면(예컨대, 원통형, 구형, 원뿔꼴 등) 상에 배치될 수 있도록 한다. 그리하여, 이 방법은 광섬유의 클래딩의 원통형 표면 상에, 그 쪼개진 버트엔드의 평탄면 상에, D자 형상 섬유의 클래딩의 평탄한 연마된 표면 상에 결정 박막을 생성할 수 있도록 한다(평탄면에 가까운 코어를 가진 문자 "D" 형상의 단면을 가진 광 가이드 또는 평탄한 연마된 표면을 가지며 그 일부가 섬유의 코어에 가까이 위치하는 광 가이드).

본 방법은 적어도 하나의 장거리의 격자가 잇는 코어 내에, 광섬유의 클래딩 표면 상에 결정 박막을 생성할 수 있도록 한다. 상기 격자는 (예컨대, 광섬유의 방사 또는 도핑을 가진) 임의의 방법에 의해 제조될 수 있으며, 예컨대 클래딩 상에 생성된 간섭 광학 필터에 의해 광학 신호의 상호작용을 보다 강하게 한다.

제어 가능한 간섭 광학 필터에 있어서 이방성 결정 박막의 적용은, 이 물질의 이방성 굴절률 및 흡수율이 인가된 전계강도에 의존하며, 막 두께가 인가된 전계(전기 변형; electrostriction)에 의존하며, 굴절률이 광학 방사의 전계에 의존한다는 사실에 기초한다. 막은 광학 도파관의 도파관 층으로부터 전자광학 막 모양의 코팅으로 투과하는, 도파관 모드의 일부와 상호작용하는, 섬유 모양의 또는 평평한 광학 도파관의 외부 코팅을 나타낸다.

도 1은 블루 염료에 기초하여 제조된 결정 박막에 있어서의 X선 방사의 전형적인 회절을 나타낸 도면이다. 이러한 결정막(3.36Å)의 론트게노그램(rontgenogram)에 있어서 가장 큰 강도 피크의 좌표는 리오트로픽 액정 물질과 동일하다. 리오트로픽 액정 물질의 구조를 고려하여, 염료의 평평한 순환 분자에 의해 봉형상 집합체(스틱)가 형성되며, 방향족 분자의 이러한 π-π 콘쥬게이션은 결 정 박막의 형성 동안 유지된다고 가정한다. 결정 박막은 도 2에 도시된 적층된 결정구조를 가진 다결정 물질을 나타내며, 층간 거리는 분자의 "두께"(3.36Å)와 대략 동일하다고 판단된다. 염료 분자는 다음 층 마다 이전 것에 비해 어떤 배향을 가지도록 층의 내부에 분포되어 있다. 또한, 기계적 충격이 결정 블록의 마이크로 구조를 흐트러지게 한다는 것을 발견하였다. 결정 박막은 어떤 지배적인 결정배향을 가지며, 미(微)결정의 최대 분기는 10°∼25°이내이다. 조직 및 광학 데이터의 분석에 의해 결정되는 순서 파라미터(order parameter)는 대략 0.9이다.

일실시형태에 있어서, 간섭 광학 필터는 2가 및 3가 금속 이온으로 취급되는 적어도 한층의 이방성 전자광학 물질을 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 방향족 유기 물질의 분자는 헤테로고리를 함유한다. 간섭 광학 필터는 적어도 하나의 이색성 염료에 기초한 리오트로픽 액정으로 이루어지는 적어도 하나의 이방성 전자광학 물질층을 포함할 수 있다.

도 3은 낮은 굴절률 n_L3 및 높은 굴절률 n_H4를 가진 교대층을 포함하는 다층 광학구조를 교대로 보이는 간섭 필터의 다른 층으로 피복된 도전성 투명물질층(2)으로 코팅된 기판(1)을 포함하는 간섭 광학 필터를 나타낸다. 상기 다층 구조 위에는, 제2 투명한 도전성 물질층(2)이 있다. 교대층의 두께는 L=m*λ/(4*n)인 조건으로 선택되며, 여기서 m은 홀수를 나타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 대응하는 굴절률(n_L, n_H)을 나타낸다. 문헌(Max Born, Emil Wolf, <<Principles of Optics>>, second edition, Pergamon Press, 1964 참조)에 나타내져 있는 바와 같이, 이러한 다층 구조의 반사율은 n_H/n_L 비 및 낮은 굴절률과 높은 굴절률을 가진 층 세트의 개수에 따라 증가한다. 도 3에 도시된 필터는 다음의 방식으로 동작한다. 다층 광학 구조에 전계가 형성된 결과로서, 도전층(2)에 제어 전압(V)이 인가된다. 인가된 전계는 구조내의 교대층의 굴절률을 변화시키는 효과를 가진다. 이러한 변화의 결과로서, 이 광학필터가 최대 반사율을 보이는 필터의 동작 파장이 변화한다. 기판은 광학적으로 투명한 물질 또는 투명하지 않은 물질로 이루어질 수 있으며; 이는 금속, 반도체, 유전체, 특히 유리, 석영, 플라스틱일 수 있다. 투명한 도전성 전극은 이산화주석(SnO₂) 또는 산화인듐(In₂O₃)으로 이루어질 수도 있다. 400-500℃의 전기로(muffle furnace)에서 SnCl₄의 열분해 또는 SnCl₂의 수화물(水化物)에 의해 300 Ohm/㎠ 이하의 저항을 가진 SnO₂ 층이 얻어진다. 이 방법은 (이방성 결정 박막의 증착 이전의) 기판 상에 전극을 생성하는데 사용될 수도 있다. 이 방법은 가장 중요한 척도인 광학 투명성 또는 전기저항에 의존하는 각종 두께의 층을 얻기 위해 사용될 수도 있다. 혼합물로서 에탄올에 매우 희석된 BF-2 또는 BF-4 등의 아교를 사용하여 SnO₂에 얇은 와이어를 납땜할 수도 있다. 10^-5Torr 진공에서 인듐의 캐소드 증착을 통해 산화인듐 층을 얻을 수 있다. 이 방법은 더욱 제조성이 우수하며, 코팅 성질(기계적 강도, 광학 투과, 전기 저항)이 대략 SnO₂와 동일하다. 유기 유리 또는 반도체에 도전성 투명 코팅이 증착되면, Cu₂S 층을 사용할 수도 있 다. 마지막으로, 일정한 전압 및/또는 교류전압을 제공하는 전원에 전극이 접속된다.

도 4는 낮은 굴절률 n_L3 및 높은 굴절률 n_H4를 가진 교대층을 포함하는 다층 광학구조를 보이는, 간섭 필터의 다른 층이 그 위에 있는 도전성 불투명 물질층(5)으로 코팅된 기판(1)을 포함하는 간섭 광학 필터를 나타낸다. 상기 다층 구조의 상단에는 제2 도전성 불투명한 물질층(5)이 있다. 교대층의 두께는 도 3과 관련하여 상술한 바와 같은 동일한 조건으로 선택된다. 도전성 불투명한 물질층(5)은 예컨대 알루미늄 등의 금속의 진공증착을 통해 다층 광학구조의 표면에 증착될 수도 있다. 금 및 티타늄 등의 도전성 불투명한 층을 생성하기 위해 다른 금속을 사용할 수 있다. 도전성 불투명 층은 그 구조에 광신호의 투과를 허용하도록 개구 특성을 가질 수도 있다. 이들 개구는 예컨대, 진공증착 동안 마스크를 사용하거나 다른 방법을 이용하여 생성할 수도 있다. 필터의 동작 원리는 도 3에 도시된 경우와 유사하다.

도 5는 다층 광학 구조의 측면상에 도전성층이 형성된다는 점에서 도 3 및 도 4에 도시된 것과 구별되는 간섭 광학 필터를 나타낸다.

도 6은 낮은 굴절률 n_L3 및 높은 굴절률 n_H4을 가진 제1 다층 광학구조의 교대층으로 피복되어 있는 기판(1)을 포함하는 간섭 광학 필터를 나타낸다. 상기 제1 다층 구조 위에는, 상단에 낮은 굴절률 물질층(7)이 있는 도전성 광학 투명 물질층(2)이 있다. 후자는 제2 도전성 투명 물질층(2)과 낮은 굴절률 및 높은 굴절률을 가진 물질의 교대층의 제2 다층 광학 구조로 코팅되어 있다. 교대층의 두께는 도 3 내지 도 5에 도시된 예에서 만족하는 동일한 관계를 만족한다. 층(7)의 두께는 L=m*λ/(2*n)인 조건으로 선택되며, 여기서 m은 짝수를 나타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 층(7)의 굴절률을 나타낸다. 이러한 필터에 있어서의 층의 두께는 필터의 작동 파장에 대해 최대 투과율을 제공하기 위한 조건에서 선택된다. 따라서, 이러한 필터는 대역투과 필터를 나타낸다. 인가된 제어 전압은 층(7)에 그 굴절률의 변화를 주는 전계를 생성한다. 이러한 굴절률 변화의 결과로서, 필터의 투과 대역이 이동된다. 반파(half-wave)의 개수가 많아질수록, 층(7) 두께, 교대층에 있어서의 n_H/n_L비 및 다층 구조에 있어서 교대층 세트의 개수에 적합할 수 있으며, 대역투과 필터의 컷오프가 보다 예민해진다.

도 7은 하나의 도전성 물질층이 중간층(7)의 표면 상이 아닌 기판의 표면 상에 생성된다는 점에서 도 6에 도시된 것과 구별되는 간섭 광학 필터를 나타낸다. 일반적으로, 도전성 물질층은 임의로 배치될 수 있다. 그들 사이에 생성된 전계가 필터내의 전자광학 물질층을 투과하며, 그 굴절률을 변화시키고 필터의 광학특성을 제어한다는 것은 필수적이다.

도 8은 낮은 굴절률층(3) 및 높은 굴절률층(4)을 가진 교대층의 다층 광학 구조를 나타내는 간섭 광학 필터 층이 그 내부에 있는 코어(8) 및 클래딩(9)을 구비하는 광섬유를 포함하는 간섭 광학 필터를 나타낸다. 다층 광학 구조의 양측 상에, 전기 도전성 물질층(2)이 있다. 이들 두 도전성층에 제어전압이 인가된다. 상기 교대층의 두께는 다음의 관계 L=m*λ/(4*n)를 만족하며, 여기서 m은 홀수를 나 타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 대응하는 굴절률(n_L, n_H)을 나타낸다. 이러한 필터는 동작 파장에 대해 최대 반사율을 보인다. 각각의 교대층의 굴절률이 변화하는 결과로서, 인가된 전압은 교대층 내에 전계를 유발하고, 따라서 최대 반사율을 보이는 필터에 대한 동작 파장도 역시 변화한다.

도 9는 낮은 굴절률층(3) 및 높은 굴절률층(4)을 가진 교대층의 다층 광학 구조를 나타내는 간섭 필터 층이 그 내부에 있는 코어(8) 및 클래딩(9)을 구비하는 광섬유를 포함하는 간섭 광학 필터를 나타낸다. 도 8에 도시된 것과의 차이점은 교대층이 경사져 있다(즉, 이들 층에 대한 법선 방향이 광섬유 축과 0∼90°의 실수각을 이룬다)는 점이다. 이 경우, 반사파는 광섬유 밖으로 향한다. 이러한 필터는 레이저 또는 광학 증폭기의 출력 구경(aperture)에 사용될 수도 있다. 반사파가 광학 신호원으로 돌아가지 않기 때문에, 이러한 필터는 자발적인 여기에 대항하는 광학 시스템의 안정성을 증가시킨다.

도 10은 낮은 굴절률층(3) 및 높은 굴절률층(4)을 가진 교대층의 제1 다층 광학 구조가 그 내부에 있는 코어(8) 및 클래딩(9)을 구비하는 광섬유를 포함하는 제어 가능항 간섭 광학 필터를 나타낸다. 제1 다층 구조 뒤에는 도전성 광학 투명 물질층(2)이 있으며, 그 뒤에는 낮은 굴절률을 가진 물질층(7)이 있다. 또한, 거기에 제2 도전성 투명물질층(2)과 낮은 굴절률 물질과 높은 굴절률 물질의 교대층의 제2 다층 광학구조가 형성된다. 교대층의 두께는 도 8 및 도 9에 나타낸 예와 동일한 관계를 만족한다. 층(7)의 두께는 L=m*λ/(2*n)인 조건으로 선택되며, 여기서 m 은 짝수를 나타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 층(7)의 굴절률을 나타낸다. 이러한 필터에 있어서의 층의 두께는 필터의 동작 파장에 대해 최대 투과율을 제공하기 위한 조건에서 선택된다. 도전성층(2)에 인가되는 제어전압은 층(7) 물질의 굴절률을 변화시키며, 필터의 투과대역의 변화로 이어진다. 제2 다층 광학 구조에서의 층의 순서는 제1 다층 광학 구조에서의 층의 순서와 반대이다. 따라서, 도 10은 다음의 층 순서 H-L-H-L-H-E-2L-E-H-L-H-L-H를 가진 필터를 나타내며, 여기서 H는 높은 굴절률을 가진 층을 표시하며, L은 낮은 굴절률을 가진 층을 표시하고, E는 전기도전층을 표시한다.

도 11은 도 10에 도시된 것과는 전기 도전성 물질층(2)의 배치가 상이한 간섭 광학 필터를 나타낸다. 일반적으로, 도전성 물질층은 임의로 배치될 수도 있다. 이들 사이에 생성된 전계가 필터의 전자광학 물질 층을 투과하고, 그 굴절률을 변화시키고 필터의 광학특성을 제어하는 것은 필수적이다.

도 13, 도 14 및 도 15는, 도 10, 도 11 및 도 12에 도시된 필터와는 층의 순서가 다른 제어 가능한 간섭 광학 필터를 나타내는 것으로서, L-H-L-H-L-E-2H-E-L-H-L-H-L(도 13), E-L-H-L-H-L-2H-E-L-H-L-H-L(도 14), 및 E-L-H-L-H-L-2H-E-L-H-L-H-L(도 15)이고, 여기서 H는 높은 굴절률을 가진 층을 표시하며, L은 낮은 굴절률을 가진 층을 표시하고, E는 전기도전층을 표시한다.

도 16은 낮은 굴절률층(3)과 높은 굴절률층(4)을 가진 교대층의 다층 광학 구조를 나타내는 층이 그 버트엔드상에 있는 코어(8) 및 클래딩(9)을 구비하는 광섬유를 포함하는 제어 가능한 간섭 광학 필터를 나타낸다. 다층 광학 구조의 양측 상에는, 도전성 물질층(2)이 있다. 이들 두 도전성층에 제어전압이 인가된다. 상기 교대층의 두께는 다음의 관계 L=m*λ/(4*n)를 만족하며, 여기서 m은 홀수를 나타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 대응하는 굴절률(n_L 또는 n_H)을 나타낸다. 이러한 필터는 동작 파장에 대해 최대 반사율을 보인다. 인가된 전압은 교대층 내에 이들 층에 이용되는 전자광학 물질의 굴절률을 변화시키는 전계를 유발하고, 따라서 최대 반사율을 보이는 필터의 동작 파장의 변화로 이어진다.

도 17은 낮은 굴절률층(3)과 높은 굴절률층(4)을 가진 교대층의 다층 광학 구조를 나타내는 간섭필터 층이 그 경사진 버트엔드상에 있는 코어(8) 및 클래딩(9)을 구비하는 광섬유를 포함하는 제어 가능한 간섭 광학 필터를 나타낸다. 이 경우, 광섬유로부터 반사파가 방출된다. 다층 광학구조의 양측 상에는 도전성 물질층(2)이 있다. 이들 두 도전성층에 제어전압이 인가된다. 이러한 필터는 레이저 또는 광학 증폭기의 출력 개구에 사용될 수도 있다. 상기 반사파는 광학 신호원으로 되돌아가지 않기 때문에, 이러한 필터는 자발적인 여기에 대항하는 광학 시스템의 안정성을 증가시킨다.

도 18은 낮은 굴절률층(13)과 높은 굴절률층(14)을 가진 교대층의 제1 다층 광학 구조로 피복되어 있는 제1 원통형의 도전성 투명 물질층(11)이 그 클래딩 상에 있는 코어(8) 및 클래딩(9)을 구비하는 광섬유를 포함하는 제어 가능한 간섭 광학 필터를 나타낸다. 제1 다층 구조는 중간의 원통형의 낮은 굴절률을 가진 물질층(12)으로 덮여져다. 중간층(12)상에 낮은 굴절률층과 높은 굴절률층을 가진 교대층 의 제2 다층 광학 구조가 형성된다. 제2 다층 구조는 제2 도전성층(11)으로 교대로 덮여져 있다. 원통형 교대층의 두께는 L=m₁*λ/(4*n)의 관계를 만족하며, 여기서 m₁은 홀수를 나타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 대응하는 굴절률(n_L 또는 n_H)을 나타낸다. 층(12)의 두께는 L=m₂*λ/(2*n)인 조건에서 선택되며, 여기서 m₂은 짝수를 나타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 층(12)의 굴절률을 나타낸다. 이러한 필터에 있어서의 층의 두께는 필터의 동작 파장에 대해 최대 투과율을 제공하도록 선택된다. 도전성층(11)에 인가된 제어전압은 층(12)의 굴절률을 변화시키며, 필터의 투과대역의 변동으로 이어진다. 제2 다층 광학 구조에서의 층의 순서는 제1 다층 광학 구조에서의 층의 순서와 반대이다. 따라서, 도 18은 다음의 층 순서 E-H-L-H-2L-H-L-H-E를 가진 필터를 나타내며, 여기서 H는 높은 굴절률을 가진 층을 표시하며, L은 낮은 굴절률을 가진 층을 표시하고, E는 전기도전층을 표시한다. 도전층에 인가되는 동작 전압은 필터의 투과 파장을 이동시킨다.

도 19는 낮은 굴절률층(3)과 높은 굴절률층(14)을 가진 교대층의 제1 다층 광학 구조가 그 상단에 있는 제1 도전성 투명 물질층(2)이 그 클래딩의 평평한 연마된 표면 상에 있는, 코어(8) 및 클래딩(9)을 구비하는 D자형상의 광섬유를 포함하는 제어 가능한 간섭 광학 필터를 나타낸다. 제1 다층 구조 뒤에 중간의 낮은 굴절률을 가진 물질층(7)이 있다. 또한, 거기에는 낮은 굴절률층과 높은 굴절률층을 가진 교대층의 제2 다층 광학 구조 및 제2 도전성 투명 물질층(2)이 있다. 원통형 교대층의 두께는 L=m₁*λ/(4*n)의 관계를 만족하며, 여기서 m₁은 홀수를 나타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 대응하는 굴절률(n_L 또는 n_H)을 나타낸다. 층(7)의 두께는 L=m₂*λ/(2*n)인 조건에서 선택되며, 여기서 m₂은 짝수를 나타내며, λ는 필터의 동작 파장을 나타내며, n은 층(7)의 굴절률을 나타낸다. 이러한 필터에 있어서의 층의 두께는 필터의 동작 파장에 대해 최대 투과율을 제공하는 조건에서 선택된다. 도전성층(2)에 인가되는 제어전압은 층(7)의 굴절률을 변화시키며, 필터의 투과대역의 변동으로 이어진다. 제2 다층 광학 구조에서의 층의 순서는 제1 다층 광학 구조에서의 층의 순서와 반대이다. 따라서, 도 19은 다음의 층 순서 E-H-L-H-2L-H-L-H-E를 가진 필터를 나타내며, 여기서 H는 높은 굴절률을 가진 층을 표시하며, L은 낮은 굴절률을 가진 층을 표시하고, E는 전기도전층을 표시한다. 도전층에 인가되는 동작 전압은 필터의 투과 파장을 이동시킨다.

일실시형태에 있어서, 본 발명의 간섭 광학 필터는 적어도 하나의 편광층, 및/또는 적어도 하나의 위상이동층(phase-shifting layer), 및/또는 적어도 하나의 정렬층, 및/또는 적어도 하나의 보호층, 및/또는 적어도 하나의 거울- 또는 확산반사층, 및/또는 상기 층들 중에서 적어도 2개의 임의의 조합으로서 동시에 기능하는 적어도 하나의 층을 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 간섭 광학 필터는 DC 및/또는 AC 전압 하에 있는 적어도 한쌍의 전극을 포함한다. 간섭 광학 필터의 실시형태는, 광선의 투과를 허용하도록 적어도 하나의 투명 윈도우를 가지는, 적어도 하나의 전극의 적어도 일부가 광학 불투명 물질로 형성되는 것이 가능하다.

도 20은 코어(8)와 클래딩(9)을 구비하는 광섬유 및 제어 가능한 간섭 필터를 포함하는 제어 가능한 광학소자를 나타낸다. 광섬유와 필터 사이에 마이크로렌즈(15)가 있다. 예컨대, 굴절률의 포물선모양 분포를 가진 마이크로렌즈(15)는 광선을, 간섭필터에 의한 양호한 상호작용에 필요한 평행한 광선으로 퍼지도록 동작한다. 렌즈(15)의 중심은 섬유의 광학축과 일치하도록 정밀하게 배치되어야 한다. 통상적으로, 섬유에 대해 렌즈를, 섬유를 관통하여 광학 신호의 최대 투과를 보이는 위치로 이동시킴으로써, 렌즈를 결정할 수 있고, 섬유에 대한 그 위치의 렌즈를 에폭시 아교를 사용하여 부착할 수 있다. 섬유 위에 렌즈를 고정하기 위해 기계적인 클램프를 사용할 수도 있다. 이 광학소자에서의 제어 가능한 간섭필터는 대역 투과뿐만 아니라 대역 반사할 수도 있다. 게다가, 다층 광학 구조는 상부 또는 하부 파장의 광 신호만을 투과하도록 최적화될 수 있다. 이 경우, 제어전압은 필터의 동작 파장을 제어한다.

도 21은 코어(8)와 클래딩(9)을 구비하는 길이 L의 광섬유 세그먼트와, 상기 광섬유 세그먼트의 대향되는 버트엔드 상에 생성된 2개의 제어 가능한 간섭필터를 포함하는 광섬유 소자를 나타낸다. 이 필터는 넓은 파장영역의 광학 방사에 대해 거의 완벽한 반사기로서 동작하도록 설계될 수 있다. 이러한 광학소자는 단일모드 섬유를 사용한다면, 파브리-페로 간섭계로서 기능할 수도 있다. 이러한 간섭계의 코어의 광학 경로 길이는, 광섬유를 구부리거나, 섬유를 가열하거나, 섬유에 음향파로 영향을 주거나, 또는 자계나 전계에 섬유를 두는 방법 등의 여러가지 방법을 통해 변화될 수 있다. 따라서, 필터를 통해 전파되는 간섭성 광 신호를 변조할 수 도 있다. 게다가, 2개 이상의 파의 다중모드 광섬유 신호를 사용할 때, 상술한 광학 신호의 광 경로의 차이로 인해, 파브리-페로 간섭계로 수행되는 것과 동일한 방식으로, 파장 λ₁, λ₂, … λ_I은 이러한 필터에 의해 공간적으로 분리될 수도 있다. 협대역 반사필터에 대해서도 유사한 구성을 사용할 수 있다.

도 22에 도시된 바와 같이, 광원(16)은 간섭성 또는 비간섭성 광 신호를 발생할 수 있다. 이 광 신호는 몇몇 광섬유 시스템에 입사된다. 각 섬유의 버트엔드 상에 제어 가능한 간섭필터가 있다. 각 필터는 그 개개의 파장에 맞춰지며, 필터에 인가된 전계에 의해 변화될 수도 있다. 이러한 소자는 여러가지 각각의 컬러의 광학 신호를 다파장 광원 밖으로 추출하도록 한다.

도 23은 코어(8) 내부에 100∼600㎛ 주기를 가진 격자(17)가 있는 광섬유에 기초한 제어 가능한 간섭 광학필터를 나타낸다. 이러한 격자는, 필드(field)가 섬유의 코어 중심에 집중되며 섬유의 코어에 의해 가이드되는 기본적인 모드 또는 기타 모드에서 전파되는 광학 방사를 섬유의 클래딩에서 전파하는 클래딩 모드 중 하나로 변환한다. 격자는 또한 그 반대로도 기능하며, 즉 클래딩 모드의 방사를 도파관의 코어로 가이드되는 기본적인 모드 또는 기타 모드로 변환하기도 한다. 이 격자는 위상 동기로 인해 코어 모드와 클래딩 모드 사이에 유효한 통신을 제공한다. 따라서, 이러한 격자는 광섬유의 클래딩 표면상에 형성된 간섭필터에 의해 광의 상호작용을 향상시킨다. 결정 박막은 높은 광학 이방성을 보이기 때문에, 이 소자는 여러가지 편광을 가진 광 모드를 선택할 수 있다. 게다가, 결정 박막은 전계 강도 에 대한 흡수율의 의존성을 보이기 때문에, 이러한 소자는 흡수 변조(modulating absorption)를 통해 임의 파장을 가진 광의 변조를 가능하도록 한다.

도 24는 간섭 광학 필터를 나타낸 것으로서, 광섬유의 코어(8)에 생성된 두 격자(17)가 있고, 전극(2)을 가진 교대층(3,4)의 활성 다층 시스템이 클래딩(9) 외측의 그들 사이에 생성되어 있다. 여기서, 제1 격자는 임의 광 모드를 추출하여 그들을 클래딩으로 전달하며, 제2 격자는 그들을 코어로 다시 전달한다. 필터의 활성 다층 시스템은 코어를 통해 전파된 광에 영향을 미친다. 전술한 예와 유사하게, 결정 박막이 전계 강도에 대한 흡수율 의존성을 보이기 때문에, 이 소자는 흡수를 조정하여 선택 파장의 광을 변조하도록 하며, 또는 그 투과율을 조정하여 필터의 반사율을 조정함으로써 선택 파장의 광을 변조하도록 한다. 이 경우, 결정 박막이 이방성이기 때문에, 그 편광에 의존하는 광의 변조도 가능하다.

도 25는 도 23 및 도 24에 도시된 소자의 조합을 나타내는 제어 가능한 전자광학 소자를 나타낸다.

하기 표 1은 1550nm 파장용으로 설계된 반사형 간섭 광학 필터의 층들의 특성을 요약한다. 광선이 법선을 따라 (0Z축을 따라) 층(1)으로 입사한다고 가정한다. 이방성 결정 박막(TCF; anisotropic thin crystal film)을 표시하는 이방성 전자광학 물질층의 주요 광학 축은, 0X축(굴절률 n=2.0)을 따라 그리고 0Y축(굴절률 n=1.6)을 따라 위치한다. 필터의 광학 물질층은 0Z축에 수직으로 평평하게 배치된다고 가정한다. ITO층은 필터의 광학특성을 제어하기 위해 사용되는 전극을 표시한다.

1550nm 파장용으로 설계된 반사형 간섭 광학 필터의 층들의 특징

층 개수	물질	굴절률		두께, nm
		0X축을 따라	0Y축을 따라
1	SnO2	2.0		193.75
2	ITO	1.76		220.17
3	SnO2	2.0		193.75
4	TCF	2.0	1.6	246.19
5	SnO2	2.0		193.75
6	TCF	2.0	1.6	246.19
7	SnO2	2.0		193.75
8	TCF	2.0	1.6	246.19
9	SnO2	2.0		193.75
10	TCF	2.0	1.6	246.19
11	SnO2	2.0		193.75
12	TCF	2.0	1.6	246.19
13	SnO2	2.0		193.75
14	TCF	2.0	1.6	246.19
15	SnO2	2.0		193.75
16	TCF	2.0	1.6	246.19
17	SnO2	2.0		193.75
18	TCF	2.0	1.6	246.19
19	SnO2	2.0		193.75
20	TCF	2.0	1.6	246.19
21	SnO2	2.0		193.75
22	TCF	2.0	1.6	246.19
23	SnO2	2.0		193.75
24	ITO	1.76		220.17
25	SnO2	2.0		193.75
26	기판	1.46		4000

도 26은 선형 편광의 일반적인 입사에서 기판에 대한 보정없이 다층 시스템의 반사율의 스펙트럼 특성을 도시한다. 도 26에 나타낸 곡선은 x축에 대한 편광 벡터의 여러가지 각도 배향Φ : 1) φ=0°; 2) φ=30°; 3) φ=60°; 4) φ=90°에 대응된다.

도 26에 따르면, y축을 따라 편광되는 광(곡선 4)은 다층 시스템에 의해 완전히 반사된다. x축을 따라 편광된 광에 대한 반사율(곡선 1)은 파장에 의존하며, 파장 λ=1533nm에서 그 최소값인 3×10^-5에 도달한다. 따라서, 이 파장에 대한 투과율은 일(unity)에 가까워진다. 이들 데이터는 다층 시스템이 편광자로서 거동한다는 것을 보여준다.

도 27에 도시된 바와 같이, 기판은 반사광의 스펙트럼에 영향을 미치며, 그 최대 편광 정도를 감소시킨다. 도 27은 두께 4mm를 가진 기판의 존재시에 선형 편광에 대한 파장의 반사율의 의존성을 도시한다. 도 27에 나타낸 곡선은 x축에 대한 편광 벡터의 다른 각도 배향Φ : 1) φ=0°; 2) φ=30°; 3) φ=60°; 4) φ=90°에 대응된다. 계산에 사용된 스펙트럼 성분의 역 가간섭성 길이(inverse coherence length)는 Δλ/λ²=0.002㎛^-1이다.

도 28은 두께 4mm를 가진 기판의 존재시에 편광되지 않은 광을 사용한 경우의 파장에 의존하는 투과율 및 반사율을 도시한다. 명백하게, 투과광은 전체 스펙트럼 영역에 x축을 따라 선형으로 편광되며 0.94 이상의 편광정도를 가진다. 파장 λ=1533nm에 대해, 투과율은 0.45 이상으로 두드러진다. 최악의 경우(예컨대, λ=1580∼1600nm에서), 투과율은 0.3 이상이며, 편광 정도는 대략 0.94이다. 반사광은 y축을 따라 선형으로 편광된다(편광 정도는 λ=1533nm에 대해 0.87에 도달되고 λ=1600nm에 대해 최소값 0.4로 감소된다).

본 발명의 범위를 한정할려는 의도없이 현상의 기계적 메커니즘을 설명하기 위해 다층 시스템의 간략화된 구성이 제공된다. 21개 층을 포함하는 다층 시스템이 고려된다: (1)<PI>(2)<TCF>(3)<PI>(4)<TCF>…(19)<PI>(20)<TCF>(21)<PI>. 각 층의 두께는 약 0.2㎛이므로, 다층 시스템의 전체 두께는 약 4.2㎛이다. <PI>는 굴절률 1.6을 가진 폴리이미드의 광학 이방성 층을 의미하며, TCF의 낮은 굴절률 값에 대응된다. 효과를 향상시키기 위해, TCF의 높은 굴절률 값이 2.4이라고 가정한다. 그리고 나서, x축을 따라 0.4㎛ 주기를 가진 굴절률의 공간 변조가 있으며, y축을 따라 매질이 균질해진다. x편광에 대한 이 시스템의 투과 및 반사 신호의 스펙트럼이 도 29에 도시되어 있다. 1400∼1900nm의 파장범위내에서 100% 반사 대역이 있다. 이 효과는 그 나선의 피치에 의해 결정되는 선택적인 반사율 범위를 특징으로 하는 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal)으로 관찰되는 것과 유사하다. 그 차이는 콜레스테릭의 경우에 반사광이 원형 편광을 가지는 점이고, 본 발명에 있어서, 반사광은 선형 편광을 가진다.

콜레스테릭을 가진 경우와 유사하게, 선택적인 반사율 범위 폭은 다음과 같다.

여기서, Δn=n_{X , TCF}-n_{x ,PI}=2.4-1.6=0.8이며, λ_m은 선택된 반사율 범위의 파장을 의미한다.

매질이 y축을 따라 균질하기 때문에, 파장이 선택된 반사율 범위내에 있을 때, y편광은 이 시스템에 의해 완전히 투과되며, x편광은 간섭필터에 의해 반사된다. 층 개수의 증가는 선택된 반사율 범위내에서 반사율의 스펙트럼 의존성을 평평하게 하며, 그 반사율 값은 일(unity)에 매우 가깝게 된다.

표 2는 λ=1550nm용으로 역시 설계된 대역투과 광학 필터의 층들의 특징을 나타낸다. 전술한 경우와 유사하게, 광선이 법선을 따라 (0Z축을 따라) 층(1)으로 입사한다고 가정한다. 이방성 결정 박막의 주요 광학 축은, 0X축(굴절률 n=2.0) 및 0Y축(굴절률 n=1.6)을 따르며, 나머지 층들은 이방성이다. ITO의 층들은 필터의 광학 특성이 제어되는 전극을 나타낸다. 필터의 광학 물질층은 0Z축에 수직으로 평평하게 배치된다고 가정한다. 입사광의 편광의 4가지 경우에 대해 그리고 1500∼1600nm 파장 범위에 대해 산출된 파장에 대한 이 광학 구조의 반사율 의존성이 도 30 및 도 31에 도시되어 있다. 필드(field) 벡터가 평면 X0Y내에 놓여진다. 도 30 및 도 31은 편광 φ=0°, 30°, 60°, 90°의 경우를 도시하며, 여기서 φ는 0X축과 광파의 전계 벡터 사이의 각도를 의미한다.

1550nm 파장용으로 설계된 대역투과 광학 필터의 층들의 특성

층 개수	물질	굴절률		두께, nm
		0X축을 따라	0Y축을 따라
1	TiO2	2.3		168.48
2	SiO2	1.43		270.98
3	TiO2	2.3		168.48
4	SiO2	1.43		270.98
5	TiO2	2.3		168.48
6	ITO	1.76		220.17
7	TCF	2.0	1.6	387.5
8	ITO	1.76		220.17
9	TiO2	2.3		168.48
10	SiO2	1.43		270.98
11	TiO2	2.3		168.48
12	SiO2	1.43		270.98
13	TiO2	2.3		168.48

표 2에 도시된 필터는 도 30에 도시된 바와 같이 x축을 따른 편광에 대한 파장의 별개의 선택 범위에 의해 특징지워진다. 도 30에서의 곡선(1-4)은 x축에 대한 편광의 상이한 각도 배향Φ : 1) φ=0°; 2) φ=30°; 3) φ=60°; 4) φ=90°에 대응된다. 곡선 5는 편광되지 않은 광에 대응된다. 반사율의 최저값은 파장 1550nm에 대해 대략 3%이다. 직교 편광에 대해, 반사율은 대략 95%이다. 따라서, 필터는 1550nm와 동일한 파장에 대해 양호한 편광자로서 작용한다. 파장 1555nm에 대한 편광 정도는 0.93이다.

이방성 결정 박막(TCF)의 굴절률은 전계 강도에 민감하기 때문에, 표 2에 나타낸 필터의 작동 범위를 제어할 수 있다. 도 31은 이방성 결정 박막의 굴절률의 x성분이 2(곡선1)로부터 1.95(곡선 2)로 변화할 때의 스펙트럼 변화를 나타낸다. 광학 간섭 필터의 스펙트럼 특성은 전계에 의해 제어된다는 것은 명백하다.

(실시예) : 술폰화 인단트론의 리오트로픽 액정(LLC)으로부터 전자광학 이방성 결정 박막의 제조

간섭 광학 필터의 이방성 물질 층 및 전극의 제조는 표준 제조기술을 이용하여 수행되었다. 그러므로, 기판, 전극 및 이방성 층의 제조에 대한 설명은 생략한다. 상술한 발명에서의 하나의 주요 취지는 이방성 결정 박막의 제조 방법이었다.

이방성 결정 박막의 제조 방법은 실온에서 육각형 위상을 형성하는 9.5%의 술폰화 인단트론 수용액을 사용하였다. 용액내에는, 이 유기 염료 분자가 이방성 초분자 복합체로 모아졌다. 이들 복합체는 막의 결정구조에 대한 토대로서 작용하였다. 직접 붓기(pouring) 및 바르기(smearing)를 이용하여 Si-유리 기판상으로 정제(purification)후의 원래의 잉크를 도포하였다. 그후, 어떤 종류의 외부 영향에 의해 콜로이드계의 점도를 감소시켰으며, 이는 다음 정렬을 수행하는데 필요하다. 이때, 용액은 네마틱(nematic) 위상 또는 네마틱 및 육방 위상의 혼합물을 형성하였다. 시스템의 점도는 1780mPa/sec∼250mPa/sec로 감소되었다. 시스템의 점도를 감소시키는 조건하에서만, 양호한 품질을 가진 이방성 결정 박막을 얻을 수 있다.

다음 작업은 LLC의 콜로이드계의 운동유닛을 정렬하는 공정이었다. 각종 정렬도구를 사용하여 이 작업을 수행할 수 있었다. 이 실시예에서는, 직경 9.5mm를 가지며 와이어로 감겨진 정렬 원통형 마이어 로드 4(Mayer rod 4)를 사용하였다. 로드의 직경은 습윤층의 두께를 결정하였다. 정렬 작용을 수행하는 동안, 로드는 13mm/sec로 이동하였다. 로드의 이동에 의한 전단응력은 시스템의 점도의 부가적인 감소로 이어졌다.

다음 작업은 건조 공정이었다. 이 공정에 대한 요구조건은, 보다 쉬운 정렬 구조를 손상시키는 것을 방지하기 위해 용매의 제거 속도가 천천히 진행해야만 한다는 점이다. 이 실시예에서, 실온 60% 습도에서 건조를 수행하였다.

이상의 제조기술의 결과는, 막의 영역에 걸쳐서 뿐만 아니라 한 군데에서 다른 곳으로 파라미터의 양호한 재현 가능성을 보이는, 광학적 전기적 특성의 높은 이방성 정도를 가지는 두께 0.3∼0.4㎛를 가진 이방성 결정 박막이었다.

발명의 상술한 특정 실시형태의 기재는 설명을 목적으로 이루어졌다. 이것은 본 발명을 상술한 정확한 형태로 한정하려고 하는 의도는 아니며, 이상의 내용을 감안하여 여러가지 수정, 실시형태, 및 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (27)

1. 외부 전계 강도에 의존하는 값인 실수 및/또는 허수의 굴절률을 각각 가지는 다층을 포함하는 간섭 광학 필터로서,

   각 층의 굴절률과 두께 및 그 조합은 입사광의 적어도 하나의 편광에 대해 스펙트럼의 적어도 하나의 영역에서 간섭성 극(極)값을 제공하도록 선택되며,

   적어도 한 층은 전자광학 물질로 이루어지며, 상기 전자광학 물질은 이방성이고 적어도 하나의 방향족 유기물질로 이루어지며, 상기 방향족 유기물질의 분자 또는 분자 조각은 평평한 구조를 가지며, 상기 적어도 한 층의 적어도 일부는 광학축의 하나를 따라 3.4±0.2Å의 분자간 간격을 가진 결정구조를 가지는 간섭 광학 필터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이방성 전자광학 물질의 적어도 한 층은 2가 및 3가 금속 이온으로 취급되는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 방향족 유기물질의 분자는 헤테로고리를 함유하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이방성 전자광학 물질의 적어도 한 층은 적어도 하나의 이색성 염료(dichroic dye)에 기초한 리오트로픽(lyotropic) 액정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이방성 전자광학 물질의 적어도 한 층은 하기 관계를 만족하는 복소 굴절률의 허수부(K₁, K₂, K₃)와 실수부((n₁, n₂, n₃)를 가지는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.

   K₁ ≥ K₂ ≥ K₃,

   (n₁+n₂)/2 > n₃
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 간섭 필터의 층은 평평한 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 간섭 필터의 층은 이차원(second order)의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   적어도 하나의 확산- 또는 거울 반사 기판, 또는 광학 투명 물질로 이루어진 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 기판은 유리 및/또는 석영, 및/또는 결정질 또는 비결정질인 고분자 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

    적어도 하나의 평면형 또는 원통형 광학 도파관의 측벽면이 상기 필터용 기판으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

    적어도 하나의 광학 도파관의 적어도 하나의 버트엔드(butt-end)면이 상기 필터용 기판으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 광학 도파관은 단일모드인 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 광학 도파관은 다중모드인 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 광학 도파관은 적어도 하나의 코어(core)와, 상기 적어도 하나의 코어의 굴절률 보다 작은 굴절률을 가지는 하나 이상의 클래딩(cladding)을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
15. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

    적어도 하나의 광학 D자 형상의 도파관의 평평한 측면이 상기 필터용 기판으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
16. 제 1 항 내지 제 6 항 또는 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 필터는 도파관의 축에 대해 0 내지 90 도의 각도로 기울어져 있는 적어도 하나의 광학 도파관의 적어도 하나의 버트엔드 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

    적어도 하나의 편광층, 및/또는 적어도 하나의 위상이동층(phase-shifting layer), 및/또는 적어도 하나의 정렬층, 및/또는 적어도 하나의 보호층, 및/또는 적어도 하나의 거울- 또는 확산-반사 층, 및/또는 상기 층들 중에서 적어도 두개의 임의의 조합으로서 동시에 기능하는 적어도 한 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
18. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

    DC 및/또는 AC 전압하에 있는 적어도 한 쌍의 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 전극의 적어도 일부는 광학 투명 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 전극의 적어도 일부는 광선에 투명한 적어도 하나의 윈도우(window)를 구비하는 광학 불투명 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 한 쌍의 전극은 적어도 하나의 전자광학 물질층의 대향 표면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 한 쌍의 전극은 적어도 하나의 전자광학 물질층의 일면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
23. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 한 쌍의 전극은 적어도 하나의 전자광학 물질층의 적어도 하나의 버트엔드 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
24. 제 18 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 한 쌍의 전극은 적어도 하나의 전자광학 물질층의 상이한 버트엔드 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
25. 제 18 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 전자광학 물질층은 상기 적어도 한 쌍의 전극에 속하는 적어도 하나의 전극과 전기접촉을 가지지 않으며, 이 전극쌍에 인가되는 전압은 상기 전자광학 물질층에 전계를 생성하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
26. 제 14 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광학 도파관의 적어도 하나의 코어는 적어도 하나의 격자(grating)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.
27. 제 26 항에 있어서,

    상기 광학 도파관의 클래딩의 적어도 일부에 형성되고, 상기 적어도 하나의 격자를 포함하는 코어의 적어도 하나의 영역으로 적어도 부분적으로 겹치는 것을 특징으로 하는 간섭 광학 필터.

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